模拟冰壶运动的rfid网络规划方法

模拟冰壶运动的rfid网络规划方法
【专利摘要】本发明公开了一种模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，首先模拟冰壶运动构建阅读器模型，设计阅读器的移动与碰撞操作；构建一个阅读器；定义阅读器在工作区域中的移动操作和碰撞操作；阅读器在工作区域中一直进行移动与碰撞的运动搜索，直至阅读器移动次数大于预设最大移动次数阈值完成该阅读器的一次运动操作；构建新的阅读器，阅读器个数加1，计算此时工作区域中所有阅读器对标签的覆盖率COV，直至覆盖率大于预设最小覆盖率阈值；完成RFID网络优化，对阅读器进行消除操作，并输出RFID网络优化方案。本发明能够快速有效的获得优化结果，并结合阅读器消除操作，能够自适应的确定阅读器的数量，可以应用于工程化的RFID网络优化。
【专利说明】
模拟冰壶运动的RF ID网络规划方法
技术领域
[0001] 本发明属于工程优化领域技术领域，特别设及RFID网络优化，具体是一种模拟冰 壶运动的快速有效的RFID网络规划方法，用于RFID网络的优化。
【背景技术】
[0002] 无线射频识别(RFID)技术是一项重要的自动识别技术。无限射频识别技术有着许 多应用，例如在供应链问题中，在产品生产之前，对每一个部件加装RFID标签，当产品出问 题时，通过读取RFID标签中的数据能够快速准确追踪问题部件的来源和获得问题部件的信 息。在库存管理中，对仓库中每一个物品添加RFID标签，仓库中的阅读器读取RFID标签中的 数据并传输给中央计算机，中央计算机整合阅读器发送的信息，能够快速准确的统计库存 数量和获得库存中物品的信息。由于阅读器的检测范围有限而且标签的数量较多，无限射 频识别系统通常包含多个阅读器。如何去设定阅读器的数量和布局运些阅读器的位置是一 个十分重要的技术问题。阅读器的数量过少，会使得网络中标签的覆盖率过低，阅读器数量 过多，则会造成资源的浪费。当不同阅读器同时检测一个标签时，阅读器之间会造成干扰， 使得数据传输不可靠。越来越多的学者设计了各种方法来优化RFID网络，确定所需阅读器 的个数并布局阅读器的位置。因此，设计一种合理有效的RFID网络规划方法仍是研究的重 要方向，不仅能够节省成本支出，还能增强RFID网络的稳定性。
[0003] 方案一，Botero等发表的 "RFID network topology design based on genetic algorithms''（《IEEE International Conference on RFID-technologies and Applications》，文章编号：300-305(2011)),该文章的核屯、是使用遗传算法编码对解空间 进行捜索，具体的做法是用种群中的个体串来对阅读器的位置和功率进行编码，将标签覆 盖率，干扰率等指标作为适应度函数，每一次捜索称为一代，在每一代中保留种群中适应度 函数最大的个体，直至满足一定的终止条件。
[0004] 方案二，Y.Gong等发表的('Optimizing RFID network planning by using a particle swarm optimization algorithm with redundant reader elimination'' (《IE 邸 Transactions on Industrial Informatics》，文章编号：900-912(2012)),该文章 的核屯、是使用粒子群算法对解空间进行捜索，具体的做法是用种群中的粒子来对问题的阅 读器的位置和功率进行编码，将标签覆盖率，干扰率，负载平衡和经济效率作为评价粒子优 劣的函数，用粒子个体最优解和粒子当前种群全局最优解优化群体中的每个粒子，同时结 合多余阅读器消除策略更改粒子中阅读器的个数，不断更新种群中粒子的信息并保留函数 值大的粒子，直到满足一定的终止条件。
[0005] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在W下问题：
[0006] 方案一的捜索空间占用较大，并且捜索之前需先定义阅读器的具体个数，阅读器 的个数是否合理很大程度上决定了RFID网络规划的结果，而在实际工程应用中，估计合理 的阅读器个数往往是一个比较困难的问题;而在方案二中虽然可W在捜索过程中自适应确 定阅读器的个数，但是计算量较大，很难应用到大规模问题中。工程中随着数据处理量的不 断增加，海量数据处理问题变得越来越重要，即使技术方案能实现优良效果，但海量的数据 处理会造成实际工程的无法实现。

【发明内容】

[0007] 为了解决现有技术中遗传算法和粒子群算法存在计算量大，不能自适应确定阅读 器个数的技术问题，本发明提供了一种快速有效的自适应确定阅读器个数W及合理性的模 拟冰壶运动的RFID网络规划方法。
[0008] 本发明是一种模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，其特征在于，所述模拟冰壶运 动的RFID网络规划方法，包括有如下步骤：
[0009] 步骤一，模拟冰壶运动构建阅读器模型，模拟冰壶运动设计阅读器的移动操作与 碰撞操作；
