基于物聯網技術的汽車全生命質量管理跟蹤系統設計

謝曲，鄧建新，陳一輝

（1.柳州市產品質量檢驗所，廣西柳州545006；2.廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室（廣西大學機械工程學院），廣西南寧530004）

基于物聯網技術的汽車全生命質量管理跟蹤系統設計

謝曲1，鄧建新2，陳一輝2

（1.柳州市產品質量檢驗所，廣西柳州545006；2.廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室（廣西大學機械工程學院），廣西南寧530004）

汽車質量水平涉及汽車性能、安全、財產、環境等多種問題，其雖生命周期不斷波動變化，傳統質量管理主要集中在設計制造等非運行過程。為全面對汽車全生命的質量進行跟蹤管理，建立了基于物聯網技術的汽車全生命質量管理跟蹤系統方案，分析了汽車生命周期階段的質量水平變化特征，引入RFID、傳感器等物聯網技術建立了隨生命周期的汽車質量管理跟蹤原理，確定了系統的構成，建立了系統的體系結構，包括用戶層、應用服務層等5個層次，設計了質量跟蹤管理的應用流程和軟件系統的功能模塊，并進行了應用驗證。該方案能實現對汽車單個產品全生命質量跟蹤管理，和提供了多種質量增值服務，為實現了汽車全生命周期管理、質量大數據應用提供了一種基礎框架。

全生命周期；質量管理；質量跟蹤；物聯網；系統設計

汽車是人們生活的基本交通和物流工具，隨著我國經濟的發展、生活水平的提高及物流業的迅猛發展，各種汽車的保有量都大幅度提升，如我國現有的貨運車輛達到30萬輛。汽車的質量不但影響汽車性能，更涉及人員、道路等安全問題，因此汽車質量無疑占有汽車綜合指標的重要權數，也成為消費者購買汽車時考慮的重要因素[1]。同時由于中國的汽車產業快速發展，汽車的質量也帶來了能源消耗、尾氣排放導致的環境污染、汽車未能回收導致的環境污染等一系列的問題。依據質量工程的觀點，汽車質量主要由設計、制造決定，但汽車質量隨著使用過程會出現波動，不同的使用環境及使用習慣會導致質量出現不同的波動、下降趨勢。同時，汽車構成復雜，不同的零部件的生命周期不同，其設計可靠性水平也存在差異。

因此，如何在保證安全的情況下，結合汽車零部件的可靠性水平（即設計質量）給予保養、更換維修，以維持汽車質量的正常水平，評估汽車零部件（或整車）的質量及為用戶提供使用建議都具有重要的工程和商業價值。傳統的汽車質量管理主要集中在設計、制造階段[2，3]，但管理范圍開始逐漸延伸，如文獻[4]顧客特征對汽車售后服務質量管理的影響，也有人開始了質量跟蹤方面的研究，如文獻[1，5]都研究了基于RFID的汽車質量跟蹤系統，但這種跟蹤仍主要集中在制造階段，并沒有結合質量水平提出維修、使用建議等增值服務，即對質量信息管理應用不足。隨著汽車產業競爭的加劇，服務作為新的競爭方向，優先基于現有數據和條件，結合質量管理為消費者創造增值質量服務將是汽車制造商具有更多的優勢。為此，本文結合物聯網、大數據的應用趨勢，提出基于物聯網的汽車全生命質量管理系統，設計了系統的原理，體系結構和質量跟蹤流程。

1 汽車的生命周期過程及其與質量水平的關系

產品的生命周期指產品自設計、制造、銷售、使用到報廢的過程。傳統的汽車生命周期一般由汽車制造、汽車物流、汽車銷售和售后服務階段，該劃分是從制造商角度進行的，但不能很好地體現服務和質量管理的概念，尤其弱化了對使用者的服務。結合質量管理和服務需要，本文將汽車的生命周期可以劃分為：汽車設計制造階段、汽車物流階段、汽車銷售階段、汽車運行及維修、汽車報廢回收階段。

