0 引言

　　食品安全是近幾年來具有持續(xù)挑戰(zhàn)性的問題和社會熱點。將無線射頻識別RFID (Radio Frequency Identification )引入解決食品安全可追溯系統(tǒng)關(guān)鍵問題，是現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域中具有活力和前途的高新技術(shù)RFID食品安全可追溯系統(tǒng)通過在食品生產(chǎn)中使用RFID標簽，給每一個產(chǎn)品里置入帶有唯一識別的信息，對其生產(chǎn)、加工、儲藏、運輸進行全方位全過程的監(jiān)控和管理, 具有極大的優(yōu)勢和便利。

　　RFID食品安全可追溯系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸之一是系統(tǒng)中RFID標簽讀取率的問題，國外研究方法有：一是基于Friis能量傳輸模型基礎(chǔ)建立了一些復雜的讀取操作范圍模型，二是讀取率試驗方法p s, l s7 o Steve Hodges等提出了一種結(jié)合機械手自動化采集數(shù)據(jù)來優(yōu)化RFID標簽在應(yīng)用對象上的安裝位置的衰減闡值新方法，該方法可以找出無源UHF型RFro系統(tǒng)的有效讀取范圍國內(nèi)此類研究相對較少，劉篙巖等根據(jù)無線電波的傳輸機制建立起RFID系統(tǒng)信號損失模型，提出了“高處布置方向性天線讀寫器”的覆蓋模型。日前能夠正確地說明或改善RFID系統(tǒng)讀取率的工具和方法很少，在RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率應(yīng)用方面，研究發(fā)現(xiàn)貨箱內(nèi)裝物品會降低標簽讀取率，內(nèi)含裝滿水的瓶子的貨箱標簽讀取率僅僅達25%，裝滿大米的貨箱標簽讀取率為0.6%，即使是空貨箱也達不到100%的讀取率，周仲芳等建立的活豬檢驗檢疫監(jiān)督管理電子化系統(tǒng)中RFID系統(tǒng)對活豬耳標的讀取率。一般系統(tǒng)設(shè)計者只會測試一個特定的配置，如果它可靠地工作，即確定系統(tǒng)的最佳性能，所以，研究優(yōu)化RFID系統(tǒng)讀取率的途徑和方法是很有價值的。本論文把粗糙集理論用于正交試驗方法，探索低成本RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率的優(yōu)化策略，為提高RFID系統(tǒng)的性價比提供有效的方法與理論依據(jù)，為打開RFID系統(tǒng)的應(yīng)用市場提供技術(shù)支持。

　　1 試驗裝與方法

　　1.1 試驗?zāi)康?/span>

　　影響RFID系統(tǒng)讀取率的因素有很多，包括試驗對象與RFID讀卡器之間的距離、偏離高度、速度、數(shù)量等等，構(gòu)成了影響RFID系統(tǒng)讀取率的多因素環(huán)境。本文首先使用正交試驗方法，試圖尋找RFID讀取標簽數(shù)和讀取率均較大的因素水平組合。然后針對正交試驗方法和試驗結(jié)果的不足，采用粗糙集理論漸進優(yōu)化正交試驗結(jié)果，直至獲得RFID系統(tǒng)讀取標簽數(shù)和讀取率均最大的因素水平組合應(yīng)用方案。

　　1.2 試驗裝置

　　本文使用自制簡易試驗裝置。主要組成為:0.75 m長，0.50m寬的平板小車1輛;0.75 m寬，1.60 m高的木制框架3個，各木框架間隔0.15 m固定于小車上成3排;每個木框架上固定一塊硬紙板;RFID標簽可按4行4列均勻整齊貼于紙板上。

　　本文使用的RFID系統(tǒng)試驗設(shè)備型號為SZM1I公司的無源型MR9151B讀寫器。該讀寫器主要產(chǎn)品標準和性能為:采用18000-6B. EPC雙協(xié)議行業(yè)標準，工作頻率為ISM波段(902-928 MHz)，讀卡距離大于2m，最大功率不大于3W，讀寫速度快、可同時操作多個標簽、只對專有應(yīng)用系統(tǒng)的標簽進行操作、自動跳頻讀取和抗干擾能力強等。

　　1.3 試驗方法

　　1.3.1 多因素正交試驗設(shè)計

　　正交試驗設(shè)計是多因子試驗中最重要的一種設(shè)計方法，它通過較少次典型試驗就可以找出全面試驗中較好的試驗結(jié)果。本文采用正交試驗尋求RFID讀取標簽數(shù)和讀取率均較大的多因素水平組合方案。

