專利名稱：利用rfid對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)對在制品物流進行實時制造數(shù)據(jù)采集和跟蹤的圖式建模新方法。
背景技術(shù)：
當前快速而激烈的市場競爭環(huán)境使得制造企業(yè)必須具備快速響應市場變化的能力。面對這種挑戰(zhàn)，許多上層管理系統(tǒng)如ERP (Enterprise Resource Planning,企業(yè)資源規(guī)劃)、MES (Manufacturing Execution System,制造執(zhí)行系統(tǒng))、MRP (Manufacturing Resource Planning,制造資源規(guī)劃)等在制造領(lǐng)域中廣泛的被推廣和應用，旨在提高企業(yè)的生產(chǎn)柔性和生產(chǎn)效率，并取的了很大的成功。然而盡管這些上層系統(tǒng)發(fā)展的十分迅速，但是由于制造過程中的實時數(shù)據(jù)無法被及時獲取，使得上層系統(tǒng)不能達到理想的管理狀態(tài)。 另一方面，所采集的信息不能實時準確的反應生產(chǎn)過程的當前狀態(tài)以及狀態(tài)的動態(tài)變化， 從而導致決策系統(tǒng)的決策錯誤。制造車間在生產(chǎn)過程中的海量實時信息難以獲取和上傳， 已經(jīng)成為嚴重制約制造車間生產(chǎn)能力的首要瓶頸，使得制造過程猶如“黑箱作業(yè)”，難以滿足車間實時調(diào)度與生產(chǎn)管理的需求，不利于提高制造企業(yè)生產(chǎn)效率。
近年來，RFID技術(shù)的產(chǎn)生和大量的工業(yè)應用為解決這一難題提供了契機，同時也引起了國內(nèi)外學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前針對RFID在制造車間中的應用和研究主要集中在以下四個方面
I)針對車間中的一些難點問題，如制造物流、工件質(zhì)量管理、可視化看板、自動化裝配等，提出各種有針對性的基于RFID的流程模型。雖然這些模型在一定程度上能夠解決各自的問題，但是不具有通用性。大量重復性的基于RFID的建模工作耗時較長且效率低 下。
2)目前還有很多學者將研究的側(cè)重點聚焦在如何將RFID部署到制造車間這一技術(shù)難題上。RFID信號“探測空間”的全覆蓋算法是當前研究的主流。然而，在RFID信號覆蓋整個制造車間的情況下，成本消耗高，并且在大多數(shù)制造車間運用這種方法實現(xiàn)對于工件的完全跟蹤也沒有必要。
3)另外，利用RFID技術(shù)實現(xiàn)對于車間內(nèi)帶有電子標簽的物體的精確定位也是當前研究的熱點。主要包括時間間隔算法(Time-of-Arrival, Τ0Α)和信號強度算法 (Received-Signal-Strength, RSS)。然而,這種方法在制造車間中也不太實用，因為很多位置傳感器也能實現(xiàn)對于物體位置的精確定位，并且成本較低。
4)利用手持設(shè)備實現(xiàn)對制造和物流數(shù)據(jù)的采集也是目前RFID研究的一個重要方面，如香港大學Auto-1D中心針對金澤物流設(shè)計的基于手持RFID的物流管理平臺等。這種方式相對于傳統(tǒng)的條碼技術(shù)有很大的進步，然而遺憾的是不能夠?qū)崿F(xiàn)完全的自動化的數(shù)據(jù)獲取，需要大量的人工輔助性掃描工作。
可以看出，上面綜述RFID的幾個研究熱點幾乎都存在一定的缺陷對于研究熱點 I )，一種通用的建模方法是當前RFID技術(shù)大規(guī)模普及應用的迫切需求。而導致后面三種問題出現(xiàn)的原因是對無線射頻識別技術(shù)的本質(zhì)沒有清楚的認識。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，進而建立一種RFID的圖式建模規(guī)范。同時，該建模方法還可被推廣到其它RFID技術(shù)可被應用的領(lǐng)域。該方法能根據(jù)上層系統(tǒng)的需求，自動完成對制造過程中在制品物流過程中的實時數(shù)據(jù)的采集和分析，有效地解決當前制造車間由于缺乏源自生產(chǎn)過程的實時信息而導致上層管理系統(tǒng)與生產(chǎn)底層信息脫節(jié)的問題，從而為實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、可視化、自動化，以及實時的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。同時，本發(fā)明還提供了一種通用的RFID技術(shù)的圖式建模方法規(guī)范，能大大減少對不同RFID應用對象進行建模的重復工作，縮短RFID設(shè)備在使用之前的配置和建模時間，從而提高生產(chǎn)和管理效率。