（1）汽車設計制造階段。是汽車生命的誕生階段，也是汽車質量水平確定階段。包括設計、制造、檢驗等多個過程。設計階段制造商主要完成產品的總體設計、概念設計、質量功能配置、質量可靠性設計等，但此處不能體現汽車個體生命和質量的差異；制造階段中，生產企業根據設計信息裝配汽車配件成產品。由于涉及不同的汽車配件供應商的質量水平差異，因此會導致個體汽車質量水平差異。但出廠后，所有的汽車質量水平都應在設計的合格范圍。

（2）汽車物流階段。指汽車下線到銷售點的過程。一般地，汽車下線后需入庫存儲，之后采取不同運輸方式將汽車產品運往銷售地。存儲和運輸過程的處理方式會造成汽車外觀等的破損，因此影響汽車產品的質量水平。按照全面質量管理的內涵，汽車物流階段應屬于汽車全面質量管理的范疇。

（3）汽車銷售階段。汽車物流運輸至經銷商處，經銷商采取策略銷售給消費者，并在產品售出時記錄客戶等信息。銷售階段雖然不會導致質量水平的變化，但可以通過設計制造信息，傳達質量使用維持方法，告訴用戶維修、保養的使用要求，以延遲汽車及其零部件的壽命，維持其質量正常水平。汽車銷售階段也是汽車質量水平開始波動和下降的起始階段。

（4）汽車運行及維修階段。按照汽車產品的特點，該階段涉及兩個過程：用戶使用和售后服務，兩個過程相伴而生。該階段是汽車質量水平波動和維持的階段。汽車進入服役期后，用戶的使用導致汽車的零部件磨損或老化，汽車的質量水平開始出現波動并逐漸下降，但一般仍能維持正常水平，但需要正常的維護。少數部件會到達故障期。售后服務可以通過更換保養、更換等措施維持其整體質量的正常水平，但該階段已經會造成用戶質量損失。因此是保證安全和延長汽車壽命的主要階段，也是提供增值服務和質量跟蹤的主要階段。

（5）汽車報廢回收階段。指汽車的主要功能部件都已經超出服役周期，生命即將終止。此時汽車整體質量水平急劇下降，已經無法使用或者影響安全。這個階段需要告知用戶質量水平信息，以提示用戶采取報廢策略。制造商應提供回收機制，幫助用戶處理廢車，減少安全事故和減少對環境的影響。

汽車生命周期與質量水平的關系如圖1所示。

圖1 汽車生命周期與質量水平的關系示意圖

2 基于物聯網技術的汽車全生命質量管理系統方案

2.1 基于RFID的汽車全生命質量跟蹤原理設計

汽車全生命質量跟蹤涉及到不同個體產品、不同汽車位置、不同群體和不同的零配件等，為了實現對每臺汽車全生命周期質量的跟蹤管理，提供更多的增值服務，需要解決以下問題：

（1）標識每臺汽車，并根據標識在不同生命周期階段獲取車輛的基本信息和質量水平信息。

（2）獲取一些造成質量水平波動、降低的工作參數（比如易磨損件的工作參數），及質量可靠性水平缺乏驗證的新零件的一些關鍵參數，為保養、維修，維持正常質量水平提供依據。

（3）管理每臺車輛的質量信息，并對數據進行綜合分析，提供保養、維修、使用建議等增值服務。每臺汽車及其質量的基本信息包括車輛編號、類型、生產日期、購買日期、消費者、零部件配置、零部件的理想服役期限、保養要求、保養周期、維修記錄、零部件更換情況等。