　　首先確定正交試驗因素與水平。影響RFID系統(tǒng)讀取率的因素有很多，包括標簽與讀卡器的距離、高度、速度、標簽排列的行數(shù)、列數(shù)等等。根據(jù)單因素試驗分析這幾個因素(如圖1)，讀取率隨讀取距離的加大而呈下降趨勢，隨讀取偏離高度的加大呈明顯下降趨勢，而對于讀取對象的移動速度則是慢速或中速時讀取率大，標簽行數(shù)的增加導致讀取率減少，標簽列數(shù)的單因素變化影響規(guī)律不具明顯特征，但標簽列數(shù)影響讀卡數(shù)優(yōu)化目標。確定試驗因素和水平如表1，其中，對于該試驗系統(tǒng)速度因素的選用閡值范圍(單位:m/s )為:靜止為0,慢速為[1, 3]，中速為[4, 6]，快速為[7, 9]。然后選用Las (4s)正交表進行正交試驗，每個因素水平試驗重復4次取平均。

圖1 因素及水平與讀取率的關(guān)系

     表1 正交試驗因素水平

　　如果正交試驗中每個因素所取得的水平數(shù)較少，則正交試驗不一定能發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的試驗結(jié)果;如果每個因素先擇足夠數(shù)量的水平數(shù)，這將大大增大試驗的組數(shù)，必須進行大量的正交試驗，這種盲目性將造成財力、物力資源的浪費。為此，本文引入了粗糙集理論對多因素正交試驗結(jié)果不斷優(yōu)化，并逐步搜索、逼近最優(yōu)的水平組。

　　1.3.2 粗糙集漸近優(yōu)化正交試驗方法

　　粗糙集是一種研究不精確和不確定性知識的數(shù)學工具，它能夠在缺少數(shù)據(jù)的情況下，僅僅以對觀測數(shù)據(jù)的分類能力為基礎(chǔ)，解決模糊或不確定性數(shù)據(jù)的分析和處理的方法。決策屬性對條件屬性的依賴度，是條件屬性重要程度的衡量。如果能夠每次做完正交試驗后都能計算得出各條件屬性(即各因素)對決策屬性(試驗?zāi)繕?的重要性，然后再根據(jù)該屬性各水平對決策屬性的影響大小來重新調(diào)整該屬性的取值，獲得新的正交表，依次繼續(xù)試驗，直至獲得最優(yōu)試驗結(jié)果。

　　決策表是一種同時擁有條件屬性和決策屬性集的知識表達系統(tǒng)，是一種特殊的信息表。而通過正交試驗獲得的包含因素、水平及試驗結(jié)果的表就是一張決策表，各因素就是條件屬性，而試驗結(jié)果就是決策屬性。因此，可以根據(jù)粗糙集理論，對正交試驗結(jié)果表進行改進。首先計算決策屬性對條件屬性的依賴度，依賴度的值愈大，對決策屬性的影響也就愈大，其條件屬性就愈重要。然后根據(jù)屬性依賴度，調(diào)整正交試驗因素的水平。粗糙集理論中屬性依賴度的概念如下：

　　用粗糙集理論求決策屬性(讀卡率)對條件屬性(距離、高度、速度等因素)的依賴度k，依賴度最大的因素即為對讀卡率影響最大的因素。然后重點調(diào)整這個因素的取值范圍及水平值，重新安排正交試驗，使試驗結(jié)果有所優(yōu)化。如此反復優(yōu)化，不斷搜索、逼近最優(yōu)的水平組合。

　　2 結(jié)果分析與討論

　　2.1 正交試驗結(jié)果

　　從表2中可知，試驗T1和T2的讀取率都達到了100%, T8的讀取率達到96.9%, T16的讀取率達到95.3%0實際應(yīng)用還要求一次性讀取標簽數(shù)越多越好，雖然T1、T2的讀取率都達到了100%，但是這兩個試驗的標簽數(shù)量最大才達到6(按T2每次3排，每排1行2列試驗)，對于實際應(yīng)用中還沒達到一個滿意的結(jié)果。因此，必須調(diào)整因素的水平進行再試驗，以獲得高的標簽讀取率情況下更理想的因素組合。

　　2.2 粗糙集漸近優(yōu)化正交試驗結(jié)果及分析

　　運用粗糙集理論對表2進行分析，條件屬性標簽行數(shù)(r1)、標簽列數(shù)(Pz)、偏離高度(P3 )、距離(p4)、速度(p5)都具有4個水平，各水平分別用1, 2, 3. 4來代替?，F(xiàn)將決策屬性劃分為兩個區(qū)間(0.4. 0.67), (0.7}1]，分別用1, 2來代替，對表2進行處理得決策表。

