基于高性能EPC網絡的物流追溯信息系統設計與實現

王渭 劉子建

摘要：物流行業數據具有訪問高并發、大數據處理、數據逆向追蹤等特征，為了實現物流企業物品智能化識別定位、跟蹤監控與管理，本文建立了基于高性能EPC網絡架構的物流追溯信息系統。首先，根據EPC體系規范，分析了基于EPC體系結構的物流數據流向。其次，給出了對物流信息系統基礎服務進行分層設計、采用分布式部署和集群化處理等設計方法，提出了基于EPC的物流信息系統架構。最后，對以EPCIS為內核的物流追溯信息系統進行詳細設計，運行效果表明了系統設計方法的有效性。

關鍵詞：EPC網絡架構；RFID；EPCIS；ONS；物流追溯信息系統

中圖分類號：TP391文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.026

1引言

物流信息化是企業借助現代信息技術對物流過程中產生的全部或部分信息進行采集、分類、傳遞、匯總、識別、跟蹤、查詢等一系列處理活動，以實現對貨物流動過程的控制，進而達到降低成本、提高效益的目的 [1-2]。EPC（Electronic Product Code）網絡是以EPCglobal提出的 EPC系統架構規范為理論基礎，以互聯網平臺為支撐，通過射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）電子標簽識別物理對象的一種物聯網系統[3-5]，其主要功能是實現對物品信息數據的非接觸式采集、網絡傳輸、存儲和跟蹤查詢管理等。

EPC電子碼的使用，旨在讓每一個產品實現唯一標識，通過互聯網實現信息傳遞和共享，達到對單件產品信息的跟蹤與追溯目的。隨著計算機和互聯網技術的發展，當今網絡的數據交互呈現出高并發、大數據、實時傳輸為特征的復雜性，建立在互聯網基礎之上的物流EPC網絡面臨著同樣的挑戰，這對物流EPC網絡架構的性能提出了較高要求[6，7]。

歐美一些國家在EPC信息服務查詢機制的研究方面做了大量的基礎工作，并將這項技術應用于供應鏈的物品追溯環節，主要提出了一些參考模型和應用規范[8-10]。一些學者在此方面開展了深入研究，取得了一些有價值的研究成果[11-13]。

近年來，國內一些學者和研究機構對基于RFID的EPC物聯網技術及其應用做了相關研究。顏波等人設計開發了基于RFID和EPC物聯網的水產品供應鏈可追溯平臺，實現了對水產品流通過程的全程追溯[14]。針對物聯網技術在農業方面的應用，徐剛和孫彥景等人分別設計了基于傳感器物聯網的精準灌溉系統和基于物聯網關鍵技術的農業信息化系統，實現了農業智能化管理[15， 16]。趙文等人提出了供應鏈環境下一種新的分布式RFID發現服務，在查詢時采用多個查詢流以提高查詢效率[17]。在解析物聯網兩層基本涵義的基礎上，錢志鴻等人提出了包括底層網絡分布、匯聚網關接入、互聯網融合、終端用戶應用四部分的物聯網系統架構，設計了面向物聯網的相關網絡協議體系，并從硬件和軟件兩個層面討論了物聯網的關鍵技術[18]。

從上述國內外研究現狀可以看出，目前大多數關于RFID和EPC物聯網技術及其相關應用的研究，大都沒有考慮系統大規模運行時導致的系統服務性能瓶頸問題，這些瓶頸問題主要由高并發數據訪問、大數據處理等因素產生[19-22]，其中某些系統無法提供信息共享服務性能，沒有設計統一標準的數據訪問接口，只在小范圍局域網內使用了基于EPC的物聯網技術[23-26]。

本文針對物流行業數據訪問高并發、大數據處理、數據逆向追蹤等特征，就物流企業內部和跨企業間高性能EPC網絡架構的設計進行分析研究，并對EPC核心平臺：產品電子代碼信息服務EPCIS系統（EPC Information Services）進行詳細設計和開發實現。

