吳立輝，張金星，張中偉，任俊飛

(河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)具有非接觸讀取、采集數(shù)據(jù)高效等特點，是實現(xiàn)制造車間智能化的核心要素，是進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和智能調(diào)度決策的關(guān)鍵[1]。然而在實際生產(chǎn)環(huán)境中，由于金屬制品對RFID信號反射、RFID天線或閱讀器故障等影響，RFID數(shù)據(jù)容易被漏讀[2]。如何對RFID漏讀數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)以改善RFID采集數(shù)據(jù)質(zhì)量，成為制造企業(yè)信息采集與生產(chǎn)決策部門關(guān)注的焦點[3,4]。

目前國內(nèi)外對RFID數(shù)據(jù)補(bǔ)全方法進(jìn)行了大量研究。封慧英等[5]通過設(shè)置平滑窗口對窗口內(nèi)的RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全操作，并通過對窗口大小進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以獲得較優(yōu)數(shù)據(jù)補(bǔ)全效果。余杰等[6]研究了基于布魯姆濾波和滑動窗口的數(shù)據(jù)清洗與補(bǔ)全方法，有效提高了離散制造過程中RFID數(shù)據(jù)的質(zhì)量。Xu等[7]考慮數(shù)據(jù)冗余和漏讀的影響提出了改進(jìn)型不可靠RFID數(shù)據(jù)統(tǒng)計平滑窗口算法。

從現(xiàn)有研究可知，目前RFID數(shù)據(jù)補(bǔ)全研究主要集中在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層面，所采用方法均以固定滑動窗口算法(fixed sliding window algorithm，F(xiàn)SWA)和基于概率統(tǒng)計的RFID數(shù)據(jù)平滑算法(statistical smoothing for unreliable RFID data，SMURF)為基礎(chǔ)。然而，滑動窗口算法中的窗口大小對數(shù)據(jù)補(bǔ)全質(zhì)量存在顯著影響，最佳窗口大小難以有效確定[8]。此外，現(xiàn)有補(bǔ)全方法研究主要針對單閱讀器內(nèi)數(shù)據(jù)漏讀問題，未考慮制造過程的實際業(yè)務(wù)邏輯[9]。因此，本文設(shè)計了基于加工路徑約束和固定滑動窗口算法集成(machining path constraint and fixed sliding window algorithm，MPC-FSWA)的RFID數(shù)據(jù)漏讀補(bǔ)全方法。通過將工件加工工藝路線和物料搬運(yùn)路徑信息與RFID閱讀器感知信息相互關(guān)聯(lián)，從閱讀器內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀、閱讀器層級的整體數(shù)據(jù)漏讀兩個層次進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全，提高了RFID漏讀數(shù)據(jù)的補(bǔ)全效果。

1 RFID數(shù)據(jù)漏讀問題描述與建模

1.1 柔性制造車間RFID配置描述

制造車間RFID配置是RFID數(shù)據(jù)漏讀問題研究的前提和基礎(chǔ)[6]。傳統(tǒng)流水制造、離散制造車間因其加工工藝流程和物料搬運(yùn)路徑均變化小，車間中RFID網(wǎng)絡(luò)配置方法主要以降低閱讀器成本、提高車間覆蓋率為目標(biāo)[10,11]。然而，在柔性制造環(huán)境，由于加工工件種類多、工件加工工藝柔性大、物料搬運(yùn)路徑選擇多，傳統(tǒng)忽略機(jī)床加工區(qū)和工件搬運(yùn)路徑的RFID網(wǎng)絡(luò)配置方法將顯著增加RFID設(shè)備冗余成本和RFID數(shù)據(jù)漏讀處理困難[12]。因此，本文針對柔性制造車間中的加工機(jī)床、物料搬運(yùn)路徑等重點區(qū)域進(jìn)行RFID閱讀器網(wǎng)絡(luò)配置。具體配置方法如下：

