利用rfid对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法

专利名称：利用rfid对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法
技术领域：
本发明涉及一种利用无线射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)对在制品物流进行实时制造数据采集和跟踪的图式建模新方法。
背景技术：
当前快速而激烈的市场竞争环境使得制造企业必须具备快速响应市场变化的能力。面对这种挑战，许多上层管理系统如ERP (Enterprise Resource Planning,企业资源规划)、MES (Manufacturing Execution System,制造执行系统)、MRP (Manufacturing Resource Planning,制造资源规划)等在制造领域中广泛的被推广和应用，旨在提高企业的生产柔性和生产效率，并取的了很大的成功。然而尽管这些上层系统发展的十分迅速，但是由于制造过程中的实时数据无法被及时获取，使得上层系统不能达到理想的管理状态。 另一方面，所采集的信息不能实时准确的反应生产过程的当前状态以及状态的动态变化， 从而导致决策系统的决策错误。制造车间在生产过程中的海量实时信息难以获取和上传， 已经成为严重制约制造车间生产能力的首要瓶颈，使得制造过程犹如“黑箱作业”，难以满足车间实时调度与生产管理的需求，不利于提高制造企业生产效率。
近年来，RFID技术的产生和大量的工业应用为解决这一难题提供了契机，同时也引起了国内外学术界和工业界的广泛关注。目前针对RFID在制造车间中的应用和研究主要集中在以下四个方面
I)针对车间中的一些难点问题，如制造物流、工件质量管理、可视化看板、自动化装配等，提出各种有针对性的基于RFID的流程模型。虽然这些模型在一定程度上能够解决各自的问题，但是不具有通用性。大量重复性的基于RFID的建模工作耗时较长且效率低 下。
2)目前还有很多学者将研究的侧重点聚焦在如何将RFID部署到制造车间这一技术难题上。RFID信号“探测空间”的全覆盖算法是当前研究的主流。然而，在RFID信号覆盖整个制造车间的情况下，成本消耗高，并且在大多数制造车间运用这种方法实现对于工件的完全跟踪也没有必要。
3)另外，利用RFID技术实现对于车间内带有电子标签的物体的精确定位也是当前研究的热点。主要包括时间间隔算法(Time-of-Arrival, Τ0Α)和信号强度算法 (Received-Signal-Strength, RSS)。然而,这种方法在制造车间中也不太实用，因为很多位置传感器也能实现对于物体位置的精确定位，并且成本较低。
4)利用手持设备实现对制造和物流数据的采集也是目前RFID研究的一个重要方面，如香港大学Auto-1D中心针对金泽物流设计的基于手持RFID的物流管理平台等。这种方式相对于传统的条码技术有很大的进步，然而遗憾的是不能够实现完全的自动化的数据获取，需要大量的人工辅助性扫描工作。
可以看出，上面综述RFID的几个研究热点几乎都存在一定的缺陷对于研究热点 I )，一种通用的建模方法是当前RFID技术大规模普及应用的迫切需求。而导致后面三种问题出现的原因是对无线射频识别技术的本质没有清楚的认识。发明内容
本发明提供一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，进而建立一种RFID的图式建模规范。同时，该建模方法还可被推广到其它RFID技术可被应用的领域。该方法能根据上层系统的需求，自动完成对制造过程中在制品物流过程中的实时数据的采集和分析，有效地解决当前制造车间由于缺乏源自生产过程的实时信息而导致上层管理系统与生产底层信息脱节的问题，从而为实现生产过程的透明化、可视化、自动化，以及实时的生产决策提供数据支撑。同时，本发明还提供了一种通用的RFID技术的图式建模方法规范，能大大减少对不同RFID应用对象进行建模的重复工作，缩短RFID设备在使用之前的配置和建模时间，从而提高生产和管理效率。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案，主要包括以下四个步骤
I)通过对工序流进行分析，对组成工序流的各个工序进行粒度分解和演化得到工序流的图式模型，按照上层管理系统(如ERP系统，MES系统等)的要求对工序粒度进行选取后，通过建立RFID配置解空间与工序之间的映射函数，将RFID设备配置到该工序上，生成一条已经配置了 RFID设备的工序流；通过这种方式，从硬件层面上来保证在制品物流过程数据能够被实时获取；
