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“智能物流” - 在生产物流中使用创新的信息和通信技术
简介
RFID等创新数据采集技术已在贸易和库存管理领域证明其实用性和经济效益，但是对于在制造业中的使用，我们必须考虑更多的不确定性。在智能物流项目的框架内，这些因素都应在金属加工公司的生产物流领域得到证明。该项目和主要概念将在文章中介绍。
一、基本介绍
现如今，为了在日益动态化的市场上取得经济上的成功，生产公司必须满足快速变化的环境的要求。这种发展的特点是外包，交货时间短，产品生命周期短以及顾客个性化需求。其结果是，必须应对日益增长的动态化、对自身生产系统的控制以及供应商网络要求。这些公司通过适应性生产，以及专注于核心竞争力和更多的合作来应对这一挑战。因为在实际的生产流程中提高效率的潜力已经接近枯竭，联网功能逐渐走入了优化的研究焦点。网络可以分为内部和外部区域。 内部网络由生产物流覆盖，涉及材料的供应和在机器的位置上的处理加工。外部区域包括所有的供应商，顾客以及直接供应生产现场或是接收产品的货运代理，这些因素不应被进一步考虑加入本文的框架中。与外部网络不同，到目前为止，生产物流还没有得到足够的关注。但是，当我们讨论相关因素并寻找进一步的经济潜力时，这个领域才得到了更多的关注。它被视作为一种生产内部的产品物流并因而被理解作为一项服务。其主要任务是供应和处理具有安全优先级的物料。
此外，为了减少资本约束，这项任务必须被及时执行，并且由于生产流程中的变化，执行中必须要用灵活的方式，并且要考虑到资源的最优化使用。在生产物流方面，其所需的动力只能通过对于机制的控制来实现，而这里的机制则基于事先定义好的结构，比如资源的种类和数量，以及现有的通信基础设施。另一个特点是有意识地雇佣工作人员，这是所有资源中最为灵活的一种。
在这个领域我们需要的不是以前的集中控制系统，而是创新的分散的程序，以便于在生产中可以充分发挥其适应性的潜力。另外则是所谓的市场位置的最优化利用，用于内部物料供应并且与外部网络功能相连接。出于这个目的，开发适当的辅助系统会很有作用，该系统用于帮助工作人员安排市场和采购过程。
另一方面，有创新的程序和辅助设施，其在物料供应中的应用必然导致效率和灵活性的显著提升。如RFID或条形码系统等创新的信息采集技术，可以用于仓库盘点以及设置供应和处理机器位置的事件。当前的传输程序，比如WLAN，将以这种方式获取到的信息传输到中央服务器，中央服务器处理数据并下放重复订单或是安排内部供应流程。除此之外，这种应用还使得系统文档的完整性得到了更多的保证，并且改进了对生产过程的监控。
在制造业中使用无线通信技术会遇到许多的挑战，特别是金属加工业。从无线电技术的角度来看在仓库和百货商店的专业操作经验可以被轻松地应用于该领域。这些经验是进一步的研究以及将这些技术引入该领域的战略的基础。
二、联盟和基本概念
在智能物流项目的框架内，合作伙伴担任着不同的任物，如图1所示
图1 联盟
Dresden Technical University与TCS GmbH合作负责数据的采集和传输。RWTH Aachen和 the Intellion AG的机床实验室在信息准备和信息提供方面开展了工作。将获取到的信息传输至工作人员则是Simcron GmbH的工作任务。他们的工作是为了开发出一个服务于通用结构并显示在Fehler! Verweisquelle konnte nichtgefunden werden的系统，并以此为基础，整个模块按照表1的任务来进行设计。
图2模块化结构
下面仅讨论TU Dresden和TSC GmbH的任务，即数据收集和传输，到网络控制模块。
三、看板
3.1 看板技术
未来生产物流的控制系统的基础是迄今为止仍在使用的看板方法。功能模式见图3。看板返回发的主要目标是在满足要求的情况下的服务的生产或提供。通过在看板上附上一个所谓的看板卡，按图4中的规划表安排，对具体的原材料、半成品和运输容器的需求都显示看板的在看板上。在看板方法的实际运用中，员工必须通过收集这种看板卡片来确定看板的需求。这种变化的需求的主要问题是如何掌握其更新的时间周期，而这恰恰就是自动看板方法的真正的优势所在。除此之外，看板方法的另一个好处就是拥有可服务于其他业务流程的数字化信息数据。下文介绍了看板方法的发展和调试。
