WSN和RFID在供應(yīng)鏈管理語義監(jiān)控中的應(yīng)用

賈保先 荊雪蕾 李 寰

(聊城大學(xué)計算機學(xué)院，山東 聊城 252059)

0 引言

隨著電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，人們對供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中的物流信息更加關(guān)注。及時、準(zhǔn)確地了解供應(yīng)鏈作業(yè)流程已成為現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理(supply chain management，SCM)發(fā)展的要求［1－2］。我國目前使用的供應(yīng)鏈管理監(jiān)控系統(tǒng)還無法有效地處理供應(yīng)鏈管理中的異常問題。同時，信息格式的迥異，也造成了供應(yīng)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(jiān)控平臺對于供應(yīng)鏈管理尤為重要。文獻［2］表明，科學(xué)性強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可動態(tài)擴展和能被廣泛認(rèn)同的本體可以實現(xiàn)供應(yīng)鏈管理中的信息語義交互和共享。

信息協(xié)同服務(wù)是供應(yīng)鏈管理的重要方向之一，探討并劃分生產(chǎn)經(jīng)營過程階段和對應(yīng)的信息需求單元，構(gòu)建過程本體和信息協(xié)同服務(wù)業(yè)務(wù)鏈模型，建立基于業(yè)務(wù)鏈模型的信息協(xié)同服務(wù)系統(tǒng)，是供應(yīng)鏈管理現(xiàn)代化發(fā)展的必然要求［3］。本文采用本體技術(shù)對供應(yīng)鏈管理中的信息進行描述，并融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)，提出了全新的供應(yīng)鏈管理監(jiān)控系統(tǒng)，為供應(yīng)鏈中信息的及時、無歧義理解提供了便利。

1 供應(yīng)鏈管理監(jiān)控介紹

供應(yīng)鏈管理是指為滿足客戶需要的服務(wù)水準(zhǔn)，對供應(yīng)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(yōu)化。供應(yīng)鏈管理作為一種新型的生產(chǎn)經(jīng)營管理技術(shù)，其核心在于對供應(yīng)鏈范圍的資源進行全面的優(yōu)化整合。有效地整合這種資源是一個復(fù)雜、離散、動態(tài)的運作過程，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)變異都會使得執(zhí)行供應(yīng)鏈產(chǎn)生高度的不確定性，進而產(chǎn)生異常，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，供應(yīng)鏈的作業(yè)流程只有在嚴(yán)密監(jiān)控下才能夠有效地進行。供應(yīng)鏈的作業(yè)流程代表供應(yīng)鏈中物流、資金流和信息流的實際運作情況。由于供應(yīng)鏈的復(fù)雜性會導(dǎo)致系統(tǒng)中各因素變異，從而使執(zhí)行供應(yīng)鏈產(chǎn)生異常，帶來嚴(yán)重的后果，所以供應(yīng)鏈作業(yè)流程的監(jiān)控問題亟待解決［4］。

2 無線傳感器和RFID結(jié)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(xié)作，同物理世界進行交互，共同完成特定的應(yīng)用任務(wù)，稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的科學(xué)技術(shù)，與傳統(tǒng)的傳感器相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)易于部署，即傳感器節(jié)點位置不需要事先確定或精心設(shè)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(wǎng)絡(luò)由大量廉價節(jié)點組成，可放置在物理現(xiàn)象作用范圍內(nèi)，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(jié)點，即使部分節(jié)點失效，也不會影響整個系統(tǒng)的功能，因而具有較好的健壯性。同時，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有計算能力，可以相互協(xié)作，完成傳統(tǒng)傳感器所不能完成的任務(wù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是對某種環(huán)境事物的數(shù)據(jù)采集。一方面，可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)看作是將互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)看作是將傳感器節(jié)點發(fā)展為具有互連結(jié)構(gòu)的新型信息處理功能網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這種特點決定了其在由于供應(yīng)鏈的復(fù)雜性而導(dǎo)致系統(tǒng)中各因素的變異監(jiān)控中大有用途。

