基于RFID航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺(tái)的研究

趙文穎，盧尚明，岳 建，祝玉東，王 偉

(中國人民解放軍63778部隊(duì)，黑龍江 佳木斯154002)

0 引言

RFID技術(shù)是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ氖蠹夹g(shù)之一[1]，涵蓋了無線通信技術(shù)、天線技術(shù)、信息安全技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系等[2]，具有很大的市場價(jià)值。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在圖書管理[3]、車輛管理[4]、庫存管理[5]和食品安全管理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]，并逐漸被應(yīng)用于航空領(lǐng)域，但在航天領(lǐng)域還有很大的開發(fā)空間。航天測控系統(tǒng)裝備管理目前主要針對(duì)備品備件進(jìn)行管理，且多采用條形碼方式，導(dǎo)致在管理過程中對(duì)裝備歷史使用情況信息缺少管理手段，對(duì)目標(biāo)距離、讀取數(shù)量及環(huán)境適應(yīng)性等存在限制?；谏鲜隹紤]，本文提出了將RFID技術(shù)應(yīng)用于航天測控裝備管理，既實(shí)現(xiàn)了RFID技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，又在裝備管理過程中增加器件歷史使用情況管理，對(duì)航天測控系統(tǒng)裝備管理具有重要意義。

1 RFID技術(shù)原理

1.1 RFID技術(shù)簡介

RFID技術(shù)主要通過無線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的非接觸式識(shí)別[7]，主要由電子標(biāo)簽、讀寫器及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽貼于被識(shí)別物體上，存有信息數(shù)據(jù)，每個(gè)標(biāo)簽都有唯一的識(shí)別碼便于目標(biāo)的識(shí)別[8]；讀寫器主要包括射頻模塊、控制模塊以及天線等，利用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽信息的讀取和寫入[9]；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和管理。RFID根據(jù)頻段可分為低頻(125～134 kHz)、高頻(13.56 MHz)和超高頻(860～960 MHz)，不同頻率下讀寫距離不同，其中超高頻段讀寫距離較遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)量較大[10]。

1.2 RFID技術(shù)特點(diǎn)

RFID技術(shù)與傳統(tǒng)的IC 卡、條形碼等技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：① 非接觸識(shí)別，采用RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的非接觸式識(shí)別，讀寫器無需與標(biāo)簽接觸就可對(duì)信息進(jìn)行讀取與寫入；② 安全性高，每個(gè)電子標(biāo)簽都有唯一的ID號(hào)，可通過ID號(hào)加密等方式確保標(biāo)簽信息的安全性；③ 適應(yīng)性強(qiáng)，傳統(tǒng)的條形碼多為紙質(zhì)，易受環(huán)境影響，RFID標(biāo)簽通過芯片進(jìn)行信息存儲(chǔ)，擁有良好的防磨損、防腐蝕、防水及防磁等特點(diǎn)；④ 作用距離遠(yuǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)幾十米外電子標(biāo)簽的信息讀寫，能滿足不同領(lǐng)域?qū)ψx寫距離的要求；⑤ 讀寫效率高，與傳統(tǒng)條形碼每次只能對(duì)一個(gè)目標(biāo)信息進(jìn)行采集相比，可同時(shí)對(duì)作用范圍內(nèi)的多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行快速讀取識(shí)別；⑥ 存儲(chǔ)容量大，與傳統(tǒng)條形碼存儲(chǔ)容量僅數(shù)kByte相比，RFID電子標(biāo)簽采用芯片進(jìn)行信息存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量可達(dá)數(shù)MByte[11-12]。

2 航天測控系統(tǒng)裝備管理現(xiàn)狀

航天測控系統(tǒng)在裝備管理方面采用傳統(tǒng)方式，耗費(fèi)人力、時(shí)間，且信息不全面，造成裝備使用、維護(hù)無據(jù)可依，使用壽命及年限無處可查等問題。目前航天裝備管理現(xiàn)狀具體如下：

