RFID室內(nèi)放射源信息在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

李遠(yuǎn)茂，劉桂雄，洪曉斌

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

RFID室內(nèi)放射源信息在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

李遠(yuǎn)茂，劉桂雄，洪曉斌

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

針對(duì)室內(nèi)放射源傳統(tǒng)監(jiān)控方式不及時(shí)等問題，研究基于RFID的室內(nèi)放射源信息在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全面實(shí)時(shí)采集放射源動(dòng)態(tài)信息，并引入RFID室內(nèi)定位技術(shù)，提出一種精度更高、穩(wěn)定性更好的RFID定位算法。通過攝像監(jiān)控設(shè)備獲取現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，同時(shí)采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)放射源狀態(tài)信息全程跟蹤，并完成RFID防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)合徑向基插值法和量子粒子群算法，提出RBF-QPSO定位算法，解決VIRE算法虛擬標(biāo)簽插值不準(zhǔn)確、環(huán)境適應(yīng)性差等問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明：該算法定位準(zhǔn)確度約為0.167m，相比于Linear-PSO、VIRE算法分別提高80.17%、84.52%。

放射源；RFID；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；定位算法

0 引言

成千上萬放射源分布于我國(guó)各地，其監(jiān)管不當(dāng)將導(dǎo)致放射源核泄漏、丟失等，引發(fā)放射性污染甚至核災(zāi)難[1]。針對(duì)放射源室外作業(yè)期間的監(jiān)管工作，眾多科研機(jī)構(gòu)結(jié)合GPS、GIS和遠(yuǎn)程通信等技術(shù)提出了較多解決方案[2]，但對(duì)于放射源室內(nèi)監(jiān)控缺乏科學(xué)的策略，主要采取單一的人工巡檢或攝像監(jiān)控方式[3]，無法綜合利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[4]。為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)放射源管理信息化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化，本文利用射頻識(shí)別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）搭建室內(nèi)放射源信息在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并引入RFID室內(nèi)定位技術(shù)，全面監(jiān)控放射源動(dòng)態(tài)信息。為實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位，除改善定位系統(tǒng)硬件外，更多體現(xiàn)在定位算法上。Ni等[5]開發(fā)LANDMARC系統(tǒng)，采用參考標(biāo)簽取代閱讀器，降低了成本且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到提高，但多徑干擾嚴(yán)重、冗余計(jì)算量較多；Zhao等[6]提出VIRE算法，引進(jìn)虛擬標(biāo)簽，降低系統(tǒng)成本的同時(shí)提高估算精度，但線性插值法不能較好模擬非線性RSSI損耗場(chǎng)，且“Proximity Map”中固定閾值無法適應(yīng)環(huán)境多變性；溫佩芝等[7]結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)PSO算法和區(qū)域化Lagrange插值法得到更高精度的定位算法，但若插值區(qū)域內(nèi)存在至少兩個(gè)參考標(biāo)簽到同一閱讀器距離相等，則該插值公式將出現(xiàn)分母為0情況，造成定位無法繼續(xù)。此外，標(biāo)準(zhǔn)PSO算法在搜索過程中可能發(fā)散或陷入局部最優(yōu)點(diǎn)[8-9]，這在放射源監(jiān)控等重要應(yīng)用場(chǎng)合是不允許的。因此，本文結(jié)合徑向基插值法和量子粒子群算法，研究一種精度更高、穩(wěn)定性更好的定位算法。

圖1 基于RFID的放射源監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

1 室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

圖1為基于RFID的放射源監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖。其監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括：視頻信息、狀態(tài)信息、位置信息。視頻信息通過攝像監(jiān)控設(shè)備上傳至監(jiān)控中心。狀態(tài)信息存儲(chǔ)于UHF RFID電子標(biāo)簽，通過設(shè)置RFID固定式閱讀器實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)更新，并可利用RFID手持式終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。位置信息由RFID定位子系統(tǒng)獲取，并在上位機(jī)實(shí)時(shí)在線顯示。當(dāng)放射源處于異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警并通過短信通知管理人員。

