空間物資管理系統(tǒng)無線射頻識別技術(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)對物資進行管理。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，實現(xiàn)空間站在軌物資信息識別。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文件進行同步更新，條碼閱讀器的缺點有：人工操作，清點貨包內(nèi)物品時須要移動貨包和物品，將條碼移到條碼閱讀器能掃描的位置，逐一掃描，完成清點后再將所有的物品重新裝包；無法實現(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20min時間用于清點在軌存貨。在ISS生活過的航天員提出應(yīng)采用先進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，按計劃在什么時候使用。當(dāng)前，我國載人空間站工程正處于工程研制階段，有必要對站上的物資管理提前進行研究和系統(tǒng)頂層設(shè)計?；诖?，本文吸取ISS物資管理效率低的教訓(xùn)，提出一種應(yīng)用無線射頻識別（RadioFre－quencyIdentification，RFID）技術(shù)的空間物資管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)對站上物資高效、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)實現(xiàn)地面對空間站物資的后勤服務(wù)。這些服務(wù)包括：補給空間站艙內(nèi)空氣和發(fā)動機推進劑，運送空間站的維修更換設(shè)備；運輸航天員生活、工作用品和出艙活動消耗品；運送空間科學(xué)實驗設(shè)備和實驗樣品；對空間站在軌產(chǎn)生的廢棄物和垃圾進行存放跟蹤管理。空間物流系統(tǒng)由支持空間站運作的物資規(guī)劃、物資管理、空間物資、運輸載體組成。物資管理是其中的一個重要組成部分，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輸要求為起點，以運輸飛行器待命發(fā)射為終點。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輸飛行器下行廢棄物的要求信息錄入物資管理計算機中；

（2）根據(jù)任務(wù)要求，運輸飛行器系統(tǒng)完成物資運輸方案后，將物資的裝載布局初步信息錄入物資管理計算機中（后面實施過程進行確認、修訂）；

（3）定制物資裝載設(shè)備的同時，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算機中；

（4）在物資地面交付、驗收過程中，將空間物資詳細接口、性能等信息錄入物資管理計算機中并確認；

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

（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在軌存貨管理和地面對在軌存貨管理兩部分組成，航天員對在軌存貨管理中包含廢棄物的存放跟蹤管理。航天員對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)；對貨物取用、轉(zhuǎn)移、存放及廢棄物存放進行信息管理操作；識別和跟蹤貨物供應(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)劃貨物補給提供依據(jù)。地面對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)劃貨物補給。目前，ISS上這部分工作由專門的物流中心負責(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)是實現(xiàn)對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任務(wù)。該管理系統(tǒng)由物資信息識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讀寫器和管理計算機，軟件包括存儲于管理計算機中的物資信息數(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)，利用射頻信號通過空間耦合（電感或電磁耦合）實現(xiàn)無接觸的信息傳輸，并通過傳輸?shù)男畔⒆R別物體。RFID技術(shù)可識別高速運動物體，并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便；識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，此射頻信號被無源RFID標(biāo)簽接收，RFID標(biāo)簽就從接收信號發(fā)送存儲于其上的信息，實現(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)簽主動向RFID讀寫器發(fā)送存儲于其上的信息，實現(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算機進行數(shù)據(jù)信息處理，最后應(yīng)用系統(tǒng)得到所需要的信息，從而實現(xiàn)識別的目的。與ISS目前使用的條碼識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有如下優(yōu)點：非接觸、自動化；讀寫迅速，且可同時讀寫；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)存儲量大；壽命長。

3．3物資信息識別

作為物資管理系統(tǒng)的識別和采集終端，RFID標(biāo)簽和RFID讀寫器完成物資信息識別的功能。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、人機交互、數(shù)據(jù)存儲和電源管理6個基本功能單元組成。RFID識讀模塊通過發(fā)射調(diào)制了標(biāo)簽操作指令的射頻信號和接收RFID標(biāo)簽返射的無線信號實現(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讀寫器可同時識別多個物資的電子標(biāo)簽信息，實現(xiàn)批量、快速和準(zhǔn)確的自動識別，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)庫為物資信息存儲單元，以物資信息管理計算機為信息查詢終端。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、驗收期間，將上行物資信息錄入運輸飛行器的物資管理計算機；物資總裝測試期間，用RFID采集和跟蹤上行物資信息，并將這些信息傳遞到運輸飛行器的物資管理計算機；發(fā)射前，將運輸飛行器物資管理計算機的物資信息上行注入空間站，同時傳遞給地面數(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)對空間物資進行管理，我國載人空間站工程中的運輸飛行器系統(tǒng)在地面工程研制階段已首次實施了RFID空間物資管理方法，并具體運用了RFID技術(shù)對地面空間物資信息進行管理。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收、總裝和測試等研制過程中的準(zhǔn)確定位，無一丟失或誤標(biāo)。其次，RFID讀寫器可同時識別多個物資的標(biāo)簽信息，實現(xiàn)了多個物資信息成批、快速和準(zhǔn)確的自動識別，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?？傊\用空間物資管理方法和RFID技術(shù)，很好地完成了運輸飛行器的地面物資管理，實現(xiàn)了對地面物資高效、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施和運營業(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