图3 看板方法
3.2 标准表的构建
标准表是数据收集必不可少的前置条件。就如员工很少会被要求对流程做出轻微调整，标准表作为数据收集的基础也不会被随意更改。不过一些更改需求和附加条件，如2到10厘米的识别范围，以及其他少量的数据和独立阅读还是会被考虑，同时RFID系统的频率也被选择在13.56MHz。符合ISO 15693标准。
RFID技术的特点是对标准表进行修改的原因，下面我们将会对这一点做出解释。按以往的设置，看板上的几张卡片只会轻微交叠，但是，如果转发器发生重叠，那么就无法保证有效的识别。所以看板上的各个区域都必须彼此分开以避免标签的重叠。出于此目的，具有交错标签的看板系统被开发出来了。在这个系统中，看板卡本身可能会重叠，但是转发器不会重叠。这种布置的另一个好处就是减少了几个标签被同时放到几个包里的可能性。
将这些需求考虑在内，我们开发出了如图4所示的标准表，旁边是与其功能相适应的天线。天线可以直接安装在电路板后面，并可以用微调电容器调整以适应不同的RFID读取器。
图4 看板正面
由于从近场到远场的过度，因此我们无法做出精确校准的计算，所以我们必须通过多次的实验来找到调整的合适的范围。此外，完整标准表的组建中还有相关的RFID读取器和用于将数据传输到WLAN的模块。根据数据收集的概念，阅读器可以捕捉到置于标准表上的RFID转发器，这个过程取决于所选用的RFID阅读器。标准表的另一个组件是外壳，可以保护所有组件并且保证其工业实用性。看板的现实使用版本正在使用的是与Sena LS lOWOW Hello的设备相结合Feig MRIOO-A或Feig MRI0I-A读卡器
图5 从背后打开看板
3.3 数据收集
信息收集要求规范是为了识别多达64个转发器，但是，对于所选择的RFID阅读器，制造商只能保证16个转发器的识别，因此必须开发单独的检索算法来读取所有现存的转发器。该算法如图7所示。除了可以实现可靠的全转发器识别意外，新算法的第二个优点是由具备新的转发器列表的三重请求带来的更高的基本识别率。
图6 看板的组成
3.4 测试
对单个发送应答器的检测是所有后续操作的基础，因此我们必须以高可靠性的要求来检测每个发送应答器。为了保证这一点，我们在开发过程中进行了广泛的测试，这些测试也与之前的最终测定相对应。
图7 需求算法
首先，我们定义了可能的错误及其影响。
（1）转发器被双重识别，错误被软件抑制，因此不需要进一步考虑；
（2）未检测到发送应答器
（3）转发器因为不可能的结果而被错误地识别，错误被软件抑制，因为可能的转发器ID已知，所以这个错误不需要进一步考虑；
（4）检测到转发器的可能结果不正确。这个错误无法被识别。结果表明识别系统存在系统性错误。在进行超过500000次的大量测试期间，因为转发器错误识别的事件仅发生两次，结果不可能。由于转发器的ID是一个16位长的十六进制值，因此可能会对导致错误识别的可能性P评估为0。
因此，未检测到的可能性P可被定义为技术可靠性为：
图8检测率
根据上文，所需的现场检查范围计算大致为：
在最大相对点检查错误率c = 0.25，且统计安全性q = 0.95的情况下，需要n = 6085次测量的单点检测。 可能的错误率可以计算为p = 0.1。
图9 网络拓扑图
图10 结构网络管理器
在实验室条件下，我们使用16,32,48,50和64个转发器进行了6000次测量。转发器安装在看板上的10个不同的随机位置，对于 64转发器，仅有一个位置的转发器被使用了，因为结果需要使用4、8和16个转发器进行3000次测量。每次测量包含一组10个随机的位置。 在正常条件下，看板方法的技术可靠性（可读性）被优化为支持50个转发器。图8中显示的结果表明了用于测量的由n个转发器组成的单个识别包的识别率。
四、数据传输和网络管理器
看板通过WLAN连接到服务器，该网络由10个运行的接入点（AP），即4个单AP和6个双AP组成。对于连接，此处使用的标准为对IEEE 802.11b和IEEE 802.11g，实际的网络拓扑结构如图9所示。网络管理器是所有硬件组件的控制和管理实体，并为上层实体提供统一的接口。所使用的配置如图10所示。
五、可靠性
5.1 定义