2)将RFID配置模式的信号探测空间抽象为状态块图式描述单元，然后将状态块图式描述单元按照所对应的配置模式配置到已建立的工序流的图式模型上，从而实现对该配置有RFID设备的工序流的图式表达；所述状态块图式描述单元包括三种在制品状态，分别为在制品进入信号探测空间、处于信号探测空间以及离开信号探测空间，因此，状态块图式描述单元还能反应在制品通过探测空间的连续的状态变化过程，从而实现对于在制品状态的跟踪，获取该工序流的状态集；
3)由于在制品物状态的变化是由事件触发的，根据在制品物流中的上下文情景， 建立状态和事件之间的映射关系，根据映射关系将状态集转化为事件集；
4)构建一种基于RFID的事件驱动图式描述单元，并通过事件集将该事件驱动图式描述单元串联起来，从而实现对于在制品物流的图式描述。
所述RFID设备包括固定RFID读写器，车载RFID读写器，手持RFID读写器或RFID 电子标签的一种或多种；RFID设备监测的RFID标签设置在在制品物流过程的关键零部件、 托盘、操作人员、设备、刀具、以及其他工具等处。
所述工序流包含若干道工序，一道工序又是由若干个阶段组成，从而形成对单工序进行粒度分解的图式描述；随着上层管理系统要求所采集的制造数据的不同，相邻的阶段之间通过合并和拆分，从而形成对于工序粒度演化(从粗粒度到细粒度，或从细粒度到粗粒度)的图式描述；
所述RFID配置解空间与工序之间的映射函数，包括基于监控能力要求的RFID配置解空间和基于使用者需求(监控精度，准确度、成本等需求)的RFID配置解空间与工序之间的映射关系函数两部分，该方法在已经确定的工序粒度的情况下，实现对该工序所对应的工序流进行RFID设备的按需求配置。
所述RFID配置模式包括四种，分别为基于固定RFID的固定空间监控模式、基于固定RFID的门禁模式、基于固定RFID的移动空间监控模式以及基于手持RFID的随机空间监控模式。这四种配置模式概括了目前几乎所有的RFID设备的配置。
所述信号探测空间包括与固定空间监控模式对应的固定式探测空间、与门禁模式对应的固定网关式探测空间、与移动空间监控模式对应的移动网关式探测空间以及与随机空间监控模式对应的随机式探测空间。
所述状态块图式描述单元采用虚线边或实线边的方块或圆圈来表示4种RFID的信号探测空间，从而构成对于工序和工序流描述最基本的4种图式描述单元；同时，还能反应在制品通过该“探测空间”的连续的状态变化过程。
所述在制品状态定义为一种能保持一段时间不变化和稳定的在制品状况，其中， 状态的开始时间和结束时间分别为两个相邻事件的触发时间；所述事件定义为一种发生在特定时间点上的、并引起在制品状态变化的操作或动作。
所述基于RFID的事件驱动图式描述单元包括一个持续一段时间的状态、状态的开始时间和结束时间分别对应的两个相邻事件、事件的触发时间、事件的执行者，事件触发的位置以及事件触发状态的变化，事件的触发是引起在制品状态发生变化的本质，而状态变化意味着新状态的开始和旧状态的终结。
本发明的有益效果是1)本发明提供一种利用RFID对在制品物流进行实时制造数据采集和跟踪的图式建模新方法，该方法能有效地解决当前制造车间由于缺乏源自生产过程实时信息而导致上层管理系统与生产底层信息脱节的问题，从而为实现生产过程的透明化、可视化、自动化，以及实时的生产决策提供数据支撑。2)本发明提出了一种通用的 RFID图式建模方法，该方法不仅能被应用于对在制品物流进行实时数据采集和跟踪，还能被推广到其RFID技术可被应用的领域，指导RFID使用过程中的配置和建模，减少大量重复性的建模工作，从而提高生产和管理效率。


图I是本发明所涉及的图式建模方法实现的逻辑流程图。
图2是本发明的工序粒度分解和演化图式模型。
图3是本发明的四种状态块图式描述单元模型。
图4是将图3相应的状态块图式描述单元配置到单一工序上。
图5是本发明的事件驱动图式描述单元模型。
图6是用事件驱动图式描述单元模型来描述单一加工工序。
图7是用事件驱动图式描述单元模型来描述单一库存工序。
具体实施方式
RFID技术的本质是监控带有电子标签的物体的状态变化、并利用这些状态变化以及后台的工程逻辑来实现Auto-ID计算。从这一点出发，运用RFID技术实现车间的全覆盖监控以及对物体的精确定位，在一定程度上偏离了其本质。因此，本发明试图从对车间在制品物流的实时数据采集和可视化监控出发，建立一种基于无线射频识别技术的图式建模标准规范，并将其推广到其它RFID技术可应用的领域。
