射频识别技术在离散生产车间中的应用综述* ＊

白 翱 林 叶 陈 杨

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳621900)

射频识别技术(radio frequency identification， RFID)是上世纪90年代以来逐渐兴起的一种自动化识别和数据采集技术，也是当前流行的物联网(internet of things，IOTs)技术中的感知层关键技术。正如用友软件公司总裁王文京所言:RFID 的核心价值在于通过事件驱动的IT 架构，解决企业实时的数据获取、实时的数据与业务协同、自动化的业务流程以及实时的商务智能、业务决策与信息展示等一系列关键性问题［1］。

一个完整的RFID 系统一般主要由标签、读写器、中间件、应用程序等4 个部分构成。传统的企业管理信息系统如企业资源计划(enterprise resource planning，ERP)系统、供应链管理(supply chain management，SCM)系统等获取数据的方式主要是手工输入或条形码扫描，前者费时费力、易出错、录入速度慢，后者需目视读取、读取距离有限、易被污损、不支持批量读取。而RFID 技术则较好地克服了前述两种方式的不足，具有远距离读取、无方向性、穿透性好、使用寿命长、环境适应能力强、存储容量大、可写入等典型特征［2］，因而受到不少企业的青睐。特别是本世纪初以来，随着一些世界500 强企业(如沃尔玛公司)和政府机构(如美国国防部)的强力推动及其对供应商的强制要求，RFID 在供应链和物流(supply chain and logistics，SCL)领域中得到了日益广泛、深入的应用和推广。

当前，随着RFID 技术的日益成熟、标签成本的不断降低，以及制造企业生产过程精益化管控的需求，RFID 在离散生产车间中也逐渐得到了深入而广泛的应用。通过在离散生产车间中部署RFID 系统，并与制造执行系统(manufacturing execution system，MES)、生产管理系统(production management system，PMS)、仓库管理系统(warehouse management system，WMS)等相关系统进行集成，可更好地实现车间制造过程的实时化、可视化、智能化管理，零延迟地为上层管理者提供底层车间生产执行过程相关的信息，辅助管理者更好进行定量化的、科学的分析、判断和决策(避免过去的经验型决策)，从而增强车间的业务过程动态优化能力、产品质量控制能力、成本精细化管理能力，减少订单执行过程中的偏差，最终提升制造企业面向复杂、多变、以客户为中心的全球化市场的竞争能力。

本文将首先论述离散生产车间的管控难点及其对RFID 的需求，论述RFID 的导入和部署给离散生产车间带来的益处，以及由此催生的一系列先进制造模式;接下来，总结和归纳RFID 在离散生产车间中的应用模式及其案例，进一步从不同的角度凸显车间引入RFID 的必要性;最后，提出了离散生产车间应用RFID的主要障碍，以及为此需要解决的若干关键科学和技术问题，供读者参考和讨论。

1 离散生产车间对RFID 的需求

离散制造过程一般是指将原材料、毛坯等通过一般工艺(如切削等)或者特种工艺(如热处理等)加工成为合格的零部件，最后再将零部件装配成为最终成品并完成质量检验的过程。离散制造过程具有如下的一些典型特征:(a)订单和预测驱动的生产计划并存，因此下达准确的生产计划往往较为困难，计划变更较为频繁;(b)产品构成一般比较复杂，产品下属的零部件众多，产品及零部件的工序数目较多，对于部分产品，存在着“边研制边生产”的情况，同时，多任务的并发执行导致对关键制造资源争夺的现象较为突出;(c)生产过程中的不确定性因素多、突发情况较多(如紧急插单、物料短缺、设备宕机、人员离岗、工装损坏、质量波动等)，对生产任务的正常执行影响较大。

上述离散制造过程的固有特性决定了离散制造的具体执行场所——离散生产车间中的生产组织、管理及其控制天生就具有较大的不确定性、复杂性和困难性，需要进行合理的生产计划及排程、全方位地监控计划执行过程、及时反馈各类生产异常情况以便进行重调度，所有这些关键环节的实现，无不需要车间现场实时数据的采集和反馈。因此，有效地获取车间制造执行过程的状态信息是实现离散制造过程控制和管理的关键所在之一。

