[论文]重庆大学硕士论文选题报告.doc

研究生文献综述及学位论文选题报告学 院 自动化学院 专 业 控制理论与控制工程 研究生姓名 常杰 学号 20081302059 学位级别 硕士学位 指导教师 孙棣华 教授、博导 入学年月 2008年9月 重庆大学研究生院填表日期 2010年1月11日 说 明一、论文选题报告由研究生向系 (研究室)汇报并听取意见后，整理成文填写。二、研究生应在入学后的第三学期内完成选题报告。三、本表须作为答辩申报材料之一。一、论文选题报告 （申请时间： 2010 年1月11 日）论文题目：面向敏捷制造的RFID可视化生产线应用研究研究方向：企业信息化课题来源国 家项 目部、省级项 目横 向联 系自 拟合 同编 号经 费 数（万元）题目类型基 础研 究应 用研 究工 程应 用其 它自选报告内容：（课题学术和实用意义，国内外现状综述；研究目的、内容、技术路线；可行性论证等）一、课题学术和实用意义随着各种技术，特别是自动化技术、计算机技术和互联网技术的快速发展，市场的少批量、多品种、个性化趋势越来越明显，产品生命周期越来越短，对市场反馈的时间越来越紧迫，过去大批量的刚性生产线显得越来越不适应。为了求得生存，企业必须具有在无法预测的持续、快速变化的竞争环境中生存、发展并扩大其竞争优势的能力，制造企业为了准确快速的响应顾客订单的需求，并充分利用有限资源，需要能将原来的刚性生产模式改成敏捷化模式。该模式要求企业不仅能快速响应市场的变化进行重组，以对市场机遇作出敏捷反映，生产出用户所需要的产品。而且能不断的通过技术创新，推出新产品去引导市场。企业在不同时刻对这两种能力的把握决定了它对市场和竞争环境的反映能力2。敏捷制造是美国针对当前各项技术迅速发展、渗透，国际市场竞争日趋激烈的形势，而提出的一种组织模式和战略计划。1991年，美国里海大学的几位教授首次提出了敏捷制造的概念。他们认为影响企业生存、发展的共性问题是：目前竞争环境的变化太快而我们企业自我调整、适应的速度跟不上，而依靠对现有大规模生产模式和系统的逐步改进和完善是不能解决根本问题的3。随着射频标签技术(RFID)的发展和日趋成熟，将RFID技术引入到敏捷制造的车间生产线上，建立开放、集成和动态的可视化生产线管理系统是实现敏捷车间系统的重要手段。目前，已经有一些采用RFID技术的生产线系统设计方案，但还没有面向敏捷制造的RFID可视化生产线相关研究和应用成果，未能充分发挥RFID在敏捷车间系统中的作用。因此，有必要以RFID标签和RFID存储数据为资源，依靠RFID数据采集、处理、存储以及应用等技术手段，研究并实现面向敏捷制造的RFID可视化生产线，以充分发挥RFID的数据采集和存储功能，实现对车间人、设备、零配件等资源以及生产状态的有效监控。同时，基于RFID的可视化生产线系统整体架构设计遵循面向服务的架构理念，针对人、物料、设备、生产过程等实时信息，建立多层次数据模型和描述语言，定义纵横层次信息映射，通过应用程序标准接口或网络接口，为不同层次的应用模块，诸如生产调度、任务发放、计划执行和跟踪等，快速准确地提供数据视图，从而能够实现有效的系统集成，利于各种信息的高效流通。基于该模式的RFID可视化生产线能够提高企业生产线的敏捷性，从而提高制造业的信息化和生产制造水平，提升企业市场竞争力，促进制造业的发展。二、国内外现状综述目前，面向敏捷制造的RFID可视化生产线研究还未见到相关的文献资料。与其相似的研究主要集中在RFID在制造业的应用研究与RFID数据采集技术研究两个方面。RFID在制造业的应用研究。 国内外科研院所、企业进行了相关的应用研究，国内北方交通大学自动化系统研究所刘太雷、陈铁刚、张仲义针对轮轴车间特殊的工作环境与其特点，使用RFID技术实现了对车辆轮轴在车间内检修流程的跟踪，在此基础上，结合信息库技术和计算机串口通信等技术，完成了配轮的自动化和检修的数字化，进行实现整个车间管理的信息化13。