基于RFID的航空维修工具管理系统设计

2021-10-18崔利杰陈浩然丛继平

计算机应用与软件 2021年10期

崔利杰甘露陈浩然* 丛继平

1(空军工程大学装备管理与无人机工程学院陕西西安 710051) 2(中国人民解放军95665部队四川成都 611530)

0 引言

目前大多数机务单位对工具管理仍采取传统的手工登记管理模式，日常工作中坚持“工具三清点”的规定[1]，即工作开展前清点、工作转移时清点、工作结束后清点，但是在实际中工具丢失的现象仍然屡次发生，特别是近几年以来发生的因为工具清点遗漏造成的系列飞行事故及飞行事故症候。基于这一点，通过充分分析当前机务工具管理中存在的问题，针对给定的部队工具情况，分析其特点提出不同的RFID标签标记方法，设计系统具体布局，开发相关的数据库，结合目前应用广泛的手机终端对工具管理进行交互管理，最大程度地缓解管理压力和方便机务部队工具管理。

许多学者针对国内维修业工具管理系统进行了细致的研究。郎军成等[2]认为空军航空兵部队工具仓库管理效率普遍较低；袁锡藩等[3]认为工具管理应用体现维修企业维修水平的一个重要标志，民航维修业工具管理实践中存在参与流程迟、管理效率低、工具管理存在盲点、职能规划不合理、系统流程设计不合理等问题；刘英等[4]对智能化航空维修工具管理系统进行了研究，利用RFID技术设计工具箱来实现工具快速存取、定位和监控；张仪哲[5]指出将信息化工程引入到民航维修企业工具管理过程中是工具管理效率的关键；潘群[6]利用RFID技术实现信息自动采集、核对及纠错，同时实现信息流和实物流的统一；杨丽[7]将RFID技术与高铁工具管理系统结合，实现了高铁检修工具管理的部分功能；张伦彦[8]对原型功能进行了试验，验证了RFID结合航空工业的可行性；Cardoso等[9]将超高频(UHF)电子标签应用与智能交通系统结合。

上述文献对RFID技术进行介绍，也提供了关于RFID技术的新思路，但主要是针对技术理论的阐述，与当前航空兵机务部队实际有所差距。结合当前研究理论及成果，在此基础上将RFID技术应用于机务维修工具设备管理的各个环节需要立足当前机务工具管理实际来进行完善。

1 工具管理现状分析

1.1 传统工具管理现状

通过资料的搜集整理，将当前工具管理现状归纳为以下四点。

(1) 工具种类、数量繁杂，每日清点工具工作量巨大。通过调研了解到，仅在机务部队一个中队的日常性工具交接清单就达到332项，其中工具项目名称、编号、数量、单位、货架号等各不相同。在日常工具的清点工作上，工具管理人员需要针对每一件工具信息进行认真细致的核对，否则会造成管理失控和极大的安全风险。可见，在日常的工具清点中存在难于清点问题，工具种类、数量的繁多会给一线机务部队增加巨大的工作量。

(2) 工具使用难以定位。根据飞机放飞“十不准”规定，在工作清点过程中发现工具丢失、遗漏之后，工具遗失未找到时不能放飞，所有机务人员会停止工作寻找工具。工具难以定位会浪费大量的人力与时间，造成潜在的安全隐患。

(3) 工具借还时间集中。工具的借还通常集中于工作开展、结束和交接班这几个关键节点，这几个时间段内，工具管理人员面临着巨大的压力。同时，大量人员的聚集交谈容易转移工具管理人员的注意力，一方面导致工具借还效率不高，另一方面可能出现工具管理的错漏。

(4) 工具不能进行合理调配规划。在工具管理上都不同程度存在重视前期配备、轻视后期管理的现象，只有部分工具使用频繁，甚至有少量工具存在从未使用过的情况[10]，并且无法及时统计需要修复、更换的工具。

