復(fù)雜倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景下的RFID電子標(biāo)簽識(shí)別問(wèn)題

王宏偉，王 華

（1.北京京東乾石科技有限公司，北京 100176；2.北京京東尚科信息技術(shù)有限公司，北京 100098）

0 引 言

2022年初，沃爾瑪要求其供應(yīng)商在2022年9月2日前需在包括家居裝飾、存儲(chǔ)和組織、電子產(chǎn)品、玩具等品類(lèi)在內(nèi)的所有商品包裝上附加RFID電子標(biāo)簽[1]。這引起了RFID供應(yīng)鏈的連鎖反應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球超高頻RFID標(biāo)簽的出貨量，將在2021年230億枚的基礎(chǔ)上提升三成，而2024年的年使用量預(yù)估將達(dá)到400億枚[2]。門(mén)店/零售的上游物流倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)則相應(yīng)地面臨著由傳統(tǒng)的條碼識(shí)別系統(tǒng)遷移到或兼容電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)的局面。如何在復(fù)雜的倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景下高效、準(zhǔn)確地識(shí)別到貼附RFID電子標(biāo)簽的所有商品，實(shí)現(xiàn)識(shí)別數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無(wú)誤對(duì)應(yīng)，對(duì)RFID產(chǎn)業(yè)鏈的倉(cāng)儲(chǔ)管理能力提出新挑戰(zhàn)[3]。

1 倉(cāng)儲(chǔ)復(fù)雜場(chǎng)景描述

不同于傳統(tǒng)的高貨架存儲(chǔ)庫(kù)位，地堆[4]由于其便利的“劃地為倉(cāng)”、低成本投入、靈活配置及便于人工清點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，廣泛適用于家電/家居倉(cāng)儲(chǔ)、以托盤(pán)為單位的生鮮中轉(zhuǎn)倉(cāng)等。如圖1所示，以家電為代表的大件倉(cāng)庫(kù)及轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)庫(kù)存在較大比例的地堆貨物存放區(qū)。電子標(biāo)簽貼附于家電類(lèi)包裝的固定位置（例如正面的右上角），每個(gè)面積約為20 m2庫(kù)位的存儲(chǔ)容積約為上百臺(tái)商品。對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)中心，由于轉(zhuǎn)運(yùn)商品繁雜眾多，很難按規(guī)劃的地堆庫(kù)位規(guī)則排列，特別是大促期間往往是見(jiàn)縫插針，很難預(yù)留出規(guī)則的盤(pán)點(diǎn)線(xiàn)路。

圖1 家電倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景側(cè)視圖（左）及轉(zhuǎn)運(yùn)場(chǎng)景俯視圖（右）

2 倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景下的標(biāo)簽識(shí)別問(wèn)題

針對(duì)上述場(chǎng)景，地堆式存儲(chǔ)單位庫(kù)位內(nèi)的電子標(biāo)簽密度較高，且中間區(qū)域的標(biāo)簽易被周?chē)饘佟⒁后w結(jié)構(gòu)的商品包圍，對(duì)從外圍識(shí)別儲(chǔ)位上的所有電子標(biāo)簽造成較大的困難。如圖2所示，當(dāng)某款標(biāo)簽貼附于單個(gè)商品外包裝表面時(shí)，標(biāo)簽天線(xiàn)的增益約為5.17 dB，電磁沿標(biāo)簽粘貼面往外輻射；而當(dāng)標(biāo)簽面被同種商品遮擋時(shí)，且兩商品間距為0 mm、5 mm、10 mm時(shí)，標(biāo)簽天線(xiàn)的增益分別為-45 dBi、3.69 dBi、4.60 dBi，同時(shí)天線(xiàn)的輻射方向有向背面發(fā)展的趨勢(shì)。

圖2 兩件商品不同狀態(tài)下對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的性能影響示意圖

當(dāng)一個(gè)儲(chǔ)位有幾百個(gè)同類(lèi)商品且狀態(tài)互不相同時(shí)，環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的性能影響具有不可控性。要想盤(pán)點(diǎn)到庫(kù)位內(nèi)所有的標(biāo)簽，就需要標(biāo)簽在盤(pán)點(diǎn)方向上具有較高的靈敏度。為了提升庫(kù)位內(nèi)標(biāo)簽的識(shí)別率和速率，除了使電子標(biāo)簽具備較高靈敏度、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等特性，以及讀寫(xiě)器端配置高強(qiáng)度防碰撞算法外，如何創(chuàng)新兼具較高的實(shí)用性和便利性的高密度電子標(biāo)簽的盤(pán)點(diǎn)方法，成為高倉(cāng)容高密度標(biāo)簽環(huán)境下面臨的技術(shù)難題。

