應用射頻識別的汽車制造供應鏈物流信息協同平臺設計及實現

周康渠，喻代權，李傳明，余妍熹

(重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054)

在客戶需求多樣化、主題化的市場背景下，現代汽車制造企業之間的競爭逐漸加劇，已經轉變成了供應鏈之間的競爭。供應鏈上的成員企業必須充分溝通和共享相關信息(如庫存、運輸、顧客)，集成 ERP(enterprise resource planning，企業資源計劃)、SCM(supply chain management，供應鏈管理)、MES(manufacturing execution system，制造執行系統)等信息系統，利用電子手段高效傳遞商業數據，對市場需求快速反應，獲取供應鏈的最大盈利［1］。

物流信息作為汽車制造過程中的重要信息一直備受關注［2］。但是由于傳統的數據采集手段落后，物料和庫存的實時監控能力薄弱，MES和ERP、SCM之間存在信息斷層，整車企業無法和供應商實時分享生產物流信息，也無法得知供應物料的庫存和在途運輸情況［3］，很難推進JIT(just In time，準時制)生產方式，降低庫存水平，削減和控制供應鏈成本。

RFID(radio frequency identification，射頻識別)是一種非接觸式的自動識別技術，利用電磁感應原理在標簽和讀寫器中傳遞信號，具有壽命長、可讀寫、穿透性好、識別距離遠、數據存儲量大、環境適應性好等特點，被譽為當前最有發展潛力的技術之一［4］。利用RFID技術實時獲取生產現場的生產信息和庫存數據，整合MES和ERP系統相關功能，通過EDI(electronic data interchange，電子數據交換)和供應商共享，可以提高供應鏈的協同能力，提高物流配送的效率。

本文從分析汽車制造企業的供應鏈信息集成和物流信息協同需求入手，構建了一個應用RFID的汽車制造供應鏈物流信息協同平臺(以下簡稱物流信息協同平臺)，介紹了系統的架構和軟件體系，探討了系統實現的具體方法，并在某汽車制造企業中得到了應用和驗證。

1 系統需求分析

1.1 現有生產方式存在的問題

我國汽車制造業多年來的傳統生產方式是以“安全庫存”基礎的按計劃生產［5］。整車企業確定MPS(main production schedule，主生產計劃)后，根據各車型產品BOM(bills of material，物料清單)運算出計劃期內的MRP(material requirement planning，物料需求計劃)，發布零件的采購訂單。供應商按總采購數量不定期地將物料運送到生產線上，同時保留一定量的安全庫存。這種生產模式主要存在以下問題:

1)整車企業編制生產計劃時無法平衡供應商產能，無限產能的計劃超出供應商供貨能力，經常造成停工待料。

2)整車企業和供應商之間的信息不對稱，生產、物流信息實時共享度低。計劃因能源、設備等原因擾動后給供應商的反應時間短，遠程供應商為滿足生產要求要建立中轉庫房，增加庫存量。

3)整車企業不能實時監控供應物料庫存和在途運輸情況，難以實現供應鏈中物流、信息流和資金流的協同管理，缺乏對供應商進行實績考核的有效依據。

1.2 RFID在汽車制造供應鏈中的適用性分析

RFID作為一種遠程自動標識技術，擁有許多條碼無法比擬的優勢，有利于實現制造過程中的信息實時采集與同步，現已逐漸開始應用于制造業［6］。RFID系統通常由射頻標簽、閱讀器和天線組成。射頻標簽含耦合元件及芯片，內置天線用于和射頻天線間進行通信;閱讀器是讀取(寫入)標簽信息的設備;天線用來在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID按應用頻率的不同分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(915 MHz)、微波(2.4 GHz)5種類型，分別適用于不同的應用場景和需求［7］。

將RFID技術應用于汽車制造業，融入到MES系統中，有利于將管理決策有效轉化并實時傳送至產品層［8］，可提升生產過程的管理與控制水平，有效地跟蹤、管理和控制生產所需的包括物料、設備、人力等資源［9］，同時可以將生產執行情況和物料實時庫存傳遞給上層應用系統，為供應商的配送過程提供信息支撐。

1.3 系統需求及目標

本文對汽車制造過程中存在的問題和RFID技術適用性進行分析，充分利用RFID的技術優勢，結合汽車制造企業MES、ERP和SCM系統，以消除物流信息的不對稱、不透明和不及時現象，提高物流配送的效率，降低供應鏈庫存水平和成本。具體目標為:

