基于RF和因特網的機場集成行李處理系統(tǒng)設計

引言

　　在機場集成行李處理中，行李分揀、定位、跟蹤、監(jiān)控在整個機場集成行李管理鏈中起著至關重要的作用，如果不能保證正確的分揀和定位控制及跟蹤，將會直接導致管理費用的增加，服務質量難以得到保證，從而影響企業(yè)的競爭力。傳統(tǒng)行李分棟方式是旅客在登機前辦理行李托運時，行李會被放到傳送帶上分別輸送到所搭乘的飛機中。這種模式就是利用行李上貼著的條形碼來進行識別。但是，提升條形碼的識別精度很難，每個行李的提手位置都不一樣，條形碼也就不可能總是朝向一致，因此，需要在幾個方向設置多個條形碼讀取器，即便如此，也有不能正確識別的現(xiàn)象。例如，香港國際機場條形碼的識別準確率為80%，也就是每五個中就有一個不能被正確識別，從而導致行李的誤發(fā)、延遲、遺失等發(fā)生率為20%左右，處理這些糾紛需要花費大量費用，給航空公司帶來很大的損失。如今，標簽中嵌入RFID標簽，特別是可以遠距離讀取的Gen2標簽將會大幅提升識別率，而且相對于條形碼來說，Gen2標簽可以張貼在任意位置。香港國際機場使用RFID標簽后，識別率升至97%。與以往的條形碼相比，識別失敗率從20%降到了3%。

　　在國內外大型機場中，目前雖然應用了RFID電子標簽技術來對行李進行分揀，但這些系統(tǒng)只針對行李分揀，沒有很好地把這些行李信息與強大的物聯(lián)網相關聯(lián)，沒有應用到手機或無線PDA隨時隨地都可以定位和查詢行李信息，使這種行李分揀系統(tǒng)的使用受到了局限。本文通過研究基于物聯(lián)網的機場集成行李處理方案，對原有的機場集成行李處理方案進行了一定的改進，并在實際項目中應用，取得了良好的效果。

1 物聯(lián)網及其工作原理

　　1.1 物聯(lián)網的定義

　　物聯(lián)網（Internetofthings）的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。

　　1.2 物聯(lián)網在國內外的應用

　　目前，美國、歐盟、日本等國家都十分重視物聯(lián)網的發(fā)展，并且已經作了大量研究開發(fā)和應用工作。例如美國把它當成重振經濟的法寶，非常重視物聯(lián)網和互聯(lián)網的發(fā)展。物聯(lián)網的核心是利用信息通信技術來改變美國未來產業(yè)發(fā)展模式和結構（金融、制造、消費和服務等），改變政府、企業(yè)和人們的交互方式以提高效率、靈活性和響應速度。把感應器嵌入到全球每個角落，如電網、交通（鐵路、公路、市內交通）等相關的物體上，并利用網絡和設備收集的大量數(shù)據(jù)通過云計算、數(shù)據(jù)倉庫和人工智能技術作出分析給出解決方案，把人類智慧賦予萬物，賦予地球。他們提出“智慧地球、物聯(lián)網和云計算”就是要作為新一輪IT技術革命的領頭羊的證明。

　　我國在物聯(lián)網的啟動和發(fā)展上與國際相比并不落后，我國中長期規(guī)劃《新一代寬帶移動無線通信網》中有重點專項研究開發(fā)“傳感器及其網絡”，國內不少城市和省份已大量采用傳感網解決電力、交通、公安、農漁業(yè)中的“M2M”等信息通信技術的服務。在未來，物聯(lián)網不僅將滲透到智能交通、智能城市、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、智能家居等領域，還將極大地推動經濟發(fā)展，被視為戰(zhàn)略新興產業(yè)和新的經濟增長點。目前，物聯(lián)網已經上升到國家戰(zhàn)略的高度，各個城市都想抓住這個新的經濟增長點。

　　1.3 物聯(lián)網的工作流程

　　物聯(lián)網的基本工作流程由四部分組成，即信息采集系統(tǒng)（RFID系統(tǒng)）、PML（physicalmarkuplanguage，實體描述語言）信息服務器、產品命名服務器（objectnameservice，ONS）和應用管理系統(tǒng)。物聯(lián)網的系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　它們的功能分別如下：

　　a）信息采集系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)包括RFID電子標簽（tag）、閱讀器（reader）以及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)軟件，主要完成產品的識別和產品的EPC（electronicproductcode）碼的采集和處理。

