中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：使用基因演算法布置具有最大讀取率之 RFID 入口
Maximizing Read Accuracy by Using Genetic Algorithms to Locate RFID Reader Antennas at the Portals
系 所 別：資訊管理學系碩士班 學號姓名：M09510020 王政傑 指導教授：李之中 博士
中 華 民 國 九十九 年 二 月
摘要
近年來，RFID （Radio Frequency Identification）無線辨識射頻技術逐漸的引
起重視，除了物流業者與大企業大量採用以外；無線辨識射頻技術也已經漸漸融 入日常生活當中，例如門禁卡、悠遊卡、電子錢包、高速公路收費站所使用的 ETC 等；這些都是我們身邊常見而且與我們生活所結合在一起的 RFID 技術。隨 著技術的進步以及大型企業的採用，RFID 逐漸開始替代生活中傳統的條碼
（Barcode）。然 RFID 優點看起來似乎能夠完全的解決傳統條碼上所遇到的問 題，但仍然有其缺點存在；例如硬體成本造價遠高於傳統條碼，主動式 RFID 電 力持久時間的問題，以及標籤的讀取正確率會因天線擺設角度和擺設位置或是因 為干擾（例如：水、金屬或是其他 RFID 標籤訊號的干擾）而造成無法達到百分 之百的讀取正確率或是讀取距離的影響。其中，最為重要的議題之ㄧ在於如何能 夠布建一個讀取正確率高的環境以達到標籤的高讀取率，許多學者為解決這項議 題投入大量人力及時間進行研究。鑒於目前許多企業紛紛企圖將 RFID 技術導入 本身供應鏈當中，本研究將透過模擬供應鏈當中實際物流出入口環境並採取基因 演算法為布建環境的研究方法，同時採用兩種不同複製方式之基因演算法進行比 較，以期能布建出一個擁有高讀取率的 RFID 入口環境。
在本研究當中，我們根據被動式 RFID 讀取器以及標籤本身的電場特性對於 讀取率的影響進行探討後；被動式 RFID 在出入口上的布置對於讀取率的影響主 要關鍵因素為兩者之間天線座落角度與位置。因此，本研究將透過基因演算法對 RFID 布置問題求取最適解的同時，將上述影響讀取率的關鍵因素透過基因編 碼，將對於讀取率有所影響的資訊包含其中。透過基因演算法的演化特性並且對 於在出入口布置 RFID 的問題中獲得一個最適解的布置位置。
關鍵字 關鍵字 關鍵字
關鍵字:RFID,基因演算法,讀取率
ABSTRACT
In the traditional approach, a business manually scans the barcode to collect the object’s movement information through portals. By using the RFID technology, businesses advance the manual barcode scanning process to the automatic tag scanning process. Therefore, the business saves labor costs at portals. The simplest form of a RFID equipped portal is a wide doorway with reader antennas mounted at the portal perimeter. The design objective of RFID-equipped portals is maximizing read accuracy as objects with a tag move through these portals. In fact, the placement of multiple antennas at the portals is critical to determining the read accuracy. This paper calls the problem of locating RFID reader antennas to get the maximal read accuracy at the portals the portal reader antennas placement problem.
In the past, researchers solved the problem of choosing the optimum locations for reader antennas in a RFID equipped portal by using an exhaustion approach.
However, the drawbacks of the exhaustion approach are that it requires take a long time and that the performance is not acceptable by users. This study uses the GA approach to find the optimum solutions for the portal reader antennas placement problem. This study performed experiments to validate the performance of the GA approach.
Keywords-RFID; Genetic Algorithm; Read Accuracy
致謝
在研究所的這段日子，雖然花費了比別人多的光陰，但卻讓我獲益匪淺。這 篇碩士學位論文能夠完成，首先要感謝我的指導教授李之中博士，當我在研究與 論文進度擱淺時，老師總是能夠適時的為我指點迷津指引方向並且給我鼓勵，每 當我的思緒遇到瓶頸總是可以提供給我正確的思考方向。這篇碩士學位論文也特 別要感謝口試委員洪振洲博士以及王貞淑博士給予我不少論文撰寫的提醒與建 議，使得這篇論文能夠更加的完善。王貞淑老師在基因演算法方面給了我許多寶 貴的意見以及建議，讓我在實驗的設計以及進行上能夠更加的順利。
