RFID技術(shù)在機場行李自動分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用*

杜明謙,毛　剛,陳　翼

(中國民用航空局第二研究所，成都 611430)

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RFID技術(shù)在機場行李自動分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用*

杜明謙**,毛剛,陳翼

(中國民用航空局第二研究所，成都 611430)

為提高基于射頻識別(RFID)技術(shù)的機場行李自動分揀系統(tǒng)的正確性和實時性，提出了一系列措施，包括：為讀寫器設(shè)計具有楔形輻射范圍的有向天線；通過功率調(diào)節(jié)使讀寫器天線視距覆蓋范圍內(nèi)最多僅含一個標(biāo)簽；采取多幀重復(fù)識別機制濾除環(huán)境反射干擾；采用小幀長。實驗測試表明，行李識別正確率可達(dá)99.89%且符合實時性要求，所提出的綜合性技術(shù)措施具有實用價值。

行李自動分揀系統(tǒng)；射頻識別；碰撞；反射

1　引　言

隨著機場開通的航班密度越來越高，機場行李分揀系統(tǒng)的負(fù)荷也不斷增加。因此，機場行李自動分揀系統(tǒng)對通過的行李密度也提出了更高的要求，以便應(yīng)對負(fù)荷不斷增長的壓力。目前多數(shù)機場行李分揀系統(tǒng)對行李前后間距的最低要求是20 cm。間距不低于20 cm的兩件行李通過自動分揀系統(tǒng)時，系統(tǒng)不僅要及時識別出行李代碼，同時也要能正確地甄別出前后順序，才能確保正確分揀行李。

國內(nèi)民航機場現(xiàn)行的行李分揀主要是條碼識別方式。在基于條碼識別的機場行李自動分揀系統(tǒng)中，導(dǎo)入皮帶、分揀機等地點設(shè)有自動讀碼站(Automatic Tag Reader，ATR)。因自動讀碼站采用的是光學(xué)條碼識別設(shè)備，因此業(yè)內(nèi)目前也約定俗成地將ATR代指光學(xué)條碼識別。由于條碼由機械打印，識別時依靠光電檢測，存在因打印質(zhì)量不好、旅行者不經(jīng)意將其折疊或弄臟等原因?qū)е伦R別率下降的風(fēng)險，因此在美國等發(fā)達(dá)國家已不乏將無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)用于機場行李分揀的例子。

隨著射頻識別技術(shù)在我國的發(fā)展成熟和成本降低[1]，我們嘗試將RFID應(yīng)用到機場的行李自動分揀系統(tǒng)中。將RFID技術(shù)運用于行李分揀系統(tǒng)必須解決的主要問題是如何保證行李識別的正確性和及時性。機場復(fù)雜的電磁環(huán)境以及密集的客流，對基于RFID技術(shù)的行李自動識別系統(tǒng)提出了嚴(yán)酷的要求。而由于技術(shù)保密等原因，有關(guān)將RFID用于行李分揀的專業(yè)文獻(xiàn)幾乎是空白。本文在分析ATR和RFID兩種技術(shù)在行李識別、定位方面的機制以及不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合機場行李分揀系統(tǒng)的實際需求，探索在基于RFID技術(shù)的行李自動分揀系統(tǒng)中提高標(biāo)簽識別正確率和實時性的有效措施，并通過實際測試予以檢驗。

2　ATR系統(tǒng)及其不足之處

基于條碼的行李自動分揀系統(tǒng)中，旅客行李標(biāo)簽上有記錄了行李代碼的條碼。國際航聯(lián)(International Air Transport Association，IATA)的標(biāo)準(zhǔn)Resolution 740中定義了兩種類型條碼，分別是T-LABEL和LINEAR LABEL，采用的編碼規(guī)則為Code 2/5i[2]。

