基于物联网的车间工作流管理系统研究

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(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

基于物联网的车间工作流管理系统研究

方灿娟，薛建彬，章合滛，刘延军

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

目前，车间信息化管理系统已经广泛应用到大中型企业，随着传感网的技术的不断发展，基于物联网的车间管理系统成为新的研究方向。在分析了现有生产车间的管理现状的基础上，并结合最新的物联网技术，提出了基于物联网的车间工作流管理系统。建立了一个综合的车间信息数字化模型，研究了基于物联网的动态车间工作流，用于实时监控车间设备、人员等资源的状态信息，为合理安排和调度车间任务管理提供一个支撑平台，并通过某生产车间为实例，研究了基于物联网的车间工作流管理系统的实现问题，对于物联网在制造领域的应用具有重要的借鉴价值。

车间管理；物联网；车间工作流；实时监控；RFID

0 引言

车间信息化管理系统已经比较成熟，先后出现了各种各样的车间控制器，从FMS(柔性制造系统)到CIMS(计算机集成制造系统)到并行工程再到MES[1]，并迅速向纵深发展。

近年来，随着传感器、信息技术、移动计算、传感网络、无线射频识别RFI(radio frequency identification)和微电子等技术的迅猛发展，物联网[2-3]应运而生。通过传感器、RFID和全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，实现物与物、物与人的泛在连接，达到对物品和过程的智能感知、识别与管理。物联网的应用领域已经涉及到绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、智能家居和环境监测等，并且有了一些成功应用的案例。

随着物联网在制造领域的慢慢渗透，制造企业的研制过程已经由传统的“黑箱”模式向“多维度、透明化泛在感知”模式发展[4]，这种以信息感知技术驱动力的制造系统(物联制造系统)，有力地推动制造系统的发展。

在这种背景下，新的制造[5-8]模式与理念不断涌现，为提高制造业的整体运作管理水平提供了重要的理论与技术。目前，物联网的部分技术已经被一些学者率先应用于生产过程监控与管理的系统和实践中[9-13]，但是运用物联网对车间工作流进行管理尚处于研究阶段。

1 基于物联网的车间工作流管理系统建模

基于基于物联网的车间工作流管理系统，是指在车间工作流管理系统中引入物联网技术，以便实时监控车间设备、人员等资源的状态信息，合理安排和调度车间任务管理。系统采取分层结构，如图1所示。

图1 车间工作流管理系统结构

a.用户终端应用程序层。车间管理人员、车间工作人员和其他相关可根据系统赋予的权限，通过用户应用程序终端访问系统，与系统进行信息交互和操作。

b.车间工作流管理系统功能层。由基本功能模块、系统接口模块和基于物联网的物流信息采集功能模块组成。

c.系统接口集成工具层。主要是为实现车间工作流管理系统与数据库和物联网接口集成，提供基础工具和技术支持，包括信息传输与交换、集成规范和安全认证组件等。

d.车间信息数据库层。为系统提供信息的存储和共享等服务，包括车间人员数据、车间物料数据、车间工具数据、车间设备数据和生产任务数据等。这些数据是车间工作流管理系统运行的基础，为系统提供数据支持。

e.物联网和网络支撑层。是数据与信息传输和共享的基础支持，为实现车间动态管理提供支撑。

2 基于物联网的车间工作流管理系统功能结构

基于模块化设计思想，设计系统功能结构主要包括以下内容(系统功能图如图2所示)。

a.基本信息管理。主要对人员、设备、物料和工具等基本信息进行管理。

b.系统管理。对系统用户、访问权限、系统日志等进行管理，并进行系统维护。

c.车间工作流管理。包括对工具出入库工作流、生产任务工作流、物料出入库信息工作流、生产进度、人员出勤管理和垃圾处理流程等进行管理。

d.基于物联网的数据采集管理。通过RFID技术采集车间信息数据包括人员刷卡出勤的数据采集，物料出入库信息的数据采集，生产进度的数据采集和设备装备状况采集等，还有传感器对垃圾处理的数据采集。

e.系统接口管理。对系统与数据库和系统与物联网的接口管理。

3 车间工作流分析

图2 系统功能结构

工作流是一类能够完全或部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则、文档、信息或任务，能够在不同的执行者之间进行传递与执行。提出了基于传感网的动态车间工作流管理系统，是为了实时监控车间设备、人员等资源的状态信息，并合理安排和调度车间任务管理。车间工作流是研究车间工作流管理系统的重要部分，车间工作流反映了车间的信息流动过程，方便对车间进行动态管理。为此，对车间主要的工作流进行了分析，并列举了工作流程。

