RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率優(yōu)化策略研究

　　0 引言

　　食品安全是近幾年來具有持續(xù)挑戰(zhàn)性的問題和社會熱點(diǎn)。將無線射頻識別RFID (Radio Frequency Identification )引入解決食品安全可追溯系統(tǒng)關(guān)鍵問題，是現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域中具有活力和前途的高新技術(shù)RFID食品安全可追溯系統(tǒng)通過在食品生產(chǎn)中使用RFID標(biāo)簽，給每一個(gè)產(chǎn)品里置入帶有唯一識別的信息，對其生產(chǎn)、加工、儲藏、運(yùn)輸進(jìn)行全方位全過程的監(jiān)控和管理, 具有極大的優(yōu)勢和便利。

　　RFID食品安全可追溯系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸之一是系統(tǒng)中RFID標(biāo)簽讀取率的問題，國外研究方法有：一是基于Friis能量傳輸模型基礎(chǔ)建立了一些復(fù)雜的讀取操作范圍模型，二是讀取率試驗(yàn)方法p s, l s7 o Steve Hodges等提出了一種結(jié)合機(jī)械手自動化采集數(shù)據(jù)來優(yōu)化RFID標(biāo)簽在應(yīng)用對象上的安裝位置的衰減闡值新方法，該方法可以找出無源UHF型RFro系統(tǒng)的有效讀取范圍國內(nèi)此類研究相對較少，劉篙巖等根據(jù)無線電波的傳輸機(jī)制建立起RFID系統(tǒng)信號損失模型，提出了“高處布置方向性天線讀寫器”的覆蓋模型。日前能夠正確地說明或改善RFID系統(tǒng)讀取率的工具和方法很少，在RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率應(yīng)用方面，研究發(fā)現(xiàn)貨箱內(nèi)裝物品會降低標(biāo)簽讀取率，內(nèi)含裝滿水的瓶子的貨箱標(biāo)簽讀取率僅僅達(dá)25%，裝滿大米的貨箱標(biāo)簽讀取率為0.6%，即使是空貨箱也達(dá)不到100%的讀取率，周仲芳等建立的活豬檢驗(yàn)檢疫監(jiān)督管理電子化系統(tǒng)中RFID系統(tǒng)對活豬耳標(biāo)的讀取率。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只會測試一個(gè)特定的配置，如果它可靠地工作，即確定系統(tǒng)的最佳性能，所以，研究優(yōu)化RFID系統(tǒng)讀取率的途徑和方法是很有價(jià)值的。本論文把粗糙集理論用于正交試驗(yàn)方法，探索低成本RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率的優(yōu)化策略，為提高RFID系統(tǒng)的性價(jià)比提供有效的方法與理論依據(jù)，為打開RFID系統(tǒng)的應(yīng)用市場提供技術(shù)支持。

　　1 試驗(yàn)裝與方法

　　1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/span>

　　影響RFID系統(tǒng)讀取率的因素有很多，包括試驗(yàn)對象與RFID讀卡器之間的距離、偏離高度、速度、數(shù)量等等，構(gòu)成了影響RFID系統(tǒng)讀取率的多因素環(huán)境。本文首先使用正交試驗(yàn)方法，試圖尋找RFID讀取標(biāo)簽數(shù)和讀取率均較大的因素水平組合。然后針對正交試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果的不足，采用粗糙集理論漸進(jìn)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果，直至獲得RFID系統(tǒng)讀取標(biāo)簽數(shù)和讀取率均最大的因素水平組合應(yīng)用方案。

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　本文使用自制簡易試驗(yàn)裝置。主要組成為:0.75 m長，0.50m寬的平板小車1輛;0.75 m寬，1.60 m高的木制框架3個(gè)，各木框架間隔0.15 m固定于小車上成3排;每個(gè)木框架上固定一塊硬紙板;RFID標(biāo)簽可按4行4列均勻整齊貼于紙板上。

