射频识别在多品种小批量生产管理中的应用研究

1、2010,46(271引言随着市场竞争进一步加剧,制造业面临着产品生命周期缩短、市场变化快且难以预测,企业为适应市场需求而日益趋向于多品种小批量生产型态1-2。由于产品与零部件间差异性小、生产状态变化快等特点,多品种小批量生产给车间物流控制及生产的精准管理造成困难。目前,车间普遍采用的依赖经验的人工(班、组长负责制生产管理模式,由于缺乏有效的信息沟通手段,面临着诸多亟需解决的问题。例如:(1车间物理环境的运行信息(库存、生产进程等不能实时、准确、详细地反馈至管理层,物流与信息流不同步,管理人员难以实时掌握车间生产状态,导致生产计划和调度因缺乏有效的信息支撑而比较盲目;(2生产计划及计划临时调整

2、信息不能及时、准确地下达到车间作业现场3;(3产品品种多,生产节拍和产品状态变化快,由于生产过程缺乏可视化指导,错装、漏装等质量事故时常发生,导致下线合格率低。要真正解决这些问题,从根本上提高多品种小批量生产车间的运作效率,企业迫切需要一种新的技术来实现车间物理运行信息反馈,和对生产过程进行精确管理的信息支撑系统,其主要目标是:让车间生产参与者能够及时、准确地掌握生产运行情况,提高对多变、快速生产过程的敏捷响应与处理能力,减少企业不必要的开销。目前,国内外对车间生产管理的研究主要集中在生产计划的制定2-3、生产优化调度3-5及生产过程监控6等方面。但是,在传统的车间现场管理条件下,由于缺乏有效

3、的生产信息射频识别在多品种小批量生产管理中的应用研究刘卫宁1,郑林江1,孙棣华2,廖孝勇2,赵敏2LIU Wei-ning 1,ZHENG Lin-jiang 1,SUN Di-hua 2,LIAO Xiao-yong 2,ZHAO Min 21.重庆大学计算机学院,重庆4000302.重庆大学自动化学院,重庆4000301.College of Computer Science ,Chongqing University ,Chongqing 400030,China2.College of Automation ,Chongqing University ,Chongqing 400030

4、,ChinaE-mail :zlj_cquLIU Wei-ning ,ZHENG Lin-jiang ,SUN Di-hua ,et al.Application of RFID on multi-varieties and small-batch production management.Computer Engineering and Applications ,2010,46(27:1-5.Abstract :Due to the fast change of production state in multi-varieties and small-batch production

5、,it s difficult to manage production process accurately.To solve this problem ,RFID tags are used to identity important production objects in workshop ,and interactive control terminals are placed at some key application points.So ,the concrete physical world information in re-al-time production cir

6、cumstance is obtained automatically and accurately.On this basis ,the architecture and integration opera-tion mode of corresponding production management system are established.Then ,an information fusion model of real-time het-erogeneous production data from multi-sources and implementation methods

7、 of rapidly reconfigurable production management system based on component are presented.The system has been successfully applied to a motorcycle assembly line in Chongqing ,and satisfactory results are obtained.Key words :Radio Frequency Identification (RFID ;multi-varieties and small-batch ;produc

8、tion management ;data model ;component 摘要:针对多品种小批量生产环境下,生产过程难以实现精准管理的问题,采用射频识别标签标识车间重要生产对象,关键应用管控点部署交互式作业控制终端,自动、实时、准确、详细地获取车间物理环境的信息。在此基础上,构建相应的生产管理系统的体系结构和集成化运行模式。研究多源异构实时生产信息融合技术和基于组件技术的可重构生产管理系统实现方法。该系统已成功应用于重庆某企业摩托车装配线,取得了良好的应用效果。关键词:射频识别;多品种小批量;生产管理;数据模型;组件DOI :10.3778/j.issn.1002-8331.2010.27

