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物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things, Io T) 是指運用信息采集、傳感設備, 按照約定協(xié)議, 把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來, 進行信息通信與交換, 以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡, 其是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和拓展。

物聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)思維, 將設施、設備、人員、工具、物料、電纜與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎設施, 在經(jīng)濟管理、生產(chǎn)運行、社會管理、國防建設乃至個人生活、工作、學習等方方面面, 開辟了廣闊的應用空間。很顯然, 物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng), 而且物聯(lián)網(wǎng)能夠實現(xiàn)任何物品 (也包括人) 與物品之間彼此進行“交流”[1], 無需人工干預。

目前, 對于大型鋁型材制造企業(yè)來說, 智能化生產(chǎn)管控要設法破除如下困境[2,3,4]:

(1) 人員管理困境:企業(yè)人員眾多, 管理層、技術層、普通員工的信息管理混亂、復雜;

(2) 設備管控困境:企業(yè)擁有眾多的設備設施, 其狀態(tài)、屬性和參數(shù)直接影響生產(chǎn)過程和設備維保, 必須對設備設施進行實時數(shù)據(jù)采集;

(3) 模具物料管理困境:鋁型材生產(chǎn)企業(yè)模具、物料眾多, 其采購、儲存、調(diào)配等環(huán)節(jié)涉及大量數(shù)據(jù)的保存、匯總和查詢等處理, 傳統(tǒng)手工操作易出錯、效率低, 不利于模具物料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析;

(4) 環(huán)境監(jiān)控困境:企業(yè)內(nèi)人員和物資流動性大, 環(huán)境時時刻刻變化, 必須進行實時監(jiān)控, 以保證企業(yè)安全生產(chǎn)。

本文綜合考慮上述因素, 結合大型鋁型材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)、倉儲與物流智能管理與控制的實際情況, 展開物聯(lián)網(wǎng)技術與應用研究, 給出了大型鋁型材生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)倉儲物流物聯(lián)網(wǎng)應用解決方案。

圖1 平臺總體架構   下載原圖

一般來說, 絕大多數(shù)大型鋁型材制造企業(yè)通過辦公自動化系統(tǒng)OA、客戶關系管理系統(tǒng)CRM、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、立體倉儲系統(tǒng)WMS、產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)PLM等信息系統(tǒng)建設, 已經(jīng)基本完成了信息技術在產(chǎn)品研發(fā)、設計、生產(chǎn)、營銷、管理和服務等各環(huán)節(jié)的應用、滲透和融合。但仍有可能存在著許多薄弱環(huán)節(jié)或瓶頸問題亟需突破, 例如, 形成了大量的“信息孤島”, 缺少對模具、物料、生產(chǎn)制造和倉儲物流的全生命周期管理等, 致使不能有效提高企業(yè)的整體運營效率。

圖1為本文提出的面向大型鋁型材制造企業(yè)、基于物聯(lián)網(wǎng)技術應用的生產(chǎn)倉儲物流綜合管理平臺總體架構。

該平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術實現(xiàn)模具物料全生命周期, 以及鋁型材生產(chǎn)、物流倉儲全程的智能控制與管理, 解決模具、物料、鋁型材產(chǎn)品數(shù)量龐大、種類繁多、管理復雜, 以及生產(chǎn)各環(huán)節(jié)缺少數(shù)據(jù)集成和智能控制手段等問題。

生產(chǎn)倉儲物流綜合管理平臺基于主流軟件平臺構建理念, 采用多層架構模式, 使系統(tǒng)具有很強的適應性、可擴充性、可維護性和易用性, 整體架構包括在線服務層、支撐服務層、 (云平臺) 基礎設施層, 以及平臺安全體系和平臺監(jiān)控體系。

(1) 在線服務層:在線服務層以Browser模式為各類用戶提供工作界面, 包括平臺的主要應用功能, 如:模具物料全生命周期管理子系統(tǒng)、鋁型材生產(chǎn)過程管控子系統(tǒng)、鋁型材倉儲物流子系統(tǒng)、平臺管理子系統(tǒng)和企業(yè)門戶及其它應用系統(tǒng)等。

(2) 支撐服務層:支撐服務層包括各類應用中間件, 提供應用系統(tǒng)與基礎設施層之間的連接與支撐, 包括單點登錄服務、統(tǒng)一用戶授權服務、統(tǒng)一消息服務、數(shù)據(jù)交換服務、工作流引擎、信息發(fā)布服務、信息門戶服務、統(tǒng)一搜索服務、電子表單服務等。

