仲元昌 ，孫麗敬 ，丁 漩 ，王 旭

(1.重慶大學 通信與測控中心，重慶 400044；2.重慶郵電大學，重慶 400065；3.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044)

RFID(Radio Frequency Identification)技術從誕生到民用經(jīng)歷了軍事應用、實驗室研究再到民用幾個時期，基礎技術研究逐漸成熟；由于社會信息化程度的普遍提高，要求企業(yè)需要進一步降低勞動生產(chǎn)成本。由此，RFID技術得到了廣泛的應用。

隨著全球經(jīng)濟一體化的快速發(fā)展，汽車工業(yè)開放程度越來越高，國內(nèi)的汽車制造業(yè)面臨著巨大的經(jīng)營壓力。汽車行業(yè)有些信息化程度很高，而有些仍沿用完全手工操作記錄的方式。雖然大部分企業(yè)都建立了自己的信息體系系統(tǒng)，但大都存在信息化程度嚴重不一致的情況。同時隨著汽車大批量的生產(chǎn)及使用，社會對于汽車工業(yè)發(fā)展的要求也將越來越高，所有企業(yè)都希望能夠建立識別系統(tǒng)使自己的管理水平得到提升，以提高效率、降低差錯率。汽車業(yè)必將會是RFID技術產(chǎn)生巨大影響的一個主要領域。

1 RFID系統(tǒng)的基本原理及分類

1.1 RFID系統(tǒng)基本原理

RFID是20世紀90年代開始興起的一項自動識別技術，被公認為是21世紀十大重要技術之一，其數(shù)據(jù)存儲容量和可追蹤特性是取代條形碼的兩大優(yōu)勢[1-2]。

RFID的基本原理是利用空間電磁波的耦合或傳播實現(xiàn)對象信息的無接觸傳遞，以達到自動識別被標識對象，獲取標識對象相關信息的目的[3]。系統(tǒng)啟動時，由讀取器產(chǎn)生特定頻率的無線電信號，激發(fā)標簽內(nèi)部晶片中的程序，進而產(chǎn)生射頻電波，并將記憶體中的識別碼(ID Code)傳回讀取器，經(jīng)由計算機解碼后完成辨識功能。一套最基本的RFID系統(tǒng)一般由兩部分組成：電子標簽(Tag)和閱讀器(Reader)[4]，如圖1所示。電子標簽和閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間耦合(交變磁場或電磁場)，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關系，實現(xiàn)能量的傳遞與數(shù)據(jù)的交換。為了更好地完成無線射頻識別技術的識讀功能，在較大型的RFID系統(tǒng)中，還需要用到中間件等附屬設備來完成對多讀頭識別系統(tǒng)的管理[5]。

圖1 RFID系統(tǒng)原理圖

1.2 RFID系統(tǒng)的分類

按照電子標簽獲取能量的方式，RFID系統(tǒng)分為有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。有源標簽通過自帶的電池供電，其電能充足、工作可靠性高、信號傳送的距離遠，但其壽命有限且價格昂貴；無源標簽不含電池，利用耦合的讀寫器發(fā)射的電磁場能量作為自己的能量，其重量輕、體積小，支持長時間的數(shù)據(jù)傳輸及永久性的數(shù)據(jù)存儲和使用期，并且價格便宜，因此無源標簽是電子標簽的主流。

按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)分為低頻(30 kHz～300 kHz)、高頻(3 MHz～30 MHz)、超高頻(300 MHz～3 GHz)和微波頻段(2.4 GHz～5 GHz)系統(tǒng)。目前國際上 RFID應用以低頻和高頻標簽為主；超高頻標簽開始規(guī)模生產(chǎn)，由于它具有可遠距離識別和低成本的優(yōu)勢，有希望在未來幾年內(nèi)成為主流；微波頻段標簽在部分國家已經(jīng)得到應用。我國已掌握高頻芯片的設計技術，并且成功地實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，同時超高頻芯片也已經(jīng)完成開發(fā)。

