基于RFID技術的汽車制造企業生產物流流程優化與仿真

李 洋，趙亞慧，馬 超

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

隨著我國經濟的不斷發展，我國的汽車產量也在飛速增長，汽車制造企業作為拉動國家經濟增長的重要角色，其貫穿企業核心過程的生產物流的流暢性便起到了舉足輕重的作用。汽車制造企業的生產物流包括從原材料的供應，投入生產，按照一定的工藝過程進行加工、儲存，最后成品下線離開。大多數制造企業致力于優化制造過程，卻忽略了連接每個生產加工過程并與之同時出現的物流活動。傳統的汽車制造企業的生產物流以人工核對紙質單據、手動錄入信息的方式進行，隨著持續增長的生產能力和越來越快的生產節拍，提高信息化水平，改善物流設施設備亟需進行。

目前，這方面應用比較廣泛的手段是條形碼技術，但是條形碼具有容易受到污染、存儲量小、不可批量讀取、內部數據無法更改等缺點，使其不適于在汽車制造企業的整個生產環境中使用。隨著無線射頻識別技術的不斷發展完善，目前許多國外著名汽車制造企業都使用無線射頻識別技術取代條形碼應用到企業中去，其數據存儲容量大和可追蹤特性是取代條形碼的兩大優勢[1]。RFID 技術具有較大的數據存儲容量；具有很強的抗污染能力和耐久性，可以有障礙地遠距離快速掃描，讀取信息，適用于惡劣環境下的工作，可重復使用多年，在識別對象信息的過程中實現自動化控制，減少人工干預，降低人工操作的不確定性與錯誤率。通過逐步應用RFID技術，制造商可以從RFID系統獲取信息并將之鏈接到現有的系統軟件中，而無需更改已有的信息系統，應用方便[2]。本文將 RFID 技術應用汽車制造企業的生產物流流程中，建立基于 RFID 技術的生產物流優化流程，實現零部件的高效分揀，整車信息的準確獲取以及物流動態的實時掌握，有力保證了企業生產物流的有效運作和信息實時共享。

1 基于RFID技術的生產物流流程優化

1.1 RFID技術應用的需求分析

汽車制造企業對RFID技術的需求主要體現在以下三個方面。首先，對操作流程優化的需求，目前傳統的人工核對紙質單據進行的物流方式費時費力，而且無法保證準確度，在高訂貨量的情況下，會出現物流上線不及時，物料暫存區混亂等問題，常會導致出入庫效率低下，倉庫盤點效率低下，貨物器具容易丟失等問題，進而增加了物流成本，運用RFID技術，實現非接觸式、一次性自動讀取多個標簽的功能，簡化操作流程，縮短不必要的時間浪費，同時使整個物流業務流程的物料可視化。其次，對信息快速采集和實時共享的需求，人工作業對信息有著一定的拖延性，只有在第一時間掌握真實有效的信息，才能準確反映生產物流各環節的狀況，便于迅速發現解決問題，RFID自動采集和實時讀取的特點能夠使得生產車間和直送供應商、倉儲中心、銷售中心等充分獲得信息共享。第三，RFID技術可以有效減少人工操作，明確責任界限，使用RFID技術可以有效降低其工作的繁瑣程度，而且減少人為因素造成的錯誤和損失，降低企業的人力投入成本，同時，RFID技術的使用可以將操作人員與其運送、驗收的零部件進行綁定，不僅在零部件出現問題時可以責任追究到人，而且可以提高操作人員的責任感和警惕性，從而減少事故的發生[3]。從上述三方面的分析，可以看出汽車制造企業對RFID技術有著很大的需求，通過在現有管理軟件中結合RFID技術，減少人工作業，改善庫存信息，加強物流的可視化管理，提升零部件追蹤水平[4]。

1.2 RFID技術應用的功能分析

在汽車制造企業中采用RFID技術，可以實現如下三個功能：

(1)零部件信息跟蹤。利用RFID標簽與裝運零部件的器具進行關聯和綁定后，通過各物流結點的RFID讀寫器讀取器具上RFID標簽，快速獲得零部件信息，達到對零部件進行目標跟蹤和動態監控的目的。

