基于物聯(lián)網(wǎng)的智能工具管理系統(tǒng)設(shè)計

曾慶志，李 鵬，邢 輝

（北京安達維爾智能技術(shù)有限公司，北京 101300）

0 引 言

由于國家對國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型政策要求，以及對航空航天行業(yè)可能損傷航空器的某種外來物質(zhì)、碎屑或物體（Foreign Object Debris, FOD）的嚴格控制要求，工具管理在航空航天企業(yè)越來越重要。例如航空領(lǐng)域的飛機制造、修理行業(yè)涉及的工具種類多而且價格高昂，并且對多余物的管理要求極為嚴格。傳統(tǒng)工具管理采用人工記賬方式，效率低下，容易出錯，工具丟失無法追溯；上下班高峰期存在排隊借還等情況，借還工具還受管理員工作時段限制；工具借還不便，工具位置查找不便，無法進行精細化管理；工具盤點費時費力，無法快速實現(xiàn)賬實比對；無法將工具管理相關(guān)信息與企業(yè)內(nèi)部信息化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)工具管理模式弊端凸顯，為提高工具的智能化、信息化管理水平，需進行智能工具管理系統(tǒng)的建設(shè)。本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能工具管理系統(tǒng)，通過無線射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）實現(xiàn)工具的唯一標識、自動識別、搜尋定位，系統(tǒng)可實現(xiàn)無人自助借還，支持多人并行借還。智能工具管理系統(tǒng)包含智能工具庫房、智能工具柜、智能工具車等系列化產(chǎn)品，通過軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)智能化監(jiān)控，數(shù)字化管理，無紙化辦公，對工具進行全生命周期管理，并實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)管控[1-2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能工具管理系統(tǒng)包含軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)包含服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)、自助終端軟件系統(tǒng)、手持移動軟件系統(tǒng)、智能工具柜軟件系統(tǒng)、智能工具車軟件系統(tǒng)。服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)主要起到維護和決策作用，面向?qū)ο鬄楣芾韱T和各級領(lǐng)導，對整個智能工具管理系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)報表、看板的展示，并實現(xiàn)和第三方系統(tǒng)的對接。自助終端軟件系統(tǒng)面向?qū)ο鬄橐痪€工人，主要用于日常操作，部署在工具庫房的自助終端，用來執(zhí)行業(yè)務(wù)操作，實現(xiàn)與現(xiàn)場硬件設(shè)備的集成和管控。手持移動軟件系統(tǒng)主要用于工具的盤點和搜尋，配合自助終端的靈活使用可解決盤點效率低、工具搜索困難等問題，同時可提高用戶體驗。智能工具車軟件系統(tǒng)為智能工具車的車載軟件終端系統(tǒng)，管理工具車內(nèi)部工具的借還操作面向需要移動作業(yè)的一線工人。智能工具柜管理系統(tǒng)主要管理智能工具柜內(nèi)部的工具，實現(xiàn)借還操作和快速盤點，主要面對站位式作業(yè)的工人[3-4]。

硬件系統(tǒng)包含智能工具房、智能工具柜、智能工具車，其中智能工具房內(nèi)集成的硬件設(shè)備及系統(tǒng)包含自助終端、貨架智能指引系統(tǒng)、視頻動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、RFID二次校驗系統(tǒng)，以及智能門禁系統(tǒng)、智能語音系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、煙霧報警系統(tǒng)等[5]。

根據(jù)工具管理的使用場景和系統(tǒng)的實施、作業(yè)流程，將智能工具管理系統(tǒng)架構(gòu)分為4個層級，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、 數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、展示層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

硬件設(shè)施層包含服務(wù)器、自助終端、PDA、RFID通道門、RFID標簽、RFID天線、智能工具柜、智能工具車等，依托相關(guān)硬件，完成對工具唯一標識，實現(xiàn)自助借還，通過RFID通道門進行二次校驗，操作數(shù)據(jù)信息存儲在自助終端內(nèi)并與服務(wù)器進行同步實時交互，PDA完成庫房的定期盤點和搜尋定位工作[6]。

數(shù)據(jù)層包含數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析三部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面采集、存儲、分析，為系統(tǒng)應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)的來源分為：其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)、本系統(tǒng)錄入數(shù)據(jù)、設(shè)備采集數(shù)據(jù)，共三類數(shù)據(jù)來源；數(shù)據(jù)存儲主要是將相關(guān)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)進行分類存儲；數(shù)據(jù)分析是通過對大量數(shù)據(jù)的采集、分析、計算，得到相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果、趨勢分析、決策依據(jù)。

應(yīng)用層從功能和業(yè)務(wù)流程上進行設(shè)計開發(fā)，從數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)集成平臺獲取所需數(shù)據(jù)。通過終端系統(tǒng)實現(xiàn)工具借用、工具歸還、工具報修、工具報檢、工具報廢等自助操作，同時具備權(quán)限分配、預(yù)警管理、信息查詢功能；手持系統(tǒng)主要應(yīng)用在工具盤點和工具定位搜尋方面，配合終端系統(tǒng)完成移動作業(yè)；管理系統(tǒng)實現(xiàn)整體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計算分析、統(tǒng)計查詢、信息展示等。

展示層主要展示系統(tǒng)報警信息、趨勢狀態(tài)圖、庫存數(shù)據(jù)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、借還信息等，可向各級領(lǐng)導、倉庫人員、供應(yīng)商等相關(guān)人員直觀、動態(tài)展示智能工具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析情況[7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