1)將RFID技術融入到汽車制造企業生產線的裝配工位中，利用RFID標簽標識對在制車輛數據進行實時采集，掌握生產線邊物料消耗情況，實時發布給供應商，無延遲拉動供應物流，實現JIT生產。

2)將RFID技術應用到供應商零件盛具和中轉庫房中，實時采集物料運輸和庫存情況，反饋給整車企業，交互產能信息，評價實時績效。

3)建立不同粒度的物料需求信息分享機制，共享整車企業經營規劃、主生產計劃、作業順序計劃，為供應商的產能規劃、備貨和配送提供數據支持。

2 物流信息協同平臺應用架構

2.1 系統網絡架構

物流信息協同平臺網絡架構如圖1所示。在汽車裝配生產線的上線工位，工位控制器通過RFID讀寫器和天線將在制品的VIN(vehicle identification number，車輛識別碼)、規格型號、批次、狀態等靜態信息寫入電子標簽，然后將標簽固定于在制車輛機體上，作為生產狀態監控的標識。

在生產線關鍵工位安裝有光電開關、控制板卡、天線、閱讀器和聲光報警裝置。當在制品進入該工位時，光電開關檢測到車輛通過，將光信號轉換為電信號傳送到控制板卡;控制板卡發出控制指令到RFID讀寫器;讀寫器天線受控發出電磁波，激活安裝在車體表面的電子標簽，建立握手通信，返回儲存在標簽里的VIN、車型等靜態信息和設備、物料等動態信息。如果光電開關已打開但閱讀器沒有讀取到任何數據，安裝在工位上的聲光報警器會立即觸發，提醒工作人員及時補錄相關數據。

圖1 基于RFID的汽車制造供應鏈物流信息協同平臺架構

部署在車間服務器中的RFID中間件對車間讀寫器網絡進行統一管理，有利于屏蔽RFID設備差異性、提高RFID讀寫器網絡的穩定性和效率，實現RFID硬件設備與應用系統之間數據傳輸、過濾和格式轉換。

物流信息協同平臺獲取生產現場的實時物流信息，結合MES系統中的作業計劃和ERP系統中的MRP物料需求，接收供應商庫存數據和物料在途運輸信息，實現汽車制造供應鏈物流信息的協同交互。

2.2 系統軟件構架

本系統采用B/S分層結構，其軟件體系架構如圖2所示。其中:物理層包括閱讀器、電子標簽、光電開關和控制板卡等，實現生產數據和物料數據的實時采集;閱讀器可同時處理多個電子標簽，對讀取到的數據進行初步處理后，根據EPC-global讀寫器接口規約，將數據傳遞到中間件層。

圖2 基于RFID的汽車制造供應鏈物流信息協同平臺軟件體系架構

中間件層位于物理層和信息集成層之間，用于處理來自一個或多個閱讀器的電子標簽數據流，集成和控制讀寫器。它在將標簽數據傳遞至企業應用系統之前，對標簽數據進行過濾、統計、聚集與分發，以減少需要傳送的數據量。數據清洗和解析是中間件數據處理的關鍵技術之一。它一方面能降低數據冗余度，減輕系統的負荷;另一方面還能從大量冗余數據中提取各種事件，作為高級應用的基礎［10］。

信息集成層從MES系統和ERP系統中提取出實時庫存數據、作業順序計劃、主生產計劃和物料需求計劃，集合產品主數據和供應商基礎數據，將非結構化數據轉換成基于XML(可擴展標記語言)的結構化的WSDL(web services description language，Web服務描述語言)表單，以SOAP(simple object access protocol，簡單對象訪問協議)消息形式發送到物流信息協同平臺。同時接收從供應商處傳來的庫存和在途信息并整合到該平臺上。

業務層按物流信息的不同粒度，集成系統中和供應商傳入的物流數據，面向業務功能的不同，封裝成經營規劃需求、MPS物料需求、作業計劃物料需求、實時WIP庫存、供應商庫存和在途物料跟蹤等業務模塊，并根據所得數據提供報表分析、供應商產能預警和績效分析評估。

表示層分為用戶訪問和安全策略2個子模塊。用戶訪問包括短信平臺、圖形用戶界面、瀏覽器和Web服務器管理等，供應商可通過Web瀏覽器連接到Internet實現對系統的訪問。整車企業的緊急生產通知可以通過短信平臺發送給供應商指定的負責人。安全策略模塊部署了安全防火墻、數據加密、用戶認證和訪問控制等網絡安全和數據安全策略，確保電子數據交換的安全性和穩定性，保證其不被非法訪問和改寫。