2EPC體系結構分析

2.1EPC體系結構標準

EPC系統結構框架標準是由一系列提供基于EPC核心服務的包括相關硬件、軟件和數據接口等基本協議標準所組成的集合。根據其在EPC網絡活動中所處的位置，這些基本標準可分為三層：第一層為EPC物理對象交換層，第二層為EPC數據采集基礎設施層，第三層為EPC數據共享層，如圖1所示。

2.2EPC體系結構組成

EPC體系結構主要由三部分組成：EPC網絡數據標準、識別系統部分和網絡信息系統部分。EPC網絡數據標準部分即為EPC編碼體系，識別系統部分即為EPC射頻識別系統，而網絡信息系統部分則包括Savant組件、ONS（Object Name Service）系統和EPCIS系統。

EPC編碼與GTIN、SSCC、GLN等編碼體系兼容，是建立全球統一標識系統的重要組成部分。EPC編碼分為四個組成部分：Header為版本號，不同版本的編碼位數不同；EPC Manager Number為產品的廠商識別代碼；Object Class為產品的分類代碼；Serial Number為產品序列號，用于唯一標示一件物品。考慮到物流行業需要標識的物理對象數量龐大的特點，物流EPC網絡架構可以采用EPC-96或者EPC-256進行編碼，因為編碼位數越多意味著可以標識的產品數越多。

EPC射頻識別系統主要由RFID標簽和RFID讀寫器組成，實現EPC數據識別和采集功能。在EPC網絡中，RFID標簽是物品EPC數據的物理載體，可外附或內嵌在物品上，主要由天線和芯片組成；RFID讀寫器與Savant組件相連，識別并讀取RFID標簽信息并將其傳送給Savant組件；RFID標簽和RFID讀寫器之間采用無線感應的方式進行通信，它們之間的接口遵循相應的EPC協議標準。考慮到RFID標簽的成本和性能問題，在物流EPC網絡中可采用高頻和超高頻RFID標簽混用的方式，對列運車箱、集裝箱、貨運托盤、大型包裝箱等大型貨運包裝工具使用超高頻RFID標簽進行EPC標識，對小型包裝箱和貨物單品使用高頻RFID標簽進行EPC標識。

Savant組件在EPC網絡系統中起到承接作用，相當于一組中間件服務系統，由用戶定制集成。Savant組件將EPC射頻識別系統傳送過來的標簽數據進行過濾、整理、收集并傳輸給EPCIS或第三方企業級應用，主要是完成對錯誤數據進行校對、屏蔽重復讀取數據、實時存儲數據、數據壓縮傳輸、任務事件管理等操作。考慮Savant組件分布在整個供應鏈分多層次節點上的特點，物流Savant組件的設計在屏蔽內部實現技術細節的基礎上，應該保證與其它Savant節點的可互操作性，并且保持良好的可擴展性。

ONS系統是EPC網絡搜索服務的一個重要組成部分，主要用來為EPC查詢請求指明存儲了產品相關信息的服務器地址，它的設計與架構都以因特網域名解析服務DNS為基礎。ONS系統將Savant組件傳送的EPC信息轉化為存儲產品相關信息的服務器的位置信息，該位置信息由一個或者一組互聯網統一資源定位符URLs（Uniform Resource Locators）組成，Savant組件通過ONS系統返回的URLs即可訪問相關EPCIS服務器或相關Web站點獲取產品信息。

EPCIS系統是實現EPC網絡數據在企業內部或者企業之間共享的數據源頭，它提供了一個模塊化、可擴展的數據和服務接口。EPCIS系統由捕獲應用程序、存儲庫、訪問應用程序和相應上下行接口組成，在錄入和存儲產品信息的過程中，程序以產品類型為存儲單位進行存儲。在物流EPC網絡中，產品信息包括靜態信息和動態信息。例如：產品廠商介紹、產品特性介紹等描述性信息為靜態信息，可以為同類產品所共有，而產品位置、交易類型、交易時間等信息為動態信息，必須要以單品形式分開存儲。同時，存在某些特殊產品需要對產品信息進行擴展。因此，物流EPCIS系統應該采用可擴展數據模型和多種存儲方式。