為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案，主要包括以下四個步驟
I)通過對工序流進行分析，對組成工序流的各個工序進行粒度分解和演化得到工序流的圖式模型，按照上層管理系統(tǒng)(如ERP系統(tǒng)，MES系統(tǒng)等)的要求對工序粒度進行選取后，通過建立RFID配置解空間與工序之間的映射函數(shù)，將RFID設(shè)備配置到該工序上，生成一條已經(jīng)配置了 RFID設(shè)備的工序流；通過這種方式，從硬件層面上來保證在制品物流過程數(shù)據(jù)能夠被實時獲??；
2)將RFID配置模式的信號探測空間抽象為狀態(tài)塊圖式描述單元，然后將狀態(tài)塊圖式描述單元按照所對應的配置模式配置到已建立的工序流的圖式模型上，從而實現(xiàn)對該配置有RFID設(shè)備的工序流的圖式表達；所述狀態(tài)塊圖式描述單元包括三種在制品狀態(tài)，分別為在制品進入信號探測空間、處于信號探測空間以及離開信號探測空間，因此，狀態(tài)塊圖式描述單元還能反應在制品通過探測空間的連續(xù)的狀態(tài)變化過程，從而實現(xiàn)對于在制品狀態(tài)的跟蹤，獲取該工序流的狀態(tài)集；
3)由于在制品物狀態(tài)的變化是由事件觸發(fā)的，根據(jù)在制品物流中的上下文情景， 建立狀態(tài)和事件之間的映射關(guān)系，根據(jù)映射關(guān)系將狀態(tài)集轉(zhuǎn)化為事件集；
4)構(gòu)建一種基于RFID的事件驅(qū)動圖式描述單元，并通過事件集將該事件驅(qū)動圖式描述單元串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)對于在制品物流的圖式描述。
所述RFID設(shè)備包括固定RFID讀寫器，車載RFID讀寫器，手持RFID讀寫器或RFID 電子標簽的一種或多種；RFID設(shè)備監(jiān)測的RFID標簽設(shè)置在在制品物流過程的關(guān)鍵零部件、 托盤、操作人員、設(shè)備、刀具、以及其他工具等處。
所述工序流包含若干道工序，一道工序又是由若干個階段組成，從而形成對單工序進行粒度分解的圖式描述；隨著上層管理系統(tǒng)要求所采集的制造數(shù)據(jù)的不同，相鄰的階段之間通過合并和拆分，從而形成對于工序粒度演化(從粗粒度到細粒度，或從細粒度到粗粒度)的圖式描述；
所述RFID配置解空間與工序之間的映射函數(shù)，包括基于監(jiān)控能力要求的RFID配置解空間和基于使用者需求(監(jiān)控精度，準確度、成本等需求)的RFID配置解空間與工序之間的映射關(guān)系函數(shù)兩部分，該方法在已經(jīng)確定的工序粒度的情況下，實現(xiàn)對該工序所對應的工序流進行RFID設(shè)備的按需求配置。
所述RFID配置模式包括四種，分別為基于固定RFID的固定空間監(jiān)控模式、基于固定RFID的門禁模式、基于固定RFID的移動空間監(jiān)控模式以及基于手持RFID的隨機空間監(jiān)控模式。這四種配置模式概括了目前幾乎所有的RFID設(shè)備的配置。
所述信號探測空間包括與固定空間監(jiān)控模式對應的固定式探測空間、與門禁模式對應的固定網(wǎng)關(guān)式探測空間、與移動空間監(jiān)控模式對應的移動網(wǎng)關(guān)式探測空間以及與隨機空間監(jiān)控模式對應的隨機式探測空間。
所述狀態(tài)塊圖式描述單元采用虛線邊或?qū)嵕€邊的方塊或圓圈來表示4種RFID的信號探測空間，從而構(gòu)成對于工序和工序流描述最基本的4種圖式描述單元；同時，還能反應在制品通過該“探測空間”的連續(xù)的狀態(tài)變化過程。
所述在制品狀態(tài)定義為一種能保持一段時間不變化和穩(wěn)定的在制品狀況，其中， 狀態(tài)的開始時間和結(jié)束時間分別為兩個相鄰事件的觸發(fā)時間；所述事件定義為一種發(fā)生在特定時間點上的、并引起在制品狀態(tài)變化的操作或動作。
所述基于RFID的事件驅(qū)動圖式描述單元包括一個持續(xù)一段時間的狀態(tài)、狀態(tài)的開始時間和結(jié)束時間分別對應的兩個相鄰事件、事件的觸發(fā)時間、事件的執(zhí)行者，事件觸發(fā)的位置以及事件觸發(fā)狀態(tài)的變化，事件的觸發(fā)是引起在制品狀態(tài)發(fā)生變化的本質(zhì)，而狀態(tài)變化意味著新狀態(tài)的開始和舊狀態(tài)的終結(jié)。
