WSN和RFID在供應鏈管理語義監控中的應用

賈保先 荊雪蕾 李 寰

(聊城大學計算機學院，山東 聊城 252059)

0 引言

隨著電子商務的蓬勃發展，人們對供應鏈環節中的物流信息更加關注。及時、準確地了解供應鏈作業流程已成為現代供應鏈管理(supply chain management，SCM)發展的要求［1－2］。我國目前使用的供應鏈管理監控系統還無法有效地處理供應鏈管理中的異常問題。同時，信息格式的迥異，也造成了供應鏈管理中的信息交換困難。因此，尋求一種能夠獲取語義信息的監控平臺對于供應鏈管理尤為重要。文獻［2］表明，科學性強、結構穩定、可動態擴展和能被廣泛認同的本體可以實現供應鏈管理中的信息語義交互和共享。

信息協同服務是供應鏈管理的重要方向之一，探討并劃分生產經營過程階段和對應的信息需求單元，構建過程本體和信息協同服務業務鏈模型，建立基于業務鏈模型的信息協同服務系統，是供應鏈管理現代化發展的必然要求［3］。本文采用本體技術對供應鏈管理中的信息進行描述，并融合了無線傳感器網絡與RFID技術，提出了全新的供應鏈管理監控系統，為供應鏈中信息的及時、無歧義理解提供了便利。

1 供應鏈管理監控介紹

供應鏈管理是指為滿足客戶需要的服務水準，對供應商、制造商、分銷商、零售商直到最終用戶之間的整個渠道進行整體管理和優化。供應鏈管理作為一種新型的生產經營管理技術，其核心在于對供應鏈范圍的資源進行全面的優化整合。有效地整合這種資源是一個復雜、離散、動態的運作過程，任何一個環節出現變異都會使得執行供應鏈產生高度的不確定性，進而產生異常，導致嚴重的后果。因此，供應鏈的作業流程只有在嚴密監控下才能夠有效地進行。供應鏈的作業流程代表供應鏈中物流、資金流和信息流的實際運作情況。由于供應鏈的復雜性會導致系統中各因素變異，從而使執行供應鏈產生異常，帶來嚴重的后果，所以供應鏈作業流程的監控問題亟待解決［4］。

2 無線傳感器和RFID結合

2.1 無線傳感器

眾多具有通信和計算能力的傳感器(或作動器)通過無線方式連接，相互協作，同物理世界進行交互，共同完成特定的應用任務，稱為傳感器網絡(sensor network)。傳感器網絡是一門新興的科學技術，與傳統的傳感器相比，傳感器網絡易于部署，即傳感器節點位置不需要事先確定或精心設計，可以任意放置，部署維護成本低，具有較高的靈活性。傳感器網絡由大量廉價節點組成，可放置在物理現象作用范圍內，從而獲得較高的觀察精度，具有較高的性價比;擁有大量冗余節點，即使部分節點失效，也不會影響整個系統的功能，因而具有較好的健壯性。同時，傳感器網絡節點具有計算能力，可以相互協作，完成傳統傳感器所不能完成的任務。

傳感器網絡的主要功能是對某種環境事物的數據采集。一方面，可以將傳感器網絡看作是將互聯網的信息共享功能擴充為包括信息采集、信息處理和信息利用的集成網絡，其中信息采集功能增強了信息處理的流程;另一方面，可以將傳感器網絡看作是將傳感器節點發展為具有互連結構的新型信息處理功能網絡。傳感器網絡的這種特點決定了其在由于供應鏈的復雜性而導致系統中各因素的變異監控中大有用途。

2.2 RFID 技術

射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術是20世紀90年代開始興起并逐漸走向成熟的一種自動識別技術。它與目前廣泛使用的自動識別技術(如條碼、磁卡和IC卡等)相比具有很多優點。目前，RFID技術在生產制造和裝配、航空行李處理、郵件及快運包裹處理、文檔追蹤和圖書管理、移動車輛的自動識別、運動計時、身份認證、智能交通、網絡家電控制、門禁控制、電子門票、物流與供應鏈管理等領域已經或正在投入實際應用，且其應用領域還在不斷地擴展。基本的RFID系統由電子標簽(tag)、天線(antenna)和閱讀器(reader)三部分組成。電子標簽由耦合元件及芯片組成，且每個電子標簽具有全球唯一的識別號(ID)，無法修改和仿造。電子標簽附著在物體上標志目標對象，保證了其安全性。天線在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號，即標簽的數據信息。閱讀器讀取(或寫入)電子標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。RFID工作原理如圖1所示［5］。