3 物流信息協同平臺的實現方法

為了實現汽車制造供應鏈中物流信息的實時協同，共享多層次的物流信息，同時掌握供應商的庫存狀態和在途運輸情況，本文重點分析了RFID中間件數據過濾模型、物料需求信息分層發布邏輯、數據安全策略等關鍵技術。

3.1 RFID中間件數據處理

在汽車制造的實際過程中，電子標簽中不僅存儲了大量的靜態數據，如車輛VIN號碼、型號及顏色、批次、生產狀態等，還隨著生產過程的進行增加了許多實時采集的動態數據，如設備狀態、質量數據、物料信息等，數據量大，信息冗余度高［11］。因此，參照相關的 EPC-global標準，本文設計了一個中間件模塊，屏蔽不同規格讀寫器和電子標簽，對采集到的多標簽數據進行沖撞檢測，按照屬性、冗余、行為和規則過濾實時數據，經PML(physical markup language，物理標識語言)解析后封裝給應用系統，其結構如圖3所示。

1)閱讀器接口。提供系統對閱讀器的連接，平滑處理不同規格閱讀器和電子標簽之間的相互干擾。采用EPC-global的AUTO-ID閱讀器協議規范1.0(Reader Management(RM)Standard Version 1.0)［12］對接口進行描述。該接口實現硬件系統和軟件系統的隔離，接收來自應用系統接口和數據處理單元的指令，對一個或多個閱讀器發起操作命令，如標簽清點、標簽標識數據寫入、標簽殺死等。

2)應用程序接口。提供上層應用系統到中間件的連接，接收應用系統的指令，為數據單元提供處理規則和邏輯。采用EPC-global的Application Level Event(ALE)Specification Version 1.0［13］協議與上層的 ERP、MES等系統進行通信和數據傳輸。

圖3 RFID中間件數據處理結構

3)數據處理單元。RFID中間件平臺的核心，對電子標簽數據進行檢測、校驗、過濾和解析。對由閱讀器接口傳入中間件的連續和無序的電子標簽數據先進行沖撞檢測和校驗，按標簽的原始屬性、冗余度、動態行為進行進一步的過濾，然后按應用系統設定的規則再次過濾，提取出實時車型數據，經PML解析成生產狀態、物料消耗情況、庫存狀態等信息后，封裝成結構化表單送入MES、ERP和本地服務器。

電子標簽數據先按照信號穩定度及強度的大小進行沖撞檢測和平滑處理，消除讀寫器誤讀和標簽數據相互干擾造成的不完整和錯誤數據。屬性過濾器是從與標簽數據有關的原始屬性(如生產線、數據采集點、車型、顏色等)中篩選出一個子集，組合成處理邏輯，過濾出有效數據。冗余過濾器和行為過濾器根據在制車輛經過的時間間隔、空間位置、車型與零件的匹配關系挖掘出正確的數據，去除重復的巨量冗余。最后，對簡單零散的單一信息進行聚合，結合ERP和MES系統定義的規則，得到對高層應用有意義的事件。

4)其他接口。EPC(electronic product code，產品電子代碼)信息服務器用于存儲與標簽車輛有關的信息以便以后查詢;ONS(object name service，對象名解析服務)服務提供對象名解析的目錄服務，提供網絡定位地址 URLs(internet uniform reference locators，統一資源定位符)將EPC編碼裝換成相關的數據。同時，系統還提供了與其他中間件和服務的通信接口。ONS采用EPC-global的Object Naming Service(ONS)Specification Version 1.0 標準進行通信［14］。

3.2 分層物料需求信息發布

如圖4所示，系統采用分層發布物料需求的方式，實現整車制造企業和供應商之間的物流信息協同，為供應商提供產能要求、備貨指示和配送指令。

1)每年12月，編制下一年的經營規劃戰略，將產品系列和產能要求發送給供應商，為其提供產能規劃依據。

2)生產的3個月前，根據來自經銷商、客戶的預測和訂單數據生成月度主生產計劃，結合產品物料清單BOM，發布物料需求計劃，為供應商的月度生產提供預示，并在一個月前細化到周總量，生成月度采購單，作為每周交貨量的預示。