在中華大學資管所這段時間當中，很高興有同指導教授的芃安、莉婷以及學 長姐夏暘、郁君、育銘的陪伴支持與鼓勵；還有學弟 澄宇、鈞毅、峻維、學駿、
昇岳給我的幫忙與協助，謝謝你們！此外，特別要感謝賴政揚學長在我遇到瓶頸 與困難時，總是二話不說的幫我解決問題並給予我建議和鼓勵。在這短短的篇幅 當中，要感謝的人太多了無法一一寫出；只能在這邊說：謝謝你們！
最後，要特別感謝我的父母，有他們的支持與鼓勵以及毫無保留的付出，才 能夠讓我無後顧之憂的進行研究、撰寫論文並順利的完成我的學業。謝謝你們，
願以此篇論文獻給我的家人們，我愛你們！
目 錄
摘要...I ABSTRACT... II 致謝...III 目 錄...IV 圖目錄...V 表目錄...VI
第一章 緒論...1
第一節 研究背景與動機...2
第二節 研究目的...3
第三節 論文架構...4
第二章 文獻探討...6
第一節 無線辨識射頻（RFID） ...6
第二節 被動式 RFID（Passive RFID） ...8
第三節 主動式 RFID（Active RFID）...10
第四節 RFID 傳輸模型 ...12
第五節 基因演算法...18
第六節 基因演算法流程...18
第三章 使用基因演算法布置具有最大讀取率之 RFID 入口 ...25
第一節 RFID 布置讀取率最大化 ...25
第二節 系統模型...31
第三節 基因演算法設計...33
第四章 實驗設計與結果分析...37
第一節 實驗設計...37
第二節 效能分析...38
第五章 結論...44
參考文獻...46
附錄 基因演算法...49
圖目錄
圖 2 -1 RFID 系統示意圖 ...7
圖 2 -2 被動式 RFID 標籤架構圖 ...8
圖 2- 3 被動式 RFID 標籤天線架構圖 ...10
圖 2- 4 主動式 RFID 標籤架構圖 ... 11
圖 2- 5 主動式 RFID 標籤實際狀況 ...12
圖 2- 6 讀取器天線電場示意圖...13
圖 2- 7 標籤天線電場示意圖 ...14
圖 2 -8 球面座標系統圖 ...15
圖 2-9 RFID 讀取器天線座標圖 ...15
圖 2-10 RFID 標籤天線座標圖 ...16
圖 2-11 基因演算法流程圖 ...19
圖 2-12 單點交配示意圖 ...22
圖 2-13 兩點交配示意圖 ...22
圖 2-14 套選交配示意圖 ...23
圖 2-15 單點突變示意圖 ...24
圖 3-1 RFID 物流出入口示意圖 ...26
圖 3-2 讀取器擺放位置與標籤坐落位置 ...28
圖 3-3 傳統球面切割分配圖 ...30
圖 3-4 讀取器擺放位置與標籤坐落位置 ...32
圖 3-5 染色體編碼 ...34
圖 3-6 染色體攜帶資訊 ...34
圖 3-7 基因適應函數演算法 ...35
圖 4-1 輪盤法實驗結果 ...39
圖 4-2 競爭法實驗結果 ...39
圖 4 -3 輪盤法區域最佳解曲線 ...41
圖 4 -4 輪盤法最佳解曲線 ...41
圖 4-5 競爭法最佳解曲線 ...43
表目錄
表 2-1 RFID 頻段表 ...7 表 3-2 球面離散分配演算法 ...31 表 4-4 最佳解與時間成本比較 ...40
第一章 第一章
第一章 第一章 緒論 緒論 緒論 緒論
近年來，RFID （Radio Frequency Identification）無線辨識射頻技術逐漸的 引起各方重視，除了物流業者與大企業大量採用以外；無線辨識射頻技術也已經 漸漸融入日常生活當中，例如門禁卡、悠遊卡、電子錢包、高速公路收費站所使 用的 ETC 等；這些都是我們身邊常見而且與我們生活所結合在一起的 RFID 技 術。隨著技術的不斷創新與進步以及大型企業的採用，RFID 開始逐漸取代生活 中傳統條碼（Barcode）的地位。傳統的條碼本身擁有印製成本低廉、讀取正確 率高的優點，但是必須在短距離內才能對條碼進行掃描讀取，而且一次僅能讀取 一組條碼的數值，在單位時間內可以讀取判別的資訊數量較少並且容易因污損而 失效。每當廠商有商品進出亦或是需要進行全面性的盤點或是商品清查時，相關 人員必須拿著掃瞄器近距離的逐項掃描條碼，如此的工作效率必須耗費大量的時 間以及人力成本才能完成盤點，而且容易因人為的疏失而造成不必要的損失 。
RFID 技術本身擁有可同時大量讀取標籤資訊、標籤不容易污損以及讀取距 離遠的優點；可以改善傳統條碼的缺點所造成的效率問題。不過，雖然 RFID 優 點看起來似乎能夠完全的解決傳統條碼上所遇到的問題，但仍然有其缺點存在；
例如硬體成本造價遠高於傳統條碼，主動式 RFID 電力持久時間的問題，以及標 籤的讀取正確率會因天線擺設角度和擺設位置或是因為干擾（例如：水、金屬或 是其他 RFID 標籤訊號的干擾）而造成無法達到百分之百的讀取正確率或是讀取 距離的影響。其中，最為重要的議題之ㄧ即在於讀取正確率部份，許多學者為解 決這項議題投入了不少人力及時間研究，如何布建一個讀取正確率高的環境對於 RFID 而言是一門相當重要的議題。
因此，本研究將採取基因演算法作為布建環境的研究方法，並採取兩種不同 選擇（Selection）方式之基因演算法進行運算與比較，以期能夠透過基因演算法
布建出一個擁有高讀取正確率的環境。在本章中將說明本研究之背景與動機、研 究目的及論文架構。
第一節 第一節 第一節
第一節 研究背景與動機 研究背景與動機 研究背景與動機 研究背景與動機
近年來，許多國際企業相繼將 RFID 技術導入供應鏈中；例如沃爾瑪 [3]、惠普、IBM 等公司都已經開始將 RFID 技術導入至供應鏈[1、10、16、20]
中；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對稱使得需求變異逐漸增加而導致長鞭效應的 現象產生。而 RFID 可以快速大量讀取並正確處理貨物資訊、以及可以即時監控 貨物運送狀況的種種特性用以應用在供應鏈中可以大幅改善供應鏈中的庫存管 理效率，並且還可以大幅度的降低資訊處理與分享的時間解決供應鏈中資訊不對 稱的問題以及大幅度降低庫存以及人力成本。知名的大賣場沃爾瑪公司更預估當 整套 RFID 系統建置完成並導入其供應鏈後，將可以大幅度的降低至少 84 億元 美金的成本；除此之外，透過 RFID 系統資訊整合後對於貨物即時的追蹤以及持 續的監控可以有效降低貨物在流通過程中可能因偷竊或是人為運送處裡疏失而 造成的成本損失。
