基于物聯(lián)網的航天產品裝配物流管理系統(tǒng)研究

陰亞政，薛善良，顧 永，劉玉廣

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016;2.南京航空航天大學計算機學院，江蘇 南京 210016;3.南京晨光集團有限責任公司，江蘇 南京 210006)

0 引言

航天產品裝配一般為單件、小批量裝配，其裝配自動化程度低，且零部件繁多、裝配工序較多，物料在裝配過程中的流動非常頻繁且呈離散狀態(tài)［1］。在現(xiàn)有的生產管理模式下，企業(yè)裝配生產中的物料狀態(tài)、物料行蹤等生產物流信息主要由手工采集，存在著手工錄入量大、信息滯后、效率低下等諸多問題。隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展和日漸成熟，物聯(lián)網在越來越多的企業(yè)開始得到推廣和應用。將物聯(lián)網技術應用于企業(yè)的裝配生產中的物流管理中，可以改善物料信息采集措施，提高物料信息的實時性和物流管理的效率。本文以某航天企業(yè)裝配生產為研究背景，研究基于物聯(lián)網的航天產品裝配物流管理系統(tǒng)。

1 裝配物流管理系統(tǒng)架構

當前，某航天企業(yè)的裝配物流管理主要采用傳統(tǒng)的人工紙質管理方式，雖然部分環(huán)節(jié)采用了條碼技術對物料進行標識，但總體上存在物料識別效率低、物料信息采集滯后、部門之間物料信息難以共享等問題［2］。為此，本文將物聯(lián)網技術應用到裝配物料管理中，構建裝配物流管理體系，以滿足物料快速識別、物料實時跟蹤、物流信息共享等應用需求。參照物聯(lián)網體系結構，本文構建的裝配物流管理總體架構如圖1所示，包括感知層、網絡層和應用層。

圖1 裝配物流管理系統(tǒng)架構

1)感知層。感知層包括多手段標識和多方式感知。其中，多手段標識通過條形碼和RFID等多種手段，對裝配生產所涉及的不同類型物料進行唯一標識;多方式感知則針對不同的標識，采用條碼掃描槍、RFID讀寫器等多種方式感知裝配物料狀態(tài)及行蹤。

2)網絡層。網絡層主要承擔信息的傳輸和通信功能，是銜接感知層和應用層的中間層［3］。裝配物流管理系統(tǒng)的網絡層基于企業(yè)現(xiàn)有的局域網搭建，增加適合物聯(lián)網通信的IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技術，確保感知層和應用層之間即時、穩(wěn)定、高效、安全的數據傳輸。

3)應用層。應用層對來自感知層和網絡層的實時裝配物料信息進行集中存儲和統(tǒng)一管理，實現(xiàn)物料庫存管理、物料配送管理、現(xiàn)場物流監(jiān)控管理等物流管理業(yè)務功能，并為MES、PDM、ERP等外圍系統(tǒng)提供集成接口，為裝配物流信息企業(yè)全局共享提供應用平臺。

裝配物流管理貫穿于從裝配生產前的物料準備至產品裝配完工入庫的全部物料流動過程，涉及的物料種類多和數量大［4］，需要對所有物流環(huán)節(jié)全部進行有效管控，同時需要裝配物流管理系統(tǒng)架構的各層支撐。本文重點探討其感知層和應用層的相關技術。

2 裝配物流感知

本文所描述的裝配生產是指航天產品的總裝，總裝是航天產品生產的最后步驟，主要包括分系統(tǒng)部裝和產品對接2個部分。分系統(tǒng)的部裝主要完成各功能艙段的內部儀器的安裝，主要包括動力系統(tǒng)安裝、操縱系統(tǒng)安裝、儀器設備安裝和電纜敷設等工序。產品對接時，除了連接各艙段間的電纜、導管、操縱機構和艙段外，還要安裝彈翼、尾翼、吊掛等附件。整個裝配過程涉及的物料種類多、數量大，要實現(xiàn)對裝配物料的實時感知，很難簡單地只采用一種信息標識方式和感知手段［5］。因此，在感知層，本文綜合應用條形碼與RFID對裝配物料進行多手段標識和多方式感知。

2.1 多手段標識

2.1.1 條形碼標識

1)條形碼標識對象的選擇。對裝配生產過程中涉及的如螺釘、螺帽、電纜、管路、墊片等數量大、體積小的物料采用物料容器進行批量儲存，打印含有此類物料編號、型號、批次等信息的條碼，并將條碼粘貼在物料容器外表，以此來實現(xiàn)對此類物料的條形碼批量標識。

