基于RFID的抽水蓄能電站智慧物資管理系統(tǒng)研究及應(yīng)用

王春明，徐漢坤，鄭 凱，危 偉，馬曉晨，游光華，趙毅峰，鄭小剛，吳燕飛，朱中山，范建強(qiáng)，沈 浩

(1. 華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，安吉 313302；2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用等作用。由于電站內(nèi)部洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各類設(shè)備種類繁多，物資出入庫(kù)頻繁，因此對(duì)電站的物資管理系統(tǒng)智慧化提出了更高的要求。目前，物資的管理系統(tǒng)仍以ERP為主，操作流程、方式較為繁瑣，信息交換渠道不暢，無法滿足基層物資管理人員的實(shí)際工作需求。物資管理的主要方式有：管理員現(xiàn)場(chǎng)檢查、人工記錄、電子臺(tái)賬更新等，物資出庫(kù)、入庫(kù)及盤點(diǎn)仍采用人工方式。在物資出、入庫(kù)量較大時(shí)，這種管理模式效率低下，經(jīng)常出現(xiàn)物資遺漏、遺失、損壞等現(xiàn)象，風(fēng)洞等工作重點(diǎn)區(qū)域一旦出現(xiàn)物資遺漏將造成重大安全隱患。因此，基于RFID技術(shù)，深入研究抽水蓄能電站的物資管理模式，開發(fā)智慧物資管理系統(tǒng)，對(duì)物資的入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)、臺(tái)賬、理貨、備品備件定額管理等進(jìn)行高效化、智能化和全過程追蹤管理。

1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID(Radio Frequency I Dentification)，即射頻識(shí)別，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1-5]。通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過程中無需人工干預(yù)，并且能同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽?；驹硎抢蒙漕l信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。由于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、無線無源、小巧輕便、使用壽命長(zhǎng)、防水、防磁等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、交通管理、軍事與安全、資產(chǎn)管理、防盜與防偽、金融、物流、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

1.1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成

完整的RFID系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

硬件有：讀寫器、電子標(biāo)簽和天線。① 讀寫器是RFID系統(tǒng)最重要的部分，它可以單獨(dú)具有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可以與計(jì)算機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，完成對(duì)射頻標(biāo)簽的操作。根據(jù)標(biāo)簽類型不同與完成的功能不同，閱讀器的復(fù)雜程度也有顯著差別。② 電子標(biāo)簽由耦合元件、芯片及微型天線組成，每個(gè)電子標(biāo)簽內(nèi)部存有唯一的電子編碼。電子標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫器掃描場(chǎng)以后，通過天線接收到讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)，利用感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送儲(chǔ)存在芯片中的電子編碼或一定頻率的信號(hào)。③ 天線主要用來在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號(hào)[6]。

軟件主要有：相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和桌面端、手機(jī)端等信息管理系統(tǒng)，配合硬件使用。

1.2 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)工作原理[7]如圖1所示。閱讀器將要發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送，進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號(hào)，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理；若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫，若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理圖

2 智慧物資管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧物資管理系統(tǒng)：① 云服務(wù)器；② 電腦桌面系統(tǒng)；③ 手機(jī)APP；④ 手持機(jī)；⑤ RFID標(biāo)簽組成。

(1) 云服務(wù)器是智慧工具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，將桌面系統(tǒng)、手機(jī)APP、手持機(jī)和RFID關(guān)聯(lián)起來，保存、接受、處理、分析物資管理過程中的各種靜態(tài)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

(2) 桌面客戶端，是智慧物資管理系統(tǒng)的核心，用于整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理，通過簡(jiǎn)潔明了的人機(jī)交互界面，并配合桌面式讀寫器，實(shí)現(xiàn)物資入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)、臺(tái)賬、理貨、備品備件定額管理等主要管理功能。

(3) 手機(jī)APP，主要用于android終端或者ios終端，方便物資管理人員隨時(shí)對(duì)庫(kù)存物資進(jìn)行查詢，用戶可在手機(jī)端對(duì)出庫(kù)單、入庫(kù)單進(jìn)行查詢，管理員和物資部領(lǐng)導(dǎo)可查看所有出庫(kù)單和入庫(kù)單的執(zhí)行情況。

(4) 手持機(jī)，體積小、可移動(dòng)、方便攜帶，主要用來辦理物資的入庫(kù)及出庫(kù)，物資的辦理信息可同步上傳至云服務(wù)器。

(5) RFID標(biāo)簽，主要用來記錄物資的出入庫(kù)相關(guān)信息，粘貼于物資表面，通過桌面式讀寫器、手持機(jī)等終端的識(shí)別實(shí)現(xiàn)物資的出入庫(kù)管理和盤點(diǎn)管理等。

