RFID技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

趙 銘 ，許冀威

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，廣漢 618307；2.中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院， 廣漢 618307）

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification, RFID）是一種將射頻電磁場(chǎng)用于資產(chǎn)的自動(dòng)識(shí)別和資產(chǎn)追蹤的非接觸式數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)。

RFID系統(tǒng)由4個(gè)部分組成（如圖1所示）：標(biāo)簽、天線、讀寫器和上位機(jī)。讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入天線輻射場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得信號(hào)，發(fā)送出自身編碼等信息，被讀寫器讀取并解碼后發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理[1]，RFID主要使用的頻率范圍及工作特性如表1所示。

1 在航空領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

RFID技術(shù)應(yīng)用在航空領(lǐng)域起步較晚，隨著近年來該技術(shù)的日漸成熟，飛機(jī)制造商、部件生產(chǎn)廠家、機(jī)場(chǎng)等都開始采用RFID技術(shù)進(jìn)行資產(chǎn)追蹤識(shí)別管理。

1.1 飛機(jī)部件管理

2011年，波音宣布啟動(dòng)商用飛機(jī)零部件追蹤的RFID計(jì)劃，方便航空公司客戶用于維修流程管理，還計(jì)劃對(duì)其波音737、波音777、波音787等商用機(jī)型安裝RFID系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置，客戶可以使用該系統(tǒng)來改善相關(guān)維護(hù)操作流程[2]。

圖1 RFID系統(tǒng)組成Fig.1 Simple drawing of RFID setup

A350寬體客機(jī)將是世界首架大規(guī)模RFID標(biāo)簽的飛機(jī)，每架飛機(jī)大約有700種不同件號(hào)的3000 個(gè)可修復(fù)型零部件安裝了永久性的RFID標(biāo)簽[2]。這些標(biāo)簽被設(shè)計(jì)為可嵌入式，對(duì)資產(chǎn)服役全壽命周期的維修記錄進(jìn)行跟蹤記錄。這一計(jì)劃屬于空客價(jià)值鏈增值計(jì)劃的一部分，旨在利用最先進(jìn)的RFID技術(shù)來加強(qiáng)管理的流程化，從而改善整個(gè)供應(yīng)鏈的信息可見性和可衡量性。霍尼韋爾2013年開始應(yīng)用 RFID技術(shù)到其生產(chǎn)的電子電氣設(shè)備上[3]。

1.2 工具追蹤

塞斯納是世界最大的通用航空飛機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠，該公司從2013年開始在其位于美國(guó)威奇托的上千平方米工作區(qū)域內(nèi)嘗試使用無(wú)源超高頻標(biāo)簽追蹤管理生產(chǎn)工具。RFID系統(tǒng)定位工具所在的區(qū)域使工作人員可以在很短的時(shí)間內(nèi)找到需要的工具，而非搜尋整個(gè)廠房。

世界最大的工具制造廠家之一的史丹利百得開發(fā)的PROTOid工具套裝，在設(shè)計(jì)時(shí)直接將RFID芯片嵌入工具內(nèi)部，通過合理設(shè)計(jì)，增大了工具的被識(shí)別范圍和準(zhǔn)確性。

