基于RFID的航天器AIT過程管理研究

魏鵬、張立偉、趙晶晶 /北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所

RFID(Radio Frequency Identif i cation)技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式全自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。與傳統(tǒng)的條碼技術(shù)相比，RFID技術(shù)在存儲(chǔ)信息量、環(huán)境適應(yīng)能力、讀寫方式和識(shí)別速度等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。RFID技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)為現(xiàn)代企業(yè)全生命周期管理提供了技術(shù)支撐，為信息流和數(shù)據(jù)流的有效同步提供了保證。

相對(duì)于其它制造、裝配行業(yè)，航天企業(yè)在生產(chǎn)和裝配過程中特別注重零部件的批次序列號(hào)管理、過程記錄和整個(gè)生命周期的信息管理、產(chǎn)品構(gòu)型和特殊狀態(tài)控制管理，這也是航天企業(yè)所應(yīng)用的制造執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)。目前，航天企業(yè)多采用直接在零部件、設(shè)備表面刻字的方式來進(jìn)行標(biāo)識(shí)，對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)的控制完全依據(jù)人力。而RFID可以儲(chǔ)存產(chǎn)品在生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收、安裝、測試等全部過程中的質(zhì)量信息等，并可對(duì)產(chǎn)品位置、狀態(tài)進(jìn)行追蹤和信息交互，包括其它具

有生命周期的部件，如保持工裝也是安裝RFID標(biāo)簽的理想部件，可以包含工裝標(biāo)檢、復(fù)驗(yàn)等信息，以及使用年限等重要的質(zhì)量參數(shù)，以確保質(zhì)量可靠。當(dāng)產(chǎn)品不處于聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)同步，RFID可以將產(chǎn)品信息以日志（安全加密）的形式存儲(chǔ)于標(biāo)簽中，并通過近距離有線方式讀取出來。通過應(yīng)用RFID標(biāo)簽，可以使質(zhì)量控制對(duì)產(chǎn)品的復(fù)查貫穿整個(gè)總裝過程，以保持信息的有效性和及時(shí)性。

一、RFID的工作原理、分類及特點(diǎn)

1.工作原理

一套完整的RFID系統(tǒng)（見圖1）是由閱讀器、天線、電子標(biāo)簽以及計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)4個(gè)部分組成。其中，標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；閱讀器是讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備；天線用于在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)；計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別并與管理信息系統(tǒng)連接。

RFID的工作原理是利用電磁信號(hào)和空間耦合的傳輸特性實(shí)現(xiàn)對(duì)象信息的無接觸傳遞，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。由閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來看，大致可以分成感應(yīng)耦合和后向散射耦合2種，一般低頻的RFID大都采用第一種方式，而較高頻的RFID大多采用第二種方式。

2.分類

RFID依據(jù)頻率不同分為低頻、高頻、超高頻和微波4種，不同的頻率決定了標(biāo)簽不同的工作距離和不同的供電模式，其中供電模式分為被動(dòng)（無源）、半主動(dòng)（電池）、主動(dòng)（有源）3種。同時(shí)，數(shù)據(jù)的多重訪問認(rèn)證也與頻率息息相關(guān)，表1列舉了不同RFID標(biāo)簽的主要工作模式。

3.技術(shù)特點(diǎn)

圖1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成圖

表1 RFID標(biāo)簽的分類

與傳統(tǒng)的刻字銘牌方式，以及目前應(yīng)用較為廣泛的條碼標(biāo)簽對(duì)比（見表2），RFID標(biāo)簽因其使用中的自動(dòng)化以及將信息與實(shí)物的有效集成、同步，成為航天器AIT過程中狀態(tài)控制的基礎(chǔ)。RFID相對(duì)于傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)方式具有以下4個(gè)特點(diǎn)：

一是數(shù)據(jù)的傳輸不需要數(shù)據(jù)線，間隔一定距離即可識(shí)別，而且識(shí)別不需要人工干預(yù)，可避免差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。

