基于RFID的航空維修工具管理系統設計

崔利杰 甘 露 陳浩然* 叢繼平

1(空軍工程大學裝備管理與無人機工程學院 陜西 西安 710051) 2(中國人民解放軍95665部隊 四川 成都 611530)

0 引 言

目前大多數機務單位對工具管理仍采取傳統的手工登記管理模式，日常工作中堅持“工具三清點”的規定[1]，即工作開展前清點、工作轉移時清點、工作結束后清點，但是在實際中工具丟失的現象仍然屢次發生，特別是近幾年以來發生的因為工具清點遺漏造成的系列飛行事故及飛行事故癥候。基于這一點，通過充分分析當前機務工具管理中存在的問題，針對給定的部隊工具情況，分析其特點提出不同的RFID標簽標記方法，設計系統具體布局，開發相關的數據庫，結合目前應用廣泛的手機終端對工具管理進行交互管理，最大程度地緩解管理壓力和方便機務部隊工具管理。

許多學者針對國內維修業工具管理系統進行了細致的研究。郎軍成等[2]認為空軍航空兵部隊工具倉庫管理效率普遍較低；袁錫藩等[3]認為工具管理應用體現維修企業維修水平的一個重要標志，民航維修業工具管理實踐中存在參與流程遲、管理效率低、工具管理存在盲點、職能規劃不合理、系統流程設計不合理等問題；劉英等[4]對智能化航空維修工具管理系統進行了研究，利用RFID技術設計工具箱來實現工具快速存取、定位和監控；張儀哲[5]指出將信息化工程引入到民航維修企業工具管理過程中是工具管理效率的關鍵；潘群[6]利用RFID技術實現信息自動采集、核對及糾錯，同時實現信息流和實物流的統一；楊麗[7]將RFID技術與高鐵工具管理系統結合，實現了高鐵檢修工具管理的部分功能；張倫彥[8]對原型功能進行了試驗，驗證了RFID結合航空工業的可行性；Cardoso等[9]將超高頻(UHF)電子標簽應用與智能交通系統結合。

上述文獻對RFID技術進行介紹，也提供了關于RFID技術的新思路，但主要是針對技術理論的闡述，與當前航空兵機務部隊實際有所差距。結合當前研究理論及成果，在此基礎上將RFID技術應用于機務維修工具設備管理的各個環節需要立足當前機務工具管理實際來進行完善。

1 工具管理現狀分析

1.1 傳統工具管理現狀

通過資料的搜集整理，將當前工具管理現狀歸納為以下四點。

(1) 工具種類、數量繁雜，每日清點工具工作量巨大。通過調研了解到，僅在機務部隊一個中隊的日常性工具交接清單就達到332項，其中工具項目名稱、編號、數量、單位、貨架號等各不相同。在日常工具的清點工作上，工具管理人員需要針對每一件工具信息進行認真細致的核對，否則會造成管理失控和極大的安全風險。可見，在日常的工具清點中存在難于清點問題，工具種類、數量的繁多會給一線機務部隊增加巨大的工作量。

(2) 工具使用難以定位。根據飛機放飛“十不準”規定，在工作清點過程中發現工具丟失、遺漏之后，工具遺失未找到時不能放飛，所有機務人員會停止工作尋找工具。工具難以定位會浪費大量的人力與時間，造成潛在的安全隱患。

(3) 工具借還時間集中。工具的借還通常集中于工作開展、結束和交接班這幾個關鍵節點，這幾個時間段內，工具管理人員面臨著巨大的壓力。同時，大量人員的聚集交談容易轉移工具管理人員的注意力，一方面導致工具借還效率不高，另一方面可能出現工具管理的錯漏。

(4) 工具不能進行合理調配規劃。在工具管理上都不同程度存在重視前期配備、輕視后期管理的現象，只有部分工具使用頻繁，甚至有少量工具存在從未使用過的情況[10]，并且無法及時統計需要修復、更換的工具。