為此，本文將物聯網技術的RFID技術、傳感器技術、移動通信技術等應用到汽車產品質量管理中，同時構建汽車質量管理跟蹤軟件系統來實現，基本原理如圖2所示，具體功能設計表述如下：使用RFID建立汽車產品的唯一標識和保存基本靜態信息，同時通過為相應位置配置RFID閱讀器，可快速獲取了汽車的基本信息，基于網絡依賴RFID的標識與汽車質量管理跟蹤軟件系統的交互，可以獲取每臺汽車的質量水平信息；同時根據閱讀器的信息可跟蹤汽車的位置，即對閱讀器進行位置管理，將識別汽車RFID標簽的閱讀器的位置作為當前車輛的位置；添加傳感器和直接獲取汽車ECU信息，用于跟蹤影響汽車質量的主要參數、新零件的運行狀態，所有采集的信息都保存到質量管理跟蹤軟件系統。為了實現信息交互，需要添加車載通信模塊。

圖2 系統管理、跟蹤原理圖

基于這種設計，整套系統從功能構成上可以劃分為3個組成部分，即信息采集模塊，信息傳輸模塊和信息管理模塊，但由于信息傳輸主要依賴于已有通信網絡，只能選擇，為此，將其劃分為上位機管理系統與下位機裝置兩個部分。上位機系統由質量管理跟蹤系統和對應數據庫等組成，該系統可與企業現有產品數據管理（PDM）、產品生命周期管理（PLM）系統及ERP等其他管理信息系統進行信息交互。下位機裝置包含RFID標簽、RFID車載閱讀器、添加的傳感器和通信模塊組成。為了實現標識和采集信息的匹配，車輛通信模塊需要每次將通過RFID閱讀器獲取的信息與對應的傳感器信息或ECU模塊提供的一些參數信息組合處理，之后通過移動網絡傳輸給上位機管理系統。傳感器獲取的信息有些需要傳輸至ECU（主要指汽車需要集中控制的信息），有些直接經過車載模塊傳輸。

2.2 系統的體系結構

基于物聯網的汽車全生命質量管理跟蹤系統邏輯上可分為5個層次。其體系結構如圖3所示。

圖3 基于物聯網的汽車全生命質量管理跟蹤系統的體系結構

第一層用戶層。包含系統用戶及其用戶訪問的安全認證機制。該系統的潛在用戶可包括汽車客戶（個人或企業）、維修機構、4S店、制造商、銷售商、回收公司等。用戶根據需要，使用移動或固定終端，通過Internet訪問網絡，經登陸認證和授權后可以獲取對應信息和得到對應服務。

第二層為應用服務層。是全生命質量跟蹤管理的附加值創造層，將在信息處理上，為不同用戶提供質量維持增值服務，包括個性化的維修建議、保養計劃、汽車零部件配置查詢、采集的關鍵參數查詢、維修記錄查詢、故障智能診斷、質量水平評估、車輛位置跟蹤等服務。這些服務都主要集成到質量管理跟蹤軟件中。

第三層為信息管理處理層，是整個系統的核心層，基于數據庫完成對汽車全生命質量信息的管理和處理，提供質量信息錄入、查詢、管理、數據統計分析等基本功能服務。主要由質量管理跟蹤軟件系統構成，為便于獲取汽車的設計信息，需要與企業現有的產品數據管理系統或PLM系統集成。

第四層為網絡層。本系統主要應用的網絡包括以太網、GPRS/GSM網絡、Wi-Fi、WLAN等。

第五層為物理層，是整個質量跟蹤系統的關鍵技術設備層，也是系統的信息采集層，主要實現汽車生命周期過程中的質量信息采集。主要包含車輛RFID標簽、固定式RFID閱讀器、手持式RFID閱讀器、傳感器，移動通信模塊和各種服務器。