1.3 旅客登機(jī)/行李管理

隨著RFID標(biāo)簽和普通條碼標(biāo)簽之間的價(jià)格差距越來越小，全球多個(gè)機(jī)場(chǎng)（如拉斯維加斯、迪拜、香港等知名地區(qū)的機(jī)場(chǎng)）開始使用RFID標(biāo)簽的旅客登機(jī)定位/行李分揀系統(tǒng)：（1）旅客登機(jī)定位系統(tǒng)。主要使用的是讀取距離較長(zhǎng)的主動(dòng)式RFID標(biāo)簽實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（Real Time Location System, RTLS），其識(shí)別距離可達(dá)50～100m。通過安裝在候機(jī)廳較高部位的多個(gè)部位的讀寫器，可以較為精確地定位旅客所在的位置，避免了旅客錯(cuò)過登機(jī)時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)；（2）旅客在登機(jī)前辦理行李托運(yùn)時(shí)，行李會(huì)放到傳送帶上分別輸送到所搭乘的飛機(jī)中，主要通過貼在其上的條形碼來進(jìn)行識(shí)別，但提升條形碼的識(shí)別精度很難，每個(gè)行李的提手位置都不一樣，條形碼也就不可能總是朝向一致。因此，需要在幾個(gè)方向設(shè)置多個(gè)條形碼讀取器，即便如此，也有不能正確識(shí)別的現(xiàn)象。RFID標(biāo)簽可以張貼在任意位置，與傳統(tǒng)的條形碼相比，識(shí)別失敗率從20%降到了3%[4]，RFID技術(shù)使處理行李的時(shí)間大為減少。

2 RFID在航空業(yè)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

盡管RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域的多個(gè)方面，但航空業(yè)與其他行業(yè)有很大的不同，具有高度的特殊性，要考慮到如工作環(huán)境、適航相關(guān)法規(guī)等許多復(fù)雜情況的影響。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)差異化

不同使用環(huán)境對(duì)標(biāo)簽提出不同要求，如有些標(biāo)簽需要承受燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)較惡劣的環(huán)境，或者需要耐腐蝕和撞擊，因此單一標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽不可能滿足所有條件下的應(yīng)用要求。

在航空領(lǐng)域現(xiàn)行主要的標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)運(yùn)輸協(xié)會(huì)的ATA Spec2000，EPC global的 EPC Class1 G2，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO18000-6C。

2.2 金屬對(duì)標(biāo)簽的影響

不可忽視的是，由于飛機(jī)大部分的部件為金屬制造，當(dāng)RFID標(biāo)簽使用在或接近于金屬表面和等效金屬介質(zhì)表面時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，金屬會(huì)在標(biāo)簽周圍引起渦流，削弱原射頻能量。這些渦流引起的垂直于該金屬表面的磁場(chǎng)，使讀寫器發(fā)出的射頻場(chǎng)在標(biāo)簽表面磁力線趨于平緩，甚至平行，無(wú)法切割磁感應(yīng)線，從而使標(biāo)簽讀寫失效。金屬還會(huì)引起額外的寄生電容，反射能量遠(yuǎn)離標(biāo)簽,使標(biāo)簽天線失諧,防止它從讀寫器接收到能量。RFID標(biāo)簽與金屬表面距離不同，對(duì)讀寫效果的影響也不盡相同：（1）干擾。當(dāng)金屬表面與RFID標(biāo)簽之間有一定距離時(shí)，反射電場(chǎng)的相位和原來的電場(chǎng)相位相反時(shí)，會(huì)抵消，從而降低標(biāo)簽的讀取率[5]；（2）強(qiáng)化。如果間距是入射波長(zhǎng)的1/4（航空領(lǐng)域現(xiàn)階段主要使用超高頻UHF 915 MHz）標(biāo)簽,電場(chǎng)剛好和原來的電場(chǎng)位相相同時(shí)，感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，可以提高標(biāo)簽讀取率。如圖2所示，即使對(duì)915MHz的超高頻標(biāo)簽，入射波長(zhǎng)的1/4也有80mm，這對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用是不切實(shí)際的。因此需要通過設(shè)計(jì)，如基于陶瓷介質(zhì)的微帶天線、嵌入式標(biāo)簽利用原部件形成增強(qiáng)天線等方式提高讀寫距離和準(zhǔn)確性。

2.3 RFID標(biāo)簽是否需要取得適航認(rèn)證

RFID系統(tǒng)適航方面的探究涉及系統(tǒng)安全性和識(shí)別數(shù)據(jù)相關(guān)的完好性、精確性和真實(shí)性驗(yàn)證；火災(zāi)和電氣安全性，損毀性安全和環(huán)境條件相關(guān)的安全性驗(yàn)證；在電磁兼容性方面，現(xiàn)在航空部件及工具設(shè)備上的主要使用的是 UHF——超高頻（頻率范圍：856～960MHz），重點(diǎn)考慮RFID 不能生成有害干擾，也不能被其他系統(tǒng)所干擾等要素。