　　本文使用的RFID系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備型號為SZM1I公司的無源型MR9151B讀寫器。該讀寫器主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和性能為:采用18000-6B. EPC雙協(xié)議行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為ISM波段(902-928 MHz)，讀卡距離大于2m，最大功率不大于3W，讀寫速度快、可同時(shí)操作多個(gè)標(biāo)簽、只對專有應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)簽進(jìn)行操作、自動跳頻讀取和抗干擾能力強(qiáng)等。

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　1.3.1 多因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是多因子試驗(yàn)中最重要的一種設(shè)計(jì)方法，它通過較少次典型試驗(yàn)就可以找出全面試驗(yàn)中較好的試驗(yàn)結(jié)果。本文采用正交試驗(yàn)尋求RFID讀取標(biāo)簽數(shù)和讀取率均較大的多因素水平組合方案。

　　首先確定正交試驗(yàn)因素與水平。影響RFID系統(tǒng)讀取率的因素有很多，包括標(biāo)簽與讀卡器的距離、高度、速度、標(biāo)簽排列的行數(shù)、列數(shù)等等。根據(jù)單因素試驗(yàn)分析這幾個(gè)因素(如圖1)，讀取率隨讀取距離的加大而呈下降趨勢，隨讀取偏離高度的加大呈明顯下降趨勢，而對于讀取對象的移動速度則是慢速或中速時(shí)讀取率大，標(biāo)簽行數(shù)的增加導(dǎo)致讀取率減少，標(biāo)簽列數(shù)的單因素變化影響規(guī)律不具明顯特征，但標(biāo)簽列數(shù)影響讀卡數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。確定試驗(yàn)因素和水平如表1，其中，對于該試驗(yàn)系統(tǒng)速度因素的選用閡值范圍(單位:m/s )為:靜止為0,慢速為[1, 3]，中速為[4, 6]，快速為[7, 9]。然后選用Las (4s)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，每個(gè)因素水平試驗(yàn)重復(fù)4次取平均。

圖1 因素及水平與讀取率的關(guān)系

     表1 正交試驗(yàn)因素水平

　　如果正交試驗(yàn)中每個(gè)因素所取得的水平數(shù)較少，則正交試驗(yàn)不一定能發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果;如果每個(gè)因素先擇足夠數(shù)量的水平數(shù)，這將大大增大試驗(yàn)的組數(shù)，必須進(jìn)行大量的正交試驗(yàn)，這種盲目性將造成財(cái)力、物力資源的浪費(fèi)。為此，本文引入了粗糙集理論對多因素正交試驗(yàn)結(jié)果不斷優(yōu)化，并逐步搜索、逼近最優(yōu)的水平組。

　　1.3.2 粗糙集漸近優(yōu)化正交試驗(yàn)方法

　　粗糙集是一種研究不精確和不確定性知識的數(shù)學(xué)工具，它能夠在缺少數(shù)據(jù)的情況下，僅僅以對觀測數(shù)據(jù)的分類能力為基礎(chǔ)，解決模糊或不確定性數(shù)據(jù)的分析和處理的方法。決策屬性對條件屬性的依賴度，是條件屬性重要程度的衡量。如果能夠每次做完正交試驗(yàn)后都能計(jì)算得出各條件屬性(即各因素)對決策屬性(試驗(yàn)?zāi)繕?biāo))的重要性，然后再根據(jù)該屬性各水平對決策屬性的影響大小來重新調(diào)整該屬性的取值，獲得新的正交表，依次繼續(xù)試驗(yàn)，直至獲得最優(yōu)試驗(yàn)結(jié)果。