按照調制方式的不同，RFID系統(tǒng)可分為主動式、被動式和半主動式。一般地，無源系統(tǒng)為被動式，有源系統(tǒng)為主動式。主動式的RFID系統(tǒng)用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器(讀頭)，調制方式可為調幅、調頻或調相。被動式的RFID系統(tǒng)使用調制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用閱讀器的載波來調制自己的信號，此時讀頭可以確保只激活一定范圍內(nèi)的射頻系統(tǒng)。半主動式的RFID系統(tǒng)也稱為電池支援式反向散射調制系統(tǒng)，它本身帶有電池但只起到對標簽內(nèi)部數(shù)字電路供電的作用，標簽不通過自身能量主動發(fā)送數(shù)據(jù)，只有被閱讀器的能量“激活”時，才通過反向散射調制方式傳送自身數(shù)據(jù)。

2 RFID在汽車生產(chǎn)線中的應用

將RFID技術應用于生產(chǎn)線監(jiān)控，可以實現(xiàn)自動控制和檢測，節(jié)約成本。RFID標簽可以唯一標識每1件產(chǎn)品，通過應用程序記錄每1件產(chǎn)品的原料和來源、生產(chǎn)線位置、生產(chǎn)過程和庫存狀況等信息，為企業(yè)更好地管理生產(chǎn)和調整庫存等提供有效的依據(jù)。

汽車制造業(yè)原本就是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生產(chǎn)過程，如今隨著個性化汽車的發(fā)展(購買者可以對汽車進行定制)，幾乎每1輛汽車都會有一些個性化的地方，因此，有必要在生產(chǎn)的全過程中應用RFID技術實現(xiàn)透明化。汽車產(chǎn)業(yè)鏈可簡單劃分為零件制造、整車裝配與售后服務3個基本環(huán)節(jié)，目前RFID技術主要應用于零件制造和整車裝配環(huán)節(jié)。無論是零件生產(chǎn)廠還是整車裝配廠，僅由人工管理數(shù)量龐大的零部件和復雜、眾多的制造流程，不但容易出錯而且無法從源頭上快速提高各流程的運作效率。

2.1 RFID在汽車焊接生產(chǎn)線的應用

在早期汽車車體焊接生產(chǎn)線上，大多使用人工方式，看書面操作說明書一步接一步地操作，很容易發(fā)生人為錯誤。后來逐漸改用條形碼標簽來管理，雖然降低了人為出錯率，但經(jīng)常因為生產(chǎn)現(xiàn)場的粉塵、高溫振動、油污等影響而發(fā)生識別錯誤。再遇到帶有罩子的情況時，無論是條形碼標簽還是人工也都不能放心使用。為此，若采用RFID技術可以取得良好的焊接管理效果。RFID在汽車焊接生產(chǎn)線應用示意圖如圖2所示[6]。

圖2 RFID在焊接生產(chǎn)線應用示意圖

圖2中，選擇耐高溫、防粉塵、防金屬、防磁場、可重復使用的有源封裝標簽，通過自動識別作業(yè)來監(jiān)控焊接生產(chǎn)線作業(yè)?？蓪⒉僮髦甘拘畔?車種信息、焊接指示信息、程序等)存儲在目標托盤中，天線為了避開人和機器的影響可設置在焊接生產(chǎn)線較高的地方，由于RFID標簽的強抗污染能力和強耐久性，大大減少了識別錯誤并且可以有效提高內(nèi)部供應鏈的可視化程度。

2.2 RFID在汽車涂裝生產(chǎn)線的應用

汽車涂裝生產(chǎn)線的工藝過程繁多復雜、車型變化大、生產(chǎn)靈活性大，而汽車涂裝的目的在于使銷售的每1輛車讓消費者看起來都更加完美。因而，車間生產(chǎn)線的各個工藝環(huán)節(jié)都必須具備非常高的自動化水平和質量監(jiān)控系統(tǒng)。所以，在生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的車身識別系統(tǒng)中采用RFID技術，可以對生產(chǎn)過程中各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、狀態(tài)監(jiān)控以及質量檢測等信息進行實時采集，及時送至生產(chǎn)控制中心。

