基于物联网的汽车生产管理系统设计与应用

　　随着信息技术的不断发展与革新，从“智慧地球”到“感知中国”——物联网已经成为经济危机后期的制高点，甚至被誉为继计算机、互联网之后的第三次信息革命。物联网技术融合了无线射频识别技术(RFID)、无线定位、产品电子编码(EPC)和互联网技术，将被广泛应用于社会、经济、国防等领域。

　　近年来，我国汽车行业呈现高速增长态势，并且由于销量的持续攀升，汽车企业生产效率将得到越来越充分的体现。2010年我国汽车产量和销量均超过1800万辆，创下全球汽车产销之最，汽车需求的迅速增长，无疑对汽车制造厂商提出了越来越高的生产要求。市场研究报告预计汽车行业将是推进物联网技术发展的主要行业之一。物联网技术应用在物料与产品跟踪上的作用将对汽车生产管理产生积极的影响。物联网技术在汽车生产管理上的应用将包括生产装配、车体识别、零部件与固定资产的跟踪管理、关键零部件(如发动机、轮胎)的防伪标识、整车的物流管理及售后服务等方面。物联网技术中的RFID电子标签与其设备成本相对汽车价格与汽车物流成本来说并不是太高，而整车与汽车零部件自身成本比较高。并且电子标签具有可以重复使用的特点，如果能够合理地使用这项技术，最终会实现汽车生产管理系统中真正的“物联网”，实现整个国家范围内的汽车生产的自动化、信息化。

　　1 汽车生产管理系统与物联网技术

　　1.1 汽车生产管理信息化

　　信息化是企业生产管理的主要特征，运用信息技术提升企业竞争力是主要目标。汽车企业要想在竞争中取得优势，就要运用现代信息技术，实现信息共享，进一步提高企业竞争实力。特别是广大中小企业，因为没有充足的资金进行设备引进，只有采取生产管理信息化等软措施，加强生产线的自动化信息化，提高企业生产效率，从而全面提升汽车生产企业的竞争能力 。

　　一辆汽车由大量的零部件组成，要提高汽车生产管理的效率，必须实施高效的信息化自动化管理模式。此时生产线上每一点关于加工的确切信息都是需要的。这要求运用计算机通讯与网络技术来管理汽车生产线中庞大的物流、信息流。另外还要确保生产线工人能够及时有效地获取加工制作信息并做出及时响应，从而满足现代生产装配的要求。因此，实现汽车企业生产管理的信息化迫在眉睫。

　　1.2 RFID与物联网技术

　　射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是自动识别技术在无线电技术方面的具体应用与发展，利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。

　　物联网最早由美国麻省理工学院提出，经过多年的研究，现在的物联网概念，更加宽泛。一切与物物相连，有别于人与人的移动通信网和互联网的，统称为物联网。

　　从实际应用角度来看，物联网是指物体通过智能传感装置，经过传输网络，将物体信息传送到指定的信息处理中心，形成人与物、物与物相连的智能网络。而RFID技术是互联网中让物品间能够通信的关键技术。物联网中，RFID标签上存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品的识别。一般，物联网可划分为3层架构，如图1所示。

　　图1 物联网3层架构

　　汽车装配主要采用流水线作业方式。未采用物联网技术以前，要想全面而准确地获取零部件在装配过程中的信息十分困难，条形码技术虽然解决了部分问题，但在实际操作过程中，信息流通前后脱节，不能完全满足装配线的实际要求。而且在产品检测不合格时，条形码很难迅速地找出故障原因，造成资源的浪费。因此，在汽车装配过程中，物联网技术作为一种非接触式自动识别技术，实现信息的快速流通，完全满足装配线的实际需求，并且它还具备故障识别功能，能快速地找出产品不合格的原因，因此能很好地解决汽车装配过程中出现的问题。通过自动读取标签中车辆装配等信息，大幅度缩短了步骤更替时间，提高了生产效率，同时各过程的生产记录也可以写入RFID标签，从而实现了实时的工程进度管理，对跟踪能力的提高做出了贡献。

　　2 汽车混流生产线

　　2.1 汽车生产车间布置

　　目前，企业普遍采用混流生产方式。混流生产线是准时生产方式具体实现形式之一，在许多制造企业已广泛采用。它的目的是在不引起大量库存的同时，满足客户多样化、及时化的需求 。以某地区汽车制造厂实际情况为例，其汽车生产车间布置如图2所示。其中，生产车间在空调电工(1)工位、地板工位、顶棚(1)工位、粘贴工位、压条工位采取统一的混装线，完成以上工位后将两种类型的汽车分配于平行的两条总装线上。在平行的总装线上分别完成顶棚(2)工位、电工(2)工位、内饰工位、门锁工位、座椅工位、打胶交检工位。

　　图2 某汽车制造厂生产流程

　　由于采取流水作业的方式，一旦某一工位出现问题或时间延误就会影响到余下的工位能否并准时地完成装配工作，甚至会影响到汽车的交货时间和公司的生产计划安排。因此，将物联网技术引入汽车生产流水线可有效避免这些问题。