1.2 主要功能模塊

根據(jù)放射源使用情況，利用RFID對(duì)放射源整個(gè)生命周期進(jìn)行追溯，其狀態(tài)信息包括：入庫(kù)、出庫(kù)、正常工作、異常報(bào)警、報(bào)廢。在監(jiān)控區(qū)域通過放置攝像機(jī)和RFID固定式閱讀器，對(duì)放射源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖2為放射源監(jiān)控區(qū)域二維平面示意圖。

圖2 放射源監(jiān)控區(qū)域二維平面示意圖

圖3 放射源入庫(kù)狀態(tài)信息自動(dòng)更新原理圖

圖3為放射源入庫(kù)狀態(tài)信息自動(dòng)更新原理圖。在倉(cāng)庫(kù)大門位置放置固定式閱讀器，當(dāng)放射源進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)時(shí)，依次經(jīng)過RFID射頻感應(yīng)場(chǎng)1、2后，系統(tǒng)自動(dòng)更新其狀態(tài)信息為入庫(kù)。

圖4為基于RFID的放射源防盜設(shè)計(jì)圖。在放射源儲(chǔ)存區(qū)域放置RFID固定式閱讀器，當(dāng)放射源置于儲(chǔ)存區(qū)域，即能被閱讀器識(shí)別。若放射源處于入庫(kù)狀態(tài)并被非法移離閱讀器射頻場(chǎng)，系統(tǒng)自動(dòng)更新其狀態(tài)信息為異常報(bào)警，并產(chǎn)生報(bào)警。

圖4 基于RFID的放射源防盜設(shè)計(jì)圖

若放射源即將出庫(kù)或正常使用，需要管理人員通過RFID手持式終端對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行更新，此時(shí)放射源被移離儲(chǔ)存區(qū)域時(shí)，不產(chǎn)生報(bào)警。若放射源處于入庫(kù)狀態(tài)，被非法移動(dòng)依次經(jīng)過大門射頻感應(yīng)區(qū)域2、1時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警。

綜合上述，相比傳統(tǒng)監(jiān)控方式，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：1）在傳統(tǒng)攝像監(jiān)控方式基礎(chǔ)上，增加RFID跟蹤防盜，提高了其監(jiān)測(cè)安全性能；2）利用RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)放射源生命周期追朔，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控放射源狀態(tài)信息；3）實(shí)現(xiàn)放射源狀態(tài)信息自動(dòng)更新，減少人工操作，提高自動(dòng)化水平。

2 RFID室內(nèi)定位子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位技術(shù)隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展備受關(guān)注，尤其在倉(cāng)庫(kù)、圖書館等室內(nèi)環(huán)境，其快速、準(zhǔn)確定位有利于通過位置信息實(shí)現(xiàn)安全化管理[10]，而RFID定位系統(tǒng)易于搭建，成本低，準(zhǔn)確度高[11]。利用RFID搭建室內(nèi)定位系統(tǒng)有利于實(shí)現(xiàn)放射源精準(zhǔn)定位，全面監(jiān)測(cè)放射源室內(nèi)位置信息。圖5為RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)模型，設(shè)在4m×4m室內(nèi)定位區(qū)域內(nèi)，放置4個(gè)RFID固定式閱讀器和16個(gè)RFID參考標(biāo)簽，待定位標(biāo)簽貼在放射源上，參考標(biāo)簽和待定位標(biāo)簽RSSI值由4個(gè)閱讀器采集可得，然后根據(jù)RBF-QPSO定位算法獲取放射源位置信息。其算法流程為：設(shè)置參考標(biāo)簽和閱讀器，確定定位系統(tǒng)模型；在定位區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生虛擬標(biāo)簽，并根據(jù)參考標(biāo)簽RSSI值，建立基于RBF插值法的虛擬標(biāo)簽RSSI值數(shù)學(xué)模型；將虛擬標(biāo)簽當(dāng)作粒子，建立量子粒子群算法模型，通過不斷迭代估算待定標(biāo)簽坐標(biāo)。