2)條形碼制作。基于企業(yè)與ERP、MES、PDM等系統(tǒng)的集成需要以及計算機應用的要求，企業(yè)內部制作條形碼必須做到唯一、合理、規(guī)范、使用。為了方便條碼掃描器識別，條碼編碼不能過于冗長，應當盡量簡化。圖2所示為針對航天產品裝配制作的物料條碼，其中物料類別可以是電纜(M)或管路(H)。

圖2 物料條碼及含義

2.1.2 RFID 電子標簽標識

1)RFID電子標簽標識范圍。在進行部裝和對接過程中涉及的各類零部件、功能組件、殼體、彈翼等物料體積大、形態(tài)各異，且此類物料的實時狀態(tài)信息對裝配生產的物流管理起著很重要的支撐作用，本文對此類物料采用RFID電子標簽進行標識。在裝配開始前，根據生產計劃將各類物料的基本信息如零部件代碼、零部件批次代碼、型號代碼等寫入RFID電子標簽中，將RFID電子標簽與相關物料進行綁定并隨物料在裝配線進行流動，實現(xiàn)對此類物料的標識。

2)電子標簽編碼。裝配線上的RFID標簽分為基準標簽和零部件標簽，重要的連接件如殼體使用基準標簽，其他的零部件使用零部件標簽。裝配開始前為每一個零部件進行編碼，裝配結束后取下電子標簽進行回收，供下次裝配使用。如圖3所示為電子標簽編碼圖。

圖3 電子標簽編碼

2.2 多方式感知

1)條形碼感知技術。條形碼感知技術是利用光電掃描設備識讀經過一定編碼規(guī)則后的條碼符號，并準確快速地將數據錄入到計算機系統(tǒng)中進行數據分析與存儲。在裝配車間的每個工位處配置一臺條形碼掃描儀，當使用消耗物料時，工人使用條形碼掃描儀對物料容器條碼進行掃描，并輸入使用數量，以此來記錄物料的消耗情況。當線邊物料庫存低于系統(tǒng)設置的安全值時，系統(tǒng)發(fā)出信號提醒管理者，并對相關工位進行物料配送，保證各裝配工位不缺料，同時也不積壓過多的物料，保障裝配生產的正常運行。

2)無線射頻識別(RFID)感知技術。RFID是一種非接觸式的感知技術，它通過射頻信號自動識別感知對象并獲取數據信息，識別過程無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境下，能夠很好地實現(xiàn)對RFID標識物料的感知。在裝配車間的每個工位處配置固定式RFID讀寫器和一臺可以對RFID標簽進行讀寫操作的手持式移動設備。在裝配生產過程中，當攜帶RFID電子標簽的物料經過固定式RFID讀寫器的有效掃描區(qū)域時，讀寫器能夠自動讀取并存儲物料RFID電子標簽內的信息，通過對讀寫器進行編碼和定位實現(xiàn)對物料的定位和跟蹤。裝配工人在每道工序開始和結束時分別使用手持式移動設備對殼體等物料的基準標簽進行掃描，以記錄各工序的開工時間和完工時間。

3 裝配物流網絡

裝配物流管理系統(tǒng)的網絡層主要承擔著信息的傳輸和通信功能，是銜接感知層和應用層的中間層。網絡層是整個裝配物聯(lián)網體系的關鍵樞紐，它通過現(xiàn)場總線串行通信技術、無線通信技術、局域網絡等通信技術實時地在管理層與裝配車間進行數據的交互，以及將企業(yè)內不同的信息系統(tǒng)進行有效的連接，同時完成多源異構數據的融合處理，把有效的裝配物流管理數據儲存在數據庫中，為裝配物流管理系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)提供數據支撐。網絡層還提供Internet網絡管理功能，以便于遠程用戶可以通過瀏覽器完成對裝配車間的實時監(jiān)控。裝配物流管理系統(tǒng)的網絡支撐體系如圖4所示。