2.2 RFID 技術(shù)

射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起并逐漸走向成熟的一種自動識別技術(shù)。它與目前廣泛使用的自動識別技術(shù)(如條碼、磁卡和IC卡等)相比具有很多優(yōu)點。目前，RFID技術(shù)在生產(chǎn)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(rèn)證、智能交通、網(wǎng)絡(luò)家電控制、門禁控制、電子門票、物流與供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域已經(jīng)或正在投入實際應(yīng)用，且其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地擴展。基本的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(tag)、天線(antenna)和閱讀器(reader)三部分組成。電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，且每個電子標(biāo)簽具有全球唯一的識別號(ID)，無法修改和仿造。電子標(biāo)簽附著在物體上標(biāo)志目標(biāo)對象，保證了其安全性。天線在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號，即標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。閱讀器讀取(或?qū)懭?電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)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(shù)的工作原理Fig.1 Working principle of RFID technology

在供應(yīng)鏈管理上，無論哪個環(huán)節(jié)，應(yīng)用RFID都可以提供更高的技術(shù)支持，獲得更佳的管理效果，以達到更完善的系統(tǒng)管理。有專家認(rèn)為，要想提高物流供應(yīng)鏈管理的效益，就必須使供應(yīng)鏈上的成員及時獲得其他成員和各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)上的運行信息。而信息的共享不足會發(fā)生供應(yīng)鏈的斷裂和效率低下，先進的射頻技術(shù)信息可以加強這些環(huán)節(jié)的自動化程度，這樣便可提高業(yè)務(wù)運行的自動化程度，大幅度地降低差錯率，提高供應(yīng)鏈的透明度和管理效率。總的來說，RFID系統(tǒng)可以實現(xiàn)從商品的設(shè)計、原材料的采購、半成品與產(chǎn)成品的生產(chǎn)、運輸、倉儲、配送，一直到銷售甚至退貨處理和售后服務(wù)等所有供應(yīng)鏈上的環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控。

2.3 技術(shù)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(jié)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(wǎng)絡(luò)，則此技術(shù)在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用前景將更為廣泛。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心節(jié)點的位置，因此，對節(jié)點一般都不會采用全局標(biāo)識，而RFID技術(shù)對節(jié)點的標(biāo)識有著得天獨厚的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補對方的缺陷，既可以將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，又可以利用RFID的標(biāo)識功能輕松地找到節(jié)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(chǎn)生的、基于群體的協(xié)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(chǎn)生的。該算法結(jié)合了以遺傳為基礎(chǔ)的Memetic算法和以社會行為為基礎(chǔ)的粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)點，具有概念簡單、參數(shù)少、計算速度快、全局尋優(yōu)能力強和易于實現(xiàn)的特點［7］。它通過啟發(fā)函數(shù)(任何數(shù)學(xué)函數(shù))進行啟發(fā)式搜索，從而找到組合優(yōu)化問題的解［8］。將蛙跳算法成功地應(yīng)用于生產(chǎn)調(diào)度問題上，對生產(chǎn)調(diào)度和智能算法的研究將豐富和深化已有的優(yōu)化調(diào)度理論，并可望直接服務(wù)供應(yīng)鏈的信息管理。

目前，關(guān)于該算法的研究成果很少，傳統(tǒng)的蛙跳算法不適合求解離散的優(yōu)化問題。關(guān)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(shù)的設(shè)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(xiàn)象的簡單模擬，或者基于對局域搜索方法的改進，缺乏系統(tǒng)的、嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)。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(diào)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(gòu)造式啟發(fā)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(yōu)化機制、優(yōu)化行為和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的互補性來提高優(yōu)化性能。

在實際的供應(yīng)鏈監(jiān)控過程中有很多不確定的因素，如運輸設(shè)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(yīng)的時間也有一定的隨機性。因此，供應(yīng)鏈調(diào)度過程是一個動態(tài)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(yōu)化算法，其突出的特征是容易實現(xiàn)和具有更強的全局優(yōu)化能力，且該算法只需要作細(xì)微的調(diào)整即可廣泛應(yīng)用于不同場合。

3 平臺設(shè)計

語義監(jiān)控平臺融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)。因此，在設(shè)計系統(tǒng)體系架構(gòu)時，要綜合考慮二者的特點。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of the system

