基于物聯網技術的地鐵關鍵外購件質量跟蹤研究

張琴

摘 要：論文針對引進物聯網技術的地鐵關鍵外購件質量跟蹤進行了研究。首先對適用于地鐵車輪的標簽進行了大量研究，包括選型及封裝方式、固定方式和粘貼位置等方面，最終研制了一款大小合適、性能很強、抗金屬環境、抗粉塵和防水、防震動的標簽。其次對RFID中間件進行了研究，并研發出一款通用的RFID中間件軟件。最后，通過質量跟蹤管理平臺和終端采集系統的建設，實現了地鐵關鍵外購件車輪的全程質量跟蹤管理。

關鍵詞：質量跟蹤；地鐵；關鍵外購件；射頻識別

前言

地鐵上經常維護的設備及部件多達上萬件，與列車運行安全相關的關鍵部件有近千件，做好這些部件采購、供發貨過程中質量保證和跟蹤管理是列車關鍵件質量管理中的重要一環。目前關鍵外購件質量保證和跟蹤管理存在外購件管理中質量信息不全；質量復核信息錄入不及時，且容易出錯；質量信息不能及時跟蹤等問題。

本文以物聯網技術為基礎，進行關鍵外購件質量跟蹤管理技術研究，并以車輛關鍵件車輪從生產商采購到再加工、及現場交付的全過程的質量跟蹤管理為示范。其間涉及出廠質量數據的建立、再加工質量管理、倉儲管理和現場交付的質量跟蹤管理等。

1 系統的組成

基于物聯網技術的地鐵關鍵外購件質量跟蹤系統包含地鐵公司關鍵件全程質量跟蹤系統、生產商和二次加工商的信息采集與處理系統。其中地鐵公司全程質量跟蹤系統有各類操作終端和服務器系統所組成。操作終端包括管理終端、配置終端和監控終端；服務器系統包括應用服務器、中間件服務器、數據庫服務器和通信服務器。生產商和二次加工商關鍵件信息采集與處理系統主要包括操作終端、服務器系統和終端信息采集處理系統。其中終端采集處理系統由無線網絡、RFID手持機和RFID電子標簽構成。系統總體架構圖如圖1-1所示。

圖1 -1 系統架構圖

整個系統通過廠內局域以太網和無線公網連為一體，實現數據的遠程和局域傳遞。

2 關鍵技術研究

本模板的寫作注意點都是在以往發表的稿件中總結出來的高頻需修改處。

2.1適用于地鐵車輪的RFID標簽集成技術研究

在國內將RFID（Radio Frequency Identification）技術應用于地鐵車輪的質量跟蹤管理，尚屬首次。鑒于金屬對射頻信號存在多徑效應、車輪現場環境（生銹、油污、雨水等）惡劣復雜、車輪形狀不平整規則、同時車輪在多種情況下都需要進行二次加工，這些都使采用物聯網技術進行車輪追蹤變的困難。為使RFID標簽在車輪管理上有好的效果，標簽研究主要從標簽的選型及封裝方式、固定方式、粘貼位置和標簽物流過程跟蹤測試四個方面開展研究。

2.1.1標簽選型及封裝方式研究

車輪屬于金屬材質，其對射頻信號傳遞有很大影響；而且車輪物流、加工過程中現場環境惡劣，有金屬粉塵，易生銹，且在運輸過程中有雨淋、振動大。

標簽封裝包括三個主要工藝：天線基板制作、Inlay制作（一次封裝）和基板上涂覆絕緣膜、沖裁（二次封裝）。本次項目中主要是對二次封裝環節著手研究適合本項目的最終標簽。封裝時在標簽和金屬表面中間插入高導磁率的隔離粉末材料，在相當大程度上避免了渦流的出現，從而可避免金屬對標簽性能影響。同時，選用了紙質、PVC、塑料合成及PET四種封裝材料進行測試研究。

