智能車間RFID標簽有效識別及制造信息自動關聯

王 闖 江平宇 楊小寶

1.西安郵電大學物聯網與兩化融合研究院，西安，710061 2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安，710054 3.西安交通大學機械工程學院，西安，710049

0 引言

無線射頻識別(radio frequency identification, RFID )技術是智能車間物聯網的實現基礎，智能車間通過所有制造資源與RFID標簽的物理結合，并利用自動身份識別(Auto-ID)和電子產品編碼(electronic product code，EPC)技術，進行具體物體的自動識別。但在實際生產中，一個智能車間同時存在成千上萬個制造資源，要實現從物體自動識別到生產過程數據的自動關聯及制造資源相互關系之間的動態綁定，進而實現生產過程的實時跟蹤與可視化，還需要進一步深入研究。

在智能車間中，要實現對一個制造資源物流過程的實時跟蹤，必須首先依靠RFID讀寫器和天線快速地從實時獲取的大量RFID標簽中分辨出跟蹤目標。RFID讀寫器和天線總是以一定的時間間隔不斷重復性地讀取其射頻信號所覆蓋范圍內的RFID標簽數據，即使有些標簽已經被重復讀取多次,對于一個RFID讀寫器和天線而言，在大量實時標簽數據中只有小部分是其需要跟蹤制造資源的流動信息，屬于有效標簽數據；而其他大部分標簽數據是重復性數據或無需關注的制造資源的流動信息，屬于無用標簽數據,需要盡量在它進入生產過程跟蹤數據庫之前將其過濾掉[1]。

目前智能車間RFID標簽數據有效性識別的主要方法有：①基于編碼技術的識別。例如重慶大學王東強等[2]提出的基于EPC 規范的車間層多源信息集成技術，能夠針對不同種類制造資源采用不同編碼規則以實現區分物體種類，但這種編碼規則并沒有完全遵循EPC的編碼結構，它只適合企業內部使用，無法和標準EPC編碼進行對接。②利用人機交互的方式實現。它將RFID讀寫器或天線獲取到的所有標簽數據顯示到人機界面，進而通過人機交互系統確定有效標簽，這種方法準確性高但執行效率低，不能滿足智能車間對生產過程數據的實時性要求[3]。③依據實時制造數據庫實現有效標簽識別。這種方法利用數據庫中制造資源的物流信息和工件質量跟蹤數據間的關系實現有效標簽拾取，但它忽略了其他制造信息對有效標簽的鑒別作用，會導致一定數量的無用標簽數據未被過濾掉[4]。

本文提出了一種基于EPC和Auto-ID的智能車間RFID標簽有效識別算法。

1 智能車間制造資源信息自動關聯與識別實現框架

智能車間中制造資源在物聯網中表現為不同的RFID標簽，制造資源之間的關系表現為不同標簽數據間的關聯關系[5]。為便于討論制造資源對應標簽數據的關聯關系，本文做以下定義。

定義1 智能車間制造資源是指參與到車間生產制造過程中的任何物體，它包含機床、刀具、人員、工件等。

定義2 智能車間制造資源信息自動關聯是相對于手動指定兩個標簽數據之間對應關系的操作，它主要通過標簽ID數據實現制造資源之間的自動關聯。

定義3 RFID有效標簽數據是指在正確時間點進入到正確RFID讀寫器和天線位置，滿足特定EPC編碼規則的RFID標簽。

智能車間制造資源信息的自動關聯與標簽有效識別技術包含以下5個步驟(圖1)。

圖1 智能車間制造資源信息關聯與標簽有效識別技術實現框架Fig.1 The implementation framework of manufacturing resource information association and useful RFID tag identification in smart job shop

(1)基于一定規則給每個制造資源RFID標簽分配一個編碼(ID)，通過編碼規則解析出制造資源的種類、用途等信息。

(2)確定能夠反映制造資源之間關系的智能車間制造信息，包括車間內加工設備的物理布局、RFID監控節點配置等空間信息，生產工藝規劃等設計信息和工件加工過程中的實時采集數據等。