南京林业大学王春峰在硕士论文基于RFID的汽车制造企业生产线物流的研究中提出并构建了基于RFID技术的生产物流管理信息系统。该系统可以在总装车间生产线的各个工段上，实时地、动态地显示各工段的车型、装备等信息，使装配人员及时了解总装线物流情况，控制物流需求，以便物料能及时、适量地送到需要的位置，实行拉动式生产方式14。中国海洋大学信息科学与工程学院田美花、丁香乾，石硕针对制造业面向多品种小批量的制造业特点，讨论了在数字化生产线上应用RFID的必要性，阐明了RFID技术和数字化生产线，并给出了RFID阅读器的实现。论述了整个系统的总体设计方案，生产线上的连接及系统的数据处理方式。国内家电制造业巨头海尔集团也开始跟踪RFID技术，海尔希望发挥RFID技术自动识别读写、群读及远距离读取的作用，代替原来的近距离人工条码读取方式，提高工作效率； 戴尔厦门组装厂在产品零部件上也安装了RFID标签。它可以使网上订单迅速转化为无线射频信号，这些信号可以指示戴尔公司的自动零部件选取机为每台PC收集所需要的零部件；它还能把产品组装图传给工人，并补充成品的出货量。戴尔的经理可以在网上监控产品在生产过程中所处的位置7。中科院沈阳自动化所的尚文利、史海波、邱文萍针对混流装配的汽车自动化生产线提出了基于RFID的车辆追踪和和基于条码的无线物料库存管理实现方法，在次基础上设计了装配生产线动态配送调度业务流程，给出了物料动态配送的规划依据，并进行了仿真16。 香港大学工业与制造工程研究所的GeorgeQ.Huang、YF Zhang等人研究了基于RFID的无线制造模式，用于离散制造系统在制品的实时管理34；香港理工大学工业与系统工程学系Chow,HarryK.H.、Choy,KingLun、Lee,W.B.;Lau,K.C.设计了一个基于RFID技术的仓库存放资源管理系统35。福特发动机厂引进了EMS的RFID自动化数据采集系统，来确保11种不同种类年产70万辆汽车发动机的跟踪和质量。丰田汽车南非厂将RFID应用在喷漆车间，并延伸到组装制造过程，计划应用RFID在车体上，方便销售和维修服务4。西班牙Castilla-La Mancha大学Andres Garcia Higuera等人研究了基于RFID加强型的多代理机器设备控制系统36。 韩国Dankook 大学Cheonshik Kim,San-Yep Nam,Duk-Je Park 等人利用RFID信息和挖掘技术设计了一套产品信息控制系统，研究了一套RFID标签信息建立和数据信息挖掘技术用于制造执行系统（MES）当中来提高过程管理的控制效率37。基于RFID的数据采集技术研究。其研究方向主要是充分挖掘RFID技术的无线读取与数据存储能力，要包括以下几个方面内容：(1) RFID在离散制造业中应用的基础技术研究。标签和读写器防冲突技术研究。在离散制造业中跟踪对象量大、种类多，存在标签和读写器易发生冲突的问题，国内外进行了大量相关研究。在国外，Ji Hwan Choi, Dongwook Lee等采用基于扫描的预处理方法来加强标签之间的防冲撞协议，从而减少标签识别时间，增强多标签的读写能力23。澳大利亚的Ho-Seung Choi, Jae-Hyun Kim通过使用二进制位作为标记的方法改进防冲突算法，来增加标签的读写速度和准确度22；韩国的Joongheon Kim, Wonjun Lee等提出自适应与动态定位方案来实现读写器网络中多个近距离读写器的防冲突21。在国内，中南大学的Leian Liu, Zhenhua Xie等针对二进制搜索算法存在的问题，提出了自己的改进方案，来减少标签识别时间和准确性24。金属对象的识别技术研究。