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    面向供應(yīng)鏈追溯的RFID路徑編碼策略研究

    2017-12-01 09:10:31楊樂川楊仙佩張海艷廖國瓊江西財經(jīng)大學(xué)信息管理學(xué)院
    數(shù)碼世界 2017年10期
    關(guān)鍵詞:素數(shù)環(huán)路結(jié)點(diǎn)

    楊樂川 楊仙佩 張海艷 廖國瓊 江西財經(jīng)大學(xué)信息管理學(xué)院

    面向供應(yīng)鏈追溯的RFID路徑編碼策略研究

    楊樂川 楊仙佩 張海艷 廖國瓊 江西財經(jīng)大學(xué)信息管理學(xué)院

    隨著無線射頻技術(shù)(RFID)在供應(yīng)鏈領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生了海量的對象位置移動的路徑信息。如何對這些路徑信息進(jìn)行有效編碼以支持路徑追溯查詢是RFID系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)性問題。RFID路徑編碼策略主要分為素數(shù)編碼和復(fù)合編碼兩大類。素數(shù)編碼主要用于對路徑的位置信息進(jìn)行編碼,復(fù)合編碼則是在素數(shù)編碼的基礎(chǔ)上,引入?yún)^(qū)間編碼對時間信息進(jìn)行編碼,實(shí)現(xiàn)面向時間的路徑追溯。本文主要對RFID路徑編碼策略進(jìn)行分析和討論,并指出未來研究方向。

    RFID 供應(yīng)鏈 路徑編碼

    1 引言

    供應(yīng)鏈?zhǔn)侵府a(chǎn)品生產(chǎn)和流通過程中所涉及的原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷商、零售商以及最終消費(fèi)者等環(huán)節(jié)通過上下游成員連接組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于供應(yīng)鏈中存在大量移動物品,故會產(chǎn)生海量路徑信息。而RFID技術(shù)擁有自動快速掃描、穿透性無屏障識別等特點(diǎn),故RFID技術(shù)已廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈物品跟蹤與監(jiān)控,可有效提高管理效率及降低運(yùn)營成本。同時,RFID數(shù)據(jù)存儲與管理也逐漸成為一個研究熱點(diǎn),如何對RFID路徑信息進(jìn)行有效編碼以支持路徑追溯查詢是RFID系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)性問題,近年來得到學(xué)者們的關(guān)注,并取得了一定研究成果。

    通常,衡量一個編碼策略性能主要考慮因素包括:1)查詢效率。查詢速度要盡可能快,查詢響應(yīng)時間盡量要短;2)更新代價。更新代價指的是在對編碼樹進(jìn)行插入、刪除結(jié)點(diǎn)時,對時間空間的開銷。好的編碼應(yīng)使各個結(jié)點(diǎn)要相互獨(dú)立,從而使得更新某一個結(jié)點(diǎn)時,對其他結(jié)點(diǎn)影響盡量少,且更新速度盡量快;3)存儲空間。存儲空間指的是編碼的碼值長度以及編碼表的硬盤存儲開銷。由于供應(yīng)鏈環(huán)境中的RFID數(shù)據(jù)具有其自身的特點(diǎn),在進(jìn)行編碼時,還需考慮以下特殊問題:

    ①環(huán)路問題。供應(yīng)鏈中的編碼對象多為位置信息,但商品在供應(yīng)鏈中流通時,可能經(jīng)過同一個位置多次,于是形成了環(huán)路,因此編碼應(yīng)考慮環(huán)路情況。

    ②溢出問題。RFID供應(yīng)鏈會產(chǎn)生海量的時空信息,對于編碼而言對應(yīng)的就會產(chǎn)生大量的結(jié)點(diǎn)。若編碼容量過小,則可能導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)的碼值超出其規(guī)定的數(shù)據(jù)類型。因此,良好的編碼應(yīng)具有較大的編碼容量。

    ③實(shí)時更新問題。對象在供應(yīng)鏈環(huán)境中移動時,其路徑是實(shí)時產(chǎn)生的,因此良好的編碼策略應(yīng)能對路徑進(jìn)行實(shí)時更新,隨到隨編。

    本文將對已有RFID路徑編碼策略進(jìn)行分析和討論,具體介紹其基本實(shí)現(xiàn)原理,并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