　　2.2 基于物联网的汽车生产管理系统的拓扑结构

　　根据汽车制造企业生产管理需求，零部件装配动态实时追踪管理，使管理人员在后台即可看到在制品的装备情况。系统除了需要对生产过程的监控以外，还要实现数据信息的共享与实时统计，以便于管理部门的生产监测与调度。

　　综合以上要求以及企业的实际生产情况，系统主体设计采用分布式控制的星形拓扑结构，如图3所示。整个系统由生产业务管理层、生产过程监控层以及数据采集管理层所组成，并利用通信接口与以太网结构将信息服务器、现场总线监控服务器、RFID阅读器以及其他模块和终端连接起来。

　　图3 基于物联网的汽车生产管理系统拓扑结构

　　权限管理主要用于建立使用系统的权限分配;后台服务程序通过接收来自读写器的数据，将数据解码、分类，根据不同的数据分类，控制系统不同的程序走向，并将数据保存至数据库中，为其他模块提供基础数据来源;前台应用程序是整个系统的核心部分，它包含了员工操作管理、生产管理、生产信息查询等模块。

　　3 物联网技术在汽车生产管理系统中的应用

　　3.1 汽车生产管理系统解决方案

　　根据企业生产车间的实际情况，在涂装合格的车身上粘贴电子标签，此标签作为每辆车的惟一标识。本系统电子标签可用于金属材质，存储车辆装配、交货日期、车型号等生产信息以及客户的一些特殊要求。当待装车身经过生产线人口时，由安装在生产线人口旁的RFID读写器自动识读，此时在生产线上各个工位的显示屏会显示车型信息、装备信息以及一些操作要求，以便安装工人提前做好准备。在车上线后，由安装在相应工位上的读写器进行在线读写操作，当一个工位装备完后，装备工人通过按键输入相关信息，标签就会自动存储这些信息。这样，不但提高了工作效率，有效避免了手工记录带来的误差，也为将来的反查追溯提供了可靠依据。当发现产品有缺陷时，还能根据标签上保存的工作记录，查询到具体的负责人员，这样有望增强工作人员和质检人员的责任感，有利于提高产品质量和实现产品召回制度。同时管理人员也能够及时了解整个工作的进展状况，以便为解决生产中的问题做好准备。

　　3.2 RFID在工位间的干扰问题

　　汽车生产工位问遇到的一个问题就是阅读器冲突，当一个阅读器接收到的信息和另外一个阅读器接收到的信息发生冲突，产生重叠。解决这个问题的一种方法是使用TDMA技术，简单来说就是阅读器被指挥在不同时间接收信号，而不是同时，这样就保证了阅读器不会互相干扰。另一种方法就是通过使用防冲撞技术，RFID系统可以同时处理多个标签。采用防冲突通信协议，有效的二进制树行防冲突机制，最多每秒可读写100张以上，而不受工作区内标签数量的影响和限制。这样就可以初步解决生产装配时，不同工位间的相互干扰影响。

　　3.3 系统测试试验

　　为确保所设计的汽车生产管理系统满足设计方案的技术要求，首要的核心问题在于系统的感知层，如RFID的读写率、正确读写率、错读率等相关指标。

　　测试之前先启动测试软件并设置读写器的相关参数。图4为RFID读写器的工作参数设置操作界面和测试界面，在这里把读卡时间间隔设为30 ms，其他参数设为默认状态。读卡时间间隔为每隔30ms读一次卡，即1 s内读卡次数大约为33次，这样的读卡速度完全满足了生产线的速度要求。然后进入读写器的测试界面“Reader2022ReadingandWritingTest”按下“ListlDofAnTags”钮，读写器开始自动多次读取标签上的ID号，卡号会在“Lis of Tags”框中显示，直到弹起“List ID of All Tags”钮。

　　图4 读写器的工作参数设置操作界面和测试界面

　　鉴于塑料材质对标签的读取率基本不构成影响，因此在试验过程中，采用可调整高度的塑料隔离架来隔离标签和金属表面的接触，即通过改变塑料隔离架的高度来改变标签与金属表面的间隔距离，并测量在每一隔离架高度下RFID读取器对标签的读取率及试验结果分析，如表1所示。

　　根据试验结果，如图5所示，近距离内标签读取率受到标签与金属表面距离的影响开始比较明显，中后期则趋于平缓。即金属介质对标签读取率的影响是在一定间隔距离范围才有效的，当间隔距离超出一定范围，标签就可以摆脱金属介质的影响。

　　4 结束语

　　将先进的物联网关键技术运用于汽车生产管理中，可以对汽车生产的每一个环节加以监控。记录每一个环节的信息，一定程度上弥补了传统管理模式中的许多缺陷，提高了企业生产效率，保证了汽车零件在生产流水线上毫不出错地完成装配任务，使汽车生产的自动化程度、准确率和生产效率大大提高，进而增强企业的竞争力和信息化水平。