传统手工登记模式已逐渐适应不了现阶段机务维修工具管理的新形势，在当前机务物联网和信息化建设中，对结合RFID技术的工具管理模式技术升级才是大势所趋。

1.2 机务维修工具特点

(1) 按内场外场分类。在机务部队一般使用工具场所分为外场与内场(修理厂)，由于在不同工作地点担任不同维修保障任务，工具的使用分类存在区别。在外场一般使用工具进行飞机起飞前、降落后的简单日常性维修保障活动；在内场(修理厂)工具的使用更为多样复杂，维修程度更加深入，会在修理间或者是机库进行飞机定时检修或者飞机部件的修理。

(2) 按专用通用分类。当前随着新机型的列装部队，机务部队专业机组进行了整合。以目前较为普遍的机械专业、军械专业、特设专业、电子专业为例(专业具体按部队机型而定)，各个专业机组拥有其专用的维修工具，专业间不能跨专业使用工具权限，在专业内仍继续细分为专业通用和专用工具箱，此类工具大多存放于机库附近的工具间。同样，在日常维修活动中的拆卸通用零件时，机务专业有其通用工具需要借用，如开口扳手、一字解刀、十字解刀等，此类工具大多存放于工具房。

总而言之，在日常机务维修之中，机务人员需要使用大量工具，其特点为种类繁杂、数量巨大、规格各不相同，所以保证工具使用的可管可控非常重要。当前机务部队坚持“三清点”制度，对每类工具乃至螺帽都要进行认真细致检查清点，一一分类编码，并在清点的时候确保工具编码与数量与工具单相符合。

编码的原则需要体现其所属专业、物理特性或用途，保证其简单性的同时要确保其专业与物理一致。机械专业、军械专业、特设专业、电子专业四个专业分别对应字母“F”“J”“T”“D”，而通用工具以字母以“Q”为开头。以开口扳手为例，对其编号表示为“F-KKBS-001”表示机械专业001号开口扳手，由“专业代号+工具字母缩写+序列号”表示，体现了编号规则的易辨识性和唯一性。按照实际，具体编号方法按照各部队具体情况而不同。针对工具的合理有效管理可以确保飞行安全，防止了“带工具上天”此类人为差错，对部队战斗力提升和安全性保证有着极其重要意义。

1.3 方法对比

条码技术在仓储管理之中有着非常成熟和广泛的应用，当前部分单位开始进行条码仓储管理，但是RFID技术相比基于光学识别的条码技术有着无可替代的优势。RFID技术与条形码主要性能比较如表1所示。

表1 RFID标签与条形码对比表

2 系统设计

2.1 系统需求分析

2.1.1用户分析

管理员：机务部队工具房之中的管理人员，日常工作中要将工具借出、归还、入库、出库记录登记在册以备查验；将不同种类、编号的工具、设备分区分类存放，要求整齐有序；日常清点工作中要保证所有工具的在位完好，定期进行清洗、维护，在遇到工具损坏或遗失的情况要及时报告上级。

机务人员：机务人员是保障飞机的主要力量，负责排除飞机常见故障，完成上级赋予的飞行维修保障任务，并及时登记和汇报飞机状况。机务人员在借用与归还工具前要认真做好清点工作，保证工具无错误遗漏，配合工具管理员进行登记工作。

检查员：检查员通查是指担任检查监督职责的部分人员，包括大队长、安监员等。检查员对工具登统计记录进行检查，对出现的管理问题要及时指出纠正，工具管理员能够向检查员直观清晰地汇报工具管理情况。

2.1.2管理对象分析

根据部队机务中队工具清单分析得出，可将工具主要划分以下几类：

(1) 各专业工具箱类：机械专业1 ∶1专用工具箱、军械专业1 ∶1专用工具箱、特设专业通用工具箱、雷达工具箱、航电专业工具箱、驻训安检工具箱、基本维护工具箱等。

(2) 扳手类：梅花开口扳手、开口扳手、活动扳手、军械挂架专用棘轮扳手、航炮装弹扳手、火箭弹专用扳手等。

(3) 解刀类：一字解刀、十字解刀。

(4) 工具钳：平口钳、尖嘴钳、斜口钳、剥线钳。

(5) 检查仪器：热电偶检查仪、火警检查仪、绝缘电路检查仪、雷达通用气密性检查仪、武器系统综合检查仪、ICNI系统检测设备、充气及压力检查装置、燃油箱压力检查装置等。

