制造业中物品标识技术的分析与应用

2012-04-10邹慧宇徐文胜

制造业自动化 2012年16期

邹慧宇，徐文胜

ZOU Hui-yu,XU Wen-sheng

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044）

0 引言

标识技术[1]是对物品进行编码并自动识别的技术，如条码、RFID、声音识别、图像识别和指纹识别都可称为标识技术。本文分析认为，制造业中生产要素标识管理经历了人工标识和自动标识阶段，目前正处于定位阶段，如图1所示。在人工标识阶段，车间中的生产对象主要靠人工的纸笔记录和识别，标识效率低和可靠性差。在自动标识阶段，以磁卡、条形码和低高频RFID等接触式（或近距离）识别技术应用于生产管理为起始，以超高频、微波RFID等非接触识别技术应用为成熟标志，实现了车间内生产要素的自动化标识。在定位阶段，是以超高频、微波RFID等远距离标识技术实现物品的标识与定位，其典型功能是获得电子标签的历史路径，并逐步由物品的非实时定位扩展到实时定位。

图1 制造业中生产要素标识管理的几个阶段

1 标识技术的应用结构

为了叙述方便，本文将RFID、磁卡和条码等技术中用于物体绑定与识别的设备统称为标签，将用于读取标签信息的设备统称为阅读器。

1.1 标识技术应用模型结构

本文提出标识技术的应用结构，分为四个层次：标识技术、读取模式、应用模式和具体应用，如图2所示。

图2 标识技术应用结构

从下往上看，标识技术特性限制着读取模式的实现，读取模式获取信息的方式限制着对应用模式的支持，而应用模式提供的信息形式限制着具体应用的实现。以下详细分析应用模型各层次。

1.2 标识技术的分类

本文将实现针对物品的识别功能的单一或集成技术统称标识技术。如RFID、条形码和磁卡，以及这些技术与其他相关技术（如无线通信、现场总线和3G网络等）的集成[2～5]。

应用于制造业的标识技术，按识别距离的长短可分为接触式和非接触式标识技术，按是否需要电源可分为有源和无源标识技术。典型的无源接触式标识技术有条形码、磁卡、IC卡和低频RFID；典型无源非接触标识技术有高频、超高频和微波RFID。有源非接触标识技术有有源RFID，以及基于短距离无线通信技术开发的标识技术，如基于ZigBee的RFID技术[6]。

1.3 读取模式

标签读取操作可抽象为读取模式。总结标识技术的使用方式，本文抽象出以下四种读取模式。

1）摘挂式

摘挂式读取中，标签悬挂在物体上，读取时将标签取下置于阅读器上，读取完成将标签重新附着在物体上。物体下次识别时依然进行此动作。其典型实现技术有：条形码、IC卡、磁卡和低频RFID。具体应用有：银行卡的使用、工人考勤打卡和居民身份证的自动识别等。

2）点货式

点货式读取中，附着有标签的物体分布在现场，点货员（人或自动化设备）装备手持阅读器遍历现场获取物体信息。当点货员靠近物体时，通过长距离指向性或者近距离接触的方法阅读标签，获得物体的识别信息。其典型实现技术有：超高频RFID、微波RFID和有源RFID等。具体应用有：集装箱清点、图书馆书架上图书盘点和货物出入库清点。

3）收费站式

收费站式读取中，现场规划有移动路线，依附标签的物体在路线上移动。通过在路线中部或节点处设置阅读器，可自动读取标签，识别经过物体的信息。典型实现技术有：超高频RFID、微波RFID，有源RFID。具体应用有：车间生产流水线管理，仓库出入库货物自动清点。

4）漫游式

漫游式读取中，物体附着有主动广播标识信息的标签，在物体活动区域内布置有若干阅读器。当标签进入阅读器通信范围内时，阅读器将接收到标签信息。典型实现技术有：长距离无线标识技术、有源RFID技术等。应用实例有：移动通信的蜂窝定位系统，无线传感器网络节点定位等。

1.4 应用模式分析

应用模式即标识技术的布置和识别模式。应用模式可按与具体应用接口和与制造系统结合[7]两种方式划分。其中，与具体应用接口划分的应用模式适用于应用功能设计，与制造系统结合划分的应用模式适合用于系统层次结构设计。

