黎法明，李新星，李澤釗

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.中華人民共和國江門海事局，廣東 江門 529040）

港口信息執(zhí)行系統(tǒng)（PPMES，Port Management Execution System）源于制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System），是美國MESA于上世紀(jì)90年代提出的面向車間的信息管理系統(tǒng)，是連接計(jì)劃層和現(xiàn)場控制層之間紐帶，通過提供從訂單到產(chǎn)品完成整個(gè)制造過程的信息，來優(yōu)化企業(yè)管理，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的管理信息體系。因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與共享，是MES保證企業(yè)執(zhí)行生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，而無線射頻技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification Devices）是一種非接觸式的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，目前應(yīng)用于零售業(yè)產(chǎn)品標(biāo)簽、交通中的車輛運(yùn)行管理以及倉儲(chǔ)物流業(yè)等。隨著制造業(yè)信息化發(fā)展，RFID對(duì)制造業(yè)來說是極有潛力的技術(shù)，與現(xiàn)有MES集成，不僅為生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)信息，而且也為產(chǎn)品全生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）提供一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫。

1 MES生產(chǎn)信息系統(tǒng)簡述

MES作為生產(chǎn)信息系統(tǒng)，也就是收集生產(chǎn)過程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)事件分析及時(shí)處理，同時(shí)又與計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層保持雙向通信，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。確切地說，MES是一系列功能的集成，連接著計(jì)劃與控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)理念與生產(chǎn)執(zhí)行，交易能力與生產(chǎn)機(jī)制，客戶與供需等。一方面關(guān)注生產(chǎn)過程中的即時(shí)生產(chǎn)與實(shí)時(shí)掌握在制品的產(chǎn)量與品質(zhì)狀況，另一方面采集和分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況和在線物料，記錄生產(chǎn)經(jīng)過的工序、設(shè)備、所用物料和經(jīng)手人員。主要功能包括資源分配及狀態(tài)管理、工序生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度、文檔控制、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、人力資源管理、品質(zhì)管理、過程管理、維護(hù)管理、產(chǎn)品跟蹤以及性能分析。

2 數(shù)據(jù)采集

MES中的數(shù)據(jù)采集功能，是負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)現(xiàn)場中的各種必要的實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)信息，并為其他MES功能的數(shù)據(jù)管理提供數(shù)源。數(shù)據(jù)類型按管理方式分為：工序資源數(shù)據(jù)，人力資源數(shù)據(jù)，產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)。如表1所列。

表1 MES數(shù)據(jù)采集類型

由表1中看出，大部分采集的數(shù)據(jù)都與工序資源相關(guān)，各種數(shù)據(jù)之間都或多或少有著關(guān)聯(lián)，例如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為運(yùn)行、準(zhǔn)備、停機(jī)還是空閑；運(yùn)行過程中，程序啟動(dòng)時(shí)間、程序停止時(shí)間、程序名稱等；準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，是調(diào)試、檢驗(yàn)、還是準(zhǔn)備工裝等；停機(jī)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能夠報(bào)告停機(jī)原因是設(shè)備故障還是設(shè)備維護(hù)等。

按行業(yè)不同，數(shù)據(jù)采集方法不盡相同，港口物流行業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度還不是很高，主要用條形碼或者其他傳感器，甚至人工錄入，來對(duì)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；連續(xù)制造行業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度相對(duì)比較高，數(shù)據(jù)采集主要就是通過部署各種現(xiàn)場總線來進(jìn)行采集。

3 RFID技術(shù)的融入

3.1 RFID系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)由耦合元件及芯片組成具有唯一電子編碼的標(biāo)簽、讀取/寫入標(biāo)簽信息的移動(dòng)/固定式閱讀器以及在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)的天線，這3部分組成。電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體的表面，電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量，發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，被動(dòng)標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，主動(dòng)標(biāo)簽），將記錄從價(jià)格到生產(chǎn)流程等在內(nèi)大量信息的芯片貼在產(chǎn)品表面，通過讀取器來讀取和更新信息，并解碼后，送至計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理[2]。