(3)利用數據庫技術，將以上各種信息中隱含的制造資源間關系按照關鍵字進行索引，以便獲取數據。

(4)以工件為中心，按照工件生產過程的制造邏輯形成數據關系判定規則，進而確定RFID標簽數據間的關聯關系。

(5)利用EPC編碼規則和制造邏輯實現對智能車間內實時RFID標簽數據的有效性識別。

2 基于EPC Global編碼規范的智能車間制造資源編碼規則

國際編碼協會2003年成立了EPC Global，它利用全球統一編碼規則給每一個實體對象唯一的代碼，從而實現全球物品信息實時共享的物聯網。EPC編碼是一個由版本號、域名管理、對象分類和序列號四段數據依次組成的一組數字，其中EPC版本號表示EPC編碼的長度和結構；域名管理字段記錄編碼對象的地域信息，由EPC Global組織負責分配；對象分類字段記錄編碼對象的詳細分類信息；序列號字段唯一地指定編碼對象本身。

2.1 制造資源EPC編碼結構

為了使本文提出的編碼規則能夠適應EPC Global規范，此處只使用規范中對象分類和序列號兩個可以自由定義的數據段對智能車間制造資源進行編碼。為了便于說明，此處以普遍采用的EPC-96 I型編碼方案為例，其對象分類數據段有24位，前8位可用來指示車間制造資源的大類(如設備、人員、工件、刀具等)，后16位表示制造資源的子類型；序列號數據段總共有36位，前12位代表制造資源所在的群屬，后24位可表示具體制造資源的唯一標識碼，具體編碼規則見表1。

表1 智能車間制造資源EPC與標準EPC編碼結構對比

2.2 用戶自定義區域設計及編碼規則

根據EPC編碼結構中用戶自定義區域結構，將智能車間制造資源在3個層次上進行粒度劃分，制造資源劃分粒度和EPC編碼規則自定義部分字節的映射關系見圖2(以刀具為例)，將各字段按照EPC Global規范拼接，并最終形成帶有分類、用途、入庫等信息的RFID標簽數據。

圖2 車間制造資源分類與EPC編碼映射關系(以刀具為例)Fig.2 The mapping relationship of manufacturing resource classification and EPC encoding in job shop(taking tool for example)

以刀具編碼為例，刀具在車間制造資源中屬于大類(0x05)，它可以細分為刀柄(0x0001)、銑削刀具(0x0002)、車削刀具(0x0003)、鉆削刀具(0x0004)、刀片(0x0005)和附件(0x0006)。相同外形或者用途的刀具可以形成一個刀具群屬，再結合刀具本身的編碼就可以唯一確定一個刀具(見圖3)。以RFID標簽數據0xXXXXXXXX050003001000001為例，它表示某智能車間中第一把外圓車刀。由此可見基于EPC編碼規則，通過RFID標簽數據可以解析出制造資源的類型以及用途等信息。

圖3 智能車間刀具EPC用戶自定義區域編碼規則Fig.3 The EPC encoding specification of custom fields for cutting tools in smart job shop

3 智能車間制造資源信息自動關聯邏輯

智能車間制造資源分配唯一識別編碼并配置了對應的RFID標簽后，標簽數據與制造資源信息會以一一對應的關系存儲在數據庫中。數據庫技術可以反映不同制造資源之間的相互關系，利用數據庫實現制造資源之間隱含關系的表達是實現自動關聯技術的基礎。智能車間制造資源的編碼規則在形式上最終表現為數據庫中的表，通過數據庫技術便能獲取標簽數據對應的制造資源信息。

除此之外，自動綁定技術涉及到隱含的物體之間相互關聯的制造邏輯，它既包括工件的工藝路線、機床布局與RFID配置信息的靜態數據，也包含能夠反映工件實時加工進度以及工件當前工序等實時信息的動態數據以及機床加工任務(圖4)。這些數據也以數據表的形式進行存儲，從而形成了整個車間的制造信息數據庫。

