RFID食品安全可追溯系统读取率优化策略研究

　　0 引言

　　食品安全是近几年来具有持续挑战性的问题和社会热点。将无线射频识别RFID (Radio Frequency Identification )引入解决食品安全可追溯系统关键问题，是现代信息技术领域中具有活力和前途的高新技术RFID食品安全可追溯系统通过在食品生产中使用RFID标签，给每一个产品里置入带有唯一识别的信息，对其生产、加工、储藏、运输进行全方位全过程的监控和管理, 具有极大的优势和便利。

　　RFID食品安全可追溯系统的技术瓶颈之一是系统中RFID标签读取率的问题，国外研究方法有：一是基于Friis能量传输模型基础建立了一些复杂的读取操作范围模型，二是读取率试验方法p s, l s7 o Steve Hodges等提出了一种结合机械手自动化采集数据来优化RFID标签在应用对象上的安装位置的衰减阐值新方法，该方法可以找出无源UHF型RFro系统的有效读取范围国内此类研究相对较少，刘篙岩等根据无线电波的传输机制建立起RFID系统信号损失模型，提出了“高处布置方向性天线读写器”的覆盖模型。日前能够正确地说明或改善RFID系统读取率的工具和方法很少，在RFID食品安全可追溯系统读取率应用方面，研究发现货箱内装物品会降低标签读取率，内含装满水的瓶子的货箱标签读取率仅仅达25%，装满大米的货箱标签读取率为0.6%，即使是空货箱也达不到100%的读取率，周仲芳等建立的活猪检验检疫监督管理电子化系统中RFID系统对活猪耳标的读取率。一般系统设计者只会测试一个特定的配置，如果它可靠地工作，即确定系统的最佳性能，所以，研究优化RFID系统读取率的途径和方法是很有价值的。本论文把粗糙集理论用于正交试验方法，探索低成本RFID食品安全可追溯系统读取率的优化策略，为提高RFID系统的性价比提供有效的方法与理论依据，为打开RFID系统的应用市场提供技术支持。

　　1 试验装与方法

　　1.1 试验目的

　　影响RFID系统读取率的因素有很多，包括试验对象与RFID读卡器之间的距离、偏离高度、速度、数量等等，构成了影响RFID系统读取率的多因素环境。本文首先使用正交试验方法，试图寻找RFID读取标签数和读取率均较大的因素水平组合。然后针对正交试验方法和试验结果的不足，采用粗糙集理论渐进优化正交试验结果，直至获得RFID系统读取标签数和读取率均最大的因素水平组合应用方案。

　　1.2 试验装置

　　本文使用自制简易试验装置。主要组成为:0.75 m长，0.50m宽的平板小车1辆;0.75 m宽，1.60 m高的木制框架3个，各木框架间隔0.15 m固定于小车上成3排;每个木框架上固定一块硬纸板;RFID标签可按4行4列均匀整齐贴于纸板上。

　　本文使用的RFID系统试验设备型号为SZM1I公司的无源型MR9151B读写器。该读写器主要产品标准和性能为:采用18000-6B. EPC双协议行业标准，工作频率为ISM波段(902-928 MHz)，读卡距离大于2m，最大功率不大于3W，读写速度快、可同时操作多个标签、只对专有应用系统的标签进行操作、自动跳频读取和抗干扰能力强等。

　　1.3 试验方法

　　1.3.1 多因素正交试验设计

　　正交试验设计是多因子试验中最重要的一种设计方法，它通过较少次典型试验就可以找出全面试验中较好的试验结果。本文采用正交试验寻求RFID读取标签数和读取率均较大的多因素水平组合方案。

　　首先确定正交试验因素与水平。影响RFID系统读取率的因素有很多，包括标签与读卡器的距离、高度、速度、标签排列的行数、列数等等。根据单因素试验分析这几个因素(如图1)，读取率随读取距离的加大而呈下降趋势，随读取偏离高度的加大呈明显下降趋势，而对于读取对象的移动速度则是慢速或中速时读取率大，标签行数的增加导致读取率减少，标签列数的单因素变化影响规律不具明显特征，但标签列数影响读卡数优化目标。确定试验因素和水平如表1，其中，对于该试验系统速度因素的选用阂值范围(单位:m/s )为:静止为0,慢速为[1, 3]，中速为[4, 6]，快速为[7, 9]。然后选用Las (4s)正交表进行正交试验，每个因素水平试验重复4次取平均。

图1 因素及水平与读取率的关系

     表1 正交试验因素水平

　　如果正交试验中每个因素所取得的水平数较少，则正交试验不一定能发现最优的试验结果;如果每个因素先择足够数量的水平数，这将大大增大试验的组数，必须进行大量的正交试验，这种盲目性将造成财力、物力资源的浪费。为此，本文引入了粗糙集理论对多因素正交试验结果不断优化，并逐步搜索、逼近最优的水平组。

　　1.3.2 粗糙集渐近优化正交试验方法

　　粗糙集是一种研究不精确和不确定性知识的数学工具，它能够在缺少数据的情况下，仅仅以对观测数据的分类能力为基础，解决模糊或不确定性数据的分析和处理的方法。决策属性对条件属性的依赖度，是条件属性重要程度的衡量。如果能够每次做完正交试验后都能计算得出各条件属性(即各因素)对决策属性(试验目标)的重要性，然后再根据该属性各水平对决策属性的影响大小来重新调整该属性的取值，获得新的正交表，依次继续试验，直至获得最优试验结果。

