果介紹射頻識別在設施設備安全管理 中興工程. 第 117 期.2012 年 10 月.PP. 95-100 應用之研究 陳正忠 * 石豐銘 ** 蔡雨杰 *** 蔡明儒 ** 紀宛君 **** 一 前言 安全管理是各類工程設施設備在生命週期各 階段都必須面臨的課題, 以確保工程設施與設備在施工階段能夠如期完成 在營運階段能夠正常運轉 常見的安全管理措施除擬訂各項準則作為執行依據外, 尚包括 : 對各種設施 設備實施人員巡邏 現地檢查與自動化監測, 使能維持在正常狀態下運作並避免故障 整合電子化 資通訊技術, 發展經濟有效的安全管理措施, 可避免因人員精簡 管理經費緊縮與組織整併等因素影響安全管理作業, 已逐漸成為營運機關與企業關注之焦點 無線射頻識別 (Radio Frequency Identification, 以下簡稱為 RFID) 技術雖然已問世 50 餘年, 卻在近幾年才受到各方的重視, 曾被譽為 21 世紀十大重要技術之一 RFID 除了可重複讀寫 資料儲存容量大以外, 尚具有使用時不需對準標的物 一次可同時讀取數個標的, 且有效感應距離最遠可達數十米, 在某些情況甚至還可做成各種形狀隱藏在不同商品或動植物體內, 因此, 裝上 RFID 的物件, 其資料擷取過程可以完全自動化 RFID 的應用範圍可謂相當廣闊, 於國內外物流業皆已有許多實際整合運用實例 由於 RFID 具有可讀寫資料 小型化 多樣化形 * 中興工程顧問社土木水利及軌道運輸研究中心副經理 ** 中興工程顧問社土木水利及軌道運輸研究中心正研究員 *** 中興工程顧問社土木水利及軌道運輸研究中心前助理研究員 **** 中興工程顧問社土木水利及軌道運輸研究中心助理研究員 95 狀 耐環境性 可重複使用 可穿透金屬以外的一般材料 記憶容量大等多種特性, 極具潛力應用於工程設施與設備之安全管理作業 然而, 如何能在工作內容多樣化 且作業流程繁雜的設施設備安全管理作業中, 有效運用 RFID 電子標籤的特性, 對工作流程加以改良及整合, 提高效率與安全, 將是一項極具挑戰的課題 本研究以營運階段之設施設備安全管理為重點, 整合資通訊技術, 開發 RFID 設施巡檢系統, 提供精準化 效率化 資訊化 整合化及實用化的輔助工具, 結合後端之安全管理資訊平台, 可望滿足設施設備巡查 安全檢查 監測 災害預警等需求, 達到智慧化管理與決策支援之目的 二 無線射頻識別技術簡介 RFID 是指以無線電波 (Radio Frequency) 來進行感應識別的相關技術, 其技術組成包含了 天線 (Antenna) 電子標籤 (Tag) 讀取器 (Reader/Writer) 中介軟體 (Middleware) 應用系統 (Application), 以交換由 RFID 擷取的資訊, 並把這些資訊轉化加值的後端資訊分享機制, 有關 RFID 技術內容, 請參考圖 1 研發成
研發成果介紹中興工程. 第 117 期.2012 年 10 月.PP. 95-100 電子標籤天線讀取器中介軟體應用系統 監控電腦 圖 1 RFID 技術組成圖 供應鍊系統 RFID 最常用的是搭配特定天線的微晶片, 稱為 RFID 詢答機 (Transponder), 亦稱為電子標籤 (Tag) 電子標籤主要是由具有類比 數位電路與記憶體的晶片, 以及依不同頻率 應用環境而設計之天線所組成, 然後以玻璃 塑膠或其他材料加以封裝, 因此成本很低 依照電子標籤是否帶電, 可分為被動式與主動式 RFID 當讀取機從一段距離外間歇發射能量給標籤時, 標籤上的電路即可通電, 可釋放特定頻率的無線電波激發 RFID 標籤, 並與讀取機交換訊息, 此類 RFID 標籤稱為 被動式標籤 (Passive Tag), 其通訊流程如圖 2 被動式電子標籤由於是以讀取器所提供能量作為本身操作所需的能源, 具有體積小 價格便宜以及使用壽命長等優點 圖 