WSN和RFID在供应链管理语义监控中的应用

贾保先 荆雪蕾 李 寰

(聊城大学计算机学院，山东 聊城 252059)

0 引言

随着电子商务的蓬勃发展，人们对供应链环节中的物流信息更加关注。及时、准确地了解供应链作业流程已成为现代供应链管理(supply chain management，SCM)发展的要求［1－2］。我国目前使用的供应链管理监控系统还无法有效地处理供应链管理中的异常问题。同时，信息格式的迥异，也造成了供应链管理中的信息交换困难。因此，寻求一种能够获取语义信息的监控平台对于供应链管理尤为重要。文献［2］表明，科学性强、结构稳定、可动态扩展和能被广泛认同的本体可以实现供应链管理中的信息语义交互和共享。

信息协同服务是供应链管理的重要方向之一，探讨并划分生产经营过程阶段和对应的信息需求单元，构建过程本体和信息协同服务业务链模型，建立基于业务链模型的信息协同服务系统，是供应链管理现代化发展的必然要求［3］。本文采用本体技术对供应链管理中的信息进行描述，并融合了无线传感器网络与RFID技术，提出了全新的供应链管理监控系统，为供应链中信息的及时、无歧义理解提供了便利。

1 供应链管理监控介绍

供应链管理是指为满足客户需要的服务水准，对供应商、制造商、分销商、零售商直到最终用户之间的整个渠道进行整体管理和优化。供应链管理作为一种新型的生产经营管理技术，其核心在于对供应链范围的资源进行全面的优化整合。有效地整合这种资源是一个复杂、离散、动态的运作过程，任何一个环节出现变异都会使得执行供应链产生高度的不确定性，进而产生异常，导致严重的后果。因此，供应链的作业流程只有在严密监控下才能够有效地进行。供应链的作业流程代表供应链中物流、资金流和信息流的实际运作情况。由于供应链的复杂性会导致系统中各因素变异，从而使执行供应链产生异常，带来严重的后果，所以供应链作业流程的监控问题亟待解决［4］。

2 无线传感器和RFID结合

2.1 无线传感器

众多具有通信和计算能力的传感器(或作动器)通过无线方式连接，相互协作，同物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务，称为传感器网络(sensor network)。传感器网络是一门新兴的科学技术，与传统的传感器相比，传感器网络易于部署，即传感器节点位置不需要事先确定或精心设计，可以任意放置，部署维护成本低，具有较高的灵活性。传感器网络由大量廉价节点组成，可放置在物理现象作用范围内，从而获得较高的观察精度，具有较高的性价比;拥有大量冗余节点，即使部分节点失效，也不会影响整个系统的功能，因而具有较好的健壮性。同时，传感器网络节点具有计算能力，可以相互协作，完成传统传感器所不能完成的任务。

传感器网络的主要功能是对某种环境事物的数据采集。一方面，可以将传感器网络看作是将互联网的信息共享功能扩充为包括信息采集、信息处理和信息利用的集成网络，其中信息采集功能增强了信息处理的流程;另一方面，可以将传感器网络看作是将传感器节点发展为具有互连结构的新型信息处理功能网络。传感器网络的这种特点决定了其在由于供应链的复杂性而导致系统中各因素的变异监控中大有用途。

2.2 RFID 技术

射频识别(radio frequency identification，RFID)技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术。它与目前广泛使用的自动识别技术(如条码、磁卡和IC卡等)相比具有很多优点。目前，RFID技术在生产制造和装配、航空行李处理、邮件及快运包裹处理、文档追踪和图书管理、移动车辆的自动识别、运动计时、身份认证、智能交通、网络家电控制、门禁控制、电子门票、物流与供应链管理等领域已经或正在投入实际应用，且其应用领域还在不断地扩展。基本的RFID系统由电子标签(tag)、天线(antenna)和阅读器(reader)三部分组成。电子标签由耦合元件及芯片组成，且每个电子标签具有全球唯一的识别号(ID)，无法修改和仿造。电子标签附着在物体上标志目标对象，保证了其安全性。天线在标签和阅读器间传递射频信号，即标签的数据信息。阅读器读取(或写入)电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。RFID工作原理如图1所示［5］。

