一种面向离散制造车间的RFID阅读器布局方法与流程

本发明涉及一种面向离散制造车间的rfid阅读器布局方法，属于智能化制造领域。

背景技术：

随着“工业4.0”概念的提出和推广，在全球范围内掀起了一场新的工业革命热潮。“工业4.0”被认为是以智能制造为主导的第四次工业革命，旨在通过信息物理系统深度融合的方式，将传统制造业向智能化制造业转型，智能制造已经成为传统制造业必然的发展趋势。在智能制造领域，制造物联技术是其基本技术，也是关键技术，可使车间信息化水平更上一层，而rfid技术作为制造物联技术的核心，在离散制造车间的应用越来越普遍，因此在离散制造车间需要部署大量的rfid设备。

rfid技术是一种通过射频信号识别特定目标并读写相关数据的非接触式自动识别技术，在识别过程中，不需要人工干预，可以同时读取多个运动标签所携带的数据信息。对于离散制造车间而言，具有产品结构复杂、零部件众多、生产计划多变、工艺路线多变、生产周期长和车间面积大等特点，将rfid技术应用到离散制造车间，可解决车间现存的生产数据采集困难、生产现场信息不透明、缺乏实时控制能力、车间可视化程度低等难题。运用rfid技术实现离散制造车间生产过程透明化，需要在车间部署大量的rfid阅读器，随之产生了面向离散制造车间的rfid网络规划问题。

rfid网络规划目标主要包括降低rfid部署成本，增大rfid阅读器覆盖范围，减少读写器之间的相互干扰，即采用最少数量的rfid设备实现最大范围的覆盖及干扰最小。因此rfid网络布局问题为多目标优化问题，目前，针对rfid网络布局研究已经有了不少成果，文献中提出的解决rfid网络布局问题最常用的方法是元启发式算法，主要包括遗传算法、粒子群算法、禁忌搜索算法等。其中粒子群算法是一种演化计算技术，其基本思想是将d维空间中n个没有体积和质量的粒子看作一个群体，群体中每个粒子视为优化问题的一个可行解，因此粒子群算法用来解决多目标优化问题是应用最多且最为成功的。

随着rfid的大范围应用，多个阅读器感知范围有重叠时，对处于重叠区中的标签有干扰，会影响阅读器与其各自感知范围内的标签之间的通讯，甚至使得整个定位系统崩溃，所以就需要对rfid无线网络中的阅读器布局进行规划。rfid阅读器网络布局的合理规划可以大大减少网络消耗、节约节点能量、提高信号的覆盖率，减少阅读器之间的数据冲突，同时还能改善网络的安全性和可靠性。

当前对rfid阅读器网络布局规划都整体对阅读器建模，需要同时考虑很多因素，包括环境、标签分布、阅读器分布、干扰等，最终主要是将其归结成一个多目标优化问题进而求解，这使得建模太复杂而且在实际应用中通常会由于多个目标之间的冲突，无法达到预期的效果。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，通用rfid阅读器网络布局方法中建模太复杂和多个目标之间相互冲突，同时缺少优化目标的改进算法的问题，提出了一种合于离散制造车间环境下rfid阅读器布局的方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种面向离散制造车间的rfid阅读器布局方法，步骤如下：

(1)根据车间布置需求确定rfid阅读器的覆盖方式，并对该覆盖方式中所需候选点进行选取，其中，候选点数量为m；

(2)于所有候选点中随机选取k个阅读器安装点，根据rfid阅读器目标优化算法计算该安装点选取方式下，所有候选点的目标优化参数；

(3)计算完毕后再重新选取k个阅读器安装点并计算该安装点选取方式下，所有候选点的目标优化参数，直至遍历所有安装点可能的组合方式，得到cmk个候选点的目标优化参数集合；

(4)改变步骤(2)中阅读器安装点k的取值，重复步骤(2)～步骤(3)，得到不同k的取值情况下，所有安装点可能的组合方式及所有候选点的目标优化参数集合；

(5)根据步骤(2)～步骤(4)中所得所有候选点的目标优化参数进行该种安装点选取方式的优化综合值计算，选取优化综合值的最大值对应的候选点作为最优阅读器安装点，并确定各安装点间隙，完成该车间rfid阅读器布置任务。

所述rfid阅读器的覆盖方式包括点覆盖、区域覆盖、栅栏覆盖，其中各覆盖方式候选点选取条件如下：

点覆盖：选取目标区域内一组指定的离散点作为阅读器安装点；

区域覆盖：于目标区域中心位置为圆心、阅读器感知范围为半径的覆盖区域边缘选取可安装阅读器的候选点；

栅栏覆盖：根据该区域内运动目标的运动轨迹，于移动目标移动路径左边界与右边界的运动轨迹连续线上选取候选点。

所述步骤(2)中，所述rfid阅读器目标包括成本优化目标、覆盖范围优化目标、干扰优化目标，其中：

(s1)成本优化目标计算公式为：

i表示区域内所有放置rfid阅读器的候选点集合；ci表示在i点部署阅读器的成本；xi表示在i点是否放置阅读器的布尔值，若在位置i放置阅读器，则xi＝1，否则xi＝0；i为正整数；