圖4 智能車間制造資源數據關聯模型Fig.4 The model of manufacturing resource information association in smart job shop

以工件為中心設計數據庫模型，工藝設計部門制定某類工件的加工工藝，由于一個工件的加工路線可能存在多種選擇，所以工件和工藝路線之間是1：n的關系。當工件進入車間后，車間管理層需要根據訂單量、交貨期和加工設備等因素進行生產排程，形成具體工件的作業計劃，并將其以生產任務的格式下達到生產車間。通過作業計劃將工件與其加工相關的制造資源關聯起來構成靜態制造邏輯，工件在加工過程中獲取到的實時信息在數據庫中也以其對應的RFID標簽存放的編碼為索引進行保存。

制造資源的自動關聯可以分為3個方面：①利用協作關系、作用與被作用關系等形成的物體間群屬關聯；②利用物體間相對位置形成的空間關聯；③利用動作的執行順序形成的時間關聯。以工件為中心的自動關聯流程見圖4(其中1：n及1:1代表工件)，基于工件工藝設計和車間制造資源的作業計劃將工件與機床、人員、刀具和夾具等制造資源通過數據庫關聯；基于車間物理布局的數據庫將RFID設備、機床、門禁和傳送設備等具有空間對應關系的制造資源實現關聯；智能車間不同傳感器獲取的生產現場數據中包含的時間信息實現工件和其他制造資源的時間關聯。

數據庫技術為RFID有效標簽數據識別提供了群屬、空間、時間三方面的制造邏輯判斷依據。在智能車間的實際生產運行過程中，RFID讀寫器或者天線讀取到制造資源RFID標簽數據后，可以首先通過編碼規則數據庫解析出可識別的標簽數據，之后根據車間物聯網設備物理布局數據庫挑選出進入正確位置的標簽數據，其次根據生產排程結果數據庫過濾出工藝物流路徑正確的標簽數據，最后依據車間物聯網獲取的實時生產過程數據分析出最終需要監控的標簽數據。整個有效標簽數據識別過程見圖5。

圖5 智能車間有效RFID標簽識別過程Fig.5 The procedure of useful RFID tag identification in smart job shop

本文研究中，按照數據源或者數據關系是否為生產過程數據，將智能車間的制造資源信息自動關聯分為靜態關聯與動態關聯。

3.1 靜態關聯

靜態制造信息中以工件為中心的自動關聯依托于工件工藝規劃，工藝規劃完成之后，通過車間生產排程制定完成相應的生產計劃，進而可以得到工件所在加工機床以及與機床相關的其他信息。同時，加工中使用的刀具種類、夾具種類也由工藝規劃階段確定，而加工過程中所使用的刀具、量具實體都是從相應的種類中確定。因此，可以預先對該部分數據集合進行關聯。

{c1,c2,…},{f1,f2,…}}

(1)

(2)

(3)

3.2 動態關聯

由于在實際生產過程中，工件實際工序加工中所用的制造資源會發生變化，在工序加工開始之前，具體使用的制造資源以及對應的具體生產過程時間無法預知，因此動態關聯是在靜態關聯的基礎上對工序加工過程中實時使用的制造資源進行確認和監控的過程。動態關聯是實現生產過程信息由不確定性向確定性的轉變過程的記錄，它有助于實現工件生產過程的完全數字化重現。動態關聯的過程具有實時性，是在制造資源開始作用后立即對其行為進行的記錄。

(4)

(5)

