RFID在汽車零部件制造企業的應用研究

徐文紳， 張新敏

（沈陽工業大學，沈陽110870）

1 汽車零部件制造業廠內物流的概念

汽車零部件制造企業廠內物流沒有統一的概念，這里應用這一概念：即指汽車制造企業按照其需求組織各個供應商將汽車零部件以不同物流服務方式進入汽車零部件制造企業指定的配送中心或生產車間的入廠物流，零部件制造企業根據自己的庫存方式和生產節奏對原材料進行存放、配料的生產物流，以及成品按照客戶要求發運的出廠物流三部分組成［1］。

2 汽車行業RFID 應用

（1）RFID 構成及原理

非接觸射頻識別技術RFID 是用無線電波的方式向應答器里寫入或讀出數據來進行被標識個體的識別方法。概況來說，它是用電波或電磁場做傳輸媒體的ID 識別系統。其功能是把標識物或人的ID 信息通過網絡與數據庫聯系起來，使物體或人得以識別［2］。典型的RFID 系統分為閱讀器、天線和標簽三大組件，并與其它硬件和軟件系統相互構成整個信息系統，如圖1 所示。

圖1 RFID 工作原理

（2）RFID 與條碼技術的比較

一維條碼成本最低，使用最廣泛，設備也很成熟，但由于其信息容量有限，僅可以滿足物品的基本識別，同時還需要后臺數據庫來存儲貨物的信息數據；二維條碼可以攜帶更多的數據，可以直接在條碼中體現物品的信息數據，但由于其使用不夠廣泛，硬件成本也較高，同時讀取速度也比一維條碼慢；而RFID 技術不但攜帶信息量大，讀取速度快，還可以進行遠程讀寫，對貨位進行實時跟蹤定位。隨著物流信息技術的發展以及供應鏈需求的提升，RFID技術替代條碼成為信息識別與采集的主要方式將成為趨勢。表1 對RFID 技術與條形碼技術進行了詳細比較。

表1 RFID 技術與條碼技術對比

（3）應用現狀

在實際領域，RFID 技術已廣泛深入到很多領域，如保安、物流、醫療保險、身份認證和消費、圖書管理、交通、生物跟蹤等。其中RFID 在日本的發展以智能應用為方向，美國RFID 的發展以廣義的物流為方向。RFID 作為新的信息管理手段，其產生的效益來自效率和管理水平的提高，RFID 的普及將是不可逆轉的潮流，尤其汽車工業，憑借其巨大的規模，必將成為新興的信息技術應用的先行者［3］。

3 RFID 與汽車廠內物流結合應用

為了優化車間RFID 網絡，降低系統成本、減少數據冗余提高系統的靈活性，建立車間RFID 網絡數學模型成為車間RFID 網絡合理規劃的關鍵［4］。由于裝備制造業車間環境的復雜性、多變性、多干擾性，確保車間RFID 網絡具有較高效率的因素包括以下幾個方面：

3.1 RFID 網絡覆蓋率

網絡覆蓋率作為網絡戰略部署的重要因子，被定義為網絡節點能覆蓋的范圍除以應該覆蓋范圍的比率。假設任一RFID 讀寫器Ri的坐標為（xi，yi），任一RFID 標簽Ti的坐標為（x，y），則該讀寫器和標簽的距離可表示為：

讀寫器Ri能夠正確讀取標簽Ti內信息的概率為：

其中，cth是根據RFID 技術在車間不同區域的應用而設置的參數。

基于以上分析，車間RFID 網絡的覆蓋率可以表示為：

3.2 讀寫器防沖突技術

RFID 網絡規劃中讀寫器的沖突有兩種情況，第一種是讀寫器在另一個讀寫器的感應范圍內，如圖2（a）所示，這種沖突可以通過網絡協議的形式避免讀寫器間的沖突；第二種是一個標簽處在兩個讀寫器的讀寫范圍內，但讀寫器都不在彼此間的感應范圍內，如圖2（b）所示，兩讀寫器無法通信也無法通過網絡協議解決沖突，該類沖突具有以下特征：（1）讀寫器不在感應范圍內并會干擾標簽的讀寫，造成標簽信息的讀寫失效；（2）多個閱讀器同時對一個標簽詢問及應答時，信號扭曲，詢問會出現錯誤；（3）因為采用的是無源RFID 標簽，只有在閱讀器激活的情況下才能通信，所以標簽間不能通過提前的信息溝通來避免沖突［5］。