[0010] 1.1构建阅读器模型，将要优化的RFID网络工作区域定义为冰壶运动场，工作区域 光滑平坦有边界，工程中待被覆盖的标签散布在工作区域之中，阅读器在工作区域中通过 移动进行捜索；
[0011] 1.2设计阅读器的移动操作，阅读器移动操作具有如下特征，有标签的区域表面摩 擦系数较大，没标签的区域表面摩擦系数为零，阅读器在工作区域中移动遇到标签时会受 到摩擦力的作用，阅读器之间彼此无作用；
[0012] 1.3设计阅读器的碰撞操作，阅读器碰撞操作具有如下特征，阅读器遇到工作区域 边界时会被弹回，阅读器彼此之间无碰撞作用，阅读器与标签之间也无碰撞作用，碰撞时间 忽略不计，碰撞次数忽略不计；
[0013] 步骤二，根据阅读器模型构建一个阅读器；
[0014] 步骤=，阅读器在工作区域中的移动操作，阅读器在工作区域的当前位置为(X0， yo)，在给定的一次移动时间A t内，计算阅读器的移动结束点位置(XI，yi)，如果(XI，yi)位于 工作区域内部，则用移动结束点位置(xi，yi)更新阅读器当前位置(xo，yo)，并对该阅读器移 动次数加1，阅读器在工作区域内继续捜索;如果在给定的一次移动时间A t内，阅读器移动 结束点位置不在工作区域内部，则定义阅读器未做移动操作，不用(xi，yi)修改阅读器当前 的位置(xo，yo);
[0015] 步骤四，阅读器在工作区域中的碰撞操作，在给定的一次移动时间At内，若阅读 器移动结束点不在工作区域内部，则认定阅读器进行了碰撞操作，阅读器是在工作区域边 缘某一位置发生碰撞，该碰撞点位置为(x'，y')，碰撞后阅读器速度的大小不变，方向发生 改变，依据弹性碰撞计算并获得发生碰撞的阅读器速度V'和阅读器速度方向0'，并修正下 一次移动操作的一次移动时间A t，阅读器在工作区域内继续捜索；
[0016] 步骤五，重复执行步骤=至步骤四，阅读器在工作区域中一直进行运动捜索，直至 该阅读器的阅读器移动次数大于预设最大移动次数阔值时，完成对该阅读器的操作，此时， 定义阅读器位置处功率半径范围内的标签被该阅读器所覆盖；
[0017] 步骤六，重复步骤二至步骤五，构建新的阅读器，阅读器的个数加1，并将被覆盖标 签的比率作为覆盖率C0V，直至覆盖率大于预设最小覆盖率阔值；
[0018] 步骤屯，完成RFID网络规划，对所述工作区域中的全部阅读器进行阅读器消除操 作，完成对工作区域中所有阅读器的操作，并输出RFID网络规划方案。
[0019] 与现有技术相比，本发明的技术优势：
[0020] (1)通过模拟冰壶运动中冰壶的滑行过程，将阅读器看成冰壶在工作区域中滑动 进行捜索优化，工作区域中的标签提供阻力阻碍阅读器滑行使得阅读器停留并覆盖标签， 运用运动学的方法，从一个新的角度来优化RFID网络问题。
[0021] (2)通过运用运动学中摩擦力对运动物体的阻碍作用运一物理规律，将阅读器看 成在工作区域中滑行，每一个标签提供一部分摩擦力，最终使得阅读器能够有效地停在标 签数量较多的区域。对于已经被阅读器覆盖的标签，减少运些标签提供的摩擦力，使得被覆 盖的标签对其他阅读器的阻碍作用减小，避免阅读器重复覆盖相同标签。W上特点使得本 发明方法能够有效地而且简单地优化阅读器的位置。
[0022] (3)由于本发明在初始阶段依次增加阅读器的个数，直到RFID网络的覆盖率满足 工程要求，并结合一定的多余阅读器消除的操作，使得本发明能够有效的自适应地分配阅 读器的数量，同时因为单个阅读器捜索完成之后再放入第二个阅读器进行捜索，而不是初 始化大量的阅读器进行捜索，运一特点使得本发明计算量相对较小，能够快速地实现阅读 器的布局。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的RFID网络规划方法的示意框图；
[0024] 图2是本发明的简要流程示意图；
[0025] 图3是本发明提供的阅读器的简化模型示意图；
[00%]图4是本发明阅读器移动操作示意图；
[0027] 图5是本发明阅读器碰撞操作示意图；
[0028] 图6是本发明的工作区域示意图；
[0029] 图7是被发明的实验结果仿真图，其中，
[0030] 图7(a)是本发明对数据集C_30进行仿真的结果示意图；
[0031 ]图7(b)是本发明对数据集C_50进行仿真的结果示意图；
[0032] 图7(c)是本发明对数据集C_100进行仿真的结果示意图；
[0033] 图7(d)是本发明对数据集R_30进行仿真的结果示意图；
[0034] 图7(e)是本发明对数据集R_50进行仿真的结果示意图；
[0035] 图7(f)是本发明对数据集R_100进行仿真的结果示意图；
[0036] 图7(g)是本发明对数据集C_500进行仿真的结果示意图；
[0037] 图7化)是本发明对数据集R_500进行仿真的结果示意图；
[0038] 图8是本发明与遗传算法、粒子群算法均对数据集C_100进行仿真的覆盖率随时间 变化结果比较曲线图；
[0039] 图9是本发明与遗传算法、粒子群算法均对数据集C_100进行仿真的干扰率随时间 变化结果比较曲线图。
【具体实施方式】
[0040] 下面将结合附图对本发明作详细描述。
[0041 ] 实施例1
[0042] 本发明是一种模拟冰壶运动的快速有效的RFID网络规划方法，参见图I，