無論靜態關聯還是動態關聯，在本質上就是建立了不同制造資源信息的關聯關系，在數據庫中表現為建立不同制造信息數據表間的鏈接表，同時記錄每個關聯操作的具體時間。

4 工件信息自動關聯與有效識別算法

工件是車間活動最頻繁的制造資源，智能車間的生產過程跟蹤就是針對工件加工過程的跟蹤。車間一切制造資源配置都是以工件為中心的，同時工件也是形成車間制造邏輯的索引，所以工件類RFID標簽的有效拾取技術是最復雜和關鍵的[6]。此處主要討論實現工件RFID標簽有效識別的制造邏輯算法，并默認所有標簽數據由本文的編碼規則生成并已成功寫入。

4.1 RFID設備的配置

RFID設備的配置方式與車間的監控粒度有緊密關系。利用分形理論可以對一個工序活動進行不同粒度劃分，以工件的加工工序為例，工件需經歷入緩存區、在加工和出緩存區3個動作，而入緩存區活動又可進一步劃分為進入入緩存、等待和離開入緩存3個動作，依此類推[7](圖6)。

圖6 工件加工工序監控粒度分解模型Fig.6 The multi-granularity process decomposition model

根據監控需要可以采用多個RFID讀寫器或天線對每個動作進行監測，也可以把一個工序看成整體，采用一個RFID讀寫器或天線進行監測。為了說明更一般的情況，此處將一個工序分為3個階段，分別對應于進入工序緩存區、加工區和加工完成等待轉運的出緩存區(圖7)。

假設每個階段用一個RFID天線進行監測，則一個加工工序的機床RFID設備配置可描述為

(6)

假設第i種工件經過生產排程后確定的最終工藝路線需要經過q道工序，則第i種工件的工序流Pi可以表示為

(7)

圖7 智能車間加工工序RFID設備配置模型Fig.7 The RFID configuration model of manufacturing procedure in smart job shop

假設第i種工件包含有n個工件個體e，則第i種工件對應的RFID標簽集合Wi可以表示為

(8)

(9)

其中j表示當前第i種工件個體e處于第j道工序；st表示第j道工序當前階段(入緩存，加工中，出緩存),st∈(1,2,3)。

4.2 無效標簽剔除算法實現

假設進入第m個加工設備并被第r個天線探測到的所有RFID標簽集合為

(10)

(11)

其中，Ym,n為對第n個RFID標簽數據是否應經過第m個加工設備的判斷結論。

通過以上算法，可以將不在設備m上加工的工件剔除，但它只能判斷第n個工件個體是否需要在機床m上加工，并不能判斷當前工序是否為當下的加工機床。

在剔除無效標簽后，需要對工件個體是否進入正確的位置進行判斷， 當工件個體進入的位置

正確，則需要更新其生產過程實時狀態。根據式(9)、式(3)和式(5)，可以得到第n個工件個體是否為有效標簽的實現算法：

(12)

通過以上算法，可以實現依據車間RFID讀寫器的配置和識別范圍，在有效范圍內進行RFID標簽數據的有效識別。根據以上實現方法，智能車間中工件生產過程狀態更新分為以下兩種情況：①工件在同一機床上不同位置的狀態更新。當捕獲工件標簽數據的天線屬于工件當前所在加工設備，并且天線對應的機床位置狀態為工件當前位置狀態的下一狀態，此時對工件的位置狀態進行更新。②工件在不同機床上的狀態更新。當捕獲工件標簽數據的天線恰好是下一道工序所在的加工設備的第一個位置狀態(入緩存)，并且工件當前位置狀態為當前工序的最后一個位置狀態(出緩存)或不存在，則進行狀態更新。

5 案例驗證

本文以西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室的微型智能車間實驗平臺為例，其車間的RFID配置及生產設備布局如圖8所示。其中包括數控車庫、數控銑床和加工中心3臺加工設備，每臺加工設備上都配置有一個RFID讀寫器，并在入緩存區、加工區、出緩存區都配置有RFID天線。

圖8 車間生產設備及RFID讀寫裝置配置Fig.8 The RFID and machine tools configuration of job shop

以某加工工件方套的生產過程為研究對象，其對應的編碼為0x03030401bc0201，相應的工藝路線見表2。需要說明的是，由于是機加工過程，所以工件通過托盤實現流轉過程，因此工件的標簽是直接貼在托盤上的。