通信系统的质量将通过过程可靠性Zn（t）描述为在规定的工作状态K（正常操作，受干扰的操作，故障）中运行通信系统一段时间的概率。 以下状态适用于数据收集和传输系统：
正常运行：所有看板（KB），所有接入点（AP）和网络管理器（NWM）都在正常工作，内有任何性能折旧；
运行受干扰：所有看板和网络管理器都在没有任何性能折旧的情况下工作，并且不超过一个接入点（除开1号接入点）停止响应；
故障：一个或多个看板停止响应，超过一个接入点停止响应，接入点1停止响应，网络管理器停止响应。
本文只涉及正常操作。流程的可靠性取决于其技术可靠性，操作员的可靠性和基本系统的可靠性。
其中Zr =技术可靠性
Zsy=操作员可靠性
Zsyv=资源可靠性
Zsyl=基础设施可靠性
在上面的案例中，技术可靠性也可以被称为，看板中的数据收集可靠性；节点中的连接的可靠性；连接中的传输可靠性。
它可以用看板的数据收集的检测率和连接、传输时间来计算。
故障和其再次出现行为会被系统可靠性定义为在时间t内运行特殊配置的概率，在这个过程中，我们可以用储备和维护的方法来减少故障的出现次数。系统的净可用时间包含闲置时间，在这种情况下固定流程是长期可用的。
5.2计算
考虑到理论可靠性，看板的物理模块可以被看作一个串行系统。结果就是物理模块的故障率可以累加，其可用性可以用设定设备更换时间的中值来计算。
这里由31个看板正在使用中，还有7个作为备份并未投入使用。系统的可靠性可以用去掉转换时间之后的设定的设备更换时间的中值来计算。
网络管理器的可靠性则由生产企业的数据，按照系统可靠性机型计算。
WLAN包括两种不同类型的10个接入点（AP），型号1的单接入点有4个，其中一个不使用并作为备份；型号2的双接入点有6个，其中有两个不使用并作为备份。
一个接入点发生了故障的情况下，这个接入点会被关闭，并且其所连接的接入点和看板会被分配给其他接入点。转换时间对应于维护持续时间。在多个接入点故障的情况下，系统会崩溃。故障的接入点在被关闭后，会1在下一个休息期被备用接入点替换。然后实际的修复工作就可以开始了。对于计算，接入点MTRAP的平均修复时间取决于其相应的数据叶，这部分计算工作由一个维护团队负责。因此WLAN的故障和恢复过程可以被视为两个独立的流程部分。
- 正常运行
从可靠性理论来看，该过程是一个包含十个要素的串行系统。任意接入点的故障都会导致系统的崩溃。只有在恢复（切换为其他接入点）之后系统才能进行进一步的工作。在切换故障的接入点之前，仅运行不超过10个接入点可以看作是特殊情况。系统正常运行的持续可用时间的计算前提是两种类型的接入点的故障率相等。
- 保养过程
使用具有无负担储备的2 n - k模型（Markov-模型）的串行系统来修复故障的接入点。可以使用此模型计算所需数量的AP的可用性。概括地说，以下模型适用于一类接入点的正常运行。
正常运行中，整个系统的系统可靠性计算为：
损失率Pv的计算基于[20]。 它考虑了与距离相关的性能。
- 框架以相同的带宽传输两次，如果第二次传输失败，则使用较低的带宽。 这个流程将再重复两次，然后将每个级别的级别降低到具有最低带宽的最低级别。
- 仅会讨论IEEE 802.11b协议的最不利情况。
- 故障率被定义为单个框架也不能以1 MBitis的最低传输速度被第二次发送的概率
可以通过几何分布来计算框架的第n次传输重复的概率。边缘的数据丢失率可以用下式计算：
参数p的建立必须根据特殊情况的传输质量Q。 整个系统的传输可靠性可以在最坏的情况下（非优传输速率的最大边际值）评估为：
整个系统的流程可靠性可用下式计算：
六、总结和展望
在“智能物流”项目的框架内，我们已经建立起了这样一个概念，这会使企业内部物流更加高效。 出于这个目的，必须解决诸如整个系统的模块化布局之类的概念问题，现在已经有了基于网络控制系统的引入的新方法。
除开这个概念，技术问题也必须得到解决，例如选择合适的传输方法和开发自动看板。这些努力的结果是在2007年2月和3月整个系统的实施。在第一阶段
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资料编号：[982]
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