基于CEP的RFID數(shù)據(jù)處理模型研究

1 引言

　　RFID (射頻識(shí)別)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它是利用射頻微波信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)相互通信的，與傳統(tǒng)的條碼技術(shù)相比，RFID具有非接觸、可讀寫、可重復(fù)使用、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、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、無需人工干預(yù)、抗惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，RFID已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的領(lǐng)域，并不斷向新的領(lǐng)域滲透。被列為本世紀(jì)十大技術(shù)之一

　　基本的RFID系統(tǒng)通常由3部分組成：RFID標(biāo)簽(tag)、RFID閱讀器(reader)及應(yīng)用軟件。其系統(tǒng)的組成如圖1所示。

　　RFID標(biāo)簽(tag)具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；RFID讀寫器通過實(shí)時(shí)、自動(dòng)讀取目標(biāo)對(duì)象tag獲得RFID原始數(shù)據(jù)。由圖1可以看到，整個(gè)RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)讀寫器按照預(yù)先設(shè)定方式對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，每讀取一次標(biāo)簽即產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，由于讀取速度較快，標(biāo)簽的同一狀態(tài)可能會(huì)被多次讀取，產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)。此外，RFID技術(shù)本身亦會(huì)產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。目前的新一代EP C標(biāo)準(zhǔn)使得標(biāo)簽讀寫速度達(dá)到I 800次／s，這就意味著所有讀寫器采集的RFID數(shù)據(jù)匯集在一起將是海量的RFID原始數(shù)據(jù)，而這些R F I D原始數(shù)據(jù)僅僅是夾雜著大量冗余甚至錯(cuò)誤的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)(標(biāo)簽的電子編碼)，不同讀寫器采集的數(shù)據(jù)之間隱含的內(nèi)在關(guān)系信息沒有被充分挖掘，應(yīng)用程序很難快速?gòu)倪@些海量數(shù)據(jù)中找到所需的數(shù)據(jù)。

　　因此如何有效去除R F I D 冗余數(shù)據(jù)并盡可能從RFID原始數(shù)據(jù)中提取抽象有意義的事件是RFID數(shù)據(jù)處理研究的焦點(diǎn)。

2 RFID數(shù)據(jù)處理方法概述

2．1 早期的處理方法

　　在RFID技術(shù)發(fā)展初期，RFID系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模一般較小，解決方案常采用應(yīng)用程序直接處理RFID數(shù)據(jù)的方法。這種方法直接將讀寫器系統(tǒng)連接到應(yīng)用程序，由應(yīng)用程序?qū)ｉT設(shè)計(jì)RFID冗余數(shù)據(jù)的過濾以及所需數(shù)據(jù)的提取程序。這種方案一定程度上滿足了系統(tǒng)的需要，但增加了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)效率，系統(tǒng)的可維護(hù)性較差。

2．2 基于消息驅(qū)動(dòng)的處理方法

　　隨著RFID技術(shù)的快速發(fā)展，RFID系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，早期由應(yīng)用程序直接處理RFID數(shù)據(jù)的方案已無法適應(yīng)需要。目前的解決方案由中間件專一處理RFID原始數(shù)據(jù)以達(dá)到應(yīng)用程序需要。中間件設(shè)計(jì)濾波算法濾除基本的RFID冗余數(shù)據(jù)，RFID數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序的傳遞采用基于消息驅(qū)動(dòng)的處理方法進(jìn)行，該方法將RFID原始數(shù)據(jù)信息預(yù)先設(shè)定為不同的event(消息或事件)類型存儲(chǔ)，每一個(gè)RFID原始數(shù)據(jù)event觸發(fā)數(shù)據(jù)到一個(gè)或者多個(gè)應(yīng)用程序的傳遞，應(yīng)用程序接收并處理這些數(shù)據(jù)。但由于系統(tǒng)的event之間內(nèi)在關(guān)系沒有充分提取，event數(shù)量仍然有很大，應(yīng)用程序花費(fèi)較多的時(shí)間處、理這些消息數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)效率；并且event類型在系統(tǒng)建立初期就已經(jīng)確定，無法根據(jù)需要進(jìn)行配置，大大降低了系統(tǒng)的靈活性。