2.2 RFID電子標(biāo)簽

抽水蓄能電站的物資種類繁多，使用環(huán)境惡劣，物資表面易沾污、磨損；物資盤點(diǎn)任務(wù)量大，對(duì)RFID識(shí)別距離、速度及群讀識(shí)別有很高的要求。因此，電子標(biāo)簽[8]需要根據(jù)物資的形狀、大小、材質(zhì)、使用方式和應(yīng)用環(huán)境等進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，包括天線設(shè)計(jì)、芯片綁定方式、標(biāo)簽封裝及粘貼位置等等。對(duì)金屬類工具，選用柔性基材的RFID抗金屬標(biāo)簽，閱讀距離控制在20 cm內(nèi),保證工器具借還時(shí)不產(chǎn)生誤讀和干擾；對(duì)于金屬類易耗品，選用箱體式RFID標(biāo)簽進(jìn)行集中管理；對(duì)于非金屬類物資，選用對(duì)稱偶極子RFID標(biāo)簽，易于調(diào)節(jié)標(biāo)簽的閱讀距離和信息采集靈敏度；對(duì)遠(yuǎn)程貨倉(cāng)，選用帶有高頻RFID閱讀器和高頻RFID標(biāo)簽的鎖止器，通過刷卡方式控制存儲(chǔ)倉(cāng)位的開關(guān)，并在每一個(gè)遠(yuǎn)程貨倉(cāng)內(nèi)布置一個(gè)中轉(zhuǎn)站，將存儲(chǔ)倉(cāng)位的開關(guān)信息和物資出、入庫(kù)信息上傳至云服務(wù)器中。

2.3 遠(yuǎn)程控制及管理

抽水蓄能電站的存儲(chǔ)倉(cāng)位具有分散、數(shù)量多、信息量大、管理復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸困難等特點(diǎn)，在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了RFID + WiFi+5G的數(shù)據(jù)傳輸模式，利用5G[9]進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，采用WiFi進(jìn)行近距離信息傳遞，通過無線射頻(RFID)技術(shù)對(duì)物資進(jìn)行識(shí)別。系統(tǒng)整體采用“集中管理，獨(dú)立控制”模式，通過5G和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的通信，通過嵌入式技術(shù)完成系統(tǒng)的控制。

遠(yuǎn)程控制及管理系統(tǒng)分為2層架構(gòu)，包括中心系統(tǒng)和存儲(chǔ)倉(cāng)位系統(tǒng)。存儲(chǔ)倉(cāng)位系統(tǒng)與中心系統(tǒng)的連接采用廣域網(wǎng)，默認(rèn)采用無線通信連接，使存儲(chǔ)倉(cāng)位管理不受網(wǎng)絡(luò)條件的限制；存儲(chǔ)倉(cāng)位管理采用以太網(wǎng)方式，擴(kuò)容方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。利用網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)倉(cāng)位的遠(yuǎn)程控制及管理。

3 智慧物資管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

智慧物資管理系統(tǒng)包括電腦終端、手機(jī)終端、手持機(jī)終端3部分：① 電腦終端的主要功能包括物資入庫(kù)、物資出庫(kù)、物資盤點(diǎn)、物資理貨、物資備品備件定額管理；② 手機(jī)終端的主要功能包括物資入庫(kù)、物資出庫(kù)、物資盤點(diǎn)、物資理貨；③ 手持機(jī)終端主要包括物資入庫(kù)、物資出庫(kù)、物資盤點(diǎn)。

3.1 電腦終端基本功能

(1) 物資入庫(kù)。物資入庫(kù)是物資存儲(chǔ)活動(dòng)的開始，是倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的首要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)依據(jù)入庫(kù)單的信息以及用戶選擇的倉(cāng)位搜索策略，為入庫(kù)單產(chǎn)生相應(yīng)的存放倉(cāng)位，對(duì)物資驗(yàn)收無誤后，按照編碼規(guī)則為入庫(kù)物資打印RFID標(biāo)簽并生成物資臺(tái)賬，將標(biāo)簽黏貼到物資上，當(dāng)RFID電子標(biāo)簽(超高頻)進(jìn)入RFID手持設(shè)備讀寫范圍內(nèi)會(huì)主動(dòng)激活，然后RFID電子標(biāo)簽與RFID手持設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)采集RFID標(biāo)簽完成后，會(huì)與入庫(kù)單和物資臺(tái)賬進(jìn)行比對(duì)，核對(duì)貨物數(shù)量及型號(hào)是否正確，如有錯(cuò)漏進(jìn)行人工處理，最后將貨物運(yùn)送到指定位置，按照規(guī)則進(jìn)行擺放。

(2) 物資出庫(kù)。物資出庫(kù)是指根據(jù)出庫(kù)單信息，將所需物資發(fā)放到需用單位的業(yè)務(wù)活動(dòng)，物資出庫(kù)是物資存儲(chǔ)階段的結(jié)束，是存儲(chǔ)業(yè)務(wù)流程的最后階段，標(biāo)志著物資實(shí)體轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)領(lǐng)域的開始。

根據(jù)出庫(kù)單以及用戶選擇的下架策略，為該批出庫(kù)物資推薦下架倉(cāng)位，使用RFID手持設(shè)備進(jìn)行掃描下架出庫(kù)物資的RFID標(biāo)簽，最后把數(shù)據(jù)發(fā)送到智慧物資管理平臺(tái)更新數(shù)據(jù)庫(kù)完成出庫(kù)。