[0043] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，包括有如下步骤：
[0044] 步骤一，模拟冰壶运动构建阅读器模型，模拟冰壶运动设计阅读器的移动操作与 碰撞操作。冰壶可W在冰面上滑行，滑行过程中会受到摩擦力的作用而减速，若冰壶运动场 四周有边界，冰壶滑动到边界时会被边界弹回，给定一定的初速度让冰壶在冰壶运动场中 滑行，一段时间后冰壶会停在冰壶运动场之中，根据运个运动现象，将阅读器看作冰壶，将 RFID网络工作区域看作冰壶运动场，工程中待覆盖的标签散布在工作区域之中，本发明中 整个优化过程就是对工程中存在的标签进行覆盖的过程，覆盖率越高，优化结果越好。
[0045] 标签会改变冰面的摩擦系数，阻碍阅读器的滑行，阅读器滑行到工作区域边界会 被弹回，由此设计阅读器移动操作与碰撞操作，使阅读器模拟冰壶的运动过程在工作区域 中进行运动捜索。
[0046] 1.1构建阅读器模型，将要优化的RFID网络工作区域定义为冰壶运动场，工作区域 光滑平坦有边界，工程中待被覆盖的标签散布在工作区域之中，阅读器在工作区域中通过 移动进行捜索，阅读器通过该模型模拟冰壶的特点在工作区域中运动。阅读器有一定的质 量，但阅读器的质量在计算加速度时会被约去，阅读器的质量对阅读器的移动无影响，因此 不需要专口定义阅读器的质量。
[0047] 1.2设计阅读器的移动操作，模拟冰壶的移动进行移动，阅读器移动操作具有如下 特征，有标签的区域表面摩擦系数较大，没标签的区域表面摩擦系数为零，阅读器在工作区 域中移动遇到标签时会受到摩擦力的作用，阅读器之间彼此无作用，移动操作使得阅读器 能够在工作区域中进行移动捜索。
[004引 1.3设计阅读器的碰撞操作，模拟冰壶与边界的碰撞进行碰撞，冰壶滑动到运动场 边界时会被弹回，阅读器碰撞操作具有如下特征，阅读器遇到工作区域边界时会被弹回，阅 读器彼此之间无碰撞作用，阅读器与标签之间也无碰撞作用，碰撞时间忽略不计，碰撞次数 忽略不计，碰撞操作改变阅读器的速度方向，边界使得阅读器能够在固定的工作区域中进 行捜索。
[0049] 步骤二，根据阅读器模型构建一个阅读器，在给定的参数阔值范围内初始化阅读 器的参数。
[0050] 步骤=，阅读器在工作区域中的移动操作，阅读器在工作区域的当前位置为(X0， yo)，在给定的一次移动时间A t内，计算阅读器的移动结束点位置(XI，yi)，如果(XI，yi)位于 工作区域内部，则用移动结束点位置(xi，yi)更新阅读器当前位置(xo，yo)，并对该阅读器移 动次数加1，阅读器在工作区域内继续捜索;如果在给定的一次移动时间A t内，阅读器移动 结束点位置不在工作区域内部，则定义阅读器未做移动操作，不用(xi，yi)修改阅读器当前 的位置(xo，yo)。
[0051] 步骤四，阅读器在工作区域中的碰撞操作，在给定的一次移动时间At内，若阅读 器移动结束点位置不在工作区域内部，则认定阅读器进行了碰撞操作，此时也可W理解为 阅读器移动结束点位置位于工作区域之外，实质上阅读器是在工作区域边缘某一位置发生 碰撞，该碰撞点位置为(x'，y')，碰撞后阅读器速度的大小不变，方向发生改变，依据弹性碰 撞计算并获得发生碰撞的阅读器速度V'和阅读器速度方向0'，并修正下一次移动操作的一 次移动时间A t，阅读器在工作区域内继续捜索。
[0052] 步骤五，重复执行步骤=至步骤四，阅读器在工作区域中一直进行运动捜索，直至 该阅读器的阅读器移动次数大于预设最大移动次数阔值时，完成对该阅读器的操作，此时， 定义阅读器位置处功率半径范围内的标签被该阅读器所覆盖，阅读器的一次给定移动时间 与预设最大移动次数阔值根据实际工程问题复杂程度来设定，问题越复杂，阅读器的一次 给定移动时间越小，预设最大移动次数阔值越大。
[0053] 步骤六，重复步骤二至步骤五，构建新的阅读器，阅读器的个数加1，并将被覆盖标 签的比率作为覆盖率C0V，直至覆盖率大于预设最小覆盖率阔值，预设最小覆盖率阔值根据 工程问题的最低覆盖率要求确定。
[0054] 步骤屯，完成RFID网络规划，对所述工作区域中的全部阅读器进行阅读器消除操 作，完成对工作区域中所有阅读器的操作，并输出RFID网络规划方案。
[0055] 本发明通过模拟冰壶运动中冰壶的滑行过程，将阅读器看成冰壶在工作区域中滑 动，滑动中有移动，有碰撞;本发明在初始阶段通过增加阅读器的数量来满足最小覆盖率需 求，其过程中逐次对阅读器个数加1，当满足最小覆盖率需求时，对工作区域中的阅读器进 行多与阅读器消除操作，有效降低了数据处理量，且能自适应获得合理的阅读器个数。本发 明通过模拟冰壶运动进行运动捜索，工作区域中的标签提供阻力阻碍阅读器滑行使得阅读 器停留并覆盖标签，运用运动学的方法，从一个新的角度来优化RFID网络。
[0056] 实施例2
[0057]模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1，其中步骤一中模拟冰壶运动构建 阅读器模型，具体包括：
[005引定义一个阅读器模型R(x，y，v，目，R)，包括阅读器的位置坐标(x，y，），阅读器的速 度大小V，阅读器速度的方向0，W及阅读器的功率半径R。