(6) 工具车：滑油车、座椅拖车、液压油车、发动机油泵车、气瓶运输车等。

(7) 其他：防噪声耳机、胶木板、线轮、桶刷、风斗等。

工具箱类工具特点为形状规则、结构坚固，能够存放多种功能工具，一般而言航空装备维修工具箱会对工具进行卡槽匹配确保工具的放置正确，此类只需要对工具箱进行贴标管理即可；扳手类、解刀类、工具钳类及其他类工具管理较为分散，也是极易出现遗漏的工具，针对此类工具需要对每件工具进行RFID贴标管理，但需要根据具体工具形状材质确定标签类型；工具车一般体积较大且形状不规则，此类需针对工具车进行对应贴标管理，一般不干胶式RFID标签并不适用于此类工具。

2.1.3业务分析

系统主体与客体间联系主要是由各种日常工作需求组成，以部队飞行日或工作日围绕工具的各项操作为例，主要分为五项：

(1) 新工具入库：对于新进工具的入库需要工具管理人员与入库单一一核对，确保工具的数量与型号规格无误，如果不符合要了解原因并且解决；对工具质量情况进行审核，对已损坏故障的工具及时上报与请求更换；待检查无误之后对工具进行编码，并且摆放至预设的工具区。

(2) 旧工具报废：工具报废要形成报废单报告上级，待领导审批核查完毕后方能进行工具报废操作。待报废工具应当记录其编号、数量、所在位置等信息，将其统一保存在特定的待报废区域，工具管理人员将待报废工具在工具总清单上进行删除记录并且备注。

(3) 工具借出：工具管理人员根据当日下发的工作任务卡片，对所需的工具进行预先准备，工具管理员检查完毕后在工具借用单上记录所借工具清单，机务人员领受工具借用单后进行工具的核查，对缺漏或损坏及时报告，检查无误之后在工具借还登记本上签署负责人姓名。

(4) 工具归还：机务人员在归还工具前首先进行清点工作，在确保无遗漏的情况之下送至工具房，工具管理人员进行清点确保无问题之后，机务人员填写工具借还登记本上签名，机务管理人员将工具按规定放置于工具房原位置。

(5) 工具盘点：工具清点工作是工具管理员日常性工作，分为日常盘点和随机盘点。飞行日工作结束之后工具管理员对工具房内所有工具进行仔细清点工作，主要是明确工具的在位情况，防止工具的遗漏、丢失或损坏的情况发生，如果发现工具遗漏失控问题，应查找问题源头直至彻底解决，遇到不能解决问题及时上报。随机盘点是在上级来检查时、飞行或维修现场出现问题时或其他需要即时盘点时进行的盘点工作。

2.2 功能模块分解

功能模块主要包括系统管理模块、人员查询模块、工具管理模块、工具操作模块四个功能模块。如图1所示。

图1 功能模块分解图

1) 系统管理模块。系统管理模块是为方便管理人员进行人员、工具信息管理的平台。通过指定的拥有权限的管理员ID和密码可以进入该界面。该模块主要分为工具管理与人员管理两个部分。

2) 人员查询模块。人员查询模块是面向管理员与机务维修人员的信息显示窗口。该模块可以显示当前工具房工具整体情况和对工具借用未归还和已归还情况。界面设计应有良好的交互能力与可操作性，方便使用人员快速查询存储在数据库中的工具信息。目的为进行工具系统的监控和痕迹管理，方便日常工具管控，要求查询模块应该根据人员职责进行权限设置，达到系统最大的实用性和简约性。

3) 工具清点模块。工具清点是管理员管理工具房的日常性工作，该模块作为管理系统的子功能起到非常重要的作用。管理员利用安装在基于Android平台的RFID手持机对全部工具进行扫描收集信息，通过本地数据库或者上传服务器进行数据的处理。对当前工具库房的所有工具信息进行分析，对未能按要求在位的工具进行告警，对当日未按时归还工具的人员进行逾期提醒。