(s2)覆盖范围优化目标计算公式为：

f2＝∑i∈iaixi/a

i表示区域内所有放置rfid阅读器的候选点集合；ai表示读写器i的覆盖面积；xi表示在i点是否放置阅读器的布尔值，若在位置i放置阅读器，则xi＝1，否则xi＝0；a表示目标区域的面积；i为正整数；

(s3)干扰优化目标计算公式为：

di,j表示阅读器i和阅读器j之间的距离；ri,rj分别表示阅读器i和阅读器j的感知范围；i和j为正整数。

所选k个阅读器安装点的优化综合值，计算公式如下：

f＝w1f1+w2f2+w3f3

式中，w1、w2和w3分别取0.5、0.25和0.25，其中，f越大，优化越好。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种合于离散制造车间环境下rfid阅读器布局的方法，通过提出适合于离散制造车间rfid阅读器布局的关键影响要素，较大程度降低了离散制造车间rfid阅读器网络优化布局数学模型建模的复杂性，并使用加权处理较好解决了多个目标要素之间的冲突问题，运用粒子群算法对该数学模型求解。该发明可以有效减少离散制造车间rfid阅读器布局求解的复杂程度，提高rfid系统的整体性能，具有很强的针对性和良好的实用性，因此该发明对于在离散制造车间部署rfid阅读器有很大的推广价值。

附图说明

图1为发明提供的方法流程示意图；

图2为发明提供的车间布置平面示意图；

图3为发明提供的优化布局情况图；

具体实施方式

一种面向离散制造车间的rfid阅读器布局方法，由典型的的rfid系统组成，通过多个电子标签，用于与制造车间的物料相绑定，存储着物料的相关信息；带射频天线的rfid阅读器，当电子标签进入rfid阅读器的感知范围时，电子标签将接收阅读器发出的询问信号并反馈给阅读器一个包含该标签信息的应答信号；计算机应用系统，用于操作rfid阅读器并存储采集到的标签数据。

本发明提供的方法主要包括三部分，一是分析离散制造车间rfid阅读器的覆盖需求；二是构建rfid网络布局模型，即根据优化目标值选取最优安装点；三是运用粒子群优化算法，进行多次的计算比较，求解出在离散制造车间部署rfid设备的最优方案，如图1所示，具体步骤如下：

(1)根据车间布置需求确定rfid阅读器的覆盖方式，并对各个覆盖方式中所需候选点进行选取；

在车间阅读器布置的过程中，rfid阅读器的覆盖方式主要包括点覆盖、区域覆盖、栅栏覆盖，其中各覆盖方式候选点选取条件如下：

点覆盖：选取目标区域内一组指定的离散点作为阅读器安装点，可以是一个点，也可以是多个指定点；

区域覆盖：于目标区域中心位置为圆心，假定圆心处设有一个阅读器，以阅读器感知范围为半径的覆盖区域边缘选取可安装阅读器的候选点，保证布置的阅读器的覆盖范围完全包住整个区域，同时每两个区域间必须相交；

栅栏覆盖：于移动目标移动路径左边界与右边界的表达式为x的连续线上，以x原则选取候选点。根据离散制造车间的rfid应用场景需求，对于一般的产品或物流通道，只需要覆盖通道的两端即可。

(2)根据步骤(1)所得覆盖方式种类及该覆盖方式对应所需候选点数量、位置信息，同时于步骤(1)中所有候选点中随机选取k个阅读器安装点，根据rfid阅读器目标优化算法计算该安装点选取方式下，所有候选点的目标优化参数；

rfid阅读器目标包括成本优化目标、覆盖范围优化目标、干扰优化目标，选取k个安装点后，确定了该选点方式下的安装点集合，其中：

(s1)成本优化目标计算公式为：

i表示区域内所有放置rfid阅读器的候选点集合；ci表示在i点部署阅读器的成本；xi表示在i点是否放置阅读器的布尔值，若在位置i放置阅读器，则xi＝1，否则xi＝0；i为正整数；

计算所得f1的值越大，说明该种选点方式，rfid网络部署成本越低，rfid系统的经济效益越高；

(s2)覆盖范围优化目标计算公式为：

f2＝∑i∈iaixi/a

i表示区域内所有放置rfid阅读器的候选点集合；ai表示读写器i的覆盖面积；xi表示在i点是否放置阅读器的布尔值，若在位置i放置阅读器，则xi＝1，否则xi＝0；a表示目标区域的面积；i为正整数；