經過在金屬材質表面和車輪上的跟蹤測試研究表明，紙質封裝標簽只能在車輪貼標簽一側被識讀，其他面均無法識讀。其余三種封裝方式的標簽均能在360度范圍內被識讀，但是PVC封裝標簽和PCB封裝標簽的識讀距離分別為0.6米和0.8米，且不同角度存在不穩定性。兩款PET封裝的標簽均有很好的識讀距離，且全方向性能穩定。與地鐵車輪不規則形狀完全貼合。

為進一步從這兩標簽中選取性能最佳的標簽，對兩款標簽進行了場強性能測試。其中：1#標簽采用 Intelleflex 公司的 XC1 芯片；2#標簽為Alien Higgs?-3 IC含800bits NVROM標簽的相應輻射特征圖如下：

圖2-1 1號標簽

圖2-2 2號標簽

1號標簽在X、Y兩個方向的最大值都是5.3；2號標簽橫向X最大值是3.8，縱向Y最大值是3.3。由此測試結果看，1號標簽性能更佳，故項目應用選用了1號標簽。

2.1.2 標簽固定方式研究

因為車輪表面不平整，且有油污、易生銹、還會涂漆，標簽自帶的膠很難將其牢固地固定在車輪上，本次選用了3M膠、502膠、AA201膠水、AB膠快干型四種不同的膠進行粘貼性能測試。膠水詳細信息如下：

圖2-3 膠水粘度時間曲線圖

針對上述四種膠的特性，從固化時間方面考慮，首先淘汰AB膠快干型，重點在3M、502和AA201膠水間進行試驗選擇，3種膠水都具有良好的快粘特性，但3M膠的粘性強度基本保持不變，而502和AA201膠水在粘接后強度會隨著時間增加，大約在30分鐘后穩定，502膠會在一小時左右固化。由于車輪存在型面、且運輸過程中有振動，這些對502膠的粘接特性有一定損壞，造成標簽脫落。

對上述4種膠水的現場試驗，也證實了這一結果。選取4種膠，將標簽粘貼于車輪上，并放置在室外進行跟蹤測試。本次研究經歷了一年的時間，從粘貼日開始每周跟蹤測試一次。AB膠水粘接快速性差、且操作麻煩；3M膠標簽，經過一個半月后已經開裂；502膠水標簽，在車輪運輸中存在部分脫落。

為使標簽粘接強度在快速性和持久性方面都有好的性能，進行膠水的混合使用測試，發現采用3M膠和AA201膠的疊加使用效果最好。

2.2 RFID中間件技術研究

基于物聯網技術的關鍵外購件的質量跟蹤，系統物品多，物流過程復雜，涉及的現場RFID識別設備多。通常系統結構如圖2-4所示。這種系統結構復雜，后臺信息處理量大，并且有很多無用計算，造成后臺資源浪費。為此引入RFID中間件技術，進行RFID設備的前置管理和信息處理。使得上層應用和設備管理分隔開來，互不影響，大大降低系統的復雜性，提高系統可靠性。上層應用的修改不會影響底層設備的修改，底層設備的增加減少或修改也不會影響上層應用軟件。

RFID中間件功能有：標簽信息關聯、分類和校驗，信息的存儲和續傳，設備的通用接口和業務系統的接口。下面就從這四個方面對RFID中間件進行研究。

2.2.1標簽信息關聯、分類和校驗研究

地鐵關鍵件標簽信息如何編碼和快速識別其物品種類及個體是關鍵。這里標簽編碼格式遵循EPC編碼規范。EPC編碼的通用結構是一個比特串（以二進制表示），系統編碼采用一個分層次、可變長度的頭字段，以及一系列數字字段組成。碼的總長、結構和功能完全由頭字段的值決定。

車輪標簽編碼是對車輪個體及其質量屬性信息進行編碼，該編碼用于車輪物流過程中各企業對車輪信息管理和信息交換。車輪編碼遵循惟一性和統一性的原則，在企業內部可以通過標簽信息對車輪的生產、儲運和銷售等進行有效的管理。