目前 RFID 系統主要是透過兩部分組成：一部分是由標籤(Tag)、資料讀 取器(Reader)與天線的硬體組成；另一部分則是後端的系統整合所組成。目前做 法是將被動式標籤（Passive Tag）搭載在貨物商品包中上或是搭載在貨物集裝外 箱上代替傳統的條碼，每當個別或是一整箱的貨物通過讀取器佈置的出入口時，
便不需像傳統的方式透過人工拿著掃瞄器個別去進行掃描、讀取計算等動作；而 是經由透過讀取器從標籤所反射回來的訊號來判別並收集目前通過的商品數量 以及產品類型等資料，透過後端系統將讀取器所收集到的資料進行處理過後產生 即時、快速與準確的資訊；再把這些資訊發佈到供應鏈中的上下游廠商進行資訊
共享，如此一來不但可以快速準確的掌握目前整個供應鏈的現況，同時還可以避 免長鞭效應的發生。我們可以看出，RFID 技術在整個供應鏈中可以有效的改善 與提昇效率與降低成本；但是，這必須建構在一個擁有高讀取率以及高覆蓋率 [15、22]的 RFID 環境底下才能夠有如此的成效。
因此，如何在貨物的進出口布建讀取器讓貨物在通過時能夠在高讀取率的 RFID 環境下迅速、正確的辨識出貨物的數量及資料便是一個相當值得研究探討 的議題。
第二節 第二節 第二節
第二節 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的
根據上一節所提出的研究動機，雖然目前 RFID 所具備之特性與優點幾近能 夠完全的解決傳統條碼上所遇到的問題與缺陷，但仍然有其缺點存在，諸如硬體 成本造價遠高於傳統條碼、主動式 RFID 標籤電力較難長時間維持等若干本身硬 體問題，以及讀取距離會因為讀取器和標籤之間所存在的障礙與干擾（例如：水、
金屬或是其他 RFID 標籤訊號的干擾）導致讀取器在讀取標籤資訊時的讀取距離 大幅的縮短或是訊號衰弱。除了上述問題之外，RFID 系統本身對於標籤資訊的 正確讀取率，由於讀取器對於標籤資訊的讀取正確率會因讀取器與標籤兩者之天 線擺設角度、座落位置或是因為不同讀取器之間彼此所發射的訊號干擾而導致讀 取器對於標籤資訊的讀取正確率明顯大幅度的下降。因此，在布建 RFID 系統環 境時，該如何擺設讀取器的坐落位置以及如何設定讀取器本身天線角度位置就成 為一個相當重要並極需解決的議題。
我們希望透過本研究提出一個有效率可布建出一個有高讀取正確率環境 [13、29]的方法，並且希望能夠以較低的布置成本來達到高讀取正確率的目標。
在本研究當中希望能夠提出一個方法用以布建出一個符合要求的高讀取正確率 的 RFID 環境，並且希望能夠將此環境內標籤所有擺放之可能性採取全面性的評
估與考量；同時將會評估讀取器與標籤天線擺設位置與角度兩者之間對於讀取正 確率的影響與變動。因此，在本研究中我們將會透過模擬標籤在出入口的空間 中，各種標籤坐落位置以及標籤天線擺設角度的變化中與讀取器在不同擺放位置 及不同天線角度的擺設狀況下所能達到之讀取正確性進行評估；接著透過基因演 算法將讀取器和標籤天線角度坐落位置透過基因編碼，藉由基因演算法適者生存 之特性在每代間進行演化，有效率的尋得符合研究目的之最佳解。並且透過兩種 不同的選擇方式（輪盤法、競爭法）來進行相同目標的基因演算法，在其後對兩 種不同選擇方式所獲得的最佳解進行評估與比較的工作；以了解在這樣一個相同 目標的情境下，哪一種選擇方法的基因演算法會較適合此種情境以及這兩種方式 所造成的差異為何。
第三節 第三節 第三節
第三節 論文架構 論文架構 論文架構 論文架構
本研究的研究目的，主要是以基因演算法的方式來尋找出一個在最低布點成 本下擁有高讀取正確率的環境的最佳化解。有關本論文的相關章節介紹如下：
第一章：主要為緒論的部分，探討關於 RFID 的特點與為何現今各企業相繼 將 RFID 技術導入其供應鏈中；並提出其技術目前最為重要的議題，標籤讀取正 確率部份為本研究的動機與目的。
第二章：相關文獻探討，對本研究之背景做一些介紹，包含了無線辨識射頻 技術（RFID）技術的基本相關文獻；以及目前主要的兩種 RFID 技術與其概念。
除此之外也將探討基因演算法其主要基本精神與設計的流程與概念，同時也將探 討本研究中所使用的兩種基因演算法選擇方式：輪盤式選擇與競爭式選擇的基本 相關文獻研究。
第三章：問題定義與研究架構，介紹系統開發環境與系統執行環境、並對研
究問題進行定義以及研究實驗架構進行說明，最後會將本研究所使用的基因演算 法進行設計以及說明。
第四章：實驗設計與結果分析，介紹實驗本研究所做的系統模擬實驗設計與 變數的設定，分析實驗結果以及效能的分析與比較，進而了解兩種方式間的差異。
第五章：結論，總結本研究相關的研究成果並針對未來研究之延伸加以說明。
第二章 第二章
第二章 第二章 文獻探討 文獻探討 文獻探討 文獻探討
在本章節中，將對本研究中所使用到之方法與系統相關理論和研究背景以及 過往相關研究，在此章節中會提到的包括無線辨識射頻技術（RFID）並就兩種 目前主要不同的規格之 RFID 主動式與被動式進行介紹；並且對 RFID 傳輸所使 用的基本傳輸模型提出該傳輸模型之定義並對其各種變數與數值詳加敘述介 紹。並且將會對基因演算法與其演算法流程，以及其中兩種不同的基因選擇方 式，輪盤法與競爭法設計概念進行介紹。
第一節 第一節 第一節
第一節 無線辨識射頻 無線辨識射頻 無線辨識射頻 無線辨識射頻（ （ （ （RFID） ） ） ）