[0059] 其中步骤二中根据阅读器模型构建一个阅读器，具体包括：
[0060] 按照该阅读器模型并使用随机算法构建阅读器，在工作区域中随机初始化(x，y)， 作为阅读器的位置坐标，在速度范围内随机初始化V和0，作为阅读器的初始速度大小和初 始速度方向，在功率半径范围内随机初始化R，作为阅读器的功率半径，初始化后的RU，y， v，0，R)代表一个阅读器，完成阅读器的构建，其中的参数阅读器功率半径范围由阅读器本 身的种类决定，阅读器的位置坐标范围根据工程问题的区域范围确定，阅读器速度的方向0 为[-n，n]，阅读器的速度范围由工程问题的复杂程度决定。
[0061] 实施例3
[0062] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-2,其中，步骤S中阅读器在工作区 域中的移动操作，包括有如下步骤：
[0063] 3.1扫描当前阅读器功率半径范围内的标签，分别统计运些标签被覆盖的次数，运 些标签都会分别对该阅读器提供一部分摩擦力，每个标签提供的摩擦力与标签被覆盖的次 数相关，阅读器受到的摩擦力为功率半径中所有标签提供的摩擦力总和f;
[0064] 3.2由阅读器受到的摩擦力计算阅读器的加速度a,在该加速度的作用下，规定在 一次移动时间At内阅读器受到的摩擦力大小不变，根据运动学公式，由阅读器当前位置 (xo，yo)，阅读器当前的速度V，阅读器的速度方向0，阅读器的加速度aW及A t计算阅读器移 动结束点的位置(xi，yi)，如果该移动结束点在工作区域中，则完成了一次移动过程，对阅读 器移动次数加一，用(xi，yi)更新阅读器位置(xo，yo)，完成阅读器的一次移动操作。
[00化]实施例4
[0066] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-3,其中，步骤3.1中所述的每个标 签提供的摩擦力f与标签被覆盖的次数C相关，阅读器受到的摩擦力为功率半径中所有标签 提供的摩據九总巧f.且化县?
[0067]
[006引
[0069]
[0070] 其中，fn是摩擦系数控制因子，C(i)表示第i个标签被当前工作区域中阅读器覆盖 的次数，Nr表示对于当前阅读器r功率半径内标签的个数，m是阅读器的质量，g是重力加速 度，y是阅读器受到的摩擦系数，Wmin是摩擦系数最小值，iimax是摩擦系数最大值，d为维度。
[0071] 实施例5
[0072] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-4,步骤四中所述阅读器在工作区 域中的碰撞操作，包括有如下步骤：
[0073] 4.1读取所述移动操作移动结束点位置^1，71)，由阅读器当前位置^日，7日)和移动 结束点位置(xi，yi)确定该阅读器与所述工作区域的碰撞边界，由此计算阅读器从(xo，yo) 到碰撞边界的时间A t'，通过运动学公式，由（XO，y日），A t'，V，0，W及a，计算和获取碰撞点 位置(x'，y')及所述阅读器碰撞后的速度V'与阅读器碰撞后速度的方向0'。
[0074] 4.2修正下一次该阅读器移动操作，由所述一次移动时间A t减去阅读器到碰撞边 界的时间得到阅读器碰撞后的剩余移动时间A t'，用剩余移动时间A t'更新下一次所述阅 读器移动操作的一次移动时间At,用(x'，y')更新阅读器的位置(xo，yo)，用V'更新阅读器 的速度V，用0'更新阅读器的速度的方向0，完成一次阅读器碰撞操作。
[00巧]实施例6
[0076] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-5,步骤屯中所述完成RFID网络规 划的过程，包括有如下步骤：
[0077] 7.1扫描工作区域中构建的所有阅读器并统计每个阅读器覆盖标签的数量，删除 工作区域中覆盖标签数为0的阅读器;对于工作区域中剩下的阅读器，每次从工作区域中找 到覆盖标签数量最少的阅读器，如果删除该所述阅读器标签覆盖率不会降低或降低小于预 设阔值时，该阔值可根据具体工程要求设定，执行删除操作删除该所述阅读器，重复执行一 定次数的阅读器消除操作直到覆盖率基本保持稳定时，将所述工作区域中剩余的阅读器的 位置坐标和功率半径作为RFID网络规划方案并计算所述RFID网络规划方案的性能指标。
[0078] 本发明属于工程优化领域。包括构建阅读器;对阅读器进行阅读器移动操作与阅 读器碰撞操作;对工作区域中多余的所述阅读器进行多余阅读器消除操作，将所述工作区 域中剩余的阅读器位置和功率半径作为RFID网络规划方案并计算RFID网络规划方案的性 能指标。本发明通过模拟冰壶项目中冰壶的运动，设计了一种基于运动学的RFID网络规划 方法，能够快速有效的获得较好的优化结果，并结合所述多余阅读器消除操作，能够自适应 的确定所述阅读器的数量。
[0079] 实施例7