(1)設(shè)定每個加工工件綁定一個RFID電子標(biāo)簽，并分配唯一ID。即各加工工件在加工和搬運(yùn)過程中具有唯一身份標(biāo)識。

(2)為柔性制造車間中每臺加工設(shè)備配置一個RFID閱讀器，并通過設(shè)定閱讀器天線功率，使閱讀器讀取范圍覆蓋加工設(shè)備及其上、下料工作區(qū)，具體布置方式如圖1所示。當(dāng)某加工工件進(jìn)入設(shè)備加工區(qū)時，其電子標(biāo)簽進(jìn)入RFID閱讀器讀取范圍；當(dāng)工件被加工完成后離開加工區(qū)時，其電子標(biāo)簽超出RFID閱讀器感知范圍。RFID閱讀器感知該電子標(biāo)簽的狀態(tài)變化，即可反映加工工件在該設(shè)備上的工序完成情況。

圖1 加工設(shè)備位置的RFID閱讀器布置方式

圖2 運(yùn)輸路徑位置的RFID閱讀器布置方式

(3)在物料搬運(yùn)路徑上布置加工工件的位置跟蹤點，每個位置跟蹤點布置一個RFID閱讀器，通過設(shè)定閱讀器天線工作功率，使各RFID閱讀器讀取范圍完全覆蓋物料搬運(yùn)路徑，如圖2所示。當(dāng)加工工件在加工設(shè)備A完成加工后，通過運(yùn)輸路徑被運(yùn)輸小車搬運(yùn)至加工設(shè)備B。在此過程中，RFID閱讀器A和B根據(jù)其覆蓋范圍實時讀取加工工件位置，實現(xiàn)加工工件的搬運(yùn)路徑實時跟蹤。工件搬運(yùn)路徑定位精度與搬運(yùn)路徑上配置的RFID閱讀器數(shù)量成正比。

1.2 RFID數(shù)據(jù)漏讀問題描述

在柔性制造環(huán)境中，RFID設(shè)備被大量使用，RFID閱讀器或天線工作的可靠性對RFID數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要影響，當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過某故障RFID設(shè)備的感知范圍時，該電子標(biāo)簽的記錄數(shù)據(jù)將被整段丟失[12]。另一方面，由于柔性制造環(huán)境中存在大量金屬設(shè)備或裝置，容易干擾RFID設(shè)備電磁信號，導(dǎo)致電子標(biāo)簽通過干擾區(qū)域時被漏讀[12]。因此，柔性制造環(huán)境中的RFID數(shù)據(jù)漏讀存在兩類形式：①RFID 閱讀器層級的整段數(shù)據(jù)漏讀；②RFID閱讀器內(nèi)部的部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀，如圖3所示。

圖3 RFID數(shù)據(jù)漏讀示例

從圖3可知，電子標(biāo)簽依次經(jīng)過RFID閱讀器1-3輻射范圍過程中，由于RFID閱讀器2工作故障而無法感知電子標(biāo)簽，導(dǎo)致RFID整段數(shù)據(jù)缺失；因金屬設(shè)備干擾等因素影響，RFID閱讀器3輻射范圍區(qū)域呈不規(guī)則形狀，導(dǎo)致RFID部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀。

1.3 RFID數(shù)據(jù)漏讀問題建模

1.3.1 加工設(shè)備集合定義

柔性制造具有多品種、小批量生產(chǎn)特點，加工工件種類多，各類工件具有不同加工工藝路線，各工序可在多臺設(shè)備上進(jìn)行加工。為保證柔性制造生產(chǎn)效率，車間通常采用生產(chǎn)排程確定各工件的加工順序及其各工序?qū)?yīng)加工設(shè)備。生產(chǎn)排程后，即可獲得各工件的各工序加工設(shè)備集合及工序間物料搬運(yùn)路徑集合。

設(shè)定加工工件數(shù)量為V，第i個加工工件具有M道加工工序，其第j道工序?qū)?yīng)的加工設(shè)備為qij，則工件i的所有工序加工設(shè)備集合Qi定義為

Qi={qi1,qi2,…,qij,…,qiM}，i=1,…,V

(1)

1.3.2 工件物料搬運(yùn)路徑定義

當(dāng)?shù)趇個加工工件完成第j道工序后，通過某物料搬運(yùn)路徑集合進(jìn)入第j+1道工序?qū)?yīng)加工設(shè)備。設(shè)定該物料搬運(yùn)路徑集合中設(shè)置有H個加工工件位置跟蹤點，各跟蹤點配置一臺RFID閱讀器，則基于RFID閱讀器的位置跟蹤點集合Pij可表達(dá)為

Pij={pij1,pij2,…，pijk,…，pijH}

(2)