RFID（Radio Frequency Identification）無線射頻辨識技術，又被稱為電子標 籤，主要是透過讀取器所發射出之電磁波感應對標籤進行讀寫資料的動作；RFID 擁有遠距離辨識讀取、可一次讀取辨識大量標籤資料、標籤不易毀損、標籤使用 生命長以及讀取速度快速與辨識率高等優點。圖 2-1 為典型的 RFID 系統，RFID 標籤本身並沒有能力可主動發送任何資料給讀取器，主要是透過接收讀取器所發 射之訊號本身的能量，轉換成電子標籤內部電路操作電能進而將資料透過訊號發 送給讀取器接收處理資訊。由於傳統的條碼讀取距離短，而且一次僅能讀取一組 條碼的數值，在單位時間內可以讀取判別的資訊數量較少並且容易因污損而失 效。每當廠商有商品進出亦或是需要進行全面性的盤點或是商品清查時，相關人 員必須拿著掃瞄器近距離的逐項掃描條碼，如此的工作效率必須耗費大量的時間 以及人力成本才能完成盤點，而且容易因人為的疏失而造成不必要的損失；但 RFID 技術同時擁有可在單位時間內遠距離、大量且快速地讀取標籤資訊的優 點，而且標籤不容易污損亦不會因人為疏失而造成損失。因此近年來，許多國際 企業例如沃爾瑪、惠普、IBM 等公司均已相繼將 RFID 技術導入供應鏈中。目前 RFID 系統主要是透過兩部分組成：一部分是標籤(Tag)、資料讀取器(Reader)與
天線；另一部分則是指後端的資訊處理系統。
圖 2 -1 RFID 系統示意圖[7]
而 RFID 所能夠發射的電波頻率頻段以及傳輸功率並非是隨意設定，而是由 美國聯邦通信委員會（FCC）根據政府規範所制定出一套標準依照各種不同類 型、不同用途的 RFID 技術所設立的各種合法規範範疇；現行的標準規範如表 2-1 所示，基本上可分為四個頻段、並且各頻段依其規格不同用途也不同，各自也有 不同的規格標準。
表 2-1 RFID 頻段表[7]
上述為 RFID 技術為基本主要的概念以及規格，目前主要所使用的 RFID 技 術主要分為主動式以及被動式兩種規格；在接下來兩節將會更深入探討與介紹現 今主要兩種 RFID 技術相關文獻資料。
第二節 第二節 第二節
第二節 被動式 被動式 被動式 被動式 RFID（ （ （ （Passive RFID） ） ） ）
在RFID系統當中，RFID標籤本身相較於讀取器而言功能較為單純簡單；尤 其在被動式RFID標籤中更為明顯，如圖2-2所示被動式RFID標籤本身並沒有獨立 供給驅動標籤電源部份，主要驅動標籤的電力來源則是來自於讀取器所發出的無 線電波透過被動式RFID標籤天線接觸後，標籤本身的天線線圈產生交變磁場進 而產生電力，進而驅動標籤內建的RF發射機模組與微處理器作動，如圖2-2所示，
透過標籤天線的線圈結構以及接收的電磁波作用而產生高頻率的電壓，電壓通過 二極體進行整流、濾波等動作後透過電容器產生足夠的電壓以驅動標籤上電路邏 輯進行運算以及記憶體存取。
圖 2 -2 被動式 RFID 標籤架構圖[6]
被動式RFID標籤的記憶體電路在沒有通電的狀態下標籤內本身的資料是不 會有所變動的。每當要驅動標籤進行讀取或寫入等動作時，必須透過整流電路利 用一個小型的電容讓電壓產生變化進而產生滿足讀取器對標籤讀取資料時所需 要的電壓規模時間。經過以上的步驟將接收的訊號轉變成為電力後，標籤本身才 有足夠強度的能量能夠將資料訊號發射並回傳到讀取器。儘管實際上設計實作的 細節會有所不同，但是在所有不同頻段的被動式RFID標籤上都是以相同概念方 法去設計。
現階段而言，被動式RFID標籤所面臨的最大挑戰為標籤製造成本降低以及 簡化標籤本身構造。被動式RFID標籤不需要電池、不需要合成器產生高頻率訊 號或是放大器將訊號放大成高頻率訊號以加強訊號所能夠傳播的距離，更不需要 低雜訊放大器來持續的進行監聽與擷取讀取器所發出的訊號。以上這些功能與最 基本的被動式RFID標籤所使用的線圈天線價格相比，若是標籤本身增加上述功 能，標籤本身製造成本相對而言將會大幅提高，因此可想而知在將來上述這些功 能元件將會分開製造，並依照不同案例需求安裝在被動式RFID標籤上。如此將 可以大幅度降低標籤的製造成本同時也能兼顧標籤功能；雖然減少功能能夠讓被 動式RFID標籤大幅降低成本，但是在標籤本身的設計上也因為省略許多功能而 增加許多限制條件。如標籤本身的讀取範圍由於必須靠讀取器發射的電磁波透過 天線線圈轉換成電力驅動。
因此，標籤能夠被讀取的範圍會被限制在讀取器所發射信號的覆蓋範圍之 內；而這樣的特性在UHF頻段中的讀取範圍限制會特別的顯著。此外，因為標籤 本身必須靠著從讀取器所發射的無線射頻來獲得有限的電力來源，所以標籤內的 電力需求設計要求降低至最小能源消耗的狀況。運算所需能源盡量達到最小化而 避免能源浪費，與讀取器的通訊協定採取單純簡潔的方式避免防止對被動式 RFID標籤造成過重負載，本身所搭載的感測器也設計為在接收到附近讀取器所 發射出的無線射頻狀態下才會被喚醒與進行動作。由於資源有限，在資訊的隱私 性以及安全性上也無法使用強度較高的加解密方式保護資訊，不過由於被動式 RFID標籤必須在較近距離才可讀取資訊的特性，讓被動式RFID標籤資訊的隱私 性與安全性處於一個尚可接受的範圍內。特別是在超高頻段（UHF）中，並不適 合較複雜精密的系統，畢竟要驅動較複雜的架構必須有足夠強度訊號電力來源；
而這樣的訊號狀況在被動式RFID標籤的情況下是不常見的。 此外，由於被動式 RFID標籤不具有電池電力需要定期檢查更換的問題，所以被動式RFID標籤本身 的材料也必須有不易損毀與可長期重覆使用的特性。典型的UHF被動式RFID標
籤如圖2-3所示，整個被動式RFID標籤幾乎是由塑膠材質所組成，並且將天線鑲 嵌其中。
圖 2 -3 被動式 RFID 標籤天線架構圖[6]
而鑲嵌的天線通常會附著在目標物件上，或是內嵌在印刷電路標籤之中。從 天線結構內部可以看見一個小型的IC晶片透過左右兩邊貼片搭載在天線上。透過 功能上的簡化以及結構上的調整，使得整個被動式RFID標籤厚度不超過1公厘並 且將成本降低至美金20分至幾美元以內的價格，畢竟低廉的價格與低導入成本是 企業願意接受並大量使用RFID技術的關鍵因素之ㄧ。由於目前市場上大多數企 業所導入的RFID技術為被動式RFID標籤，因此本研究為求貼近現實情境進行模 擬，研究中所採用的RFID系統為被動式RFID標籤。
第三節 第三節 第三節
第三節 主動式 主動式 主動式 主動式 RFID（ （ （ （Active RFID） ） ） ）