RFID技術(shù)利用無線射頻方式，在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。與傳統(tǒng)的條碼相比，RFID電子標(biāo)簽具有非接觸、可讀寫、速度快、信息量大、不受環(huán)境影響和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)處理多張卡片，這些優(yōu)點(diǎn)使RFID技術(shù)更適合于作業(yè)環(huán)境不確定的港口碼頭。

3.2 RFID數(shù)據(jù)采集在MES中應(yīng)用

港口信息管理系統(tǒng)，是依靠信息管理的一個(gè)精確的執(zhí)行過程，這必然要求對(duì)計(jì)劃和執(zhí)行進(jìn)行精確的比對(duì)，數(shù)據(jù)都要準(zhǔn)確記錄，這需要過程中更多的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集自動(dòng)識(shí)別，保證計(jì)劃和執(zhí)行相符合，并針對(duì)不符合的及時(shí)采取措施調(diào)整。因此RFID技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)采集與管理的手段，正從供應(yīng)鏈進(jìn)入制造過程的核心，通過在貨場庫房層逐步采用RFID技術(shù)，可以無縫且不間斷地集成從RFID捕獲的信息，并鏈接到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與配置RFID功能的供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)，向港口管理系統(tǒng)可以發(fā)送準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)信息流，從而創(chuàng)造附加值，提高生產(chǎn)率和大幅度地節(jié)省投資。

4 RFID與MES集成

4.1 RFID中間件

為了解決多種硬件系統(tǒng)平臺(tái)和各種系統(tǒng)軟件分布異構(gòu)問題，而產(chǎn)生的中間件技術(shù)，它是位于不同操作系統(tǒng)平臺(tái)和具體應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。RFID中間件是一種面向消息的中間件，信息是以消息的形式在程序之間傳輸，其功能不僅是傳遞信息，還必須包括解譯數(shù)據(jù)、安全性、數(shù)據(jù)廣播、錯(cuò)誤恢復(fù)、定位網(wǎng)絡(luò)資源、消息與要求的優(yōu)先次序以及延伸的除錯(cuò)工具等服務(wù)。

4.2 RFID與MES集成方法

RFID中間件由數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)組成，歷經(jīng)三個(gè)階段（如圖1）。

RFID數(shù)據(jù)采集，完成RFID數(shù)據(jù)從RFID硬件設(shè)備的采集、過濾和合并；RFID數(shù)據(jù)管理，完成RFID數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、維護(hù)、訪問和聚合[3]。

最初的RFID中間件，是以應(yīng)用程序編寫來整合、串接RFID讀寫器為目的，適用于采集點(diǎn)不多，同一規(guī)格讀寫器的情況，但效率較低，維護(hù)費(fèi)用高；隨著企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度增高，數(shù)據(jù)庫軟件改變或讀寫器種類增加，企業(yè)無法負(fù)荷為每個(gè)應(yīng)用軟件編寫適配器，同時(shí)存在著面向?qū)ο髽?biāo)準(zhǔn)化等問題，因此產(chǎn)生RFID架構(gòu)中間件；

第三個(gè)中間件階段，是各廠商針對(duì)不同行業(yè)領(lǐng)域提出具體解決方案，比如SUN公司的Sun Java系統(tǒng)RFID軟件包括針對(duì)倉儲(chǔ)管理、資產(chǎn)追蹤、藥品鑒定等具體行業(yè)應(yīng)用的解決方案[4]。

對(duì)于目前RFID架構(gòu)中間件集成方法，從應(yīng)用層面上理解包括邊緣層、企業(yè)層、應(yīng)用層；從物理結(jié)構(gòu)來分為5層，分別是硬件層、采集數(shù)據(jù)層、工作流管理層、服務(wù)層、遺留系統(tǒng)層。