    2 素數(shù)編碼

    2.1 素數(shù)編碼基本原理

    素數(shù)編碼(prime_label)是一種充分利用素數(shù)唯一性和獨(dú)立性的編碼方式,其具體編碼原理為:①在一棵編碼樹中自頂向下為每個結(jié)點(diǎn)指定唯一素數(shù)(self_label);②每個結(jié)點(diǎn)的prime_label值為其父結(jié)點(diǎn)的prime_label值與self_label值的乘積(根結(jié)點(diǎn)的prime_label為1);③用葉子結(jié)點(diǎn)的prime_label值作為該路徑的編碼值。

    在素數(shù)編碼中,利用素數(shù)的特性引進(jìn)了兩個定理:

    定理1 算術(shù)基本定理。任何大于1的自然數(shù)都可以由有限個且唯一的素數(shù)相乘得到。

    定理2 中國余數(shù)定理。假設(shè)存在n個素數(shù)a1,a2,…,an,則一定存在一個同余值SC使得SC mod a1=1, SC mod a2=2,…,SC mod an=n。

    根據(jù)定理1,通過將一結(jié)點(diǎn)的prime_label因式分解得知到達(dá)該結(jié)點(diǎn)前經(jīng)過了哪些結(jié)點(diǎn)。根據(jù)定理2中的SC值,可以知道路徑所經(jīng)過結(jié)點(diǎn)的先后順序,因此可以利用素數(shù)對路徑進(jìn)行編碼。

    基于素數(shù)的路徑編碼存儲形式可記為(Element_enc,SC),其中Element_enc表示該路徑中所有位置對應(yīng)self_label的乘積(即一條路徑最后一個結(jié)點(diǎn)的prime_label值),SC表示同余值,用于計(jì)算每個self_label對應(yīng)位置的次序。例如,在圖1中,三個位置A,B,C的self_label分別是2,3,5??捎?jì)算得到該路徑的Element_enc值為30,即2×3×5=30;SC順序編碼值為23:23mod2=1;23mod3=2;23mod5=3。通過這兩個值,可以還原出一條路徑經(jīng)過的所有結(jié)點(diǎn)及其順序。

    圖1 素數(shù)編碼樣例

    由于素數(shù)編碼具有唯一性和獨(dú)立性,因此更新較為簡單。但是,每次更新都需重新計(jì)算路徑每個結(jié)點(diǎn)的SC和Element_enc。在存儲方面,盡管存儲的是整數(shù),但素數(shù)容易溢出,且不能表示環(huán)路。

    2.2 溢出問題解決方案

    當(dāng)供應(yīng)鏈中路徑過長時,素數(shù)的碼值和同余值的數(shù)據(jù)長度將超過其本身的數(shù)據(jù)類型長度,我們將這種問題稱為溢出問題。

    假設(shè)存在一條路徑,其每個位置的self_label都使用最小素 數(shù) 來 編 碼:2->3->5->7->11->13->17->19->…->..., 在self_label僅為19的時候,即僅有8個位置長度的路徑時,其編碼值就達(dá)到了2×3×5×7×11×13×17×19=9699690。在實(shí)際供應(yīng)鏈中,路徑數(shù)量巨大,且起點(diǎn)與路徑總長度各不相同,實(shí)際編碼的長度將會更大。溢出問題主要以下有兩類方法。

    2.2.1 利用小素數(shù)減緩溢出

    文獻(xiàn)[9]在素數(shù)編碼基礎(chǔ)上充分利用小素數(shù)減緩編碼數(shù)據(jù)的增長速率。對于非葉子結(jié)點(diǎn),它像素數(shù)編碼一樣,為每一個結(jié)點(diǎn)都分配一個素數(shù),但不同之處于其素數(shù)分配算法優(yōu)先為根結(jié)點(diǎn)的孩子分配較小的素數(shù),其他的結(jié)點(diǎn)依次分配除此之外的小素數(shù)。因?yàn)楣?yīng)鏈大批量物品運(yùn)動時,越靠近根結(jié)點(diǎn)在路徑中會反復(fù)出現(xiàn),從而在Element_enc中被反復(fù)計(jì)算,分配小素數(shù)給最頻繁計(jì)算的結(jié)點(diǎn)能使碼值整體偏小,減緩溢出。