2 RFID 被動式標籤通訊流程 另有一種 RFID 電子標籤的電源是由內部電池提供, 該電子標籤會主動發射特定頻率的無線電波給讀取器, 當讀取器接受此電波訊號後, 經過特殊解譯便可取得儲存在電子標籤中的資料, 此種電子標籤因有內置電源的支援, 具有可重複讀寫特性, 且電波發射半徑大, 相對的涵蓋讀取範圍也較大, 稱為 主動式標籤 (Active Tag) 有關主動與被動式 RFID 特性比較, 請參考表 1 表 1 主動與被動式 RFID 特性比較 特性 主動式 RFID 被動式 RFID 電力來源 使用 RF 技術從讀標籤內部附加電取器轉換電力來池源 電池 有 無 電力持久性 持續 僅有在讀取器範圍內 訊號強度需求非常低 非常高 讀取距離 約 5~100 公尺 3 公尺以下 資料儲存 64~228k bits 或可經由精密搜尋與使用而讀 / 寫 8~64 k bits 價格 價格高 ( 約 20~70 較低 ( 約 0.5~1 美美元 ) 元 ) 使用年限 約 2~7 年 約 10 年 體積 大 小 96
(RF Module, 果介紹讀取器主要由無線通訊模組 中興工程. 第 117 期.2012 年 10 月.PP. 95-100 提供傳送與接收訊號的處理 ) 控制模組 (Control Module), 以及耦合元件, 透過輸出入介面 ( 如 :RS232 RS485 或 USB 等 ) 與應用系統設備 ( 如 PC) 連接 以線圈狀佈置於 RFID 標籤的天線接收到讀取器所發出的無線電波, 就可以取得電力, 和讀取器之間進行資料的交換 讀取器可以利用有線或無線通訊方式與應用系統整合 讀取器依照電子標籤應用方式亦分為 被動式 與 主動式, 並可依其安裝方式分為 固定式 與 手持式 固定式 讀取器一般以有線或無線方式與 PC 串接 手持式 又可分為專用型與插卡型兩種, 專用型 為特定用途量身打造, 一般具有防水 耐摔 耐溫等功能, 費用相當昂貴 插卡型 則適用於 PDA 或智慧手機, 成本較低且有較大客製化彈性 頻率是決定 RFID 有效使用範圍 抗干擾性以及其他功能特點的主要因素 目前 RFID 使用最多的頻率範圍有 6 種, 分別為 500KHz 以下 13.56MHz 433.92MHz 860M~930MHz 2.45GHz 以及 5.8GHz 低頻系統主要運用在較近距離的 RFID 系統, 操作頻率在 125~135KHz, 使用被動式電子標籤, 讀取距離約在 50 公分內 高頻系統操作頻率為 13.56MHz, 使用被動式電子標籤, 讀取的距離約在 1.5 公尺以內 超高頻系統操作頻率為 100~960MHz, 使用的標籤為遠距離傳導耦合設計, 讀取距離約在 1 到 10 公尺以內 因為頻寬較高, 所以資料傳輸率高 微波操作頻率為 2.45GHz 5.8GHz, 此頻段在某些歐洲國家是不允許作為商業用途, 另外它的訊號不穩定, 較容易接收到其他干擾訊號 所使用的標籤為長距離傳導耦合設計, 讀取的距離約在 10 公尺以上 因為頻寬是最高的, 所以資料傳輸率也是最高 但高頻 超高頻 微波對於環境干擾敏感, 特別是微波在金屬或較潮濕的環境下, 讀取率很低, 而且微波的能量會被水分吸 收, 穿透性較差 RFID 應用的重點仍在於與後端資訊系統結合, 才能真正發揮效益 如同一般應用程式與周邊設備之間連結的方式,RFID 中介軟體 (Middleware) 扮演 RFID 系統和後端資訊系統端應用程式之間的橋梁, 應用程式端利用中介軟體所提供應用程式介面 (Application Interface, API), 即可透過讀取器, 進行訊號的蒐集 過濾及整理 排除重複訊號, 讀取電子標籤內部的資料, 並將由讀取器所擷取之電子標籤內部數位資訊, 轉換成訊息的形式, 傳遞至後端資訊系統, 以配合各種需求作進一步的加值處理應用 針對 RFID 