二是無源RFID可以被探測器自動(dòng)探測，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)和運(yùn)輸過程的物品進(jìn)行監(jiān)控，從而發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)堵塞和物資供應(yīng)短缺；有源RFID可以主動(dòng)發(fā)送信號(hào)，用于數(shù)據(jù)采集和問題報(bào)警。

表2 不同標(biāo)簽方式對(duì)比

三是RFID不僅能起到標(biāo)識(shí)物品的作用，還具備信息存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)讀寫的能力，可以滿足生產(chǎn)和裝配過程中狀態(tài)信息的儲(chǔ)存需要。產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的信息可以被帶到裝配、測試環(huán)節(jié)，更換、維修記錄能夠被準(zhǔn)確定位。

四是RFID標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)一定的人機(jī)交互功能，在RFID標(biāo)簽里存儲(chǔ)參數(shù)信息后，可以在手持終端上輸入?yún)?shù)條件查詢RFID標(biāo)簽，滿足要求的RFID標(biāo)簽可以發(fā)光或發(fā)聲。

二、AIT狀態(tài)控制系統(tǒng)

手持終端與RFID的結(jié)合應(yīng)用，可以使手持終端不僅成為產(chǎn)品信息的采集者，還能成為產(chǎn)品信息的中轉(zhuǎn)站。操作者和檢驗(yàn)者通過使用手持終端，可以在遠(yuǎn)離桌面終端的地方進(jìn)行狀態(tài)信息的讀寫與更新，不需要來回往返查看產(chǎn)品信息系統(tǒng)。不管是通過安全加密的無線網(wǎng)絡(luò)連接，還是USB、RS232等物理接口的有線連接，手持終端均可以將采集到的流程與狀態(tài)信息和質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送到產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。作為離散裝配業(yè)的典型代表，航天企業(yè)應(yīng)用RFID技術(shù)方案的核心思想是在總裝AIT廠房內(nèi)部范圍，用RFID標(biāo)簽跟蹤產(chǎn)品AIT全過程。產(chǎn)品交付時(shí)攜帶有RFID電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽內(nèi)寫有該產(chǎn)品的全部生產(chǎn)信息。在AIT過程中，在每個(gè)裝配小區(qū)、測試工位上設(shè)置RFID電子標(biāo)簽天線，使用手持終端對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行AIT過程跟蹤與狀態(tài)控制。之后，通過手持終端或者工位PC，將過程關(guān)鍵信息錄入管理信息系統(tǒng)，進(jìn)而傳達(dá)給設(shè)計(jì)人員和管理人員。設(shè)計(jì)人員和管理人員既可以對(duì)關(guān)鍵過程進(jìn)行質(zhì)量和狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤，又可以根據(jù)實(shí)時(shí)變化的信息下發(fā)相應(yīng)的技術(shù)與調(diào)度方案，從而實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互。

2.產(chǎn)品信息流程與工作模式

產(chǎn)品生命周期信息在航天器研制中的具體流程為：首先，設(shè)計(jì)人員建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，定義產(chǎn)品標(biāo)識(shí)與原始數(shù)據(jù)，并給RFID標(biāo)簽寫入預(yù)分配設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；其次，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中添加生產(chǎn)過程信息，反映材料、加工精度、開機(jī)時(shí)間等生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)；然后，產(chǎn)品交付總裝，總裝檢驗(yàn)人員進(jìn)行總裝驗(yàn)收，添加總裝關(guān)注參數(shù)與信息；第四，在總裝階段根據(jù)總裝實(shí)施工作的不同，需要進(jìn)行多次產(chǎn)品狀態(tài)的更新，使用RFID標(biāo)簽對(duì)航天器關(guān)鍵部件、儀器設(shè)備等進(jìn)行標(biāo)記，通過手持終端對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行狀態(tài)信息，如安裝/拆除、點(diǎn)膠/測力、維修/更換/打保險(xiǎn)、插接次數(shù)等參數(shù)的標(biāo)記更新，從而確保產(chǎn)品的最新狀態(tài)；第五，在測試階段根據(jù)測試工作的不同，將產(chǎn)品測試報(bào)告的結(jié)論附加到RFID標(biāo)簽，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過文檔編號(hào)等方式添加在標(biāo)簽中；最后，全過程的數(shù)據(jù)都通過RFID天線實(shí)時(shí)傳遞到手持終端或工位PC機(jī)，再進(jìn)入信息管理系統(tǒng)，以便技術(shù)管理人員進(jìn)行參考分析。