系統中車輪需要編解碼的項目共有19項，編碼時從十進制數據轉成二進制數據，轉換時，數據要為8的倍數，不夠會補0，由于標簽的存儲空間有限，所以對19項數據的編碼進行必要的壓縮，最后長度共為128位，寫入標簽時再轉成十六進制同時進行加密，長度共為32位，解碼時先進行解密，再從十六進制轉成二進制，讀取標簽時再轉成十進制。

2.2.2與設備的通用聯接技術研究

目前市場上RFID設備種類多，不僅有不同的廠家，而且同一廠家的設備也有不同的型號，各家設備所使用的通訊連接協議各不相同。本項中各關鍵外購件供應商所選取的RFID設備各不相同，應用系統必須對每個設備進行定制開發；而且每增加一種設備或更換一種設備時，應用系統就要做相應的修改。這將會給開發人員帶來很大的麻煩，因此需研究開發一種對各種不同設備進行有效接入，且對軟件應用層透明的通用連接方法。

本項目對設備通用連接技術研究了一種可擴展的開放框架。其上層應用通過統一的接口來接入所有的設備，前置設備接口采取了一種設備外掛的方式實現對不同廠家的RFID設備的支持。每種不同的RFID讀寫器，都封裝成獨立的RFID設備外掛。中間件啟動時，根據配置，載入需要的設備外掛，實現與讀寫器的連接。

2.2.3與業務系統的接口研究

為了讓應用層更便捷使用讀取的有效數據，需要對系統與業務系統的接口技術進行研究。項目中對應用系統接口進行了兩種接口技術研究。一種是基于數據庫的通信研究；一種是基于TCP/IP通信的研究。基于數據庫的通信方式主要是通過ODBC方式輸出數據，所有標簽數據都以ASCII文本的形式存儲在指定的數據庫信息交換庫表中。這種方法對應用層來說很透明，可直接使用數據庫中的數據，實現了數據交換的無縫對接。基于TCP/IP技術的數據通訊，主要是采用提供API函數方式進行數據通訊連接。

3 基于物聯網技術的車輪全程質量跟蹤研究

項目以國內某大型地鐵公司關鍵外購件之一車輪為代表，進行了基于RFID電子標簽的采購物流過程的質量管理跟蹤應用。車輪物流過程質量信息在各個過程寫入電子標簽，通過各作業點的手持設備進行信息采集和校核，實現對車輪從出廠、再加工、及現場交付的全程質量跟蹤。系統有全程質量跟蹤管理平臺和終端信息采集系統組成。

3.1全程質量管理平臺

關鍵外購件全程質量跟蹤管理平臺主要是方便跟蹤查看所采購關鍵外購件的質量信息，通過該平臺可以查看所訂車輪從生產商到二次加工商再到最終目的地的整個物流過程的質量信息。平臺包含采購合同信息跟蹤管理、采購車輪執行爐罐號信息跟蹤管理及單件車輪質量信息的跟蹤管理。

3.2終端信息采集系統

手持終端信息采集系統完成收、驗貨時質量檢查信息現場采集、處理及查詢、顯示。系統數據通訊通過4G網絡，系統的數據交換通過公有云存儲技術實施。

4 結論

本項目進行了基于物聯網技術的地鐵關鍵外購件質量跟蹤系統研究。研制了適用于地鐵車輪的RFID電子標簽，標簽粘貼劑，RFID中間件軟件等。最后進行了地鐵車輪質量跟蹤試驗研究。

試驗結果表明：采用基于物聯網技術現場質量檢驗效率提高5%以上，現場工人勞動強度降低30%以上，達到了預期的效果。同時該項研究技術也可延伸至關鍵外購件全生命周期的跟蹤管理。系統擴展后可給地鐵公司、關鍵件供應商及二次加工商提供大量的有意義的質量分析基礎數據，創造良好的經濟和社會效益。

參考文獻

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[3]孫曉東.基于物聯網的離散制造車間制造數據管理關鍵技術的研究[D]；南京航空航天大學；2012年

（作者單位：上海寶信軟件股份有限公司）