整个车间生产过程的工作流程(如图3所示),是车间工作流管理的主干部分。反映了从车间生产计划下达到生产产品入库的过程，中间过程包括通过车间主任对生产计划的审核，再交给工艺人员和车间调度员，分别制定生产的工艺路线和进行审核，最终形成工艺文件和单元作业计划，再根据设备、人员和工具等信息，生产班组审核并下达任务进行生产，加工完的产品需要进行产品检验，只有产品合格的情况下才能入库。整个生产工作流程包含了车间人员、工具、物流和设备等资源的调度信息，掌握工作流的每一个环节才能对车间进行很好的管理。

图3 整个车间生产过程的工作流程

物料是保障车间进行生产的决定因素，对物料的工作流管理是保障车间正常生产的前提。物料出入库的工作流首先根据生产任务，物料员统计生产所需的物料信息，再去购买所需物料，最后管理人员通过RFID技术统计物料信息传入数据库中，同时把物料入库。当需要物料生产时，先通过数据库查询物料信息并需要凭借领料单去仓库领取。当物料不足或没有时，及时去购买，保障物料的供给，这样有助于提高车间生产效率，如图4所示。

图4 物料出入库工作流

设备管理同物料一样是车间进行正常生产的决定因素。在传统车间中，设备处理流程都是工作人员发现设备出现故障时，填写故障报告并向上级申请故障处理，在上级审核后下达文件，然后再由维修人员进行设备故障处理，处理完再填写维修报告并向上级申请维修后处理。这样的话，设备故障处理大部分的时间都花在设备故障处理报告和审批中。而在所设计的设备故障处理工作流，当RFID系统检测到设备出现问题时，负责人员通过网络进行处理，一方面及时向上面汇报设备故障问题，维修好时再报告维修处理报告，另一方面修改设备状态至“维修”，并让搬运工将设备转入维修室，让维修人员进行维修。维修人员维修好设备后通过网络修改设备状态至“正常”，同时搬运工把设备运进车间进行生产，其工作流程如图5所示。

图5 设备故障处理工作流

车间工作流特别提出的部分包括垃圾处理和门禁系统管理，这是车间一般忽略的部分。很多的车间对门禁这块不是很重视，对于人员随便进入，不仅不能保障外来人员的安全，还可能导致重要信息泄露，特别像军工企业含有国家级的保密信息，如果泄露技术信息，后果不堪设想。所以，在门禁系统安装了RFID读写器，当工作人员进入时需要刷卡验证身份，这样不仅可以统计工作人员的出勤情况，还可以防止外来人员的进入，保障车间安全，如图6所示。

图6 工作人员管理工作流

传统车间对于垃圾处理都是全人工化，扫地人员都是循环在车间对垃圾进行处理，不管垃圾是否满了还是没有处理的垃圾，扫地人员都要一直在车间来回检查。这样不仅浪费资源利用还浪费工作人员的时间，并且在车间行走的过程中可能影响车间的正常生产，还可能处在危险环境中。系统特别提出了垃圾处理工作流，通过传感器检测垃圾，当垃圾满了时，传感器发出报警，通知并等待扫地人员处理垃圾。这样能充分利用资源并节省人员工作时间，还能避免隐形存在的危险，工作流如图7所示。

图7 垃圾处理工作流

4 系统软件应用实例研究

4.1 车间数据库管理

车间物理布局如图8所示。在对车间工作流管理之前需要建立车间数据库，车间数据库是进行车间管理最基础的部分也是关键的部分，只有建立车间数据库，管理人员才能对车间信息进行监控和管理。在数据库中建立了车间基本信息库，包括设备信息、物料信息、人员信息和工具信息等。