计算所得f2的值越大，说明该种选点方式下，rfid网络的覆盖率越大；覆盖率是评价rfid网络性能好坏的重要指标，覆盖率越大，则rfid网络性能越好；

(s3)干扰优化目标计算公式为：

di,j表示阅读器i和阅读器j之间的距离；ri,rj分别表示阅读器i和阅读器j的感知范围；i和j为正整数；

计算所得f3的值越大，说明该种选点方式下，阅读器之间的干扰程度越小；干扰程度反映了阅读器之间的交叉覆盖区域，交叉区域越小，则干扰程度越小；

(3)于步骤(1)中所有候选点中随机选取k个阅读器安装点，根据步骤(2)中所得所有候选点的目标优化参数进行该种安装点选取方式的优化综合值计算，由于选课k个安装点的安装组合非常多，因此采取粒子群优化算法，选取优化综合值的最大值对应的候选点作为最优阅读器安装点，并确定各安装点间隙，对所有覆盖方式对应覆盖区域进行n次最大优化目标值计算，于种安装方式中选取最优目标值，依据最优目标值对应的rfid阅读器布置参数确定该车间布置方案，完成该车间rfid阅读器布置任务。

所选k个阅读器安装点的优化综合值，计算公式如下：

f＝w1f1+w2f2+w3f3

式中，w1、w2和w3分别取0.5、0.25和0.25；

w1，w2和w3为各优化目标的权值，它们的值取决于该rfid网络指标的综合要求，满足w1+w2+w3＝1。最大地优化目标函数值f，可以保证rfid网络布局成本最低，阅读器对标签有最大的覆盖率，且阅读器之间的干扰最小；优先考虑部署成本，一般将各权重值设置为0.5，0.25和0.25。根据用户需要，也可以选择其他的不同权重，以突出用户对某些优化目标的侧重。

粒子群算法中，n是表示初始粒子群大小，一般可以将粒子群大小n设置为n＝200,n的大小选择主要跟算法的收敛速度相关，用户可以根据需要选择其他的n值，最终目的是又快又准获得整个粒子群的当前全局最优解。

(4)上述步骤为在候选点数量为m个的情况下，随即选取k个阅读器安装点，进行多种选取组合，上述步骤计算完毕后，改变步骤(2)中阅读器安装点k的取值，重复步骤(2)～步骤(3)，得到不同k的取值情况下，所有安装点可能的组合方式及所有候选点的目标优化参数集合，最终选出最优的阅读器安装点选取数量及选取方式，确定各安装点间隙，完成该车间rfid阅读器布置任务。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

步骤一：离散制造车间rfid阅读器覆盖需求分析，如图2所示的简化后的离散制造车间平面布局图可知，该车间总体共划分为四部分子区域，包括：通道区、两个货架区和由5个工位组成的加工区。该车间的工作流程为：物料经由绿色通道运送至第一个工位加工，在该工位完成加工后，送至该车间下一个工位继续加工或者将其存放于指定的货架上，也可直接经由绿色通道离开该车间。对于通道区而言，只需覆盖绿色通道两端，当附着了电子标签的物料进入该通道时，可由通道前端的rfid阅读器感知标签信息，表明物料已经进入该车间；当附着了电子标签的物料经由通道离开车间时，可由通道后端的rfid阅读器感知标签信息并记录物料离开车间时间。因此，通道区对于rfid阅读器的覆盖需求为栅栏覆盖。制造车间的两个货架区共包含3个货架，车间生产过程要求实时掌握每个货架所放置的物料，因此这3个货架对于rfid阅读器的覆盖需求为区域覆盖。车间管理层需实时了解加工区每个工位上的物料情况，因此各个工位对于rfid阅读器的覆盖需求为区域覆盖。

步骤二：rfid网络优化布局模型的构建及算法求解，离散制造车间rfid布局优化问题的优化目标有：最低的rfid部署成本、最大的覆盖范围及最小的干扰水平。这三个优化目标的权重分别为w1，w2和w3，优先考虑部署成本，则将各权重值设置为0.5，0.25和0.25。

本发明采用的所有rfid阅读器均为同一型号，感知半径为3m，通过计算选取合适安装点后，可得安装间距ri＝rj＝3m。车间每个工位的覆盖面积为8m*10m，每个货架的覆盖区域面积为8m*2m，绿色通道两端距离为6m。

在粒子群算法优化多目标问题的流程中，首先对粒子群进行初始化，设置粒子群大小为n＝200，空间维数d＝20，迭代次数dt＝500，使用matlab7.0软件生成初始化种群，计算各个粒子的目标函数，找到各粒子的当前个体极值，并获得整个粒子群的当前全局最优解，更新粒子群内各个粒子的速度和位置。如果达到终止条件，就停止并输出rfid网络规划最优方案。

通过matlab7.0软件运行该算法并得出该离散制造车间内rfid设备部署的详细方案，明确在各区域rfid设备部署的数量及具体位置，部署结果如图3所示，每个圆代表一个rfid阅读器的感知范围，通道区为栅栏覆盖，货架区和加工区为区域覆盖。

本发明针对离散制造车间，考虑车间部署rfid设备的覆盖需求，所构建的rfid网络优化布局模型符合车间特点，运用粒子群算法得出rfid设备部署的详细方案。本发明在离散制造车间物联网应用有着很强的前瞻性，对制造车间实际部署rfid设备具有重要指导意义，如图3所示，为具体实施例中阅读器于车间的布置示意图。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可以采用现有技术加以实现。