基于RFID技術的PC構件廠數據采集系統設計

王淑嬙， 高偉康， 王 彬， 盧仲興， 韓 冰

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068；2 中建三局綠色產業投資有限公司， 湖北 武漢 430056;3 中建科技武漢有限公司，湖北 武漢 430415)

裝配式建筑以資源浪費少、節能環保、質量優、建造周期短等特點成為我國建筑業轉型升級的重要方向。近年來，在政策的引導和大力推動下，裝配式建筑市場不斷擴大，其中住宅項目以預制混凝土構件(Precast Concrete, PC)為基本組成單元，大力發展裝配式建筑的地區對PC構件的需求量大。PC構件廠作為PC構件的生產方，與設計方和施工方溝通協調密切，其生產方式和管理水平直接影響著PC構件的質量和成本，進而影響建筑工業化水平。

在裝配式建筑發展初期，PC構件的生產具有多項目同時生產、多品種小批量生產、生產工藝流程長以及生產管理復雜等離散型制造業的特點。信息化管理可以通過信息的采集、處理、共享和應用輔助PC構件生產管理，提高構件生產效率以及信息協同效率。當前，PC構件廠都有不同程度的信息化建設，但車間信息化是薄弱環節，生產現場從訂單投入到產品完成這個過程中的數據信息主要以人工采集為主，不能及時得到更新，管理者不能實時用準確的信息來指導生產，不能迅速判斷生產與需求之間的關系，影響工廠運作效率。如何及時準確地采集構件生產數據，對于PC構件廠而言，是亟待解決的問題。

RFID技術是一種基于射頻原理的非接觸式自動識別技術，為制造業的數據采集提供了一種高效、可靠的實時數據采集方法。國內外學者也將RFID技術應用于裝配式建筑信息采集的不同方面：Yan Liu等人針對預制構件物流管理中存在的問題，建立了基于RFID技術的預制構件物流管理系統，實現了對預制構件位置的數據收集和跟蹤[1]。Razavi等通過在關鍵節點設置有源RFID設備，跟蹤物料的位置，并通過“兩層次法”提高了構件定位的準確性[2]。胡珉將RFID技術應用到PC構件生產中，并結合移動設備、互聯網等技術設計了PC構件生產智能管理系統，實現了對生產進度和質量進行實時管理[3]。曹新穎等針對PC構件生產質量管理問題，提出了構建BIM-RFID數據信息系統，解決質量數據采集和共享問題[4]。鄒小偉等針對裝配式建筑施工現場存在數據采集感知方法不足的問題，采用RFID技術建立安全預警平臺，及時對風險因素進行數據采集和分析，保證了施工現場的安全性[5]。綜上所述，已有研究較為宏觀，RFID技術的應用主要集中在對物料的跟蹤以及輔助進度和質量管理方面，專門針對生產車間數據采集的研究較少。

以中建科技某公司4個PC構件廠的數據采集系統建設為背景，在充分調研的基礎上，結合其生產工藝流程及特點，提出了基于RFID技術的PC構件廠信息采集系統。該系統旨在解決生產過程中數據采集的滯后性、各類BOM數據的缺失及信息應用的可拓展性，對于PC構件廠信息化和建筑工業化的發展具有重要意義。

1 PC構件廠數據采集系統需求分析

1.1 業務流程分析

PC構件廠的生產業務流程從接收訂單開始，經過初步設計、深化設計、制訂生產計劃、模具制造、物料采購、工廠生產、堆場堆放和運輸的過程，涉及設計、物資采購、計劃和生產多個部門。該業務流程實質上是物流和信息流在工廠內外，以及生產線上流動的過程(圖1)。

圖 1 PC構件生產過程業務流程圖

物流是PC構件從無到有，經過物資采購、構件生產、構件入庫、出庫和運輸，依次流經各個環節，由操作人員進行相關處理，最后到達施工現場的過程。信息流是PC構件生產過程中各種數據產生以及各部門之間相互傳遞的過程。首先，由設計院提供PC構件的深化設計圖紙及設計物料清單(Engineering Bill of Materials,EBOM)，包括產品名稱、材料明細表、材料匯總表等信息；其次，工藝設計部門以EBOM數據為基礎，制訂工藝計劃、工序信息，生成計劃物料清單(Planning Bill of Materials,PBOM)，發送至物資采購部和計劃部，再由物資采購部和計劃部根據項目施工進度和車間生產能力制訂生產計劃和物資采購計劃，同時將此計劃下發給車間生產部門；最后，車間生產部門根據已生成的PBOM(Planning Bill of Materials)信息，結合生產線和工藝流程生成制造物料清單(Manufacturing Bill of Materials,MBOM)，主要包括構件生產順序、構件所需材料、每個工位所需時間以及相關的設備等信息，指導車間生產。物流和信息流貫穿于構件生產的全過程，兩者相輔相成最終實現生產的統一。