　　表2 L16(4x5)正交試驗設(shè)計及結(jié)果

　　可知P3屬性即偏離高度的依賴度最大，首先調(diào)整Ps的取值，根據(jù)偏離高度的單因素分析，水平1(即正中心)的讀取率是相對較好，偏離越大，讀取率就越低，調(diào)整偏離高度的區(qū)間范圍:由原來的[0, 60]修改為[[0, 39], 4個水平重新在[0, 39]的區(qū)間內(nèi)均勻取值為:0, 13, 26.39cm。其他因素水平不變，再進行正交試驗，結(jié)果如表3所示。

　　表3 第一次優(yōu)化正交試驗結(jié)果

　　從表3可知，通過改變讀取偏離高度，大部分試驗號讀取率都有所提高，特別是T7. T10, T13這幾組試驗的讀取率增幅較大，這幾組試驗都是從原來讀取偏離高度60 cm改為39 cm的優(yōu)化結(jié)果。而T12的讀取率達到了98.6%，對應(yīng)讀取標簽數(shù)為36(按T12每次3排，每排3行4列試驗)，說明通過改變讀取偏離高度因素水平，整體讀取率比前一次有明顯的提高，也說明了第一次正交試驗的區(qū)間并不是最優(yōu)區(qū)間，需要縮小范圍繼續(xù)尋找最優(yōu)區(qū)間。

　　繼續(xù)應(yīng)用粗糙集理論依次進行正交試驗優(yōu)化，調(diào)整決策屬性為兩個區(qū)間(0.6, 0.8), (0.8. 1)，結(jié)合擬水平法構(gòu)造混合水平正交試驗表，經(jīng)過三次正交試驗得最優(yōu)結(jié)果如表4和表5所示，再調(diào)整因素水平將出現(xiàn)讀取率下降的現(xiàn)象。由表5可知，讀取最大標簽數(shù)量的T12試驗的讀取率為99.3%，其試驗因素最優(yōu)組合為:標簽行數(shù)取3，列數(shù)取4，讀取偏離高度取8 cm，距離取10 cm}速度取中速。

　　表4 第五次優(yōu)化正交試驗因素水平

　　2.3 討論

　　影響標簽讀取率的因素多、各因素水平值多，安排大量的正交試驗在多維因素空間搜索最佳水平組合有難度。本文應(yīng)用粗糙集理論漸進優(yōu)化正交試驗方法對影響RFID系統(tǒng)讀取率及讀卡數(shù)的距離、偏離高度、速度、行數(shù)和列數(shù)等5個因素進行漸進正交試驗優(yōu)化，進行了一次正交試驗和五次優(yōu)化試驗，共完成54個試驗后搜索到最優(yōu)因素水平組合，系統(tǒng)標簽讀取率達到了99.3%以上，對于解決RFID食品安全系統(tǒng)讀取率優(yōu)化問題是有效的。

　　據(jù)調(diào)查，按一套讀卡器、天線及30個標簽的UHF915MHz無源型RFID系統(tǒng)設(shè)備目前市場價格比較，測試使用的MR9151B系統(tǒng)市場價格一套約人民幣7000元，使用技術(shù)稍好的如CSLImpinj 915系統(tǒng)價格約人民幣1.6萬元，技術(shù)更好的如ZTALR9780系統(tǒng)價格約為人民幣3萬元。標簽的單價為人民幣5元至100元之間，性價比差異達到200%以上，本研究粗糙集漸進優(yōu)化正交試驗方法，為充分挖掘RFID系統(tǒng)性能潛力提供簡單、可行的方法，為建立低成本和高性價比的RFID系統(tǒng)提供理論依據(jù)，為RFID系統(tǒng)的讀取率及成本問題提出了一種有效的解決思路和方法，為RFID系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。

　　為探索RFID食品安全可追溯系統(tǒng)讀取率及讀卡數(shù)優(yōu)化策略，對于應(yīng)用對象材質(zhì)等固有屬性影響因素，未考慮為本研究試驗因素，有必要對不同應(yīng)用對象材質(zhì)做進一步試驗研究。

　　3 結(jié)論

　　1)針對食品安全可追溯系統(tǒng)項目中提出的RFID系統(tǒng)讀取率及讀卡數(shù)優(yōu)化問題，通過粗糙集漸進優(yōu)化正交試驗方法，實現(xiàn)了RFID試驗系統(tǒng)讀卡數(shù)和讀取率優(yōu)化的試驗?zāi)繕恕?/p>

　　2)應(yīng)用粗糙集漸進優(yōu)化正交試驗方法，為RFID系統(tǒng)讀取率問題提出了一種有效的解決思路和方法，為RFID系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。

　　3)粗糙集漸進優(yōu)化正交試驗方法建立的低成本試驗方法，在產(chǎn)品成本不變的條件下，為充分挖掘產(chǎn)品性能潛力提供簡單、可行的方法，為充分挖掘產(chǎn)品性價比提供理論依據(jù)。