9、.001文章编号:1002-8331(201027-0001-05文献标识码:A 中图分类号:TP302基金项目:国家高技术研究发展计划(863(the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant No.2006AA04A124。作者简介:刘卫宁(1965-,女,教授,博士生导师,主要从事计算机应用与服务的研究;郑林江(1983-,男,博士生,主要从事RFID 应用研究;孙棣华(1962-,男,教授,博士生导师,主要从事制造业信息化的研究;廖孝勇(1981-,男,博士生,主要从事制造业信息化的研究;

10、赵敏(1981-,女,博士生,主要从事视频检测的研究。收稿日期:2010-06-28修回日期:2010-08-05博士论坛Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用 1Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2010,46(27采集手段,生产物流与信息流不同步,导致以理想的车间信息获取为背景的生产精细化管理方法难以实现,尤其是在生产状态变化较快的多品种小批量生产环境下,生产现场信息实时性和准确性更是实现生产精细化管理的瓶颈。射频识别技术(Radio Frequency Identificatio

11、n,简称RFID是一种自动识别技术7,已逐渐应用于制造车间的物流管理1,8,为实时、准确采集生产现场信息提供新的手段。针对多品种小批量生产的精准管理问题,采用RFID标签标识车间重要生产对象,以实现车间物理运行环境信息的实时、准确、自动、详细的反馈,并在全企业内传递和共享。在此基础上,通过构建一套能有效支持快速变化生产过程的生产管理系统,实现生产过程的透明化、精准化和规范化管理,从而改善企业的运作效率及生产质量。2基于RFID的多品种小批量精准生产管理的思路车间生产对象是指参与生产活动的人、在制品、物料、设备与盛具等重要生产资源。在多品种小批量生产条件下实现生产的精准化管理,对参与生产活动的生

12、产对象运行状态信息,在实时性和准确性方面提出了更高要求。条形码技术由于易损、不可擦写、不能适应油污等缺陷,难以满足自动、实时、高效的信息采集需求。RFID技术具有远距离、无接触和自动识别以及可重复读写等特点7,方便了车间生产对象的标识与自动识别,成为强化生产物流与信息流同步的新技术1,8。作者已给出了RFID技术在制造车间的应用模式1。事实上,车间物理运行环境信息的实时、准确、自动、详细的采集与反馈,是多品种小批量生产条件下实施生产过程的精准化管理的必要前提和条件,此外,还必须通过一套系统综合运用获取的车间作业信息来实现精准化管理的思想。为此,采用RFID标签标识车间的重要生产对象,通过在应用

13、管控点(如装配工位、库房出入口等采用固定的或移动的阅读器,可实时、准确、自动地获取车间被标识生产对象的运行状态信息。在此基础上,构建生产管理系统,实现企业的上层资源计划管理(如ERP、PDM等系统、生产执行管理、底层车间物理环境真实的运作情况的无缝地集成,使得车间生产活动的参与者能及时、准确地获得车间运作情况,做出科学的决策。3构建基于RFID的生产管理系统3.1面向生产管理的生产对象RFID标签数据模型RFID技术在不同车间生产管理应用中,由于管理需求不同,标识生产对象的RFID标签写入的数据差别较大,目前尚缺乏规范的生产对象RFID标签数据的方法,导致实施RFID 技术的数据标准化程度低,

14、增加了系统的应用成本。为此,在总结生产管理对生产对象数据的需求基础上,提出建立面向生产管理的生产对象RFID标签数据模型,有效支撑RFID技术在多品种小批量生产管理的应用。该模型包括必选的对象类型标识符、对象唯一标识符和可选的静态属性信息与动态信息四类数据,如表1所示。(1对象类型标识符。用于区别所标识生产对象的类型,如“01”表示人员、“02”表示在制品。(2对象唯一标识符。具有唯一性,用于跟踪、定位生产对象,如员工号。(3静态属性信息。用于描述生产对象的静态特征信息,如物料供应厂家信息等。(4动态信息。用于描述生产对象参加生产活动的动态信息,如设备维修状态、在制品生产状态等。对象类型标识符