[0080] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-6,在进行处理前，需要对本发明设 计到的参数和名词进行定义，设R(x，y，v，0，R)代表一个阅读器，其中（x，y)为阅读器的位置 坐标，V为阅读器速度的大小，0为阅读器速度的方向，即0为速度与X轴正向的夹角，R为阅读 器的功率半径;COV为工作区域中标签的覆盖率，MC为最小覆盖率阔值;t表示阅读器移动次 数，M表示阅读器最大移动次数阔值;OoUo, yo)为阅读器移动操作的移动开始点，OiUi, yi) 为阅读器移动操作的移动结束点，〇'(x'，y')为阅读器碰撞操作的碰撞点；TS是标签集，RS 是阅读器集，Nt是标签的数量，山,t是阅读器r到标签t的距离，Radiusr是阅读器r的功率半 径;f为阅读器受到的摩擦力，m是阅读器的质量，g是重力加速度，a是阅读器的加速度，y是 摩擦系数，Wmin是摩擦系数的最小值，iimax是摩擦系数的最大值，S是阅读器经过一次阅读器 移动操作移动的距离，At是阅读器的一次移动总时间，fn是摩擦系数控制因子，d为维度。
[0081] 本发明提供了一种模拟冰壶运动的快速有效的RFID网络规划方法，本例中具体对 一个包含100个标签的RFID网络测试样例数据集进行RFID网络优化，该数据集是根据仓库 管理中物品的位置来生成的标签位置数据，模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，如图1所 示，包括有如下步骤：
[0082] 步骤一，模拟冰壶构建阅读器模型。
[0083] 步骤二，根据阅读器模型构建一个阅读器：
[0084] 如图3所示，定义一个阅读器模型并建立一个阅读器R(x，y，v，0，R)，产生一个随机 数rG[0，l]，用该随机数r乘W工作区域的宽度得到xo，用该随机数r乘W工作区域的长度 得到yo,用该随机数r乘W速度大小范围得到V0,用该随机数r乘W速度方向范围得到00,用 该随机数r乘W功率半径范围得到Ro，R(xo，yo，vo，0〇，Ro)表示一个初始化的阅读器。阅读器 始终具有位置参数，速度大小参数和速度方向参数，W及功率半径参数。
[0085] 步骤=，阅读器在工作区域中的移动操作：
[0086] 如图4所示，阅读器在工作区域中的当前位置为OoUo,yo)，扫描当前阅读器功率半 径内的标签并分别统计标签的覆盖次数，通过W下公式，先由每个标签的覆盖次数计算标 签对阅读器的摩擦系数控制因子fn，由fn，摩擦系数最小值和摩擦系数最大值计算标签对阅 读器的摩擦系数结合重力加速度g计算阅读器的加速度曰，由运动方程求出在一次移动 时间A t内，阅读器移动的距离S，并有该距离S与阅读器的速度方向求出阅读器移动结束点 化(Xi，yi)，对阅读器移动次数t加1，记录移动开始点位置OoUo, yo)与所述移动结束点位置 Oi (Xi，yi)，阅读器从点Oo (別，yo)移动到了点Oi (Xi，yi);
[0087] f 二-Ji Xm Xg
[008引 a = -]iXmXg/m = -liX 邑
[0089] S = VX A t+0.5XaX At^
[0090] xi = xo+SXcos0
[0091] yi = y〇+SX sin0
[0092]
[0093]
[0094] 其中，C(i)表示第i个标签被当前工作区域中阅读器覆盖的次数，Nr表示对于当前 阅读器r功率半径内标签的个数。
[00M]步骤四，阅读器在工作区域中的碰撞操作：
[0096] 如图5所示，阅读器由当前位置OoUo, yo)移动的过程中发生碰撞操作，如图6所示， 工作区域外部被分成了八块区域及四个角，具体划分方法如下：区域I，x_low<xi<x_up且yi〉 y_up;区域n，Xi含x_up且yi含y_up;区域虹，义1〉义_啡且7_1〇讯<：71<：7_啡；区域IV，Xi含x_啡且 yi 兰 y_low;区域 V，x_low<xi<x_up 日 yi<y_low:区域VI，xi 兰 x_low且yi 兰 y_low;区域VH，:?a〈 X-Iow 日 y_low<yi<y_up;区域Vl，xi 兰 x_low 日 yi = y_up。
[0097] 根据阅读器当前位置0日(則，7日)与记录位置〇1佔，71)判断碰撞边界，若0如1，71)位 于区域I，则所述碰撞边界为上边界;若化(XI，yi)位于区域n，则所述碰撞边界可能为上边 界，右边界或区域n的角，通过计算所述阅读器到达所述上边界和所述右边界的时间，取时 间短到达的边界为所述碰撞边界，若所述时间相同，则取所述角为所述碰撞边界；当化(XI， yi)位于其它区域时同理通过此方法判断碰撞边界。
[0098] 确定所述碰撞边界之后，通过到达所述碰撞边界的时间，阅读器的加速度a,阅读 器的速度V，阅读器的速度方向0，W及阅读器当前位置OoUo,yo)计算碰撞点的位置0'(x'，y ')和阅读器在碰撞点的速度，在碰撞点〇'(x'，y')处，根据图5的碰撞操作图，碰撞前后速度 与碰撞边界的夹角相同，碰撞后阅读器的速度大小不变，得到所述阅读器碰撞后的速度方 向0'与碰撞后阅读器的速度大小V'，用0'(x'，y')更新阅读器的位置0o(xo，yo)。
[0099] 修正下一次该阅读器移动操作，由一次移动时间At减去阅读器到碰撞边界的时 间得到阅读器碰撞后的剩余移动时间A t'，用剩余移动时间A t'更新下一次所述阅读器移 动操作的一次移动时间At,用(x'，y')更新阅读器的位置(xo，yo)，用V'更新阅读器的速度 V，用0'更新阅读器的速度的方向0，完成一次阅读器碰撞操作。
