馬慶修，任正云（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201600）

基于RFID室內(nèi)定位的語音揀選系統(tǒng)設(shè)計

馬慶修，任正云
（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201600）

針對傳統(tǒng)的表單揀貨方式越來越不能滿足大型物流中心的需求，設(shè)計了基于語音的揀選系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)揀選方式存在的不足，提高貨物揀選效率。為實現(xiàn)揀選操作員的合理調(diào)度，系統(tǒng)引入RFID室內(nèi)定位技術(shù)，針對倉儲揀選實際應(yīng)用，以LANDMARC算法為基礎(chǔ)進(jìn)行算法改進(jìn)，改進(jìn)后系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度提高了2％～60％，同時增強了實用性。系統(tǒng)實驗表明，基于室內(nèi)定位的語音揀選系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)相應(yīng)功能，具有較好的市場應(yīng)用前景。

語音識別；物流揀選；RFID室內(nèi)定位；LANDMARC算法；k-近鄰算法

0 引言

揀選（Order Picking）作業(yè)是指按訂單或出庫單的要求，從存儲場所選出物品并放置在指定地點的作業(yè)，揀選作業(yè)是物流中心作業(yè)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的揀選方式有揀選單揀選、標(biāo)簽揀選、射頻RF揀選等。隨著物流業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的揀選方式不僅束縛了揀選工作效率，而且存在成本高、差錯率大等不足。因而，本文設(shè)計了基于語音識別的揀選系統(tǒng)，與傳統(tǒng)揀選技術(shù)相比，語音分揀技術(shù)具有極大提高訂單準(zhǔn)確度、提高工作效率、培訓(xùn)要求低和投資回報率高等優(yōu)勢［1］。在國外，語音揀選系統(tǒng)已有成功案例，但在我國，由于本土化問題，如中文識別播報，語音揀選技術(shù)在國內(nèi)還沒有很好的應(yīng)用。本文設(shè)計的系統(tǒng)使用中文語音識別模塊，能夠很好地應(yīng)用于語音倉儲揀選。在揀選作業(yè)過程中，將近50％的時間花費在揀選的路上。為提高揀選的效率，本文引入室內(nèi)定位技術(shù)，選擇離待揀選貨物最近的操作員揀取該貨物，通過合理調(diào)度大大提高揀選效率。該揀選系統(tǒng)以語音識別技術(shù)為基礎(chǔ)，以室內(nèi)定位技術(shù)為支撐，搭建一個快速、精準(zhǔn)、高效的語音揀選系統(tǒng)，真正實現(xiàn)“解放雙手，解放雙眼”。

1 相關(guān)技術(shù)

從應(yīng)用方向分析，語音識別主要分為關(guān)鍵詞語識別和聽寫系統(tǒng)兩個方面。關(guān)鍵詞語識別技術(shù)的目標(biāo)是精確地識別說話人的語音命令，識別率要達(dá)到90％以上，用在語音控制和語音命令查詢方面，例如在手機上實現(xiàn)的語音撥號功能。聽寫系統(tǒng)是前端的聲學(xué)模型不要求精確識別，而是輸出盡可能多的音標(biāo)候選，由后續(xù)的語義分析器給出擬合的文字內(nèi)容，例如IBM推出的ViaVoice軟件和Google的語音搜索。但就目前的技術(shù)現(xiàn)狀，還未出現(xiàn)一個更加完善的理論模型來指導(dǎo)聽寫系統(tǒng)的發(fā)展，目前的聽寫系統(tǒng)還只能是實驗產(chǎn)品，無法達(dá)到真正理解人的自然語音的水平。所以，在目前能夠提供商業(yè)實用產(chǎn)品的技術(shù)，依然是關(guān)鍵詞語識別技術(shù)。本系統(tǒng)采用ICRoute公司設(shè)計生產(chǎn)的LD3321芯片作為語音識別的主控芯片，此芯片是基于關(guān)鍵詞語識別的。