① 現(xiàn)階段主要采用人工登記或條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)備件管理。采用人工登記的方式耗費(fèi)人力、時(shí)間，且管理過程中會(huì)出現(xiàn)過程管控不嚴(yán)格的問題；采用條形碼技術(shù)雖然能夠通過識(shí)別條形碼將備件使用情況、數(shù)量、存放位置進(jìn)行統(tǒng)一登記與管理，但是條形碼掃描對(duì)距離、接觸方式要求受限、掃描儀位置固定，對(duì)于標(biāo)校塔等遠(yuǎn)距離設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)裝備信息的讀??；利用條形碼技術(shù)每次只能對(duì)一個(gè)目標(biāo)的信息進(jìn)行采集，耗時(shí)、費(fèi)力、效率較低。② 航天測控系統(tǒng)裝備管理多數(shù)停留在備品備件的管理，而測控裝備因環(huán)境、壽命等原因，裝備問題的發(fā)生有時(shí)是有規(guī)律可循的，但是只對(duì)備品備件實(shí)施管理未能很好地對(duì)裝備運(yùn)行周期、故障器件故障率等問題進(jìn)行記錄，在出現(xiàn)裝備問題時(shí)不能很好地利用以往經(jīng)驗(yàn)快速排查解決。因此，在對(duì)裝備進(jìn)行管理時(shí)，不僅對(duì)備品備件情況進(jìn)行管理，也要對(duì)裝備自進(jìn)站安裝使用情況進(jìn)行全過程管理，用于裝備狀態(tài)性能評(píng)估等。③ 測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部裝備、器件種類繁多，在裝備管理時(shí)通常只對(duì)常用、易損的裝備器件進(jìn)行管理，缺乏裝備管理的全面性，且裝備管理過程中缺少系統(tǒng)的分類，不利于裝備的快速查詢[13-14]。

3 基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺(tái)

基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺(tái)通過RFID技術(shù)采集裝備的使用信息、備品備件信息，并利用RFID技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)一采集、集中管理、實(shí)時(shí)更新，系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過RFID讀寫器讀取裝備對(duì)應(yīng)標(biāo)簽，獲取關(guān)于該裝備的各類信息，同時(shí)可以利用RFID讀寫器實(shí)現(xiàn)后臺(tái)信息的寫入[15]。

圖1 基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理系統(tǒng)框圖

3.1 基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺(tái)的研究

測控系統(tǒng)通常由發(fā)射分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)等組成[16]，每個(gè)分系統(tǒng)由各自的插箱、工控機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，如發(fā)射分系統(tǒng)包含上變頻器等，監(jiān)控分系統(tǒng)包含服務(wù)器、客戶端等；插箱內(nèi)包含相應(yīng)的模塊、板卡等。航天測控系統(tǒng)裝備組成如圖2所示。航天測控裝備管理主要針對(duì)各分系統(tǒng)各器件進(jìn)行裝備使用情況管理及備品備件管理。

圖2 航天測控系統(tǒng)裝備組成

3.1.1 測控裝備使用情況管理

主要對(duì)每個(gè)分系統(tǒng)在用具體插箱的相應(yīng)器件進(jìn)行管理，層次結(jié)構(gòu)依據(jù)航天測控系統(tǒng)裝備組成將器件進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑鞔_器件所屬插箱及分系統(tǒng)，便于查詢和管理。在管理過程中對(duì)其日常工作及使用情況進(jìn)行集中管理，通常各器件裝備使用情況的信息可分為裝備編號(hào)(便于集中管理)、使用時(shí)間(何時(shí)安裝使用)、使用壽命(可工作年限)、故障次數(shù)(自使用起出現(xiàn)幾次故障)、故障時(shí)間(每次故障發(fā)生及恢復(fù)時(shí)間)、故障現(xiàn)象(出現(xiàn)故障簡單現(xiàn)象描述)、故障處理方式(維修還是更換器件)及現(xiàn)有備件數(shù)量(是否有備件及備件個(gè)數(shù))等，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備器件全流程管理，同時(shí)在需要了解裝備信息時(shí)能夠快速、全面地進(jìn)行查詢。裝備工作情況信息如圖3所示。

通過在用裝備使用情況記錄信息可以對(duì)同類別裝備器件進(jìn)行隱患分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)器件出現(xiàn)故障隱患較高或到達(dá)使用周期時(shí)，可提前對(duì)器件進(jìn)行維護(hù)或更換，降低隱患風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 裝備工作情況信息