圖2 RFID 讀寫器沖突類型

根據以上分析，車間RFID 網絡間的讀寫器沖突可以分為以下兩大類：

（1）讀寫器間干涉沖突

讀寫器間干涉沖突也叫做讀寫器頻率沖突，是在讀寫標簽信息時，多讀寫器間的相互干擾。如圖3 所示，讀寫器R2處在具有更大射頻干擾范圍的讀寫器R1的干擾范圍內，當T1與R2通信時會被R1的干擾信號所影響。

圖3 RFID 讀寫器射頻干擾

（2）多讀寫器對標簽的沖突

多讀寫器對標簽的沖突是指兩個或兩個以上讀寫器在讀寫區域范圍內同時向一個標簽要求通信，每個讀寫器對標簽都是一對一的關系，讀寫器不知道標簽要同時對多讀寫器做出應答，會出現讀寫器沖突。如圖4（a）所示3 個讀寫器在相互間不能相互探知的情況下，同時重疊對1 個標簽進行讀寫操作，這類干擾屬于終端隱藏問題。圖4（b）所示的是2 個讀寫器讀取范圍不重疊的情況下，彼此間的干擾沖突。

圖4 多RFID 讀寫器對標簽干擾

RFID 信息采集系統能否正確讀取標簽信息受RFID網絡中讀寫器的密度及讀寫器沖突的類型決定，正確讀取的概率可以由下式計算： fr=1－（1-pTi）m（7）其中：pTi是標簽Ti在唯一讀寫器讀寫范圍內，被正確讀取的概率；m 是標簽Ti同時處在讀寫范圍內的讀寫器的個數。

4 案例研究——沈陽L 汽車零部件制造企業基于RFID的廠內物流系統的構建

4.1 L 公司廠內物流現狀和問題

L 公司1917 年成立于美國底特律，為客戶提供完整的汽車座椅及電氣管理系統解決方案及產品，2009 年實現凈銷售收入97 億美元。1993 年進入中國，其中沈陽分公司成立于2003 年，主要為寶馬提供汽車座椅等配套服務。2012年將實現11 萬套座椅的產量。現有員工300 人。根據客戶的需求預測，公司的產量要逐漸提升，2013 年日產量要從現在的424 臺/天，提升到575 臺/天。2014 年要實現675臺/天，年產量20 萬套，2 年時間產量接近翻番。而與此同時，L 公司租借的外庫為節省成本被總公司要求取消，客戶要求的進口件原材料14 天安全庫存需要全部被轉移至廠內現有庫房內。由于廠內空間有限，只能通過增加國產件到貨頻次來降低國產件庫存空間。這就要求L 公司的廠內物流效率要大幅提高。

圖5 L 公司平面圖（示意圖）

4.2 L 公司生產制造方式和廠內物流方式分析

L 公司現有一條流水生產線，每天3 班24h 不間斷組裝汽車座椅，廠區布置如圖5 所示，其中西側門為收貨口，東側為成品區存放區及發運門，中間為生產線。物流基本為從西向東流動。廠區內進口件原材料庫存為14 天，國產件原材料外地為3 天，本地根據零件的尺寸和客觀要求，分為4～24h庫存不等。對零件識別方式全部為紙質條碼掃描。

4.3 基于RFID 的物流管理系統在L 公司的實現

4.3.1 入廠物流

根據L 公司新的物流管理系統要求，所有供應商必須在標包內攜帶統一規格的RFID 標簽，并由IT 部統一分配供應商、零件及到貨批次唯一識別碼及編碼方式。L 公司在收貨口設置RFID 讀寫器，當貨物進入廠房大門，自動讀取RFID 標簽信息，首先與物料計劃員在系統內設置的ASN 信息的比對，如有差異，馬上聯系計劃員核實零件差異原因；如無差異則直接收入系統。由于倉庫內已布置一定數量讀寫器，可以無縫識別。所以貨物不需要按指定庫位存放，叉車可以根據就近、從速原則把貨物存放在立體貨架。