目前室內(nèi)定位采用的主要技術(shù)有GPS技術(shù)、超聲波技術(shù)、紅外線（IR）技術(shù)、WiFi技術(shù)、超寬帶（UWB）技術(shù)、射頻識別（RFID）技術(shù)等，但大多技術(shù)因受多徑效應(yīng)、非視距傳播影響以及精度限制等不能得到很好的推廣。射頻識別（RFID）技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時由于其多目標(biāo)識別、非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。本系統(tǒng)采用射頻識別（RFID）技術(shù)實現(xiàn)倉儲人員的室內(nèi)定位。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于室內(nèi)定位的倉儲語音揀選系統(tǒng)的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，語音揀選系統(tǒng)主要包括語音識別部分和RFID定位部分。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該語音揀選系統(tǒng)語音識別模塊采用 ICRoute公司設(shè)計生產(chǎn)的V280語音識別標(biāo)準(zhǔn)模塊，該模塊能夠獨立完成語音識別，并根據(jù)用戶設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)的操作；模塊基于本地的語音識別，識別命令相對于“云端”語音識別，其具有沒有延遲、不受網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性影響等優(yōu)點；模塊以LD3321芯片作為語音識別的主控芯片，此芯片是基于關(guān)鍵詞語的識別，采用成熟的非特定人語音識別芯片技術(shù)，能夠有效地實現(xiàn)語音識別，并且能夠支持語音播放功能；同時，模塊具有豐富的外設(shè)接口，方便進(jìn)行控制。為實現(xiàn)操作人員的有效調(diào)度，提高揀選效率，系統(tǒng)采用先進(jìn)的室內(nèi)定位算法，并依據(jù)系統(tǒng)的特殊性進(jìn)行算法改進(jìn)，下面詳細(xì)介紹定位算法的實現(xiàn)。

3 RFID定位算法分析

目前，比較成熟的RFID室內(nèi)定位方案有SpotON、3D-iD pinpoint和基于動態(tài)有源RFID校準(zhǔn)定位（Location Identification based on DynamicactiveRFID Calibration，LANDMARC）［2］。其中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的是LANDMARC算法。LANDMARC算法引入?yún)⒖紭?biāo)簽概念，應(yīng)用“最近鄰”思想，求待測點位置。即以確定坐標(biāo)的RFID標(biāo)簽為參考，與參考標(biāo)簽越近的待測標(biāo)簽，其在同一個RFID讀卡器中讀得的信號強度應(yīng)該越相近。然后通過相應(yīng)的公式計算獲得待測標(biāo)簽的坐標(biāo)位置［3-5］。

LANDMARC算法引入?yún)⒖紭?biāo)簽降低環(huán)境因素影響，獲得較高的定位精度。但其也存在一些不足，LANDMARC算法將所有參考標(biāo)簽都設(shè)為其鄰近標(biāo)簽，并計算其與待測標(biāo)簽的歐氏距離，這勢必增加系統(tǒng)的計算量，還可能會影響到定位精度。而且為提高LANDMARC算法定位精度，就需要增加參考標(biāo)簽排放密度，然而密度增加會加劇信號之間的干擾，從而又導(dǎo)致定位精度降低。

4 LANDMARC系統(tǒng)算法的應(yīng)用改進(jìn)

分析揀選系統(tǒng)的特性，語音揀選系統(tǒng)定位要求是找到離設(shè)定位置（待揀選貨物）最近的待測標(biāo)簽（操作員），而不是關(guān)心所有待測標(biāo)簽（操作員）的具體位置，因而不需要計算所有待測標(biāo)簽的具體位置，可以先找到靠近設(shè)定位置（待揀選貨物）的一些待測標(biāo)簽（操作員）形成一個集合，再在這個集合中找到離設(shè)定位置（待揀選貨物）最近的待測標(biāo)簽（操作員），對其下達(dá)揀選命令。因而對LANDMARC系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

對LANDMARC系統(tǒng)“k鄰域”算法中 k的取值進(jìn)行研究，實驗得到，在參考標(biāo)簽的密度適中時，當(dāng)k值為4時定位精度最理想［6-10］。因而，在改進(jìn)算法中，以待揀選貨物所在網(wǎng)格的4個參考標(biāo)簽為鄰居標(biāo)簽，選取K個歐幾里德距離最小的待測標(biāo)簽（操作員），然后利用公式求得距離貨物最近的操作員。語音揀選系統(tǒng)室內(nèi)定位布置示意圖如圖2所示。

圖2 語音揀選系統(tǒng)室內(nèi)定位布置示意圖

算法改進(jìn)過程如下（n個閱讀器，m個參考標(biāo)簽和u個待定位標(biāo)簽）：

（1）分別獲得u個帶定位標(biāo)簽關(guān)于n個閱讀器的信號強度矩陣：

再獲得包圍待揀選貨物的矩形定點上的4個參考標(biāo)簽（分別編號為a、b、c、d）關(guān)于n個閱讀器的信號強度矩陣：

（2）如圖 3所示，當(dāng)需要揀選的貨物位置在⑥、⑦、⑩、11○參考標(biāo)簽圍成的方框區(qū)域內(nèi)時，分別使用 6、7、10、11號參考標(biāo)簽為鄰居標(biāo)簽，利用式（3）得到所有以6、7、10、11號參考標(biāo)簽為鄰居標(biāo)簽與待測標(biāo)簽的值，即為其歐式距離。根據(jù)參考標(biāo)簽離需揀選貨物的距離關(guān)系，由式（4）選取 Mj值最小的前 K（1≤K≤u）個待測標(biāo)簽，表示這K個標(biāo)簽離需選取的貨物位置相對較近。其中，kj由式（5）獲得，其中di對應(yīng)圖 2中的距離。