假設(shè)在定位區(qū)域內(nèi)放置N個(gè)RFID參考標(biāo)簽，并布置K個(gè)RFID固定式閱讀器，設(shè)有Q個(gè)待定位標(biāo)簽，M個(gè)虛擬標(biāo)簽。第k個(gè)閱讀器采集第n個(gè)參考標(biāo)簽RSSI值為θkn（1≤k≤K，1≤n≤N），采集第q個(gè)待定位標(biāo)簽RSSI值Skq（1≤k≤K，1≤q≤Q）。

圖5 RFID室內(nèi)定位模型

徑向基全局插值法可綜合考慮全部參考標(biāo)簽信息，構(gòu)造出光滑的非線性RSSI損耗場(chǎng)，尤其在參考標(biāo)簽數(shù)目較多的大型室內(nèi)場(chǎng)合，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。算法基于Wendland等[12]提出的緊支徑向基函數(shù)進(jìn)行零階歸一化處理。根據(jù)參考標(biāo)簽RSSI值，利用RBF插值法求出每個(gè)虛擬標(biāo)簽RSSI值Tkm（1≤k≤K，1≤m≤M），公式如下：

式中樣本點(diǎn)為參考標(biāo)簽坐標(biāo)，若各徑向基函數(shù)中心為參考標(biāo)簽坐標(biāo)，并代入徑向基函數(shù)中，則矩陣G是一個(gè)固定值，即

而T0=θ0=[θk1，θk2，…，θkN]T，為參考標(biāo)簽RSSI值，則由式（2）可求得權(quán)值：

將式（3）代入式（1）可得虛擬標(biāo)簽RSSI值為

為解決PSO不能保證以概率1全局收斂缺陷，Sun等[13]基于量子力學(xué)提出QPSO算法，該算法中不會(huì)發(fā)散到無窮處且收斂速度快，需要調(diào)整的算法參數(shù)相比PSO更少。在放射源RFID定位監(jiān)控中，要求系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、易用性與實(shí)時(shí)性，而相比標(biāo)準(zhǔn)PSO算法，QPSO算法具有嚴(yán)格收斂性證明，所需人工調(diào)整參數(shù)更少，尋優(yōu)速度更快，是一種更理想的優(yōu)化算法。

定義虛擬標(biāo)簽和待定位標(biāo)簽的歐氏距離與閱讀器個(gè)數(shù)之比作為目標(biāo)函數(shù)[7]，公式如下：

式中f（xm，ym）越小，表示該虛擬標(biāo)簽（xm，ym）與待定位標(biāo)簽（xq，yq）的位置越接近。將虛擬標(biāo)簽當(dāng)作粒子，建立量子粒子群算法模型，不停迭代，直至滿足所設(shè)定的收斂條件，所得到最優(yōu)粒子位置即為待定位標(biāo)簽估算坐標(biāo)。

為測(cè)試算法性能，在Matlab環(huán)境下對(duì)不同定位算法進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。參考標(biāo)簽和待定位標(biāo)簽RSSI值均由室內(nèi)對(duì)數(shù)路徑損耗模型[14]獲得。由于對(duì)少量標(biāo)簽進(jìn)行試驗(yàn)，隨機(jī)性較大，可信度不夠高，因此需要采用大量標(biāo)簽進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，利用累積分布函數(shù)（cumulative distribution function，CDF）對(duì)不同定位算法進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論，CDF可表示為

式中：n——樣本總數(shù)；

νn（x）——隨機(jī)事件{ξ＜x}頻數(shù)。

在定位區(qū)域內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生5000個(gè)標(biāo)簽，分別在線性和RBF插值法下，利用鄰近地圖、PSO法和QPSO對(duì)標(biāo)簽坐標(biāo)進(jìn)行估算，圖6為不同算法的CDF曲線圖。