    對于葉子結(jié)點(diǎn)的編碼,使用2的倍數(shù),且兄弟葉子結(jié)點(diǎn)的編碼是整除關(guān)系。這樣對葉子結(jié)點(diǎn)編碼,可以容易計(jì)算父結(jié)點(diǎn)的編碼及判斷兩條路徑有無共同子路徑,有利于追溯查詢和面向路徑查詢。在該編碼中,由于依次使用小素數(shù),因此也省去了SC值的計(jì)算,用素數(shù)編碼計(jì)算出的素數(shù),按大小排序便是每個結(jié)點(diǎn)在路徑中的順序。例如,在圖2中,編碼為3,5,7的結(jié)點(diǎn)全部分布在第一層,因?yàn)橹蟮穆窂蕉家?jīng)過這些位置,所以給他們分配了較小的素數(shù),而結(jié)點(diǎn)F的編碼值為66=33×21,因?yàn)樗瞧溆H代的第一個葉子結(jié)點(diǎn),所以分配2給它而不是23。同時,若一條路徑的編碼值為260,可將其分解為5,13,2,2。將除2以外數(shù)字從小到大排列可知其先后經(jīng)過了C,B;而有兩個2,代表再經(jīng)過了B的第二個孩子A,由此可推出路徑C->B->A。

    圖2 小素數(shù)減緩溢出

    2.2.2 路徑分裂法

    為了解決素數(shù)的溢出問題,文獻(xiàn)[10]中提出了一種路徑分裂方法,其基本思想是規(guī)定一個最大長度MAX,當(dāng)路徑的Element_enc值超過了MAX值后,將一條長路徑分裂成幾個片段,使分裂后的路徑片段的Element_enc長度小于MAX值,從而將一條長路徑分割成多條較短路徑,從而緩解溢出問題。

    如圖3(a)中路徑的Element_enc=2×3×5×7×11×13=30030。假定MAX=1000,2×3×5×7=210<MAX;2×3×5×7×11=2310>MAX。因此路徑從self_label=7的結(jié)點(diǎn)開始分裂,也就是D處,從而得出圖3(b)中的兩條路徑。

    圖3 路徑分裂法減緩溢出

    利用小素數(shù)的方法在一定程度上緩解了素數(shù)編碼的增長速率,但要做到給根結(jié)點(diǎn)的孩子分配較小的素數(shù),需要等全部數(shù)據(jù)到達(dá)后再進(jìn)行編碼,難以做到實(shí)時更新。雖然路徑分裂方法能較好地解決溢出問題,但由于每條路徑分裂的次數(shù)需計(jì)算得出,且可能各不相同,會增加存儲表的復(fù)雜度與不穩(wěn)定性,間接影響查詢效率,且當(dāng)路徑夠長時,單個結(jié)點(diǎn)的self_label有可能超出MAX值,導(dǎo)致一個結(jié)點(diǎn)一條分路徑,此時表的數(shù)據(jù)會更加冗余。

    2.3 環(huán)路問題解決方法

    設(shè) 物 體 經(jīng) 過 的 路 徑 為 L1->L2->…->Ln,若 存 在i,j(1<=i<=j<=n)使得 Li=Lj,則說明路徑中至少存在一個環(huán),我們稱此類路徑為帶環(huán)路徑,反之,稱為無環(huán)路徑。例如,存在 一 條 路 徑 A->B->C->A->C->A???以 看 出,L1=L4=L6,L3=L5,構(gòu)成了一個復(fù)雜的嵌套環(huán)路。由于素數(shù)編碼中相同位置的self_label相同,SC值無法計(jì)算,因此用原始的素數(shù)編碼無法描述環(huán)路問題。而供應(yīng)鏈中編碼樹結(jié)點(diǎn)的海量性,使得在編碼中不可避免會遇到環(huán)路問題。主要有以下兩種解決方法。

    2.3.1 結(jié)點(diǎn)重命名

    文獻(xiàn)[11]采用重新命名結(jié)方式解決供應(yīng)鏈中出現(xiàn)的環(huán)路問題,即將物體在不同時間到達(dá)的同一個結(jié)點(diǎn)看成是兩個不同的結(jié)點(diǎn),以此來滿足各種查詢需求,但該解決方法一定程度上加快了溢出的速度,且增加了對帶環(huán)路徑查詢的復(fù)雜度。

    如圖4所示,物品重復(fù)經(jīng)過了幾次A和C,但由于經(jīng)過的時間不同,可將A和C當(dāng)做不同的位置看待。因此圖中六個位置的self_label編碼依次為2,3,5,7,11,13;Element_enc為30030,SC值為29243。

    圖4 環(huán)路結(jié)點(diǎn)重命名

    2.3.2 環(huán)路編碼

    對于環(huán)路問題,文獻(xiàn)[12]提出一種考慮環(huán)路的素數(shù)編碼策略,稱為環(huán)路編碼。其給出了一種新的計(jì)算同余值(SC)方法,即將計(jì)算SC時除數(shù)相同的項(xiàng)合并為一項(xiàng)并把它們的序號(即余數(shù))信息加入到合并后的公式(1)中:

    其中primet表示每個位置的self_label,即唯一的素數(shù),kt表示該位置在路徑中出現(xiàn)的次數(shù),its表示該位置在路徑中的序號。考慮素數(shù)編碼中可能出現(xiàn)余數(shù)大于除數(shù)的情況,每個位置分配的素數(shù)應(yīng)大于其在路徑中的次序,primet>its。

    文獻(xiàn)還證明了素數(shù)編碼是其環(huán)路編碼的一種特例,并給出了相應(yīng)的解碼方法,以還原出原路徑的位置和序號。

    例如,如圖5所示,C和D重復(fù)出現(xiàn)形成環(huán)路。A、C、D三個位置的self_label編碼依次為2,5,7。路徑的Element_enc值為2×5×7×5×7=2450,SC值滿足:

    SC<Element_enc;

    SCmod2=1;

    SCmod52=2+4×5;

    SCmod72=3+5×7;

    于是??梢缘贸鯯C=2047。

    圖5 環(huán)路編碼示意圖

    編碼(2450,2047)的解碼過程如下:

    ①2450因式分解為2×52×72,得到經(jīng)過位置A,C,D,且兩次經(jīng)過C和D。

    ②由SC=2047得到A位置對應(yīng)序號SCmod2=1,位置C對應(yīng)序號i1=2047mod5=2,i2=(2047mod52-2047mod5)/5=4。位置D對應(yīng)序號i1=2047mod7=3,i2=(2047mod72-2047mod7)/7=5。

    ③還原路徑為 A->C->D->C->D.

    由以上實(shí)例可看出,環(huán)路編碼可以很好的解決帶環(huán)路徑問題,且整個編碼解碼的過程中沒有信息丟失。

    此外,該文獻(xiàn)在環(huán)路編碼的基礎(chǔ)上給出了針對長路徑編碼溢出的路徑分裂方法。不同的是,在分裂路徑時,對計(jì)算每個位置的SC值時,所用的位置結(jié)點(diǎn)序號仍是該位置在長路徑中的絕對位置序號。

    3 復(fù)合編碼

    素數(shù)編碼是面向路徑的編碼,只能存儲路徑位置信息。然而,在RFID供應(yīng)鏈中不可避免會遇到面向時間的查詢需求。為了應(yīng)對素數(shù)編碼在面向時間的編碼缺失問題,已有文獻(xiàn)給出了面向路徑的素數(shù)編碼和面向時間的區(qū)間編碼的復(fù)合編碼模型。

    3.1 素數(shù)與區(qū)間相結(jié)合的復(fù)合編碼

    文獻(xiàn)[11]提出了一種素數(shù)編碼和區(qū)間編碼共同使用的復(fù)合編碼,分別建立一棵路徑樹和一棵時間樹,即用素數(shù)編碼方法編碼路徑的位置信息,用區(qū)間編碼方法編碼路徑的時間信息,在區(qū)間編碼中,使用對編碼遍歷的方法給每個結(jié)點(diǎn)一個start值和 end值(圖為后序遍歷)。若A.Start<B.Start且B.End<A.End,可以判斷A是B的祖先。

    例如要對如下路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時,采用復(fù)合編碼方案,將路徑里的位置信息抽出來進(jìn)行素數(shù)編碼,將帶時間的路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間編碼,區(qū)間編碼用后序遍歷產(chǎn)生,生成的編碼樹如圖6,圖7所示。

    A[2,3]->B[5,7]->C[8,9]

    A[2,3]->B[5,7]->D[13,16]

    A[2,3]->B[7,8]->D[14,18]

    A[2,3]->E[6,4]->C[7,8]

    A[2,3]->D[4,5]

    A[2,3]->D[5,6]

    圖6 復(fù)合編碼中的路徑樹

    圖7 復(fù)合編碼中的時間樹

    查詢實(shí)例1(不帶時間的路徑查詢):查詢經(jīng)過了B的所有路徑。在圖7中,B的self_label為3,找到所有能整除3的Element_enc值即可,于是找到了Element_enc值30和42,從而找出路徑 A->B->C 和 A->B->D。

    查詢實(shí)例2(帶時間的路徑查詢):查詢在5到7時間內(nèi)經(jīng)過B點(diǎn)的所有路徑。在圖8中,B[5,7]的區(qū)間編碼為(2,7),查詢所有結(jié)點(diǎn)中Start<2且End>7找到B[5,7]的親代結(jié)點(diǎn)A[2,3],A[2,3]為根節(jié)點(diǎn),停止追溯。再查詢所有結(jié)點(diǎn)中Start>2且End<7的結(jié)點(diǎn),找到C[8,9],D[13,16],都為葉子結(jié)點(diǎn),停止追溯。由此,查詢出路 徑 A[2,3]->B[5,7]->C[8,9]和 A[2,3]->B[5,7]->D[13,16]。