本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明提供一種利用RFID對在制品物流進行實時制造數(shù)據(jù)采集和跟蹤的圖式建模新方法，該方法能有效地解決當前制造車間由于缺乏源自生產(chǎn)過程實時信息而導致上層管理系統(tǒng)與生產(chǎn)底層信息脫節(jié)的問題，從而為實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、可視化、自動化，以及實時的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。2)本發(fā)明提出了一種通用的 RFID圖式建模方法，該方法不僅能被應用于對在制品物流進行實時數(shù)據(jù)采集和跟蹤，還能被推廣到其RFID技術(shù)可被應用的領(lǐng)域，指導RFID使用過程中的配置和建模，減少大量重復性的建模工作，從而提高生產(chǎn)和管理效率。


圖I是本發(fā)明所涉及的圖式建模方法實現(xiàn)的邏輯流程圖。
圖2是本發(fā)明的工序粒度分解和演化圖式模型。
圖3是本發(fā)明的四種狀態(tài)塊圖式描述單元模型。
圖4是將圖3相應的狀態(tài)塊圖式描述單元配置到單一工序上。
圖5是本發(fā)明的事件驅(qū)動圖式描述單元模型。
圖6是用事件驅(qū)動圖式描述單元模型來描述單一加工工序。
圖7是用事件驅(qū)動圖式描述單元模型來描述單一庫存工序。
具體實施方式
RFID技術(shù)的本質(zhì)是監(jiān)控帶有電子標簽的物體的狀態(tài)變化、并利用這些狀態(tài)變化以及后臺的工程邏輯來實現(xiàn)Auto-ID計算。從這一點出發(fā)，運用RFID技術(shù)實現(xiàn)車間的全覆蓋監(jiān)控以及對物體的精確定位，在一定程度上偏離了其本質(zhì)。因此，本發(fā)明試圖從對車間在制品物流的實時數(shù)據(jù)采集和可視化監(jiān)控出發(fā)，建立一種基于無線射頻識別技術(shù)的圖式建模標準規(guī)范，并將其推廣到其它RFID技術(shù)可應用的領(lǐng)域。
下面結(jié)合附圖詳盡說明本發(fā)明中圖式建模方法中所涉及的各個細節(jié)問題。應指出的是，所描述的在制品物流過程中的加工工序和庫存工序的建模僅僅旨在便于對本發(fā)明的理解，本發(fā)明并不只限定在運用RFID實現(xiàn)對在制品物流過程的實時數(shù)據(jù)采集和跟蹤。
參見圖1，本發(fā)明中所涉及的基于RFID的圖式建模方法主要包括4個步驟1)建立工序的粒度分解和演化的圖式描述模型，并按照上層系統(tǒng)(如ERP系統(tǒng)，MES系統(tǒng)等)的要求，選取相應的工序粒度。然后通過所建立的RFID配置解空間與工序之間的映射函數(shù)，將需要的RFID設(shè)備按照需求配置到該工序上，并最終形成一條已經(jīng)配置了 RFID設(shè)備的工序流，為實現(xiàn)對在制品物流過程中的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控提供了硬件環(huán)境。2)根據(jù)RFID的四種配置模式，將其信號探測空間抽象為四種相應的狀態(tài)塊圖式描述單元。然后將這些狀態(tài)塊按照所對應的配置模式配置到已建立的工序流的圖式模型上，從而實現(xiàn)對該配置有RFID 設(shè)備的工序流的圖式表達。另一方面，由于狀態(tài)塊圖式描述單元還能反應在制品通過探測空間的連續(xù)的狀態(tài)變化過程，因此在配置狀態(tài)塊單元的過程中，還能產(chǎn)生一個在制品在該工序的狀態(tài)的集合，從而實現(xiàn)對于在制品狀態(tài)的跟蹤；3)由于在制品物流狀態(tài)的變化是由事件觸發(fā)的，根據(jù)在制品物流中的上下文情景，建立狀態(tài)和事件之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)從狀態(tài)集到事件集的自動轉(zhuǎn)化；4)本發(fā)明構(gòu)建了一種基于RFID的事件驅(qū)動圖式描述單元，并通過事件集將該圖式單元串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)對于在制品物流的圖式描述。
具體實現(xiàn)流程如下