　　決策表是一種同時(shí)擁有條件屬性和決策屬性集的知識表達(dá)系統(tǒng)，是一種特殊的信息表。而通過正交試驗(yàn)獲得的包含因素、水平及試驗(yàn)結(jié)果的表就是一張決策表，各因素就是條件屬性，而試驗(yàn)結(jié)果就是決策屬性。因此，可以根據(jù)粗糙集理論，對正交試驗(yàn)結(jié)果表進(jìn)行改進(jìn)。首先計(jì)算決策屬性對條件屬性的依賴度，依賴度的值愈大，對決策屬性的影響也就愈大，其條件屬性就愈重要。然后根據(jù)屬性依賴度，調(diào)整正交試驗(yàn)因素的水平。粗糙集理論中屬性依賴度的概念如下：

　　用粗糙集理論求決策屬性(讀卡率)對條件屬性(距離、高度、速度等因素)的依賴度k，依賴度最大的因素即為對讀卡率影響最大的因素。然后重點(diǎn)調(diào)整這個(gè)因素的取值范圍及水平值，重新安排正交試驗(yàn)，使試驗(yàn)結(jié)果有所優(yōu)化。如此反復(fù)優(yōu)化，不斷搜索、逼近最優(yōu)的水平組合。

　　2 結(jié)果分析與討論

　　2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

　　從表2中可知，試驗(yàn)T1和T2的讀取率都達(dá)到了100%, T8的讀取率達(dá)到96.9%, T16的讀取率達(dá)到95.3%0實(shí)際應(yīng)用還要求一次性讀取標(biāo)簽數(shù)越多越好，雖然T1、T2的讀取率都達(dá)到了100%，但是這兩個(gè)試驗(yàn)的標(biāo)簽數(shù)量最大才達(dá)到6(按T2每次3排，每排1行2列試驗(yàn))，對于實(shí)際應(yīng)用中還沒達(dá)到一個(gè)滿意的結(jié)果。因此，必須調(diào)整因素的水平進(jìn)行再試驗(yàn)，以獲得高的標(biāo)簽讀取率情況下更理想的因素組合。

　　2.2 粗糙集漸近優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　運(yùn)用粗糙集理論對表2進(jìn)行分析，條件屬性標(biāo)簽行數(shù)(r1)、標(biāo)簽列數(shù)(Pz)、偏離高度(P3 )、距離(p4)、速度(p5)都具有4個(gè)水平，各水平分別用1, 2, 3. 4來代替?，F(xiàn)將決策屬性劃分為兩個(gè)區(qū)間(0.4. 0.67), (0.7}1]，分別用1, 2來代替，對表2進(jìn)行處理得決策表。

　　表2 L16(4x5)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

　　可知P3屬性即偏離高度的依賴度最大，首先調(diào)整Ps的取值，根據(jù)偏離高度的單因素分析，水平1(即正中心)的讀取率是相對較好，偏離越大，讀取率就越低，調(diào)整偏離高度的區(qū)間范圍:由原來的[0, 60]修改為[[0, 39], 4個(gè)水平重新在[0, 39]的區(qū)間內(nèi)均勻取值為:0, 13, 26.39cm。其他因素水平不變，再進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

　　表3 第一次優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果

　　從表3可知，通過改變讀取偏離高度，大部分試驗(yàn)號讀取率都有所提高，特別是T7. T10, T13這幾組試驗(yàn)的讀取率增幅較大，這幾組試驗(yàn)都是從原來讀取偏離高度60 cm改為39 cm的優(yōu)化結(jié)果。而T12的讀取率達(dá)到了98.6%，對應(yīng)讀取標(biāo)簽數(shù)為36(按T12每次3排，每排3行4列試驗(yàn))，說明通過改變讀取偏離高度因素水平，整體讀取率比前一次有明顯的提高，也說明了第一次正交試驗(yàn)的區(qū)間并不是最優(yōu)區(qū)間，需要縮小范圍繼續(xù)尋找最優(yōu)區(qū)間。