(3) 基礎設施層 (云平臺基礎設施) :基礎設施層采用云計算技術構建, 包括底層的服務器集群、數(shù)據(jù)倉庫、云存儲、監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)感知網(wǎng)絡等, 通過物聯(lián)感知網(wǎng)絡, 采集、整合和處理模具、物料、在制品全生命周期、生產(chǎn)過程、倉儲物流的各類數(shù)據(jù)。

(4) 安全體系結構:平臺安全體系主要包括硬件防火墻、數(shù)據(jù)加密、身份認證識別 (密鑰盤) 、安全口令等, 保證平臺的安全性。

(5) 平臺監(jiān)控體系:對平臺使用狀況、效能和業(yè)務應用進行統(tǒng)計分析和監(jiān)控, 為平臺持續(xù)優(yōu)化、升級改造提供科學依據(jù)。

在大型鋁型材制造行業(yè)中, 純RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構并不能完全滿足企業(yè)的現(xiàn)實需要, 主要原因有以下幾點:

(1) 在生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)測等環(huán)節(jié), 其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性較低, 明顯不能滿足生產(chǎn)過程、質(zhì)量實時監(jiān)控需要。

(2) 純RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構的成功應用是建立在RFID標簽大面積應用基礎之上的, 然而目前RFID標簽成本較高, 大多數(shù)鋁型材制造企業(yè)不具備這樣的基礎條件。

(3) 在大多數(shù)應用場合, RFID標簽中只存放被跟蹤對象編碼, 未能充分發(fā)揮RFID標簽數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)勢, 而在生產(chǎn)過程等環(huán)節(jié), 往往需要在RFID標簽中存放更多的動態(tài)數(shù)據(jù)。

為了滿足大型鋁型材制造企業(yè)生產(chǎn)管理中數(shù)據(jù)采集與處理實時性要求, 解決RFID標簽成本高的問題, 本文充分利用RFID在數(shù)據(jù)存儲及讀寫效率方面的優(yōu)勢, 與條形碼技術相結合, 提出RFID與條碼融合的數(shù)據(jù)采集技術方案, 系統(tǒng)架構如圖2所示。

工作原理:企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)管理需要確定跟蹤對象 (模具、物料、在制品) , 根據(jù)被跟蹤對象的性質(zhì)以及將要進行的生產(chǎn)加工流程生成控制邏輯數(shù)據(jù), 寫入RFID標簽存儲, 并通過條碼與對象綁定。對象在生產(chǎn)制造過程中流動時, 其物流和信息流將通過對RFID標簽內(nèi)數(shù)據(jù)的自動、實時采集和動態(tài)改寫實現(xiàn)同步。對象的流動路徑和操作方法也可以根據(jù)RFID標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)進行控制。在標簽和對象綁定的整個周期內(nèi), 把標簽作為對象狀態(tài)數(shù)據(jù)的唯一載體, 直到對對象的跟蹤結束時, RFID標簽才被取下, 供循環(huán)使用。入庫前, 根據(jù)RFID標簽中的產(chǎn)品信息, 打印條碼以方便產(chǎn)品的配送和銷售。

本項目提出的基于RFID與條碼融合的數(shù)據(jù)采集技術具有如下主要特點:

(1) 針對制造業(yè)企業(yè)內(nèi)部的信息化, 可應用于產(chǎn)品質(zhì)量管理、生命周期管理、生產(chǎn)過程管理以及貴重物品跟蹤等, 利用工業(yè)總線、以太網(wǎng)或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。

(2) 把條碼技術與RFID技術相結合, 解決了RFID標簽目前存在的成本高問題, 而非簡單地利用低成本RFID標簽替換條形碼。

(3) 把關鍵數(shù)據(jù)存儲在RFID標簽中, 無需反復進行編碼解析, 可直接根據(jù)RFID標簽內(nèi)的控制邏輯數(shù)據(jù)進行相關的控制邏輯判斷、操作, 既可以減少數(shù)據(jù)傳輸時延, 又增強了生產(chǎn)過程控制的實時性。