傳統手工登記模式已逐漸適應不了現階段機務維修工具管理的新形勢，在當前機務物聯網和信息化建設中，對結合RFID技術的工具管理模式技術升級才是大勢所趨。

1.2 機務維修工具特點

(1) 按內場外場分類。在機務部隊一般使用工具場所分為外場與內場(修理廠)，由于在不同工作地點擔任不同維修保障任務，工具的使用分類存在區別。在外場一般使用工具進行飛機起飛前、降落后的簡單日常性維修保障活動；在內場(修理廠)工具的使用更為多樣復雜，維修程度更加深入，會在修理間或者是機庫進行飛機定時檢修或者飛機部件的修理。

(2) 按專用通用分類。當前隨著新機型的列裝部隊，機務部隊專業機組進行了整合。以目前較為普遍的機械專業、軍械專業、特設專業、電子專業為例(專業具體按部隊機型而定)，各個專業機組擁有其專用的維修工具，專業間不能跨專業使用工具權限，在專業內仍繼續細分為專業通用和專用工具箱，此類工具大多存放于機庫附近的工具間。同樣，在日常維修活動中的拆卸通用零件時，機務專業有其通用工具需要借用，如開口扳手、一字解刀、十字解刀等，此類工具大多存放于工具房。

總而言之，在日常機務維修之中，機務人員需要使用大量工具，其特點為種類繁雜、數量巨大、規格各不相同，所以保證工具使用的可管可控非常重要。當前機務部隊堅持“三清點”制度，對每類工具乃至螺帽都要進行認真細致檢查清點，一一分類編碼，并在清點的時候確保工具編碼與數量與工具單相符合。

編碼的原則需要體現其所屬專業、物理特性或用途，保證其簡單性的同時要確保其專業與物理一致。機械專業、軍械專業、特設專業、電子專業四個專業分別對應字母“F”“J”“T”“D”，而通用工具以字母以“Q”為開頭。以開口扳手為例，對其編號表示為“F-KKBS-001”表示機械專業001號開口扳手，由“專業代號+工具字母縮寫+序列號”表示，體現了編號規則的易辨識性和唯一性。按照實際，具體編號方法按照各部隊具體情況而不同。針對工具的合理有效管理可以確保飛行安全，防止了“帶工具上天”此類人為差錯，對部隊戰斗力提升和安全性保證有著極其重要意義。

1.3 方法對比

條碼技術在倉儲管理之中有著非常成熟和廣泛的應用，當前部分單位開始進行條碼倉儲管理，但是RFID技術相比基于光學識別的條碼技術有著無可替代的優勢。RFID技術與條形碼主要性能比較如表1所示。

表1 RFID標簽與條形碼對比表

2 系統設計

2.1 系統需求分析

2.1.1用戶分析

管理員：機務部隊工具房之中的管理人員，日常工作中要將工具借出、歸還、入庫、出庫記錄登記在冊以備查驗；將不同種類、編號的工具、設備分區分類存放，要求整齊有序；日常清點工作中要保證所有工具的在位完好，定期進行清洗、維護，在遇到工具損壞或遺失的情況要及時報告上級。

機務人員：機務人員是保障飛機的主要力量，負責排除飛機常見故障，完成上級賦予的飛行維修保障任務，并及時登記和匯報飛機狀況。機務人員在借用與歸還工具前要認真做好清點工作，保證工具無錯誤遺漏，配合工具管理員進行登記工作。

檢查員：檢查員通查是指擔任檢查監督職責的部分人員，包括大隊長、安監員等。檢查員對工具登統計記錄進行檢查，對出現的管理問題要及時指出糾正，工具管理員能夠向檢查員直觀清晰地匯報工具管理情況。

2.1.2管理對象分析

根據部隊機務中隊工具清單分析得出，可將工具主要劃分以下幾類：

(1) 各專業工具箱類：機械專業1 ∶1專用工具箱、軍械專業1 ∶1專用工具箱、特設專業通用工具箱、雷達工具箱、航電專業工具箱、駐訓安檢工具箱、基本維護工具箱等。