圖1 RFID技術的工作原理Fig.1 Working principle of RFID technology

在供應鏈管理上，無論哪個環節，應用RFID都可以提供更高的技術支持，獲得更佳的管理效果，以達到更完善的系統管理。有專家認為，要想提高物流供應鏈管理的效益，就必須使供應鏈上的成員及時獲得其他成員和各業務環節上的運行信息。而信息的共享不足會發生供應鏈的斷裂和效率低下，先進的射頻技術信息可以加強這些環節的自動化程度，這樣便可提高業務運行的自動化程度，大幅度地降低差錯率，提高供應鏈的透明度和管理效率。總的來說，RFID系統可以實現從商品的設計、原材料的采購、半成品與產成品的生產、運輸、倉儲、配送，一直到銷售甚至退貨處理和售后服務等所有供應鏈上的環節進行實時監控。

2.3 技術融合

由于RFID抗干擾性較差，且有效距離一般小于10 m，具有一定的限制性，而若將無線傳感器同RFID相結合，利用無線傳感器高達100 m的有效半徑，形成無線傳感器網絡，則此技術在供應鏈管理中的應用前景將更為廣泛。傳感器網絡一般不關心節點的位置，因此，對節點一般都不會采用全局標識，而RFID技術對節點的標識有著得天獨厚的優勢，將兩者結合共同組成網絡可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網絡的主要精力集中到數據上，又可以利用RFID的標識功能輕松地找到節點的位置［6］。

2.4 蛙跳算法

蛙跳算法(shuffled frog-leaping algorithm，SFLA)是一種受自然生物模仿啟示而產生的、基于群體的協同搜索新興智能算法。這種算法是通過模擬青蛙覓食過程中信息共享和交流的特點而產生的。該算法結合了以遺傳為基礎的Memetic算法和以社會行為為基礎的粒子群優化算法的優點，具有概念簡單、參數少、計算速度快、全局尋優能力強和易于實現的特點［7］。它通過啟發函數(任何數學函數)進行啟發式搜索，從而找到組合優化問題的解［8］。將蛙跳算法成功地應用于生產調度問題上，對生產調度和智能算法的研究將豐富和深化已有的優化調度理論，并可望直接服務供應鏈的信息管理。

目前，關于該算法的研究成果很少，傳統的蛙跳算法不適合求解離散的優化問題。關于蛙跳算法的收斂性分析與證明、如何提高解空間的搜索效率、參數的設置和局部更新策略等方面都需要進一步研究。然而，智能算法或者基于對自然現象的簡單模擬，或者基于對局域搜索方法的改進，缺乏系統的、嚴密的理論基礎。因此，在求解過程中不可避免地存在一些缺陷，將多種算法混合使用就成為求解調度問題的主要手段［9］。這些混合策略既有智能算法之間的混合，也有智能算法與構造式啟發算法、局部搜索算法的混合，甚至智能算法與精確算法的混合。混合的目的在于利用不同算法的優化機制、優化行為和優化結構的互補性來提高優化性能。

在實際的供應鏈監控過程中有很多不確定的因素，如運輸設備故障、信息丟失和人員誤操作等多種偶然事件干擾，且貨物到達時間的不確定性以及供應的時間也有一定的隨機性。因此，供應鏈調度過程是一個動態的隨機過程。蛙跳算法作為一類新興的基于群體智能的隨機優化算法，其突出的特征是容易實現和具有更強的全局優化能力，且該算法只需要作細微的調整即可廣泛應用于不同場合。

