基于物联网技术的地铁关键外购件质量跟踪研究

张琴

摘 要：论文针对引进物联网技术的地铁关键外购件质量跟踪进行了研究。首先对适用于地铁车轮的标签进行了大量研究，包括选型及封装方式、固定方式和粘贴位置等方面，最终研制了一款大小合适、性能很强、抗金属环境、抗粉尘和防水、防震动的标签。其次对RFID中间件进行了研究，并研发出一款通用的RFID中间件软件。最后，通过质量跟踪管理平台和终端采集系统的建设，实现了地铁关键外购件车轮的全程质量跟踪管理。

关键词：质量跟踪；地铁；关键外购件；射频识别

前言

地铁上经常维护的设备及部件多达上万件，与列车运行安全相关的关键部件有近千件，做好这些部件采购、供发货过程中质量保证和跟踪管理是列车关键件质量管理中的重要一环。目前关键外购件质量保证和跟踪管理存在外购件管理中质量信息不全；质量复核信息录入不及时，且容易出错；质量信息不能及时跟踪等问题。

本文以物联网技术为基础，进行关键外购件质量跟踪管理技术研究，并以车辆关键件车轮从生产商采购到再加工、及现场交付的全过程的质量跟踪管理为示范。其间涉及出厂质量数据的建立、再加工质量管理、仓储管理和现场交付的质量跟踪管理等。

1 系统的组成

基于物联网技术的地铁关键外购件质量跟踪系统包含地铁公司关键件全程质量跟踪系统、生产商和二次加工商的信息采集与处理系统。其中地铁公司全程质量跟踪系统有各类操作终端和服务器系统所组成。操作终端包括管理终端、配置终端和监控终端；服务器系统包括应用服务器、中间件服务器、数据库服务器和通信服务器。生产商和二次加工商关键件信息采集与处理系统主要包括操作终端、服务器系统和终端信息采集处理系统。其中终端采集处理系统由无线网络、RFID手持机和RFID电子标签构成。系统总体架构图如图1-1所示。

图1 -1 系统架构图

整个系统通过厂内局域以太网和无线公网连为一体，实现数据的远程和局域传递。

2 关键技术研究

本模板的写作注意点都是在以往发表的稿件中总结出来的高频需修改处。

2.1适用于地铁车轮的RFID标签集成技术研究

在国内将RFID（Radio Frequency Identification）技术应用于地铁车轮的质量跟踪管理，尚属首次。鉴于金属对射频信号存在多径效应、车轮现场环境（生锈、油污、雨水等）恶劣复杂、车轮形状不平整规则、同时车轮在多种情况下都需要进行二次加工，这些都使采用物联网技术进行车轮追踪变的困难。为使RFID标签在车轮管理上有好的效果，标签研究主要从标签的选型及封装方式、固定方式、粘贴位置和标签物流过程跟踪测试四个方面开展研究。

2.1.1标签选型及封装方式研究

车轮属于金属材质，其对射频信号传递有很大影响；而且车轮物流、加工过程中现场环境恶劣，有金属粉尘，易生锈，且在运输过程中有雨淋、振动大。

标签封装包括三个主要工艺：天线基板制作、Inlay制作（一次封装）和基板上涂覆绝缘膜、冲裁（二次封装）。本次项目中主要是对二次封装环节着手研究适合本项目的最终标签。封装时在标签和金属表面中间插入高导磁率的隔离粉末材料，在相当大程度上避免了涡流的出现，从而可避免金属对标签性能影响。同时，选用了纸质、PVC、塑料合成及PET四种封装材料进行测试研究。

经过在金属材质表面和车轮上的跟踪测试研究表明，纸质封装标签只能在车轮贴标签一侧被识读，其他面均无法识读。其余三种封装方式的标签均能在360度范围内被识读，但是PVC封装标签和PCB封装标签的识读距离分别为0.6米和0.8米，且不同角度存在不稳定性。两款PET封装的标签均有很好的识读距离，且全方向性能稳定。与地铁车轮不规则形状完全贴合。

为进一步从这两标签中选取性能最佳的标签，对两款标签进行了场强性能测试。其中：1#标签采用 Intelleflex 公司的 XC1 芯片；2#标签为Alien Higgs?-3 IC含800bits NVROM标签的相应辐射特征图如下：

图2-1 1号标签

图2-2 2号标签

1号标签在X、Y两个方向的最大值都是5.3；2号标签横向X最大值是3.8，纵向Y最大值是3.3。由此测试结果看，1号标签性能更佳，故项目应用选用了1号标签。

2.1.2 标签固定方式研究

因为车轮表面不平整，且有油污、易生锈、还会涂漆，标签自带的胶很难将其牢固地固定在车轮上，本次选用了3M胶、502胶、AA201胶水、AB胶快干型四种不同的胶进行粘贴性能测试。胶水详细信息如下：

图2-3 胶水粘度时间曲线图

针对上述四种胶的特性，从固化时间方面考虑，首先淘汰AB胶快干型，重点在3M、502和AA201胶水间进行试验选择，3种胶水都具有良好的快粘特性，但3M胶的粘性强度基本保持不变，而502和AA201胶水在粘接后强度会随着时间增加，大约在30分钟后稳定，502胶会在一小时左右固化。由于车轮存在型面、且运输过程中有振动，这些对502胶的粘接特性有一定损坏，造成标签脱落。

对上述4种胶水的现场试验，也证实了这一结果。选取4种胶，将标签粘贴于车轮上，并放置在室外进行跟踪测试。本次研究经历了一年的时间，从粘贴日开始每周跟踪测试一次。AB胶水粘接快速性差、且操作麻烦；3M胶标签，经过一个半月后已经开裂；502胶水标签，在车轮运输中存在部分脱落。