(2) 扳手類：梅花開口扳手、開口扳手、活動扳手、軍械掛架專用棘輪扳手、航炮裝彈扳手、火箭彈專用扳手等。

(3) 解刀類：一字解刀、十字解刀。

(4) 工具鉗：平口鉗、尖嘴鉗、斜口鉗、剝線鉗。

(5) 檢查儀器：熱電偶檢查儀、火警檢查儀、絕緣電路檢查儀、雷達通用氣密性檢查儀、武器系統綜合檢查儀、ICNI系統檢測設備、充氣及壓力檢查裝置、燃油箱壓力檢查裝置等。

(6) 工具車：滑油車、座椅拖車、液壓油車、發動機油泵車、氣瓶運輸車等。

(7) 其他：防噪聲耳機、膠木板、線輪、桶刷、風斗等。

工具箱類工具特點為形狀規則、結構堅固，能夠存放多種功能工具，一般而言航空裝備維修工具箱會對工具進行卡槽匹配確保工具的放置正確，此類只需要對工具箱進行貼標管理即可；扳手類、解刀類、工具鉗類及其他類工具管理較為分散，也是極易出現遺漏的工具，針對此類工具需要對每件工具進行RFID貼標管理，但需要根據具體工具形狀材質確定標簽類型；工具車一般體積較大且形狀不規則，此類需針對工具車進行對應貼標管理，一般不干膠式RFID標簽并不適用于此類工具。

2.1.3業務分析

系統主體與客體間聯系主要是由各種日常工作需求組成，以部隊飛行日或工作日圍繞工具的各項操作為例，主要分為五項：

(1) 新工具入庫：對于新進工具的入庫需要工具管理人員與入庫單一一核對，確保工具的數量與型號規格無誤，如果不符合要了解原因并且解決；對工具質量情況進行審核，對已損壞故障的工具及時上報與請求更換；待檢查無誤之后對工具進行編碼，并且擺放至預設的工具區。

(2) 舊工具報廢：工具報廢要形成報廢單報告上級，待領導審批核查完畢后方能進行工具報廢操作。待報廢工具應當記錄其編號、數量、所在位置等信息，將其統一保存在特定的待報廢區域，工具管理人員將待報廢工具在工具總清單上進行刪除記錄并且備注。

(3) 工具借出：工具管理人員根據當日下發的工作任務卡片，對所需的工具進行預先準備，工具管理員檢查完畢后在工具借用單上記錄所借工具清單，機務人員領受工具借用單后進行工具的核查，對缺漏或損壞及時報告，檢查無誤之后在工具借還登記本上簽署負責人姓名。

(4) 工具歸還：機務人員在歸還工具前首先進行清點工作，在確保無遺漏的情況之下送至工具房，工具管理人員進行清點確保無問題之后，機務人員填寫工具借還登記本上簽名，機務管理人員將工具按規定放置于工具房原位置。

(5) 工具盤點：工具清點工作是工具管理員日常性工作，分為日常盤點和隨機盤點。飛行日工作結束之后工具管理員對工具房內所有工具進行仔細清點工作，主要是明確工具的在位情況，防止工具的遺漏、丟失或損壞的情況發生，如果發現工具遺漏失控問題，應查找問題源頭直至徹底解決，遇到不能解決問題及時上報。隨機盤點是在上級來檢查時、飛行或維修現場出現問題時或其他需要即時盤點時進行的盤點工作。

2.2 功能模塊分解

功能模塊主要包括系統管理模塊、人員查詢模塊、工具管理模塊、工具操作模塊四個功能模塊。如圖1所示。

圖1 功能模塊分解圖

1) 系統管理模塊。系統管理模塊是為方便管理人員進行人員、工具信息管理的平臺。通過指定的擁有權限的管理員ID和密碼可以進入該界面。該模塊主要分為工具管理與人員管理兩個部分。

