沙祎 韓俊 張浩海 顧新橋 鄺華樹(shù)

摘 要 采用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙（DFSA）類算法解決RFID標(biāo)簽信息碰撞的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了一種BIM和RFID集成的物資管理系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的物資管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，BIM和RFID集成的物資管理系統(tǒng)的物資吞吐量在高峰期可達(dá)200萬(wàn)件，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)物資管理系統(tǒng)的物資吞吐量，不僅可以實(shí)現(xiàn)大流量的倉(cāng)儲(chǔ)物資吞吐，并且單件物資管理成本低于傳統(tǒng)的物資管理成本，實(shí)現(xiàn)了物資出廠、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、使用及轉(zhuǎn)運(yùn)等數(shù)據(jù)的信息化管理與數(shù)據(jù)模型化管理。

關(guān)鍵詞 物資管理系統(tǒng) BIM RFID DFSA算法 物資吞吐量 成本控制

中圖分類號(hào) TH862? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2024）01?0120?08

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是一種建筑行業(yè)新興的管理信息技術(shù)，它可以協(xié)助建筑企業(yè)存儲(chǔ)彼此存在聯(lián)系的建筑信息，為管理建筑物流提供相應(yīng)的信息化支持［1］，同時(shí)BIM技術(shù)可以有效解決建筑行業(yè)環(huán)境污染、生產(chǎn)效率低、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，促進(jìn)建筑行業(yè)信息化和工業(yè)化的發(fā)展，因此得到了廣泛關(guān)注［2，3］。

無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)逐漸成熟，其在數(shù)據(jù)采集、物體定位追蹤等領(lǐng)域的作用是無(wú)法取代的［4］。近年來(lái)，研究者們開(kāi)始利用RFID技術(shù)跟蹤管理建筑物流管理的相關(guān)物資，并以無(wú)線形式傳遞和采集相關(guān)信息，從而提升建筑物資的運(yùn)輸、生產(chǎn)和庫(kù)存管理水平［5］。

筆者將RFID技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建BIM和RFID集成的物資管理系統(tǒng)。首先應(yīng)用BIM構(gòu)建物資管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的三維模型，負(fù)責(zé)物資管理系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)，再應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)物資和BIM模型數(shù)據(jù)的鏈接，并用動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙（Dynamic Framed?Slotted Aloha，DFSA）類算法解決RFID多標(biāo)簽碰撞的問(wèn)題。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸物資精細(xì)化管控能力的提升，減少運(yùn)輸消耗，強(qiáng)化質(zhì)量管理，實(shí)現(xiàn)管控物資數(shù)據(jù)化，將BIM成果貫穿物資管理全生命周期。

1 原理概述

1.1 BIM技術(shù)

BIM借助三維數(shù)字技術(shù)，對(duì)相關(guān)的項(xiàng)目信息進(jìn)行集成，支持運(yùn)維、施工、設(shè)計(jì)、策劃等不同階段的項(xiàng)目進(jìn)展瀏覽，同時(shí)可以參與相關(guān)主體信息共享和交流，協(xié)調(diào)相關(guān)方的信息溝通，執(zhí)行相關(guān)運(yùn)算命令［6］。BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)如圖1所示。在BIM平臺(tái)中，可以隨意變化視角、位置、路線等來(lái)查看項(xiàng)目情況，BIM平臺(tái)為虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)設(shè)了與實(shí)際項(xiàng)目相吻合的精準(zhǔn)化、完整化環(huán)境［7］。用戶能夠在任意時(shí)間瀏覽項(xiàng)目具體進(jìn)展，對(duì)項(xiàng)目問(wèn)題原因進(jìn)行分析，查看項(xiàng)目施工工藝。同時(shí)，能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員、車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)路線進(jìn)行模擬，以確保項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程的安全性和可控性［8］。

1.2 RFID技術(shù)

作為一種無(wú)線通信技術(shù)，RFID不必在識(shí)別設(shè)備和需要識(shí)別的目標(biāo)之間采取任何的直接接觸方式，只需借助無(wú)線電射頻信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別與信息收集［9］。RFID主要包括后臺(tái)控制系統(tǒng)、閱讀器、應(yīng)答器3部分，其中閱讀器和應(yīng)答器無(wú)需直接接觸，借助電磁場(chǎng)耦合或空間磁場(chǎng)即可開(kāi)展精細(xì)交互［10］。RFID系統(tǒng)組成及功能分布如圖2所示。