表2 方套加工工藝

為進一步驗證本文所提出方法的有效性和實用性，此處與目前生產實踐中采用的一對一配置方案(即1臺機床配置1個RFID讀寫裝置)進行對比試驗。試驗進行5次，每次進行1 h，通過對數控銑床的生產過程的數據監控，得到有效性識別方法和傳統方法在數據關聯準確率、數據庫中制造資源標簽數據記錄數目等方面的數據見表3。

表3 對比試驗結果

從試驗結果可以看出，傳統實現方案僅可以實現工序級的生產過程監控，對于工序內部的生產過程無法進行進一步細化，同時由于無法對獲取的RFID標簽數據進行準確分析，導致后臺數據庫中存放很多無關的生產過程數據。而本文提出的實現方案可以有效地提高智能車間生產過程的監控精度，實現對1個工序內入緩存、加工中和出緩存3個階段的準確跟蹤，并且可以大量減少后臺數據庫中存入的無用生產過程數據。

6 分析與討論

6.1 智能車間制造資源自動關聯與有效標簽識別技術的特點與應用分析

(1)基于EPC編碼結構的智能車間制造資源編碼規則能夠實現對參與生產過程中的所有資源的分類和編碼，同時可以為企業參與社群化制造、云制造等新型協同制造模式，產品與其他企業產品的無縫化對接和管理奠定數據基礎。

(2)利用數據庫技術將制造資源間隱含在空間、群屬內的關系關聯起來，并通過RFID標簽的Auto-ID計算技術將制造數據從時間、空間串接在一起形成以工件為中心的制造邏輯。

圖9 工件工序生產數據關聯及有效性識別過程Fig.9 The information association and useful RFID tag identification of a manufacturing process

(3)通過編碼規則和基于制造邏輯的過濾算法，最終實現對智能車間RFID標簽有效性的判斷。

6.2 RFID設備配置對標簽有效性識別的影響

在智能車間中，跟蹤對象動作劃分粒度越細微，RFID設備的配置就會越緊密，進而導致射頻信號相互重疊的區域增大，相應地獲取到的無用標簽比例會變大，最終表現為有效標簽的識別過程變長。

6.3 RFID標簽存儲容量對標簽有效性識別的影響

與自動關聯和有效性識別相關的工件實時數據可以保存在RFID標簽內部的存儲區中，這樣可以減少數據的傳輸和數據庫操作時間，把判斷邏輯放在底層實現以加快判斷速度。但是增加RFID標簽的讀寫字節同樣會導致時間變長，在實際實踐中需要平衡RFID標簽容量和標簽有效識別速度之間的關系。

7 結論

本文提出了智能車間中制造資源信息之間的自動關聯和RFID標簽數據的有效拾取技術。首先，在EPC國際標準編碼結構的基礎上提出了智能車間制造資源的分類和編碼方式，使企業內部的產品RFID編碼能夠被外部識別，有利于企業間的協同制造，適應社群制造、云制造等新型制造模式的發展；其次，利用數據庫的實體關系表達優勢，通過將工件的工藝設計和生產排程等設計信息、車間加工設備物理布局等空間信息和生產現場實時過程數據的時間信息有效結合，形成以工件為中心，數據庫為基礎的生產制造邏輯；再次，在生產制造邏輯的基礎上，利用數據庫實現了制造資源信息之間的相互關聯；最后，結合編碼規則和生產制造邏輯數據庫，給出智能車間RFID標簽數據的有效拾取過程。

通過對智能車間工件RFID標簽數據的自動關聯與有效拾取算法的具體設計，驗證了RFID標簽經過設備空間配置信息過濾、工藝設計信息過濾、現場生產實時信息過濾3個方面制造邏輯的判斷和實現有效拾取的可行性。