(3) 物資盤點(diǎn)。物資盤點(diǎn)是指對(duì)在庫(kù)儲(chǔ)存保管著的全部物資進(jìn)行清點(diǎn)數(shù)量的一項(xiàng)業(yè)務(wù)管理活動(dòng)。通過RFID讀取設(shè)備，對(duì)倉(cāng)位上的物資進(jìn)行自動(dòng)掃描，讀取實(shí)物數(shù)量。數(shù)據(jù)通過接口，傳輸?shù)絺}(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的盤點(diǎn)憑證中。從系統(tǒng)中獲取當(dāng)前賬面信息，實(shí)際錄入的盤點(diǎn)計(jì)數(shù)將進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于其中出現(xiàn)的差異需要由倉(cāng)儲(chǔ)管理人員說明差異原因并生成盤點(diǎn)報(bào)告。

(4) 物資臺(tái)賬。對(duì)在庫(kù)物資的信息進(jìn)行查詢，智慧展示在庫(kù)物資名稱、存儲(chǔ)位置、用途、數(shù)量、等信息；可基于關(guān)鍵字、模糊字段等的多方位進(jìn)行智慧查詢。

(5) 物資理貨。用戶可根據(jù)庫(kù)存管理的需要，創(chuàng)建理貨任務(wù)，根據(jù)理貨任務(wù)的內(nèi)容，完成理貨工作，對(duì)于已完成的理貨任務(wù)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)后表示該理貨任務(wù)完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)物資理貨的閉環(huán)管理。

(6) 備品備件定額管理。對(duì)備品備件的庫(kù)存數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)量低于預(yù)警閾值時(shí)通過智慧平臺(tái)進(jìn)行提示。實(shí)現(xiàn)方式為設(shè)置備品備件庫(kù)存數(shù)量的報(bào)警閥值，庫(kù)存數(shù)量小于閥值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。

3.2 手機(jī)終端基本功能

(1) 入庫(kù)單查詢。用戶可在手機(jī)端入庫(kù)單信息進(jìn)行查詢，管理員與物資部領(lǐng)導(dǎo)可查看所有入庫(kù)單的執(zhí)行情況，各倉(cāng)庫(kù)管理員只能查看自己負(fù)責(zé)倉(cāng)庫(kù)的入庫(kù)單信息。

(2) 出庫(kù)單查詢。用戶可在手機(jī)端對(duì)出庫(kù)單信息進(jìn)行查詢，管理員與物資部領(lǐng)導(dǎo)可查看所有出庫(kù)單的執(zhí)行情況，各倉(cāng)庫(kù)管理員只能查看自己負(fù)責(zé)倉(cāng)庫(kù)的出庫(kù)單信息。

(3) 物資盤點(diǎn)。用戶可在手機(jī)端對(duì)盤點(diǎn)信息進(jìn)行查詢，管理員與物資部領(lǐng)導(dǎo)可查看所有盤點(diǎn)的執(zhí)行情況，各倉(cāng)庫(kù)管理員只能查看自己負(fù)責(zé)倉(cāng)庫(kù)的盤點(diǎn)信息。

(4) 物資理貨。用戶可在手機(jī)端對(duì)物資理貨信息進(jìn)行查詢，管理員與物資部領(lǐng)導(dǎo)可查看所有理貨的執(zhí)行情況，各倉(cāng)庫(kù)管理員只能查看自己負(fù)責(zé)倉(cāng)庫(kù)的理貨信息。

3.3 手持機(jī)終端基本功能

(1) 物資入庫(kù)。倉(cāng)庫(kù)管理員實(shí)用手持設(shè)備掃描貨架的RFID標(biāo)簽，再掃描上架物資的RFID標(biāo)簽，確認(rèn)后完成入庫(kù)工作。

(2) 物資出庫(kù)。倉(cāng)庫(kù)管理員實(shí)用手持設(shè)備掃描下架物資的RFID標(biāo)簽，確認(rèn)后完成物資出庫(kù)工作。

(3) 物資盤點(diǎn)。倉(cāng)庫(kù)管理員使用手持設(shè)備掃描貨物的RFID標(biāo)簽，進(jìn)行在庫(kù)物資的盤點(diǎn)，盤點(diǎn)數(shù)據(jù)通過手持設(shè)備上傳智慧物資子系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于RFID技術(shù)，構(gòu)建了抽水蓄能電站智慧物資管理系統(tǒng)。通過物資入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)、理貨、備品備件定額等物資管理工作的移動(dòng)化、自動(dòng)化應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)物資管理方式耗時(shí)耗力、效率低下、盤點(diǎn)不清等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能電站物資的精細(xì)化、高效化、智能化管理，提升了電站的運(yùn)維管理水平。智慧物資管理系統(tǒng)成功應(yīng)用于天荒坪抽水蓄能電站，極大減輕了物資管理人員的工作量，消除了物資管理過程中的遺失、遺漏以及由此引起的財(cái)產(chǎn)安全隱患，提高了物資管理的效率和效果。