圖2 RFID與條碼融合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構   下載原圖

(4) 標簽在企業(yè)內(nèi)部閉環(huán)系統(tǒng)跟蹤應用結束后, 可根據(jù)需要回收并循環(huán)利用。

中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務程序, 分布式應用系統(tǒng)中, 借助中間件可以在不同應用之間共享資源。RFID中間件在RFID應用中介于底層RFID硬件設備 (讀寫器) 與后臺應用軟件及數(shù)據(jù)庫 (如車間部署的各種應用系統(tǒng)、企業(yè)綜合管理平臺) 之間, 對RFID讀寫器傳來的與標簽相關的事件、數(shù)據(jù)進行過濾、匯總和計算, 減少從讀寫器送往應用軟件及數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)體量[5]。RFID中間件主要包括以下幾個功能[6]:

(1) 讀寫器等硬件設備的協(xié)調(diào)控制功能。支持同時訪問多個讀寫器, 以及對讀寫器的監(jiān)控、配置及管理。

(2) 標簽數(shù)據(jù)的過濾與事件處理功能。通過相關算法減少數(shù)據(jù)冗余, 為后臺應用提供統(tǒng)一接口, 確定所采集標簽數(shù)據(jù)的傳遞路徑。

(3) 異常告警及擴展功能:具有異常告警、錯誤恢復功能, 以及支持軟件升級、新型讀寫器加入, 等等。

在實際應用中, 一般一個RFID標簽只對應一個對象, 因此一個RFID讀寫器需要讀寫大量的標簽, 同時, 相同標簽的內(nèi)容也隨被跟蹤對象狀態(tài)的改變而改變。所以, 隨著RFID標簽所標識對象粒度的不斷減小, RFID數(shù)據(jù)量變得非常巨大。如何管理這些數(shù)據(jù)并對其合理使用, 完全依賴于應用軟件的設計和性能。RFID應用軟件的開發(fā)貫穿于從底層數(shù)據(jù)采集到應用資源管理規(guī)劃和智能經(jīng)營管理決策等整個運轉過程。為了使RFID應用服務質(zhì)量更為高效、可靠, 引入RFID中間件技術, 使開發(fā)的應用軟件能夠及時響應快速變化的各種業(yè)務需求和環(huán)境。RFID中間件在企業(yè)應用中所處地位如圖3所示。

針對RFID標簽的讀寫管理及數(shù)據(jù)處理問題, 在RFID讀寫器前端與企業(yè)各類應用系統(tǒng)/平臺之間嵌入RFID中間件, 完成讀寫器的讀寫管理、數(shù)據(jù)過濾與聚集、數(shù)據(jù)路由等功能。其主要特點如下[7]:

(1) 中間件獨立并介于讀寫器與后端綜合管理平臺和應用系統(tǒng)之間, 且不依賴于綜合管理平臺或某個應用系統(tǒng), 能夠與多個讀寫器、多個后端應用連接, 降低了平臺架構組成及其維護的復雜性。

圖3 RFID中間件作用與地位   下載原圖

(2) 本平臺采用的中間件屬于消息中間件, 在實時維護消息路由和分發(fā)規(guī)則的前提下, 對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩赃M行管理, 保證后臺應用收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送時一致。

(3) 中間件具有數(shù)據(jù)采集、過濾與傳遞等功能, 將跟蹤對象 (通過讀寫器) 轉換為信息環(huán)境下的一一對應的虛擬對象, 以便將正確的對象數(shù)據(jù)傳到后端應用 (綜合管理平臺或某個應用系統(tǒng)) 處理。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術應用的鋁型材生產(chǎn)倉儲物流綜合管理平臺采用物聯(lián)網(wǎng)和云技術為代表的新一代信息技術, 實現(xiàn)對鋁型材生產(chǎn)過程、物流倉儲的全程智能化管理。平臺遵循主流Web服務開發(fā)規(guī)范, 基于面向服務架構 (SOA) , 支持XML技術, 保證了平臺內(nèi)各種支撐服務工具、新開發(fā)應用系統(tǒng)與原有應用系統(tǒng)的整合、擴展以及數(shù)據(jù)交換的靈活性。

為了解決簡單利用RFID技術替代條碼技術所帶來的種種問題, 提出了在鋁型材制造企業(yè)中應用RFID與條碼融合的標識技術方案, 結合DPM (直接產(chǎn)品標識) 技術, 充分發(fā)揮RFID技術、條碼技術和DPM技術在對象標識與信息存儲方面的優(yōu)勢, 通過對人、模具、物料、在制品的標識、跟蹤與控制, 實現(xiàn)倉儲物流、生產(chǎn)過程的智能化管控, 也可以借助對存儲在標簽中的生產(chǎn)過程信息進行實時采集、處理與分析, 實現(xiàn)更高層次企業(yè)經(jīng)營管理決策功能。