條形碼掃描器的光源所發(fā)出的光經(jīng)光闌及聚焦后，照射到黑白相間的條形碼上。反射光經(jīng)聚焦后，照射回光電轉(zhuǎn)換器上，于是光電轉(zhuǎn)換器接收到與白條和黑條相應(yīng)的強弱不同的反射光信號，并轉(zhuǎn)換成電信號輸出到放大整形電路，整形電路把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再經(jīng)譯碼電路譯成數(shù)字字符信息[3]。

確保ATR系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于光源必須持續(xù)保持穩(wěn)定。但灰塵累積會逐漸影響透鏡效率，而且擺動開關(guān)是機械開關(guān)，易出現(xiàn)故障，影響ATR系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性[4]。更糟糕的是，隨著條碼打印機使用次數(shù)增多，會逐漸出現(xiàn)圖1所示的各種異常狀況。

圖1　條碼異常狀況

ATR系統(tǒng)無法準(zhǔn)確可靠地識別出存在上述問題的條碼，這就是ATR系統(tǒng)剛投入使用時，識別率超過99%，但是運行一兩年后會下降到不足90%的主要原因。

3　RFID在智能行李分揀中的應(yīng)用

RFID技術(shù)最早起源于英國，在第二次世界大戰(zhàn)中用于辨別敵我飛機身份。2000年后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開展了RFID標(biāo)準(zhǔn)化工作，推出了一系列RFID空中接口標(biāo)準(zhǔn)[5]。國際航聯(lián)也推出了應(yīng)用于航空業(yè)的RFID標(biāo)準(zhǔn)1740c[6]，該協(xié)議規(guī)定：應(yīng)用于民航業(yè)的RFID設(shè)備應(yīng)采用超高頻(Ultra High Frequency,UHF)頻段以及無源RFID標(biāo)簽，空中接口則與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standard Organization,ISO)和國際電工委員會(International Electro-Technical Commission,IEC)聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18000-6C相同。

3.1面臨的主要問題

行李分揀系統(tǒng)中，首先要解決的問題是行李識別的正確性，其次是行李識別的及時性。將RFID技術(shù)用于智能行李分揀面臨的主要問題是：在旅客較多、行李密度較大的情況下，按電子標(biāo)簽防碰撞協(xié)議中的隨機退避機制，如果同時有兩個以上標(biāo)簽在RFID讀寫器識別范圍內(nèi)，則可能出現(xiàn)先識別一個距離較遠(yuǎn)的標(biāo)簽，然后識別一個較近的標(biāo)簽，這樣，行李排列與實際標(biāo)簽識別順序不一致，導(dǎo)致分揀錯誤；行李密度大，還很可能導(dǎo)致多個標(biāo)簽同時應(yīng)答(發(fā)生碰撞)，導(dǎo)致一些標(biāo)簽不能及時被識別，進(jìn)而使部分行李無法自動分揀[7]。

3.2解決方法

按照航空管理的有關(guān)法規(guī)，每件行李的長、寬、高都有限制。此外，在行李分揀系統(tǒng)中，還規(guī)定了傳送帶上相鄰的行李間距不小于20 cm。因此，要解決正確性和及時性這兩個問題，關(guān)鍵是要設(shè)計好RFID讀寫器天線的射頻覆蓋范圍，使得正常情況下其覆蓋范圍內(nèi)最多只有一個標(biāo)簽，天線覆蓋范圍越小越容易滿足這一要求；但覆蓋范圍越小，行李以指定速度經(jīng)過該范圍的時間就越短，供讀寫器識別該行李的時間就越短，如果不能在這段時間內(nèi)識別出標(biāo)簽，就會錯過識別機會。因此，設(shè)計合適的讀寫器天線輻射場覆蓋范圍是關(guān)鍵，同時還要有效縮短識別標(biāo)簽所花的時間。