主動式RFID標籤與被動式RFID標籤最大的不同處在於主動式RFID標籤本 身即具有電源，無須透過讀取器的電磁波感應轉換為電力來源；主動式RFID標 籤本身即攜帶備有一個獨立電源供應來源。主動式的RFID標籤本身含有訊號接 收器隨時監聽訊號並且擁有個別主動式傳送器可以主動傳輸訊號與溝通；在主動 式RFID的架構下，每一個獨立的RFID標籤不單單是只有反射訊號單一功能，每 一個主動式RFID標籤可以具備有與其他主動式標籤或是與整個RFID標籤所形成 的網路內進行通訊傳輸的能力，圖2-4為基本的主動式RFID標籤架構圖。
圖 2-4 主動式 RFID 標籤架構圖[6]
主動式RFID標籤與無線感測網路中各個獨立的節點相比較之下，不論是在 通訊方式與傳輸方式各方面都十分相似。因此，在ZigBee以及IEEE 802.11的網路 規格標準中，將主動式RFID標籤以廣泛的標準規格為其進行定義並包含在其網 路規格標準其中。但是在主動式RFID標籤規格中的標準其中之ㄧ： ISO 18000-7 並沒有認可標籤與標籤間的通訊及溝通能力，而是認為在讀取器與標籤之間只會 有通訊狀況發生。因為主動式RFID標籤的主動傳送能力只是足夠可以將訊號傳 送到所設置的讀取器。相對的，讀取器也擁有可以接收讀取從主動式RFID標籤 所傳送出來信號的能力；但是主動式的RFID標籤與標籤彼此之間並沒有能夠互 相傳送信號以及接收讀取的能力。因此，目前在主動式RFID標籤的通訊規格標 準上，仍然有其模糊地帶與爭議存在。
雖說其規格標準仍有待定義，但是主動式RFID標籤其本身較被動式標籤強 力的通訊硬體能力可以讓主動式RFID標籤在一些對於被動式RFID標籤容易受到 干擾的地方使用，例如大面積的金屬物品、大量訊號干擾環境等。由於主動式 RFID擁有更多記憶體、較強訊號能力，所以常常應用在海運或是空運的貨櫃上；
用以紀錄大型貨櫃內的貨物裝載紀錄，並且對貴重物品進行即時的監視與控管。
除此以外，主動式的RFID標籤還可能與感測器進行結合提供更多的功能與應用
方式。
目前對於主動式RFID標籤來說，電力使用壽命為其最為關鍵部份；畢竟主 動式RFID標籤發射信號與監聽訊號所需電力來源完全是來自搭載的電池，主動 式標籤所使用電力方式不同於被動式RFID標籤可以從讀取器所發射的電磁波轉 換成電力以獲得電力來源；因此，如何有效利用並節省、延長主動式RFID標籤 的電池壽命是目前重要的議題之ㄧ。
圖 2-5 主動式 RFID 標籤實際狀況[6]
第四節 第四節 第四節
第四節 RFID 傳輸模型 傳輸模型 傳輸模型 傳輸模型
在本研究當中，我們所採用的RFID標籤與讀取器種類為被動式RFID(Passive RFID)類型，由於被動式RFID標籤本身傳輸能力主要是來自於讀取器所發射的電 波驅動標籤本身後，才能夠將資料信號傳送至讀取器進行讀取的動作；因此，我 們必須先就被動式RFID本身天線的特性進行了解並進一步使用其傳輸模型[11、
23]。在本研究中，我們所使用的被動式RFID讀取器天線為圓形極化天線(circular polariztion)[2]，該種天線電場在天線的立體透視圖中，如圖2-6所示看起來為一 個類似橄欖球型的電場；橄欖球型電場的形狀大小與長度主要會受標籤天線增益
圖 2-6 讀取器天線電場示意圖[12]
影響而改變形狀的大小與長短，除此之外所發射電波的強度也會對於電場所能夠 傳播的距離有所影響。
而在標籤天線部份，我們所選擇使用的天線為常見的半波長偶極天線 (half-wave dipole antenna)[2]該天線的電場在立體透視圖當中，其形狀如圖2-7所 示為一個中空形狀的圓形環狀電場。每當標籤與讀取器兩者天線之間要進行傳輸
圖 2-7 標籤天線電場示意圖[12]
與溝通時由於標籤天線本身的電場並無任何的方向性，而讀取器天線所產生的電 場是如橄欖球型並且具有指向性，所以每當讀取器天線發射出電波時；在其產生 電場的範圍內必須能夠覆蓋到標籤的所在位置，並且與標籤天線之間能夠產生天 線增益的狀況下，讀取器與標籤之間才能夠進行資料的讀取與傳輸。因此，考慮 到讀取器天線與標籤本身天線的擺放位置和角度以及兩者天線的電場特性；當我 們要對RFID的標籤讀取狀況以及讀取器覆蓋狀況[11、12]進行評估時，必須對於 標籤天線以及讀取器天線的擺設位置以及角度進行評估與考量。
為了能夠清楚明確的進行讀取器以及標籤的天線角度的定義，我們在這裡中 將會使用球面座標系統(spherical coordinate system)[26]如圖2-8所示該座標系統 為對讀取器與標籤之間的角度座標進行定義所使用；我們將會使用這個座標系統 定義讀取器以及標籤的天線角度。我們可以看見在此座標系統當中任意一點P點 與x-y平面之間的角度為夾角θ角、與z軸之間的角度為夾角θ角。
圖 2-8 球面座標系統圖
透過上述所提出的球面座標系統，在本研究中對於讀取器天線的座標系統定 義如圖 2-9 所示，座標軸 z 軸為讀取器天線所放置的方向。對任意 P 點而言，θr
是為 P 點與讀取器天線所放置方向之間的角度、ψr則為 P 點投影在讀取器所放 置平面上與 x-y 象限和 x 軸之間所產生的夾角角度。
圖 2-9 RFID 讀取器天線座標圖
在標籤天線的部份，此處可以從圖 2-10 中看到 z 軸為標籤天線所擺放的方 向位置；角度 θ 角為標籤與天線方向之間的夾角角度、角度θ角則為投影在標籤
所放置軸面上與 x-y 象限和 x 軸之間的夾角角度。
圖 2-10 RFID 標籤天線座標圖
在本研究中，我們將會採用被動式RFID標籤作為主要的實驗模擬對象，本 章節將會依學者學者Charles E. Greene所提出的研究[11]中定義所提出的傳輸模 型進行說明。該傳輸模型如下：
( ) ( )
( )
2 2(
2)(
2)
2, ,
ˆ ˆ
1 1
4
T T T R R R
R T T R T R
G G
P P p p
r
θ φ θ φ λ
= π ⋅ − Γ − Γ ⋅
以下是此RFID傳輸模型所使用各個變數說明：
PR = 標籤從讀取器所接收到的能量
P = 讀取器發射訊號所傳送的能量 T
r = 讀取器與標籤之間的距離
( r , θ φ
T,
T)
= 讀取器與標籤之間的位置與角度關係( θ φ
R,
R)
= 標籤的放置方位角度( , )
T T T
G θ φ
= 讀取器天線增益( , )
R R R
G θ φ
= 標籤天線增益Γ