I)工序粒度分解與RFID配置解空間
參見圖2，本發(fā)明通過對加工工序進行深入分析，提出了如圖所示的工序及其工序流的粒度分解和演化的圖式模型。首先，作出如下定義
工序工序是指在一臺加工設(shè)備周圍發(fā)生的一組有序的操作/動作的集合，在零件上加工出一個或者多個加工特征，從而改變零件的形狀、大小、位置等屬性的過程。工序是工序流的基本組成單元，其中，Pi15表示第k個零件的第i道工序。
工序流本發(fā)明將工序流定義為加工車間一組有序的操作/動作的集合，這些操作/動作發(fā)生在一系列加工設(shè)備周圍，將所加工的在制品從毛胚轉(zhuǎn)化成成品零件。一條工序流包括若干道工序。
在制品物料流指的是在工序流過程中所伴隨的在制品物料的流動，從一個加工設(shè)備流向下一個加工設(shè)備，其中，Mf表示第k個零件的在制品物料流。
另外，本發(fā)明還定義了 “階段”的概念，即在一道工序內(nèi)一定時間間隔中所發(fā)生的操作/動作的集合。階段是工序的基本組成單元，一道工序包括若干個階段。其中，根據(jù)工序分解和演化的實際過程，本發(fā)明將階段又劃分成3種，即“某操作/過程之前的準備階段”、“某操作/過程之前的再次準備階段”、“某操作/過程的執(zhí)行階段”，這三種階段分別用符號/i/f,、_/: <,和表示，j表示第k個零件的第i道工序中的第j個階段。
將工序中相鄰的階段進行合并，可以實現(xiàn)工序從細粒度向粗粒度進行演化，其圖式演化過程參見圖2左半部分所示，其數(shù)學推導過程參見圖2右半部分所示。最終，一條工序流可以表示成加工過程和加工間隔的集合。
設(shè)第i個加工過程用\1滬表示，第i個加工間隔用Pf表示，Mk表示第k個零件的工序流所對應的物料流，則
Mk::= {·■■, Pl!% MPi1S ···}
在RFID配置解空間方面，
a) “階段”和RFID配置
從利用RFID進行追蹤和監(jiān)控的視角來看，工序的一個階段應該包括基本屬性域 (例如階段名Ph_name，階段編號Ph_id)，還包括監(jiān)控狀態(tài)域(如位置Pos，時間Mt，工件狀態(tài)Ws)，則階段用關(guān)系代數(shù)可以表示為
Ph (Phid, Phname, Pos, Mt, ffs, Ph_other)
同樣的，RFID配置Re也包括基本屬性域Rc_BD (如配置名稱Rc_name，配置編號 Rc_id),配置域Rc_CF (如配置模式Cm，射頻設(shè)備類型Rt，設(shè)備數(shù)量Rn)和監(jiān)控狀態(tài)域Rc_ MS (位置Pos，時間Mt，工件狀態(tài)Ws)，以及監(jiān)控性能域Rc_MP (監(jiān)控精度Ac，監(jiān)控范圍Ran， 數(shù)據(jù)采集頻率MF和監(jiān)控成本Cos)，則RFID配置可以描述成
Re (Rc_id, Rc_name, Cm, Pos, ffs, Ac, Ran, MF, Cos, Rc_other)
通過關(guān)系代數(shù)中的投影運算，無線射頻設(shè)備的配置域、監(jiān)控域、和監(jiān)控性能域可以描述成
權(quán)利要求
1.一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于，包括以下步驟 1)通過對工序流進行分析，對組成工序流的各個工序進行粒度分解和演化得到工序流的圖式模型，按照上層管理系統(tǒng)的要求對工序粒度進行選取后，通過建立RFID配置解空間與工序之間的映射函數(shù)，將RFID設(shè)備配置到該工序上，生成一條已經(jīng)配置了 RFID設(shè)備的工序流； 2)將RFID配置模式的信號探測空間抽象為狀態(tài)塊圖式描述單元，然后將狀態(tài)塊圖式描述單元按照所對應的配置模式配置到已建立的工序流的圖式模型上；所述狀態(tài)塊圖式描述單元包括三種在制品狀態(tài)，分別為在制品進入信號探測空間、處于信號探測空間以及離開信號探測空間，因此，狀態(tài)塊圖式描述單元還能反應在制品通過探測空間的連續(xù)的狀態(tài)變化過程，從而實現(xiàn)對于在制品狀態(tài)的跟蹤，獲取該工序流的狀態(tài)集； 3 )根據(jù)在制品物流中的上下文情景，建立狀態(tài)和事件之間的映射關(guān)系，根據(jù)映射關(guān)系將狀態(tài)集轉(zhuǎn)化為事件集； 4)構(gòu)建一種基于RFID的事件驅(qū)動圖式描述單元，并通過事件集將該事件驅(qū)動圖式描述單元串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)對于在制品物流的圖式描述。