基于BIM和RFID的物資管理系統設計開發

沙祎 韓俊 張浩海 顧新橋 鄺華樹

摘 要 采用動態幀時隙（DFSA）類算法解決RFID標簽信息碰撞的問題，并設計了一種BIM和RFID集成的物資管理系統。通過仿真實驗對提出的物資管理系統進行測試，結果表明，BIM和RFID集成的物資管理系統的物資吞吐量在高峰期可達200萬件，遠大于傳統物資管理系統的物資吞吐量，不僅可以實現大流量的倉儲物資吞吐，并且單件物資管理成本低于傳統的物資管理成本，實現了物資出廠、運輸、倉儲、使用及轉運等數據的信息化管理與數據模型化管理。

關鍵詞 物資管理系統 BIM RFID DFSA算法 物資吞吐量 成本控制

中圖分類號 TH862? ?文獻標志碼 A? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0120?08

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術是一種建筑行業新興的管理信息技術，它可以協助建筑企業存儲彼此存在聯系的建筑信息，為管理建筑物流提供相應的信息化支持［1］，同時BIM技術可以有效解決建筑行業環境污染、生產效率低、資源浪費等問題，促進建筑行業信息化和工業化的發展，因此得到了廣泛關注［2，3］。

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術逐漸成熟，其在數據采集、物體定位追蹤等領域的作用是無法取代的［4］。近年來，研究者們開始利用RFID技術跟蹤管理建筑物流管理的相關物資，并以無線形式傳遞和采集相關信息，從而提升建筑物資的運輸、生產和庫存管理水平［5］。

筆者將RFID技術與BIM技術相結合，構建BIM和RFID集成的物資管理系統。首先應用BIM構建物資管理系統數據的三維模型，負責物資管理系統的后臺數據，再應用RFID技術實現物資和BIM模型數據的鏈接，并用動態幀時隙（Dynamic Framed?Slotted Aloha，DFSA）類算法解決RFID多標簽碰撞的問題。最終實現對運輸物資精細化管控能力的提升，減少運輸消耗，強化質量管理，實現管控物資數據化，將BIM成果貫穿物資管理全生命周期。

1 原理概述

1.1 BIM技術

BIM借助三維數字技術，對相關的項目信息進行集成，支持運維、施工、設計、策劃等不同階段的項目進展瀏覽，同時可以參與相關主體信息共享和交流，協調相關方的信息溝通，執行相關運算命令［6］。BIM技術優勢如圖1所示。在BIM平臺中，可以隨意變化視角、位置、路線等來查看項目情況，BIM平臺為虛擬現實創設了與實際項目相吻合的精準化、完整化環境［7］。用戶能夠在任意時間瀏覽項目具體進展，對項目問題原因進行分析，查看項目施工工藝。同時，能夠對施工現場設備、人員、車輛的運轉路線進行模擬，以確保項目實施過程的安全性和可控性［8］。

1.2 RFID技術

作為一種無線通信技術，RFID不必在識別設備和需要識別的目標之間采取任何的直接接觸方式，只需借助無線電射頻信號就可以實現對目標對象的識別與信息收集［9］。RFID主要包括后臺控制系統、閱讀器、應答器3部分，其中閱讀器和應答器無需直接接觸，借助電磁場耦合或空間磁場即可開展精細交互［10］。RFID系統組成及功能分布如圖2所示。

1.3 DFSA算法

RFID閱讀器和標簽之間是通過傳輸信道來傳輸數據的，極易使信道數據共享和訪問之間產生沖突。當存在多個標簽同時使用標簽到讀寫器的上行信道時，會出現信息干擾，導致信息丟失［11］。隨著電子標簽數量不斷增多，讀寫器對信息的識別效率會越來越低。因此，需要找到一種信息防碰撞算法來解決RFID存在的問題。

DFSA算法是一種常見的Aloha算法［12］，在幀時隙算法的基礎上，通過標簽估計算法對當前識別階段的標簽數量進行估計，并根據估計的待識別標簽數量在每一幀識別開始階段調整幀長［13］。所以在DFSA算法中，為了達到最大系統吞吐率，每一幀的幀長都是隨著未識別標簽數量的變化而變化，很好地體現了動態幀的優勢。

在DFSA算法中，設幀長為L，假設有N個標簽

其中，C表示從N個標簽中選擇n個標簽的組合數，通常稱為二項式系數。

當n=1時，在當前的時隙內，只有一個標簽響應讀寫器的查詢命令的概率p為：

當n=0時，在當前時隙內，沒有標簽響應讀寫器的查詢命令的概率p為：

出現碰撞時隙的概率pk為：

根據式（1）～（4），可以求得在某一個時隙內，只有一個標簽響應、沒有標簽響應、標簽響應之間出現碰撞的數學期望分別為：

則DFSA算法的吞吐率TPDFSA為：

對式（8）求導得：

由式（10）可知，當幀長L與需要讀寫器進行識別的標簽數量N相同時，即L=N，系統吞吐率可達到最大。

綜上所述，提高標簽數量估計的準確度，使每次查詢設置的幀長都等于需要讀寫器進行識別的標簽數量N，即可使RFID系統的效率始終保持在最佳吞吐率附近。

2 基于BIM和RFID的物資管理系統設計

2.1 物資管理系統模型架構

基于BIM與RFID的物資管理系統結構示意圖如圖3所示。該系統以物資管理為目標，以制度保障和組織保障為系統運作保障，將物流信息系統作為載體對物料進程實施監控［14］。該系統可將庫存信息和物資運輸數據通過BIM模型與RFID系統之間交互，不僅提高了大數據和大流量物資管理的運輸水平，而且還實現了物資倉儲運輸全過程的高效管控。