为使标签粘接强度在快速性和持久性方面都有好的性能，进行胶水的混合使用测试，发现采用3M胶和AA201胶的叠加使用效果最好。

2.2 RFID中间件技术研究

基于物聯网技术的关键外购件的质量跟踪，系统物品多，物流过程复杂，涉及的现场RFID识别设备多。通常系统结构如图2-4所示。这种系统结构复杂，后台信息处理量大，并且有很多无用计算，造成后台资源浪费。为此引入RFID中间件技术，进行RFID设备的前置管理和信息处理。使得上层应用和设备管理分隔开来，互不影响，大大降低系统的复杂性，提高系统可靠性。上层应用的修改不会影响底层设备的修改，底层设备的增加减少或修改也不会影响上层应用软件。

RFID中间件功能有：标签信息关联、分类和校验，信息的存储和续传，设备的通用接口和业务系统的接口。下面就从这四个方面对RFID中间件进行研究。

2.2.1标签信息关联、分类和校验研究

地铁关键件标签信息如何编码和快速识别其物品种类及个体是关键。这里标签编码格式遵循EPC编码规范。EPC编码的通用结构是一个比特串（以二进制表示），系统编码采用一个分层次、可变长度的头字段，以及一系列数字字段组成。码的总长、结构和功能完全由头字段的值决定。

车轮标签编码是对车轮个体及其质量属性信息进行编码，该编码用于车轮物流过程中各企业对车轮信息管理和信息交换。车轮编码遵循惟一性和统一性的原则，在企业内部可以通过标签信息对车轮的生产、储运和销售等进行有效的管理。

系统中车轮需要编解码的项目共有19项，编码时从十进制数据转成二进制数据，转换时，数据要为8的倍数，不够会补0，由于标签的存储空间有限，所以对19项数据的编码进行必要的压缩，最后长度共为128位，写入标签时再转成十六进制同时进行加密，长度共为32位，解码时先进行解密，再从十六进制转成二进制，读取标签时再转成十进制。

2.2.2与设备的通用联接技术研究

目前市场上RFID设备种类多，不仅有不同的厂家，而且同一厂家的设备也有不同的型号，各家设备所使用的通讯连接协议各不相同。本项中各关键外购件供应商所选取的RFID设备各不相同，应用系统必须对每个设备进行定制开发；而且每增加一种设备或更换一种设备时，应用系统就要做相应的修改。这将会给开发人员带来很大的麻烦，因此需研究开发一种对各种不同设备进行有效接入，且对软件应用层透明的通用连接方法。

本项目对设备通用连接技术研究了一种可扩展的开放框架。其上层应用通过统一的接口来接入所有的设备，前置设备接口采取了一种设备外挂的方式实现对不同厂家的RFID设备的支持。每种不同的RFID读写器，都封装成独立的RFID设备外挂。中间件启动时，根据配置，载入需要的设备外挂，实现与读写器的连接。

2.2.3与业务系统的接口研究

为了让应用层更便捷使用读取的有效数据，需要对系统与业务系统的接口技术进行研究。项目中对应用系统接口进行了两种接口技术研究。一种是基于数据库的通信研究；一种是基于TCP/IP通信的研究。基于数据库的通信方式主要是通过ODBC方式输出数据，所有标签数据都以ASCII文本的形式存储在指定的数据库信息交换库表中。这种方法对应用层来说很透明，可直接使用数据库中的数据，实现了数据交换的无缝对接。基于TCP/IP技术的数据通讯，主要是采用提供API函数方式进行数据通讯连接。

3 基于物联网技术的车轮全程质量跟踪研究

项目以国内某大型地铁公司关键外购件之一车轮为代表，进行了基于RFID电子标签的采购物流过程的质量管理跟踪应用。车轮物流过程质量信息在各个过程写入电子标签，通过各作业点的手持设备进行信息采集和校核，实现对车轮从出厂、再加工、及现场交付的全程质量跟踪。系统有全程质量跟踪管理平台和终端信息采集系统组成。

3.1全程质量管理平台

关键外购件全程质量跟踪管理平台主要是方便跟踪查看所采购关键外购件的质量信息，通过该平台可以查看所订车轮从生产商到二次加工商再到最终目的地的整个物流过程的质量信息。平台包含采购合同信息跟踪管理、采购车轮执行炉罐号信息跟踪管理及单件车轮质量信息的跟踪管理。

3.2終端信息采集系统

手持终端信息采集系统完成收、验货时质量检查信息现场采集、处理及查询、显示。系统数据通讯通过4G网络，系统的数据交换通过公有云存储技术实施。

4 结论

本项目进行了基于物联网技术的地铁关键外购件质量跟踪系统研究。研制了适用于地铁车轮的RFID电子标签，标签粘贴剂，RFID中间件软件等。最后进行了地铁车轮质量跟踪试验研究。

试验结果表明：采用基于物联网技术现场质量检验效率提高5%以上，现场工人劳动强度降低30%以上，达到了预期的效果。同时该项研究技术也可延伸至关键外购件全生命周期的跟踪管理。系统扩展后可给地铁公司、关键件供应商及二次加工商提供大量的有意义的质量分析基础数据，创造良好的经济和社会效益。

参考文献

[1]刘科亮.超高频射频识别标签性能测试的研究[J].《电子质量》，2017（4）：21-23.

[2]闫富贵.金属环境下UHF RFID标签性能恶化分析与设计研究[J].《杭州电子科技大学》，2014.

[3]孙晓东.基于物联网的离散制造车间制造数据管理关键技术的研究[D]；南京航空航天大学；2012年

（作者单位：上海宝信软件股份有限公司）