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述RFID設(shè)備包括固定RFID讀寫器，車載RFID讀寫器，手持RFID讀寫器或RFID電子標簽的一種或多種；RFID設(shè)備監(jiān)測的RFID標簽設(shè)置在在制品物流過程的關(guān)鍵零部件、托盤、操作人員、設(shè)備處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述工序流包含若干道工序，一道工序又是由若干個階段組成，從而形成對單工序進行粒度分解的圖式描述；隨著上層管理系統(tǒng)要求所采集的制造數(shù)據(jù)的不同，相鄰的階段之間通過合并和拆分，從而形成對于工序粒度演化的圖式描述。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述RFID配置解空間與工序之間的映射函數(shù)，包括基于監(jiān)控能力要求的RFID配置解空間和基于使用者需求的RFID配置解空間與工序之間的映射關(guān)系函數(shù)兩部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述RFID配置模式包括四種，分別為基于固定RFID的固定空間監(jiān)控模式、基于固定RFID的門禁模式、基于固定RFID的移動空間監(jiān)控模式以及基于手持RFID的隨機空間監(jiān)控模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述信號探測空間包括與固定空間監(jiān)控模式對應的固定式探測空間、與門禁模式對應的固定網(wǎng)關(guān)式探測空間、與移動空間監(jiān)控模式對應的移動網(wǎng)關(guān)式探測空間以及與隨機空間監(jiān)控模式對應的隨機式探測空間。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述狀態(tài)塊圖式描述單元采用虛線邊或?qū)嵕€邊的方塊或圓圈來表示4種RFID的信號探測空間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述在制品狀態(tài)定乂為一種能保持一段時間不變化和穩(wěn)定的在制品狀況，其中，狀態(tài)的開始時間和結(jié)束時間分別為兩個相鄰事件的觸發(fā)時間；所述事件定義為一種發(fā)生在特定時間點上的、并引起在制品狀態(tài)變化的操作或動作。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，其特征在于所述基于RFID的事件驅(qū)動圖式描述單元包括一個持續(xù)一段時間的狀態(tài)、狀態(tài)的開始時間和結(jié)束時間分別對應的兩個相鄰事件、事件的觸發(fā)時間、事件的執(zhí)行者，事件觸發(fā)的位置以及事件觸發(fā)狀態(tài)的變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用RFID對在制品物流進行實時跟蹤的圖式建模方法，通過對工序流進行粒度分解和演化的圖式建模，按需求實現(xiàn)對一條工序流的RFID配置，通過將RFID的信號探測空間抽象的四種狀態(tài)塊圖式描述單元配置到工序流上，實現(xiàn)了對配置RFID的工序流的圖式表達，然后根據(jù)狀態(tài)描述單元所獲得的在制品的狀態(tài)集，建立狀態(tài)對與事件之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)從狀態(tài)集到事件集的轉(zhuǎn)化，最后，建立事件驅(qū)動圖式描述單元模型，并運用所生成的事件集將若干連續(xù)的圖式描述單元串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)對于在制品跟蹤的圖式描述，該建模方法能為實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、可視化、自動化，以及實時的生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。
文檔編號G06F17/50GK102982430SQ20121043530
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者江平宇, 曹偉, 鄭鎂, 丁凱, 冷杰武, 張朝陽 申請人:西安交通大學