而通过实时获取车间现场状态信息，可以实现［7］:(a)及时反馈车间已下达作业任务的执行情况，车间管理人员可据此进行管理、控制和优化;(b)通过及时、准确的制造现场数据支持，一些调度规则或智能调度算法能够获得更好的应用效果;(c)能够第一时间掌握车间一线的生产异常情况或事件，从而采取积极、有效的干预措施;(d)能够应对频繁的生产计划变更或紧急插单，实现更合理的生产调整和重调度;(e)由过去经验型的、定性/半定量化、滞后的生产管理向定量化、及时的科学管理和控制转变。

作为一种获得广泛应用的自动化识别技术，RFID技术可以和设备联网技术、条形码技术、触摸屏技术等一起，采集不同类型的车间生产现场数据，被后台应用系统加以处理后形成车间实时状态信息，解决传统离散生产车间中存在的“过程不可见”、“黑箱作业”等突出问题，从而协助管理人员克服离散生产车间管理的难点，更好地实现车间制造过程的动态控制和主动优化。由于RFID 自身的一些典型特征，如远距离读取、无方向性、穿透性好、使用寿命长、环境适应性好、存储容量大、可写入等优势，使得RFID 技术相比其他数据采集技术所采集的数据类型更为丰富、采集数据的效率更高、数据的时效性更好、采集方式更为灵活，将成为下一代数字化制造车间中的重要数据采集手段。

鉴于RFID 的引入给车间制造过程管理带来的积极促进作用，目前国内外已有一些学者提出并发展了若干基于RFID 的先进制造范式或技术，比较典型的有:

(1)无线制造

香港大学黄国全教授等提出了无线制造(wireless manufacturing，WM)的理念［3］，采用RFID 技术采集和同步车间生产现场数据，以便为生产过程的控制提供定量的决策依据，并根据不同的生产特点或生产模式，开发了不同的原型系统加以验证。

(2)基于普适计算技术的设计和制造

Suh 等提出了基于普适计算技术的设计和制造(design and manufacture via ubiquitous computing technology，UbiDM)模式［4］，RFID 是其中数据采集层中的重要使能技术，可实时获取BOL(beginning-of-life)阶段(含设计、生产)、MOL(middle-of-life)阶段(含使用、维护)和EOL(end-of-life)阶段(含回收、处理)的信息。

(3)基于智能物件的制造企业信息系统

臧传真等提出了基于智能物件(smart-item)的制造企业信息系统的概念［5］，通过在普通物体上粘贴RFID 标签或附着读写器，使之成为智能物件，从而自动、实时、准确、详细地获取企业物理环境的信息，不仅能为企业已有的信息系统提供新的数据源，而且能够协助企业改进其业务流程。

(4)基于射频识别的制造执行系统

刘卫宁等设计和开发了基于射频识别的制造执行系统(manufacturing execution system，MES)［6］，将射频识别技术引入制造企业内部，以解决企业计划层与现场过程控制层间信息和管理断层的问题，实现了制造和质量的可视化和数字化管理。

(5)基于泛在计算的智能制造

白翱提出了基于泛在计算的智能制造(简称U -制造)的概念［7］，采用RFID 技术采集车间生产现场实时数据，加以分析、处理后可获得物流实时信息和质量实时信息，并提出了相应的信息服务机制。

上述学术思想或理念的提出，一定程度上反映了学术界对RFID 在离散生产车间应用前景的期待和看好。

2 离散生产车间中RFID 的应用模式

按照离散生产车间中制造执行过程及其关联制造资源监控、管理、控制和优化的需求，RFID 在离散车间中有多种应用模式。总结目前已有的相关文献及报道，我们将RFID 在离散生产车间的应用模式划分为物料跟踪、质量控制与质量追溯、设备资产管理、在制品管理、生产过程控制与调度等，下面分别介绍每种应用模式及其应用案例。