15、和对象唯一标识符必须储存于标签用户内;对象静态属性信息与对象动态信息可储存于标签,也可存放于后台信息管理系统。3.2系统体系结构采用RFID标签标识车间重要生产对象,在车间应用管控点设置交互式作业控制终端,运用上述面向生产管理的生产对象RFID标签数据模型,可以实现生产对象实时运行状态信息的准确反馈。在此基础上,针对多品种小批量生产条件下实现生产过程精准化管理的需求,采用分层结构构建相应的车间生产管理系统的体系结构,其结构如图1所示。系统的体系结构主要包括基于交互式作业控制终端的数据采集与信息交互层、多源实时生产数据处理与融合层、生产管理核心业务功能层、应用集成接口层、用户界面层和系统支撑层。

16、(1通过设置于生产车间应用管控点的交互式作业控制终端,实现现场实时运行状态信息的采集与工人作业的可视化指导,把企业信息系统的功能和应用从原有的企业资源管理层(如:ERP、PDM等延伸到车间生产管理者的和操作工人。该终端主要实现两方面功能:实时自动接收、显示作业计划及指导书等信息,指导工人生产操作;通过终端外连的RFID设备、质量采集终端、生产设备和信息人工录入接口,可实时准确采集生产过程相关的在制品物流、产品装配质量、物料跟踪、生产异常事件等多数据源生产信息。(2交互式作业控制终端采集的多数据源生产状态信息具有异构性、实时性和时序性,含有噪声数据。生产信息处理与融合层建立时空关联规则,首先过滤

17、冗余的异常数据,然后字段对象类型标识符对象唯一标识符静态属性信息动态信息可选性必选必选可选可选表1生产对象RFID标签数据模型 图1系统体系结构图 22010,46(27对各数据源的数据在时间与空间维度上进行分析与融合,形成有意义的数据,从而支撑生产管理核心业务的实现。(3在车间生产过程信息实时反馈的基础上,实现生产计划及装配作业指导书的下载、安排与下达,生产进程监控和生产计划动态调度,以及产品生产过程质量信息的综合查询与追溯等生产管理核心业务功能。(4通过系统应用集成接口,实现与企业其他系统如ERP 、PDM 、SCM 等的数据共享与业务集成。(5采用B/S 和C/S 混合模式的体系结构,支

18、持浏览器、PDA 、LED 、手机等多种信息交互方式,方便企业高层人员、销售人员、车间管理人员、班组长和操作工人等系统用户使用。3.3系统集成化运行流程基于上述生产管理系统的体系结构,通过RFID 技术标识生产对象,在车间设置交互式作业控制终端,以及与上层资源管理系统的数据与业务的集成,建立起资源管理系统、生产管理系统、现场运行物理环境及人的无缝集成运行,实现生产制造的精准化、可控化管理。系统集成化运行流程如图2所示。主要特点是:(1通过在应用管控点设置的交互式作业控制终端,一方面,生产现场工人能实时接收生产计划和产品作业指导文件,代替了传统的生产计划和作业指导书纸质传递方式,实现整个生产过程

19、无纸化运行;另一方面,结合RFID 技术、网络技术等信息技术,对装配作业过程重要生产对象运行状态数据进行实时采集与反馈,代替传统的通过班组长报告,既增强了信息传递的实时性,又避免了人工传递的复杂性和易错性。(2通过构建的生产管理系统、现场设置的作业控制终端与ERP 等上层资源管理系统以及车间生产设备、人、物料等生产对象的集成运行,实现了资源计划层与车间作业现场和工人的无缝集成,形成了生产计划从制定、下达、执行到反馈控制的闭环系统。(3通过对现场重要生产对象的运行状态和物流信息的实时采集与共享,建立了车间生产活动参与人员(如装配工人、配料员、班组长和车间管理层等之间的信息交流通道,加强了生产协作