2.3物流EPC系統數據流向解析

在整個供應鏈中，物流過程由多個企業參與完成，因此物流EPC網絡架構服務中數據流分別在企業內部和企業間產生，如圖2所示。

在物流企業內部，數據流從RFID讀寫器對物品EPC標簽進行識別開始產生，當RFID讀寫器進行寫操作時，EPC寫入應用程序通過讀寫器接口對EPC標簽進行信息寫入，然后通過EPCIS捕獲應用程序將相關物品信息保存到EPCIS存儲庫，并通過Savant中間件將EPCIS地址注冊到本地ONS和云端ONS。當RFID讀寫器進行讀操作時，Savant中間件通過讀寫器接口對采集的EPC數據進行校驗和過濾，然后將EPC數據傳送給EPCIS捕獲應用程序，EPCIS捕獲應用程序再將其傳送給EPCIS訪問應用程序或其它企業應用，EPCIS訪問應用程序或其他企業應用根據得到的PEC數據在EPCIS存儲庫中查詢并得到相應的物品信息結果。

在物流企業和合作企業之間，數據流主要存在于RFID讀寫器對物品EPC標簽進行識別和讀取的過程中，Savant中間件通過讀寫器接口對采集的EPC數據進行校驗和過濾，并將其傳送至本地ONS系統映射查找相關的EPCIS服務地址。若未能在本地ONS實現映射尋址，則將ECP數據進一步通過Internet傳送至云端ONS系統映射查找相關的EPCIS服務地址。最終Savant中間件將返回的URLs傳送給EPCIS捕獲應用程序，EPCIS捕獲應用程序再將URLs傳送給EPCIS訪問應用程序或其他企業應用，EPCIS訪問應用程序或其他企業應用根據得到的URLs通過Internet對合作企業的EPCIS系統進行查詢訪問，最終查詢出相應的物品信息結果。

3高性能物流EPC系統架構設計

為實現對物流行業數據訪問高并發、數據同步、大數據處理、數據逆向追蹤，物流EPC系統架構服務性能設計可利用互聯網領域相關的技術方法，并結合自身特點加以改進。

3.1使用二分法對系統切分

二分法則即分層和分割。計算機世界中，分層結構普遍使用，網絡7層通信協議是一種分層結構，計算機硬件、操作系統和應用軟件也可以看做是一種分層。物流EPC網絡架構依然可以采用分層結構，將其劃分為橫向維度上遞進的幾個部分，每個部分負責相對比較單一的職責。分割就是將系統從縱向方面進行切分，高內聚低耦合的包裝成獨立模塊單元，分布式部署，提高并發處理能力和功能擴展能力，并有利于開發和維護。根據這兩個原則，物流EPC網絡系統架構設計如圖3所示。

在物流EPC系統架構中，最基本的層級為基礎服務層，主要提供數據庫、緩存、消息服務、數據過濾校驗和發現服務等基礎技術服務，這些服務可以支持整個物流EPC網絡的海量數據和高并發訪問，是整個系統的技術基礎。中間層是平臺服務和應用服務層，物流ECP網絡的核心是EPCIS信息服務，企業應用是建立在信息服務平臺的基礎上的衍生服務，這些服務被分割為獨立的服務模塊，通過依賴調用和共享數據構成EPC網絡的業務基礎。最外層為API接口層，為其它系統和應用提供接口服務，并為EPC網絡系統的擴展提供預留接口。

這些被分層和分割后的業務模塊與基礎技術模塊分布式部署，每個模塊部署在一組獨立的服務器集群上，通過遠程調用的方式進行依賴訪問。

3.2分布式部署

對物流EPC網絡系統架構進行分層分割，其主要目的就是為了便于將切分后的模塊進行分布式部署，將不同模塊部署在不同的服務器上，通過遠程調用協同工作。常見分布式方案包括：分布式應用和服務、分布式靜態資源、分布式數據和存儲、分布式緩存和分布式計算等。