[0100] 步骤五，重复执行步骤=至步骤四，阅读器在工作区域中一直进行运动捜索，直至 该阅读器的阅读器移动次数大于预设最大移动次数阔值时，完成对该阅读器的操作，此时， 定义阅读器位置处功率半径范围内的标签被该阅读器所覆盖；
[0101] 步骤六，重复步骤二至步骤五，构建新的阅读器，阅读器的个数加1，并将被覆盖标 签的比率作为覆盖率COV通巧下沐公式计算所沐工作区域中标签的覆盖率COV:
[0102；
[0103；
[0104] 其中，对于任意一个标签t G TS，如果存在一个阅读器r G RS使得山，t《Radiusr，那 么标签r被覆盖。如果标签t被覆盖，Cv (t) = 1.否则，Cv (t) = 0;
[0105] 当COV大于最小覆盖率阔值M別寸，停止构建阅读器。
[0106] 步骤屯，扫描工作区域中构建的所有阅读器并统计每个阅读器覆盖标签的数量， 每次从所述工作区域中找到覆盖标签数量最少的阅读器，如果删除该所述阅读器标签覆盖 率不会降低或降低小于预设阔值时，执行删除操作删除该所述阅读器;执行一定次数的阅 读器消除操作直到覆盖率基本保持稳定时，将所述工作区域中剩余的阅读器的位置坐标和 功率半径作为RFID网络规划方案并计算所述RFID网络规划方案的性能指标，本发明中模拟 冰壶运动进行RFID网络规划实质是一种优化过程，得到的结果可W作为RFID网络规划的工 程化实现方案。
[0107] 实施例8
[0108] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-7,本发明的效果通过仿真实验来 验证。
[0109] 1.实验运行环境和条件设置：
[0110] 实验运行的环境：处理器为Intel Pentium B940@2.0細Z，内存为4.00GB，硬盘为 320GB，操作系统为Microsoft windows 10,编程环境为Visual SUidio 叫timate 2013。
[0111] 实验条件设置:实验中测试了 8个RFID测试样例。C_30，C_50，和(：_100中的标签满 足正太分布。R_30，R_50，和3_100中的标签是随机分布。(：_500和1?_500分别由(：_100和1?_100 线性组合生成的。(：_30和3_30中包含30个标签，(：_50和1?_50中包含50个标签，(：_100和1?_100 中包含100个标签，(：_500和3_500中包含500个标签。前6个测试样例的工作区域为一个50m X50m的矩形区域，阅读器的功率半径的取值范围为8m到15m。阅读器的初始速度大小V取值 为lOm/s到20m/s，角度0的取值范围为-JI到31。对于阅读器移动算子，捜索次数M设定为100 次，每次的捜索时间A t设定为0.5s。皿in的值为0 ,Miax的值为0.5; (：_500和1?_500测试样例 的工作区域为一个150m X 150m的矩形区域。
[0112] 2.仿真实验内容和结果分析：
[0113] 仿真实验采用本发明模拟冰壶运动的RFID网络规划方法对8个RFID测试样例进行 了测试并与已有方法进行了对比试验。已有方法包括遗传算法和粒子群算法。
[0114] 为了说明本发明方法的有效性，本发明方法分别对8个RFID测试样例进行了测试， 结果如图7所示。
[0115] 图7(a)是对数据集C_30的仿真结果，图7(b)是对数据集C_50的仿真结果，图7(c) 是对数据集C_100的仿真结果，图7(d)是对数据集R_30的仿真结果，图7(e)是对数据集R_50 的仿真结果，图7(f)是对数据集R_100的仿真结果，图7(g)是对数据集C_500的仿真结果，图 7化)是对数据集R_500的仿真结果，可W看到，对于不同标签数目的测试样例，W及对于不 同标签分布的测试样例，本发明的方法(CA-RNP)都能够有效的实现RFID网络规划的要求， 合理的分配阅读器在工作区域中的位置，设定阅读器功率半径的大小及自适应的确定所需 阅读器的个数，有效的实现了 RFID网络规划。
[0116] 实施例9
[0117] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-8,为了说明本发明的方法的快速 性，下面将本发明与现有技术中分别结合TRE算子的GA、PS0算法，对C_100测试样例进行试 验测试，统计覆盖率和干扰率随着时间的变化曲线。干扰率ITF的计算方式如下：
[011 引
[0119]其中，对于标签t属于标签集TS，In(t)表示标签被工作区域中阅读器的覆盖次数， Nt为工作区域中标签的个数，ITF为工作区域中所有标签被覆盖的次数总和与标签总数的 比值。
[0120] 比较的结果分别由如图8和图9所示，图8是对数据集C_100进行S种算法覆盖率随 时间变化的仿真结果，图9是对数据集C_100进行S种算法干扰率随时间变化的仿真结果。 可W看到，本发明方法(CA-RNP)能够快速的优化RFID网络，在较短的时间内，使得工作区域 中的标签的覆盖率在较短时间内迅速升高，当覆盖率达到要求时，干扰率也相对较低。
[0121] 实施例10
[0122] 模拟冰壶运动的RFID网络规划方法同实施例1-9,为了便于理解，下面提供一种本 发明的简要处理流程，参考图2, W便于对本发明中所述方案的理解。