　　存儲有EPC碼的電子標簽在經過讀寫感應區(qū)域時，產品的EPC碼會自動被探測器捕獲，從而實現(xiàn)自動化EPC信息采集；然后把所采集到的信息由連接探測器的服務器來處理，處理器安裝有信息采集處理軟件，該軟件對采集到的信息作進一步的處理，如數(shù)據(jù)的解析、過濾、完整性檢查等，這些處理過的數(shù)據(jù)保存到相應的數(shù)據(jù)庫中，以供上層應用管理軟件使用。

　　b）產品命名服務器（ONS）。

　　該服務器ONS主要實現(xiàn)的功能是在各個信息采集點與PML信息服務器之間建立關聯(lián)，實現(xiàn)從物品電子標簽EPC碼到產品PML描述信息之間的映射。

　　c）PML信息服務器。

　　該服務器中的數(shù)據(jù)定義規(guī)則由用戶創(chuàng)建并維護，用戶根據(jù)事先規(guī)定的規(guī)則對物品進行編碼，并利用XML對物品信息進行詳細描述。在物聯(lián)網中，PML服務器主要用于以通用的模式提供對物品原始信息的規(guī)則定義，以便于其他服務器訪問。

　　d）業(yè)務管理系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)通過獲取信息采集軟件得到的EPC信息，并通過ONS找到物品的PML信息服務器，從而可以Web的形式向Internet用戶提供諸如信息查詢、跟蹤等功能，用戶也可以通過手機或無線PDA實時了解物品的狀態(tài)。

2 機場集成行李處理系統(tǒng)設計

　　2.1 系統(tǒng)架構設計

　　基于物聯(lián)網的機場集成行李處理采用了國際上最先進的無線射頻身份識別技術，每件行李的條形碼都嚴格對應傳送帶上行李小車的編號，它們將會自動識別行李，不管行李走到哪里，只要輸入小車的編號，就可以對行李進行跟蹤和監(jiān)控。另外，行李車間還可安裝多個攝像頭，基本覆蓋了所有盲區(qū)，工作人員可以在監(jiān)控中心隨時觀察行李的去向。即使行李走錯路徑，有了這個身份識別系統(tǒng)，工作人員也可以控制小車讓其返回正確路徑，這樣就基本上杜絕了行李丟失或者拿錯的情況。

　　基于物聯(lián)網的機場集成行李處理系統(tǒng)的結構如圖2所示。它主要由行李物品識別、信息處理/行李控制/跟蹤、PML服務器、本地數(shù)據(jù)庫服務器、業(yè)務系統(tǒng)五大模塊組成。

　　它們的作用分別如下：

　　a）行李物品識別。

　　該系統(tǒng)的核心是行李的編碼和識別。

　　由于每件行李的條形碼都嚴格對應傳送帶上行李小車的編號，它們將會自動識別行李，不管行李走到哪里，只要輸入小車的編號就可以對行李進行跟蹤和監(jiān)控。所以，在基于RFID標簽的機場行李管理系統(tǒng)采用EPC碼作為行李的惟一標志碼，標簽由芯片和天線（antenna）組成，每個標簽具有惟一的產品電子碼。EPC碼（electronicproductcode）是Auto-ID研究中心為每個物理目標分配的惟一的可查詢的標志碼，其內含的一串數(shù)字可代表行李類別和旅客ID、登機日期和登機地、有效日期、應運往何地等信息。同時，隨著行李在機場內的轉移或變化，這些數(shù)據(jù)可以實時更新。通常，EPC碼可存入硅芯片做成的電子標簽內，并附在被標志行李上，以被信息處理軟件識別、傳遞和查詢。

　　b）信息處理/行李控制/跟蹤。

　　該模塊是系統(tǒng)的核心功能模塊，它通過數(shù)據(jù)采集接口、信息處理、行李跟蹤和監(jiān)控三個接口與其他功能模塊進行交互，從而實現(xiàn)機場行李的自動處理。

　　信息處理/行李控制/跟蹤業(yè)務處理邏輯如圖3所示。當行李通過行李入口時，由設置在行李入口的行李標簽探測器讀取行李的EPC碼，然后通過數(shù)據(jù)采集接口交由行李信息處理模塊，機場行李入口處可以安裝多部行李標簽條形碼信息分揀機，一部分用于國內飛行，其他用于國際飛行。行李分揀機還為不可讀標簽提供了手動編碼區(qū)。例如，上海浦東機場行李分揀機系統(tǒng)，無論是國際航班還是國內航班，抵達上海還是在上海中轉，都能夠輕松地進行行李分揀。系統(tǒng)也提供了早期行李分揀功能，將經過核對的行李通過旋轉式傳送帶送達合適位置，從而能夠在飛機起飛前就對其進行有序存儲。