3 技術(shù)解決方案

地面的盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人[5]一定程度上可提升庫(kù)位內(nèi)標(biāo)簽的識(shí)讀率和識(shí)讀速率的一致性，但盤(pán)點(diǎn)機(jī)器人的配置較為高端，對(duì)庫(kù)區(qū)的作業(yè)環(huán)境有一定的要求（如地面平整度、需要加載輔助定位標(biāo)記等），維護(hù)及操作成本較高。目前還主要是依靠人力手持PDA進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)[6]，人工盤(pán)點(diǎn)的路線(xiàn)及方式因人而異，每人每次的盤(pán)點(diǎn)結(jié)果也各有差異，特別是針對(duì)密集標(biāo)簽部署的高倉(cāng)容場(chǎng)景，盤(pán)點(diǎn)的準(zhǔn)確率與人工的盤(pán)點(diǎn)路線(xiàn)、速率、PDA的掃描范圍及時(shí)長(zhǎng)等均有較大的關(guān)系?，F(xiàn)階段，可行的技術(shù)解決方案主要存在以下幾種。

3.1 加裝吊頂讀寫(xiě)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大范圍掃描

本方案通過(guò)規(guī)劃并部署吊頂電子標(biāo)簽讀取設(shè)備[7]，匹配電控天線(xiàn)陣列，實(shí)現(xiàn)在大范圍的讀取面積內(nèi)掃描地堆庫(kù)位頂部和內(nèi)部的所貼電子標(biāo)簽。為了減少陣列間的電磁干擾，需要PDA在盤(pán)點(diǎn)庫(kù)位邊緣區(qū)域（尤其是下層標(biāo)簽）的同時(shí)，激活所屬范圍內(nèi)的吊頂讀取設(shè)備，兩類(lèi)設(shè)備掃描到的數(shù)據(jù)匯聚，從而可有效、全面地盤(pán)點(diǎn)到類(lèi)似大件倉(cāng)儲(chǔ)的高倉(cāng)容電子標(biāo)簽，提升盤(pán)點(diǎn)準(zhǔn)確率和效率。

以某轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)庫(kù)為例，倉(cāng)儲(chǔ)存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)?5 m×40 m，24×10個(gè)庫(kù)位。吊裝讀寫(xiě)設(shè)備高度為12 m；天線(xiàn)H面波瓣角度不大于45°，主波瓣在移相器的控制下掃描角度不小于90°，每個(gè)讀取設(shè)備的可控操作范圍約為25 m，則可部署4～5個(gè)讀寫(xiě)器天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)該倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)域的全庫(kù)范圍覆蓋，如圖3所示。此方案可有效降低吊頂設(shè)備的部署密度，減少施工工程量。

圖3 加裝吊頂設(shè)備及效果示意圖

3.2 采用收發(fā)分離架構(gòu)，提升上行鏈路靈敏度

行業(yè)內(nèi)較為前沿的技術(shù)是采用讀寫(xiě)設(shè)備發(fā)射鏈路和接收鏈路分置的架構(gòu)[8]，可一定程度上減少讀寫(xiě)器本身及相互間的干擾問(wèn)題，提升標(biāo)簽的識(shí)別效率；與傳統(tǒng)讀寫(xiě)器的部署方式相比，分布式架構(gòu)一定程度上可降低接收設(shè)備的部署，理論上發(fā)射設(shè)備的成本投入會(huì)有所降低。由于標(biāo)簽芯片的靈敏度目前尚未大幅度地突破，使得固有的發(fā)射鏈路性能沒(méi)有本質(zhì)上的提升，故如圖4所示的組網(wǎng)式架構(gòu)仍然需要部署大量的發(fā)射鏈路設(shè)備，此方案可通過(guò)變頻[9]等方式延長(zhǎng)發(fā)射鏈路的通信距離，實(shí)現(xiàn)大范圍掃描和少數(shù)量的設(shè)備部署。