為解決上述問題，本文提出一系列措施，具體包括四個方面：

一是采用有向天線，根據(jù)讀寫器天線安裝位置及行李尺寸限制、傳送帶上行李最小間隔要求，設(shè)計有向天線參數(shù)，使其覆蓋角滿足θ≤θ0；

二是控制讀寫器發(fā)送的信號功率，使其僅滿足識別預(yù)定覆蓋范圍內(nèi)最遠(yuǎn)距離標(biāo)簽的需要，即P≤P0；

三是降低幀長至某個較小值，減少每個待識別標(biāo)簽不必要的退避時間；

四是結(jié)合多幀重復(fù)識別，濾除環(huán)境反射的干擾，提高識別正確率。

3.2.1天線覆蓋范圍設(shè)計

圖2是天線輻射場沿傳送帶移動方向分布示意圖，h0是天線離傳送帶水平面的高度，d0是鄰近行李間容許的最小間隔，可見

(1)

所需的天線輻射場覆蓋范圍整體形狀類似一個楔子。

圖2　讀寫器天線輻射場覆蓋范圍

根據(jù)應(yīng)用的實際情況，選用微帶圓極化天線設(shè)計方案。該類天線具有體積小、厚度薄的優(yōu)勢，便于在機場環(huán)境安裝。信號饋入采用雙饋點方式，這是獲得圓極化輻射的最直接方法。該天線采用兩個饋電點來激勵兩個極化正交的簡并模，并由饋電網(wǎng)絡(luò)保證兩簡并模的振幅相等、相位差為90°，如圖3中的A、B，這樣就滿足圓極化條件。

圖3　微帶圓極化天線設(shè)計方案

參考圖4及圖2，通過調(diào)整輻射邊界大小，可以控制讀寫器天線輻射場沿Y方向的覆蓋角度，通過調(diào)整陣元1和陣元2之間的距離可以控制輻射場沿X方向的覆蓋角度θ。

圖4　機場行李分揀RFID天線示例

將圖4所示天線進(jìn)行仿真分析。從整體看，輻射場的存在區(qū)域是一個楔形，如圖5。沿YZ軸向和XZ軸向輻射場分布如圖6中兩條不同曲線所示。從兩側(cè)面看上去，天線輻射場的覆蓋區(qū)域是扇形，XZ截面和YZ截面扇形的角度分別為2θ和γ，如圖7和圖8所示，可見天線滿足實際應(yīng)用需求。

圖5　天線輻射場3D圖

圖6　YZ軸向和XZ軸向剖面圖

圖7　XZ軸向角度2θ

圖8　YZ軸向角度γ

3.2.2讀寫器天線發(fā)射功率控制

旅行者出于自己的習(xí)慣，可能將RFID標(biāo)簽貼于行李箱上任何一處，此時對信號傳播過程所產(chǎn)生損耗進(jìn)行理論分析十分困難。為簡化分析，本文假設(shè)機場通過有效宣傳手段，使旅客統(tǒng)一將RFID標(biāo)簽貼于行李箱朝向天線一面，使標(biāo)簽內(nèi)天線所處平面為水平面，由此得出的結(jié)果僅供初步估計發(fā)射功率用。

圖2給出了旅客行李箱的表面所貼標(biāo)簽剛進(jìn)入讀寫器天線輻射場范圍的情形。為了使標(biāo)簽?zāi)軐ψx寫器所發(fā)指令產(chǎn)生正確響應(yīng)，標(biāo)簽所接收的信號功率必須達(dá)到其接收靈敏度所要求最低值Prmin以上。按照圖2，此時讀寫器發(fā)射天線與標(biāo)簽之間的距離為

d=(h0-h1)/cosθ0。

(2)

式中：h1為行李高度。對于視距傳播，路徑損耗為

L=32.5+20lgF+20lgd。

(3)

式中：L是功率損耗(單位 dB)；F是RFID系統(tǒng)所采用的工作頻率(單位 MHz)；d是傳播距離(單位 m)。因此，讀寫器所發(fā)射的功率應(yīng)不低于

Ptmin=10L/10prmin/(GtGrcosθ0)。

(4)

