RFID 布置讀取率最大化

第一節 第一節

第一節 RFID 布置讀取率最大化 布置讀取率最大化 布置讀取率最大化 布置讀取率最大化

近年來，由於無線辨識射頻(RFID)技術逐漸成熟以及其具有大量並且快速的 辨識特性，讓許多業者逐漸開始重視並且評估將 RFID 技術導入企業供應鏈當 中；其中在物流業內 RFID 技術的應用更是成功的吸引住許多業者的目光，在物 流業中最早開始大量導入 RFID 技術並獲得成功改善供應鏈的代表企業非沃爾瑪 (Wal-Mart)莫屬。在物流業中，由於近年來 RFID 技術的成熟以及製造成本的降 低，使得 RFID 開始逐漸取代傳統條碼式標籤地位；除了 RFID 本身硬體成本的 降低外，其中最主要原因是經由 RFID 技術的導入企業可以透過讀取器進行遠距 離大量並快速的對於產品進行讀取辨識等動作，比起傳統的條碼需要靠人力近距 離進行一一讀取而言，透過 RFID 技術的導入企業在供應鏈中可以擁有在單位時 間內遠距離、大量且快速地讀取標籤資訊的優點，而且標籤與傳統條碼相較之下 不容易污損亦可以大大降低因人為疏失而造成損失並大幅度的降低人力以及時 間成本；除此之外，傳統供應鏈中由於資訊的分享及流通不夠即時和公開，造成 上游供應製造商與下游的銷售商之間的資訊不平衡使得需求變異逐漸增加而導 致長鞭效應的現象也可以透過導入 RFID 技術而解決。

因此，在導入 RFID 技術的過程中，在最前端的硬體方面要如何布置讀取器 才能達到高覆蓋率、高正確率的要求，這正是本研究所要探討並試圖提出一個解 決方法以解決 RFID 布置讀取率最大化的議題。在本研究中，我們將會以一個貼 近實際物流業中物流出入口所使用的 RFID 布置[25、29]的情境來進行研究；試 圖能夠透過最少數量的 RFID 讀取器佈置完成一個擁有高覆蓋率及高正確率的環 境。

搭載著 RFID 標籤的產品在物流過程當中，在貨物集裝箱的包裝之上會配置 一個 RFID 標籤用以標示該集裝箱的基本內容資訊，除此之外在貨物集裝箱內的 各個產品也一樣分別標上 RFID 標籤；當貨物集裝箱放在物流傳輸帶上通過佈置 著 RFID 讀取器的物流出入口時，透過佈置的讀取器讀取搭載在產品以及貨物集 裝箱上的 RFID 標籤數量及資訊來追蹤在物流輸出或是輸入的過程中是否有遺漏 或是包裝錯誤的產品。

圖 3-1 RFID 物流出入口示意圖[21]

而在運輸帶上的貨物集裝箱如圖 3-1 所示，不一定會是依照相同方向擺放；

因此，搭載在貨物集裝箱上的標籤與出入口上所佈置的讀取器彼此之間就會產生 不同的角度以及距離；除此之外，在貨物集裝箱內所擺放的產品其包裝上所搭載 的 RFID 標籤可能由於不規則的擺放方式而有著許多種不規則的擺設角度。因 此，要如何確保所佈置的讀取器位置除了可以擁有最大覆蓋率以外，讀取正確性

不會受到標籤不確定角度所影響。

從我們在第二章文獻探討中所提出 RFID 基本的電波傳輸模型中，透過此傳 輸模型我們可以得知讀取器與標籤本身天線的角度對於天線增益以及對於標籤 所反射的訊號能量強度是否能夠達到讀取的門檻值有著相當顯著影響存在，因此 我們必須先定義出讀取器以及標籤本身的天線角度才能夠進一步考慮如何模擬 天線各種角度可能的問題。

根據第二章所提出的 RFID 讀取器天線與標籤天線的座標系統定義以及所 RFID 電波傳輸公式，可以透過前述章節當中所提出的定義去進一步思考如何模 擬讀取器在發射出電波訊號後，在標籤反射給讀取器進行讀取標籤資訊的過程當 中讀取器以及標籤兩者之間天線的擺放角度對於讀取率以及正確性所造成的影 響。

在第二章當中我們已經球面座標系統對讀取器以及標籤的座標系統進行定 義與說明，接下來我們將會說明並定義擺設讀取器的環境和讀取器以及標籤的可 能擺放位置以及說明我們使用何種方式來模擬標籤在此擺放環境下各種可能角 度的模擬方式。

在導入 RFID 技術的物流輸出輸入過程當中，在物流過程中貨物通常會經由 運輸帶穿越一個設置有 RFID 讀取器的出入口；透過出入口所設置的 RFID 讀取 器讀取經過出入口時貨物上所搭載的 RFID 標籤資訊來了解商品的數量以及包裝 是否正確。 因此，為了評估本研究所研究的讀取器佈置問題，我們將會以貼近 一個實際中物流出入口佈置讀取器的假設環境進行本研究，希望透過這樣的一個 假設來探討本研究所提出的佈置最佳化的問題。