2.1 物料跟踪

RFID 在车间物料跟踪方面得到了最为广泛的应用。由于RFID 标签可以标识单品、且无需目视读取，因此可以实现更细粒度、更实时的物料跟踪，而不是传统的基于条码人工扫描的批次跟踪和填写纸质卡片的滞后跟踪。例如:Brusey 等提出采用RFID 技术实现高度定制化生产过程中的零部件自动跟踪，并通过应用案例加以验证［8］;福特公司在其墨西哥的工厂里建立了EMS(escort memory system)系统，采用RFID 标签可写入的特性，记录和更新产品生产过程数据，克服了传统人工填写表格易出错的问题，大大提高了产品跟踪的有效性［9］;IBM 公司在其半导体工厂中利用无源RFID 标签来标识和跟踪晶片，可以实时定位晶片当前所在的工序、获取相关信息，并显著减少了相关管理人员的数量［10］;Zhang 等建立了基于RFID 的物料跟踪系统的功能模型和体系结构，利用RFID 读写器与后端数据库系统的通信同步信息流和物流，并开发了图形化的跟踪界面供用户使用［11］;白翱等利用RFID 标签标识单个物料，通过构建物流状态矩阵记录不同时刻的物流事件，结合几类矩阵秩判定准则，实现单批次作业任务中各个物料状态的细粒度监控和跟踪［12］。

2.2 质量控制与质量追溯

最终产品的质量很大程度上取决于车间过程质量。利用RFID 标签可唯一标识车间中的各类质量要素(人、机、料等)、并且可以向标签写入数据的特点，可以更好地实现车间的质量控制与质量追溯。在质量控制方面的相关研究有:Jr 等构建了符合ISO9000 标准的基于RFID 技术的车间质量保证框架，该框架将车间质量控制与改进划分为数据获取、分析、执行、审核等阶段，以协助工人监控生产过程中复杂多变的质量波动情况，据此给出了实际应用案例［13］;Lo 等将RFID 技术引入到印刷电路板的生产线上，通过RFID实时采集并传递质量信息，进而控制和保证表面封装过程中印刷电路板的质量［14］。在质量追溯方面的相关研究有:愈家文等研究了基于RFID 的汽车全面质量跟踪管理系统，能够追踪到整车的零部件生产加工信息和质量检验信息［15］;曾祥兴等分析了RFID 在制造业质量追溯中的应用，建立了质量追溯系统的拓扑结构，比较了4 种不同的采集生产现场质量数据的RFID 设备搭配方式［16］。

2.3 设备资产管理

利用RFID 技术可远距离读、可写入、单品标识等特性，可实现对车间设备资产的精细化管理，提升设备资产的可用性，避免因设备资产不可用、准备不到位而影响生产的正常执行。例如:Karen 提出通过在设备上贴装RFID 标签以提高设备的可见性，工人只需要扫描标签，便可获得设备属性和历史维修记录［17］;Li等开发了一个基于RFID 的设备管理信息系统，使得设备管理过程更加快捷、方便，智能化程度更高［18］;Motorola 公司推出了RFID 资产管理解决方案，可以对工厂内车间和库房的重要资产进行自动的跟踪和防失窃保护［19］;通用动力陆地系统公司在其坦克制造车间中导入RFID 系统，以便对一些昂贵的工具进行管理，防止这些工具失窃，并在需要的时候就能立即找到这些工具［20］;Abhishek 等开发了一个自动化的资产定位感知系统，通过引入一个携带了RFID 读写器的爬行机器人，可定期扫描车间某区域内的资产［21］。

2.4 在制品管理

在制品一般是指产品加工路线上起点和终点之间的库存。鉴于RFID 无须目视读取且支持批量读取的特性，可为车间在制品管理带来极大的便利。例如:通用汽车公司早在上世纪80 年代末，就采用无源、可写入的RFID 系统来管理其位于布法罗工厂发动机装配车间内的在制品［22］;Tu 等针对大批量定制生产环境中因产品高度个性化、结构复杂而带来的不能实时、准确获取在制品库存信息的难题，利用超高频RFID 技术管理车间在制品，并应用于某自行车工厂的实际生产中［23］;Huang 等提出了基于RFID 的无线制造系统解决方案，用于对按功能布局加工车间中在制品的实时管理［24］;梁昌勇等提出了基于RFID 和条形码技术结合的汽车生产现场二级仓库管理方案，实现了生产现场零部件的快速领料、补料和盘点［25］。