T =讀取器的反射效率Γ
R = 標籤的反射效率ˆpT = 讀取器天線的偏極向量
ˆpR =標籤天線的偏極向量
λ
= 訊號載波波長傳輸模型中假設讀取器所發射的電波功率(P )為0.5w、標籤接收電波後回傳T 讀取器能夠被正確讀取的最低門檻值(P )為50µW。R
Γ
T和Γ
R為標籤和讀取器的 反射效率，每當讀取器與標籤之間的天線為不匹配的狀況之下，在傳輸訊號的過 程中便會產生天線抗阻，在讀取器與標籤彼此之間天線為匹配的理想狀況抗阻狀 況應為0。 pˆT⋅
pˆR 2為極化損耗因素，反應標籤與讀取器之間極化不匹配的狀況；由於本文中所使用的讀取器天線為線性極化天線，因此無論標籤是使用哪種天線 極化耗損因素的值均為0.5，而載波
λ
波長則為915MHZ。在此處所提出的傳輸模型為傳輸模型內所使用到的變數以及數值基本說 明，本傳輸模型在後續的章節與實驗中將會進一步的說明如何運用在本研究所進 行的實驗與基因演算法之中。
第五節 第五節 第五節
第五節 基因演算法 基因演算法 基因演算法 基因演算法
基因演算法的概念[4、9、14、17、18、19]最早是在1975年在知名學者Holland 著作Adaptation in Natural and Artificial Systems.此書中所提出，所提出的基因演 算法主要想法與概念來自於在自然生態界當中生物進行繁殖演化過程中物競天 擇、優勝劣敗的基本自然進化法則。Holland認為，生物演化的觀念不單單只是 在生態界中生物進行基因基因演化演進適用；而是在各種領域中，許多無解的問 題、或是需要求出最佳化解決答案的問題均可透過根據問題本身所探討尋求解答 之目的進行編碼。並依照生物基因演化的概念在問題編碼所產生的族群中透過既 定的運算規則產生出趨近最佳解的下一代基因解答。透過適應函數計算並選取出 適合問題屬性的基因個體繼續參與演化過程，依照此概念持續尋找出適合問題屬 性最合適的解答。自從基因演算法被提出並實際的進行各種應用之後，基因演算 法的概念便被大量使用在不同的領域研究之中。
由於本研究所探討的問題著重在於如何對於RFID入口讀取率布置最大化，
並且考慮到讀取器擺設位置與標籤坐落位置問題複雜度高；若是以窮舉法等傳統 方法求解，勢必會耗費大量的時間運算成本。因此，本研究希望透過基因演算法 的演化特性對於RFID入口讀取率布置最大化這個問題進行研究，希望能夠借助 基因演算法特性在低時間成本下求得一個符合要求的最適解。
第六節 第六節 第六節
第六節 基因演算法流程 基因演算法流程 基因演算法流程 基因演算法流程
在本章節中，將會就基因演算法流程主要的運算流程，進行基本的概念介紹 與說明。
基因演算法則中最重要的三個主要的運算部分為複製(reproduction)、交配 (crossover)、以及突變(mutation)。基因演算法則用來進行解最佳化問題的基本精
神為：先將所要搜尋的最佳化問題所使用的參數進行編碼，編碼過後的參數即是 稱為染色體(chromosome)的實數或是二元字串；例如數字13，可以用四個位元的 字串1101來代表這個數值。接下來透過隨機重複產生N個初始字串即為基因演算 法第一次開始進行演化所使用的初始物種，然後透過依照求解條件所設計的適應 函數(fitness function)對所有的染色體解碼計算出每一條基因染色體所代表的適 應函數值。經由適應函數計算過後適應函數值高的染色體會被挑選到交配池中 (mating pool)，這就是複製過程，再依照交配及突變過程的運算，即是完成一代 的基因演算法則。經由相同的模式重複運作產生出適應性最高物種，基因演算法 演算流程圖如圖2-6所示。我們將會就以下的流程對於基因演算法進行簡單介 紹，並說明基因演算法當中各個主要的演算部分以及其概念[16]。
圖 2-11 基因演算法流程圖
複製複製 複製複製
複製(reproduction)是透過每一條染色體經由適應函數計算後，依照適應函數 值所代表的適應程度高低來決定該染色體在下一個子代中淘汰或是複製數量多 寡的運算過程，適應度高的染色體在下一個子代中會被複製至交配池中，而適應 度低的染色體在下一個子代中將會被淘汰。複製過程中主要有兩種方法[8]：輪 盤式、以及競爭式選擇，敘述如下：
(1) 輪盤式選擇
輪盤式選擇輪盤式選擇輪盤式選擇(roulettle wheel selection)在每一個世代的演化過程中，依照每一條染色體透過適應函數所計算出來 的適應函數值大小分配在輪盤上的位置，適應值越高在用以選擇被複製基因輪盤 中所佔有的面積越大；接著透過在隨機選取輪盤上的一點，用以決定將會是哪一 條基因被選中並且被複製，而各染色體適應值越高被選中送至交配池的機率相對 也越高。假設有五個適應值，分別是1、2、3、4、5則每個適應值所對應的染色 體被選中的機率為1/15、2/15、3/15、4/15、5/15，若隨機選取產生的數值為5則 被選中的對應染色體為適應值為3的染色體；被選中的染色體即被複製至交配池 中準備進行下一世代演算所用。
(2) 競爭式選擇
競爭式選擇競爭式選擇競爭式選擇(tournament selection)在每一個世代的演化過程中，該世代所擁有的染色體中隨機的選取兩個或是 多個的基因染色體透過適應函數計算出每一條染色體所擁有的適應函數值後，每 條染色體進行適應值的比較，透過生物界中優勝劣敗、適者生存不適者淘汰的生 物演化競爭法則特性對該世代所擁有的染色體進行比較與競爭的想法，透過這樣 的概念進行個別的比較與競爭後，最後具有最大適應值之染色體即被選中複製至 交配池中。
上述兩種複製方法輪盤式選擇以及競爭式選擇兩種方法在基因演算法則的 演算過程當中都能夠達到所基因演算法則當中複製過程所要求適者生存之目 的，但是此兩種不同的選擇方式對於基因演算法的演算過程以及所花的時間成本 都有所不同，對於本研究所探討的問題在基因演算法當中此兩種不同複製方法所 造成的差異將會在後續章節中進行分析與比較。
交配 交配 交配 交配
在經過複製的步驟後所複製至交配池中的染色體大多為該世代適應值較高 亦代表較為優秀較符合基因演算法解答的染色體，我們希望透過將交配池中挑選 出來母代染色體進行交配[17]以產生下一世代的染色體繼續進行演算；藉由彼此 交換編碼資訊以組成全新排列的染色體，透過累積前代優秀的染色體編碼資訊期 望能夠透過交配的方式進一步產生出比前世代更為優秀的子代。