2) 人員查詢模塊。人員查詢模塊是面向管理員與機務維修人員的信息顯示窗口。該模塊可以顯示當前工具房工具整體情況和對工具借用未歸還和已歸還情況。界面設計應有良好的交互能力與可操作性，方便使用人員快速查詢存儲在數據庫中的工具信息。目的為進行工具系統的監控和痕跡管理，方便日常工具管控，要求查詢模塊應該根據人員職責進行權限設置，達到系統最大的實用性和簡約性。

3) 工具清點模塊。工具清點是管理員管理工具房的日常性工作，該模塊作為管理系統的子功能起到非常重要的作用。管理員利用安裝在基于Android平臺的RFID手持機對全部工具進行掃描收集信息，通過本地數據庫或者上傳服務器進行數據的處理。對當前工具庫房的所有工具信息進行分析，對未能按要求在位的工具進行告警，對當日未按時歸還工具的人員進行逾期提醒。

4) 工具操作模塊。機務人員在登錄系統界面之后，實現日常對于工具的借出歸還的基本操作，能夠錄入數據庫系統。工具操作模塊可再劃分為以下四個子功能：

(1) 工具入庫管理：操作人員選擇工具入庫功能掃描工具對應RFID標簽，錄入工具信息與之匹配，確定后上傳數據庫等待借用。

(2) 工具出庫管理：當工具管理員得到工具報廢信息時，將出庫工具移至出庫區，選擇手持機出庫功能，掃描需出庫的所有工具。點擊確定后，出庫工具將標記為出庫狀態無法進行借用。

(3) 工具借出管理：操作人員選擇借出功能，將待借出工具放置與掃描區，確保讀取到待借出所有工具RFID標簽信息后點擊確定，工具在數據庫中更新為借出狀態并對應機務人員生成工具借出清單。

(4) 工具歸還管理：機務人員歸還工具時，手持機采集工具信息并且讀取到對應借出清單，當前歸還工具與工具清單核對無誤后方可完成歸還操作，否則告警提示工具管理員。

2.3 SQLite數據庫構建

對于機務工具管理系統設計，數據庫的建設是管理信息系統的主要技術基礎。數據庫設計是指對于一個給定的應用環境，提供良好的數據模型與處理模式的邏輯設計，以及確定良好的數據庫存儲結構與存取方法的物理設計，從而建立起既能反映現實世界信息和聯系，滿足用戶數據和處理要求，又能被某個數據庫管理系統(DBMS)所接受[11]，同時能實現系統目標并能有效地存取數據的數據庫。

概念結構設計是將需求轉化為信息世界中的實體及其聯系，用概念模型描述。概念模型的設計是不依賴于任何數據庫管理系統的，它是對用戶需求的歸納，能夠方便、準確地表示出信息世界的常用概念，與具體的硬件環境和軟件環境無關。

在基于RFID的機務工具管理系統中涉及的實體包括工具、機務人員、管理員、入庫單、借出單五個實體，工具、機務人員、管理員都是相對獨立的實體單位。以工具的流動作為系統的核心，包括入庫、報廢、借出、歸還操作，并且對于整個流程需要做到監控，所以需要相應入庫表、出庫表和庫存清點表來記錄入庫出庫和庫存實時情況。E-R圖如圖2所示。

3 系統實現

3.1 總體布局規劃

基于RFID的機務維修工具管理系統總體結構，根據功能模塊對工具房進行區域劃分以達到優化效果，如圖3所示。

圖3 系統布局規劃圖

(1) 工具存放區：主要是用于工具的存放，要求應滿足機務維修工具保管及存放規定。工具存放主要按照現目前部隊工具房存放原則，按照工具規格主要分為整件管理、組箱管理、散件管理三種管理方式。每件工具上貼好RFID標簽，工具房管理人員利用RFID進行讀取標簽信息進行清點工作。

(2) 出庫入庫區：出庫入庫區主要是對入庫與報廢/出庫工具進行操作與存放的區域。管理員針對新工具進行核查、質檢及登記貼標等工作，待完畢之后按工具位置要求將工具正式轉移到工具存放區。