　　c）PML服務器。

　　該服務器主要是由航空公司創(chuàng)建并維護的旅客信息服務器，它以標準的XML為基礎，提供行李的詳細信息，如行李類別和旅客ID、登機日期和登機地、有效日期、應運往何地等信息，并允許通過行李的EPC碼對行李信息進行查詢。PML服務架構在一個Web服務器之上，服務處理程序將數(shù)據(jù)存儲單元中的行李數(shù)據(jù)轉換成標準的XML格式，并通過SOAP引擎向客戶端提供服務，PML服務器屏蔽了數(shù)據(jù)存儲的異構性，以統(tǒng)一的格式向接口請求端提供信息服務。PML服務器的工作原理如圖4所示。

　　d）本地數(shù)據(jù)庫服務器。

　　該服務器主要用于存儲數(shù)據(jù)采集和處理接口獲得的行李信息，以便在業(yè)務系統(tǒng)中查詢和維護。

　　例如，用戶可以通過手機或無線PDA或Web客戶端隨時隨地查詢行李的當前狀態(tài)。

　　基于物聯(lián)網的機場行李集成處理系統(tǒng)主要通過RFID電子標簽實現(xiàn)行李的自動識別和發(fā)運，利用物聯(lián)網獲取旅客的原始信息并自動生成旅客行李清單，從而極大地提高了機場行李的自動化分揀和智能化水平。

　　2.2 系統(tǒng)開發(fā)平臺

　　該系統(tǒng)運用Internet環(huán)境，采用B/S模式進行開發(fā)。系統(tǒng)服務器端操作系統(tǒng)選用WindowsServer2008，開發(fā)工具為Eclipse，主要技術為JavaEE和使用Java語言編程，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用Oracle11g，分揀機采用FKILogistexS-3000E翻碟式分揀機。在該系統(tǒng)中，其中一套用于國內飛行，兩套用于國際飛行。

　　S-3000E翻碟式分揀機的另一重要特點是，為處理不可讀標簽提供了手動編碼區(qū)。FKILogistex系統(tǒng)具有極強的處理能力和極高的靈活性，因此無論是國際航班還是國內航班，抵達上海還是在上海中轉，都能夠輕松地進行行李分揀。

3 機場集成行李處理系統(tǒng)實現(xiàn)

　　3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

　　機場集成行李處理系統(tǒng)中行李鏈條上每個參與對象都是處理系統(tǒng)的關鍵點，一旦產品出現(xiàn)問題，是否能夠查找到具體的問題來源和正確實施行李回收取決于參與對象的記錄是否健全。

　　為確保機場集成行李處理的完整性，行李鏈條上每個參與對象都進行了惟一編碼。編碼由2位行李類別碼和18位旅客ID碼、10位登機日期碼和3位登機地碼、3位目的地碼及4位序列號組成。在旅客登機托運行李前，為每一位旅客的行李上貼一個RFID卡，每張RFID卡惟一對應一位旅客的行李。RFID卡能快速準確地為行李分揀機提供自動識別功能，操作快捷方便，同時在機場的惡劣環(huán)境中即使RFID卡部分磨損也不會影響分揀機的識別效果。RFID電子標簽編碼組成如圖5所示。

　　3.2 RFID讀寫器服務組件的設計

　　在本系統(tǒng)中將每個讀寫器模塊的遠程方法調用封裝為一個管理組件（MBean）作為JMX服務器的實例注冊到JMX服務器中。JMX（Javamanagementextensions，Java管理擴展）是一個為應用程序、設備、系統(tǒng)等植入管理功能的框架。在JMX規(guī)范中，管理組件是一個能代表管理資源的Java對象，遵從一定的設計模式，實現(xiàn)該規(guī)范定義的特定的接口。該定義保證了所有的管理組件以一種標準的方式來表示被管理資源。管理接口就是被管理資源暴露出的一些信息，通過對這些信息的修改就能控制被管理資源。管理接口包括能被接觸的屬性值、能夠執(zhí)行的操作、能發(fā)出的通知事件等。

　　通過JMX框架對讀寫器進行監(jiān)控和管理，使RFID中間件系統(tǒng)能提供管理、監(jiān)控讀寫器的功能。JMX時間服務在指定的日期和時間觸發(fā)消息，也可以在一個固定間隔重復觸發(fā)消息。時間服務由一個MBean實現(xiàn)并可以管理，能夠發(fā)送它指定的timerNotification類的消息實例，而Java提供的接口javax.