1.3 DFSA算法

RFID閱讀器和標(biāo)簽之間是通過(guò)傳輸信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，極易使信道數(shù)據(jù)共享和訪問(wèn)之間產(chǎn)生沖突。當(dāng)存在多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)使用標(biāo)簽到讀寫器的上行信道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信息干擾，導(dǎo)致信息丟失［11］。隨著電子標(biāo)簽數(shù)量不斷增多，讀寫器對(duì)信息的識(shí)別效率會(huì)越來(lái)越低。因此，需要找到一種信息防碰撞算法來(lái)解決RFID存在的問(wèn)題。

DFSA算法是一種常見(jiàn)的Aloha算法［12］，在幀時(shí)隙算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)簽估計(jì)算法對(duì)當(dāng)前識(shí)別階段的標(biāo)簽數(shù)量進(jìn)行估計(jì)，并根據(jù)估計(jì)的待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量在每一幀識(shí)別開(kāi)始階段調(diào)整幀長(zhǎng)［13］。所以在DFSA算法中，為了達(dá)到最大系統(tǒng)吞吐率，每一幀的幀長(zhǎng)都是隨著未識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量的變化而變化，很好地體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)幀的優(yōu)勢(shì)。

在DFSA算法中，設(shè)幀長(zhǎng)為L(zhǎng)，假設(shè)有N個(gè)標(biāo)簽

其中，C表示從N個(gè)標(biāo)簽中選擇n個(gè)標(biāo)簽的組合數(shù)，通常稱為二項(xiàng)式系數(shù)。

當(dāng)n=1時(shí)，在當(dāng)前的時(shí)隙內(nèi)，只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)讀寫器的查詢命令的概率p為：

當(dāng)n=0時(shí)，在當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)，沒(méi)有標(biāo)簽響應(yīng)讀寫器的查詢命令的概率p為：

出現(xiàn)碰撞時(shí)隙的概率pk為：

根據(jù)式（1）～（4），可以求得在某一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)、沒(méi)有標(biāo)簽響應(yīng)、標(biāo)簽響應(yīng)之間出現(xiàn)碰撞的數(shù)學(xué)期望分別為：

則DFSA算法的吞吐率TPDFSA為：

對(duì)式（8）求導(dǎo)得：

由式（10）可知，當(dāng)幀長(zhǎng)L與需要讀寫器進(jìn)行識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)量N相同時(shí)，即L=N，系統(tǒng)吞吐率可達(dá)到最大。

綜上所述，提高標(biāo)簽數(shù)量估計(jì)的準(zhǔn)確度，使每次查詢?cè)O(shè)置的幀長(zhǎng)都等于需要讀寫器進(jìn)行識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)量N，即可使RFID系統(tǒng)的效率始終保持在最佳吞吐率附近。

2 基于BIM和RFID的物資管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 物資管理系統(tǒng)模型架構(gòu)

基于BIM與RFID的物資管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)以物資管理為目標(biāo)，以制度保障和組織保障為系統(tǒng)運(yùn)作保障，將物流信息系統(tǒng)作為載體對(duì)物料進(jìn)程實(shí)施監(jiān)控［14］。該系統(tǒng)可將庫(kù)存信息和物資運(yùn)輸數(shù)據(jù)通過(guò)BIM模型與RFID系統(tǒng)之間交互，不僅提高了大數(shù)據(jù)和大流量物資管理的運(yùn)輸水平，而且還實(shí)現(xiàn)了物資倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸全過(guò)程的高效管控。

2.2 采購(gòu)管理模塊設(shè)計(jì)

采購(gòu)管理模塊如圖4所示。

使用BIM建模軟件（如Revit）對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。BIM模型內(nèi)包含了項(xiàng)目工程整個(gè)生產(chǎn)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中所必需的實(shí)體構(gòu)件和設(shè)備的具體參數(shù)，并且在其中能夠精準(zhǔn)地找到所有構(gòu)件的尺寸和位置信息［15］。物資采購(gòu)流程框圖如圖5所示。

2.3 倉(cāng)儲(chǔ)管理模塊設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)管理模塊如圖6所示。

首先，根據(jù)實(shí)際物資的消耗情況，根據(jù)BIM場(chǎng)布軟件的模擬分析情況，合理安排緊缺材料的堆放，這樣不僅能保證一線的工作進(jìn)度，而且極大地節(jié)省了一些多余成本。對(duì)于其他物資，倉(cāng)庫(kù)管理員要通過(guò)分析物資大小、數(shù)量缺額、類型及重量等特點(diǎn)分配庫(kù)位。物資入庫(kù)時(shí)，通過(guò)安裝在倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)門口或者物資堆放點(diǎn)的RFID讀寫設(shè)備對(duì)物資進(jìn)行編碼和信息采集，并將RFID讀寫器讀取到的物資標(biāo)簽信息傳輸?shù)侥Ｐ蛿?shù)據(jù)庫(kù)中，記錄所有物資信息。