(3) 信息系統區：系統區主要包括主機服務器、數據庫、讀寫器以及天線和連接器等，負責處理讀寫器通過Wi-Fi網絡或線路傳遞給主機服務器的各項數據，進行過濾解析等操作，從而進行相應控制與反饋。

(4) 借還管理通道：借還管理通道主要是針對機務人員日常借還工具所劃定區域，要求與其他管理區域互不干擾，機務人員攜帶其工具通過通道時RFID掃描器會收集RFID標簽信息傳輸至信息系統進行相應的借用歸還操作。

3.2 Android手持機端

Android手持機主要作為數據采集平臺以及簡單的數據處理平臺，上傳數據需要通過API傳輸到后臺進行相應操作。系統開發采用前后端分離的方式集成超高頻模塊，以達到一種高效率的開發使用。RFID手持機系統中已內置了當前RFID使用的服務。引入專用于Android平臺下基于Android系統下編譯RFIDSDK.jar開發包。在服務啟動、模塊連接成功之后可正常使用其接口方法，RFIDSDK.jar就是服務與客戶應用之間的媒介。服務框架如圖4所示。

DataListener(數據監聽器)封裝在其第三方庫中，開發階段只需要直接調用便可以實現其功能，通過對RFID標簽的數據監聽，將收集的RFID標簽中的EPC碼列表轉化為JSON格式通過中間件傳輸到服務器端。根據手持機端進行的不同操作意圖，后臺API調用相對應的函數進行數據庫操作。

由于中間件沒有明確的定義，可將此API理解為中間件一個重要部分。該課題中間件主要實現功能是進行手持端與服務器端的數據交互功能。API采用Python的Flask框架進行開發，搭建簡單的數據傳輸接口對Android端傳輸的數據進行監聽[12-13]。并且API之中封裝好各類函數對數據庫進行直接操作，從而可以反饋相應信息到手持機上。

3.3 電腦端

3.3.1管理員

根據人員職責不同設置不同功能劃分，管理員負責日常工具房運行維護工作，擁有對系統人員和工具的報廢、新增、清點，以及人員的刪除操作等權限。

(1) 人員刪除。管理員通過點擊人員刪除按鈕，能夠彈出系統登記在數據庫內所有普通機務人員的列表，管理員能夠選擇人員進行刪除操作。

(2) 工具添加。對于工具庫內新增工具，在質檢無問題及生成對應編碼之后，管理員需要輸入工具的工具名、工具號、位置等信息，同時能夠檢測如果有未填寫信息會對人員發出提示，人員填寫完備后點擊添加按鈕即可完成工具入庫操作。

(3) 工具報廢。對于工具庫內報廢或出庫工具，對其輸入工具號及數量的信息，其他信息會自動匹配到數據庫調用相應的內容，點擊確定即可完成工具出庫操作。

3.3.2一般使用人員

一般使用人員通常為機務人員，因此系統對其功能進行了區分，主要是體現其自主借還工具與查找工具的便利性。

(1) 人員注冊。人員注冊功能在系統登錄界面左上角菜單欄里可以調用，點擊后彈出人員注冊界面，人員需要輸入自身工號(要求其唯一性)、姓名、密碼并二次確認密碼進行防差錯。點擊注冊按鈕，會審查上述文本框是否為空，如果為空則彈出提示重新輸入；反之則提示注冊成功，錄入人員數據庫之中。

(2) 修改密碼。人員修改密碼功能在系統登錄界面左上角菜單欄里可調用，點擊后顯示人員修改密碼界面，人員輸入工號、原密碼、新密碼并二次輸入新密碼進行防差錯。點擊確定修改按鈕后同樣會判斷文本是否為空，如無問題則修改密碼成功，更新人員數據庫中的密碼。

(3) 工具借用。一般使用人員使用賬號登錄系統后，人員點擊界面左側工具借用按鈕彈出借用工具界面。人員通過RFID掃描器或正確輸入其工具號，點擊確定借用按鈕則可以生成借用單進行借用操作。