金属对象对射频信号有较强的反射性，从而导致识别难度的加大。在国外，英国的Bovelli, S. Neubauer, F. Heller, C.等利用金属反射导致的信号偏差，使用与金属表面平行的电感线圈，实现了对金属对象的正确识别25。在国内，这方面的研究成果还相对较少。(2) RFID数据采集方式的研究和开发。RFID标签和RFID读写器的研究和开发。RFID标签和读写器构成了最基本的RFID数据采集单元。评价RFID标签的主要参数包括尺寸、数据存储容量、有源或无源、操作温度、存储温度、防护等级等。评价读写器的主要参数包括射频频率等级、读写速度、天线尺寸、读写距离、附加功能等。RFID标签和读写器的研究及应用已经十分广泛。其中比较知名的有美国的EMS公司，其产品主要具有较低数据容量、无源标签、较近距离读写能力、尺寸丰富、防护等级的特点。国内在RFID标签和读写器的研究方面也成绩显著，比较知名的企业主要有深圳先施、北京节点通、北京维深等公司，其产品主要集中在低频和中高频上，甚高频产品相对较少。国内外的差异主要表现在标准的制定上，国外大公司一般都制定了行业标准，国内在标准制定方面还比较落后，一定程度上制约了其发展。基于RFID的数据采集网络的研究和开发。在制造业中构建基于RFID的数据采集网络已经成为RFID应用研究的热点。在国外，美国的Harish Ramamurthy, Dhananjay Lal等研究并设计了分布式RFID传感器网络，用于工业控制，实现了对工业现场的远程监控32。新加坡制造科技研究所的Zhao Yizhi提出了针对RFID大量应用时的RFID网络分布式设计方法，以改善对原料级的物品跟踪能力。在国内，李士宁和覃征综合RF ID和无线传感器网络技术,提出了一种基于传感器网络的超级RFID系统，并指出RF ID技术与传感器网络融技术的融合可能是一个新的发展趋势33。(3) RFID中间件的研究与设计。随着RFID技术的发展和广泛应用，RFID中间件的研究与应用也得到了飞速发展，RFID中间件市场已经成为企业相互角逐的新兴市场。在国外，据Forrester research的统计，国际知名的软件公司包括微软、oracle、IBM、SAP等都成为了RFID中间件领域的角逐者。综观国外软件产品，其做法多是将RFID技术纳入其现有中间件产品的软件体系中，RFID作为可选子项，如IBM将RFID纳入WebSphere架构，SAP在NetWeaver中增加RFID功能。这种在现有产品基础上开发RFID模块的方式，优点是开发工作量小、技术成熟度高、而且产品集成性好；缺点是使得RFID中间件产品变得庞大、推出“套餐”价格高，不便于中小企业低成本轻量级应用。国内在RFID中间件和公共服务方面已经开展了一些工作。依托国家863计划“无线射频关键技术研究与开发”课题，中科院自动化所开发了RFID公共服务体系基础架构软件和血液、食品、药品可追溯管理中间件。华中科技大学开发了支持多通信平台的RFID中间件产品Smarti，上海交通大学开发了面向商业物流的数据管理与集成中间件平台。此外，国内产品还包括东方励格公司LYNKO-ALE中间件，清华同方的ezRFID中间件，ezONE ezFramework基础应用套件等16。但总的来说，目前我国中间件技术和产品还很薄弱，国内已开展的一些应用，所采用的RFID中间件多是国外的产品，其中有影响的如IBM、BEA、SAP、Microsoft，Oracle，Sun等公司的中间件产品。目前国内RFID应用多处于示范验证阶段，规模应用还没起来，而且RFID应用上线复杂，与企业应用结合紧密，面向企业的应用个性化强，随应用工程开发的是应用解决方案，还不是RFID软件产品。 