2．3 基于復(fù)雜事件處理(CEP)技術(shù)的方法

　　復(fù)雜事件處理(CEP)是一項(xiàng)用于構(gòu)建和管理信息系統(tǒng)的新興技術(shù)。它將系統(tǒng)數(shù)據(jù)看作不同類型的事件，通過分析事件間的關(guān)系如：成員關(guān)系、時(shí)間關(guān)系以及因果關(guān)系等，建立不同的事件關(guān)系庫(kù)，利用事件間的關(guān)聯(lián)、事件提取以及事件分層等技術(shù)，從多個(gè)事件中提取有意義的復(fù)雜事件，使系統(tǒng)的不同使用者提取各自需要的信息，這些信息可是低層的處理數(shù)據(jù)，也可以是更高一級(jí)的管理數(shù)據(jù)。

　　目前國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者將復(fù)雜事件處理技術(shù)用于RFID數(shù)據(jù)處理。根據(jù)復(fù)雜事件處理技術(shù)，定義了RFID事件類型，RFID事件、規(guī)則定義規(guī)范等基礎(chǔ)問題，但未對(duì)如何將復(fù)雜事件處理技術(shù)應(yīng)用于RFID數(shù)據(jù)處理進(jìn)行具體分析；針對(duì)超市進(jìn)貨實(shí)例討論了復(fù)雜事件處理技術(shù)數(shù)據(jù)處理的原理，但沒有提出有效的規(guī)范方法。

　　鑒于此，本文著重從規(guī)范基于CEP技術(shù)的RFID數(shù)據(jù)處理方法的角度，對(duì)基于CEP的RFID數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行研究。

3 基于CEP的RFI D數(shù)據(jù)處理模型

3．1 模型的結(jié)構(gòu)分析

　　本文提出的基于CEP的RFID數(shù)據(jù)處理模型，按處理過程可以分為三個(gè)層次：原始數(shù)據(jù)層、基本事件層和抽象事件層。如下圖2所示。

　　原始數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)收集由讀寫器采集的原始RFID數(shù)據(jù)，由于讀寫器系統(tǒng)可能存在著不同種類的讀寫器和標(biāo)簽，采集的數(shù)據(jù)是各種不同格式的原始數(shù)據(jù)。

　　基本事件層是利用高速緩存CACHE技術(shù)將RFID原始數(shù)據(jù)處理成系統(tǒng)需要的統(tǒng)一格式、信息完備、語義準(zhǔn)確的RFID基本事件。

　　抽象事件層是利用RFID事件濾波器或者RFID復(fù)雜事件構(gòu)建器對(duì)RFID基本事件處理得到應(yīng)用程序所需要的抽象事件。抽象事件層又可以分為許多子抽象層，以滿足應(yīng)用軟件各個(gè)子程序需要，RFID事件濾波器濾除錯(cuò)誤、漏讀、冗余以及不相關(guān)的RFID事件提取出應(yīng)用軟件中某個(gè)應(yīng)用程序所需的抽象事件1，同時(shí)抽象層1在經(jīng)過復(fù)雜事件構(gòu)建器1得到應(yīng)用軟件所需的抽象事件2，依次下去，從而使應(yīng)用軟件的不同部分得到各自所需的數(shù)據(jù)。

　　此外，模型的R F I D 規(guī)則配置器允許應(yīng)用軟件對(duì)RFID事件濾波器和復(fù)雜事件構(gòu)建器進(jìn)行配置，以適應(yīng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)的需要。

3．2 模型的關(guān)鍵技術(shù)

3．2．1 高速數(shù)據(jù)緩存CACHE

　　目前在RFID系統(tǒng)大量采用的是簡(jiǎn)單標(biāo)簽，這些標(biāo)簽所能表達(dá)的信息量有限，通常僅是產(chǎn)品的ID號(hào)，CEP需要具體的事件背景才能充分從這些簡(jiǎn)單事件挖掘有用的信息。例如貼有EPC (電子產(chǎn)品標(biāo)簽)的產(chǎn)品，就其標(biāo)簽本身很難得知產(chǎn)品的接收方以及運(yùn)輸周期等背景信息，這些信息通常是可以通過訪問企業(yè)系統(tǒng)或者貿(mào)易伙伴數(shù)據(jù)庫(kù)得到的。然而目前的新一代的EP C標(biāo)準(zhǔn)使得標(biāo)簽讀寫速度已達(dá)1 800次／s。對(duì)由此產(chǎn)生的龐大讀寫數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸背景信息是很難實(shí)現(xiàn)的，模型應(yīng)采用高速數(shù)據(jù)緩存CACHE解決。