1.2 生產特點分析

目前PC構件廠主要由四條生產線組成：疊合板和外墻生產線、鋼筋加工線、內墻生產線和固定模臺生產線。能滿足常用PC構件和異形構件的生產，其生產特點如下：

1)多源訂單生產。PC構件廠的生產訂單來源于不同施工方，根據各類訂單吊裝需求統籌安排生產，在一個生產周期內供應多個項目，每次生產1-2層的構件，遇到趕工的項目還需要調整生產計劃“插隊”完成加急訂單，排產情況不一而足，生產壓力大。

2)構件種類繁多、尺寸不同。當前裝配式建筑的發展處于初級階段，PC構件的標準化程度低，構件種類繁多，尺寸多樣，差異化較大。根據生產部門下發的MBOM，研究每類構件的尺寸和各種可能的組合方式，進行模具重組。

3)生產過程復雜。PC構件的生產方式分固定模臺生產和流水線生產。固定模臺主要生產異形構件和部分加急構件，流程較為簡單，而流水線生產較為復雜，以疊合板為例，從清理模具到入庫驗收要經過17個工位的流水作業，涉及140多項作業內容。

4)信息種類多，信息量大。構件的生產過程會產生多維度信息，除構件本身的信息外還包括人員、工具、設備、物料、時間、質量等信息。

1.3 信息化需求

近年來，湖北省大力推進裝配式建筑的發展，從2016年至2019年11月，全省裝配式建筑項目從8個增長到114個，增長了13.25倍；建筑面積也從82.47萬增長到555.13萬，增長了5.7倍，預測2019年年底將會突破600萬m2[6]。裝配式建筑的快速發展促使PC構件的需求量增大，部分PC構件廠的生產也趨于飽和狀態，加強信息化建設以提高生產效率成為必然選擇。對于目前PC構件生產企業，車間信息化是一個薄弱環節，工廠各部門很難通過信息化途徑來獲取準確的BOM信息，車間信息不能及時反饋到企業的管理層，極大地影響了企業決策的及時性和科學性。經過調查分析，目前工廠內普遍存在以下問題：

1)生產車間數據采集有效性差。目前主要使用紙制二維碼技術進行信息采集，在被外界環境破壞或工人忘記掃描時，生產過程中的信息會缺失，很多數據無法獲取。

2)生產過程信息不透明。在PC構件生產過程中，中間環節無跟蹤記錄，工人憑借自身經驗來判斷是否達到合格標準，有時會出現部分預埋件漏裝現象，造成返工導致生產效率降低或構件質量不合格等嚴重后果。

3)生產進度信息不能及時反饋。目前構件生產計劃的制訂和調整依賴于車間管理人員的個人經驗，當出現加塞訂單或緊急調整生產計劃時，車間生產進度信息不能及時采集和匯總，無法快速適應市場變動。

4)生產車間人員、工位信息得不到監控。缺少對工人、設備以及生產區物料的管理，車間人員較多，流動性較大，每個工人可能有多個操作工位，或者每個工位有多個操作人員，當制品出現問題時無法明確追溯到責任人。

當前生產車間的底層數據采集系統缺失，導致信息斷層，以先進的信息采集技術為依托，構建PC構件生產車間數據采集系統，實現生產過程中數據的實時采集、分類、傳遞和應用，為企業已的ERP和MES系統提供數據來源，真正發揮出輔助管理、提高效率的作用。

2 技術適用性分析和信息采集的內容

2.1 RFID技術的適用性分析

工廠數據采集的方式主要有兩種：手動采集和自動采集。手動采集包含兩種情況：1)操作人員通過手工記錄生產數據，再將數據錄入生產管理系統；2)通過可編輯邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)采集信息，操作人員在電腦或觸摸屏上手動保存數據。自動采集包括條形碼掃描方式，二維碼采集方式和RFID電子標簽采集方式[7]。根據PC構件生產線工藝流程和需要采集的數據特點，對上述采集方式進行對比(表1)。

表1 數據采集方式對比

由表1可以看出RFID電子標簽采集方式在反應速度、重復利用、標簽信息量和耐久度方面優于其他三種。RFID主要由電子標簽、讀寫器、天線和中間件組成，可通過閱讀器來識別特定范圍內帶有標簽的對象，獲取所需的各類數據信息[8]。在物料采購階段，將帶有物料基本信息的RFID電子標簽嵌入材料中，能夠在生產階段獲取物料的使用量，比如預埋件、鋼筋數量信息，實現物料跟蹤。在生產階段，將RFID電子標簽與模臺信息進行綁定，當模臺流動時，工位旁的閱讀器可以自動獲取在制構件的基本信息和生產進度信息。