1.4.1 按与具体应用接口的方式划分

标识技术应用中通常将标签与物体、阅读器与地点绑定，通过阅读标签获得标签ID、读取时间、阅读器ID，进而获得物体的识别、读取时间、地点信息，用以支持具体应用。按与具体应用接口划分本文将应用模式分为以下六种。

1）单一识别：通过读取单一标签ID，识别物体。

2）群体识别：当多个标签同时处于阅读区内时，阅读器读取所有标签ID，识别阅读区内所有物体。群体识别虽然可获得阅读区域内所有物体的信息，但难以将物体与信息一一对应。

3）队列识别[8]：当多个标签以一组固定的排列经过阅读区时，通过读取标签ID及记录阅读发生时间确定，获得物体及其队列信息。

4）报到定位：在现场关键位置布置阅读器。当标签到达某关键位置时，阅读标签从而确认该标签已经到达某位置。

5）追踪定位[8]：在通道的中部或节点处布置阅读器，每个阅读器监视一个阅读区。标签经过阅读区时自动被读取。从而获得某标签某时经过某地的信息。该模式能获得标签移动的历史路径。

6）实时定位[9～11]：通常在现场中布置阅读器覆盖定位区域，当标签被阅读器阅读时将获得标签ID以及定位信息，通过定位信息可计算出标签位置。

1.4.2 按与制造系统的结合的方式划分

按与制造系统的结合方来划分，可将应用模式分为以下四种[7]。

1）企业范围的标识系统集中设计：标识系统作为一个独立子系统在企业中运行，其他子系统通过企业网络（局域网或互联网）来使用标识系统。

2）单元级别的分布式标识系统应用：标识系统独立布置在车间或厂房中，现场的其他子系统通过现场网络（现场总线或局域网）使用标识系统。

《钱塘江幻想曲》谱写于1934年，彼时李树化到杭州工作已经六年，他已成了一个杭州人，以主人翁的态度，热情谱写、热烈歌唱了西湖和钱塘等名水圣湖，用音乐来刻画祖国山水之壮丽和可爱。淼淼西湖，浩浩钱塘，曲院风荷，柳浪闻莺，都是他获得创作灵感的源泉，音乐既表现了西方人尊重自然、亲近自然的情怀，也有中国文人吟赏山水、咏叹人生的胸襟。（待续）

3）设备级别的标识系统分布式应用：标识系统以附加模块的形式，连接到设备控制器上（如主控电脑），由设备控制器协调设备与标识系统运行，实现对标识系统的使用。

4）将标识系统模块集成到PLC 设备模块中或已有的数据管理工具中：标识系统的阅读器嵌入到PLC设备中，作为设备的一部分来实现标识功能的应用。

1.5 具体应用分类

具体应用指以标识技术为自动识别手段而实现的满足实际需求、解决现场问题的应用。总结标识技术在制造业中的应用，将标识技术的具体应用划分为供应链及仓库管理、生产管理、产品生命周期管理三类[8,12～15]。

1）供应链及仓库管理：物流发到货管理、供应商追溯、到货物品核对、货物出入库核对、移库移位物品核准和库存盘点。

2）生产管理：生产工艺指导、在制品生产进度管理、生产任务及进度管理、产品质量追溯、现场物料配送管理、人员考勤和生产设备管理。

3）产品生命周期管理：用户使用意见反馈、售后服务如已交付设备的当前零部件组成，零部件磨损、损坏和更换率统计。

2 标识技术应用模型的各层关系分析

2.1 标识技术到应用模式间关系分析

总体来看，标识技术按识别距离及速度可分为三类：近距离低速标识、中距离高速标识和远距离高速标识，如图3所示。

以磁卡、IC卡、条形码为代表的近距离低速标识技术，通过摘挂式读取提供单一标识、报到定位的应用模式，且读取需人工辅助。低频、高频RFID不怕污渍并简化了读取操作，提高了识别效率。

图3 标识技术到具体应用的四层应用结构关系图

以有源RFID为代表的远距离高速标识技术，通过漫游式读取提供实时定位的应用模式。

如图3所示，标识技术的水平高度限制着读取模式的实现，标识技术只能使用同一水平或低水平的读取模式。读取模式的水平高度同样限制着应用模式，读取模式只能支持同水平的应用模式，或能实现（大部分）与之水平低的应用模式。反之，为了实现某应用模式须选择同水平或以上的读取模式，再由读取模式选择同水平或以上的标识技术。