4) 工具操作模块。机务人员在登录系统界面之后，实现日常对于工具的借出归还的基本操作，能够录入数据库系统。工具操作模块可再划分为以下四个子功能：

(1) 工具入库管理：操作人员选择工具入库功能扫描工具对应RFID标签，录入工具信息与之匹配，确定后上传数据库等待借用。

(2) 工具出库管理：当工具管理员得到工具报废信息时，将出库工具移至出库区，选择手持机出库功能，扫描需出库的所有工具。点击确定后，出库工具将标记为出库状态无法进行借用。

(3) 工具借出管理：操作人员选择借出功能，将待借出工具放置与扫描区，确保读取到待借出所有工具RFID标签信息后点击确定，工具在数据库中更新为借出状态并对应机务人员生成工具借出清单。

(4) 工具归还管理：机务人员归还工具时，手持机采集工具信息并且读取到对应借出清单，当前归还工具与工具清单核对无误后方可完成归还操作，否则告警提示工具管理员。

2.3 SQLite数据库构建

对于机务工具管理系统设计，数据库的建设是管理信息系统的主要技术基础。数据库设计是指对于一个给定的应用环境，提供良好的数据模型与处理模式的逻辑设计，以及确定良好的数据库存储结构与存取方法的物理设计，从而建立起既能反映现实世界信息和联系，满足用户数据和处理要求，又能被某个数据库管理系统(DBMS)所接受[11]，同时能实现系统目标并能有效地存取数据的数据库。

概念结构设计是将需求转化为信息世界中的实体及其联系，用概念模型描述。概念模型的设计是不依赖于任何数据库管理系统的，它是对用户需求的归纳，能够方便、准确地表示出信息世界的常用概念，与具体的硬件环境和软件环境无关。

在基于RFID的机务工具管理系统中涉及的实体包括工具、机务人员、管理员、入库单、借出单五个实体，工具、机务人员、管理员都是相对独立的实体单位。以工具的流动作为系统的核心，包括入库、报废、借出、归还操作，并且对于整个流程需要做到监控，所以需要相应入库表、出库表和库存清点表来记录入库出库和库存实时情况。E-R图如图2所示。

3 系统实现

3.1 总体布局规划

基于RFID的机务维修工具管理系统总体结构，根据功能模块对工具房进行区域划分以达到优化效果，如图3所示。

图3 系统布局规划图

(1) 工具存放区：主要是用于工具的存放，要求应满足机务维修工具保管及存放规定。工具存放主要按照现目前部队工具房存放原则，按照工具规格主要分为整件管理、组箱管理、散件管理三种管理方式。每件工具上贴好RFID标签，工具房管理人员利用RFID进行读取标签信息进行清点工作。

(2) 出库入库区：出库入库区主要是对入库与报废/出库工具进行操作与存放的区域。管理员针对新工具进行核查、质检及登记贴标等工作，待完毕之后按工具位置要求将工具正式转移到工具存放区。

(3) 信息系统区：系统区主要包括主机服务器、数据库、读写器以及天线和连接器等，负责处理读写器通过Wi-Fi网络或线路传递给主机服务器的各项数据，进行过滤解析等操作，从而进行相应控制与反馈。

(4) 借还管理通道：借还管理通道主要是针对机务人员日常借还工具所划定区域，要求与其他管理区域互不干扰，机务人员携带其工具通过通道时RFID扫描器会收集RFID标签信息传输至信息系统进行相应的借用归还操作。

3.2 Android手持机端

Android手持机主要作为数据采集平台以及简单的数据处理平台，上传数据需要通过API传输到后台进行相应操作。系统开发采用前后端分离的方式集成超高频模块，以达到一种高效率的开发使用。RFID手持机系统中已内置了当前RFID使用的服务。引入专用于Android平台下基于Android系统下编译RFIDSDK.jar开发包。在服务启动、模块连接成功之后可正常使用其接口方法，RFIDSDK.jar就是服务与客户应用之间的媒介。服务框架如图4所示。

DataListener(数据监听器)封装在其第三方库中，开发阶段只需要直接调用便可以实现其功能，通过对RFID标签的数据监听，将收集的RFID标签中的EPC码列表转化为JSON格式通过中间件传输到服务器端。根据手持机端进行的不同操作意图，后台API调用相对应的函数进行数据库操作。