下面结合附图详尽说明本发明中图式建模方法中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的在制品物流过程中的加工工序和库存工序的建模仅仅旨在便于对本发明的理解，本发明并不只限定在运用RFID实现对在制品物流过程的实时数据采集和跟踪。
参见图1，本发明中所涉及的基于RFID的图式建模方法主要包括4个步骤1)建立工序的粒度分解和演化的图式描述模型，并按照上层系统(如ERP系统，MES系统等)的要求，选取相应的工序粒度。然后通过所建立的RFID配置解空间与工序之间的映射函数，将需要的RFID设备按照需求配置到该工序上，并最终形成一条已经配置了 RFID设备的工序流，为实现对在制品物流过程中的实时数据采集和监控提供了硬件环境。2)根据RFID的四种配置模式，将其信号探测空间抽象为四种相应的状态块图式描述单元。然后将这些状态块按照所对应的配置模式配置到已建立的工序流的图式模型上，从而实现对该配置有RFID 设备的工序流的图式表达。另一方面，由于状态块图式描述单元还能反应在制品通过探测空间的连续的状态变化过程，因此在配置状态块单元的过程中，还能产生一个在制品在该工序的状态的集合，从而实现对于在制品状态的跟踪；3)由于在制品物流状态的变化是由事件触发的，根据在制品物流中的上下文情景，建立状态和事件之间的映射关系，实现从状态集到事件集的自动转化；4)本发明构建了一种基于RFID的事件驱动图式描述单元，并通过事件集将该图式单元串联起来，从而实现对于在制品物流的图式描述。
具体实现流程如下
I)工序粒度分解与RFID配置解空间
参见图2，本发明通过对加工工序进行深入分析，提出了如图所示的工序及其工序流的粒度分解和演化的图式模型。首先，作出如下定义
工序工序是指在一台加工设备周围发生的一组有序的操作/动作的集合，在零件上加工出一个或者多个加工特征，从而改变零件的形状、大小、位置等属性的过程。工序是工序流的基本组成单元，其中，Pi15表示第k个零件的第i道工序。
工序流本发明将工序流定义为加工车间一组有序的操作/动作的集合，这些操作/动作发生在一系列加工设备周围，将所加工的在制品从毛胚转化成成品零件。一条工序流包括若干道工序。
在制品物料流指的是在工序流过程中所伴随的在制品物料的流动，从一个加工设备流向下一个加工设备，其中，Mf表示第k个零件的在制品物料流。
另外，本发明还定义了 “阶段”的概念，即在一道工序内一定时间间隔中所发生的操作/动作的集合。阶段是工序的基本组成单元，一道工序包括若干个阶段。其中，根据工序分解和演化的实际过程，本发明将阶段又划分成3种，即“某操作/过程之前的准备阶段”、“某操作/过程之前的再次准备阶段”、“某操作/过程的执行阶段”，这三种阶段分别用符号/i/f,、_/: <,和表示，j表示第k个零件的第i道工序中的第j个阶段。
将工序中相邻的阶段进行合并，可以实现工序从细粒度向粗粒度进行演化，其图式演化过程参见图2左半部分所示，其数学推导过程参见图2右半部分所示。最终，一条工序流可以表示成加工过程和加工间隔的集合。
设第i个加工过程用\1沪表示，第i个加工间隔用Pf表示，Mk表示第k个零件的工序流所对应的物料流，则
Mk::= {·■■, Pl!% MPi1S ···}
在RFID配置解空间方面，
a) “阶段”和RFID配置
从利用RFID进行追踪和监控的视角来看，工序的一个阶段应该包括基本属性域 (例如阶段名Ph_name，阶段编号Ph_id)，还包括监控状态域(如位置Pos，时间Mt，工件状态Ws)，则阶段用关系代数可以表示为
Ph (Phid, Phname, Pos, Mt, ffs, Ph_other)
同样的，RFID配置Re也包括基本属性域Rc_BD (如配置名称Rc_name，配置编号 Rc_id),配置域Rc_CF (如配置模式Cm，射频设备类型Rt，设备数量Rn)和监控状态域Rc_ MS (位置Pos，时间Mt，工件状态Ws)，以及监控性能域Rc_MP (监控精度Ac，监控范围Ran， 数据采集频率MF和监控成本Cos)，则RFID配置可以描述成
Re (Rc_id, Rc_name, Cm, Pos, ffs, Ac, Ran, MF, Cos, Rc_other)
通过关系代数中的投影运算，无线射频设备的配置域、监控域、和监控性能域可以描述成
权利要求
