虚拟工厂中车辆定位数据应用场景研究

张恩康，杨 龙，周中山，安 帅，张 啸

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，青岛 266111；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 信息技术部，青岛 266111）

0 引言

企业运营过程中需持续开展数据采集、数据运算、数据研判、数据决策与数据展示，基于数字范围内的电子标签应用逐渐广泛起来。数字孪生三维虚拟工厂是基于厂房、车间及设备等物理实体建立三维虚拟镜像，与此同时，虚拟镜像又可以集成企业的视频监控平台、能源监控平台、生产指挥中心、MES制造系统等诸多信息系统，有效的提高企业生产质量与生产效率，及企业信息智能化发展。

随着制造企业对精细化生产管理的要求越来越高，当前生产方式亟需解决的问题是缺乏对人、机、料、法、环、测等生产要素数据的整体掌控，从而造成生产协同能力不足。针对该问题，业界提供了一系列解决方案，而数字射频技术的成熟和应用的普及，已逐步得到相关领域的认可，同时，辅以虚拟工厂的空间模型体系，形成整套解决方案，应用到智能制造过程中，从应用实践效果来看，具有显著的积极作用。

RFID技术相较于传统的条形码具有显著的优势，尤其是在识别的速度、便利性、成本等方面，同时，RFID的独特属性确保了生产过程的高容错率和安全性。随着物联网相关硬件设备的发展，射频识别技术（RFID）具有不用接触物体表面，在恶劣的环境中也可以使用一系列优点，基于以上优点，使得射频技术快速被应用在制造领域[1]。

周成[2]等人对车间三维可视化数字孪生监控系统的搭建进行了研究，但未对射频识别技术在虚拟车间的应用进行深入研究。唐浩强[3]等人研究了射频识别技术的应用场景，未对射频识别技术与数字孪生工厂之间结合应用进行分析研究。故本文结合制造企业工厂现状，基于数字孪生工厂思路，创建三维虚拟工厂，综合分析了射频识别技术在数字孪生工厂系统平台中的应用效果及场景情况。

1 基于射频识别技术的虚拟工厂系统平台建立分析

1.1 虚拟工厂平台搭建

本文利用二维图纸三维建模法及三维激光扫描技术搭建了公司基于数字孪生技术的三维虚拟工厂系统。针对图纸完整的直接通过图纸进行转换，并结合第二种模型搭建的结果进行调整。针对图纸缺失或无图纸的厂区情况，通过扫描技术将厂区道路、建筑物、站房及厂房内相关设备、管线等主体进行扫描，并对扫描数据进行模型构建的过程。两种建模手段相辅相成，有效的构建了公司虚拟工厂系统。系统的原理如图1所示。

图1 虚拟工厂系统原理图

1.2 射频识别技术（RFID）应用分析

RFID经过长时间的沉淀与积累在各行各业中得到了广泛的应用，特别在制造业中的应用场景更为丰富。RFID主要有三种阅读器构成，其中包括应答器耦合的元器件、射频模块和控制单元，在制造业中的应用更为复杂主要的应用场景为阅读器与网络通信模块组合使用来达到数据采集的目的。RFID读取速度快，应用广泛利用RFID标签存储应用数据，数据使用方可以通过数据采集的方式将数据统一管理分析，进行辅助决策，减少企业劳动成本和预防异常事件的发生。RFID标签的读取兼容性特别强，只需要射频信号能够穿透载体传输，就可以进行信号的接收。在其他环境中RFID的信号也能很好的保持，例如在制造业中存在的高温、高寒、潮湿等一些高敏施工环境中也可以稳定的进行信号传输，并能够正常工作。

射频识别技术（RFID）的工作原理：计算机或操作平台将指令发送到读写器，读写器接收到指令做简单处理后由天线将信号发送出去，RFID标签接收后会进一步读写，之后把读写的信息反馈给读写器，读写器将信息处理后给计算机或操作平台进行相关数据处理。RFID的基本原理如图2所示。