　　繼續(xù)應(yīng)用粗糙集理論依次進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化，調(diào)整決策屬性為兩個(gè)區(qū)間(0.6, 0.8), (0.8. 1)，結(jié)合擬水平法構(gòu)造混合水平正交試驗(yàn)表，經(jīng)過三次正交試驗(yàn)得最優(yōu)結(jié)果如表4和表5所示，再調(diào)整因素水平將出現(xiàn)讀取率下降的現(xiàn)象。由表5可知，讀取最大標(biāo)簽數(shù)量的T12試驗(yàn)的讀取率為99.3%，其試驗(yàn)因素最優(yōu)組合為:標(biāo)簽行數(shù)取3，列數(shù)取4，讀取偏離高度取8 cm，距離取10 cm}速度取中速。

　　表4 第五次優(yōu)化正交試驗(yàn)因素水平

　　2.3 討論

　　影響標(biāo)簽讀取率的因素多、各因素水平值多，安排大量的正交試驗(yàn)在多維因素空間搜索最佳水平組合有難度。本文應(yīng)用粗糙集理論漸進(jìn)優(yōu)化正交試驗(yàn)方法對影響RFID系統(tǒng)讀取率及讀卡數(shù)的距離、偏離高度、速度、行數(shù)和列數(shù)等5個(gè)因素進(jìn)行漸進(jìn)正交試驗(yàn)優(yōu)化，進(jìn)行了一次正交試驗(yàn)和五次優(yōu)化試驗(yàn)，共完成54個(gè)試驗(yàn)后搜索到最優(yōu)因素水平組合，系統(tǒng)標(biāo)簽讀取率達(dá)到了99.3%以上，對于解決RFID食品安全系統(tǒng)讀取率優(yōu)化問題是有效的。

　　據(jù)調(diào)查，按一套讀卡器、天線及30個(gè)標(biāo)簽的UHF915MHz無源型RFID系統(tǒng)設(shè)備目前市場價(jià)格比較，測試使用的MR9151B系統(tǒng)市場價(jià)格一套約人民幣7000元，使用技術(shù)稍好的如CSLImpinj 915系統(tǒng)價(jià)格約人民幣1.6萬元，技術(shù)更好的如ZTALR9780系統(tǒng)價(jià)格約為人民幣3萬元。標(biāo)簽的單價(jià)為人民幣5元至100元之間，性價(jià)比差異達(dá)到200%以上，本研究粗糙集漸進(jìn)優(yōu)化正交試驗(yàn)方法，為充分挖掘RFID系統(tǒng)性能潛力提供簡單、可行的方法，為建立低成本和高性價(jià)比的RFID系統(tǒng)提供理論依據(jù)，為RFID系統(tǒng)的讀取率及成本問題提出了一種有效的解決思路和方法，為RFID系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。

　　為探索RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率及讀卡數(shù)優(yōu)化策略，對于應(yīng)用對象材質(zhì)等固有屬性影響因素，未考慮為本研究試驗(yàn)因素，有必要對不同應(yīng)用對象材質(zhì)做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

　　3 結(jié)論

　　1)針對食品安全可追溯系統(tǒng)項(xiàng)目中提出的RFID系統(tǒng)讀取率及讀卡數(shù)優(yōu)化問題，通過粗糙集漸進(jìn)優(yōu)化正交試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了RFID試驗(yàn)系統(tǒng)讀卡數(shù)和讀取率優(yōu)化的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

　　2)應(yīng)用粗糙集漸進(jìn)優(yōu)化正交試驗(yàn)方法，為RFID系統(tǒng)讀取率問題提出了一種有效的解決思路和方法，為RFID系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。

　　3)粗糙集漸進(jìn)優(yōu)化正交試驗(yàn)方法建立的低成本試驗(yàn)方法，在產(chǎn)品成本不變的條件下，為充分挖掘產(chǎn)品性能潛力提供簡單、可行的方法，為充分挖掘產(chǎn)品性價(jià)比提供理論依據(jù)。