圖4 裝配物流管理系統(tǒng)網絡支撐體系

4 裝配物流應用

針對該企業(yè)航天產品裝配生產的特點和物料快速識別、物料實時跟蹤、物流信息共享等系統(tǒng)需求，航天產品裝配物流管理系統(tǒng)需能夠對裝配生產過程中的物料信息進行實時的感知、傳輸和共享，并能夠使管理者能夠高效地對裝配車間現(xiàn)場物流進行管理和控制。本文所開發(fā)的系統(tǒng)具有物料庫存管理、物料配送管理、現(xiàn)場物流監(jiān)控管理、裝配生產資源管理和集成接口5大功能模塊(如圖5所示)。以下是對各功能模塊的簡要描述。

圖5 裝配物流管理系統(tǒng)功能圖

1)物料庫存管理。貼有電子標簽的物料在進行出庫、移庫操作時，當物料進入倉庫固定RFID讀寫器掃描范圍時，讀寫器自動采集物料的標簽信息并傳送到裝配物流管理系統(tǒng)中進行存儲。物料在進行入庫操作時，供應商將物料運送至倉庫，倉庫管理人員核對采購單與所配送物料無誤后，將物料基本信息輸入電腦進行存儲，并同時制作條碼或RFID標簽對物料進行標識，最后進行入庫存儲。

2)物料配送管理。系統(tǒng)根據生產計劃等信息對裝配生產工位進行裝配開始前的物料配送，同時在裝配生產過程中結合系統(tǒng)獲取的實時感知數據，如物料消耗情況、在制品加工進度等數據信息計算出各工位物料的當前物料庫存量，若缺料，則立即對相應工位進行補料。通過在相應節(jié)點安裝RFID讀寫器來實時采集所配送物料的流動信息，實現(xiàn)對物料配送狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3)現(xiàn)場物流監(jiān)控管理。通過該模塊，管理人員可以實時地了解裝配生產現(xiàn)場的物流情況。通過裝配現(xiàn)場所感知的實時數據信息，訪問后臺相應的數據庫，該模塊可以顯示車間和工位的實時裝配生產物流管理情況以及在制品的分布情況、加工進度、操作工人、流轉及維修狀況等信息，并在出現(xiàn)質量問題時可以對產品生產過程的追溯，實現(xiàn)對產品質量的控制。

4)裝配生產資源管理。通過對裝配生產資源進行統(tǒng)一標識，管理者可以有效地對生產資源進行管理，同時還可以實時地了解現(xiàn)有生產資源的使用情況，以便于安排新的裝配任務和為設備維護提供參考依據。

5)集成接口。企業(yè)資源計劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、產品數據管理(PDM)是企業(yè)信息系統(tǒng)中與物料聯(lián)系最為緊密的3個信息系統(tǒng)。該模塊提供了裝配物流管理系統(tǒng)同其他系統(tǒng)集成的接口，如與MES系統(tǒng)的生產計劃管理、生產調度管理、人力資源管理、生產質量管理等模塊進行集成，這樣就可以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖6 工位物流監(jiān)控界面

航天產品裝配物流管理系統(tǒng)是基于J2EE技術架構和關系數據庫平臺搭建的，采用B/S網絡模式，通過運用Java、JSP等開發(fā)語言和Eclipse開發(fā)平臺開發(fā)實現(xiàn)了原型系統(tǒng)，從而為航天產品裝配生產物流管理提供了有效的信息管理工具。本文所開發(fā)的系統(tǒng)主要有物料庫存管理、物料配送管理、現(xiàn)場物流監(jiān)控管理、裝配生產資源管理和集成接口等功能模塊。圖6為系統(tǒng)的現(xiàn)場物流監(jiān)控管理模塊下的工位物流監(jiān)控界面。

6 結束語

本文以某航天企業(yè)裝配生產物流管理為研究對象，根據航天產品裝配生產的特點，提出了條碼和RFID在裝配生產物流管理過程中多手段標識和多方式感知的應用思路，對物聯(lián)網技術在航天產品裝配生產物流管理中的應用進行了初步研究，并進行相應原型系統(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了裝配生產物料管理的實時化、透明化，解決了裝配生產物流管理過程中生產物料品種多、數量大和物流管理復雜等問題，有效地提高了企業(yè)裝配生產過程中物流管理的效率，因此，本系統(tǒng)具有一定的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。隨著物聯(lián)網技術的進一步發(fā)展，世界上所有的物體都可以通過物聯(lián)網進行互動，這也為裝配制造企業(yè)的物流管理和在制品跟蹤控制提供了難得的機遇和強大的技術支持，但物聯(lián)網還存在著不夠安全、標準不統(tǒng)一、成本較高、技術不夠成熟等問題，要解決這些問題還需要進行更深入的研究和探索。

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