隨著美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）2008 年9月通過了對(duì)RFID的適航監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)交互通用標(biāo)準(zhǔn)（AC 20-162）[6]，現(xiàn)在正是RFID技術(shù)在航空領(lǐng)域發(fā)展的黃金時(shí)機(jī)，為了降低系統(tǒng)成本，可將RFID技術(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用分為需要取得適航認(rèn)證與不需取得適航認(rèn)證兩類，如表2所示。

2.4 是否適合用在航空維修業(yè)

航空公司競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境日益激烈，因此需要不斷進(jìn)行一系列的成本控制措施，以保持長(zhǎng)期的盈利能力和可持續(xù)性。一般來說，雖然飛機(jī)維修對(duì)航空公司是非核心業(yè)務(wù)，但飛機(jī)維修成本約占航空公司營(yíng)業(yè)收入的10%～15%[7]。多項(xiàng)研究表明，技術(shù)人員花在生產(chǎn)上的時(shí)間僅20%，而剩下80%的時(shí)間都用于維修支援工作，如部件跟蹤、信息收集、工具設(shè)備尋找等。同樣，被移除的部件或需要定期維護(hù)的部件常常在還能正常使用的情況下被拆除（縮短了經(jīng)濟(jì)壽命），或者錯(cuò)過關(guān)鍵計(jì)劃維修項(xiàng)目導(dǎo)致其有超限服役的風(fēng)險(xiǎn)，給這些航空器維修單位帶來潛在適航責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)。所以，航空公司需要在飛機(jī)維修上實(shí)施成本節(jié)約戰(zhàn)略。

飛機(jī)維修成本與航材庫(kù)存管理也有著密切的關(guān)系。許多航空公司沒有能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)飛機(jī)零部件衰退趨勢(shì)的能力，因此往往采取“以防萬(wàn)一”而不是“即時(shí)”的庫(kù)存策略。估計(jì)全球航空業(yè)備用庫(kù)存航材的價(jià)值超過500億USD[8]；航空公司常常要經(jīng)歷由于庫(kù)存短缺而造成的航班延誤和取消航班，一架次航班取消的成本約為92000USD和航班延誤每分鐘將損失100USD[9]。因此大多數(shù)航空公司需要找到改善庫(kù)存管理，提高航線維護(hù)有效性和飛機(jī)可用性的方法。過去主要依靠人工讀取零部件信息，盡管有些航空維修企業(yè)后來引入了條碼管理，但仍需要人工過多的干預(yù)，效率依然不高。航空公司需要找到一種真正的解決方案，快速定位零部件，降低航班延誤與取消率，RFID正是好的選擇。

圖2 RFID標(biāo)簽與金屬表面距離對(duì)讀寫效果的影響Fig.2 Effect of reading and writing based on the distance between RFID tag and metal surface

表2 RFID技術(shù)在航空業(yè)主要應(yīng)用情況

3 結(jié)論與展望

航空業(yè)的特點(diǎn)是“投入大，利潤(rùn)回報(bào)慢”。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，民航業(yè)2013年的總收入是6710億USD，但利潤(rùn)僅為106億USD，回報(bào)率僅為1.5%[10]。毫無(wú)疑問，RFID技術(shù)正在為航空業(yè)的發(fā)展帶來巨大潛力，如果能充分發(fā)揮RFID技術(shù)在改善原材料利用、工具有效管理和供應(yīng)鏈流程優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì)，將RFID技術(shù)應(yīng)用貫穿于航空產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的整個(gè)上下游，用于航空部件整個(gè)生命周期，為航空企業(yè)帶來的利潤(rùn)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)階段在航空器維修企業(yè)或飛機(jī)制造商單一化RFID應(yīng)用帶來的直接投資回報(bào)。

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