3)生產3周前，將下2周的車型、配置及日總量細化，生成周物料需求計劃，發布周采購訂單，作為周交貨零件的指示和日交貨量預示，并在生產一周前經細能力平衡后發布給供應商細化的物料需求。

4)生產3天前，生成作業順序計劃和日采購訂單，作為供應商日交貨量的預示數據。

5)正式生產時，用RFID標簽和閱讀器在生產線裝配工位采集實時物料消耗數據，通過物流信息協同平臺發布給供應商，作為其配送的指示數據。3小時是預設的供貨提前期，供應商可根據距離的遠近調整數據提取時間跨度。

該系統通過發布經營規劃、主生產計劃、作業順序計劃、實時生產隊列和WIP實時庫存，將物料需求的粒度不斷細分，為供應商的產能規劃，月、周、日生產計劃及實時配送提供詳盡的數據指示。

圖4 分層物料需求信息發布邏輯

3.3 安全策略

供應鏈節點上企業間的安全信息交換和協同物流作業以互聯網作為其網絡支撐環境，涉及數據處理及交換、計算機通訊、企業經營戰略及電子商務活動等多方面內容［15］。本系統從標簽數據有效性、網絡通信安全及用戶訪問控制等方面來加強系統的安全性和穩定性。

1)標簽數據的有效性。采用PKI(public key infrastructure，公共密鑰架構)識別標簽和閱讀器之前的握手通信，以分級密鑰管理標簽的讀取、寫入、殺死等權限，以認證和加密算法確保通信鏈路的安全性。

2)網絡通信安全。采用安全防火墻防止外來入侵，運用“SET+EDI”的方式加密和傳輸數據。整車企業或供應商提交的數據在客戶端先按EDI的檢驗(標準)格式進行轉換，再用基于SET協議的CA認證加密機制進行加密。因此，在數據傳輸過程中，只有在CA加密和EDI檢驗格式都被破解的情況下，數據才能被破壞。

3)用戶訪問控制。采用數字簽名的電子證書USB KEY作為安全控件，基于獨立數據庫的用戶名/密碼對技術實現Web服務器和物流信息協同平臺之間的認證;對用戶的訪問權限進行控制，供應商僅能查看本企業配送物料的需求信息和公共權限信息，對本企業信息中的部分數據進行更改。

4 系統應用情況

物流信息協同平臺現已成功地在重慶市某汽車制造企業上線應用。供應商插入USB KEY，打開Web瀏覽器，輸入該整車企業分配給供應商的代碼和密碼對，驗證成功后即可登陸該系統，訪問和查詢經營規劃、月計劃物料需求、周計劃物料需求、作業順序計劃物料需求、實時生產隊列及WIP實時庫存等信息。圖5為作業順序計劃物料需求的查詢界面，供應商登陸以后，只需選擇“物料編碼”和“需求日期”，即可查詢相應的物料需求量，系統還支持EXCEL的導出和統計。

圖6為供應商發運單輸入界面。供應商配送相應的物料出庫時，安裝在倉庫出口處的RFID閱讀器陣列通過識別裝配在零件上的電子標簽數據，將物料名稱和發運數量填入發運單中，傳入物流信息協同平臺，供整車制造企業查詢和分析。

圖5 作業順序計劃物料需求查詢界面

圖6 供應商發運單輸入界面

該系統還為整車企業提供供應商產能預警服務，提醒整車企業關注風險點。允許供應商查看歷史和當前的綜合評價信息，明確當前所處的績效等級，查看評價詳情，明確改進方向。

5 結束語

將RFID技術應用于汽車制造供應鏈中，有利于實現生產執行動態和物料庫存的實時監控，消除信息系統之間的斷層，提高物流配送的效率。同時，RFID系統采集到的數據量巨大，運用中間件對閱讀器采集到的數據進行校驗、過濾、聚合、解析后，可以減小系統的數據傳輸量，提高系統運行速度和穩定性，為上層應用系統提供正確有效的數據。

分層發布不同時間粒度的物料需求，為供應商提供了產能規劃、生產計劃及生產指示，可以提高供應商與整車企業的協同能力，降低庫存水平，使物料配送更加準確和及時。分級密鑰、數據加密及身份認證保證了電子標簽數據的有效性及電子數據交換的安全。

應用RFID技術的物流信息協同平臺作為整車制造企業和供應商之間信息交互的渠道、雙方業務協作的工具、部分供應商發展企業信息化的起點，能逐步改善供需雙方管理信息不對稱的局面，增強供應鏈的柔性。

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