3.1.2 備品備件管理

需要做到精細(xì)、精確、全面，對(duì)于備件數(shù)量、存放位置、使用情況、研制廠家、生產(chǎn)時(shí)間及是否停產(chǎn)等信息進(jìn)行詳細(xì)登記，便于備件快速查找、更換。當(dāng)備件不充足時(shí)，根據(jù)相關(guān)信息聯(lián)系廠家進(jìn)行生產(chǎn)或維修，保證裝備在需要時(shí)能夠立即提供。因設(shè)備涉及的元器件種類多、型號(hào)復(fù)雜、數(shù)量不一，要保障所有器件與實(shí)際相符，避免因過量備件造成經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，因此需根據(jù)裝備工作的現(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)行分類儲(chǔ)備，例如對(duì)于易出現(xiàn)故障的器件要多進(jìn)行儲(chǔ)備，對(duì)于到達(dá)使用周期的器件要提前對(duì)其備份情況進(jìn)行梳理及補(bǔ)充，對(duì)于相對(duì)穩(wěn)定的器件在儲(chǔ)備數(shù)量上可以適當(dāng)控制。備品備件信息如圖4所示。

圖4 備品備件信息

3.2 基于RFID裝備信息讀寫實(shí)現(xiàn)

利用RFID進(jìn)行信息采集、管理的過程中，從讀寫速度、距離和標(biāo)簽運(yùn)行方式(有源、無源)等方面分析，提出采用超高頻作為RFID工作頻段，具有讀寫速度快、距離遠(yuǎn)、支持多種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)。ISO/IEC 18000-6標(biāo)準(zhǔn)主要用于超高頻段，規(guī)定了讀寫器、電子標(biāo)簽的命令機(jī)制、物理接口等。本文將采用基于ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的超高頻RFID讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行信息讀取與寫入，前向鏈路通信采用脈沖寬度(PIE)編碼和雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)調(diào)制，反向鏈路通信采用雙相間隔碼(FM0)編碼、反向散射調(diào)制，為防止信號(hào)傳輸過程中發(fā)生畸變采用循環(huán)冗余(CRC)校驗(yàn)進(jìn)行判斷和糾錯(cuò)。當(dāng)有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)在讀寫器作用范圍時(shí)，為防止多標(biāo)簽間發(fā)生碰撞可采用時(shí)分多路法(TDMA)進(jìn)行讀寫器與標(biāo)簽的通信。

基于RFID裝備信息讀取與寫入實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。讀寫器通過自身天線向周圍發(fā)送連續(xù)波，當(dāng)含有裝備信息的電子標(biāo)簽處于其作用范圍內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽通過耦合獲取能量被激活(否則處于休眠狀態(tài))，處于就緒狀態(tài)；讀寫器通過防碰撞方法選中目標(biāo)裝備對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽；讀寫器將讀取、寫入等命令通過編碼調(diào)制后由天線發(fā)送出去；電子標(biāo)簽響應(yīng)應(yīng)答后執(zhí)行相應(yīng)操作，并將信息按處理后返給讀寫器，最終送往計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)處理。至此，可實(shí)現(xiàn)讀寫器對(duì)裝備工作、備件管理情況等信息的查詢與修改。

效能分析：本平臺(tái)采用基于ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)工作在915 MHz的RFID讀寫器，電子標(biāo)簽為工作在860～960 MHz的無源電子標(biāo)簽，可同時(shí)對(duì)不少于10個(gè)的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，且在1.5 m內(nèi)反復(fù)讀取100次，成功率為100%。將該類型RFID讀寫器、電子標(biāo)簽用于航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺(tái)中，能夠?qū)崿F(xiàn)裝備信息的管理。

圖5 RFID裝備信息讀取與寫入流程

4 結(jié)束語

針對(duì)航天測控系統(tǒng)裝備管理進(jìn)行研究，提出了基于RFID技術(shù)的裝備管理平臺(tái)，闡述了在裝備管理過程中對(duì)哪些關(guān)鍵信息進(jìn)行管理，便于后續(xù)為狀態(tài)研判、故障分析等提供保障。采用RFID技術(shù)在測控系統(tǒng)裝備管理中可以實(shí)現(xiàn)作用距離內(nèi)同時(shí)對(duì)多個(gè)裝備器件信息的識(shí)別，通過手持讀寫器可對(duì)標(biāo)校塔、天線等其他部位的裝備器件進(jìn)行管理，并且能夠?qū)崟r(shí)查詢、讀取、寫入裝備信息，電子標(biāo)簽信息存儲(chǔ)量大、安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長。采用基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺(tái)，對(duì)測控裝備全流程管理有重要作用。