空間物資管理系統(tǒng)無線射頻識(shí)別技術(shù)

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1引言

“國際空間站”（ISS）是迄今為止規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜、壽命最長的載人空間飛行器。ISS運(yùn)輸和管理的物資超過50萬件，約有3％的空間站物資失蹤或損壞，如在2006年3月23日用于凈化航天服二氧化碳的4個(gè)罐在空間站失蹤。ISS采用基于條碼的物資信息查詢系統(tǒng)對(duì)物資進(jìn)行管理。條碼閱讀器逐一掃描貨包上的條碼標(biāo)簽獲得貨物的信息，通過無線或有線的方式更新物資信息管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)空間站在軌物資信息識(shí)別。物資信息管理數(shù)據(jù)庫存放于空間站的筆記本電腦和地面電腦上，通過上傳和下傳的delta文件進(jìn)行同步更新，條碼閱讀器的缺點(diǎn)有：人工操作，清點(diǎn)貨包內(nèi)物品時(shí)須要移動(dòng)貨包和物品，將條碼移到條碼閱讀器能掃描的位置，逐一掃描，完成清點(diǎn)后再將所有的物品重新裝包；無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確位置定位；條碼信息無法修改；易損壞，耐久性差，壽命短。因此，站上使用的物資信息查詢系統(tǒng)操作工作量大。在零重力環(huán)境下，每人每天平均花費(fèi)20min時(shí)間用于清點(diǎn)在軌存貨。在ISS生活過的航天員提出應(yīng)采用先進(jìn)的物資信息管理系統(tǒng)，以便航天員在長期航天飛行任務(wù)中能以簡易、方便和快捷的操作了解站上存有哪些物品，這些物品存放在什么地方，按計(jì)劃在什么時(shí)候使用。當(dāng)前，我國載人空間站工程正處于工程研制階段，有必要對(duì)站上的物資管理提前進(jìn)行研究和系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)。基于此，本文吸取ISS物資管理效率低的教訓(xùn)，提出一種應(yīng)用無線射頻識(shí)別（RadioFre－quencyIdentification，RFID）技術(shù)的空間物資管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)站上物資高效、簡易、方便和快捷操作的目標(biāo)。

2空間物資管理任務(wù)需求

2．1空間物流系統(tǒng)

空間物流系統(tǒng)是指全生命周期任務(wù)內(nèi)空間物資的需求規(guī)劃、研制、運(yùn)輸和信息管理等要素集成。載人航天工程須依賴空間物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面對(duì)空間站物資的后勤服務(wù)。這些服務(wù)包括：補(bǔ)給空間站艙內(nèi)空氣和發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑，運(yùn)送空間站的維修更換設(shè)備；運(yùn)輸航天員生活、工作用品和出艙活動(dòng)消耗品；運(yùn)送空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)樣品；對(duì)空間站在軌產(chǎn)生的廢棄物和垃圾進(jìn)行存放跟蹤管理?？臻g物流系統(tǒng)由支持空間站運(yùn)作的物資規(guī)劃、物資管理、空間物資、運(yùn)輸載體組成。物資管理是其中的一個(gè)重要組成部分，它由地面物資管理和在軌存貨使用管理兩部分組成，可實(shí)現(xiàn)天地同步管理，支持地面人員和在軌航天員掌握和控制地面上行物資的運(yùn)輸、空間站在軌存放的各類備用物資、廢棄物全生命周期的信息流和物資供應(yīng)鏈。

2．2地面物資管理

地面物資管理的任務(wù)是跟蹤和記錄空間物資供應(yīng)中上行物資的地面交付、裝載信息，為空間站在軌存貨使用管理提供信息。典型的地面物資管理過程，以上行物資配套及運(yùn)輸要求為起點(diǎn)，以運(yùn)輸飛行器待命發(fā)射為終點(diǎn)。地面物資管理的主要工作包括：

（1）根據(jù)發(fā)射任務(wù)物資規(guī)劃，將上行貨物和需通過運(yùn)輸飛行器下行廢棄物的要求信息錄入物資管理計(jì)算機(jī)中；

（2）根據(jù)任務(wù)要求，運(yùn)輸飛行器系統(tǒng)完成物資運(yùn)輸方案后，將物資的裝載布局初步信息錄入物資管理計(jì)算機(jī)中（后面實(shí)施過程進(jìn)行確認(rèn)、修訂）；