三、研究目的充分利用RFID技术的优势，发挥其在敏捷制造系统设计与应用中的作用，提出一套完整的针对整条生产线的实时、一目了然的管理系统，使在制品管理透明化，异地管理现场化，提高企业响应市场的敏捷度，促进制造业的发展；通过摩托车行业的实践，为下一步面向敏捷制造RFID的可视化生产线系统的改善提供依据和方向。四、研究内容（1）研究面向敏捷制造的RFID可视化生产线体系结构。（2）研究基于不同通信协议和频段的RFID标签及读写器管理技术，实现RFID数据的透明读取。（3）研究基于RFID数据采集网络的实现方法。（4）研究基于RFID的信息可视化展现方式。（5）分析摩托车行业车间生产线实施敏捷制造的特点，研究并实现针对该行业的面向敏捷制造的RFID可视化生产线系统。五、针对研究目的、研究内容拟采取如下研究方法和技术路线（1）面向敏捷制造的RFID可视化生产线体系结构提出。 体系结构采用多读头单工作站的网络模型系统，即将多个识别点的信息利用一台计算机来进行处理。不同点的识别点安装多台读头，然后利用多读头网络系统将来自所有读头的信息传输到后台计算机，进行数据处理。（2）利用面向对象的RFID中间件技术来屏蔽不同硬件之间的差异。 中间件技术是屏蔽硬件差异的主要方法之一，把每个读写器作为一个对象看待，提供相关属性和操作功能，实现读写的监控和管理。目前，针对RFID的中间件技术研究已经成为热点，国内外有较多的设计方法供参考。（3）综合利用现有成熟的数据采集网络实现方法，根据RFID技术特点，实现基于RFID的数据采集网络。 充分考虑RFID数据量的大小和车间生产线的复杂程度，采用成熟的工业现场总线，实现基于RFID的数据采集网络。（4）RFID信息可视化包括信息预处理，可视化模型设计，绘图显示。 信息预处理是对大量的信息，这些信息包括数据、符号、结构、图像与信号等。由于采用大量的互联网网页文件，需要这些原始的信息常常包括大量的冗余数据，故需要对这些原始信息进行原始信息预处理及存储、面向可视化方法的信息处理两个方面的处理。可视化模块设计是指将预处理出来的信息转换成图形的过程。模型的建立实际上就是将数值信息转变成几何信息的过程，即进行信息映射的过程，是可视化技术的核心。绘图与显示功能将完成把可视化模型转换成图像的过程，该过程类似于图形用户界面（GUI）。（5）结合摩托车行业的具体背景，解决系统实施关键技术难题，有针对地实施面向敏捷制造的RFID的可视化生产线系统。 针对摩托车行业的特点，根据实际需要，实现并应用能够提供摩托车生产效率和管理水平的RFID可视化生产线。六、创新之处与拟解决的关键问题6.1 创新之处（1）利用RFID可视化技术来提高敏捷制造过程中各类设备、工艺过程和车间调度的敏捷化。（2）基于RFID技术，把RFID标签、读写器以及RFID数据作为一种可以充分挖掘并加以利用的资源。（3）采用中间件技术实现了基于不同类型标签、读写器的RFID数据的透明读取。（4）把该应用模式应用到摩托车行业生产线的敏捷制造中。6.2 拟解决的关键问题（1）研究面向敏捷制造的RFID可视化生产线体系结构。（2）RFID标签和读写器管理技术。RFID标签和读写器是系统最重要的资源之一，其管理水平直接影响到系统的成功与否。（3）基于RFID的数据采集网络构建方式。构建一个灵活、稳定的数据采集网络可以提高数据采集效率，减少实现和后期维护时间。（4）基于RFID的信息可视化方法。包括信息预处理，可视化模型设计，绘图显示。（5）摩托车行业敏捷制造装配生产线应用关键技术。摩托车行业虽是离散制造业，但存在其特殊性，需要根据应用需要，有针对性的解决应用关键技术。七、预期目标（1）建立面向敏捷制造的RFID可视化生产线应用模式。（2）实现面向某摩托车企业生产线的具体应用。八、前期工作与可行性论证8.1 前期工作在提出本课题之前已经进行了如下工作：（1）通过现场考察和资料查阅的方式，对敏捷制造的思想有了比较深刻的了解。