图1 RFID技术的工作原理Fig.1 Working principle of RFID technology

在供应链管理上，无论哪个环节，应用RFID都可以提供更高的技术支持，获得更佳的管理效果，以达到更完善的系统管理。有专家认为，要想提高物流供应链管理的效益，就必须使供应链上的成员及时获得其他成员和各业务环节上的运行信息。而信息的共享不足会发生供应链的断裂和效率低下，先进的射频技术信息可以加强这些环节的自动化程度，这样便可提高业务运行的自动化程度，大幅度地降低差错率，提高供应链的透明度和管理效率。总的来说，RFID系统可以实现从商品的设计、原材料的采购、半成品与产成品的生产、运输、仓储、配送，一直到销售甚至退货处理和售后服务等所有供应链上的环节进行实时监控。

2.3 技术融合

由于RFID抗干扰性较差，且有效距离一般小于10 m，具有一定的限制性，而若将无线传感器同RFID相结合，利用无线传感器高达100 m的有效半径，形成无线传感器网络，则此技术在供应链管理中的应用前景将更为广泛。传感器网络一般不关心节点的位置，因此，对节点一般都不会采用全局标识，而RFID技术对节点的标识有着得天独厚的优势，将两者结合共同组成网络可以相互弥补对方的缺陷，既可以将网络的主要精力集中到数据上，又可以利用RFID的标识功能轻松地找到节点的位置［6］。

2.4 蛙跳算法

蛙跳算法(shuffled frog-leaping algorithm，SFLA)是一种受自然生物模仿启示而产生的、基于群体的协同搜索新兴智能算法。这种算法是通过模拟青蛙觅食过程中信息共享和交流的特点而产生的。该算法结合了以遗传为基础的Memetic算法和以社会行为为基础的粒子群优化算法的优点，具有概念简单、参数少、计算速度快、全局寻优能力强和易于实现的特点［7］。它通过启发函数(任何数学函数)进行启发式搜索，从而找到组合优化问题的解［8］。将蛙跳算法成功地应用于生产调度问题上，对生产调度和智能算法的研究将丰富和深化已有的优化调度理论，并可望直接服务供应链的信息管理。

目前，关于该算法的研究成果很少，传统的蛙跳算法不适合求解离散的优化问题。关于蛙跳算法的收敛性分析与证明、如何提高解空间的搜索效率、参数的设置和局部更新策略等方面都需要进一步研究。然而，智能算法或者基于对自然现象的简单模拟，或者基于对局域搜索方法的改进，缺乏系统的、严密的理论基础。因此，在求解过程中不可避免地存在一些缺陷，将多种算法混合使用就成为求解调度问题的主要手段［9］。这些混合策略既有智能算法之间的混合，也有智能算法与构造式启发算法、局部搜索算法的混合，甚至智能算法与精确算法的混合。混合的目的在于利用不同算法的优化机制、优化行为和优化结构的互补性来提高优化性能。

在实际的供应链监控过程中有很多不确定的因素，如运输设备故障、信息丢失和人员误操作等多种偶然事件干扰，且货物到达时间的不确定性以及供应的时间也有一定的随机性。因此，供应链调度过程是一个动态的随机过程。蛙跳算法作为一类新兴的基于群体智能的随机优化算法，其突出的特征是容易实现和具有更强的全局优化能力，且该算法只需要作细微的调整即可广泛应用于不同场合。