2.3 汽車全生命質量管理跟蹤應用流程設計

結合各生命周期，汽車質量跟蹤或實施流程如圖4所示。

圖4 汽車質量水平管理跟蹤示意圖

（1）汽車設計制造階段

設計階段主要完成標簽的設計和制造。包括確定單臺汽車的唯一編碼和RFID標簽存取的信息內容、格式，需要面向質量服務而采集的信息，如機油深度，并將與質量水平相關的信息保存到質量管理跟蹤系統。這些信息包括設計的重要參數，零配件的質量容差范圍、可靠性周期、選型品牌等。制造階段由生產計劃部門制作汽車標簽，將汽車名稱、編碼、類型等相關信息寫入該汽車唯一分配的標簽。制造車間根據指令裝配該輛汽車，在車身嵌入該輛汽車的唯一RFID標簽、加載有閱讀器的車載模塊，安裝采集信號的傳感器，并將其與車載模塊建立連接。汽車裝載完成后，整車下線，分配汽車的最終編碼，并將汽車生產完工日期寫進該汽車的RFID標簽。

（2）汽車物流階段

物流部門通過手持式RFID高頻讀寫器讀取每輛汽車的基本信息、銷售地、涉及訂單等，為汽車分配儲位，并根據設計信息提出汽車的存儲和運輸要求，即根據其運輸要求和訂貨信息，選擇運輸方式和安排運輸至對應銷售點。運輸安排后，將對應的質量水平信息傳遞給銷售點。整車運輸過程中，制造企業通過車載模塊及RFID閱讀器和運輸車輛的GPS終端，實時讀取汽車傳感器傳回的信號，了解汽車運輸質量狀況和物流過程所處的位置。

（3）汽車銷售階段

經銷商用配置的手持式或固定式高頻讀寫器讀取汽車信息，并寫入經銷商信息至該輛汽車的RFID標簽，同時將信息通過網絡傳回質量跟蹤管理系統。當客戶購買該汽車時，經銷商將客戶基本信息等寫入RFID標簽，同時將信息通過網絡傳回質量跟蹤管理系統。

（4）汽車運行階段

在運行過程中，質量管理跟蹤系統可以通過車載模塊及RFID閱讀器，結合布置的傳感器實時讀取汽車設計監控的信號，了解汽車運行狀況，包括消耗、磨損性和一些新零件的狀態信號及故障代碼。制造商、銷售商或維修部門根據采集的反饋信息、車輛零配件配置及其質量水平信息（如維修周期），分析后生成每臺汽車的質量水平維持計劃和建議，并基于此為用戶提供主動維修服務，使用建議。

（5）汽車維修階段

4S和合作維修店的維修人員通過配置的手持式高頻讀寫器讀取標簽，獲取該車配置信息及采集的傳感器等信息，如零部件的更換期限等，評估汽車的質量水平，給出建議性維修方案和進行準確的維修，更好地保證汽車的質量水平；維修后，將維修記錄標識存儲到標簽，并將維修記錄及更換的一些零部件配置等反饋給質量跟蹤系統和PLM系統。生產商可綜合得到的維修數據研究供貨質量和關鍵件缺陷，尤其是新零件的設計制造質量，為產品技術改進，供應商評審選擇提供依據。

（6）汽車回收階段

質量管理系統根據對汽車的質量信息的跟蹤，對汽車的質量及汽車的運行年限進行分析、評價，確定特定汽車的報廢時間，決策是否回收該汽車，并將信息傳遞給物流部門開展回收處理。物流部門采取回收行動及銷毀該汽車的RFID標簽，將信息反饋給質量跟蹤系統，銷毀對應RFID的所有質量信息，釋放RFID編號資源。

2.4 質量管理跟蹤軟件系統的功能模塊設計

為了實現以上設計，需要建立質量管理跟蹤系統軟件，從前面分析可知，該系統軟件除了具有基本的汽車質量基本信息管理功能外，還具有增值服務功能以及用戶權限管理等功能。具體包含以下7大模塊。

