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物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things, Io T) 是指運(yùn)用信息采集、傳感設(shè)備, 按照約定協(xié)議, 把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái), 進(jìn)行信息通信與交換, 以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò), 其是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和拓展。

物聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)思維, 將設(shè)施、設(shè)備、人員、工具、物料、電纜與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施, 在經(jīng)濟(jì)管理、生產(chǎn)運(yùn)行、社會(huì)管理、國(guó)防建設(shè)乃至個(gè)人生活、工作、學(xué)習(xí)等方方面面, 開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用空間。很顯然, 物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng), 而且物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)任何物品 (也包括人) 與物品之間彼此進(jìn)行“交流”[1], 無(wú)需人工干預(yù)。

目前, 對(duì)于大型鋁型材制造企業(yè)來(lái)說(shuō), 智能化生產(chǎn)管控要設(shè)法破除如下困境[2,3,4]:

(1) 人員管理困境:企業(yè)人員眾多, 管理層、技術(shù)層、普通員工的信息管理混亂、復(fù)雜;

(2) 設(shè)備管控困境:企業(yè)擁有眾多的設(shè)備設(shè)施, 其狀態(tài)、屬性和參數(shù)直接影響生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備維保, 必須對(duì)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集;

(3) 模具物料管理困境:鋁型材生產(chǎn)企業(yè)模具、物料眾多, 其采購(gòu)、儲(chǔ)存、調(diào)配等環(huán)節(jié)涉及大量數(shù)據(jù)的保存、匯總和查詢(xún)等處理, 傳統(tǒng)手工操作易出錯(cuò)、效率低, 不利于模具物料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析;

(4) 環(huán)境監(jiān)控困境:企業(yè)內(nèi)人員和物資流動(dòng)性大, 環(huán)境時(shí)時(shí)刻刻變化, 必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 以保證企業(yè)安全生產(chǎn)。

本文綜合考慮上述因素, 結(jié)合大型鋁型材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)與物流智能管理與控制的實(shí)際情況, 展開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究, 給出了大型鋁型材生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)物流物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)   下載原圖

一般來(lái)說(shuō), 絕大多數(shù)大型鋁型材制造企業(yè)通過(guò)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)OA、客戶(hù)關(guān)系管理系統(tǒng)CRM、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)WMS、產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)PLM等信息系統(tǒng)建設(shè), 已經(jīng)基本完成了信息技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、營(yíng)銷(xiāo)、管理和服務(wù)等各環(huán)節(jié)的應(yīng)用、滲透和融合。但仍有可能存在著許多薄弱環(huán)節(jié)或瓶頸問(wèn)題亟需突破, 例如, 形成了大量的“信息孤島”, 缺少對(duì)模具、物料、生產(chǎn)制造和倉(cāng)儲(chǔ)物流的全生命周期管理等, 致使不能有效提高企業(yè)的整體運(yùn)營(yíng)效率。

圖1為本文提出的面向大型鋁型材制造企業(yè)、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)物流綜合管理平臺(tái)總體架構(gòu)。

該平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)模具物料全生命周期, 以及鋁型材生產(chǎn)、物流倉(cāng)儲(chǔ)全程的智能控制與管理, 解決模具、物料、鋁型材產(chǎn)品數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多、管理復(fù)雜, 以及生產(chǎn)各環(huán)節(jié)缺少數(shù)據(jù)集成和智能控制手段等問(wèn)題。

生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)物流綜合管理平臺(tái)基于主流軟件平臺(tái)構(gòu)建理念, 采用多層架構(gòu)模式, 使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、可擴(kuò)充性、可維護(hù)性和易用性, 整體架構(gòu)包括在線(xiàn)服務(wù)層、支撐服務(wù)層、 (云平臺(tái)) 基礎(chǔ)設(shè)施層, 以及平臺(tái)安全體系和平臺(tái)監(jiān)控體系。

(1) 在線(xiàn)服務(wù)層:在線(xiàn)服務(wù)層以Browser模式為各類(lèi)用戶(hù)提供工作界面, 包括平臺(tái)的主要應(yīng)用功能, 如:模具物料全生命周期管理子系統(tǒng)、鋁型材生產(chǎn)過(guò)程管控子系統(tǒng)、鋁型材倉(cāng)儲(chǔ)物流子系統(tǒng)、平臺(tái)管理子系統(tǒng)和企業(yè)門(mén)戶(hù)及其它應(yīng)用系統(tǒng)等。

(2) 支撐服務(wù)層:支撐服務(wù)層包括各類(lèi)應(yīng)用中間件, 提供應(yīng)用系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施層之間的連接與支撐, 包括單點(diǎn)登錄服務(wù)、統(tǒng)一用戶(hù)授權(quán)服務(wù)、統(tǒng)一消息服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、工作流引擎、信息發(fā)布服務(wù)、信息門(mén)戶(hù)服務(wù)、統(tǒng)一搜索服務(wù)、電子表單服務(wù)等。