1.3.3 RFID數(shù)據(jù)采集信息符號定義

定義Tim為電子標(biāo)簽i(即加工工件i)被RFID閱讀器m感知的時間窗。在此時間窗內(nèi)，RFID閱讀器以時間tepoch為周期單位，周期性地讀取電子標(biāo)簽i的ID信息并將其傳送至RFID中間件，則閱讀器m讀取電子標(biāo)簽i的理論周期數(shù)Wim=Tim/tepoch。 定義閱讀器m在時間tepoch內(nèi)讀取電子標(biāo)簽i形成的數(shù)據(jù)集合為Nim，則在時間窗Tim內(nèi)產(chǎn)生的RFID數(shù)據(jù)集合Rim可表示為Rim=Nim×Wim。 定義Gi為加工工件i完成所有工序加工時，理論上感知電子標(biāo)簽i的RFID閱讀器集合。

RFID閱讀器讀取電子標(biāo)簽ID后，將形成一條RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄，其包括電子標(biāo)簽ID、RFID閱讀器編號和讀取時間信息。因此，RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄可用三元組模型表示

RFID_Data_Tag=(TagID,ReaderID,TimeStamp)

其中，TagID為電子標(biāo)簽ID，ReaderID為讀取的RFID閱讀器編號，TimeStamp為閱讀器讀取時間信息。

1.3.4 問題模型

基于RFID數(shù)據(jù)漏讀問題闡述可知，若在時間窗Tim內(nèi)RFID閱讀器m對電子標(biāo)簽i存在閱讀器內(nèi)部數(shù)據(jù)漏讀現(xiàn)象，則有

(3)

若在完成加工工件i所有工序加工過程時，若電子標(biāo)簽i存在RFID閱讀器層級的多個整段數(shù)據(jù)漏讀，則有

(4)

針對RFID數(shù)據(jù)漏讀問題，為評價RFID數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)補(bǔ)全處理后的效果，以平均相對誤差率Ce為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型為

(5)

約束條件

(6)

2 MPC-FSWA方法

MPC-FSWA方法主要在FSWA方法[5]的基礎(chǔ)上，考慮加工工件的加工工藝路線和物料搬運(yùn)路徑約束，從單RFID閱讀器內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀和多RFID閱讀器間的整段數(shù)據(jù)漏讀兩個層次對RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全。該方法的設(shè)計思想如下：

(1)針對單個RFID閱讀器內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀問題，通過設(shè)計固定滑動窗口算法對漏讀數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全。針對電子標(biāo)簽i被RFID閱讀器m感知的時間窗Tim，設(shè)置具有若干閱讀器讀取周期tepoch的固定窗口(fixed window，F(xiàn)W)，使該窗口在Tim內(nèi)滑動，單次滑動距離為單個tepoch。若FW中任一tepoch內(nèi)存在電子標(biāo)簽i被RFID閱讀器感知，則認(rèn)為RFID數(shù)據(jù)一直存在于該FW。若FW中某tepoch內(nèi)沒有RFID閱讀器感知電子標(biāo)簽記錄，則認(rèn)為該tepoch存在RFID數(shù)據(jù)漏讀，將對該漏讀數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全。

(2)針對多RFID閱讀器層級的整段數(shù)據(jù)漏讀問題，首先根據(jù)生產(chǎn)排程導(dǎo)出的某工件計劃加工工序(各工序?qū)?yīng)唯一加工設(shè)備)和物料搬運(yùn)路徑生成其理論RFID閱讀器感知序列；其次根據(jù)該工件實際加工工序和物料搬運(yùn)路徑生成其實際RFID閱讀器感知序列；最后將理論和實際RFID閱讀器感知序列進(jìn)行匹配，當(dāng)實際RFID閱讀器感知序列中某閱讀器位置不符合加工工件計劃的加工工序和物料搬運(yùn)路徑約束時，則判斷該位置存在整段數(shù)據(jù)漏讀，對該段RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行整段補(bǔ)全。

MPC-FSWA方法的設(shè)計步驟描述如下：

圖4 單RFID閱讀器內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼示例

圖5 固定滑動窗口補(bǔ)全示例

圖6 RFID數(shù)據(jù)與工件加工信息相關(guān)聯(lián)圖

步驟6 基于步驟1至步驟5將所有電子標(biāo)簽的RFID閱讀器數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全操作，并根據(jù)式(5)所示目標(biāo)函數(shù)計算優(yōu)化目標(biāo)值。