式中：Gt是發(fā)射天線增益；Gr是接收天線增益。

由于實際環(huán)境中電磁波會發(fā)生反射，增大信號功率雖然有益于正確識別標(biāo)簽，但也會導(dǎo)致因為電磁波反射使覆蓋范圍變大，使得對被識別行李的定位變得模糊，并最終導(dǎo)致行李分揀錯誤。因此，本文中所設(shè)計讀寫器天線的實際發(fā)射功率取為KPtmin，K為一個略大于1的數(shù)，其值通過實際測試予以確定。

3.2.3采用小幀長

在ISO/IEC 18000-6C空中接口協(xié)議中，識別標(biāo)簽的過程是逐幀進(jìn)行的。每幀所包含的時隙數(shù)可以通過QUERY指令中的Q參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在天線輻射場設(shè)計完美的情況下，理論上可以考慮將Q的值設(shè)為0，使得接收到QUERY指令的標(biāo)簽不經(jīng)延時立即對該指令予以響應(yīng)，由于天線輻射場內(nèi)只有一個標(biāo)簽，這個標(biāo)簽可以立即被識別。不過，考慮到實際環(huán)境中難免因電磁波反射使其他標(biāo)簽也能接收到該QUERY指令，若將Q設(shè)為0，這些不在設(shè)計的天線輻射場范圍內(nèi)但經(jīng)過反射接收到QUERY指令的標(biāo)簽必將與存在視距信道的標(biāo)簽同時響應(yīng)而發(fā)生沖突，在天線設(shè)計不完美的情況下，這種沖突經(jīng)常發(fā)生，從而導(dǎo)致標(biāo)簽識別速率顯著下降。為此，可設(shè)定Q為很小的正整數(shù)，如1或2，這樣既可以避免總是沖突，又能有效減少過多的隨機退避時間，以滿足及時識別標(biāo)簽的需要。

按照機場行李分揀系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，傳送帶移動速度典型值為2.5 m/s，行李間距最小為20 cm，此時識別一個標(biāo)簽的時間不能超過80 ms，否則就不能區(qū)分不同行李。現(xiàn)有公認(rèn)較好的執(zhí)行ISO/IEC18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)，1 s內(nèi)識別的標(biāo)簽數(shù)在350個左右，平均識別一個標(biāo)簽需要2.7個時隙，因此平均一個時隙的長度約為1 ms。如果取Q為1，設(shè)天線覆蓋設(shè)計效果不太完美，總有一個標(biāo)簽因電磁波反射而可能與待識別標(biāo)簽碰撞，可知此情況下碰撞概率為1/2，每幀有兩個時隙，80 ms有40幀，每幀內(nèi)因碰撞而不能識別指定標(biāo)簽的概率是1/2，連續(xù)40幀都發(fā)生碰撞而導(dǎo)致該標(biāo)簽不能被識別的概率為

PL=(1/2)40≈10-12。

(5)

若取Q為2，則一幀有4個時隙，在每一幀內(nèi)，碰撞概率為1/4，80 ms約有20幀，連續(xù)20幀都發(fā)生碰撞而導(dǎo)致該標(biāo)簽不能被識別的概率為(1/4)20，與式(5)結(jié)果一樣。因此，80 ms內(nèi)不能識別出該標(biāo)簽的概率幾乎為0。而倘若取Q為6，1幀有64個時隙，80 ms只比1幀時間略長，此時碰撞概率為1/64，碰撞1次即意味著不能及時讀出標(biāo)簽，此時，不能及時識別標(biāo)簽的概率為1.6%，對照式(5)，可以看出在行李分揀系統(tǒng)中，設(shè)定小Q值的重要性。