（2）查阅大量相关文献资料，对RFID技术和基本原理、发展现状有了比较深刻的理解。（3）针对本课题研究所依据实际制造企业生产线情况，并对企业信息系统及底层RFID系统数据需求情况做深入的了解。（4）开发了面向RFID的嵌入式数据采集终端。该终端主要面向构建RFID网络，采用高性能嵌入式处理器系统，能够装载嵌入式操作系统，实现一定的数据处理、存储和传输的功能，为RFID数据采集网络的构建提供了条件。（5）查阅大量相关文献资料，对RFID中间件技术有了一定的了解。8.2 可行性论证（1）本课题的研究符合行业需求和技术发展方向。 RFID技术由于其弥补了条码技术的不足，成为支持企业生产制造与装配过程管理的新途径，符合制造企业的实际需求，同时为更大地提高企业的敏捷性，我们必须提高企业各个活动环节的敏捷性。这就是常讲的敏捷的人用敏捷的设备，通过敏捷的过程制造敏捷的产品”。而生产线是制造企业做重要的敏捷设备。有关敏捷设备和敏捷过程的概念的研究和应用将是敏捷制造环境下新的设计理论和加工方法研究的重要组成部分。将RFID可视化技术引入到敏捷制造车间生产线对于提高制造企业敏捷性是一种有效方法。（2）RFID技术为方案的提出提供了实践基础。随着RFID技术的迅速发展，RFID标签的数据存储容量不断增大，体积却越来越小；读写器的有效读取能力也将不断增强。基于RFID的数据采集网络将能够有效地覆盖制造业生产线的每个角度，RFID标签所承载的数据信息将形成一个巨大的信息平台。该平台为可视化监控提供了数据基础。（3）在某摩托车企业的实践为方案的提出提供了实践依据。课题组人员已经针对某离散制造企业生产线设计并实施了RFID项目，自行设计了从RFID系统到上层的MES系统整个过程，了解了整个RFID技术项目实施流程，另外课题组人员也对离散制造企业现场车间底层RFID系统应用情况和与上层应用系统集成问题做了比较深入地了解，这对进一步进行面向敏捷制造的RFID可视化生产线研究打下基础。（4）项目背景为课题的实现提供了应用环境。RFID技术的开发与应用必将在敏捷制造业的过程管理中发挥重要作用。本课题有项目背景作为支撑，从而可以在具体的敏捷制造企业中进行实践和验证。通过理论和实践的结合，使课题可行和具有实用性。（5）较强的工作团队，为课题研究提供了保障。本课题的提出是基于国家863计划，除有项目背景作为支撑外，还有一支合作融洽、技术能力较强的工作团队。从而为课题的开展提供了人力保障。因此，从上述分析可看出，借鉴大量的国内外相关研究，结合已经完成的前期工作，本研究对解决关键技术问题所提出的技术路线是可行的。(若纸不够，请另附页)主要参考文献目录：1 王冬梅, 谢刚, 殷国富. 面向敏捷制造业的PDM技术. 机械设计与制造. 2005年第1期.2 真彤,祁国宁,吴照同,苏宝华. 敏捷制造的总体研究. 计算机集成制造系统. 第5卷第3期.1999年6月.3 郑小霞, 畅俊. 制造生产模式的演变与敏捷制造. 科学之友. 2009年第4期.4 曹江辉. 面向敏捷制造的制造执行系统关键技术研究.南京航空航天大学博士学位论文. 2002,9.5 饶运清,刘世平,李淑霞.敏捷化车间制造执行系统. 中国机械工程. 2002年第13期.6 田景贺, 范玉顺,杨建军. 基于现场总线的RFID生产线集成控制系统. 计算机工程. 第34卷第3期.2008年2月.7 张书亭, 杨建军, 邬学礼. 敏捷制造车间的生产管理模式及系统设计. 现代管理. 2005年第10期.8 张映峰, 江平宇,黄国全. 基于RFID技术的无线制造车间智能看板管理系统研究. 制造业自动化. 2007年第4期.9 贺平, 蒋亚军, 赵会群. 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