图2 射频识别技术的基本原理图

读写器作为RFID的重要组成部分，也是整个平台的核心部件主要负责信息交互、数据传递、数据解析、数据处理等功能。系统主要由射频处理模块、信号处理模块、供电模块、控制单元、接口电路等部分构成。系统运行中当标签接收到其他系统发送过来的数据，首先要经过射频模块进行解析调试将数据进行处理，然后再经过读写器的天线发送出去，在标签接收到信息后，对接收到的信号就行数据加工及数据处理之后将数据统一打包以信息的方式返回给读写器，接下来读写器提探险将接收到的信号传递给射频模块进行信息的分析与调试，在数据中提取出来标签发送的数据内容，这是一个完成的通信过程。控制单元作为第二大主要单元，主要用来对读写器的功率表调配以及对射频模块完成信号的数据接收、信号发射、信号调节、解调指令、供电模块的功率控制、执行电脑端由接口电路传递的指令等进程数据。

接口电路主要负责读写器自身与外部平台的连接，外部平台主要包括为数据分析系统、数据采集系统、数据传输系统。当前主要的外部平台是PC平台，并与平台进行数据的交互、传递和指令的交互、传递。信号处理模块主要负责读写器中数据的转换。

在物联网的应用场景中，利用RFID标签进行物体信息采集是主要采集过程实现，利用类RFID标签的快捷采集和灵活性可以便捷的实现。将需要采集的物体信息记性标签化，按照二进制编码规则进行存储，将数据实例化到标签内的存储芯片内。实现了一物一码的数字化管理。当使用RFID系统对标签编码进行读取是就能够将当前编辑了编码的物品进行快速数据解析，读取到当前物体的详细信息。从而将数据传输到指定的平台内形成物联网体系内的物联数值化。

RFID系统有多种类的电子标签，也体现了RFID系统的多源兼容性，其中有源标签主要由：电源模块、标签芯片、天线、介质基板等部分构成。大部分电子标签都可以支持远距离传输，可以通过统一个的频段实现对外的信号传递。半有源标签是由：电源模块、标签芯片、天线、介质基板等部分构成。这一类的电子标签一般的应用场景主要是自身不对外进行信号发送，当然功耗也会相对于有源标签要底很多，一般只有在接收到激活信息的时候才正式进入工作状态，只能被动接收指令。

数据处理系统在整个RFID的技术体系中负责核心的数据处理过程[5]。数据处理系统采取接口电路连接到RFID读写器的连接，并通过平台系统完成针对读写器的实时数据监控、读写器的状态配置、回传信息的识别与分析过程、识别信息数据的可视化管理、数据分类存储等功能。RIFD技术体系中数据处理经常为大数据量的处理、涉及多种类协议解析交互、贯穿整个网络通信层。

RFID系统选择及建议：

从应用场景中，建议使用低频率的射频信号进行通信，低频率的射频可以更好的对多种介质穿透，相对于1GHz的信号频率，100KHz的信号在经过复杂的环境中信号的吸收要更好。

在工作范围中，RFID主要依赖于实际的需求主要从操作空间、物体间隔、移动速度等 多维度进行考量。标签与读写器的影响范围也要有专业的测量和调试，否则可能导致数据传递的丢失。

2 基于射频识别技术的三维模型系统应用效果及场景

本文围绕数字孪生工厂的整车装配线的数据采集和信息传输到三维虚拟工厂系统开展研究，对射频识别技术的相关原理及应用场景进行研究，提出了一套基于射频识别技术的整车装配线的数字孪生虚拟工厂系统平台。

本文所用虚拟工厂的射频识别系统由RFID标签、移动式及固定RFID阅读器、虚拟工厂后端系统构成。固定RFID阅读器是基于生产线工艺布局为基准，通过一定的方式安装在生产线的两端，通过实时发送信号采集生产过程中通过该产线的产品。而移动式RFID则是动态的，根据现场情况由工人手动扫描所需标记的产品。虚拟工厂后端系统的关键能力则是利用收集的的产品标记信息，通过平台三维可视化的方式动态展现到平台中，同时，与其他供应链相关数据进行融合汇总，实现物理空间与虚拟空间相互映射，最终实现产品位置信息与生产过程数据有机融合，最终为精益生产提供决策支持，切实实现生产效率提升的同时，有效降低因生产不协同而造成的浪费现象。