3.2.4多幀重復(fù)識別

盡管按3.2.1節(jié)所述天線設(shè)計方法可以保證當(dāng)行李間距滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時，在讀寫器天線的直接輻射場內(nèi)只有一個標(biāo)簽，但由于環(huán)境對電磁波的反射及折射效應(yīng)，可能有少量標(biāo)簽通過環(huán)境反射途徑進(jìn)入讀寫器識別范圍，導(dǎo)致在一幀中有兩個以上標(biāo)簽被識別(其中一個標(biāo)簽是讀寫器直接輻射場內(nèi)待識別的目標(biāo)標(biāo)簽，另一個或幾個是附近其他行李上的標(biāo)簽)，這將導(dǎo)致識別標(biāo)簽的順序無法確定，進(jìn)而導(dǎo)致分揀錯誤。針對這一問題，本文提出多幀重復(fù)識別方法，概括為：在每幀識別結(jié)束時，并不立即確定經(jīng)過讀寫器輻射場的行李對應(yīng)哪個標(biāo)簽，暫時不對發(fā)出響應(yīng)的各標(biāo)簽回應(yīng)確認(rèn)信號，而是將該幀識別結(jié)果暫時保存，當(dāng)暫存的已識別幀數(shù)足夠多時，統(tǒng)計所有暫存的各幀中識別的標(biāo)簽的標(biāo)識(identity,ID) 碼及其識別次數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計得到的每個標(biāo)簽的識別次數(shù)做出不同處理——其中識別次數(shù)最高的，就判斷為讀寫器直接輻射場內(nèi)的標(biāo)簽，也是我們需要正確識別的目標(biāo)標(biāo)簽，此時再對它發(fā)送確認(rèn)信號，令其不再響應(yīng)讀寫器的后續(xù)讀寫指令；其他出現(xiàn)次數(shù)少的標(biāo)簽，是因為經(jīng)環(huán)境反射后進(jìn)入讀寫器識別范圍的標(biāo)簽，予以忽略。

采取上述方法的理由在于：當(dāng)一件行李進(jìn)入讀寫器輻射場覆蓋范圍時，在一定時間內(nèi)，該行李上的標(biāo)簽是唯一在該段時間內(nèi)持續(xù)保持在讀寫器直接輻射場內(nèi)的標(biāo)簽，同時，其他標(biāo)簽若要能在該時段內(nèi)對讀寫器做出響應(yīng)，必須通過環(huán)境對電磁波的反射，這種反射環(huán)境會隨行李的移動急劇變化，因此通過環(huán)境反射識別的標(biāo)簽會逐幀發(fā)生明顯變化；但處在讀寫器天線直接輻射場內(nèi)的標(biāo)簽會在大約80 ms時間內(nèi)維持不變，在此期間的每一幀，這個處于天線直接輻射場內(nèi)的標(biāo)簽都會進(jìn)行響應(yīng)。參照3.2.3節(jié)的例子，若取Q為2，則有大約20幀的時間用于正確識別目標(biāo)標(biāo)簽，此時，用于進(jìn)行統(tǒng)計的暫存的幀數(shù)應(yīng)略小于20，因讀寫器需要一點時間進(jìn)行統(tǒng)計處理。

3.3實驗測試

采用以上方法研制的一套機場行李自動分揀RFID識別系統(tǒng)，在某機場行李分揀試驗線上進(jìn)行了長時間、大量行李的測試。測試中，通過對天線有效覆蓋范圍的調(diào)整，首先確定了天線的有關(guān)參數(shù)及最小發(fā)射功率，然后將讀寫器天線的實際發(fā)射功率取為最小發(fā)射功率的1.13倍(K=1.13)，并取Q=2，多幀重復(fù)檢測統(tǒng)計幀數(shù)為15，測試結(jié)果見表1，行李識別正確率達(dá)到99.89%，行李前后順序識別準(zhǔn)確率達(dá)到了99.97%。這些測試結(jié)果與文獻(xiàn)[8]報道的采用RFID技術(shù)實施行李分揀的美國某國際機場的行李識別正確率相當(dāng)。