(4) 工具歸還。工具歸還操作同樣人員通過RFID掃描或手工輸入工具號，系統對當前賬號下的工具借用單進行核對，如果當前歸還工具與工具借用單不匹配，則彈出提示窗口，如果完全匹配則順利完成工具歸還操作。

(5) 工具視窗查詢。工具視窗查詢為管理員與一般使用人員共有功能，主要是針對工具借用前對工具狀態的查詢。查詢方式設置為按工具名查詢、按工具號查詢、按位置查詢、按專業查詢、按單位查詢五種。在界面上部文本框內輸入關鍵字，點擊文本框右側的查詢按鈕則可以進行查詢操作，如圖5所示。該查詢邏輯按照文本匹配的模糊查詢，即可以查詢與關鍵字相關的系列工具，提高了工具查詢的效率，同時未歸還窗口和已歸還窗口會顯示當前沒歸還和已歸還的工具清單。

3.4 功能實現流程

首先在工具入庫前，將電子標簽粘貼或懸掛在工具上，并錄入工具名、工具號、專業、入庫時間等歷史數據作為基本信息，并劃分工具類別，錄入及分類完成后將工具擺放到庫房相應位置，并做好位置記錄。在借工具時，機務人員接收到當天工作任務卡片后，對其工具需求進行分析后羅列工具清單，通過系統查找工具的在庫狀況，系統能夠自動記錄其借用記錄并生成工具借用單，以此作為工具歸還依據。工具管理人員在對工具進行出庫操作時，首先對出庫報廢工具清單信息進行羅列并備注原因，上報報廢工具清單待上級確定，當報廢命令確定之后進行工具信息核對，如無問題則對其標簽進行滅活且將其更新工具信息數據庫，將工具轉移至相應的工具出庫區域。歸還工具時，機務人員先對照工具借用單進行清點工作，如無問題則送至工具房，通過RFID系統采取所有工具信息并與工具借用單進行對比，如果歸還工具與工具借用單對應則完成歸還工具操作，最后關閉工具借用單完成工具歸還流程，形成完整的工作流程。

4 系統測試

4.1 工具入庫/綁定

進入工具入庫功能后，手持機掃描綁定有工具的RFID標簽，讀取到其EPC碼后自動傳輸至后端服務器。服務器接收到其EPC碼信息后，管理員輸入對應的工具名及相關信息，點擊確定按鈕后可以在查詢視窗中看到剛入庫的工具信息，如圖6與圖7所示。

4.2 工具出庫/報廢

進入工具出庫功能，手持機掃描對應工具RFID標簽得到EPC碼。系統根據EPC碼對工具信息進行查找，點擊確定后工具出庫成功，界面與入庫類似。

4.3 工具清點

進入工具清點功能，手持機對當前所有工具RFID標簽進行掃描得到其EPC碼列表，如圖8所示。因EPC碼列表與數據庫工具信息對應且無遺漏，彈窗顯示“清點完畢，工具齊全！”，如圖9所示。

5 結 語

機務維修工具的安全、高效管理對保證基層機務工作安全開展有著非常重要的作用，本文初步設計并實現了基于RFID技術的機務維修工具管理系統，總結如下：

(1) 對當前RFID技術進行了理論研究，在分析總結傳統人工管理模式上進行系統開發的需求性分析，對系統總體架構進行設計，明確了軟硬件開發的標準。通過開發系統能夠縮短機務人員、工具管理人員的工作周期，提高工作效率，減少因人為差錯導致工具遺失的事故可能。

(2) 對系統功能進一步分解，梳理了系統業務流程，對系統數據庫、數據表進行創建，搭建了服務器平臺和數據庫對操作過程中產生的數據進行存儲和調用，利用RFID技術手段可以對針對工具的借出歸還、出庫入庫、日常清點進行痕跡管理，防止工具狀態與人員責任不明確。

(3) 進行相關硬件設備初步編程調試，實現了部分主要系統功能。對Android手持機終端和電腦端界面開發，初步構建了后端以Flask框架的服務器平臺進行數據庫交互，能夠初步實現工具管理自動化。