在汽車涂裝生產(chǎn)線上，輸送設備為滑撬輸送機,如圖3所示，在每1個載有汽車車身的滑撬上都安裝有1個耐溫達240℃的RFID無源標簽，在整個生產(chǎn)流程中，這個標簽隨工件運行，形成了1個隨車身移動的數(shù)據(jù)，成為1個隨身攜帶數(shù)據(jù)的“智能車體”。根據(jù)生產(chǎn)工藝及管理的不同需要，可在涂裝車間出入口處、工件物流的分岔處、重要的工藝過程(如噴漆室、烘干室、存儲區(qū)等)入口處設置現(xiàn)場讀寫站。每個現(xiàn)場讀寫站都可以完成滑撬、車身信息和噴涂顏色及次數(shù)的寫入，同時把信息送入控制中心。

圖3 RFID在涂裝生產(chǎn)線應用示意圖

RFID技術結合光纖以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線可以構成一個復雜的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車涂裝生產(chǎn)線的柔性生產(chǎn)，提高汽車車身生產(chǎn)的自動化水平和適應不同品種生產(chǎn)的靈活性，使系統(tǒng)具有很好的可靠性和容錯能力。

2.3 RFID在汽車總裝生產(chǎn)線的應用

總裝車間作為汽車整車生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)，涉及零部件眾多、工序繁多，對保證汽車質量和生產(chǎn)進度起著重要作用，任何裝配工序的中斷就意味著作業(yè)的耽誤。在總裝生產(chǎn)線上，特別是在采用JIT(Just In Time)準時制生產(chǎn)方式的流水線上，原材料與零部件必須準時送至工位，庫存與物料供給也必須配合車輛裝配進度。采用RFID技術之前，汽車制造廠是以人工方式，通過采用條形碼或紙制識別卡來實現(xiàn)對車輛裝配進度的實時追蹤與監(jiān)控，其缺點是條形碼和識別卡極其容易被毀壞、調換或丟失，從而造成生產(chǎn)作業(yè)出現(xiàn)錯誤操作。因此，國外汽車界都在努力利用RFID技術向同步化裝配流程目標努力。

以Ford汽車公司為例，其墨西哥工廠早在幾年前就開始采用RFID技術解決上述問題。該廠在組裝車輛的掛具上安裝可回收、可重復使用的RFID標簽，然后為每臺組裝車輛編制相應序號，用閱讀器將此序號寫入RFID標簽中，帶有汽車所需的詳細要求的標簽隨著裝配輸送帶運行。在每個工作點處合適的位置安裝閱讀器，以保證汽車在各個流水線位置處都毫無錯誤地完成裝配任務。當載有組裝車輛的掛具經(jīng)過閱讀器時，閱讀器可自動獲取標簽中的信息并送至中央控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)便做到了實時采集生產(chǎn)線上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質量監(jiān)控數(shù)據(jù)等，然后傳送給物料管理、生產(chǎn)調度、質量保證以及其他相關部門。這樣就可同時實現(xiàn)對原材料供應、生產(chǎn)調度、質量監(jiān)控以及整車質量跟蹤等功能和有效避免人工操作的各種弊端。