目前，基于虚拟工厂的射频识别系统中的终端设备多采用LLRP通信协议，技术实现方式较复杂，只有具有深度理解RFID阅读器和标签的基础技术原理，并具有一定的业务经验方能开发出相应的应用功能。在实际开发实施过程中，ALE技术是对LLRP进行了相应的封装，在易用性方面具有一定的优势，故本研究采用的射频识别技术选择以ALE作为RFID阅读器的通信接口。装配线的头部及尾部阅读器设置一台前置服务器，虚拟工厂系统平台通过该前置服务器实时采集RFID相应的参数信息。

在工厂车间装配线上部署射频识别技术可以帮助进行生产信息的实时跟踪，跟踪工艺流程，提高问题的处理速度，大幅度提高产线生产效率。RFID标签接收到信号后则利用内置的芯片进行分析，并将标签中存储的内容利用反向散射调制原理传送给阅读器，实现信息数据的交互。

下面简单介绍一下整车装配线的射频识别系统应用流程。在生产线获取到生产任务的请求时，虚拟工厂平台接到生产任务后，对生产任务进行智能化处置，把生产任务解析生成各产线产品所需对到达的产品信息，最后把相应的结果发送到平台，平台将即将生产的产品信息发送到数据处理模块。产品开始生产装配，当装配工序经过RFID阅读器时，其实时扫描相对应的产品信息，同步传输到虚拟工厂平台系统中，系统根据产品信息和订单信息进行综合比对，确定是否有不一致或有差错的产品。若有该现象发生虚拟工厂平台自动生成异常信息，推送给管理人员，并进一步现场处置，判定异常现象的原因。

传统生产管理信息管理方式是基于产品表面粘贴的条形码，并利用扫码枪完成产品的清点。虽然采用条形码标记产品可以节约标签成本，但增加工人的工作量，甚至可能导致数据错记漏记。而RFID与条形码技术不同，它不需要视线即可完成识别。射频识别技术不仅满足条形码所具备的所有优势，而且能利用空间模型辅助完成产品的空间定位，这非常有利于大型装备制造场景。

在射频技术应用时，需要采用标准化的通信协议，确保设备之间的数据交互，实现生产任务的监控。

传统的生产方式是企业的管理者将订单信息分发给生产线管理人员，而负责各工艺环节的制造人员接收到信息后，需采用人工的方式将生产信息输入到平台或数控设备中，效率无法得到保障且容易出现认为错误，通过射频识别系统可降低错误发生的概率。

RFID技术在定位精度方面具有相对差异，可根据实际要求采用针对性的技术实现方案，在实际应用过程中，结合定位精度的高低，可确定具体的系统平台对阅读器所采集数据的分析特征范围了，针对精度高的场景可提取相对复杂的RFID信号特征。

基于RFID和OPC UA的数据集系统的方案，可动态获取各生产工艺环节的详细信息，并从工艺优化、产能提升、节能降耗等方面为决策数字化、管理透明化提供精准支持，进而提高生产效率。

OPC UA作为数据采集模块，支持三维空间数据的动态读取和数据写入操作，当确定指定的改写的节点时，可以立即调用Write服务。通过RFID和OPC UA构建的数据采集系统，将采集的数据上传到数字孪生虚拟工厂系统平台。同时，以生产线为单元，在各装配线设备上安装OPC UA服务器，并对相对应的设备进行信息建模。

整车装配线设备上接入OPC UA数据采集网络，通过OPC UA数据库获取生产线的实时生产数据，可把信息实时传送到数字孪生虚拟工厂系统平台，让生产层及管理层能随时把控调整生产中出现的问题。同时，获取的历史数据，可通过数字孪生虚拟工厂平台进行数据挖掘，优化生产工艺流程。图3为OPC UA系统模型图。