3 平臺設計

語義監控平臺融合了無線傳感器網絡和RFID技術。因此，在設計系統體系架構時，要綜合考慮二者的特點。系統體系結構如圖2所示。

圖2 系統體系結構圖Fig.2 Architecture of the system

平臺主要由車載終端和遠程監控中心組成，車載終端由主控制器及其外圍設備、無線傳感器節點構成一個微型監控網絡。由于傳感器節點具有主動標記對象的溫濕度、煙霧和電磁環境等信息，以及可以主動上報感知信息的功能，所以在系統中被用來測量各種車載壓力容器的溫度等重要數據。傳感器節點通過無線通信的方式將采集到的數據發送到車載終端主控制器。遠程監控中心是整個監控系統的核心，它負責整個遠程監控系統的管理、協調和維護。在技術融合中，RFID技術用于標志供應鏈環節中的貨物信息和運動的流程信息，傳感器網絡用于供應鏈環節中的貨物信息和運動的狀態參數采集，而RFID和傳感器采集的信息以及供應鏈過程中涉及所有的信息存儲和交互都通過本體實現。對于分布式系統，可以通過P2P技術實現點對點的傳感器網絡［10］。文獻［10］提出了一種基于語義P2P的無線傳感器網絡應用架構。我們通過構造相應的本體實現某種程度的知識共享和重用。本體在供應鏈中的信息交換與信息共享技術中的具體作用主要體現如下。

①統一各個行業的可擴展標記語言(extensible markup language，XML)標準，擴大供應鏈的參與主體。目前，多種基于互聯網的供應鏈平臺、物流平臺和電子商務平臺均是以XML為數據交換的通用格式，如Commerce One，其通過XML平臺和傳統的電子數據交互(electronic data interchange，EDI)平臺的翻譯轉換接口，實現傳統EDI網絡平臺與基于XML的商務網絡平臺的信息交換。雖然XML的標記可以根據需求定義，不同的行業可以定義適合該行業的特殊標記集，形成行業的規范，達到統一的相互交換的目的，但對于跨行業的供應鏈系統來說，各個行業的XML標準要進行統一仍然是一個巨大的工程［11］。通過引入本體論(ontology)，描述概念和概念之間關系的概念模型，通過概念之間的關系來描述概念語義，可以非常容易地實現不同行業XML標準的語義的統一。統一的術語和概念使知識共享成為可能。供應鏈管理過程中往往涉及多個單位的交流與合作，在單位各自完成信息化建設的今天，系統對所設計資源的表示往往是不相同的。這直接導致資源的共享和信息系統的集成(無論是松耦合還是緊耦合的方式)非常困難。基于本體的語義監控平臺統一了動態聯盟單位中的術語和概念描述方式，從而使動態聯盟中的交互和共享成為可能［12－13］。

②消除智能代理(agent)之間信息交換的語義差別問題，實現供應鏈中企業的信息系統的集成。在供應鏈信息交換中，實現敏捷供應鏈，必須橫跨不同的企業和區域，將它們的信息系統集成起來，隨時掌握產品的銷售情況、供應商的詳細情況，并合理規劃庫存，合理安排進貨的數量、時間以及運輸等問題。P2P環境下的語義監控平臺是一個典型的分布式系統［14－15］。

研究表明，實現信息協同服務的核心要點在于以下兩點:一是建立科學性強、結構穩定、動態擴展和能被廣泛認同的信息分類體系，利用本體的共享性解決了這個分類問題;二是解決信息協同服務系統中的信息資源優化調度和協同服務機制難題。蛙跳算法的特點是全局交換和局部深度搜索的平衡策略使得算法能夠跳出局部極值點，向著全局最優的方向前進，正好解決上述難題。不同的成員企業有不同的應用系統，且采用的模式也各不相同，復雜的成本信息在交換和共用時就會出現困難。而利用本體，可以實現在用戶間和代理間對于信息組織結構的共同理解和認識，可以復用專業領域知識，使專業領域內的假設變得更加明確，并且可以分析專業領域知識［16－17］。同時，本體可以作為通信的媒介，以輔助獲取、表達和操作知識。這種輔助是通過提供一個基本概念和語言結構一致的核心來實現的，且可幫助建立和組織知識庫，解釋知識處理工具模塊的輸入輸出。因此，本體構建的語義監控平臺是實現無歧義交互的最重要的工作。

4 結束語

本文綜合無線傳感器網絡和RFID技術，提出了一種基于傳感器網絡和RFID的供應鏈管理語義監控平臺。傳感器網絡注重某個區域的觀測指標，而RFID技術能夠準確地標志具體的節點信息，蛙跳算法解決供應鏈管理調度過程中信息資源優化調度和協同服務機制問題，而采集的信息都用本體的形式存儲。綜合RFID、WSN及本體技術特點的現代供應鏈管理語義監控平臺，以更低的成本實現整個供應鏈管理的運行監控，具有很強的使用價值。

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