圖4 收發(fā)分離架構(gòu)安裝示意圖

3.3 改裝出入識(shí)別通道，精準(zhǔn)把控出入庫(kù)存

基于當(dāng)前的技術(shù)難度，設(shè)計(jì)一種僅把控出入口的盤(pán)點(diǎn)方案[10]，如圖5所示。以第一次采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)出入庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以此推算出整個(gè)庫(kù)存；同時(shí)根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，亦可實(shí)現(xiàn)分析熱銷(xiāo)產(chǎn)品等其他增值服務(wù)。識(shí)別通道內(nèi)整托商品的密度有限，遠(yuǎn)低于存儲(chǔ)區(qū)域的電子標(biāo)簽密度，對(duì)于識(shí)別通道的技術(shù)要求相對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域較低，且易于實(shí)現(xiàn)通道復(fù)制，可有力推動(dòng)業(yè)務(wù)擴(kuò)展。

圖5 出入通道方案示意圖

3.4 半無(wú)源電子標(biāo)簽，物理提升識(shí)別效能

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)源RFID存在的通信距離較短和依賴(lài)專(zhuān)用讀寫(xiě)設(shè)備的痛點(diǎn)，產(chǎn)學(xué)研各界專(zhuān)家提出了“無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)”[11]這一概念。針對(duì)通信距離有限的痛點(diǎn)，“半無(wú)源電子標(biāo)簽”通過(guò)采集周?chē)h(huán)境能量激活電子標(biāo)簽，拉長(zhǎng)標(biāo)簽的作用距離及提升反向通信能力[12]。針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，可通過(guò)采集室內(nèi)光能轉(zhuǎn)化為電能的方式，補(bǔ)充電子標(biāo)簽遠(yuǎn)距離作業(yè)所需的能量。該方案可匹配當(dāng)前的PDA盤(pán)點(diǎn)庫(kù)存方式，但需要標(biāo)簽芯片在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上升級(jí)，匹配外接能量使能模塊，同時(shí)也需要控制整枚標(biāo)簽的尺寸及成本投入，以有利于半無(wú)源技術(shù)的推廣。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著全球智能供應(yīng)鏈的升級(jí)，RFID化是電商倉(cāng)儲(chǔ)物流的必然趨勢(shì)。復(fù)雜場(chǎng)景下的RFID電子標(biāo)簽識(shí)別率一直是業(yè)務(wù)部門(mén)追求的目標(biāo)，也是RFID應(yīng)用價(jià)值的核心體現(xiàn)。場(chǎng)景的復(fù)雜化和不可控因素制約著電子標(biāo)簽識(shí)別率的準(zhǔn)確性和一致性。除了在盤(pán)點(diǎn)方向上提升標(biāo)簽靈敏度外，需要?jiǎng)?chuàng)新盤(pán)點(diǎn)方式以提升標(biāo)簽識(shí)別率。結(jié)合物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)特點(diǎn)，高性?xún)r(jià)比也是方案實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)前加裝吊裝讀寫(xiě)設(shè)備、分解收發(fā)鏈路、管控出入口是比較可行的技術(shù)手段。其中，基于UHF頻段的大范圍掃描天線(xiàn)陣列，由于其頻率特性制約，整個(gè)天線(xiàn)陣列外觀尺寸小型化，對(duì)于天線(xiàn)的安裝和部署有一定的工程難度，且隨著掃描范圍的延展，其外觀尺寸及重量將近一步擴(kuò)大，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)與掃描范圍的平衡點(diǎn)；收發(fā)鏈路的分離可以提升接收支路的靈敏度，增大標(biāo)簽的作用范圍，然而當(dāng)前受限于標(biāo)簽芯片的靈敏度尚未有大幅度改善，發(fā)射支路的部署密度暫未顯著降低；出入庫(kù)把控方案在技術(shù)上更易實(shí)現(xiàn)，實(shí)則未對(duì)靜態(tài)存儲(chǔ)商品進(jìn)行實(shí)時(shí)盤(pán)點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選用不同的解決方案。除了盤(pán)點(diǎn)方案外，從周邊環(huán)境汲取能量的半無(wú)源電子標(biāo)簽是物流科技的重要組成部分，也是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的核心內(nèi)容。在無(wú)電池輔助的前提下既可發(fā)揮有源標(biāo)簽的高靈敏度優(yōu)勢(shì)，也可兼容當(dāng)前PDA盤(pán)點(diǎn)的主模式，有效解決電子標(biāo)簽復(fù)雜場(chǎng)景下的識(shí)別問(wèn)題，同時(shí)符合“碳中和”“碳達(dá)峰”的物流供應(yīng)鏈總體需求。