可以看出，在相同搜索方式下，RBF插值法比線性插值法總體定位精度更高；在相同插值法下，相比于“Proximity Map”和PSO法，QPSO法定位準(zhǔn)確度提高顯著；以90%標(biāo)簽為限，RBF-QPSO定位誤差＜0.167m，Linear-PSO[7]定位誤差＜0.842m，而Linear-VIRE[6]定位誤差＜1.079m。相比于Linear-PSO法和Linear-VIRE法，RBF-QPSO法定位準(zhǔn)確度分別提高了80.17%、84.52%。

圖6 不同算法的CDF曲線圖

圖7 放射源信息管理系統(tǒng)功能界面

3 放射源信息W eb平臺(tái)開發(fā)

圖7為放射源信息管理系統(tǒng)功能界面。該系統(tǒng)主要使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、移動(dòng)通信等技術(shù)，其功能包括：放射源信息錄入、放射源信息查詢、應(yīng)急方案管理、應(yīng)急方案查詢、短信通知、用戶管理和個(gè)人資料管理等。普通用戶可在“注冊(cè)”窗口注冊(cè)用戶并設(shè)置密碼、真實(shí)姓名、電話和身份證等個(gè)人信息，可對(duì)放射源信息和應(yīng)急方案進(jìn)行查詢，同時(shí)可對(duì)個(gè)人資料進(jìn)行管理。高級(jí)用戶可對(duì)普通用戶資料進(jìn)行管理，同時(shí)可錄入和查詢放射源信息，管理和查詢應(yīng)急方案。此外，高級(jí)用戶可在短信通知欄，通過選擇人員向相關(guān)人員進(jìn)行短信推送，在緊急情況下能及時(shí)通知工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用RFID技術(shù)搭建室內(nèi)放射源信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線采集放射源動(dòng)態(tài)信息，當(dāng)放射源出現(xiàn)異常狀態(tài)及時(shí)產(chǎn)生預(yù)警，并做出有效決策。同時(shí)引入RFID室內(nèi)定位技術(shù)在線監(jiān)測(cè)放射源室內(nèi)位置信息，并提出一種精度更高、穩(wěn)定性更好的RFID定位算法，實(shí)驗(yàn)表明，該算法定位準(zhǔn)確度約為0.167m，相比于Linear-PSO、VIRE算法分別提高了80.17%、84.52%，下一步將進(jìn)行系統(tǒng)功能調(diào)試以及實(shí)際應(yīng)用工作。

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Indoor information of radioactive sources on-line monitoring system based on RFID

LI Yuanmao，LIU Guixiong，HONG Xiaobin
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

An on-line RFID-based system for monitoring the indoor information of radioactive sources has been created to solve the problem that the indoor radioactive sources can not be fully and timely monitored by traditional means.In addition，a positioning algorithm of a higher precision and better stability has been put forward on the basis of RFID indoor positioning technology.Video information was recorded with a camera monitor，and the status information of radioactive sources was tracked via RFID technology，accordingly designing RFID anti-theft alarm systems.A RBF-QPSO positioning algorithm was proposed to solve the defects of VIRE such as inaccurate interpolation algorithm on virtual tags and poor environmental adaptability，according to radial basis interpolation method and quantum particle swarm algorithm.The simulated experiments reveal that the positioning accuracy of the new algorithm is approximately 0.167m，enjoying an increase of 80.17%and 84.52%compared to VIRE and Line-PSO algorithms.

radioactive source；RFID；monitoring system；positioning algorithm

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）08-0063-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.015

2015-03-10；

2015-04-29

廣東省安全生產(chǎn)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2013-101）

李遠(yuǎn)茂（1991-），男，廣東茂名市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橹悄軅鞲屑夹g(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控。

劉桂雄（1968-），男，廣東揭陽(yáng)市人，教授，博導(dǎo)，主要從事先進(jìn)傳感與儀器研究。