（1）系統管理模塊。提供完成系統初始化、基本參數設置功能。

（2）用戶管理模塊。實現對用戶的注冊、權限管理等功能。

（3）車輛基本信息模塊。提供車輛信息錄入、查詢和修改等功能。包括對RFID標簽信息修改、車輛配置信息、維修信息記錄等。

（4）運行參數管理模塊。管理傳感器獲取的動態運行參數。

（5）增值服務模塊。提供個性化的維修建議、保養計劃、故障智能診斷、質量水平評估、車輛位置跟蹤等增值服務功能。

（6）數據統計分析模塊。綜合單臺、多臺車輛的質量信息、維修記錄，進行統計分析，發現零件故障期等，為企業改進設計等提供基礎數據。

（7）數據導入導出模塊。提供與企業其他系統如PDM等數據交換功能。

3 應用開發

基于以上質量管理跟蹤系統設計，應用RFID的車輛標識和開發的位置服務，將其應用到貨運車輛質量管理中，并開發了基于RFID的物流車輛跟蹤系統，物流車輛（或運行過程的質量）跟蹤示例如圖5所示。

圖5 基于質量跟蹤的服務的車輛位置跟蹤

4 結束語

車輛是一種復雜產品，車輛的質量水平關系列安全、財產、環境等問題，其質量水平隨生命周期不斷變化，且波動、維修保養頻率高，對其質量水平進行管理跟蹤可以提高使用水平，延長壽命等。本文提出了一種基于物聯網技術的車輛全生命質量管理跟蹤系統方案，系統包含車輛質量管理跟蹤等上位管理軟件和包含RFID標簽的下位裝置構成，邏輯上分為用戶層、應用服務層、信息管理處理層、網絡層和物理層5個層次。該方案擴展質量管理至車輛的整個生命周期，且實現了對每臺車輛的單獨管理，遵循了車輛質量水平隨生命周期的變化規律。整個方案擴展性強，既考慮基本的質量信息管理，又能基于此開展多種增值服務，對提高車輛企業服務和競爭水平，開展大數據應用打下了基礎。

[1]周偉.基于RFID的汽車質量跟蹤管理系統研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[2]姚佐平，萬君康，李華威.汽車質量特征與管理集成研究[J].機電產品開發與創新，2006，19（2）：23-26.

[3]韓麗娜.Y公司質量管理改進研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2016.

[4]賈小佳.顧客特征對汽車售后服務質量管理的影響[D].北京：北京工業大學，2013.

[5]俞家文，姚莉莉.基于RFID的汽車全面質量跟蹤管理系統研究[J].價值工程，2008（7）：93-9.

Design of Automobile Full Life-cycle Quality Management&Tracing System Based on Internet of Things

XIE Qu1，DENG Jian-xin2，CHEN Yi-hui2
（1.Liuzhou Products Quality Supervision and Inspection Institute，Liuzhou Guangxi 545006，China；2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System&Advanced Manufacturing Technology（School of Guangxi University）Guangxi Nanning 530004，China）

Automobile quality has impacts on the performance of automobile，as well involving safety，property and environment problems.Its level waves with automobile life-cycle.However，the conventional quality management main focuses on the the stages except the operation stages like design and manufacturing.To improve the quality management level to all the life-cycle of automobile，this paper proposed an automobile life-cycle quality management&tracing system（ALQMTS）based on Internet of Things，the changes features of automobile quality with its life-cycle was analyzed firstly.Then the principles of tracing and management automobile quality with the lifecycle has been obtained based on RFID and sensor technology，as well its compositions of ALQMTS.An architecture of ALQMTS was also constructed including five layers such as the users layer，application service layer.Furthermore，the application steps and the software functions of ALQMTS were designed.At last an application has been developed successfully based on the design.The design could manage and trace full life-cycle quality of each automobile and create many value-added services.It could be as an infrastructure of product life-cycle management and big data application on automobile.

full life cycle；quality management；quality tracing；internet of things，system design

F406.14

A

1672-545X（2017）06-0070-05

2017-03-18

廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室基金項目資助（15-140-30S010）

謝曲（1972-），男，廣西柳州人，本科，工程師，國家汽車質量監督檢驗中心（柳州）項目建設辦公室副主任，主要進行產品質量管理及檢測方面的研究。