其次，在物資出庫(kù)階段，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員在填寫物資領(lǐng)料清單后提交給審批模塊由項(xiàng)目經(jīng)理進(jìn)行審批。通過(guò)審批后，倉(cāng)庫(kù)管理員會(huì)收到通知，工作人員只需去倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)取物資即可。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員領(lǐng)取到相關(guān)物資后，領(lǐng)取記錄會(huì)被RFID系統(tǒng)識(shí)別并上傳，信息上傳到后臺(tái)后，系統(tǒng)后臺(tái)將會(huì)利用相關(guān)的物資信息更新BIM模型。

2.4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)營(yíng)維護(hù)模塊如圖7所示。在系統(tǒng)維護(hù)階段，如果需要更換設(shè)備零部件，可以通過(guò)RFID電子標(biāo)簽內(nèi)的廠家信息和編號(hào)快速查找裝備零部件，查詢是否存在備用零件，以便完成快速更換。當(dāng)沒(méi)有備用零件時(shí)，對(duì)相應(yīng)的零部件進(jìn)行快速定制。最后將設(shè)備故障報(bào)修信息、維修時(shí)間等全部重新編輯到RFID電子標(biāo)簽中。對(duì)于設(shè)備或相關(guān)零部件達(dá)到使用壽命或者技術(shù)人員設(shè)定的維護(hù)周期時(shí)，物資管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示，不僅可以保證項(xiàng)目設(shè)備和零部件的充分利用，也可以保證投產(chǎn)項(xiàng)目達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境見(jiàn)表1。

3.2 測(cè)試方法

為了保證物資管理系統(tǒng)能夠正確穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，第一時(shí)間找出并修改系統(tǒng)的漏洞及錯(cuò)誤，避免系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰、運(yùn)行錯(cuò)誤等問(wèn)題。

黑盒測(cè)試是對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)子功能的輸入和輸出是否能完成設(shè)計(jì)要求功能的測(cè)試。由于本物資管理系統(tǒng)是針對(duì)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，因此采用黑盒測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)子功能進(jìn)行測(cè)試。

3.3 測(cè)試內(nèi)容

系統(tǒng)各模塊的功能性測(cè)試見(jiàn)表2。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 吞吐量

基于BIM和RFID的倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量與傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出，在執(zhí)行基于BIM和RFID的物資管理方案后，倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量有了顯著提高。1月開(kāi)始執(zhí)行新方案，經(jīng)過(guò)2～5月的過(guò)渡期，從6月開(kāi)始到12月為止，倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量大幅升高，8月倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)件，12月倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量已經(jīng)達(dá)到了200萬(wàn)件。而傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量在6～9月雖然也有一定的增長(zhǎng)，但是其增幅遠(yuǎn)不及基于BIM和RFID的倉(cāng)儲(chǔ)吞吐量。

3.4.2 物流成本

基于BIM和RFID的系統(tǒng)物資單件成本與傳統(tǒng)物資單件成本對(duì)比如圖9所示。從圖9可以看出，1月新的物資管理方案開(kāi)始運(yùn)作，初期一到兩個(gè)月的成本略有增加，這是因?yàn)閭}(cāng)庫(kù)新設(shè)備和臨時(shí)人員的增加造成了物資管理單件成本略有增加。6～9月完成員工培訓(xùn)并度過(guò)了員工磨合期后，新的物資管理方案的作用開(kāi)始顯現(xiàn)，單件成本均低于傳統(tǒng)的物資管理系統(tǒng)。9～12月，物資管理系統(tǒng)的吞吐量大幅提升后，單件成本基本與傳統(tǒng)物資管理系統(tǒng)持平。

物流單件成本對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種基于RFID和BIM的物資管理系統(tǒng)，通過(guò)物資周轉(zhuǎn)的全生命周期數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)生活物資出廠、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、使用及轉(zhuǎn)運(yùn)等進(jìn)行信息化管理并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型化管理，從而滿足各生產(chǎn)部門對(duì)物資的全程管控。基于BIM與RFID的物資管理需要多單位及部門參與并配合，充分發(fā)揮BIM模型的數(shù)據(jù)管理能力和RFID技術(shù)的信息傳遞優(yōu)勢(shì)，降低協(xié)調(diào)難度，從而保證物資采購(gòu)質(zhì)量，提升服務(wù)水平。

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