图3 OPC UA系统模型图

针对企业生产信息化的决策制定，都离不开对现场生产情况的及时把握，通过射频识别技术实时获取生产过程产生的各种数据，才能解决上述问题。三维虚拟工厂系统设计原则及要求如下：本系统总体是进行大数据的实时流通与交换，对系统的整体性能要求比较高，需要保证数据的可靠和稳定性，软硬件的可扩充性，系统易维护和易操作性。

虚拟工厂应用场景分为不同的层级。其中，一是用户层对象是企业的所有员工，包含普通普通员工和中、低、高层管理者们，他们在自己的职权范围内下发、接收和执行生产计划，同时要实时查看生产计划的实际执行情况；二是功能层则是实现对生产过程的可视化监控，其实现步骤首先需要对数据的处理和建模，从而实现从计划下发到产品加工的自动对接的运行模型，因此可以实现从生产计划到现场加工全过程可视化监控；三是数据层主要是为模型运行提供数据支撑，数据来源是生产过程中获取的实时信息，再进行采集和分类封装；四是网络层主要指Intrane/tInternet等，用于信息与数据的共享和传输。虚拟工厂管理系统的功能模块有可视化监控分析、数据驱动快速建模、数据标准化转化、数据驱动模型运行、系统管理等功能模块。下面为基于虚拟工厂中采集到数据应用场景分析：

1）射频识别技术数据的采集。采集的主要是生产计划和现场的一些数据，比如计划的执行情况、生产现场的工艺数据以及生产的进度情况等，进而可以实时监控加工装配产品的真实运行状况以及设备工作状态信息。根据需求的不同，对数据进行对应的处理，并统一数据结构，然后与数据驱动快速建模模块联结，进行数据共享。

2）系统平台数据建模。首先需要设置模型参数以形成相应的模拟展示环境，再建模以形成实时数据信息和静、动态信息等不同模型，进而将这些信息放在对象数据库中。

3）虚拟工厂将建立的模型进行三维可视化展示。以三维动画形式把数据驱动模型计算出的结果给传递到各个终端浏览器，并在终端浏览器进行多维度统计分析，以便决策层可随时查看和调用。

4）虚拟工厂的运行场景。通过实时可视化监控可快速掌握各生产线的实际执行情况，进而可利用实时现场数据结合生产计划、资源和方法进行生产指导，即可降低成本，又可以提高产品质量。

可以看出构建不同场景模型的过程是搭建一个三维虚拟工厂系统的集成平台。该平台具有可维护、可扩展、可修订、可编辑、可更改功能，并且该三维虚拟工厂平台具有视图的放大、缩小、隐藏等功能。搭建的虚拟工厂集成平台可实现单个模型（局部或整体）、局部区域模型、数据的删减、增加、改动并对上述功能设置用户权限控制，利用平台可进行管线、建筑、设备间的干涉演示分析，规划模拟，具有视图的放大、缩小、隐藏等功能。同时，该虚拟工厂集成平台联动集成资产管理、能源监控、产线规划、物流管理、安保联防、规划设计、数字化工厂、企宣规划、抗灾减灾、智能停车等应用场景实景平台。虚拟工厂集成平台提供单个模型、局部模型等相关数据的维护管理，并针对不同角色提供相应的权限控制。同时可进行管线、建筑、设备间的干涉演示分析，规划模拟，具有视图的放大、缩小、隐藏等功能。

虚拟工厂系统可通过射频识别技术进行生产数据采集，在目标库中，每个目标库中都有相应的模型，它们在场景布局、信息采集、信息加工等各个环节中都有相应的模式，为产品的可见性提供了依据。通过射频技术采集数据，再利用数据传送技术实时传递、分析、统计，利用软件或外部整合的方法产生一组相关的模式，并分析和检验该模式的运作状况。

3 结语

本文深入研究了RFID识别技术及其在数字孪生工厂中的应用场景，提出了RFID识别技术对车辆装配线信息实时采集，上传采集数据到数字孪生工厂系统平台，企业管理层及生产层可随时查看把控生产的信息，及时解决出现的问题，优化生产工艺流程。未来，企业将利用收集到的生产数据，利用数据挖掘算法，进一步分析预测，使产品不合格率程下降趋势，并在产品生产成本有所缩减。