　　高速數(shù)據(jù)緩存cache存儲(chǔ)背景信息數(shù)據(jù)，利用虛擬存儲(chǔ)器管理技術(shù)對(duì)背景信息進(jìn)行管理，把各種背景信息分頁(yè)放置在CACHE中，根據(jù)RFID數(shù)據(jù)使用背景信息頻率改變CACHE中背景信息的存儲(chǔ)位置，以實(shí)現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)快速找到所需的背景信息。

3。2．2 RFID事件濾波器

　　RFID事件濾波器就是一系列RFID事件規(guī)則的集合。當(dāng)輸入大量任意的簡(jiǎn)單事件到事件濾波器，輸出則是符合RFID規(guī)則的所有事件。事件過濾器的作用就是只提取出重要的或感興趣的事件，以減少所要處理事件的數(shù)量。事件濾波器主要有兩種RFID數(shù)據(jù)過濾類型：底層數(shù)據(jù)過濾和系統(tǒng)數(shù)據(jù)過濾。

　　底層數(shù)據(jù)過濾主要針對(duì)RFID原始數(shù)據(jù)的過濾一重復(fù)、冗余數(shù)據(jù)的過濾，重復(fù)、冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因主要是閱讀器長(zhǎng)時(shí)間讀寫一個(gè)標(biāo)簽、多個(gè)讀寫器同時(shí)讀寫一個(gè)標(biāo)簽以及為了增加讀寫可靠性一個(gè)物品綁定多個(gè)標(biāo)簽的情況。

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)過濾，主要是應(yīng)用軟件根據(jù)應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的需要通過R F I D規(guī)則配置器對(duì)事件濾波器進(jìn)行配置，改變或增減相應(yīng)的RFID事件規(guī)則，從而盡可能減少RFID事件量，提取感興趣事件。

3．2．3 RFID復(fù)雜事件構(gòu)建器

　　RFID事件之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系，例如：時(shí)間關(guān)系、層次關(guān)系、包含關(guān)系以及因果關(guān)系等。復(fù)雜事件構(gòu)建器就是一個(gè)事件關(guān)系映射庫(kù)，它預(yù)先定義了事件間的關(guān)系，當(dāng)輸入一些任意事件而這些事件間的關(guān)系符合某種事件關(guān)系規(guī)則，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與之相應(yīng)的輸出事件。例如某離散制造業(yè)生產(chǎn)線上，一個(gè)零件的制造需要多個(gè)工位，各個(gè)工位上的RFID讀寫事件是有著嚴(yán)格的時(shí)間先后順序的，設(shè)備管理部門利用這些時(shí)間關(guān)系構(gòu)造的復(fù)雜事件構(gòu)建器可以很容易得出某個(gè)閱讀器發(fā)生誤讀、漏讀或者故障等有用的復(fù)雜事件。利用復(fù)雜事件構(gòu)建器，不僅充分挖掘出了RFID數(shù)據(jù)中隱含的有用信息，而且滿足了應(yīng)用程序的需要。

4 模型應(yīng)用實(shí)例

　　某離散制造企業(yè)單條生產(chǎn)線承擔(dān)著組裝多種不同類型產(chǎn)品的任務(wù)。由于各系列產(chǎn)品其組裝過程不相同，組裝部件較為相似，組裝過程中往往會(huì)出現(xiàn)不同系列部件混裝問題，甚至出現(xiàn)整機(jī)某個(gè)部件未組裝等重大事故。這些問題大大影響了生產(chǎn)線的組裝效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　為此，引入RFID技術(shù)以有效地增強(qiáng)生產(chǎn)線的監(jiān)控能力，改善生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。由于組裝部件種類多、數(shù)量大，需要使用大量的標(biāo)簽，從而生成大量RFID原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序往往難以快速處理，導(dǎo)致信息化效率顯著降低。本文采用CEP技術(shù)來優(yōu)化RFID數(shù)據(jù)處理流程，以提高RFID技術(shù)在離散制造業(yè)生產(chǎn)線的應(yīng)用水平。圖3是基于CEP的RFID數(shù)據(jù)處理模型圖。