3 平台设计

语义监控平台融合了无线传感器网络和RFID技术。因此，在设计系统体系架构时，要综合考虑二者的特点。系统体系结构如图2所示。

图2 系统体系结构图Fig.2 Architecture of the system

平台主要由车载终端和远程监控中心组成，车载终端由主控制器及其外围设备、无线传感器节点构成一个微型监控网络。由于传感器节点具有主动标记对象的温湿度、烟雾和电磁环境等信息，以及可以主动上报感知信息的功能，所以在系统中被用来测量各种车载压力容器的温度等重要数据。传感器节点通过无线通信的方式将采集到的数据发送到车载终端主控制器。远程监控中心是整个监控系统的核心，它负责整个远程监控系统的管理、协调和维护。在技术融合中，RFID技术用于标志供应链环节中的货物信息和运动的流程信息，传感器网络用于供应链环节中的货物信息和运动的状态参数采集，而RFID和传感器采集的信息以及供应链过程中涉及所有的信息存储和交互都通过本体实现。对于分布式系统，可以通过P2P技术实现点对点的传感器网络［10］。文献［10］提出了一种基于语义P2P的无线传感器网络应用架构。我们通过构造相应的本体实现某种程度的知识共享和重用。本体在供应链中的信息交换与信息共享技术中的具体作用主要体现如下。

①统一各个行业的可扩展标记语言(extensible markup language，XML)标准，扩大供应链的参与主体。目前，多种基于互联网的供应链平台、物流平台和电子商务平台均是以XML为数据交换的通用格式，如Commerce One，其通过XML平台和传统的电子数据交互(electronic data interchange，EDI)平台的翻译转换接口，实现传统EDI网络平台与基于XML的商务网络平台的信息交换。虽然XML的标记可以根据需求定义，不同的行业可以定义适合该行业的特殊标记集，形成行业的规范，达到统一的相互交换的目的，但对于跨行业的供应链系统来说，各个行业的XML标准要进行统一仍然是一个巨大的工程［11］。通过引入本体论(ontology)，描述概念和概念之间关系的概念模型，通过概念之间的关系来描述概念语义，可以非常容易地实现不同行业XML标准的语义的统一。统一的术语和概念使知识共享成为可能。供应链管理过程中往往涉及多个单位的交流与合作，在单位各自完成信息化建设的今天，系统对所设计资源的表示往往是不相同的。这直接导致资源的共享和信息系统的集成(无论是松耦合还是紧耦合的方式)非常困难。基于本体的语义监控平台统一了动态联盟单位中的术语和概念描述方式，从而使动态联盟中的交互和共享成为可能［12－13］。

②消除智能代理(agent)之间信息交换的语义差别问题，实现供应链中企业的信息系统的集成。在供应链信息交换中，实现敏捷供应链，必须横跨不同的企业和区域，将它们的信息系统集成起来，随时掌握产品的销售情况、供应商的详细情况，并合理规划库存，合理安排进货的数量、时间以及运输等问题。P2P环境下的语义监控平台是一个典型的分布式系统［14－15］。

研究表明，实现信息协同服务的核心要点在于以下两点:一是建立科学性强、结构稳定、动态扩展和能被广泛认同的信息分类体系，利用本体的共享性解决了这个分类问题;二是解决信息协同服务系统中的信息资源优化调度和协同服务机制难题。蛙跳算法的特点是全局交换和局部深度搜索的平衡策略使得算法能够跳出局部极值点，向着全局最优的方向前进，正好解决上述难题。不同的成员企业有不同的应用系统，且采用的模式也各不相同，复杂的成本信息在交换和共用时就会出现困难。而利用本体，可以实现在用户间和代理间对于信息组织结构的共同理解和认识，可以复用专业领域知识，使专业领域内的假设变得更加明确，并且可以分析专业领域知识［16－17］。同时，本体可以作为通信的媒介，以辅助获取、表达和操作知识。这种辅助是通过提供一个基本概念和语言结构一致的核心来实现的，且可帮助建立和组织知识库，解释知识处理工具模块的输入输出。因此，本体构建的语义监控平台是实现无歧义交互的最重要的工作。

4 结束语

本文综合无线传感器网络和RFID技术，提出了一种基于传感器网络和RFID的供应链管理语义监控平台。传感器网络注重某个区域的观测指标，而RFID技术能够准确地标志具体的节点信息，蛙跳算法解决供应链管理调度过程中信息资源优化调度和协同服务机制问题，而采集的信息都用本体的形式存储。综合RFID、WSN及本体技术特点的现代供应链管理语义监控平台，以更低的成本实现整个供应链管理的运行监控，具有很强的使用价值。

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