這樣的設置省去了傳統收貨員點貨驗貨的操作，極大地節省了收貨時間，減少了供應商送貨車的等待時間，提高了收貨口的周轉速率。

4.3.2 廠內物流

配料員根據公司自主研發的JIS 系統，預先把客戶的需要順序導入系統，配料員根據生產線生產節奏提前配料。其中原材料分為安全帶、氣囊、頭枕等JIT 件，也有蒙皮、發泡、機構骨架等排序件。對于非排序件配料員根據線旁看板和線旁最大、最小庫存量確定是否需要補料。在確定配料時，大件如機構、骨架會按班次拉動直接放置指定位置，配料員去選取即可。對于非排序配料件，配料員優先去小件超市選取。需要說明的是，工廠收貨先不拆標包直接放置高層貨架，當小件超市的庫存小于最小安全庫存時，配料員持便攜讀寫器輸入零件號，就可以連接終端，根據RFID 讀寫信息，找到所需零件整包裝在高層貨架的位置。在零件到小件超市前都是根據RFID 作為唯一識別信息，而一旦零件標包拆散，就根據內置的條碼進行識別，包括后續的生產線掃描上線，所以說拆包是RFID 到條碼的區分點。由于在終端選取整包零件時可以看到入廠時間等信息，同時解決了困擾L 公司多年的FIFO（First in first out 先進先出）問題。

4.3.3 出廠物流

過去成品存放根據生產下線順序，由生產人員按經驗擺放。座椅的識別靠成品周轉車的條碼信息作為唯一辨認。但如果發生客戶跳單要貨等情況，發運員經常需要滿庫存區找成品，極大地浪費人力和時間，條碼還容易丟失。發運時，發貨員需要通過掃描包裝單上的條碼進行裝箱校驗（確保座椅裝在正確的周轉車上）和裝車校驗（確保座椅按照客戶的需要和順序裝進發運車）。通過RFID 信息技術的應用，成品座椅在下線時都會粘貼一個便攜RFID 標簽，這樣通過遍布在廠內的閱讀器，可以準確地識別成品座椅信息、位置，當需要裝車時，發運員可以根據便攜閱讀器直接找到座椅的位置。通過安放在發運門口的閱讀器，可以準確讀取每一個被移出廠房進入發貨車的座椅，從而自動完成裝箱校驗和裝車校驗。極大地節省了發運時間。

4.4 預期與成效分析

基于RFID 的物流系統與采用條碼技術的生產管理方式之間的性能比較如表2 所示。

表2 基于RFID 與基于條碼的物流系統性能對比

從表2 可以看出，因為基于RFID 的物流系統采用了比條碼技術更先進的RFID 技術，能夠識別和跟蹤每一個獨立對象，對制造資源信息的收集更加準確、實時性更高；能夠把信息實時反饋給企業管理層來識別和跟蹤制造現場及資源，從而實現生產制造的可視化監控和管理。

通過對系統現狀和業務流程的調研和分析，并重組廠內物流信息系統，目前實際生產中遇到的大部分問題都將被解決。幾個重要變化點如表3 所示。

表3 系統導入前后變化點

許多在多年的實際操作中困擾公司的問題也在RFID的應用中被解決。針對各種問題導入系統后的解決方案如表4 所示。讓系統解決所有問題是不現實的，比如零件質量問題、到貨數量差異以及來料錯誤都必須通過人工確認。

表4 系統預期解決的作業問題

通過RFID 的應用，極大地提高L 公司的運行效率以及客戶的滿意率，如表5 所示。

表5 使用RFID 系統后效率提升

5 結 語

汽車工業是對物流要求最高、涉及面最廣的行業。廠內物流是整個企業制造業的重要環節，RFID 技術的引用將極大地提高整個供應鏈的效率，降低成本。通過闡述RFID 基本理論和實際應用條件，并將RFID 技術在L 企業的應用過程，以及前后分析和總結，會為制造業企業引入RFID 技術提供一個有價值的案例，也將豐富RFID 技術的應用研究。

［1］ 蔣嘯冰.我國汽車制造業零部件入廠物流模式研究［J］.物流技術與應用，2007，15（5）：88-91.

［2］ SKYNAR D. Taking the RFID Technology One Step Further in Access Control Systems［D］.Stockholm，Sweden；Royal Institute of Technology，2008.

［3］ 羅鳳. RFID 在供應鏈物流管理中的應用研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［4］ Vijayakumar G. Optimal solution for RFID load balancing［M］.Berlin:Springer Press，2010.

［5］ BAO L，et al. Collision-free topology dependent channel access scheduling［C］//Proceedings of the IEEE 21st century military communications conference（MILCOM），2010：507－511.