1.一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于，包括以下步骤 1)通过对工序流进行分析，对组成工序流的各个工序进行粒度分解和演化得到工序流的图式模型，按照上层管理系统的要求对工序粒度进行选取后，通过建立RFID配置解空间与工序之间的映射函数，将RFID设备配置到该工序上，生成一条已经配置了 RFID设备的工序流； 2)将RFID配置模式的信号探测空间抽象为状态块图式描述单元，然后将状态块图式描述单元按照所对应的配置模式配置到已建立的工序流的图式模型上；所述状态块图式描述单元包括三种在制品状态，分别为在制品进入信号探测空间、处于信号探测空间以及离开信号探测空间，因此，状态块图式描述单元还能反应在制品通过探测空间的连续的状态变化过程，从而实现对于在制品状态的跟踪，获取该工序流的状态集； 3 )根据在制品物流中的上下文情景，建立状态和事件之间的映射关系，根据映射关系将状态集转化为事件集； 4)构建一种基于RFID的事件驱动图式描述单元，并通过事件集将该事件驱动图式描述单元串联起来，从而实现对于在制品物流的图式描述。
2.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述RFID设备包括固定RFID读写器，车载RFID读写器，手持RFID读写器或RFID电子标签的一种或多种；RFID设备监测的RFID标签设置在在制品物流过程的关键零部件、托盘、操作人员、设备处。
3.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，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个阶段组成，从而形成对单工序进行粒度分解的图式描述；随着上层管理系统要求所采集的制造数据的不同，相邻的阶段之间通过合并和拆分，从而形成对于工序粒度演化的图式描述。
4.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述RFID配置解空间与工序之间的映射函数，包括基于监控能力要求的RFID配置解空间和基于使用者需求的RFID配置解空间与工序之间的映射关系函数两部分。
5.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述RFID配置模式包括四种，分别为基于固定RFID的固定空间监控模式、基于固定RFID的门禁模式、基于固定RFID的移动空间监控模式以及基于手持RFID的随机空间监控模式。
6.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述信号探测空间包括与固定空间监控模式对应的固定式探测空间、与门禁模式对应的固定网关式探测空间、与移动空间监控模式对应的移动网关式探测空间以及与随机空间监控模式对应的随机式探测空间。
7.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述状态块图式描述单元采用虚线边或实线边的方块或圆圈来表示4种RFID的信号探测空间。
8.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述在制品状态定乂为一种能保持一段时间不变化和稳定的在制品状况，其中，状态的开始时间和结束时间分别为两个相邻事件的触发时间；所述事件定义为一种发生在特定时间点上的、并引起在制品状态变化的操作或动作。
9.根据权利要求I所述一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，其特征在于所述基于RFID的事件驱动图式描述单元包括一个持续一段时间的状态、状态的开始时间和结束时间分别对应的两个相邻事件、事件的触发时间、事件的执行者，事件触发的位置以及事件触发状态的变化。
全文摘要
本发明提供一种利用RFID对在制品物流进行实时跟踪的图式建模方法，通过对工序流进行粒度分解和演化的图式建模，按需求实现对一条工序流的RFID配置，通过将RFID的信号探测空间抽象的四种状态块图式描述单元配置到工序流上，实现了对配置RFID的工序流的图式表达，然后根据状态描述单元所获得的在制品的状态集，建立状态对与事件之间的映射关系，实现从状态集到事件集的转化，最后，建立事件驱动图式描述单元模型，并运用所生成的事件集将若干连续的图式描述单元串联起来，从而实现对于在制品跟踪的图式描述，该建模方法能为实现生产过程的透明化、可视化、自动化，以及实时的生产决策提供数据支撑。
文档编号G06F17/50GK102982430SQ20121043530
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者江平宇, 曹伟, 郑镁, 丁凯, 冷杰武, 张朝阳 申请人:西安交通大学