20、的有效性,从而提高生产效率,改善生产质量。4关键技术研究多品种小批量环境下,精准生产管理需要有意义的车间实时运行状态信息的支持;另外,多品种小批量生产业务变化大,这就要求生产管理信息系统应具有可重构性以适应快速变化的生产结构。因此,以下重点研究多种数据源的异构实时生产状态信息融合以及系统可重构实现的关键技术,支撑多品种小批量生产条件下精准化生产管理的实现。4.1多源异构实时生产信息融合模型应用于制造车间的RFID 设备、质检设备、生产设备等会产生大量实时的生产状态信息,要从这些来自不同数据源的异构数据中找出对生产管理有用的信息并在企业内实时传递与共享具有极大的挑战性。为此,本文提出建立多源异构

21、实时生产信息融合模型,其基本思想是将实时异构数据根据设定的规则抽象成规范的基础事件,然后对基础事件流进行过滤;通过建立时空关联规则和业务逻辑约束规则,聚合过滤后的基础事件,生成生产管理感兴趣的、高层的有意义复杂事件,支撑生产过程精细化管理的实现。多源异构实时生产信息融合模型的结构如图3所示,包括底层接口抽象层、数据处理与融合层和应用接口层。(1接口抽象层。它主要用来抽象表示系统数据源的硬件及其信息交互协议,包括硬件设备(RFID 阅读器、车间质检设备、生产设备等的抽象、I/O 抽象、硬件交互协议抽象及信息人工录入接口抽象。(2数据处理与融合层。它主要从接口抽象层上传的海量时序数据中,依据时空关

22、联规则和业务逻辑约束规则,找出生产管理需要的信息,并采用相应的应用方法将这些信息提供给用户。包括基础事件过滤、纠正与修复,多源实时生产信息融合和数据语义转化与挖掘等。基础事件过滤、纠正与修复。首先、依据时空关联规则和业务逻辑规则过滤异常数据和无效信息,然后,通过建立完整性约束规则纠正与修复不完整数据。多源实时生产信息融合。依据业务逻辑规则,对过滤、纠正与修复后的基础事件进行关联与组合,形成管理人员关心的、更易理解的生产管理复杂事件。图2 系统集成化运行流程图生产计划执行进程监控CAPP 作业指导书主生产品作业指导书下载主生产计划下载作业指导书配置生产计划安排与动态调度作业指导书下发生产计划下达

23、生产物料配送计划库房领料终端接收生产反馈控制生产过程质量管理终端采集产品质量信息终端采集信息融合处理终端采集终端采集工人信息生产异常信息工位生产线刘卫宁,郑林江,孙棣华,等:射频识别在多品种小批量生产管理中的应用研究 3 Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用 2010,46(27数据语义转换与挖掘。指从海量的、实时的数据流和 事件中,发现人们通过一般途径难以发现的、客观存在的信息,并且实时地将这些知识传送给相应的人员。(3应用接口层。基于事件发布(publish /订阅(subscribe 机制将处理后的生产信息供后端应用系统使用,事件订

24、阅者(上层管理系统通过提交订阅声明感兴趣的事件,当发布者发布订阅者感兴趣的事件时,订阅者将自动得到通知。4.2基于组件技术的可重构生产管理系统实现为适应多品种小批量装配车间生产复杂性和动态性等特点,生产管理系统应具有良好的可重构性,以便能快速、灵活地随着业务的变化在系统结构和功能上作相应的调整。基于 组件的软件开发技术实现了代码的复用,增强软件系统的柔性,提高了软件的开发效率和质量9。本文建立的系统结合对车间生产管理的功能分析,将系统功能划分成一系列的功能组件,这些组件通过提供的通用接口在需要时可任意重复调用,从而快速实现系统的重构,满足企业车间生产管理的个性化需求,避免对每个企业都重复进行需