從功能層面上，核心模塊包括RFID邊緣服務(wù)器和RFID企業(yè)服務(wù)器[5]。邊緣服務(wù)器直接與各種終端設(shè)備相連，用于控制RFID讀寫設(shè)備按照預(yù)定的方式工作，保證不同的設(shè)備之間能很好地配合協(xié)調(diào)，還能按照一定的規(guī)則過濾數(shù)據(jù)，篩除大部分冗余數(shù)據(jù)，將真正有效的數(shù)據(jù)，傳送給后臺(tái)的信息系統(tǒng)；

企業(yè)服務(wù)器則集中管理所有的邊緣服務(wù)器，處理各種RFID事件和信息交換，實(shí)時(shí)工作流管理，與各種現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行很好的集成，用戶可以圍繞這些數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程的創(chuàng)新和新的應(yīng)用。

4.3 RFID與MES集成數(shù)據(jù)流

RFID標(biāo)簽內(nèi)置編碼是數(shù)據(jù)的載體，EPCglobal對(duì)標(biāo)簽類別按是否可讀寫[6]，可讀寫次數(shù)等特點(diǎn)分為0～5類，例如0級(jí)標(biāo)簽編碼是由4段96位組成，分別代表信息的構(gòu)成、制造商、產(chǎn)品類和產(chǎn)品名。這些存儲(chǔ)在RFID中的編碼，由讀寫器120次/s和400次/s次進(jìn)行輪詢讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)RS422/RS232接口連接到現(xiàn)場總線，標(biāo)簽URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)）數(shù)據(jù)由ALE（應(yīng)用層事件管理）去除冗余數(shù)據(jù)，被過濾的標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)ONS（對(duì)象名解析服務(wù)）把標(biāo)簽數(shù)據(jù)中字節(jié)轉(zhuǎn)化為對(duì)象數(shù)據(jù)URL（統(tǒng)一資源定位）。

PML（物理實(shí)體語言）是一種用于描述物理對(duì)象，過程和環(huán)境的通用語言，其主要目的是提供通用的標(biāo)準(zhǔn)化詞匯表，來描繪和分配Auto-ID激活的實(shí)體的相關(guān)信息。EPCIS（電子標(biāo)簽信息服務(wù)）是一種內(nèi)部數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，定義了基于安全WEB服務(wù)的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，所有電子標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)交換和事件信息（如圖1）。

圖1 RFID與MES集成數(shù)據(jù)流

5 結(jié)束語

（1）RFID可提供不斷更新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，可用來保證正確使用勞動(dòng)力、機(jī)器、工具和部件，從而實(shí)現(xiàn)無紙化生產(chǎn)和減少停機(jī)時(shí)間，以保證可靠性和高品質(zhì)；搜集如產(chǎn)品標(biāo)識(shí)符、物理屬性、訂單號(hào)等信息，自動(dòng)建立支持品質(zhì)保證體系所要求的品質(zhì)跟蹤和工作歷史文檔、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的批次跟蹤。特別是在混合裝配線生產(chǎn)中，能準(zhǔn)確無誤地將裝配零部件送達(dá)指定區(qū)域，從而減少了出錯(cuò)率。

（2）港口信息管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全程跟蹤。只要貨物進(jìn)入生產(chǎn)線或到達(dá)完工區(qū)，將自動(dòng)記錄工序、設(shè)備和操作者編號(hào)、轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，避免了后期人工數(shù)據(jù)輸入、條碼掃描等操作產(chǎn)生的不精確數(shù)據(jù)或誤差。

（3）港口信息管理在計(jì)劃調(diào)度方面，可以結(jié)合產(chǎn)品工序規(guī)程單按現(xiàn)有設(shè)備利用率進(jìn)行車間內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)劃排程。諸如設(shè)備上的RFID提供運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、可用性狀態(tài)、性能特征、并含有技術(shù)參數(shù)、使用刀具情況、已進(jìn)行的生產(chǎn)活動(dòng)。在設(shè)備管理方面，操作員可以通過讀取標(biāo)簽上的信息，來檢查設(shè)備及其所在位置，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)或維修，然后寫入最新的數(shù)據(jù)更新RFID標(biāo)簽，有助于提高設(shè)備價(jià)值，優(yōu)化港口設(shè)備性能和最大化設(shè)備利用率。

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