2.5 生产过程控制与调度

利用RFID 可批量读取、单品识别的优势，可以实时获取生产现场的任务执行状态，从而更好地实现生产过程的反馈控制及其调度。例如:Wang 等提出了基于RFID 和多代理技术的敏捷制造计划与控制系统，可对动态变化的制造活动进行管理，并实时响应各类异常情况［26］;Higuera 等提出采用RFID 技术为车间多代理控制系统提供实时信息［27］;Pavel 等提出综合采用RFID 技术、可编程逻辑控制器和多代理技术，实现对车间制造过程的控制［28］;Chen 采用RFID 和本体技术，建立了可实现制造过程协同的车间多代理控制系统［29］;Kim 等综合利用RFID 技术和数据挖掘技术，建立了车间生产控制系统，并应用在液晶显示器生产线上［30］;David 等［31］、Tu 等［23］和Chen 等［32］则分别研究了RFID 技术在大批量定制生产过程控制中的具体应用;Huang 等提出了基于RFID 技术的自适应装配计划与控制系统，通过将RFID 附着在工作站、关键工具、重要部件和容器上，使之变成智能物体(smart object)，实现装配过程的智能化控制［33］。

上述应用模式分别利用了RFID 技术不同的特性和优势，总结如表1 所示。

表1 RFID 应用模式与RFID 特性对应表

3 离散生产车间中RFID 应用的挑战

由前述内容可知，目前离散生产车间中已有较多的零星或单点应用案例，但另一方面，当前RFID 的大规模应用尚存在着若干障碍，不同领域中RFID 应用存在的普遍性难题主要有:①较多的项目投资预算;②应用标准的不统一;③较大的用户培训成本;④企业不断变化和调整的业务流程;⑤技术应用的不完全成熟性;⑥存在着隐私泄露等信息安全隐患［34-35］。对于离散生产车间中RFID 的应用，上述难题也普遍存在。此外，笔者认为缺乏RFID 应用的标准、规范、方法和工具也是当前离散生产车间中RFID 应用的主要障碍之一。由于缺乏经过大量实践检验的实施指导和实施参考，使得目前RFID 的应用较多地依赖于RFID 应用专家、项目经理等关键人物的知识、技能和经验，使得RFID 的应用更像是一门艺术而不是一门科学［36］，存在着“理论研究滞后于应用实践”的现象，这将导致RFID 在离散生产车间中应用的高风险性和高失败率。因此，为提高RFID 在离散生产车间中的实施成功率，我们认为有几个关键科学和技术问题需要予以重点关注，并从理论层面加以深入的研究，这些关键问题主要有:

(1)RFID 应用的可行性分析

针对某一离散生产车间的具体情况，评估其应用RFID 的能力，并根据不同的能力采取不同的RFID 导入策略，以减少失败风险。如白翱等构建了面向中小离散制造企业的RFID 导入多层次决策模型，将企业导入RFID 的能力成熟度级别划分为初始级、观望级、实验级、实施级和集成级，以便为离散车间导入RFID提供定量的决策支持［37］;Vojdani 等建立了基于过程和知识的模型，用于识别和评估企业应用RFID 的潜力［38］。

(2)RFID 应用的投资回报分析

RFID 的投资回报率(return on investment，ROI)用以度量企业实施RFID 系统时投入的资金所带来的收益程度，是制造企业应用RFID 时管理决策层最为关心的焦点问题之一。因此，结合离散生产车间的管控需求和应用场景，评估RFID 的投资回报率显得尤为重要。相对于RFID 的项目投资成本(包括标签、读写器、中间件、系统集成、运行与维护等成本)，RFID 系统的收益构成则比较复杂［39］。Brian 讨论了RFID 应用于惠普公司制造和供应链过程中建立ROI 模型的必要性，但并未进一步讨论如何计算ROI［40］。

