RFID技术在船舶生产物流系统中的应用

马　健，金风明

0　引言

在船舶建造过程中，通过物流信息管理系统控制生产物流的均衡可以保证造船活动均衡有序，而在对生产物流进行管理的物流管理系统中，对原材料、中间产品、运输车辆、人员等进行精确感知，对于物流计划反馈、流向自动判别、物流路径优化等具有重要意义。

目前在船舶行业应用的物流感知技术包括GPS/北斗、二维码、RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）等[1，2]。 其中GPS/北斗技术价格昂贵，主要用于大型运输车辆的实时位置感知；二维码具有一件一码的特征，主要用于钢板、型材、零件、管子等的标识和感知；RFID具有可重复读写，读取时不需要对准、不要求标签必须静止不动等特征，特别适合于从托盘、车辆、人员等移动目标中读取信息。而且RFID读取距离也比二维码更远，更适合在门、柱等通道处设置自动读取装置[3，4]。在碰撞、摩擦、挤压等频繁发生的船体生产现场，带外壳保护的RFID标签也比纸质打印二维码标签更耐用、平均成本更低。

笔者在某骨干船厂的物流管理系统中实际采用了北斗、二维码、RFID等技术对物品、人员、车辆进行感知，在实践中取得了较好的效果。由于篇幅所限，本文首先对此物流管理系统进行简要介绍，然后重点对其中的RFID技术及RFID应用过程中所遇到的问题进行说明。

1　系统实现

1.1　生产物流管理系统架构及工作流程

船舶生产物流管理系统总体架构如图1所示，底层的感知信息经过生产现场网络传输至应用层，应用层除完成物流管理系统自身业务功能外，还对其他业务系统提供公共服务，并从其他系统获取物料需求计划等信息，实现计划-执行-反馈的联动式闭环管理。

1.2　船舶车间RFID设备部署方案

在生产物流管理系统中RFID设备包括RFID标签和RFID读写器两部分。

RFID标签主要用于物品、车辆等的感知。对于物品感知，由于船舶企业生产物流表现形式主要是托盘管理，即以托盘为基本单位进行生产设计、生产组织、物资采购及工程管理，因此在本项目中，RFID标签紧固在托盘的立柱和各个侧面，有效提高识读方便性，并将标签与入托清单相关联，便于对托盘及托盘中的物料进行感知。对于移动的、大型化的运输设备，如平板车、叉车等，RFID标签部署在易于接收电磁波信号的位置，根据设备车辆的具体情况进行部署，如平板车无法放置在顶端时，放置在车辆侧面，同时合理部署读写器的位置，保证信号接收正常、RFID系统稳定工作。

RFID读写器通过读取RFID中的信息完成感知，同时可以往RFID标签中写入信息实现信息的更新，如当前的加工步骤、下一步物流流向等。因此RFID读写器必须与生产物流管理系统进行实时通讯，但由于船舶生产现场散布在数平方公里的辽阔地域，其间存在大量的移动物体，不适合采用有线传输，因此现场RFID读写器采用具有自组织、多跳特性的LoRa无线网络进行短程连接，通过集中部署的协议转换网关汇聚、转换成4G信号进行远程传输，如图2所示。未来计划统一采用NB-IoT实现无线传输。

图1　船舶生产物流管理系统总体架构

图2　船舶车间RFID设备部署方案

图3为在生产物流管理系统的管理下，船体生产过程中零件套料和托盘的物流工艺流向示意，包括配送计划下达、零件分拣入托、托盘缓存、托盘出库、托盘配送等环节。按照成组技术和分道组织生产原则，合理规划托盘配送计划和运输路径，结合RFID感知技术对中间各环节进行精细化管理，能提高零件及其托盘的管理质量，减少缺料、少料、配送不完整等现象，防止因物流不畅导致减慢生产计划的情况发生。

图3　船体生产过程物流工艺流向示意

2　问题与解决途径

在项目具体实施过程中，RFID应用方面遇到的最大问题是抗干扰问题，包括RFID标签与RFID读写器的抗干扰。

RFID标签的干扰源包括机械干扰、电磁干扰、环境干扰等。机械干扰源自装卸、运输等过程中因撞击、摔落、摩擦等原因对标签造成的机械损伤，解决的办法一是选择坚固、耐磨的标签表面封装，二是尽量把标签安装在凹陷位置，并用螺钉紧固。电磁干扰源自现场大量金属零部件、金属托盘外表面等对RFID读写器电磁信号的反射、衍射、遮挡，解决的办法一是选择具有抗金属性能的标签，二是对读写器采取多角度冗余部署，增强抗干扰能力。环境干扰源自生产现场复杂环境条件，如管子、涂装车间的高温、潮湿、腐蚀性液体等，船体车间的粉尘等，解决办法是选择密封性好、环境耐侯性好的标签表面封装。

RFID读写器的干扰主要是信号遮挡和多读写器冲突。

信号遮挡是指车间内工件、设备等对识读信号的遮挡。在船舶生产车间内场环境，绝大部分物料均放置于地面，而目前的车间内场顶部均有移动行车，为了避免顶部过高造成的RFID识别距离不够，以及行车经过对RFID识别的影响，将RFID阅读器布置于视野面积开阔的侧柱，并选择具有天线发射方向性的RFID阅读器，将其方向指向待识别内场物料，以得到更好的标签识别网络覆盖面积。

多读写器冲突是指为了解决电磁干扰等问题，在同一个识读点冗余部署多个识读器进行多角度识读以提高系统可靠性，但由于读写器射频覆盖范围重叠等因素，造成读写器之间相互干扰。解决办法是采用分时抗干扰解决技术。在RFID系统网格化处理后，各读写器在空间范围内的位置分布被标注，进一步对其分组规划，计算相邻读写器之间距离，若其小于读写半径之和，则存在射频重叠区域，此时进行分时处理，即在RFID系统区域内，读写器被分为若干组，每个小组利用独立的时隙进行射频收发，避免干扰。

3　结论

针对船舶制造业提高生产物流管理效率的需要，本文提出了RFID技术在船舶生产物流管理系统中的应用，其创新点在于，将具有良好抗干扰、抗损伤特性的RFID技术与无线网络传输技术相结合，适合现场复杂环境下的感知需求，能够对中间产品进行实时管理。针对实施过程中的具体困难，本文也给出了有效的解决途径，并在实践中取得了良好的效果。

参考文献：

[1]郭文懋，蒋志勇，王岳.RFID技术在船舶工业的应用综述[J].中国水运月刊，2013，12.

[2]侯星.物联网技术在船舶企业物资管理中的应用研究[D].江苏科技大学，2016.

[3]张莉萍.RFID技术在船用物流管理系统中的应用[J].舰船科学技术，2016（8x）.

[4]陈国靖.RFID技术在构建船舶物联网系统中的关键技术 [J].舰船科学技术，2015，2.

[5]周锦文.RFID近场天线应用及设计方法研究[D].电子科技大学，2014.

[6]王丽敏，葛世伦，姜云萍.RFID技术在制造企业仓储系统中的应用[J].机械设计与制造工程，2008，3.