25、求分析、编码、测试、运维等整个软件生命周期,从而节省人力、物力和财力。为保证生产管理系统的可重构性,大量可定制的软件组件是基础。按照重用粒度的大小和抽象层次的不同,软件组件重用可以分为小粒度、中粒度和大粒度重用3类9。结合多品种小批量装配车间生产管理功能特点,本着组件应具有低耦合度与高内聚度,组件之间通讯少的设计原则,可重构生产管理系统组件按粒度分为中小粒度支撑功能组件、大粒度核心业务组件和大粒度应用功能组件,其分类框架如图4所示。系统实施时,可根据管理需求,组合各层组件,完成系统管理功能。(1中、小粒度支撑功能组件。为核心业务组件和应用功能构件提供面向应用的支撑性基础服务,该类型组件与业务无

26、关,通过简单的配置,可即插即用。如数据库接口组件、系统管理组件、打印组件、设备接口组件、基础信息维护组件和系统集成接口组件等。(2大粒度核心业务组件。业务组件是组件开发模型的基本元素。按照逻辑功能独立,耦合度低,同时兼顾效率和安全性划分整个系统的业务逻辑。对生产管理业务逻辑进行分析和抽象,建立核心业务组件库,包括RFID 中间件组件、信息融合组件、质量信息处理组件、物流跟踪组件、异常事件处理组件等。(3大粒度应用功能组件。提供给各业务部门使用的应用功能组件,包括上层生产管理所需的管理组件(如生产远程监控组件、生产过程质量信息管理组件、生产计划管理组件等,和车间作业所需的应用子系统组件(如生产物

27、料配送组件、工位电子看板指导组件等。该类型组件随生产管理需求不同,发生变化的频率最大,可以针对不同需求,对该层的组件进行修改和重构。5应用案例在国家863计划支持下,提出的RFID 应用方案和设计的生产管理系统已成功应用于某企业的摩托车装配线。针对该装配线产品和零部件种类多、生产状态变化快的特点,采用RFID 标签标识车间工人、在制品、物料和托盘四类生产对象,在关键工位安装交互式作业控制终端,实时采集车间生产过程运行状态信息,并在全企业内实时传递与共享。在此基础上,实施了车间生产管理系统。交互式作业控制终端的软件系统在Linux 平台下用C 语言实现,车间生产管理系统在Win-dows 平台用

28、Java 语言实现。方案和系统的成功应用,实现了从生产计划从企业ERP 的下载、安排和下达、车间物理信息的实时、自动、准确、详细的采集和反馈,到生产进度的实时监控和生产计划的实时调整等的闭环运行,有效地提升了车间的生产管理水平,其作用图3多源异构实时生产信息融合模型图数据处理与融合层应用接口层接口抽象层数据源图4可重构生产管理系统功能组件分类框架图大粒度大粒度中小粒度42010,46(27主要表现在以下几方面:(1实现了生产活动参与者之间(管理者与管理者、管理者与工人、工人与工人信息传递的电子化和无纸化,消除了传统人工纸质传递的不及时性和易错性,提高了生产过程中信息交互的及时性和准确性。(2在

29、关键工位设置带有电子看板的交互式作业控制终端,实现了工人作业的自动、实时的可视化指导,支持多品种频繁快速转换,有效控制差错的发生,装配质量得到更可靠保障。面向现场操作工人的电子看板可视化指导流程如图5所示。(3实现了生产计划从ERP 下载、安排、下达、执行、可视化监控,到反馈和调整的闭环运行,提升了对生产过程的精确控制能力,便于及时发现停线、生产计划执行异常等重大生产事故,从而作出快速的生产决策。面向生产管理的信息闭环运行流程如图6所示。系统应用后,在基本不增加人员和其他设备的基础上,摩托车装配线生产流程更加顺畅,在改善产品质量的同时提高了生产效率。生产率提高8%10%,停线率下降约40%,装配差错率降低约80%,一次装配下线合格