交配發生機率由基因演算法中所設定的交配機率控制，在基因演算法當中基 本常用的交配過程主要有三種方式分別為：單點交配、兩點交配以及遮罩交配，
這三種方法將會分別介紹如下。為求能夠情楚說明，在以下我們將以兩條長度位 元為五，分別代表0以及31的二進位字串染色體進行三種不同交配方式其概念上 的簡單介紹與說明。
(1) 單點交配法
單點交配法單點交配法單點交配法在所選取的兩條染色體中，透過隨機選取一個決定用以進行染色體交配動作 的染色體交配點，此交配點所代表的意義為被選取的染色體從此點開始的位元資 訊到該染色體最後一個位元資訊將會互相進行交配，交配的方式為兩條進行交配 的染色體中在這個隨機選取的交配點後進行交換雙方所有的編碼資訊，過程如圖 2-12所示，在交配點過後兩條染色體分別交換彼此的染色體資訊；透過交配的動 作，染色體A與染色體B本來分別代表0、31兩個數字的染色體在進行交配動作後
所解碼出來的染色體A與染色體B的染色體資訊代表數字分別變為7、24兩個與進 行染色體交配前不同的數字。
圖 2-12 單點交配示意圖
(2) 兩點交配法
兩點交配法兩點交配法兩點交配法在所選取的兩條染色體中，透過隨機選取兩個決定用以進行染色體交配動作 的染色體交配點，這兩個交配點所代表的意義為被選取的染色體在此兩點間所有 的位元資訊將會互相進行交配，在被選中的兩條染色體中位於此兩交配點間中的 所有染色體位元資訊將會彼此交換。過程如圖2-13所示；當A與B透過兩點交配 後染色體A位元資訊所代表的數字從0變為3，而染色體B進行兩點交配後染色體 資訊所代表的數字則是從原來的31變為28。
圖 2-13 兩點交配示意圖
(3) 套選交配法
套選交配法套選交配法套選交配法套選交配法與其他交配法的概念較為不同，套選交配法的運作方式為隨機產 生一個包含與染色體相同長度位元資訊的染色體，以我們所舉的範例編碼資訊為 主而言其中的位元資訊則是隨機的由0與1所組成並且長度與交配的染色體相 同，可以將此染色體看作為一個遮罩；產生出這個遮罩染色體後，以這個遮罩對 要進行交配的染色體進行比對，遮罩中為1的字元即是兩條母代染色體的交配 點，與此遮罩染色體編碼中「1」對應的部份就必須對換，產生結果。過程如圖 2-14所示：染色體A所代表的資訊從本來的0經過套選交配法後變為6，染色體B 所代表的位元資訊則是從本來的31轉變為25。
圖 2-14 套選交配示意圖
突變 突變 突變 突變
突變過程是從交配池當中隨機選取一條染色體，並且在此染色體當中隨機選 取一個或是多個突變點，被選取的突變點將會對染色體內被選中的基因編碼位元 資訊進行突變的動作。突變的方式可以針對染色體內單一基因編碼資訊進行突變 或是對整條染色體編碼資訊進行突變的動作。若是以最基本的二元編碼的染色體 為例，就是將染色體中所選取的染色體基因編碼資訊中的0變1、1變0。
單點突變的過程如圖2-15所示：染色體A基因編碼資訊所代表的數字從本來 的17經過突變後轉變為16。在基因演算法當中，基因進行突變的主要概念想法為 仿效生物在競爭演化過程中，為了適應環境、增加物種競爭力時常會出現不可預
測的基因突變。當透過突變產生優秀的子代時就可以增加物種的競爭力繼續繁衍 優秀的下一代，而若是透過突變產生出競爭力低落不適合環境的下一代時，便會 依照自然界中物競天擇、優勝劣敗的演化法則淘汰掉。在基因演算法當中，基因 突變則是為了避免基因演算法的演算過程當中陷入一個區域最佳解的窘境，透過 基因突變的動作，增加在基因演化過程當中產生出優秀基因機會的其中一種方 式。
圖 2-15 單點突變示意圖
以上所介紹的流程即是一個基因演算法在進行基因演算過程時所進行的流 程，不論是使用何種語法或是工具進行開發，只要是遵循此種流程與概念進行演 算的方法均可稱做為基因演算法；上述介紹了在基因演算法進行演算時各步驟當 中基本概念的幾種不同演算方式與概念。而當進行設計一個基因演算法時，每一 個步驟當中使用哪種選擇方式與概念；或是透過何種突變方法適合目標函數的最 佳解過程，這其中的取捨就需依照各種應用方向不同去選擇與規劃設計。
在本研究中，所設計的基因演算法將會採取競爭法以及輪盤法兩種選擇方式 對於我們所設定的問題進行最佳化的求解；而兩種不同選擇方式在演算過程所產 生的差異與結果比較，我們也會對其作探討與分析。而對於我們所要進行求解的 問題其定義以及其基因演算法的設計我們將會在第三章詳加論述說明。
第三章 第三章
第三章 第三章 使用基因演算法布置具有最大讀 使用基因演算法布置具有最大讀 使用基因演算法布置具有最大讀 使用基因演算法布置具有最大讀 取率之
取率之
取率之 取率之 RFID 入口 入口 入口 入口
本章節中，將會建立一個以物流出入口為基礎的情境作為所探討問題的基本 背景，並透過前章節所探討的無線辨識射頻技術為進行研究的主題所使用的方式 並且設計一個符合基因演算法對於以物流出入口環境為基礎的 RFID 布置[25、
28、29]具有最大讀取率的問題定義的演算法，在以下的章節我們會詳述本研究 探討的問題以及其定義並且將會提出對於該問題我們所設計的基因演算法。
第一節 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。
表 3-2 球面離散分配演算法
第二節 第二節 第二節
第二節 系統模型 系統模型 系統模型 系統模型
在本研究中，我們希望能夠透過貼近現實狀況中的物流出入口環境來進行研 究，並且試圖透過基因演算法則的演化特性來解決並尋找出 RFID 讀取器在物流 出入口當中擁有最大覆蓋率以及讀取率的最佳擺放位置以及角度。因此，我們透 過一個貼近實際狀況的模擬環境參數來進行基因演算法演算；下面我們會說明本 研究的基本研究架構。
讀取器 讀取器 讀取器 讀取器
我們設定讀取器所擺設的環境為一 3*3m 大小的物流運輸出入口，如圖 3-4 所示在此物流運輸出入口內部左右兩邊以及上方這三面牆上，以相同間隔距離每 隔 0.5 公尺的距離設定一個讀取器可能擺放的候選位置，在每一個讀取器的可能 擺放候選位置中分別設定有 45o、 0o、 45
−