    區(qū)間編碼實(shí)現(xiàn)了時態(tài)信息查詢,但是一旦有一個結(jié)點(diǎn)發(fā)生改變,可能就會導(dǎo)致其它結(jié)點(diǎn)要重新編碼。如圖7中在C[8,9]與D[13,16]之間插入結(jié)點(diǎn)X,其編碼變?yōu)?5,6),替代了原先D[13,16]的編碼,使原本的結(jié)點(diǎn)碼值往后移,整棵樹的編碼僅有C[8,9]不用變化,其他結(jié)點(diǎn)的編碼全都要改變,因此更新代價較大。

    3.2 DRB編碼

    為解決上述問題,文獻(xiàn)[9]在復(fù)合編碼的基礎(chǔ)上,提出一種改進(jìn)的區(qū)域編碼方法“DRB(Durable Region-Based numbering scheme)編碼”代替上述區(qū)間編碼。DRB編碼方法使用深度遍歷時間樹得到一對整數(shù)值(order,size)。每條路徑的編碼只用該路徑上最后一個位置的編碼來表示。

    對于DRB編碼有三個性質(zhì):

    ①對于任意一個節(jié)點(diǎn)B,若它的父節(jié)點(diǎn)為A,則必須滿足order(B)>order(A)且 order(B)+size(B)<o(jì)rder(A)+size(A)。

    ②對于任意兩個兄弟節(jié)點(diǎn)B和C,若B是C的前驅(qū),則必須滿足 order(B)+size(B)<o(jì)rder(C)。

    ③對于樹中的任意節(jié)點(diǎn)A,size(A)是一個任意的正整數(shù)值,A的孩子集合為B,則必須滿足size(A)>=∑B(size(B))。

    該編碼方法相比較于區(qū)域編碼方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的更新代價更低,它為以后要插入的新的路徑結(jié)點(diǎn)預(yù)留了空間。當(dāng)新的路徑插入時,該路徑后面的位置結(jié)點(diǎn)不需要重新編碼。

    如圖8中,X結(jié)點(diǎn)是待插入結(jié)點(diǎn),按DRB編碼的三個性質(zhì)得出如下不等式:

    order(X)>order(B)=10 且 order(X)+size(X)<o(jì)rder(B)+si ze(B)=40

    order(C)+size(C)=16<o(jì)rder(X)且 order(X)+size(X)<o(jì)rder(D)=20

    size(B)=30>=size(C)+size(X)+size(D)=10+size(X)

    化簡后可得:

    10<o(jì)rder(X);order(X)+size(X)<40;

    16<o(jì)rder(X);order(X)+size(X)<20;

    size(X)<=20

    X的三個可能取值為:order=17 size=1;order=17 size=2;order=18 size=1;但無論是哪一種,在此例中其他結(jié)點(diǎn)的碼值都不會發(fā)生變化,更新代價較小,但當(dāng)插入位置沒有size和order的可行解時,仍會同區(qū)間編碼一樣產(chǎn)生大面積更新。

    圖8 DRB編碼

    可以看出,與區(qū)間編碼相比,DRB編碼更新性能有明顯提升。但由于很難預(yù)測新插入的結(jié)點(diǎn)需要多大的預(yù)留空間,因此可能會導(dǎo)致不必要的空間浪費(fèi)。

    4 工作總結(jié)

    從目前來看,RFID路徑編碼中的主要使用的方法有素數(shù)編碼及復(fù)合編碼。素數(shù)編碼在對路徑追溯查詢時有較好的表現(xiàn)。通過對素數(shù)編碼的不斷完善,解決了長路徑溢出問題及供應(yīng)鏈中的環(huán)路編碼問題,使得素數(shù)編碼能較好的滿足供應(yīng)鏈中各種面向路徑的查詢。復(fù)合編碼方法是在素數(shù)編碼的基礎(chǔ)上引入?yún)^(qū)間編碼,存儲路徑中的時間信息,能滿足面向時間的路徑查詢需求。但是,由于素數(shù)編碼和區(qū)間編碼的更新代價較大,不能較好滿足路徑實(shí)時更新需求,因此需進(jìn)一步研究更新代價低、支持實(shí)時動態(tài)更新的路徑編碼策略。另外,為保證供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的信息保密需求,分布式編碼策略也是將來研究方向之一。

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