(3) 基礎(chǔ)設(shè)施層 (云平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施) :基礎(chǔ)設(shè)施層采用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建, 包括底層的服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、云存儲(chǔ)、監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)等, 通過(guò)物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò), 采集、整合和處理模具、物料、在制品全生命周期、生產(chǎn)過(guò)程、倉(cāng)儲(chǔ)物流的各類(lèi)數(shù)據(jù)。

(4) 安全體系結(jié)構(gòu):平臺(tái)安全體系主要包括硬件防火墻、數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證識(shí)別 (密鑰盤(pán)) 、安全口令等, 保證平臺(tái)的安全性。

(5) 平臺(tái)監(jiān)控體系:對(duì)平臺(tái)使用狀況、效能和業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和監(jiān)控, 為平臺(tái)持續(xù)優(yōu)化、升級(jí)改造提供科學(xué)依據(jù)。

在大型鋁型材制造行業(yè)中, 純RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)并不能完全滿(mǎn)足企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需要, 主要原因有以下幾點(diǎn):

(1) 在生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié), 其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較低, 明顯不能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控需要。

(2) 純RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)的成功應(yīng)用是建立在RFID標(biāo)簽大面積應(yīng)用基礎(chǔ)之上的, 然而目前RFID標(biāo)簽成本較高, 大多數(shù)鋁型材制造企業(yè)不具備這樣的基礎(chǔ)條件。

(3) 在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合, RFID標(biāo)簽中只存放被跟蹤對(duì)象編碼, 未能充分發(fā)揮RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì), 而在生產(chǎn)過(guò)程等環(huán)節(jié), 往往需要在RFID標(biāo)簽中存放更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

為了滿(mǎn)足大型鋁型材制造企業(yè)生產(chǎn)管理中數(shù)據(jù)采集與處理實(shí)時(shí)性要求, 解決RFID標(biāo)簽成本高的問(wèn)題, 本文充分利用RFID在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀寫(xiě)效率方面的優(yōu)勢(shì), 與條形碼技術(shù)相結(jié)合, 提出RFID與條碼融合的數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案, 系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

工作原理:企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)管理需要確定跟蹤對(duì)象 (模具、物料、在制品) , 根據(jù)被跟蹤對(duì)象的性質(zhì)以及將要進(jìn)行的生產(chǎn)加工流程生成控制邏輯數(shù)據(jù), 寫(xiě)入RFID標(biāo)簽存儲(chǔ), 并通過(guò)條碼與對(duì)象綁定。對(duì)象在生產(chǎn)制造過(guò)程中流動(dòng)時(shí), 其物流和信息流將通過(guò)對(duì)RFID標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)的自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)改寫(xiě)實(shí)現(xiàn)同步。對(duì)象的流動(dòng)路徑和操作方法也可以根據(jù)RFID標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。在標(biāo)簽和對(duì)象綁定的整個(gè)周期內(nèi), 把標(biāo)簽作為對(duì)象狀態(tài)數(shù)據(jù)的唯一載體, 直到對(duì)對(duì)象的跟蹤結(jié)束時(shí), RFID標(biāo)簽才被取下, 供循環(huán)使用。入庫(kù)前, 根據(jù)RFID標(biāo)簽中的產(chǎn)品信息, 打印條碼以方便產(chǎn)品的配送和銷(xiāo)售。

本項(xiàng)目提出的基于RFID與條碼融合的數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有如下主要特點(diǎn):

(1) 針對(duì)制造業(yè)企業(yè)內(nèi)部的信息化, 可應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量管理、生命周期管理、生產(chǎn)過(guò)程管理以及貴重物品跟蹤等, 利用工業(yè)總線(xiàn)、以太網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。

(2) 把條碼技術(shù)與RFID技術(shù)相結(jié)合, 解決了RFID標(biāo)簽?zāi)壳按嬖诘某杀靖邌?wèn)題, 而非簡(jiǎn)單地利用低成本RFID標(biāo)簽替換條形碼。

(3) 把關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RFID標(biāo)簽中, 無(wú)需反復(fù)進(jìn)行編碼解析, 可直接根據(jù)RFID標(biāo)簽內(nèi)的控制邏輯數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的控制邏輯判斷、操作, 既可以減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延, 又增強(qiáng)了生產(chǎn)過(guò)程控制的實(shí)時(shí)性。

圖2 RFID與條碼融合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)   下載原圖

(4) 標(biāo)簽在企業(yè)內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)跟蹤應(yīng)用結(jié)束后, 可根據(jù)需要回收并循環(huán)利用。

中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序, 分布式應(yīng)用系統(tǒng)中, 借助中間件可以在不同應(yīng)用之間共享資源。RFID中間件在RFID應(yīng)用中介于底層RFID硬件設(shè)備 (讀寫(xiě)器) 與后臺(tái)應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫(kù) (如車(chē)間部署的各種應(yīng)用系統(tǒng)、企業(yè)綜合管理平臺(tái)) 之間, 對(duì)RFID讀寫(xiě)器傳來(lái)的與標(biāo)簽相關(guān)的事件、數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、匯總和計(jì)算, 減少?gòu)淖x寫(xiě)器送往應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)的原始數(shù)據(jù)體量[5]。RFID中間件主要包括以下幾個(gè)功能[6]:

(1) 讀寫(xiě)器等硬件設(shè)備的協(xié)調(diào)控制功能。支持同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)讀寫(xiě)器, 以及對(duì)讀寫(xiě)器的監(jiān)控、配置及管理。

(2) 標(biāo)簽數(shù)據(jù)的過(guò)濾與事件處理功能。通過(guò)相關(guān)算法減少數(shù)據(jù)冗余, 為后臺(tái)應(yīng)用提供統(tǒng)一接口, 確定所采集標(biāo)簽數(shù)據(jù)的傳遞路徑。

(3) 異常告警及擴(kuò)展功能:具有異常告警、錯(cuò)誤恢復(fù)功能, 以及支持軟件升級(jí)、新型讀寫(xiě)器加入, 等等。

在實(shí)際應(yīng)用中, 一般一個(gè)RFID標(biāo)簽只對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)象, 因此一個(gè)RFID讀寫(xiě)器需要讀寫(xiě)大量的標(biāo)簽, 同時(shí), 相同標(biāo)簽的內(nèi)容也隨被跟蹤對(duì)象狀態(tài)的改變而改變。所以, 隨著RFID標(biāo)簽所標(biāo)識(shí)對(duì)象粒度的不斷減小, RFID數(shù)據(jù)量變得非常巨大。如何管理這些數(shù)據(jù)并對(duì)其合理使用, 完全依賴(lài)于應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和性能。RFID應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)貫穿于從底層數(shù)據(jù)采集到應(yīng)用資源管理規(guī)劃和智能經(jīng)營(yíng)管理決策等整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。為了使RFID應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量更為高效、可靠, 引入RFID中間件技術(shù), 使開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件能夠及時(shí)響應(yīng)快速變化的各種業(yè)務(wù)需求和環(huán)境。RFID中間件在企業(yè)應(yīng)用中所處地位如圖3所示。

針對(duì)RFID標(biāo)簽的讀寫(xiě)管理及數(shù)據(jù)處理問(wèn)題, 在RFID讀寫(xiě)器前端與企業(yè)各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)/平臺(tái)之間嵌入RFID中間件, 完成讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)管理、數(shù)據(jù)過(guò)濾與聚集、數(shù)據(jù)路由等功能。其主要特點(diǎn)如下[7]:

(1) 中間件獨(dú)立并介于讀寫(xiě)器與后端綜合管理平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)之間, 且不依賴(lài)于綜合管理平臺(tái)或某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng), 能夠與多個(gè)讀寫(xiě)器、多個(gè)后端應(yīng)用連接, 降低了平臺(tái)架構(gòu)組成及其維護(hù)的復(fù)雜性。

圖3 RFID中間件作用與地位   下載原圖

(2) 本平臺(tái)采用的中間件屬于消息中間件, 在實(shí)時(shí)維護(hù)消息路由和分發(fā)規(guī)則的前提下, 對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩赃M(jìn)行管理, 保證后臺(tái)應(yīng)用收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送時(shí)一致。

(3) 中間件具有數(shù)據(jù)采集、過(guò)濾與傳遞等功能, 將跟蹤對(duì)象 (通過(guò)讀寫(xiě)器) 轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的一一對(duì)應(yīng)的虛擬對(duì)象, 以便將正確的對(duì)象數(shù)據(jù)傳到后端應(yīng)用 (綜合管理平臺(tái)或某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)) 處理。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的鋁型材生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)物流綜合管理平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁型材生產(chǎn)過(guò)程、物流倉(cāng)儲(chǔ)的全程智能化管理。平臺(tái)遵循主流Web服務(wù)開(kāi)發(fā)規(guī)范, 基于面向服務(wù)架構(gòu) (SOA) , 支持XML技術(shù), 保證了平臺(tái)內(nèi)各種支撐服務(wù)工具、新開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)與原有應(yīng)用系統(tǒng)的整合、擴(kuò)展以及數(shù)據(jù)交換的靈活性。

為了解決簡(jiǎn)單利用RFID技術(shù)替代條碼技術(shù)所帶來(lái)的種種問(wèn)題, 提出了在鋁型材制造企業(yè)中應(yīng)用RFID與條碼融合的標(biāo)識(shí)技術(shù)方案, 結(jié)合DPM (直接產(chǎn)品標(biāo)識(shí)) 技術(shù), 充分發(fā)揮RFID技術(shù)、條碼技術(shù)和DPM技術(shù)在對(duì)象標(biāo)識(shí)與信息存儲(chǔ)方面的優(yōu)勢(shì), 通過(guò)對(duì)人、模具、物料、在制品的標(biāo)識(shí)、跟蹤與控制, 實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流、生產(chǎn)過(guò)程的智能化管控, 也可以借助對(duì)存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的生產(chǎn)過(guò)程信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理與分析, 實(shí)現(xiàn)更高層次企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理決策功能。