（3）定制物資裝載設(shè)備的同時(shí)，將用于管理物資裝載和位置信息的裝載設(shè)備信息錄入物資管理計(jì)算機(jī)中；

（4）在物資地面交付、驗(yàn)收過程中，將空間物資詳細(xì)接口、性能等信息錄入物資管理計(jì)算機(jī)中并確認(rèn)；

（5）在地面總裝和測(cè)試期間，記錄、跟蹤空間物資在運(yùn)輸飛行器上的位置信息、產(chǎn)品狀態(tài)信息，并錄入物資管理計(jì)算機(jī)中；

（6）發(fā)射前，將地面最終狀態(tài)的物資信息上行注入空間站。

2．3在軌存貨使用管理

在軌存貨使用管理由航天員對(duì)在軌存貨管理和地面對(duì)在軌存貨管理兩部分組成，航天員對(duì)在軌存貨管理中包含廢棄物的存放跟蹤管理。航天員對(duì)在軌存貨管理的任務(wù)包括：定期查詢貨物的存放位置、貨艙的裝貨狀態(tài)；對(duì)貨物取用、轉(zhuǎn)移、存放及廢棄物存放進(jìn)行信息管理操作；識(shí)別和跟蹤貨物供應(yīng)中在軌存放、使用和廢棄物管理等信息。航天員通過在軌存貨管理可為地面制定訂貨、存貨及規(guī)劃貨物補(bǔ)給提供依據(jù)。地面對(duì)在軌存貨管理的任務(wù)包括：地面人員跟蹤和掌握在軌存貨、使用狀態(tài)，制定訂貨、存貨及規(guī)劃貨物補(bǔ)給。目前，ISS上這部分工作由專門的物流中心負(fù)責(zé)。

3物資管理系統(tǒng)方案

3．1系統(tǒng)組成

物資管理系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)上行物資和下行廢棄物的全生命周期管理，包括地面物資管理和在軌存貨使用管理兩項(xiàng)任務(wù)。該管理系統(tǒng)由物資信息識(shí)別和物資信息管理兩部分組成（見圖6）。硬件設(shè)備包括RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器和管理計(jì)算機(jī)，軟件包括存儲(chǔ)于管理計(jì)算機(jī)中的物資信息數(shù)據(jù)庫和管理軟件系統(tǒng)。其核心技術(shù)為RFID技術(shù)。

3．2RFID技術(shù)

RFID采用無線電技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過空間耦合（電感或電磁耦合）實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳輸，并通過傳輸?shù)男畔⒆R(shí)別物體。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便；識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID系統(tǒng)一般由一個(gè)讀寫器、若干標(biāo)簽以及天線組成。RFID讀寫器通過天線在一定范圍內(nèi)發(fā)出特定頻段的射頻信號(hào)，此射頻信號(hào)被無源RFID標(biāo)簽接收，RFID標(biāo)簽就從接收信號(hào)發(fā)送存儲(chǔ)于其上的信息，實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽與RFID讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸；也可由有源RFID標(biāo)簽主動(dòng)向RFID讀寫器發(fā)送存儲(chǔ)于其上的信息，實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽與RFID讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸。RFID讀寫器接收到RFID標(biāo)簽的信息并解碼后，將該信息送至管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理，最后應(yīng)用系統(tǒng)得到所需要的信息，從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別的目的。與ISS目前使用的條碼識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：非接觸、自動(dòng)化；讀寫迅速，且可同時(shí)讀寫；數(shù)據(jù)可修改，標(biāo)簽可重復(fù)使用；技術(shù)成熟，可靠性高；物理耐用性好；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大；壽命長。