[0123] 1、开始处理。
[0124] 2、初始化阅读器，并将阅读器放入工作区域中。
[0125] 3、计算当前工作区域中标签的覆盖率，确定覆盖率与预设最小覆盖率阔值的关 系。
[01%] 4、将阅读器移动次数t的值置为1。
[0127] 5、对阅读器进行阅读器移动操作，记录阅读器的移动开始点位置和阅读器的移动 结束点位置，对阅读器移动次数巧口 1。
[0128] 6、确定是否进行碰撞操作。
[0129] 7、对阅读器进行碰撞操作，获取碰撞点位置及所述阅读器碰撞后的速度，修正下 一次所述阅读器移动操作。
[0130] 8、重复进行5至7中的内容，直至阅读器的移动次数t大于预设阅读器最大移动次 数阔值M。
[0131] 9、重复进行2至8中的内容，直至覆盖率COV的值大于预设最小覆盖率阔值MC。
[0132] 10、对工作区域中的阅读器进行多余阅读器消除操作。
[0133] 11、将工作区域中的阅读器的位置和功率半径作为结果输出。
[0134] 本发明通过模拟冰壶项目中冰壶的运动，设计了一种基于运动学的RFID网络规划 方法，由2初始化阅读器，在3中计算RFID网络当前的覆盖率COV，比较覆盖率与最小覆盖率 阔值MC的关系，如果达到则停止，否则对阅读器进行一定次数的移动操作，每完成一次移动 操作对巧日1，移动的过程中判断碰撞是否发生，如果碰撞发生则执行碰撞操作，当阅读器移 动次数达到阅读器最大移动次数阔值时M，停止对该阅读器的操作，重复进行步骤2至8中的 操作，并计算当前RFID网络的覆盖率C0V，若果COV大于最小覆盖率阔值，则对当前网络中的 所有阅读器进行多余阅读器消除操作，扫描当前RFID网络中每个阅读器覆盖标签的数量， 删除覆盖标签数目为0的阅读器，最后将RFID网络中剩余的阅读器的位置和功率半径作为 结果输出。本发明能够快速有效的获得较好的优化结果，通过不断的往工作区域中增加阅 读器，并进行阅读器移动操作与阅读器碰撞操作进行捜索，W增加RFID网络的覆盖率，当覆 盖率满足最小覆盖率阔值时，对网络中的阅读器进行选择，并结合所述多余阅读器消除操 作，删除网络中冗余的阅读器，由W上阅读器先增加数量满足覆盖率操作和删除多余阅读 器操作使得本发明能够自适应的确定所述阅读器的数量。
[0135] 简而言之，本发明的一种模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，首先模拟冰壶运动 构建阅读器模型，设计阅读器的移动与碰撞操作;构建一个阅读器;定义阅读器在工作区域 中的移动操作和碰撞操作；阅读器在工作区域中一直进行移动与碰撞的运动捜索，直至该 阅读器移动次数大于预设最大移动次数阔值完成该阅读器的一次运动操作;构建新的阅读 器，阅读器个数加I，计算此时工作区域中所有阅读器对标签的覆盖率cov，直至覆盖率大于 预设最小覆盖率阔值;完成RFID网络规划，对工作区域中全部阅读器进行消除操作，并输出 RFID网络规划方案。本发明能够快速有效的获得优化结果，并结合阅读器消除操作，能够自 适应的确定阅读器的数量。可W应用于工程化的RFID网络优化。
[0136] 综上，用本发明对RFID网络进行优化，可W快速有效的得到RFID网络规划方案。
[0137] 需要说明的是:上述提供的模拟冰壶运动的RFID网络规划方法进行RFID网络规划 的实施例，仅作为该RFID网络规划方法中在测试样例中的说明，还可W根据实际需要而将 上述RFID网络规划方法在其他应用场景中使用，其具体实现过程类似于上述实施例。
[0138] 上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先 后顺序。
[0139] W上所述仅为本发明的实施例，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，其特征在于，所述模拟冰壶运动的RFID网 络规划方法，包括有如下步骤： 步骤一，模拟冰壶运动构建阅读器模型，模拟冰壶运动设计阅读器的移动操作与碰撞 操作； 1.1构建阅读器模型，将要优化的RFID网络工作区域定义为冰壶运动场，工作区域光滑 平坦有边界，工程中待被覆盖的标签散布在工作区域之中，阅读器在工作区域中通过移动 进行搜索； 1.2设计阅读器的移动操作，阅读器移动操作具有如下特征，有标签的区域表面摩擦系 数较大，没标签的区域表面摩擦系数为零，阅读器在工作区域中移动遇到标签时会受到摩 擦力的作用，阅读器之间彼此无作用； 1.3设计阅读器的碰撞操作，阅读器碰撞操作具有如下特征，阅读器遇到工作区域边界 时会被弹回，阅读器彼此之间无碰撞作用，阅读器与标签之间也无碰撞作用，碰撞时间忽略 不计，碰撞次数忽略不计； 步骤二，根据阅读器模型构建一个阅读器； 步骤三，阅读器在工作区域中的移动操作，阅读器在工作区域的当前位置为(XQ，yQ)，在 给定的一次移动时间△ t内，计算阅读器的移动结束点位置(xi，yi)，如果(xi，yi)位于工作 区域内部，则用移动结束点位置(X1，y〇更新阅读器当前位置( XQ，yQ)，并对该阅读器移动次 数加1，阅读器在工作区域内继续搜索;如果在给定的一次移动时间A t内，阅读器移动结束 点位置不在工作区域内部，则定义阅读器未做移动操作，不用(X1，yi)修改阅读器当前的位 