3 案例分析

為驗證本文提出的MPC-FSWA方法的有效性，設(shè)計數(shù)據(jù)漏讀案例對其進(jìn)行驗證。具體案例包括：①考慮固定窗口大小和RFID閱讀器漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)因素影響，將MPC-FSWA和FSWA方法[5]進(jìn)行比較，以驗證MPC-FSWA方法在不同窗口大小下的閱讀器內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)周期漏讀補(bǔ)全效果；②考慮RFID閱讀器因臨時故障等因素導(dǎo)致電子標(biāo)簽在部分閱讀器內(nèi)整體數(shù)據(jù)漏讀情況，將MPC-FSWA和SMURF方法[6]進(jìn)行比較，以驗證MPC-FSWA方法對RFID閱讀器層級的數(shù)據(jù)漏讀的補(bǔ)全效果。上述實驗案例均采用RIFIDI軟件[12]模擬產(chǎn)生RFID閱讀器數(shù)據(jù)，并基于MATLAB和Microsoft SQL Server 2005平臺進(jìn)行程序開發(fā)實現(xiàn)。

3.1 閱讀器內(nèi)部分周期數(shù)據(jù)漏讀補(bǔ)全效果驗證

實驗案例有3臺加工設(shè)備和2個物料搬運(yùn)路徑跟蹤點，共配置5臺閱讀器。設(shè)置有100個加工工件(電子標(biāo)簽數(shù)量為100)以不同工藝經(jīng)過上述加工設(shè)備與物料搬運(yùn)路徑跟蹤點。閱讀器讀取單個電子標(biāo)簽的時間周期為1000個tepoch。將MPC-FSWA和FSWA方法進(jìn)行比較?？紤]到固定窗口大小和RFID閱讀器漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)對實驗的影響，設(shè)定固定窗口大小分別為5、10、15、20、25個tepoch，設(shè)定RFID閱讀器讀取電子標(biāo)簽過程中，漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)分別為20、35、50個tepoch。對比實驗結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為20補(bǔ)全結(jié)果

圖8 漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為35補(bǔ)全結(jié)果

圖9 漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為50補(bǔ)全結(jié)果

圖7表明：①在RFID閱讀器的平均漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為20個tepoch的場景下，隨著固定窗口大小的增加，F(xiàn)SWA方法補(bǔ)全后的平均相對誤差率逐漸降低，并在窗口大小為15時達(dá)到最小值8.05%，此后隨著固定窗口繼續(xù)增大，平均相對誤差率逐漸增大，并在窗口大小為25時達(dá)到最大值12.74%；②在此場景下，隨著固定窗口大小的增加，MPC-FSWA方法補(bǔ)全后的平均相對誤差率變化相對較平穩(wěn)，當(dāng)窗口大小為15時達(dá)到最小值6.68%，當(dāng)窗口大小為25時達(dá)到最大值10.61%；③在各固定窗口值下，MPC-FSWA方法對應(yīng)的平均相對誤差率均小于FSWA方法。

圖8和圖9分別為RFID閱讀器的平均漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為35和50個tepoch場景下的實驗結(jié)果。在以上兩個實驗場景下，F(xiàn)SWA和MPC-FSWA方法補(bǔ)全后的平均相對誤差率與平均漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為30個tepoch場景下的結(jié)果具有相似變化規(guī)律，且均在固定窗口為15時達(dá)到最小值；此外，MPC-FSWA方法相對于FSWA方法在各個固定窗口值下均具有更小的平均相對誤差率。