3．3物資信息識(shí)別

作為物資管理系統(tǒng)的識(shí)別和采集終端，RFID標(biāo)簽和RFID讀寫器完成物資信息識(shí)別的功能。RFID標(biāo)簽主要由超薄微型芯片和嵌壓在塑料片、纖維紙等材料中的天線組成。它有兩種類型：普通材質(zhì)物資使用普通RFID標(biāo)簽，金屬材質(zhì)物資和液體物資使用抗金屬標(biāo)簽。RFID讀寫器由掌上數(shù)字終端（PDA）模塊和RFID識(shí)讀模塊構(gòu)成。PDA模塊由處理器系統(tǒng)、有線通信接口、無線通信接口、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和電源管理6個(gè)基本功能單元組成。RFID識(shí)讀模塊通過發(fā)射調(diào)制了標(biāo)簽操作指令的射頻信號(hào)和接收RFID標(biāo)簽返射的無線信號(hào)實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽的讀、寫等ISO18000－6C協(xié)議［12］約定的操作。與ISS的條碼系統(tǒng)不同，RFID讀寫器可同時(shí)識(shí)別多個(gè)物資的電子標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)批量、快速和準(zhǔn)確的自動(dòng)識(shí)別，操作快捷方便。RFID讀寫器與物資電子標(biāo)簽之間的有效作用距離可達(dá)數(shù)米，航天員不必接觸物資本體就可以獲取物資信息，能大幅度減少清理物資的工作量。

3．4物資信息管理

物資信息管理的實(shí)現(xiàn)以數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸手段，以物資信息數(shù)據(jù)庫為物資信息存儲(chǔ)單元，以物資信息管理計(jì)算機(jī)為信息查詢終端。它包括地面物資信息管理和在軌存貨信息管理。

（1）地面物資信息管理：在物資交付、驗(yàn)收期間，將上行物資信息錄入運(yùn)輸飛行器的物資管理計(jì)算機(jī)；物資總裝測(cè)試期間，用RFID采集和跟蹤上行物資信息，并將這些信息傳遞到運(yùn)輸飛行器的物資管理計(jì)算機(jī)；發(fā)射前，將運(yùn)輸飛行器物資管理計(jì)算機(jī)的物資信息上行注入空間站，同時(shí)傳遞給地面數(shù)據(jù)中心。

（2）在軌存貨信息管理：用RFID采集和跟蹤空間站（包括運(yùn)輸飛行器）的物流信息，將這些信息成批傳送到空間站數(shù)據(jù)中心；廢棄物處理、裝載完成后，將廢棄物信息錄入到空間站數(shù)據(jù)中心；存貨信息和廢棄物信息定期由空間站數(shù)據(jù)中心向地面數(shù)據(jù)中心發(fā)送。

4工程應(yīng)用情況

目前，ISS上仍然使用條碼技術(shù)對(duì)空間物資進(jìn)行管理，我國載人空間站工程中的運(yùn)輸飛行器系統(tǒng)在地面工程研制階段已首次實(shí)施了RFID空間物資管理方法，并具體運(yùn)用了RFID技術(shù)對(duì)地面空間物資信息進(jìn)行管理。首先，將空間物資管理方法應(yīng)用在地面管理軟件系統(tǒng)中，保證地面全部物資在交付驗(yàn)收、總裝和測(cè)試等研制過程中的準(zhǔn)確定位，無一丟失或誤標(biāo)。其次，RFID讀寫器可同時(shí)識(shí)別多個(gè)物資的標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)物資信息成批、快速和準(zhǔn)確的自動(dòng)識(shí)別，操作快捷方便。最后，RFID讀寫器與物資標(biāo)簽之間的有效作用距離為數(shù)米，可滿足使用要求，地面操作人員不接觸貨物本體就能獲取物資信息，可大幅度減少清理物資的工作量。總之，運(yùn)用空間物資管理方法和RFID技術(shù)，很好地完成了運(yùn)輸飛行器的地面物資管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面物資高效、簡易、方便和快捷操作的目標(biāo)。

5結(jié)束語

空間物資管理是我國載人航天的新需求，本文提出的應(yīng)用RFID技術(shù)的空間物資管理系統(tǒng)，可提高空間物資管理的效率，為載人空間站工程的順利實(shí)施和運(yùn)營業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持。隨著天地一體化的空間物資管理水平的發(fā)展，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究RFID技術(shù)的抗干擾能力和可靠性，使空間物資管理系統(tǒng)更好地應(yīng)用于載人空間站工程。

作者：李志輝 方方 陳粵海 單位：中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部 四川航天技術(shù)研究院