置（xo，yo); 步骤四，阅读器在工作区域中的碰撞操作，在给定的一次移动时间A t内，若阅读器移 动结束点不在工作区域内部，则认定阅读器进行了碰撞操作，阅读器是在工作区域边缘某 一位置发生碰撞，该碰撞点位置为(x'，y')，碰撞后阅读器速度的大小不变，方向发生改变， 依据弹性碰撞计算并获得发生碰撞的阅读器速度ν'和阅读器速度方向θ'，并修正下一次移 动操作的一次移动时间A t，阅读器在工作区域内继续搜索； 步骤五，重复执行步骤三至步骤四，阅读器在工作区域中一直进行运动搜索，直至该阅 读器的阅读器移动次数大于预设最大移动次数阈值时，完成对该阅读器的操作，此时，定义 阅读器位置处功率半径范围内的标签被该阅读器所覆盖； 步骤六，重复步骤二至步骤五，构建新的阅读器，阅读器的个数加1，并将被覆盖标签的 比率作为覆盖率COV，直至覆盖率大于预设最小覆盖率阈值； 步骤七，完成RFID网络规划，对所述工作区域中的全部阅读器进行阅读器消除操作，完 成对工作区域中所有阅读器的操作，并输出RFID网络规划方案。2. 根据权利要求1所述的模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，其特征在于，步骤一中所 述模拟冰壶构建阅读器模型，具体包括： 定义一个阅读器模型R(x，y，ν, θ，R)，包括阅读器的位置坐标(x，y，），阅读器的速度大 小v，阅读器速度的方向θ，以及阅读器的功率半径R; 步骤二中所述根据阅读器模型构建一个阅读器，具体包括： 按照该阅读器模型并使用随机算法构建阅读器，在工作区域中随机初始化(x，y)，作为 阅读器的位置坐标，在速度范围内随机初始化v和Θ，作为阅读器的初始速度大小和初始速 度方向，在功率半径范围内随机初始化R，作为阅读器的功率半径，初始化后的R(χ，y，v，θ， R)代表一个阅读器，完成阅读器的构建。3. 根据权利要求1所述的模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，其特征在于，步骤三中所 述阅读器在工作区域中的移动操作，包括有如下步骤： 3.1扫描当前阅读器功率半径范围内的标签，分别统计这些标签被覆盖的次数，这些标 签都会分别对该阅读器提供一部分摩擦力，每个标签提供的摩擦力与标签被覆盖的次数相 关，阅读器受到的摩擦力为功率半径中所有标签提供的摩擦力总和f; 3.2由阅读器受到的摩擦力计算阅读器的加速度a，规定在一次移动时间At内阅读器 受到的摩擦力大小不变，由阅读器当前位置(XQ，yQ)，阅读器当前的速度V，阅读器的速度方 向Θ，阅读器的加速度a以及At计算阅读器移动结束点的位置( X1，y〇,如果该移动结束点在 工作区域中，则完成了一次移动过程。4. 根据权利要求3所述的模拟冰壶运动的快速有效的RFID网络规划方法，其特征在于， 步骤3.1中所述的每个标签提供的摩擦力与标签被覆盖的次数C相关，阅读器受到的摩擦力 为功率半径中所有标签提供的摩擦力总和f，具体是：其中，fn是摩擦系数控制因子，C(i)表示第i个标签被当前工作区域中阅读器覆盖的次 数，Nr表示对于当前阅读器r功率半径内标签的个数，m是阅读器的质量，g是重力加速度，μ 是阅读器受到的摩擦系数，μ_是摩擦系数最小值，是摩擦系数最大值，d为维度。5. 根据权利要求1所述的模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，其特征在于，步骤四中所 述阅读器在工作区域中的碰撞操作，包括有如下步骤： 4.1读取所述移动操作移动结束点位置(X1，yi)，由阅读器当前位置(XQ，y Q)和移动结束 点位置(XI，yi)确定该阅读器与所述工作区域的碰撞边界，由此计算阅读器从(xq，y〇)到碰 撞边界的时间Δ t'，由（XQ，yo)，Δ t'，ν，Θ，以及a，计算和获取碰撞点位置(χ'，y')及所述阅 读器碰撞后的速度v'与阅读器碰撞后速度的方向Θ' ; 4.2修正下一次该阅读器移动操作，由所述一次移动时间△ t减去阅读器到碰撞边界的 时间得到阅读器碰撞后的剩余移动时间A t'，用剩余移动时间△ t'更新下一次所述阅读器 移动操作的一次移动时间At，用(x'，y')更新阅读器的位置(XQ，yo)，用ν'更新阅读器的速 度V，用θ'更新阅读器的速度的方向Θ，完成一次阅读器碰撞操作。6. 根据权利要求1所述的模拟冰壶运动的RFID网络规划方法，其特征在于，步骤七中所 述完成RFID网络规划的过程，包括有如下步骤： 7.1扫描工作区域中构建的所有阅读器并统计每个阅读器覆盖标签的数量，每次从所 述工作区域中找到覆盖标签数量最少的阅读器，如果删除该所述阅读器标签覆盖率不会降 低或降低小于预设阈值时，执行删除操作删除该所述阅读器;执行一定次数的阅读器消除 操作直到覆盖率基本保持稳定时，将所述工作区域中剩余的阅读器的位置坐标和功率半径 作为RFID网络规划方案并计算所述RFID网络规划方案的性能指标。
【文档编号】G06K7/10GK105956504SQ201610247877
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】刘静, 焦李成, 张涛
【申请人】西安电子科技大学