在對物流EPC網絡系統各個模塊進行分布式設計時，為了應對海量數據存儲，包括EPC地址映射數據和商品信息，ONS系統DB和EPCIS系統DB分別采用分布式存儲。為了實現物流EPC網絡對信息查詢的快速響應，可遵循數據訪問的二八定律，設計ONS系統緩存和EPCIS系統緩存，將高頻次讀取操作的20%數據緩存起來并分布式部署。為了降低各個模塊之間的耦合和解決異構系統的通信，物流EPC網絡系統采用分布式消息隊列，利用這一發布-訂閱模式，實現事件驅動架構，并對整個EPC網絡系統擴展新的模塊提供幫助。對于靜態商品信息，比如商品圖片、靜態頁面等資源，采用獨立服務器分布式部署，以減輕物流EPCIS系統的負載壓力。此外，Savant中間件服務也是一種采用分布式結構的系統，它被部署在商店、分銷中心、地區辦公室、工廠，甚至有可能在卡車或貨運飛機上。

3.3使用鏈路層負載均衡的集群

在使用分布式部署之后，雖然將物流EPC網絡系統的各個模塊獨立部署，但是對于業務集中的模塊，比如ONS發現服務和EPCIS查詢系統，還需要將其獨立部署的服務器集群化，即使用多臺服務器部署同一應用構成集群，通過負載均衡設備共同對外提供服務，這將大大的提高物流EPC網絡并發訪問特性。

物流EPC網絡中集群的負載均衡設計，采用數據鏈路層負載均衡，這種負載均衡方式通過在數據鏈路層修改Mac地址來進行負載均衡，如圖4所示。

在這一負載均衡數據分發過程中，只修改目的Mac地址，集群所有服務器通過虛擬IP與負載均衡器保持IP一致，負載均衡服務器根據負載均衡算法，將請求數據的目的Mac地址修改為真實物理服務器的Mac地址，待真實物理服務器將請求處理完畢，由于其IP地址與數據請求目的IP一致，響應數據包可以不需要通過負載均衡服務器進行地址轉換直接返回給客戶端，這樣可以有效避免負載均衡服務器成為物流EPC網絡服務器集群性能的瓶頸。4EPCIS系統設計與實現

在整個EPC網絡系統中，EPCIS系統處于核心地位，負責對數據進行捕獲、存儲、查詢并返回，也可以根據具體業務邏輯對數據進行訂閱查詢。相對于RFID識讀模塊和數據處理模塊應用層事件ALE，EPCIS系統更靠近EPC網絡系統結構上層位置，可以直接與其它企業級應用進行信息交互。

4.1系統功能模塊劃分

依據EPCIS規范，EPCIS系統主要針對四種事件數據進行處理，分別是對象事件、聚合事件、數量事件和交易事件。在物流活動過程中，交易事件伴隨發生對象事件、聚合事件和數量事件，而這四種事件數據又是由ALE（Application Level Event）事件和EPCIS訪問應用查詢事件產生。物流EPCIS系統功能模塊劃分如圖5所示。

圖5中物流EPCIS系統分為EPCIS捕獲模塊、EPCIS數據庫模塊和EPCIS查詢模塊，通過接口調用相應模塊來處理ALE事件和合作方查詢事件。

當有ALE事件進入EPCIS系統時，系統通過EPCIS捕獲接口調用EPCIS捕獲模塊，判斷ALE事件數據處理類型。若是EPC查詢操作，則通過EPCIS查詢接口調用EPCIS查詢模塊，查詢模塊再調用EPCIS數據庫模塊讀取數據；若是EPC寫入操作，則直接調用EPCIS數據庫模塊寫入產品相關信息。

當有EPCIS訪問應用查詢事件進入EPCIS系統時，系統通過EPCIS查詢接口調用EPCIS查詢模塊，查詢模塊再調用EPCIS數據庫模塊讀取數據返回給合作方查詢系統。