(2)保證生產線物流及時供應。汽車制造生產線上生產車型繁多，零部件種類個數繁多，所以需要一個可靠、簡化、迅速的物流供應系統，才能保證生產裝配線的有序進行，使用RFID技術，可以加速物流運作，簡化流程，可靠的信息化有效降低錯誤率，為生產線及時供應提供有力保障。

(3)器具資產管理。器具常常在供應商、倉儲中心、卡車廠之間流轉，循環于物流配送作業過程中。由于其管理使用與很多部門人員相關，發生丟失、遺漏現象很難追究事故原因和責任個人。器具附著RFID標簽后，不僅可以管理器具內的零部件，更可以對器具本身進行追蹤和管理。

1.3 基于RFID技術的汽車制造企業生產物流流程優化

1.3.1 入庫作業流程優化

使用RFID技術，供應商與制造商應使用統一的RFID軟件系統，便于信息的共享，在供應商出庫時，根據前一天生產計劃部制作的電子看板掃描器具上的RFID標簽，確認出庫，到達生產車間緩沖庫后，庫管員掃描看板以及器具上含有內部零部件信息的RFID標簽，系統進行核對，省去了過去需要仔細核對入庫物料每項信息并簽字確認的繁瑣過程，同時，將零件信息存放在RFID電子標簽中，通過RFID系統實時錄入信息，實現信息共享，大大縮短了信息的延遲性，核對無誤后方可入庫，若核對有誤，對異常情況報警，降低錯誤率，提高物流運作效率，規范入庫流程。使用RFID技術的新入庫流程如圖1所示。

圖1 入庫物流流程

1.3.2 器具管理流程優化

汽車制造企業一般主要使用的器具分為三種，盛裝輕小零件的器具，專用器具以及其他使用鐵箱或木箱的器具。目前生產物流流程中對器具的重視程度較低，使用完后的空器具的回收工作也沒有統一的管理，器具經常丟失、損壞，給企業及供應商造成不小的損失。因此，對器具進行統一管理，可以有效防止器具的丟失、損壞現象并在一定程度上降低企業的物流成本。

首先生產部物流規劃室需要對器具的基礎信息進行維護。器具的基礎信息主要有：器具代碼、器具名稱、器具類型、制作材料、體積、使用期限以及是否可以混裝等。維護器具初始賬，并打印器具電子標簽。倉儲中心和直送供應商需要打印入廠憑證器具交接單，方便器具在生產車間的流通。器具承裝零部件抵達指定物流門，庫管員建立器具臺賬，器具移動到驗收區，掃描入暫存區，隨零部件運送到生產線上；零部件使用完后，由巡線員收集空器具到空箱置場，掃描標簽，接收生產部制作的器具出庫交接單作為出門依據，開具物資出門證，出庫，倉儲中心和直送供應商接收空器具，掃描入庫。器具管理流程如圖2所示。

2 基于RFID技術的生產物流系統仿真

2.1 仿真過程

(1)確定仿真目標。對總裝車間總物流流程的仿真，主要是為了比較目前物流流程以及應用RFID技術后流程的工作時間以及工作效率，確定RFID技術使用的可行性和必要性。

圖2 新器具管理流程

(2)建立流程圖模型。通過對現有流程的分析，提出優化模型，畫出流程圖。

(3)收集數據。通過到生產車間實地觀察調研，收集可用的數據，通過一定的運算得出仿真所需的參數，便于建立仿真模型。

(4)確認仿真模型。在仿真軟件中使用實體建立模型，并連接好實體之間供臨時實體傳輸的通道線。建立兩個臨時實體發生器，分別產生零件和器具，需要使用合成器以一定比例搭配零件和器具，使用暫存區代表驗收區，連接機械手表示使用RFID設備進行掃描，連接人表示不使用RFID設備進行掃描。

(5)參數設定。主要設置有發生器、合成器、處理器、機械手以及人等實體的參數。發生器的產生時間間隔設置為指數函數，λ值為10。人的工作時間服從正態分布，平均工作時間為18 s，標準差為4 s。機械手的操作時間服從正態分布，平均工作時間為4 s，標準差為2 s。