　　整個(gè)模型的數(shù)據(jù)流程是：RFID原始數(shù)據(jù)經(jīng)過高速緩存CACHE處理，得到包含豐富背景信息的產(chǎn)品組裝基本事件；基本事件通過事件濾波器充分挖掘各基本事件間的關(guān)系信息，濾除底層的組裝信息得到產(chǎn)品數(shù)量和類別等抽象信息，生產(chǎn)主管部門可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)量；實(shí)時(shí)的產(chǎn)品數(shù)量數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)雜事件構(gòu)建器處理，得到銷售部門所需的各個(gè)訂單完成量數(shù)據(jù)。該實(shí)例中，模型涉及的關(guān)鍵技術(shù)描述如下：

　　高速緩存CACHE連接著企業(yè)的產(chǎn)品、部件以及工藝信息數(shù)據(jù)庫(kù)，RFID讀寫器原始數(shù)據(jù)信息包括標(biāo)簽ID以及標(biāo)簽讀寫時(shí)間，其格式為D={ID，DATE}，進(jìn)入高速緩存CACHE后，CACHE快速連接數(shù)據(jù)庫(kù)得到所需的背景信息，即該部件的生產(chǎn)商、系統(tǒng)歸屬以及安裝工藝等，將該背景信息加入原始數(shù)據(jù)，得到信息豐富的舳基本事件，其格式為D’={I[)，DATE，COMPANY，S．A．，A．T．o這些RFID基本事件連接到車間生產(chǎn)的電子看板上，工人們可以實(shí)時(shí)從電子看板上得到所需的組裝信息。

　　事件濾波器是根據(jù)底層基本組裝事件間的各種關(guān)系構(gòu)造的關(guān)系庫(kù)。一件產(chǎn)品需要各個(gè)基本組裝事件按照正確的順序全部完成，通過這些事件間的關(guān)系，可以構(gòu)造出上述的事件濾波器。例如完成0型產(chǎn)品組裝需要依次完成f1，f2，f3，f4，f5，f6等組裝事件，只有當(dāng)這些事件按照正確的次序全部完成時(shí)，事件濾波器才會(huì)輸出一個(gè)0型產(chǎn)品數(shù)量加1事件。通過事件濾波器，不僅有效的避免了安裝錯(cuò)誤，而且可以濾出大量底層無關(guān)RFID信息，得到貨物相關(guān)信息——產(chǎn)品類別和產(chǎn)品數(shù)量。于是，生產(chǎn)主管部門可以實(shí)時(shí)了解車間生產(chǎn)產(chǎn)品種類和數(shù)量，來進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)計(jì)劃的安排和評(píng)估。

　　復(fù)雜事件構(gòu)建器主要是根據(jù)銷售部門訂單的要求以及車間生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量之間的關(guān)系，映射出各個(gè)訂單產(chǎn)品的實(shí)時(shí)完成量數(shù)據(jù)。銷售部門可以利用這些數(shù)據(jù)掌握訂單實(shí)時(shí)完成情況數(shù)據(jù)，安排發(fā)貨或者其他的操作。

　　從該制造企業(yè)整個(gè)過程可以看到，RFID原始數(shù)據(jù)通過高速緩存CACHE、事件濾波器、復(fù)雜事件構(gòu)建器過程，其基本事件數(shù)量大大減少，而且可充分挖掘了RFID數(shù)據(jù)中的有用信息，使各個(gè)部門易于獲得所需的數(shù)據(jù)。

　　復(fù)雜事件處理技術(shù)應(yīng)用于RFID數(shù)據(jù)處理研究，在國(guó)際仍是—個(gè)嶄新的領(lǐng)域，目前尚沒有成熟規(guī)范的方法。本文以離散制造業(yè)生產(chǎn)線RFID應(yīng)用為例，給出了—種基于CEP的RFID數(shù)據(jù)處囡 ，并構(gòu)建了相應(yīng)的高速愛 CACHE、RFD事件濾波器和RFID復(fù)雜事件構(gòu)建器?？蛇M(jìn)一步結(jié)合復(fù)雜事件處理器PAPIDE tools，模擬模型處理效果，完善模型應(yīng)用機(jī)制