图8 车间物理布局

4.2 基于物联网的车间工作流数据采集模式

在采集数据前，车间内人员、物料和设备等资源配备了RFID电子标签，里面存储了这些资源的基本信息，同时，这些信息存储在数据库。当RFID读写器感应到这些标签，可以读取数据并采集。

车间采用RFID和传感器技术对车间数据进行采集。如工作人员通过RFID系统进行管理，通过扫描工作人员射频卡，可以采集工作人员的基本信息，在整个车间物联网的监视下，对工作人员派工、出勤或请假情况一目了然；产品、物料和工具等资源在物联网的管理下，RFID系统可以随时追踪和管理；对设备进行管理时，布置在设备上的传感器及报警装置在设备出现异常情况下发出警告，管理人员可以通过RFID系统对设备进行管理，及时更新设备状态和对生产任务作出新的调整，并送去维修。另外，其他的车间工作流都是运用物联网技术进行在线管理。

4.3 车间交互界面管理

基于传感网的车间工作流管理系统是为了实时监控车间设备、人员等资源的状态信息，合理安排和调度车间任务。实现对车间工作流的管理需要一个支撑平台，需要建立一个车间交互界面，通过交互界面、物联网和数据库对车间进行全面的管理。

4.4 系统实现研究

基于上面建立好数据库及交互界面管理平台，管理人员通过物联网对车间设备、人员和垃圾等资源的状态信息进行采集并传输给系统，再利用数据库及交互界面等工具对车间工作流进行管理。系统的体系结构设计如图9所示。

a.浏览器层。提供人机交互界面，实现用户输入数据和显示系统输出数据。

b.网络和物联网服务器层。该层为应用服务器层的运行提供环境支持并运用RFID读写器和传感器采集数据。它还担负着系统安全功能，只有通过了该层用户认证和授权机制，用户才可以调用应用服务器层的功能或读取后台数据库的数据。

c.应用服务器层。封装了车间管理需要的信息，是系统的关键部分。该层通过数据接口与其他层进行联系，获取车间资源的状态信息，可以实现对车间工作流管理。

d.数据存储层。实现车间数据的存储和管理，主要负责数据的定义、访问、更新和维护等，响应应用服务器对数据库操作的请求，实现对数据的存储、查询和修改等功能，并把运行结果提交给应用服务器。

图9 系统体系结构

5 结束语

首先，介绍了车间管理系统的发展状况，依据目前生产车间管理现状，提出了一种基于物联网的车间工作流管理系统。接着，对系统进行了建模并介绍了其组成部分及功能模块。然后，对系统的车间工作流进行了分析，并列举了系统主要的车间工作流。最后，以某个生产车间为例，研究了基于物联网的车间工作流管理系统的实现问题。通过这个车间管理系统可以满足车间的实时管理，与现在常见的车间管理系统相比，此车间管理系统应用了物联网技术，使车间的管理完全透明化，能有效地对车间工作流进行管理。

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Research on Workflow Management System in a Shop Floor Based on the Internet of Things

FANGCanjuan，XUEJianbin，ZHANGHeyin，LIUYanjun

(College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Currently，the plant information management system has been widely applied to large and medium-sized enterprises，and with the continuous development of sensor network technology，the workshop management system based on the Internet of things become the new research direction.Based on the analysis of the existing production workshop management on the basis of the status quo，and combined with the latest Internet technology，the workshop workflow management system is put forward based on Internet of things.The system set up a comprehensive digital information model of workshop，studied the dynamic workshop workflow based on Internet of things，for real-time monitoring of plant equipment，personnel and other resources to provide a support platform for a reasonable task management and scheduling workshop.In this paper，as an example of a production workshop to study the problem of implementation in workshop workflow management system based on the internet of things，for the Internet of things application has important reference value in the field of manufacturing.

workshop management;Internet of things;shop workflow;real-time monitoring;RFID

2014-09-05

TP311

A

1001-2257(2014)12-0035-05

方灿娟(1989-)，女，安徽安庆人，硕士，研究方向为机电一体化技术；薛建彬(1970-)，男，江苏张家港人，副教授，研究方向为机电一体化技术。