（3）通過式（6）求得選取的該 K個待測標(biāo)簽的坐標(biāo)（x，y）：

（4）得到這4個點的坐標(biāo)后，利用式（7）求出e最小的點，即離（x0，y0）最近的待測標(biāo)簽，其中，（x0，y0）為需選取貨物的坐標(biāo)，選擇該最近的待測標(biāo)簽（操作員）為接收揀選命令的操作員。

5 實驗結(jié)果分析

按照圖2實驗布局，每一排中相鄰兩參考標(biāo)簽之間距離為2m，每兩排之間距離為1.5m。約定當(dāng)系統(tǒng)選擇離待揀選貨物最近最方便的操作員完成揀選任務(wù)即為此次定位正確。通過大量實驗得到，當(dāng)K〈5時，隨著K的增大選取最近待測標(biāo)簽的準(zhǔn)確率提高；當(dāng)K≥5時，隨著K值的增加選取最近待測標(biāo)簽的準(zhǔn)確率只存在微弱波動，而K值的增加帶來額外的計算。因而，K=5時系統(tǒng)性能最佳。

取K=5，實驗得到算法改進(jìn)前后選取最近操作員正確率對比圖如圖3所示。其中，橫坐標(biāo)對應(yīng)圖2中待揀選貨物的序號，縱坐標(biāo)為選取操作員的正確率。

從圖3可以看出，改進(jìn)算法較原來的LANDMARC算法準(zhǔn)確率有所提高。而且，實驗中定位錯誤時選擇的操作員的位置與在實際離待揀選貨物最近的操作員位置相鄰近。因而，系統(tǒng)定位準(zhǔn)確率能達(dá)到揀選定位要求。

圖3 定位正確率對比圖

分析結(jié)果數(shù)據(jù)可知，對于2、4號待揀選貨物定位選擇操作員準(zhǔn)確率明顯提升。以4號待揀選貨物為例，從系統(tǒng)布局示意圖可以看出，與4號待揀選貨物距離相對較近的有a、b、c位操作員，由無線電波在室內(nèi)傳播模型分析，相對于帶定位標(biāo)簽a、b，帶定位標(biāo)簽c由于與貨物4周圍的14、15、18、19號參考標(biāo)簽在同一條走廊上，因而路徑損耗相近，系統(tǒng)定位時更容易選擇c為最近操作員。由此可得，當(dāng)操作員與待揀選幾何距離相近時，改進(jìn)算法能夠選擇相同走廊上的操作員完成揀選工作，而避免選擇與待揀選貨物不在相同走廊上的操作員而走遠(yuǎn)距離完成揀選任務(wù)的情況，從而提高揀選效率。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了基于室內(nèi)定位的倉儲語音揀選系統(tǒng)，系統(tǒng)使用ICRoute公司設(shè)計生產(chǎn)的V280語音識別標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成語音命令的下達(dá)與識別。為提高揀選操作員調(diào)度效率，系統(tǒng)以LANDMARC室內(nèi)定位算法為基礎(chǔ)，以語音揀選倉庫為實際應(yīng)用目標(biāo)，對室內(nèi)定位算法進(jìn)行應(yīng)用改進(jìn)，與原始LANDMARC算法相比較改進(jìn)后的算法定位精度提高2％～60％，實用性更強。該系統(tǒng)具有較好的市場應(yīng)用前景。

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Voice picking system based on indoor positioning technology of RFID

Ma Qingxiu，Ren Zhengyun
（College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201600，China）

According to the traditional way of form picking cannot meet the growing demand of large-scale logistics center，this paper designed a picking system based on voice，to make up of the deficiencies of traditional picking mode，and improve the picking efficiency.While，in order to schedule picking operator reasonably，RFID indoor positioning technology is introduced into this system based on LANDMARC algorithm and improved it.From the improved system the accuracy of positioning is promoted 2％～60％ and it becomes more practical.The system experiment shows that，voice picking system based on indoor positioning can effectively achieve the corresponding function，and has a good market application prospect.

auto speech recognize；logistics picking；RFID indoor positioning；LANDMARC algorithm；k-nearest algorithm

TN925；TP23

A

1674-7720（2015）18-0050-03

馬慶修，任正云.基于RFID室內(nèi)定位的語音揀選系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（18）：50-52.

2015-05-29）

馬慶修（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式。

任正云（1969-），男，博士，教授，主要研究方向：先進(jìn)過程控制、模型預(yù)測控制。