(6)仿真運行。設置一定的仿真運行時間以及仿真速度，以期得到最直觀的仿真效果，避免仿真時間過短導致的數據的不穩定性和不可靠性。設置仿真運行時間為43 200 s。

(7)獲得結果及分析數據。仿真運行時間結束后，通過實體的統計數據(statistics)分別獲得各個實體本身的餅狀數據，并通過模型整體的excel數據輸出表格，比較前后兩個模型的相同參數，分析結果。

(8)得出結論。通過比較分析直觀效果以及輸出的數據圖表、報告，使用定性與定量相結合的方法分析結果，得出結論。

2.2 仿真結果比較分析

對比使用人和機械手進行操作的仿真模型，通過excel輸出報告，對驗收區進行數據比較。

優化前模型輸出報告如圖3所示。從輸出報告可以看出，驗收區的平均停留時間(staytimeavg)為11 547.43 s，停留時間過長，流程進行的非常緩慢，導致驗收區堆積現象嚴重，實體流不出去。人(people)的空閑時間(idle)為6 400.712 s，工作時間(processing)為36 799.288 s，則人85%的時間都是處于高負荷的工作狀態。

圖3 優化前模型輸出報告

優化后模型輸出報告如圖4所示。從輸出報告可以看出，優化后模型的驗收區的平均停留時間(staytimeavg)為1.22 s，和優化前驗收區的11 547.43 s相比，大大縮短了時間，堵塞現象也得到了最大程度的緩解。機械手(robot)的空閑時間(idle)平均為34 533.3 s，工作時間(processing)為8 666.7 s，說明機械手20%的時間在工作狀態中。

圖4 優化后模型輸出報告

通過仿真模型對比優化前后流程，在相同的工作時間和工作負荷，使用RFID技術后的工作時間大大縮短了，效率大大提高了，對于物料上線遲緩，叉車等待等問題都得到了較好的解決。

3 基于RFID技術生產物流流程的實施

3.1 實施策略與實施過程

考慮到RFID技術的成本因素，選擇“多階段實施”策略，將RFID技術在企業的實施劃分為幾個階段，主要分為需求分析、試運行、評估以及決策四個階段。

需求分析階段首先要分析其需求性，明確試運行階段的對象，以及實施的目標等，從經濟、技術、管理等幾個角度確認系統實施的可行性。通過提出的流程優化方案，選購相關設備、安裝、運行以及維護，進而測試運行，收集相關信息，反饋系統運行效果。評估階段需要分別進行性能評估和成本費用效益評估。性能評估從預期效果上看，入庫作業是否更加高效，空器具的回收作業是否能夠順利完成，是否能夠正常運行系統的查詢與反饋功能等；成本費用效益評估從成本及收益角度看，使用讀寫器進行掃描是否減少了入庫成本，減少的費用是否符合預期目標，產生了多少潛在收益等。最后根據評估結果進行決策，正式運行，再次改進優化，或放棄實施。如再次改進優化，則進入下一個多階段實施過程[5]。

3.2 應用模式的選擇

針對目前RFID技術的使用情況，本文為汽車制造企業選擇閉環工具型應用模式，對粘貼有RFID標簽的器具在汽車生產制造過程中反復循環使用。使用RFID技術的數據采集功能，在入庫、出庫作業環節內循環使用；利用 RFID技術能夠快速識別粘貼有電子標簽的器具的優點，結合企業現有的ERP、MES等物流管理軟件，有效控制作業過程，優化管理流程。

3.3 系統設備的選擇

RFID系統主要有電子標簽、讀寫器以及天線三部分組成。

首先，要選擇設備的工作頻率，不同的頻率會導致標簽性能、尺寸大小、讀寫器作用距離以及價格等的不同，通過比較低頻、高頻、超高頻、微波的技術參數和應用范圍等工作特性，選擇超高頻，其廣泛應用于物流及供應鏈領域，適用于托盤、器具以及汽車零件等物品。