(3)RFID 应用的系统选型

由于离散车间中涉及的对象较多、应用环境也较为复杂的，因此选择合适的RFID 系统对成功实施RFID 项目具有重要的作用。在选择RFID 系统的时候，除了考虑标签成本、系统集成方便性等通用因素外，还需要重点考虑具体标识对象的材料、形状、体积、大小等个性化因素。如Ufuk 等提出了采用模糊层次分析法(fuzzy AHP)来解决多指标约束条件下的RFID系统选型问题，并应用于玻璃制造行业中［41］;Amar 等给出了RFID 系统的八步选型框架，以便构建某航空发动机维修车间中的实时跟踪和控制系统［42］。

(4)RFID 应用的管控点识别模型

建立管控点识别模型的目的是进一步设计车间RFID 系统的具体应用方案(即确定标签标识的对象、采用读写器采集数据的工位)。通常，制造过程中产生的海量实时数据与企业已有的ERP 或MES 系统相对有限的数据处理能力之间存在着一定的不匹配性，另外部分制造节点的信息对整个上层管理决策的贡献较少，因此并没有必要用标签标识每一个对象、在每一个节点上设置RFID 读写器。在识别RFID 管控点时，应首先从管理层面确定关键业务流程或关键业务对象(如关键工序、关键工位、重要零部件等)，其次从技术层面综合考虑管控点密度、监控时效性和采集成本三者的平衡关系。如张俊等以教学机器人的装配过程为例，利用Petri 网识别RFID 的读写点，并建立了装配生产过程的实时数据采集模型［43］。

(5)RFID 的数据分析与事件处理

RFID 系统采集了海量的车间制造过程数据，这些数据语义层次低，包含的信息有限，在进入企业业务系统之前必须经过预分析和预处理。现阶段常用复杂事件处理(complex event process，CEP)［44］技术来展现RFID 数据流背后隐藏的信息。如Ku 等研究了一种面向RFID 应用的分布式复杂事件处理系统，该系统与传统的集中式处理系统相比，具有更好的鲁棒性和可扩展性［45］。目前的研究主要是采用中间件实现对RFID 原始数据的过滤、消除重复数据、纠错等操作［46］，在面向业务应用层面的数据处理方面，还需要进一步研究，以获取更多业务相关的语义信息。

(6)RFID 系统的应用可靠性分析

离散生产车间是一个复杂的应用环境，不可避免地存在RFID 标签错读、漏读或多读的现象，需要对RFID 系统的应用可靠性进行研究。如Paul 等总结了RFID 应用于供应链管理时影响其可靠性和性能的主要因素，包括标签位置、标签识别的灵敏度、读写器的读写范围、金属和水的干扰等［47］。现有的研究主要局限于标签、读写器等硬件层面的可靠性上，应进一步综合考虑车间业务过程、应用系统、用户操作等多种因素，据此建立可靠性分析和评估模型。

4 结语

(1)人类社会将由互联网时代逐渐过渡到物联网时代，RFID 作为物联网的重要传感设备，能实时感知到物理环境中的状态变化，将在企业供应链和产品全生命周期的诸多环节中得到广泛和深入的应用。

(2)RFID 技术的应用成本将不断降低，在制造过程可视化、精益化和智能化管控的驱动下，越来越多的离散制造企业将在其工厂、车间、生产线中应用RFID技术。

(3)根据应用目的和标识对象，RFID 在离散生产车间中的应用场景可划分为物料跟踪、质量控制与质量追溯、设备资产管理、在制品管理、生产过程控制与调度等。

(4)RFID 应用的需求虽然很强烈，也出现了一些零星应用案例，但RFID 在离散车间应用的理论层面研究相对较少，需要从RFID 应用的可行性分析、投资回报分析、系统选型等多个方面开展进一步的研究，以提高RFID 应用的成功率。

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