由于中间件没有明确的定义，可将此API理解为中间件一个重要部分。该课题中间件主要实现功能是进行手持端与服务器端的数据交互功能。API采用Python的Flask框架进行开发，搭建简单的数据传输接口对Android端传输的数据进行监听[12-13]。并且API之中封装好各类函数对数据库进行直接操作，从而可以反馈相应信息到手持机上。

3.3 电脑端

3.3.1管理员

根据人员职责不同设置不同功能划分，管理员负责日常工具房运行维护工作，拥有对系统人员和工具的报废、新增、清点，以及人员的删除操作等权限。

(1) 人员删除。管理员通过点击人员删除按钮，能够弹出系统登记在数据库内所有普通机务人员的列表，管理员能够选择人员进行删除操作。

(2) 工具添加。对于工具库内新增工具，在质检无问题及生成对应编码之后，管理员需要输入工具的工具名、工具号、位置等信息，同时能够检测如果有未填写信息会对人员发出提示，人员填写完备后点击添加按钮即可完成工具入库操作。

(3) 工具报废。对于工具库内报废或出库工具，对其输入工具号及数量的信息，其他信息会自动匹配到数据库调用相应的内容，点击确定即可完成工具出库操作。

3.3.2一般使用人员

一般使用人员通常为机务人员，因此系统对其功能进行了区分，主要是体现其自主借还工具与查找工具的便利性。

(1) 人员注册。人员注册功能在系统登录界面左上角菜单栏里可以调用，点击后弹出人员注册界面，人员需要输入自身工号(要求其唯一性)、姓名、密码并二次确认密码进行防差错。点击注册按钮，会审查上述文本框是否为空，如果为空则弹出提示重新输入；反之则提示注册成功，录入人员数据库之中。

(2) 修改密码。人员修改密码功能在系统登录界面左上角菜单栏里可调用，点击后显示人员修改密码界面，人员输入工号、原密码、新密码并二次输入新密码进行防差错。点击确定修改按钮后同样会判断文本是否为空，如无问题则修改密码成功，更新人员数据库中的密码。

(3) 工具借用。一般使用人员使用账号登录系统后，人员点击界面左侧工具借用按钮弹出借用工具界面。人员通过RFID扫描器或正确输入其工具号，点击确定借用按钮则可以生成借用单进行借用操作。

(4) 工具归还。工具归还操作同样人员通过RFID扫描或手工输入工具号，系统对当前账号下的工具借用单进行核对，如果当前归还工具与工具借用单不匹配，则弹出提示窗口，如果完全匹配则顺利完成工具归还操作。

(5) 工具视窗查询。工具视窗查询为管理员与一般使用人员共有功能，主要是针对工具借用前对工具状态的查询。查询方式设置为按工具名查询、按工具号查询、按位置查询、按专业查询、按单位查询五种。在界面上部文本框内输入关键字，点击文本框右侧的查询按钮则可以进行查询操作，如图5所示。该查询逻辑按照文本匹配的模糊查询，即可以查询与关键字相关的系列工具，提高了工具查询的效率，同时未归还窗口和已归还窗口会显示当前没归还和已归还的工具清单。

3.4 功能实现流程

首先在工具入库前，将电子标签粘贴或悬挂在工具上，并录入工具名、工具号、专业、入库时间等历史数据作为基本信息，并划分工具类别，录入及分类完成后将工具摆放到库房相应位置，并做好位置记录。在借工具时，机务人员接收到当天工作任务卡片后，对其工具需求进行分析后罗列工具清单，通过系统查找工具的在库状况，系统能够自动记录其借用记录并生成工具借用单，以此作为工具归还依据。工具管理人员在对工具进行出库操作时，首先对出库报废工具清单信息进行罗列并备注原因，上报报废工具清单待上级确定，当报废命令确定之后进行工具信息核对，如无问题则对其标签进行灭活且将其更新工具信息数据库，将工具转移至相应的工具出库区域。归还工具时，机务人员先对照工具借用单进行清点工作，如无问题则送至工具房，通过RFID系统采取所有工具信息并与工具借用单进行对比，如果归还工具与工具借用单对应则完成归还工具操作，最后关闭工具借用单完成工具归还流程，形成完整的工作流程。