表1　行李識別測試結(jié)果

測試中，還在Q值為1或3、重復(fù)統(tǒng)計幀數(shù)對應(yīng)為30或8、其他參數(shù)不變的條件下進(jìn)行了測試，測試結(jié)果與表1基本相同，因此不重復(fù)列出。

測試中有行李未被識別的主要原因是行李標(biāo)簽經(jīng)過與傳送帶、翻轉(zhuǎn)機的多次摩擦而出現(xiàn)磨損，RFID標(biāo)簽天線被折疊損壞。

出現(xiàn)行李前后順序識別錯誤的主要原因是由于行李在傳送帶上打滑導(dǎo)致前后行李的間距小于20 cm，甚至出現(xiàn)了連包情況。

4　結(jié)束語

合理設(shè)計讀寫器的天線輻射場、發(fā)射功率及幀長，并且將這些措施與多幀重復(fù)識別方法相結(jié)合，可以有效提高基于RFID技術(shù)的機場行李自動分揀系統(tǒng)的正確性和實時性。實際測試結(jié)果表明，采用本文的方法，行李識別正確率達(dá)到99.89%，優(yōu)于航空行李識別正確率的國際標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的美國機場行李識別正確率持平，達(dá)到了可以實用的水平。由于沒有文獻(xiàn)披露外國的具體技術(shù)手段，本文所提出的方法系自主創(chuàng)新。接下來，將探索進(jìn)一步提高識別正確率及實時性的新途徑。

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杜明謙(1970—)，男，四川綿陽人，1993年于四川大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為電氣工程及物流裝備自動化；

DU Mingqian was born in Mianyang,Sichuan Province in 1970. He received the B.S. degree from Sichuan University in 1993. He is now a senior engineer. His research concerns electric engineering and automatic control of logistic system.

Email：steven_du@sina.com

毛剛(1967—)，男，四川瀘縣人，1988 年于北京航空航天大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為教授級高級工程師、中國民航首批中青年技術(shù)帶頭人，主要研究方向為機械自動化、物流技術(shù)裝備；

MAO Gang was born in Sichuan Province,in Luxian,Sichuan Province,in 1967. He received the B.S.degree from Beihang University in 1988 . He is now a senior engineer of professor and also one of the first group of Young and Middle-aged Academic Leaders of Civil Aviation Administration of China. His research concerns machinery automation and logistic technology.

陳翼(1973—)，男，四川新津人，1996年于桂林電子工業(yè)學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為副研究員，主要研究方向為物流裝備機械自動化。

CHEN Yi was born in Xinjin,Sichuan Province,in 1973. He received the B.S.degree from Guilin University of Electronic Technology in 1996. He is now a senior engineer. His research concerns machinery automation of logistic system.

Application of RFID Technology in Airport Automatic Baggage Handling System

DU Mingqian,MAO Gang,CHEN Yi

(The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China,Chengdu 611430,China)

In order to enhance the correctness and fast response of the baggage handling system based on radio frequency identification(RFID) technology in airports,a series of measures are proposed，including dedicated design of the directional antenna of the reader to make a chock shaped coverage area,adjusting the transmitting power to make sure that not more than one tag exists in the line-of-sight radiation field of the reader′s antenna，reading tags repeatedly through multiple frames to filter interference from reflection by environments,and adopting small frame length. Experimental tests show that the ratio of correct identification reaches 99.89 percent while the real-time nature is guaranteed,so that the proposed comprehensive technical measures have practical value.

automatic baggage handling system；RFID；collision；reflection

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.005

2016-06-06；

2016-09-02Received date:2016-06-06；Revised date：2016-09-02

TN925

A

1001-893X(2016)10-1093-06

引用格式：杜明謙,毛剛,陳翼.RFID技術(shù)在機場行李自動分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2016,56(10):1093-1098.[DU Mingqian,MAO Gang,CHEN Yi.Application of RFID technology in airport automatic baggage handling system[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1093-1098.]

**通信作者：steven_du@sina.comCorresponding author：steven_du@sina.com