2.2 采購管理模塊設計

采購管理模塊如圖4所示。

使用BIM建模軟件（如Revit）對項目進行參數化設計。BIM模型內包含了項目工程整個生產和運行維護過程中所必需的實體構件和設備的具體參數，并且在其中能夠精準地找到所有構件的尺寸和位置信息［15］。物資采購流程框圖如圖5所示。

2.3 倉儲管理模塊設計

倉儲管理模塊如圖6所示。

首先，根據實際物資的消耗情況，根據BIM場布軟件的模擬分析情況，合理安排緊缺材料的堆放，這樣不僅能保證一線的工作進度，而且極大地節省了一些多余成本。對于其他物資，倉庫管理員要通過分析物資大小、數量缺額、類型及重量等特點分配庫位。物資入庫時，通過安裝在倉庫入庫門口或者物資堆放點的RFID讀寫設備對物資進行編碼和信息采集，并將RFID讀寫器讀取到的物資標簽信息傳輸到模型數據庫中，記錄所有物資信息。

其次，在物資出庫階段，現場的工作人員在填寫物資領料清單后提交給審批模塊由項目經理進行審批。通過審批后，倉庫管理員會收到通知，工作人員只需去倉庫領取物資即可。當現場的工作人員領取到相關物資后，領取記錄會被RFID系統識別并上傳，信息上傳到后臺后，系統后臺將會利用相關的物資信息更新BIM模型。

2.4 運營維護模塊設計

運營維護模塊如圖7所示。在系統維護階段，如果需要更換設備零部件，可以通過RFID電子標簽內的廠家信息和編號快速查找裝備零部件，查詢是否存在備用零件，以便完成快速更換。當沒有備用零件時，對相應的零部件進行快速定制。最后將設備故障報修信息、維修時間等全部重新編輯到RFID電子標簽中。對于設備或相關零部件達到使用壽命或者技術人員設定的維護周期時，物資管理系統會自動提示，不僅可以保證項目設備和零部件的充分利用，也可以保證投產項目達到最佳運行狀態。

3 系統測試與結果分析

3.1 實驗準備

系統測試環境見表1。

3.2 測試方法

為了保證物資管理系統能夠正確穩定運行，需對本系統進行相關測試，第一時間找出并修改系統的漏洞及錯誤，避免系統出現崩潰、運行錯誤等問題。

黑盒測試是對系統的每個子功能的輸入和輸出是否能完成設計要求功能的測試。由于本物資管理系統是針對功能模塊進行設計開發的，因此采用黑盒測試對系統的每個子功能進行測試。

3.3 測試內容

系統各模塊的功能性測試見表2。

3.4 結果分析

3.4.1 吞吐量

基于BIM和RFID的倉儲吞吐量與傳統倉儲吞吐量對比如圖8所示。從圖8可以看出，在執行基于BIM和RFID的物資管理方案后，倉儲吞吐量有了顯著提高。1月開始執行新方案，經過2～5月的過渡期，從6月開始到12月為止，倉儲吞吐量大幅升高，8月倉儲吞吐量已經超過了100萬件，12月倉儲吞吐量已經達到了200萬件。而傳統倉儲吞吐量在6～9月雖然也有一定的增長，但是其增幅遠不及基于BIM和RFID的倉儲吞吐量。

3.4.2 物流成本

基于BIM和RFID的系統物資單件成本與傳統物資單件成本對比如圖9所示。從圖9可以看出，1月新的物資管理方案開始運作，初期一到兩個月的成本略有增加，這是因為倉庫新設備和臨時人員的增加造成了物資管理單件成本略有增加。6～9月完成員工培訓并度過了員工磨合期后，新的物資管理方案的作用開始顯現，單件成本均低于傳統的物資管理系統。9～12月，物資管理系統的吞吐量大幅提升后，單件成本基本與傳統物資管理系統持平。

物流單件成本對比

4 結束語

筆者設計了一種基于RFID和BIM的物資管理系統，通過物資周轉的全生命周期數據，對生產生活物資出廠、運輸、倉儲、使用及轉運等進行信息化管理并實現數據模型化管理，從而滿足各生產部門對物資的全程管控。基于BIM與RFID的物資管理需要多單位及部門參與并配合，充分發揮BIM模型的數據管理能力和RFID技術的信息傳遞優勢，降低協調難度，從而保證物資采購質量，提升服務水平。

參 考 文 獻

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