　　management.NotificationListener由想要接收通知的對象來實現(xiàn)，實現(xiàn)方法handleNotification。對于定期通知則使用固定延遲執(zhí)行方案，如在timer中指定的那樣。為了使用固定速率執(zhí)行方案，要使用addNotification方法。

　　3.3 RFID中間件的設計

　　根據(jù)前面研究的標簽ID表示方法以及savant中間件的定義，RFID中間件的功能模塊應該包含如下幾個功能模塊：

　　Reader接口模塊、邏輯驅動器映射模塊、RFID數(shù)據(jù)過濾模塊、業(yè)務規(guī)則過濾模塊、設備管理與配置模塊、上層服務接口模塊，如圖6所示。其中：reader接口用于中間件與RFID讀寫器的數(shù)據(jù)通信，主要有獲取RFID數(shù)據(jù)以及下達設備管理模塊的讀寫器指令；設備管理配置模塊用于調整RFID讀寫設備的工作狀態(tài)，配置相應的reader接口參數(shù)等；邏輯讀寫器映射模塊用于將多個物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個邏輯讀寫器。一個邏輯讀寫器代表了一個有具體含義的數(shù)據(jù)采集點（如機場1號航站樓），而不管該采集點在物理上由多少個讀寫器和天線組成。它屏蔽了數(shù)據(jù)采集點的具體實現(xiàn)方式，減少了數(shù)據(jù)過濾等上層模塊與下層數(shù)據(jù)采集部分的軟件耦合度。對于上層模塊來說，可見的只有邏輯讀寫器，所以邏輯讀寫器映射模塊對RFID數(shù)據(jù)有初步過濾的功能。

　　3.4 RFID數(shù)據(jù)采集過濾方法設計

　　RFID采集的原始數(shù)據(jù)量非常大，在實際應用中，根據(jù)具體的配置不同，每臺讀寫器每秒可以上報數(shù)個至數(shù)十個不等的電子標簽數(shù)據(jù)，如重復多次掃描同一個電子標簽，但其中只有少部分是對用戶有意義的、非重復性的數(shù)據(jù)，這樣大量的數(shù)據(jù)如果不經過去冗等處理而直接上傳，將會給整個RFID系統(tǒng)帶來很大的負擔。所以，對RFID采集的數(shù)據(jù)進行過濾處理。

　　RFID數(shù)據(jù)采集過濾方法設計主要分為以下幾類：

　　a）建立數(shù)據(jù)采集事件列表類。

　　對每一個新到電子標簽數(shù)據(jù)進行實時檢測，如果是新掃描的電子標簽，則加入到相應列表中；如果該標簽在列表中已存在，則僅更新對應標簽的時間等狀態(tài)數(shù)據(jù)，而不新建標簽數(shù)據(jù)記錄，以達到清除重復數(shù)據(jù)的目的。

　　b）數(shù)據(jù)采集事件編碼類。

　　對電子標簽狀態(tài)的改變進行編碼，定義標簽出現(xiàn)的狀態(tài)編碼為0，標簽狀態(tài)消失的編碼為1，然后加入計時器機制，對計時器有效時間內的同一標簽的狀態(tài)跳變進行忽略，從而在狀態(tài)定義和時間維度兩個方面對數(shù)據(jù)進行去重化。

　　上述這些算法均能夠很好地消除冗余數(shù)據(jù)，減少上層系統(tǒng)的負荷。但在實際應用中，除了RFID數(shù)據(jù)的去冗化以外，對數(shù)據(jù)的過濾還有著其他的需求。比如，由于信號不穩(wěn)定或其他干擾因素，行李上的RFID標簽并不能在每一個讀寫器周期中被檢測到；或者當行李車從貨架旁走過時，其行李車內已有的物品被機場入口內的讀寫器誤讀到。針對上述問題，設計了在不同應用場景下的適應性和有效性的過濾算法。實驗平臺使用RS-232接口的單天線讀寫器，該讀寫器報告周期為1s，每次報告標簽數(shù)為五個。算法實現(xiàn)采用Java語言，通過Java串口來進行串口通信。

　　首先是為標簽構建一個RTagReadEvent類，該類包含的關鍵參數(shù)和方法如下：

　　當過濾模塊主程序檢測到一個新標簽時，便為其建立一個RTagReadEvent類的對象newReadTag，并對各個關鍵字段賦初值，同時啟動該對象內部的計時器線程：newThread（newRead-Tag）。start（）。該計時器線程的作用是每個報告周期對標簽權值value進行檢查并觸發(fā)相應操作。每次檢查后將標簽權值currrentvalue減1，以實現(xiàn)當標簽未被報告時其權值的逐步下降。當權值currentvalue減到0時，計時器線程停止，這時可以銷毀該對象。