總裝AIT過程有很多質(zhì)量檢驗(yàn)、專業(yè)測試、生產(chǎn)狀態(tài)變更的工作記錄，這些現(xiàn)場文檔完整記錄了航天器的總裝過程數(shù)據(jù)，反映了航天生產(chǎn)對(duì)追溯性的要求。雖然目前已經(jīng)開始使用信息管理系統(tǒng)進(jìn)行電子化記錄，但在質(zhì)量檢測過程中因受工況、時(shí)序等限制，無法使數(shù)據(jù)及時(shí)記錄在信息管理系統(tǒng)中。通過應(yīng)用RFID與手持終端，可在總裝現(xiàn)場完全舍棄紙質(zhì)記錄文檔的應(yīng)用，對(duì)于需要統(tǒng)計(jì)分析的檢測項(xiàng)目，檢測數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳遞給信息系統(tǒng)，并在信息的實(shí)時(shí)性與上下層溝通性上取得更好的效果。AIT過程的質(zhì)量記錄與反饋如圖3所示。

3.系統(tǒng)其它關(guān)注點(diǎn)

圖3 AIT過程的質(zhì)量記錄與反饋

輔助制造資源緩沖區(qū)。航天器總裝過程需要在AIT大廳內(nèi)部的不同工作單元之間進(jìn)行交接，在交接前后往往需要天車、叉車等生產(chǎn)工具，架車、轉(zhuǎn)臺(tái)等工裝設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。這些輔助制造資源常常在多型號(hào)并行工作時(shí)，或階段交接后被無效占用。對(duì)這些資源設(shè)置RFID標(biāo)簽后，可以在工作單元、小區(qū)等設(shè)置閱讀器，通過閱讀器監(jiān)控資源狀態(tài)，使得系統(tǒng)中的資源監(jiān)控和調(diào)度模塊能夠掌握每個(gè)物件在任意時(shí)刻的狀況，從而建立起一個(gè)資源的緩沖區(qū)，使待用資源可以隨時(shí)保證AIT全過程的使用。

產(chǎn)品狀態(tài)復(fù)查。在傳統(tǒng)的航天器生產(chǎn)和裝配模式中，需要檢驗(yàn)與操作人員通過人工檢查的方式在總裝各個(gè)階段進(jìn)行全面的狀態(tài)復(fù)查，以確?？煽浚@種檢查方式效率極低，并且存在遺漏風(fēng)險(xiǎn)。通過RFID標(biāo)簽的控制，可結(jié)合跟蹤目標(biāo)、產(chǎn)品以及人員等多方面信息實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過程的跟蹤記錄，確保將裝配質(zhì)量責(zé)任落實(shí)到人，并能防止錯(cuò)裝、漏裝等質(zhì)量問題的出現(xiàn)。

外廠信息集成。航天器的儀器設(shè)備及部組件往往來源于不同的廠所，通過采用統(tǒng)一的RFID編碼格式，可以將各廠所繁雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化集成，使之更好地應(yīng)用于總裝AIT過程。

基于RFID技術(shù)的航天器AIT狀態(tài)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)信息管理系統(tǒng)與總裝現(xiàn)場信息的有效集成和信息流動(dòng)，通過產(chǎn)品狀態(tài)信息的交互對(duì)生產(chǎn)全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新與反饋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的狀態(tài)控制。雖然航天企業(yè)因?qū)o線網(wǎng)絡(luò)的限制因素，使得RFID無法完全做到實(shí)時(shí)交互，但是在應(yīng)用了手持終端后，RFID技術(shù)作為現(xiàn)場信息的采集者，將在航天器總裝領(lǐng)域取得更大的突破，并且在推進(jìn)航天制造批生產(chǎn)化、自動(dòng)化，打造數(shù)字化總裝體系中發(fā)揮更加重要的作用?！?/p>