我們假設一個 3*3m²大小的物流出入口，如圖 3-5 所示在這個出入口上總共

會有 15 個讀取器的讀取器候選擺放位置，在出入口的三面牆上每面牆會有五個 獨取器候選擺放位置、各讀取器候選擺放位置彼此之間的間距為 0.5 公尺、每一 個獨取器候選擺放位置分別會有三種不同角度的讀取器可能設置的天線角度設 定值，分別為 45 度、0 度、-45 度三種可能設置角度。圖 3-2 為我們所設定的物 流出入口的示意圖，圖中出入口的三面牆上可以看到分別各有五個讀取器的候選 擺放位置；而在物流出入口三面牆內部的較小正方形則是我們設定為貨物所搭載 的 RFID 標籤會出現並且經過的空間位置，我們稱為標籤空間(tag space)，這個 標籤空間的大小設定為 2*2m²，在研究中我們將會把這個空間以 10 公分大小為 間距來模擬標籤在這個標籤空間中的所有標籤可能坐落的位置。

圖 3-2 讀取器擺放位置與標籤坐落位置

接著，將繼續說明如何進行標籤空間內各種標籤可能出現的角度模擬，由於 在標籤空間(tag space)內標籤可能會以各種角度接收讀取器所發出的電波，而從 前述所探討的RFID傳輸模型中，我們可以了解到標籤本身的天線角度對於標籤 是否能夠正確的接收到讀取器所發射出的電波訊號以及是否可以正確反射標籤

本身所攜帶的標籤資訊至讀取器有著相當顯著的影響；因此我們希望能夠盡量模 擬出標籤可能被讀取的所有各種可能角度，透過這樣的模擬與計算如此一來，才 能夠貼近實際物流出入口情境；進而評估出讀取器各種候選擺放位置對於物流出 入口所能夠達到的最佳化讀取率與覆蓋率。但是，如何對於一個RFID標籤在空 間內所有可能呈現的各種擺放角度進行模擬，本研究提出一個簡單的想法：假設 以標籤所在位置的中心點為中心將所有可能的角度為分散為M個單位角度向 量，所有的角度向量以標籤位置為中心點，當所有向量以此中心點為中心表示 時，這些單位角度向量會分佈形成在一個以標籤位置為中心點的球面；球面上所 出現的各點即是各單位角度向量。雖然透過這樣的一個方式可以模擬出各種標籤 可能呈現的擺放角度；但是，要將各種可能的球面角度向量進行平均的分配，這 樣的一個問題在數學領域中目前而言是一個相當困難並且沒有一個完美分配定 義的數學問題[5]，這個問題可以透過一個連續球面分配(continuous spherical uniform distribution)[8]的方式可以明確對其進行定義並表現出來。不幸的是，研 究中需要的是在球面上所要進行分配的是一個離散的球面角度向量分配，而目前 並沒有任何一個單獨的定義可以完美的定義出離散球面分配。在各個不同的研究 領域當中，如幾何學、氣候模擬、分子結構學的學者們對於這個離散球面分配問 題均各自提出在各自領域當中對於此問題的一套定義與說明，但是，至今仍無一 個統一並且讓所有人都同意與信服的完整定義，進而也導致這個問題定義在不同 的領域中都會有所差異。

為了能夠讓本研究能夠模擬出研究中所需要的各種可能的標籤角度，我們先 從傳統的觀點看待此問題，傳統中最簡單的方式為使用經緯度來分配這個模擬的 球面角度向量，例如：從 0 度到 360 度、每 3 度為間隔。但是由於球面的特性透 過這種分配方式會導致分配不均勻的問題，如圖 3-3 所示越靠近上下兩頂點的間 隔越窄、越接近中間部份間隔越寬；如此一來，我們便不能完整均勻的模擬出一 個 RFID 標籤在標籤空間內所有可能呈現的擺設角度。

圖 3-3 傳統球面切割分配圖[27]

正如我們在前段所提出的說明，要均勻的離散分配這些角度向量落在球面上 的點，就目前而言是一個無解的問題；若是使用傳統的經緯度觀念對其進行分 配，則無法達到我們所要求的完整均勻的對標籤所有可能擺放位置角度的模擬要 求，而此問題目前在各個不同的研究領域當中都有學者提出他們的看法與定義。

因此，為了解決這個球面的離散分配問題，在本研究中我們將會使用學者 Dave Rusin 所提出的球面均勻離散分配近似演算法[27]；此演算法提出一個相當精簡 並且合理的觀點解決球面離散分配的問題。演算法中所提出的概念為：將一整個 球面以水平線平分成大小相同等份區塊後，將每一條進行切割的水平分割線視為 緯度線；接著在每一個緯度線上透過相同長度的弧線距離對每一個切割區塊進行 分配，透過這樣的分配方法之後分配的每點之間彼此的弧線距離相同，同時由於 球面的特性造成越接近兩端點的緯度線半徑越小，因此依照相同弧線距離能夠對 球面進行切割分配的點數量也會越來越少，當最後在所有球面均平均分配切割完 成後，在球面的兩個端點再各取一個點，就完成了一個近似平均分配的球面離散 分配。下面則列出此演算法的詳細流程。