應用制訂之標準, 目前以三大標準組織 EPCglobal ISO 與 Ubiquitous ID Center 較為積極,EPCglobal 制訂 EPC ( Electronic Product Code), 使用 UHF 頻段 ; 而 ISO 則有 ISO 14443 A/B ISO 15693 與 ISO 18000 標準, 前兩項採用 13.56MHz,ISO 18000 則是 860~ 930MHz,Ubiquitous ID Center(UID Center) 為日本提出另一套編碼系統, 稱為 Unique Ubiquitous Identification Code(UCODE),UCODE 資料長度為 128bits, 視需求可擴展至 256 384 或 512 bits 等長度, 但普及與推廣狀況不及 EPC 電子碼 藉由這些標準的制訂, 統一規範 RFID 通訊協定 運作頻率 儲存資料格式 應用系統介面等, 才能增加不同廠牌 RFID Tag 與 Reader 之互通性 準確性與流通性 三 RFID 在安全管理應用 本計畫 RFID 應用係針對營運階段設施與設備的安全管理作業, 其中耗資較大的設施巡檢 盤點 監測等三部分來導入 RFID 技術, 並已完成 RFID 設施巡檢系統 RFID 設備盤點系統 RFID 主動式監測系統 等 3 個應用系統, 可利用輕便的 PDA 或智慧手機來擷取電子 研發成97
中興工程 第117期 2012年10月 PP. 95-100 標籤內資訊 帶出相關工作表單以方便檢查人員 使用之財物有無毀損滅失 盤點是掌握庫存物品 輸入相關結果儲存於 PDA 或智慧手機之中 再 設備狀況與數量的重要手段 除能核查庫存帳面 藉由 PDA 或智慧手機與後端資訊系統連結 更 數量與實際數量是否一致外 並可檢查物品設備 新資料庫 由後端系統提供安全管理相關服務 品質 環境有無發生變化 掌握實際可運用資源 研發成果介紹 設施巡檢是安全管理工作重要之一環 執行 之數量 對於安全管理工作中資源調度非常重 時 巡檢人員需要對各項主要及附屬設施 勘查 要 執行時 可以查清實際庫存數量 倉庫盤點 設施結構或設備是否正常 或是之前有異常的問 作業是指對在庫的物品進行帳目和數量上的清點 題 如漏水 裂縫等 是否持續擴大 並記錄 作業 由於物品設備品項種類繁多 更動頻繁及 之 常見作業方式是巡檢人員以紙本式巡檢表格 供應商所提供的表單格式大小不一 難以管理 或觀測作業表格 有時需攜帶各型測讀設備 輔 為了做好庫存盤點作業 需逐筆進行謄寫 計 以現地配置圖 竣工圖等 於戶外 陰暗廊道內 算 累計 人工作業常易出錯 盤點時數量 統 或廠區環境內尋找點位及作業 因此 常發生巡 計容易發生錯誤 因此 一般用條碼系統來減少 檢未落實 遺漏點位及登錄錯誤 本研究所完成 盤點錯誤 本研究所完成之 RFID 設備盤點系 之 RFID 設施巡檢系統 可以 RFID 標籤提供查 統 可提供以 RFID 標籤放置於庫房或壁櫃附 檢點自動識別並自動帶入巡檢資料 巡檢人員須 近 盤點人員利用手持設備 可顯示庫房或壁櫃 確實到位至監測點實際目視檢查與儀器量測 回 內之庫存設備基本資料 含照片 與盤點資料 到辦公室時 再透過系統連線 將手持式設備上 並記錄該庫房盤點對象現在的狀態與數量 當盤 資訊同步到後端企業安全管理系統 便於日後於 點人員回到辦公室時 再透過系統的連線 將手 管理系統上就可以進行各項數據的分析 RFID 持式設備上的資訊同步到後端企業安全管理系統 設施巡檢系統 應用情境如圖 3 所示 之資料庫中 以供後續統計分析 物品設備盤點 應用情境示意如圖 4 其次 各單位為了解財物管理現況及所保管 圖 3 設施巡檢應用情境架構圖 98