4.2系統功能模塊設計與實現

根據EPCIS系統功能模塊劃分，可以通過UML建模工具進行具體類和接口設計，本文采用Rational Rose工具進行統一建模。在功能模塊詳細設計階段主要給出靜態類圖、部分關鍵代碼和數據模型。

4.2.1EPCIS捕獲模塊

在EPCIS系統業務流程中，ALE事件從底層通過ALE接口進入EPCIS捕獲模塊進行數據處理。本文采用JMS（Java Messaging Service）傳輸XML文件格式的ALE事件報告。在捕獲模塊類和接口設計上，根據EPCIS規范標準主要設計有捕獲類、報告接收類、事件解析類和事件類等輔助類。具體類圖設計如圖6所示。

捕獲模塊核心類分別為EPCISCaputre、ALEReportReceive和ALEReportAnalyse三個類，BizTransaction、EPCISEvent及其派生類為輔助類。其中ALEReportReceive類繼承javax.jms.MessageListener類，監聽并接收通過JMS傳輸過來的ALE事件報告（JMS采用Queue傳輸模式）。

ALEReportAnalyse類負責解析ALE事件報告，并將解析結果封裝成對應的事件類對象，在這個過程中用到EPCISEvent及其派生類等輔助類。

最終，EPCISCaputre類通過epcisCapture方法調用ALEReportReceive類和ALEReportAnalyse類的相應方法實現EPCISCaptureInterface接口，將解析結果保存到數據庫，完成EPCIS捕獲模塊功能。

4.2.2EPCIS查詢模塊

在EPCIS查詢模塊中，分別要處理即時請求模式和訂閱模式兩種查詢業務邏輯。即時請求模式由EPCIS查詢客戶端通過EPC碼等查詢條件發起查詢并返回查詢結果，訂閱模式則是服務端根據客戶訂閱計劃定時查詢并返回查詢報告。依據EPCIS規范，查詢模塊主要包括兩種接口，分別是EPCISQueryControlInterface查詢控制接口和EPCISQueryCallbackInterface查詢回調接口，這兩個接口統稱為EPCIS查詢接口。具體類圖設計如圖7所示。

查詢控制類EPCISQueryControl負責處理EPCIS應用訪問程序發送的即時查詢請求并返回結果，以及對訂閱查詢的計劃進行管理。

查詢回調類EPCISQueryCallback負責將根據訂閱查詢計劃返回的查詢結果，分發給目標地址的EPCIS訪問應用程序。在EPCISQueryControl類中，subscribe方法實現根據用戶定義的查詢名稱注冊訂閱查詢，params參數用來傳遞查詢條件的值，dest參數用來傳遞通過查詢回調接口分發查詢結果的目標地址，controls參數用來傳遞控制訂閱處理的值，比如訂閱計劃的周期等，subscriptionID參數是一個訂閱的標識字符串。

unsubscribe方法實現訂閱查詢退訂操作，通過subscriptionID參數清除與之對應的訂閱查詢計劃。poll方法根據用戶定義的params參數值，實現即時查詢并返回查詢結果。在EPCISQueryCallback類中，callbackResults方法負責將根據訂閱查詢計劃返回的查詢結果，分發給目標地址的EPCIS訪問應用程序。

4.2.3EPCIS數據庫模塊

EPCIS數據庫模塊負責實現EPCIS信息服務數據存儲功能，其存儲內容包括整個供應鏈流程產生的所有業務事件數據，以及描述這些事件的商業主數據。根據四種事件之間存在的內在關系，可以將它們的公有屬性抽取出來建立一個protoEvent表，然后再對四種事件剩下的特有屬性分別建表，通過主外鍵約束與Event表關聯起來。事件數據表關系如圖8所示。

圖8中protoEvent表有8個屬性，eventId為主鍵屬性，用來標識每一個EPCIS事件；eventTime、recordTime 分別記錄事件發生時間和記錄事件至數據庫的時間；timeZoneOffset字段記錄事件發生地所屬時區；bizStep表示事件所處的業務步驟；disposition表示一個業務對象的狀態，比如“召回”；readPoint表示讀取epc的具體地點；bizLocation表示事件發生時所處的地點。