平臺主要由車載終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，車載終端由主控制器及其外圍設(shè)備、無線傳感器節(jié)點構(gòu)成一個微型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器節(jié)點具有主動標(biāo)記對象的溫濕度、煙霧和電磁環(huán)境等信息，以及可以主動上報感知信息的功能，所以在系統(tǒng)中被用來測量各種車載壓力容器的溫度等重要數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點通過無線通信的方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到車載終端主控制器。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的管理、協(xié)調(diào)和維護。在技術(shù)融合中，RFID技術(shù)用于標(biāo)志供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中的貨物信息和運動的流程信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)用于供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中的貨物信息和運動的狀態(tài)參數(shù)采集，而RFID和傳感器采集的信息以及供應(yīng)鏈過程中涉及所有的信息存儲和交互都通過本體實現(xiàn)。對于分布式系統(tǒng)，可以通過P2P技術(shù)實現(xiàn)點對點的傳感器網(wǎng)絡(luò)［10］。文獻［10］提出了一種基于語義P2P的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)。我們通過構(gòu)造相應(yīng)的本體實現(xiàn)某種程度的知識共享和重用。本體在供應(yīng)鏈中的信息交換與信息共享技術(shù)中的具體作用主要體現(xiàn)如下。

①統(tǒng)一各個行業(yè)的可擴展標(biāo)記語言(extensible markup language，XML)標(biāo)準(zhǔn)，擴大供應(yīng)鏈的參與主體。目前，多種基于互聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)鏈平臺、物流平臺和電子商務(wù)平臺均是以XML為數(shù)據(jù)交換的通用格式，如Commerce One，其通過XML平臺和傳統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)交互(electronic data interchange，EDI)平臺的翻譯轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)傳統(tǒng)EDI網(wǎng)絡(luò)平臺與基于XML的商務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺的信息交換。雖然XML的標(biāo)記可以根據(jù)需求定義，不同的行業(yè)可以定義適合該行業(yè)的特殊標(biāo)記集，形成行業(yè)的規(guī)范，達到統(tǒng)一的相互交換的目的，但對于跨行業(yè)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)來說，各個行業(yè)的XML標(biāo)準(zhǔn)要進行統(tǒng)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(guān)系的概念模型，通過概念之間的關(guān)系來描述概念語義，可以非常容易地實現(xiàn)不同行業(yè)XML標(biāo)準(zhǔn)的語義的統(tǒng)一。統(tǒng)一的術(shù)語和概念使知識共享成為可能。供應(yīng)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(shè)的今天，系統(tǒng)對所設(shè)計資源的表示往往是不相同的。這直接導(dǎo)致資源的共享和信息系統(tǒng)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(jiān)控平臺統(tǒng)一了動態(tài)聯(lián)盟單位中的術(shù)語和概念描述方式，從而使動態(tài)聯(lián)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(xiàn)供應(yīng)鏈中企業(yè)的信息系統(tǒng)的集成。在供應(yīng)鏈信息交換中，實現(xiàn)敏捷供應(yīng)鏈，必須橫跨不同的企業(yè)和區(qū)域，將它們的信息系統(tǒng)集成起來，隨時掌握產(chǎn)品的銷售情況、供應(yīng)商的詳細(xì)情況，并合理規(guī)劃庫存，合理安排進貨的數(shù)量、時間以及運輸?shù)葐栴}。P2P環(huán)境下的語義監(jiān)控平臺是一個典型的分布式系統(tǒng)［14－15］。

研究表明，實現(xiàn)信息協(xié)同服務(wù)的核心要點在于以下兩點:一是建立科學(xué)性強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、動態(tài)擴展和能被廣泛認(rèn)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(xié)同服務(wù)系統(tǒng)中的信息資源優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同服務(wù)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(yōu)的方向前進，正好解決上述難題。不同的成員企業(yè)有不同的應(yīng)用系統(tǒng)，且采用的模式也各不相同，復(fù)雜的成本信息在交換和共用時就會出現(xiàn)困難。而利用本體，可以實現(xiàn)在用戶間和代理間對于信息組織結(jié)構(gòu)的共同理解和認(rèn)識，可以復(fù)用專業(yè)領(lǐng)域知識，使專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的假設(shè)變得更加明確，并且可以分析專業(yè)領(lǐng)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(jié)構(gòu)一致的核心來實現(xiàn)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(gòu)建的語義監(jiān)控平臺是實現(xiàn)無歧義交互的最重要的工作。

4 結(jié)束語

本文綜合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)，提出了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID的供應(yīng)鏈管理語義監(jiān)控平臺。傳感器網(wǎng)絡(luò)注重某個區(qū)域的觀測指標(biāo)，而RFID技術(shù)能夠準(zhǔn)確地標(biāo)志具體的節(jié)點信息，蛙跳算法解決供應(yīng)鏈管理調(diào)度過程中信息資源優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同服務(wù)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(shù)特點的現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理語義監(jiān)控平臺，以更低的成本實現(xiàn)整個供應(yīng)鏈管理的運行監(jiān)控，具有很強的使用價值。

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