2.2 生產車間信息采集的內容

隨著PC構件在生產線上流動，各類信息不斷增加，數據的采集伴隨著整個生產過程[9]。按信息的內容可分為以下10類(圖2)。按數據的類型可分為靜態信息和動態信息。靜態信息是基礎信息，相對變化較小、在一定時間內較為穩定；動態信息是生產過程中所產生的數據，隨著生產過程的進行而改變，需要及時進行采集更新。

圖 2 PC構件生產數據類型

1)員工信息。指生產車間產業工人信息，包括：員工姓名、工號、工種等，屬于靜態數據，員工上下班時間、安全狀態、運動軌跡等屬于動態數據。

2)工裝信息。指生產加工中涉及的扎鉤、清理鏟、掃帚等工裝和輔助工具信息。主要包括編號、名稱、類型、生產廠家、當前狀態、維護情況等數據。

3)模具信息。模具的數量制約著流水線生產安排，模具在生產線流轉時對應唯一構件，其信息包括：模具編碼，模具名稱，模具尺寸規格、側模出筋方向等信息。

4)模臺信息。模臺信息與構件信息相關聯，每個模臺對應所生產的構件，包括所在工位信息、開始時間、結束時間以及PC構件的數量。

5)工藝信息。指PC構件從上線到下線過程中完成的所有工藝流程，需要對每個工位的工藝進行動態采集。

6)物料信息。指生成PC構件成品的原材料信息，包括：物料名稱、編碼、生產廠家、生產日期等靜態數據，物料的轉運、運輸狀態、運輸時間等屬于動態信息，是實現物料跟蹤的重要數據。

7)設備信息。指PC構件生產過程中的各類設備相關的信息，是重要的生產要素信息，如清掃機、噴涂機、混凝土下料機、堆垛機等設備，包括：設備名稱、編號、生產廠家、負責人等靜態數據，設備的運轉狀態、運轉時間等屬于動態數據。

8)構件信息。PC構件分為半成品和成品，其信息包括：構件名稱、構件編碼、構件尺寸、生產日期、生產時間、所屬項目、樓層、樓棟等靜態數據，以及在生產過程中產生的其他維度動態信息。

9)生產進度信息。統計每個構件在各個工位的開始時間，結束時間和持續時間，屬于動態信息。

10)構件質量信息。主要指物料和構件的質量檢查信息。包括來料檢查、生產過程質量檢驗、構件成品檢驗。采集的信息有合格數量、返修數量等。

3 數據采集系統總體設計

3.1 系統設計目標

為滿足PC構件廠數據采集、處理、共享及應用需求，明確該系統設計目標如下：

1)以RFID數據采集技術為基礎，及時獲取構件生產過程中動態信息，為系統的應用提供數據來源；

2)準確生成不同階段的各類BOM，為物料管理和生產成本核算提供信息支撐；

3)為各級管理部門提供車間生產數據，構建信息收集、存儲及共享管理平臺，分級過濾多余信息，形成各管理部門相互獨立又緊密聯系的協同模式。

4)系統的可拓展性：能夠實現與企業已有的MES和ERP系統的對接，促使信息化管理系統落地應用。

3.2 系統邏輯結構設計

數據采集系統主要由4部分組成：電子標簽層、數據采集層、數據庫層和應用層(圖3)。

1)電子標簽層。處于系統的最底層，由各采集對象的基本信息編碼組成，形成RFID電子標簽，嵌入被采集對象上，經車間RFID閱讀器讀取。

2)數據采集層。通過部署在車間各工位的RFID設備進行人員狀態、物料使用、設備運行、工裝使用、構件生產進度、構件質量等的信息采集，并向系統傳輸實時動態信息。

3)數據庫層。是車間各類數據的集聚處，是信息向應用層傳輸的橋梁，從而實現數據應用[10]。

4)應用層。擬采用B/S模式，將基礎數據與實際應用相結合，滿足物資采購部門、計劃部門和構件生產部門的應用需求[11]。

3.3 系統功能模塊設計

基于RFID的數據采集方法，結合生產車間信息采集的內容，將系統分為4個模塊：基礎數據管理模塊、生產管理模塊、信息查詢模塊和系統管理模塊(圖4)。其中基礎數據管理模塊主要實現數據的分類存儲；系統管理模塊主要包括用戶管理、系統日志、數據備份和數據恢復等功能，保障系統的可靠性和安全性；生產管理模塊是本系統的核心功能模塊，主要實現項目訂單管理、生產計劃和執行管理、物料管理及各類BOM數據的生成及應用；信息查詢模塊輔助各管理部門檢索信息。