智能工具管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。通過網(wǎng)口交換機組建局域網(wǎng)，智能工具通過庫房借助TCP/IP將服務(wù)器、RFID通道門、門禁、I/O板卡、立式終端、臺式終端、溫濕度煙霧傳感器、監(jiān)控錄像機連接，攝像頭通過POE與監(jiān)控錄像機連接，PDA通過OTG與自助終端連接，庫房看板通過HDMI與服務(wù)器連接。智能工具柜和智能工具車通過交換機接入局域網(wǎng)[8]。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過立式終端和臺式終端進行工具的借還業(yè)務(wù)操作，RFID通道門對進出門的人員和工具進行二次校驗，服務(wù)器用來存儲和管理數(shù)據(jù)，庫房看板以動態(tài)圖表形式展示統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，PDA實現(xiàn)工具盤點和搜尋定位，門禁系統(tǒng)支持人臉、指紋等多種生物識別方式，對進入庫房人員進行權(quán)限驗證，I/O板卡和溫濕度煙霧傳感器進行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，利用監(jiān)控錄像機和攝像頭可實現(xiàn)庫房內(nèi)部全方位無死角監(jiān)控。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

智能工具管理系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，各軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接關(guān)系如圖4所示。服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)與自助終端軟件系統(tǒng)通過TCP/IP內(nèi)部網(wǎng)線連接，實時同步；自助終端軟件系統(tǒng)與手持移動軟件系統(tǒng)通過OTG連接，實現(xiàn)離線同步，去掉無線模塊，確保滿足航空航天企業(yè)保密要求；智能工具柜軟件系統(tǒng)、智能工具車軟件系統(tǒng)在具備局域網(wǎng)絡(luò)條件時，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可將數(shù)據(jù)同步至服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)[9]。

圖4 軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接關(guān)系

服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)選用J2EE技術(shù)，采用SpringMVC三層結(jié)構(gòu)進行應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)為B/S架構(gòu)。自助終端軟件系統(tǒng)選用Winform+Devexpress技術(shù)，采用三層結(jié)構(gòu)進行應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)為C/S架構(gòu)。手持移動軟件系統(tǒng)使用Android Studio 開發(fā)工具，采用安卓原生MVP的三層架構(gòu)進行應(yīng)用開發(fā)，開發(fā)工具為Android Studio，開發(fā)語言為Java，數(shù)據(jù)庫為SQLite。

服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)的程序邏輯架構(gòu)如圖5所示。

圖5 服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)程序邏輯架構(gòu)

（1）系統(tǒng)程序主要采用Spring框架，通過系統(tǒng)層次劃分，明確系統(tǒng)安全性，實現(xiàn)智能化的管理平臺。

（2）系統(tǒng)的安全機制由Context/Filter/DispatcherServlet控制，它們從應(yīng)用服務(wù)器本身的應(yīng)用服務(wù)環(huán)境確保系統(tǒng)不受外部服務(wù)攻擊。

（3）系統(tǒng)運行流程由Mapping/反射器/ConfigManager/control.xml控制，實現(xiàn)系統(tǒng)靈活可配置的能力。

（4）業(yè)務(wù)處理邏輯由業(yè)務(wù)處理層和數(shù)據(jù)模型層組成。這兩層實現(xiàn)組件化，便于系統(tǒng)管理邏輯關(guān)系。

（5）View（JSP）是系統(tǒng)的表現(xiàn)層，實現(xiàn)系統(tǒng)的管理界面風格和各功能頁面。

智能工具管理系統(tǒng)功能主要包含系統(tǒng)管理、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)維護、業(yè)務(wù)管理五大類，詳細功能架構(gòu)如圖6所示。

圖6 服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)交互設(shè)計

智能工具管理系統(tǒng)的交互設(shè)計如圖7所示。服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)部署服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，自助終端軟件系統(tǒng)部署本地數(shù)據(jù)庫1，服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)與自助終端軟件系統(tǒng)實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步，并通過導入導出的Excel與手持移動軟件系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)。手持移動軟件系統(tǒng)部署本地數(shù)據(jù)庫2，在與服務(wù)器斷網(wǎng)離線情況下，自助終端軟件系統(tǒng)和手持移動軟件系統(tǒng)能夠獨立運行。智能工具柜軟件系統(tǒng)可支持在線/離線與服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)同步，智能工具車回到智能工具房后，連接網(wǎng)線，通過TCP/IP與服務(wù)器管理軟件系統(tǒng)定時同步。各系統(tǒng)均通過數(shù)據(jù)渲染、采集實現(xiàn)窗口展示，并最終與用戶進行操作、展示交互[10]。

圖7 智能工具管理系統(tǒng)交互設(shè)計

2.4 系統(tǒng)界面

通過對整體軟件框架的搭建、軟件功能設(shè)計、軟件代碼開發(fā)、軟硬件接口開發(fā)、數(shù)據(jù)交互設(shè)計、UI設(shè)計，實現(xiàn)了智能工具管理系統(tǒng)的建設(shè)，看板界面、自助終端主界面、手持移動主界面分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 看板界面

圖9 自助終端主界面

圖10 手持移動主界面

3 結(jié) 語

本文介紹了智能工具管理系統(tǒng)在航空航天企業(yè)的使用背景，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計智能工具管理系統(tǒng)，采用無人自助借還模式，支持多人并行借還，通過邊緣計算實現(xiàn)智能預(yù)警、趨勢分析、輔助決策建議等功能；能夠?qū)崿F(xiàn)工器具全生命周期管理，提高工器具管理的安全性，同時可提供與外部信息化系統(tǒng)對接的接口。智能工具管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各大主機廠、主機所等單位，以完善的功能、便捷的操作、高度的信息化、優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量和完善的售后服務(wù)，為航空航天行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)和維修保障提供了有力支撐。