在其他事件子表中，eventId為外鍵屬性；action表示事件的動作種類，有ADD、OBSERVE、DELETE三類取值可能；parentID表示在聚合事件和交易事件中，發生事件對象的父級對象的標識符，一般為epc碼；epcClass描述標識事件對象的類別屬性；quantity表示數量事件所包含的具體數量；epcList和childEPCs都表示一個事件相關對象的集合，集合的每一個對象元素的屬性分別保存在epcSet和epcChildset表中。根據EPCIS標準，商業主數據表如圖9所示，商業主數據表與事件數據表中的相關屬性一一對應，是對事件數據屬性的詳細描述。

本文使用MySQL數據庫，并采用Hibernate框架技術實現數據庫模塊持久化層。在com.logistics.epcis.database包中，HibernateUtils類通過Hibernate技術連接數據庫并提供getSession方法返回數據庫事務操作Session。數據庫中所有的表都在com.logistics.epcis.beans包中有一個實體類與之對應，實體類的成員屬性即對應表中的屬性。這些實體類實現了set和get方法，并通過Hibernate配置文件與對應數據庫表進行綁定。

5系統運行效果

在完成EPCIS系統服務功能后，通過客戶端程序對EPCIS捕獲和查詢功能進行演示。本文采用運行在瀏覽器上的B/S客戶端模式，使用JSP技術和Struts框架完成開發。主要功能頁面有數據捕獲頁面、數據查詢頁面、詞匯表管理頁面等。

物流追溯信息系統Web客戶端首頁如圖10所示。用戶可通過http：//localhost：8080/EPCIS4Logistics/ 鏈接對系統進行訪問，首次使用需先注冊再登陸，登錄后即可使用EPCIS系統功能。

物流EPCIS客戶端系統數據捕獲頁面如圖11所示。系統用戶進入數據捕獲頁面，對ALE數據報告進行預覽、解析和加入儲存庫操作，這些操作可分步進行也可以一鍵完成。

物流EPCIS客戶端系統數據查詢頁面如圖12所示，系統用戶進入數據查詢頁面，可以選擇按條件查詢或者查看訂閱查詢結果，并可以對訂閱查詢進行設置。

物流EPCIS客戶端系統詞匯表管理頁面如圖13所示，系統用戶進入詞匯表管理頁面，對系統詞匯表進行管理，包括查詢、添加和刪除操作，詞匯表即對應商業主數據內容。

6結語

本文圍繞物流追溯信息系統設計與實現開展深入研究，建立了基于高性能EPC網絡架構的物流追溯信息系統，主要研究工作如下：

（1）在對基于EPC體系結構的物流數據流向進行分析的基礎上，采用分層和分割模式，實現了對物流EPC系統結構的有效切分，降低了系統耦合，提高了系統性能。

（2）針對物流領域大數據處理、高并發數據訪問、數據逆向追蹤等特征，采用數據緩存、分布式部署和集群處理的服務器設計方法，設計了高性能EPC網絡架構，為解決物流EPC網絡系統訪問吞吐量、響應速度等性能瓶頸問題提供了可靠的設計方案。

（3）對以物流EPCIS系統為內核的物流追溯信息系統進行詳細設計和開發，使用Java語言開發物流EPCIS系統功能模塊，使用物流EPCIS可擴展數據模型建立可擴展的物流追溯信息系統數據庫表，使用JSP技術和Struts框架開發物流追溯信息系統Web客戶端，并對系統運行效果進行了分析，系統界面簡便友好，系統運行順暢，響應速度較快，系統功能有效。

隨著RFID電子標簽成本的不斷下降和物流行業的信息化趨勢，基于EPC網絡的物流信息系統必將迎來蓬勃發展的重大機遇，而隨著EPC物聯網技術的不斷發展，必將對物流行業的發展起到重要的促進作用。

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