對于粘貼在器具上的電子標簽，選擇無源被動式粘貼式標簽，粘貼到器具上，由于器具要流通上生產線旁，需要進行防金屬的二次封裝處理，安全級別中等。

讀寫器主要分為固定式和手持式讀寫器[6]，固定式讀寫器價格較高，一般固定在墻上，適用于自動化水平高的分揀方式，手持式讀寫器具有顯示器和鍵盤，方便庫管員操作和輸入數據[6]。所以選擇更加方便適用的手持式讀寫器，成本更低，方便庫管員揀貨[7]。

天線的選擇需要配合讀寫器及頻率范圍，天線可以內置或與外部接口相連，主要從線極化和圓極化角度區分，考慮到線極化天線信號覆蓋范圍較小，且不易重疊，讀取信息的準確性更高，所以選擇平板型線極化天線[8-10]。針對手持式讀寫器，選擇內置式天線，為電子標簽的識讀率提供保證。

3.4 應用RFID技術的投資回報分析

原始總投資采用一次投入的方式，建設期為零。預計RFID技術的應用項目投資成本為：RFID設備投資59 055.5元，安裝與集成等服務費用為90 000元，合計為149 055.5元。標簽價格為0.85元。估計車間傳遞的器具數為1 000個，用人工處理器具的費用，每個為25.5元，所以總共需要2 550元。車間庫管員所需的平均成本為18.2元/h，平均每分鐘0.303 3元。RFID系統實施后全部為系統自動完成，每個器具節約大約20 min。器具常會出現丟失現象，使用RFID系統掃描，無須人工參與，保證了器具的數量，這個過程節約時間大約5 min。庫管員需要進行專業培訓，對RFID系統進行熟練使用與維護，分攤到每個器具上的時間為5 min。考慮這些因素，所有作業過程節省的時間分攤到每個器具上為平均30 min，又已知每分鐘0.303 3元的成本，所以RFID系統的實施使得每個器具的處理費用節約大約9.1元，這個數據不包括因為作業效率的提高和作業錯誤率的降低而產生的直接經濟效益。為了準確計算投資回收時間，假設設備的折舊期為3 a，殘值為0。所以，每個季度設備計提折舊為4 921元，計算見表1。

表1 投資回報表 單位：元

4 結束語

基于RFID技術，以汽車制造企業為研究對象，在了解現有汽車制造企業生產物流流程的運作過程的基礎上，研究出現的問題，提出了將RFID技術應用到生產物流流程中。結合汽車制造企業實際環境，分析其需求性，主要從入庫流程以及器具管理流程進行優化，使用visio軟件制作出新流程圖。對優化前后流程進行仿真模擬，定量的比較兩個模型的優劣，通過輸出的excel報告，可以直觀的看出優化后模型的高效性。設計了RFID技術在汽車制造企業的實施，選擇了相應的應用模式；并根據車間的實際環境，選擇合適的RFID設備，從實施的角度，明確了RFID技術在汽車制造企業實施的可行性。通過RFID技術的應用，為汽車制造企業建立了一個更加高效、信息化水平更高的，能夠實現快速分揀，信息實時共享的敏捷物流流程。

【參 考 文 獻】

[1]仲元昌，孫麗敬，丁 漩，等.RFID技術在汽車生產線上的應用現狀[J].微型機與應用，2010(3)：1-2.

[2]趙軍輝.射頻識別技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]王浩遠，梁昌勇，俞家文，等.基于RFID技術的汽車總裝MES系統研究[J].計算機技術與發展，2010，20(9)：223-224.

[4]Tegtmeier L A.RFID knowledge enabled logistics[J].Overhaul and Maintenance，2004(10)：24-29.

[5]杜曉明.基于RFID的中小企業進銷存系統開發與實施[D].鎮江：江蘇科技大學，2009.

[6]游戰清，李蘇劍.無線視頻識別技術(RFID)理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[7]陶新橋.RFID在汽車整車生產物流監控中的應用研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[8]梁昌勇，葉 娟，沈浩杰.RFID技術在汽車生產線的應用模式研究[J].機械設計與制造，2010(12)：79-80.

[9]楊英姿，楊慧敏，王 雨，等.基于 RFID 技術的現代倉儲管理優化設計[J].森林工程，2013，29(3)：115-117.

[10]林宇洪，林 森，邱榮祖.基于 RFID 的林產品原料追溯系統的設計[J].森林工程，2011，27(4)：34-37.