3 RFID技術面臨的問題

RFID是一項新技術，其應用正處在快速發(fā)展之中并且有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。但也有其局限性，在推廣應用中遇到了不少挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)成本問題。成本是制約RFID推向應用市場的巨大瓶頸之一：①作為RFID系統(tǒng)中的重要部件，不論是電子標簽還是閱讀器，其價格都比較昂貴。僅僅是標簽的單個成本就已達到了30～60美分，一些低價位的商品無法采用高檔的RFID標簽；②完整的RFID系統(tǒng)還需要其他硬件和軟件的支持，最終安裝1臺RFID識讀裝置的成本不會低于10萬美元，而整個系統(tǒng)未來的維護費用還將占有不小的比例；③一個復雜的射頻識別系統(tǒng)肯定會影響現(xiàn)有的業(yè)務流程，必將要求相應的人員培訓和業(yè)務流程重組，其服務成本也需要考慮。

因此，如何降低成本成為RFID技術被廣泛應用的關鍵因素之一。降低成本首先考慮整個標簽供應鏈，包括標簽芯片的成本、標簽天線的成本、標簽封裝以及標簽印刷的成本。在滿足功能和性能的前提下，努力降低芯片面積是降低芯片成本的關鍵，采用先進的制造工藝，優(yōu)化芯片的設計很重要。在標簽天線的制造方面，目前有銅腐蝕方法和導電銀漿的印刷方法，都需要從成本降低的角度加以改進和提高。

(2)技術標準。技術標準是RFID標準體系中最基本的組成部分，標準化是推動產(chǎn)品廣泛獲得市場的必要措施。但射頻識別讀取機與標簽的技術仍未見其有統(tǒng)一的標準，因此無法一體化使用；閱讀器與電子標簽通信的無線電頻率使用不規(guī)范；標簽上的芯片性能、存儲器存儲協(xié)議與天線設計約定等，也都沒有統(tǒng)一標準。在今后一段時間內(nèi)，技術標準問題仍將繼續(xù)阻礙RFID在我國的推廣。

(3)隱私與安全問題。將來隨著RFID的大規(guī)模應用，在射頻識別實施過程中，隱私和安全必將成為普遍關注的問題。目前的無源RFID系統(tǒng)沒有讀寫能力，所以無法使用密匙驗證方法來進行身份驗證，如果標簽是有源的，并且會收到不斷變化的驗證密鑰，那將會大大提高其安全性，不過這又會增加其成本。因此，目前的RFID技術要想在對信息有保密要求的領域展開應用還需要加強研究。

(4)電磁環(huán)境問題。RFID應用的電磁環(huán)境是一個開放的電磁環(huán)境，對開放電磁環(huán)境的復雜性認識不足，缺乏足夠的依據(jù)和專業(yè)指導。特別是對于相對較復雜的汽車工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，例如焊裝工藝生產(chǎn)線，焊接設備在焊接過程中的電磁干擾發(fā)射不僅會對電網(wǎng)造成污染，而且，對連接在同一電網(wǎng)中的用電設備造成影響和損壞，對設備品質、網(wǎng)絡通信和信號傳輸也都是重大的考驗。此外，因為RFID技術還處在發(fā)展過程中，其測試方法尚未形成規(guī)范，遠距離RFID系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境問題尤其突出。

RFID技術在汽車生產(chǎn)線中的應用，有著其他技術無法比擬的優(yōu)勢，非接觸式自動獲取數(shù)據(jù)并且可承受惡劣工作環(huán)境，這就保證了其優(yōu)點是配置靈活、響應速度快、對系統(tǒng)通信的要求低，使生產(chǎn)廠能準確采集相關數(shù)據(jù)并進行在線分析和處理，實現(xiàn)汽車生產(chǎn)線的自動實時追蹤和有效監(jiān)控，提高了生產(chǎn)效率。相信隨著RFID技術的不斷發(fā)展和應用系統(tǒng)的推廣普及，RFID技術在性能方面必將會有較大提高，成本也將逐步降低，從而安全隱患也將得到緩解。RFID技術必將成為汽車信息化制造與汽車信息化管理的主流，從而推動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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[6]王崇韞.無時不在的視覺跟蹤者——RFID在汽車生產(chǎn)線上的應用[J].現(xiàn)代制造，2004(30)：90-91.