研發成果介紹 中興工程. 第 117 期.2012 年 10 月.PP. 95-100 盤點人員 PDA + RFID Reader RFID Tags 盤點系統 盤點清單下載 盤點結果上傳 資料維護資產查詢數量統計異常警示 管理查詢 中央控制中心 資訊整合 裝有 RFID Tag 之物品 設備 衍申應用 抽盤定期盤點異動盤點循環盤點 營建產業 管理人員 預鑄牆構件混凝土澆置混凝土試體 圖 4 物品設備盤點應用情境架構圖.. 野外現地 Sensor 溫度 邊坡放置 RFID 標籤 + Sensor RFID Tags 濕度亮度 數據分析和報表輸出 RFID Reader 震動 控制器 邊坡滑動儀器監測 警報器 資訊面版顯示 Internet 通訊模組 GPRS LED 數據展示 警示訊息 Firewall 中央控制中心 ( Web + SQL Server ) PDA 遠端查詢 手機簡訊通知 即時預警機制 圖 5 主動式 RFID 系統環境監控應用情境 主動式 RFID 技術最新穎多元, 雖然仍缺乏標準, 但主動式 RFID 標籤具有較強之電力, 亦可結合各類型電子式感測器 ( 如 : 溫度等 ), 佈置於設施或設備周圍, 配合災害應變需求, 提供短期安全監控 本研究所完成之 RFID 主動式 率將其訊號數值, 透過無線頻率傳送到遠地端的伺服器中, 監控人員於辦公室中監控遠端環境的數值, 結合預警機制, 迅速通知管理人員與主管進行應變處置 有關主動式 RFID 系統環境監控應用情境請參考圖 5 監測系統 可協助監測環境變化, 可藉由固定頻 99
研發成果介紹中興工程. 第 117 期.2012 年 10 月.PP. 95-100 四 結論 本研究針對營運階段之設施與設備安全管理研發 RFID 設施巡檢系統 RFID 設備盤點系統 RFID 主動式監測系統 等 3 個安全管理應用系統, 所發展之 RFID 應用系統主要特色在於強化資料收集與資料傳遞間環節, 讓設施 / 設備辨識更自動化 以設施巡檢 PDA 系統為例, 透過 RFID 技術自動帶入設施 / 設備資料, 較傳統人工作業方式, 至少節約 1/4 以上時間, 並且減少出錯機會 另一方面,RFID 電子標籤目前雖較條碼昂貴許多, 但亦有不怕髒污及可儲存資料等特性, 透過適當封裝亦可防水, 適合室外 廠區之設施 / 設備管理使用 被動式高頻電子標籤具有抗環境雜訊 電力干擾且具備資料儲存功能與傳輸率高 主動式 RFID 電子標籤對環境敏感性較高, 但讀取效能優異且儲存應用能力佳 未來應用建議以石化廠 電廠等範圍大且巡檢頻率高為對象 對於高頻率 ( 每日 每週 每月 ) 巡檢點位, 直接以被 動式電子標籤標示即可, 以降低 RFID 系統導入成本 主動式電子標籤則可應用於新設或低頻率 ( 每半年 每年 每 2 年 ) 之巡檢點位 整體而言, 本研究所研發之 3 個 RFID 安全管理應用系統除整合 RFID 技術, 亦就相關作業完成電腦化作業輔助系統, 其相較於傳統人工作業對於作業時效 紀錄品質 空整資訊呈現 資訊交換成本等方面, 仍具明顯效益 RFID 主動式監測系統, 整合主動式 RFID 技術 環境感測器 以及監控技術與管理資訊系統, 可提供作為災害應變環境監控使用, 針對發生災害之室外環境, 佈設內建感測器之主動式 RFID 電子標籤, 同時於現場附近地點佈設行動式監控箱, 內含 RFID 讀取器與控制器等相關設備, 提供災害地點附近前進指揮所監控環境用途, 相關資料亦將透過此行動式監控箱傳回後方管理單位之資料庫儲存, 並可由後端管理系統掌握災害地點, 可提供環境感知便利性 訊息通知即時性 資料保存完整性等效益 水利工程應用程式 公開發售 SEC-HY21( 二維污染值傳輸 輸砂及颱風暴潮模式發展 ) a. 定床水理模組 b. 水中生物物理棲地分析模組 訂購電話 :(02)2769-2131 轉 21406 馬小姐傳真 :(02)2766-9184 E-MAIL:pony@sinotech.org.tw 100