在固定窗口值為5、10、15、20、25的場景下，分別計算FSWA和MPC-FSWA方法在平均漏讀數(shù)據(jù)周期數(shù)為20、35、50個tepoch時的平均相對誤差率均值，結(jié)果如圖10所示。圖10表明：①在固定窗口大小為5、10、15的場景下，兩種方法的平均相對誤差率均值均逐漸降低，并在固定窗口大寫為15時達(dá)到最小值，但FSWA方法的平均相對誤差率均值明顯大于MPC-FSWA方法。分析其原因是固定窗口值較小時FSWA方法會導(dǎo)致較多漏讀數(shù)據(jù)未被補(bǔ)全，而MPC-FSWA方法可以根據(jù)加工工件的加工工藝路線和物料搬運(yùn)路徑約束對漏讀數(shù)據(jù)進(jìn)行二次補(bǔ)全處理，減少了漏讀數(shù)據(jù)數(shù)量。②固定窗口大小為20、25的場景下，隨著固定窗口增大，兩種方法的平均相對誤差率均值均顯著增高。分析其原因是過大的固定窗口將導(dǎo)致兩種方法的補(bǔ)全數(shù)據(jù)中存在錯誤補(bǔ)全數(shù)據(jù)，影響漏讀補(bǔ)全質(zhì)量。但MPC-FSWA方法的平均相對誤差率均值依然小于FSWA方法。

圖10 平均相對誤差率均值結(jié)果

因此，本文提出的MPC-FSWA方法在RFID閱讀器內(nèi)部分周期數(shù)據(jù)漏讀情況下相較于FSWA方法具有更好的補(bǔ)全效果。

3.2 閱讀器內(nèi)電子標(biāo)簽整體漏讀補(bǔ)全效果驗證

為分析MPC-FSWA方法針對電子標(biāo)簽在部分閱讀器內(nèi)整體數(shù)據(jù)漏讀情況的補(bǔ)全效果，將其與SMURF算法進(jìn)行比較。對比實驗案例設(shè)置有50臺RFID閱讀器(即加工設(shè)備和物料搬運(yùn)路徑跟蹤點共計50處)，100個電子標(biāo)簽(即加工工件50個)，各電子標(biāo)簽以不同次序遍歷所有閱讀器。設(shè)置各閱讀器對電子標(biāo)簽整體漏讀的數(shù)量分別為2、4、6、8、10個；閱讀器讀取單個電子標(biāo)簽的時間周期為1000個tepoch，在此過程中，發(fā)生漏讀數(shù)據(jù)的時間周期數(shù)為10個tepoch；對比方法的固定窗口設(shè)置均為15。實驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 MPC-FSWA與SMURF方法補(bǔ)全結(jié)果對比

圖11表明：①隨著閱讀器對電子標(biāo)簽整體漏讀數(shù)量不斷增加，SMURF算法補(bǔ)全結(jié)果的平均相對誤差率不斷增加，當(dāng)電子標(biāo)簽整體漏讀數(shù)量為10個時，平均相對誤差率達(dá)到最大值9.34%；②采用MPC-FSWA方法進(jìn)行補(bǔ)全過程中，補(bǔ)全結(jié)果的平均相對誤差率對電子標(biāo)簽整體漏讀數(shù)量變化不敏感，其值在7%附近小幅波動；③與SMURF算法相比，MPC-FSWA方法在不同電子標(biāo)簽整體漏讀數(shù)量場景下均具有更低的平均相對誤差率。分析其原因為SMURF算法僅通過動態(tài)概率調(diào)整固定窗口大小來改善閱讀器內(nèi)部分周期數(shù)據(jù)漏讀補(bǔ)全效果，而MPC-FSWA方法從閱讀器內(nèi)部分周期數(shù)據(jù)漏讀、閱讀器層級的整體數(shù)據(jù)漏讀兩個層次進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全，因此其補(bǔ)全效果更穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

針對柔性制造環(huán)境下的RFID數(shù)據(jù)漏讀問題，從單閱讀器內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀和閱讀器層級的整體數(shù)據(jù)漏讀兩個層次，基于工件加工工藝路線和物料搬運(yùn)路徑信息約束，提出了MPC-FSWA漏讀數(shù)據(jù)補(bǔ)全方法。實驗研究表明，在單閱讀器內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)漏讀場景下，MPC-FSWA能彌補(bǔ)固定窗口過小導(dǎo)致的數(shù)據(jù)補(bǔ)全不足；在閱讀器層級的整體數(shù)據(jù)漏讀場景下，MPC-FSWA能夠基于工件加工和搬運(yùn)路徑約束對整體漏讀數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全。以上結(jié)果表明本文提出的MPC-FSWA方法是有效的。下一步研究中將考慮RFID天線輻射模型、標(biāo)簽移動速度等因素對數(shù)據(jù)漏讀的影響。