　　决策表是一种同时拥有条件属性和决策属性集的知识表达系统，是一种特殊的信息表。而通过正交试验获得的包含因素、水平及试验结果的表就是一张决策表，各因素就是条件属性，而试验结果就是决策属性。因此，可以根据粗糙集理论，对正交试验结果表进行改进。首先计算决策属性对条件属性的依赖度，依赖度的值愈大，对决策属性的影响也就愈大，其条件属性就愈重要。然后根据属性依赖度，调整正交试验因素的水平。粗糙集理论中属性依赖度的概念如下：

　　用粗糙集理论求决策属性(读卡率)对条件属性(距离、高度、速度等因素)的依赖度k，依赖度最大的因素即为对读卡率影响最大的因素。然后重点调整这个因素的取值范围及水平值，重新安排正交试验，使试验结果有所优化。如此反复优化，不断搜索、逼近最优的水平组合。

　　2 结果分析与讨论

　　2.1 正交试验结果

　　从表2中可知，试验T1和T2的读取率都达到了100%, T8的读取率达到96.9%, T16的读取率达到95.3%0实际应用还要求一次性读取标签数越多越好，虽然T1、T2的读取率都达到了100%，但是这两个试验的标签数量最大才达到6(按T2每次3排，每排1行2列试验)，对于实际应用中还没达到一个满意的结果。因此，必须调整因素的水平进行再试验，以获得高的标签读取率情况下更理想的因素组合。

　　2.2 粗糙集渐近优化正交试验结果及分析

　　运用粗糙集理论对表2进行分析，条件属性标签行数(r1)、标签列数(Pz)、偏离高度(P3 )、距离(p4)、速度(p5)都具有4个水平，各水平分别用1, 2, 3. 4来代替。现将决策属性划分为两个区间(0.4. 0.67), (0.7}1]，分别用1, 2来代替，对表2进行处理得决策表。

　　表2 L16(4x5)正交试验设计及结果

　　可知P3属性即偏离高度的依赖度最大，首先调整Ps的取值，根据偏离高度的单因素分析，水平1(即正中心)的读取率是相对较好，偏离越大，读取率就越低，调整偏离高度的区间范围:由原来的[0, 60]修改为[[0, 39], 4个水平重新在[0, 39]的区间内均匀取值为:0, 13, 26.39cm。其他因素水平不变，再进行正交试验，结果如表3所示。

　　表3 第一次优化正交试验结果

　　从表3可知，通过改变读取偏离高度，大部分试验号读取率都有所提高，特别是T7. T10, T13这几组试验的读取率增幅较大，这几组试验都是从原来读取偏离高度60 cm改为39 cm的优化结果。而T12的读取率达到了98.6%，对应读取标签数为36(按T12每次3排，每排3行4列试验)，说明通过改变读取偏离高度因素水平，整体读取率比前一次有明显的提高，也说明了第一次正交试验的区间并不是最优区间，需要缩小范围继续寻找最优区间。

　　继续应用粗糙集理论依次进行正交试验优化，调整决策属性为两个区间(0.6, 0.8), (0.8. 1)，结合拟水平法构造混合水平正交试验表，经过三次正交试验得最优结果如表4和表5所示，再调整因素水平将出现读取率下降的现象。由表5可知，读取最大标签数量的T12试验的读取率为99.3%，其试验因素最优组合为:标签行数取3，列数取4，读取偏离高度取8 cm，距离取10 cm}速度取中速。

　　表4 第五次优化正交试验因素水平

　　2.3 讨论

　　影响标签读取率的因素多、各因素水平值多，安排大量的正交试验在多维因素空间搜索最佳水平组合有难度。本文应用粗糙集理论渐进优化正交试验方法对影响RFID系统读取率及读卡数的距离、偏离高度、速度、行数和列数等5个因素进行渐进正交试验优化，进行了一次正交试验和五次优化试验，共完成54个试验后搜索到最优因素水平组合，系统标签读取率达到了99.3%以上，对于解决RFID食品安全系统读取率优化问题是有效的。

　　据调查，按一套读卡器、天线及30个标签的UHF915MHz无源型RFID系统设备目前市场价格比较，测试使用的MR9151B系统市场价格一套约人民币7000元，使用技术稍好的如CSLImpinj 915系统价格约人民币1.6万元，技术更好的如ZTALR9780系统价格约为人民币3万元。标签的单价为人民币5元至100元之间，性价比差异达到200%以上，本研究粗糙集渐进优化正交试验方法，为充分挖掘RFID系统性能潜力提供简单、可行的方法，为建立低成本和高性价比的RFID系统提供理论依据，为RFID系统的读取率及成本问题提出了一种有效的解决思路和方法，为RFID系统的推广应用提供了有力的技术支持。

　　为探索RFID食品安全可追溯系统读取率及读卡数优化策略，对于应用对象材质等固有属性影响因素，未考虑为本研究试验因素，有必要对不同应用对象材质做进一步试验研究。

　　3 结论

　　1)针对食品安全可追溯系统项目中提出的RFID系统读取率及读卡数优化问题，通过粗糙集渐进优化正交试验方法，实现了RFID试验系统读卡数和读取率优化的试验目标。

　　2)应用粗糙集渐进优化正交试验方法，为RFID系统读取率问题提出了一种有效的解决思路和方法，为RFID系统的推广应用提供了有力的技术支持。

　　3)粗糙集渐进优化正交试验方法建立的低成本试验方法，在产品成本不变的条件下，为充分挖掘产品性能潜力提供简单、可行的方法，为充分挖掘产品性价比提供理论依据。