圖 4 系統功能結構圖

3.3.1 生產管理模塊生產管理模塊是本系統的核心功能模塊，輔助生產過程中訂單管理、生產計劃和執行管理、物料動態信息管理及各類BOM數據的生成及應用，涉及多個應用部門。

1)項目訂單管理。項目訂單是生產車間任務的來源，一方面實現對訂單基礎信息的管理，包括客戶名稱、項目名稱、構件種類和數量、發貨地址和訂單數量等；另一方面，將訂單信息細化至每個構件，包括構件所屬標段、樓棟、樓層及吊裝進度，便于生產車間根據每個項目的吊裝計劃統籌制訂車間生產計劃。

2)生產計劃管理。根據訂單信息，結合生產車間生產要素的實際情況(人員、物料、設備、工藝等)，科學制訂生產計劃，指導車間生產。

3)生產執行管理。根據生產計劃自動生成每日工單，指導車間工人生產使用。工單信息包含生產工序、具體操作、圖紙、三維模型及鋼筋預埋件等信息。

4)物料管理。實現對鋼筋、預埋件、混凝土、保溫板等主要材料庫存狀態的監測和對物料需求的下發管理，保證生產線上物料供應的穩定和及時。

5)BOM數據管理。BOM數據是連接設計與生產的橋梁，各類BOM數據的生成過程如圖5所示。可歸為兩種BOM數據來源：1)源頭BOM數據，由設計院、工藝設計部門、物資采購部門、生產計劃部門和車間生產部門完成，包括EBOM，PBOM和MBOM，用于指導構件生產；2)實時BOM數據，生產過程中產生的實際數據，用于計劃和生產物料消耗的對比及管理。

圖 5 各類BOM數據生成過程圖

3.3.2 信息查詢模塊各部門對生產進度、物料庫存等信息進行查詢。

1)計劃進度查詢。用于查詢構件的主生產計劃、月生產計劃和日生產計劃。

2)物料庫存查詢。為制訂生產計劃提供基礎信息，包括物料類別、名稱、存放位、庫存總量、剩余庫存等信息。

3)物料出入庫查詢。包括物料出入庫的種類、名稱、數量、以及流向等信息查詢。

4)構件入庫查詢。用于對成品構件入庫信息的查詢。

5)殘次品查詢。對質量不合格構件的殘次品信息查詢，為下達整改通知單提供依據。

3.4 系統的拓展設計

目前，中建科技某公司的PC構件廠都有不同程度的應用ERP和MES系統，由于缺乏統一信息化建設規劃，都是獨立運行，無法真正將計劃和生產階段的信息融合，在管理中發揮的作用有限。數據采集系統主要面向車間動態生產數據進行管理，在系統設計階段考慮與ERP和MES系統的接口，為ERP和MES系統提供底層實際生產數據，將車間信息化建設提升至企業管理層面(圖6)。

圖 6 數據采集系統與ERP和MES系統結合

1)與ERP系統的結合。針對ERP系統倉儲管理，通過在堆場進出口處安裝RFID閱讀器，識別每次進出口構件的基本數據信息，上傳至數據庫，企業管理者在ERP系統中能夠看到構件的庫存情況。達到提高效率、減少人力、節約成本、精益管理的倉儲管理效果。

2)與MES系統的結合。通過數據采集系統將生產數據傳送至MES系統，可以實現企業管理層對車間生產狀況的掌握，對車間人員、構件、設備等信息及時獲取和使用，提高管理層對生產車間的管理能力。

4 結論

針對PC構件廠生產車間數據采集困難，數據交流不及時和信息共享不便捷等問題，分析了預制構件生產過程信息化管理的需求，提出了一種基于RFID技術的PC構件生產數據采集方法，并在此基礎上構建了該系統的邏輯結構、主要功能和拓展功能。通過對這些生產數據的采集和跟蹤，可以為ERP和MES系統提供底層數據來源，從而加強管理層對生產車間信息的掌握，實現高效生產，有效提高工廠的生產效益和經濟效益，對于促進企業級信息化建設水平，推動PC構件生產車間智能化和信息化管理具有重大意義。當前PC構件廠調研和系統總體設計已完成，下一步的工作將進入數據采集系統開發階段，后續工作將以PC構件廠信息采集系統為基礎，以PC構件生產計劃為核心，研究PC構件生產的智能調度，更好地發揮信息采集系統的作用。