　　當過濾算法主模塊發(fā)現(xiàn)報告的標簽已存在時，對該標簽對象的currentvalue值進行累加：

　　其中，valueStep就是算法中定義的累加權值。如果權值currentvalue已經達到閾值readTagmax，則將其保持在該值，防止經過多個上報周期后標簽權值過高，影響后繼判斷。

　　3.5 RFID數(shù)據(jù)采集仿真與實現(xiàn)

　　應用該算法對機場帶讀寫器的行李架進行了模擬，當行李架讀寫器能穩(wěn)定識別放入的帶標簽的行李時，不會因為信號波動而誤報貨品離開信息，并對經過行李架的其他物品保持較低的敏感度，在這種應用場景中，設置valueStep=5，tagmax=8，tagmin=0。當標簽進入讀寫器范圍后，經過8s左右的時間過濾模塊觸發(fā)標簽出現(xiàn)操作，人為將標簽多次短時間移出讀寫器范圍，模擬信號干擾和波動的情況，并將另一標簽從讀寫器范圍內移過，讀寫器均未觸發(fā)多余的標簽出現(xiàn)和消失操作，讀寫器掃描標簽數(shù)據(jù)如圖7所示。

　　將圖7周期中出現(xiàn)的RFID標簽編碼標為1，未出現(xiàn)的編碼為0。這樣，對每一個行李電子標簽，其事件可以記錄為一個01序的二進制串。對圖6而言，tag1可編碼為01001011，表示標簽通過了讀寫器范圍；tag2可編碼為11011000，表示標簽離開了讀寫器范圍；tag3可編碼為00000011，表示標簽進入并停留在讀寫器范圍中。

　　3.6 業(yè)務系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　依據(jù)上述的基本原理，本文基于JavaEE平臺下設計并實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網的機場集成行李處理系統(tǒng)，該原型系統(tǒng)實現(xiàn)了信息采集系統(tǒng)行李物品識別、信息處理/行李控制/跟蹤、PML服務器的維護、本地數(shù)據(jù)庫的維護等。基于物聯(lián)網的機場行李集成處理系統(tǒng)主要通過RFID電子標簽實現(xiàn)行李的自動識別和發(fā)運，利用物聯(lián)網獲取旅客的原始信息并自動生成旅客行李清單。其中，業(yè)務管理系統(tǒng)通過獲取信息采集軟件得到的EPC信息，并通過ONS找到物品的PML信息服務器，以Web的形式向Internet用戶提供諸如信息查詢、跟蹤等功能的管理的界面如圖8所示，用戶通過手機或無線PDA實時了解物品的狀態(tài)的界面如圖9所示。

　　通常，旅客乘坐飛機都要將大件行李托運，但由于各種原因，有時難免會有個別行李不能跟隨旅客的航班到達目的地。

　　旅客在下飛機后找不到自己托運的行李，就會向位于行李到達廳內的行李查詢部門反映情況，而行李查詢的工作人員會記錄下相關情況。以往如果旅客想知道自己的行李查找狀況，只能通過撥打航空公司電話了解情況，不僅有時難以撥通，而且對工作人員的解釋也不太理解。通過本系統(tǒng)，旅客只需通過手機或網絡登錄物聯(lián)網的機場集成行李處理系統(tǒng)輸入相關資料，就可以看到自己丟失行李的最新進展情況，如已經找到了，已經交付給旅客，或是正在查詢中。同時，旅客也可以看到航空公司工作人員具體工作流程，如都給哪些航站拍發(fā)了電報，都向哪些地方進行了查找等，不僅滿足了旅客的知情權，更讓旅客隨時監(jiān)督航空公司的工作。

4 結語

　　在機場集成行李處理中，最關鍵的問題是行李的識別/監(jiān)控和行李信息的獲取/查詢。本文針對傳統(tǒng)的機場行李處理存在的問題，將電子標簽與物聯(lián)網結合，利用電子標簽作為行李識別的手段，利用物聯(lián)網來監(jiān)控和獲取行李物品的信息，提出了基于物聯(lián)網的機場集成行李處理系統(tǒng)，對其結構和功能進行了詳細的分析，并通過應用實例闡明了該系統(tǒng)的優(yōu)勢和可行性。本文所提出的基于物聯(lián)網的機場集成行李處理系統(tǒng)具有高度自動化的特點。目前基于該方案開發(fā)的機場集成行李處理系統(tǒng)已經在國內某些航空公司安裝使用，今后將根據(jù)用戶的反饋繼續(xù)完善。