o三種可能的讀取器天線擺放角度。圖 3-4 讀取器擺放位置與標籤坐落位置
標籤標籤 標籤標籤
標籤在出入口當中會出現的位置則是如圖 3-7 中出入口中較小的 2*2m 正方 形所表示，這個正方形空間我們將其稱為標籤空間(tag space)。在這個空間當中，
我們會透過相同的間隔距離表示標籤的可能坐落位置，在圖 3-4 中的每一個圓點 則是表示 RFID 標籤可能出現座落的空間位置；我們在每一個可能的標籤坐落位 置上會透過學者 Dave Rusin 所提出的演算法以及 RFID 電波傳導公式對於標籤 坐落位置上標籤天線可能擺設的各種角度和讀取率進行模擬。
讀取率 讀取率 讀取率 讀取率
在進行實驗的過程當中，我們會將一組布置讀取器以及標籤天線的位置與角 度參數設定，透過在標籤空間內每一個點透過球面模擬與 RFID 傳導公式計算標 籤空間內每一個點以及該點所有可能的標籤擺放角度的讀取率；經過計算後，將 會紀錄讀取率高於 90%的標籤可能坐落點，逐一模擬計算標籤空間內所有的可能 標籤擺放點之讀取率後，所有高於 90%讀取率標籤擺放點總和除以標籤空間內標
籤擺放點數量總和所得到的讀取率即為該組讀取器布置與標籤天線角度與位置 參數所得到的讀取率。
研究方法研究方法 研究方法研究方法
由於對於標籤可能坐落位置中，標籤天線各種可能擺放角度模擬的運算量相 當龐大並且耗費時間成本，所以我們在研究中將會使用基因演算法則，希望透過 基因演算法則的演化特性能夠幫助我們在較低的時間成本狀況下尋找出符合我 們所要求的高覆蓋率以及高讀取率的佈置最佳化讀取器天線的要求；並且透過此 次的基因演算法則的運算進而比較在此研究議題當中，基因演算法中競爭法與輪 盤法兩者之間在求取最佳解所造成的差異。
第三節 第三節 第三節
第三節 基因演算法設計 基因演算法設計 基因演算法設計 基因演算法設計
接下來將會說明如何設計我們將會如何把我們所設定的模擬物流出入口環 境的參數以及我們希望達到佈置具有最大化讀取率物流出入口之基因演算法以 及其流程。
編碼編碼 編碼編碼
在我們研究中所設定的物流出入口讀取器可能擺放的候選擺放位置總共有 15 個位置、在每一個位置讀取器天線設定有三種不同的可能角度位置，在這些 讀取器可能擺放位置以及可能擺放天線角度組合當中，我們希望透過基因演算法 找出其中兩種位置以及這兩位置中最理想的天線擺放角度組合；因此，總共可以 擺設的位置與角度組合為 15 組(讀取器可能擺放候選位置)乘以 3 種(天線可能擺 放角度)總共等於 45 種獨取器擺放可能位置與天線可能擺放角度的組合當中找出 一個可以擺放兩個獨取器並且擁有最大覆蓋率以及最大讀取率的位置組合。因此
在決定基因的編碼長度時，我們決定以所有可能擺放讀取器以及天線角度組合的 可能性設定為基因的位元數，我們把編碼的長度設為一組基因長度為 45 個位 元。如圖 3-5 所示，在每條基因編碼當中為 1 的位元就是擺放讀取器以及天線角 度的位置組合，由於我們在研究中所設定的目標為設置兩台讀取器，所以在每條 基因中最多只會出現兩個為 1 的位元。
圖 3-5 染色體編碼
在基因編碼當中，每一個位元所攜帶的位元資訊如圖 3-6 所示每一個位元所 包含的資訊為：讀取器在物流出入口所擺放的位置資訊、讀取器擺放的 θ 角度以 及讀取器擺放的ψ角度。
圖 3-6 染色體攜帶資訊
適應函數適應函數 適應函數適應函數
在基因演算法中每一組基因進行解碼後，解碼過後基因所攜帶的位元資訊會 傳入適應函數當中透過適應函數計算出該組基因的適應函數值。在本研究中，我 們的適應函數採用 RFID 的傳輸模型來計算每組基因的適應函數值；每一組基因 所代表的讀取器參數傳入後，在標籤空間內每一個點透過球面模擬與 RFID 傳導 公式計算標籤空間內每一個點以及該點所有可能的標籤擺放角度的讀取率；逐一
模擬計算標籤空間內所有可能的標籤擺放點之讀取率[12]後，每一組基因所代表 的讀取器參數後，在標籤空間內每一個點透過球面模擬與 RFID 傳導公式計算標 籤空間內每一個點以及該點所有可能的標籤擺放角度的讀取率；經過計算後，將 會紀錄讀取率高於 90%的標籤可能坐落點，逐一模擬計算標籤空間內所有的可能 標籤擺放點之讀取率後，所有高於 90%讀取率標籤擺放點總和除以標籤空間內標 籤擺放點數量總和所得到的讀取率即為此組基因的適應函數值。以下列出的演算 法流程為適應函數值計算時的演算法流程。
圖 3-7 基因適應函數演算法
複製複製 複製複製
透過適應函數計算出該世代適應函數值後，這些適應函數值將會依據適應程 度高低以及兩種不同的複製過程進行演化的過程；適應值高、優秀的基因將會透 過複製過程保留至下一個世代進行運算。在本研究中我們將會使用輪盤式選擇、
競爭式選擇兩種不同複製方法；輪盤式選擇是依照每一組染色體透過適應函數所 計算出來的適應函數值大小分配在輪盤上的位置，適應值越高在輪盤中佔輪盤面 積越大；然後在隨機選取輪盤上的一點，而各染色體適應值越高被選中送至交配 池的機率相對也越高。競爭式選擇則是在每一個世代的演化過程中，隨機選取兩 個或是更多的染色體進行適應值的比較，具有最大適應值之染色體即被選中複製 至交配池中。在我們的研究中，我們會透過兩種不同的複製方式進行基因演算法 並且對兩種不同複製方式所得到的結果進行分析與比較。
取代 取代 取代 取代
為了能夠讓優秀的基因保留到下一世代，在每一世代完成複製過程後我們會 透過將最優秀、適應值最高的基因保留並取代適應值最差的基因的步驟，以確保 最優秀的基因可以留至下世代進行演算。
突變與交配 突變與交配 突變與交配 突變與交配
突變與交配的部分，我們分別採取單點突變以及單點交配的方式。隨機選取 交配點進行交配；突變的部分，由於要確保每條基因內只會有兩個位元為 1，因 此在突變進行前與進行後，都必須確認是否符合編碼要求。
上述基因演算法的流程設計，將會在第四章設定並定義變數後進行實驗；並 就相同條件下兩種不同複製方法所造成的差異進行比較與分析說明。
第四章 第四章
第四章 第四章 實驗設計與結果分析 實驗設計與結果分析 實驗設計與結果分析 實驗設計與結果分析
在本研究中，我們透過基因演算法對物流出入口中 RFID 讀取器佈置最佳讀 取率擺放位置的問題求取最佳解，並且透過使用基因演算法對此問題進行求取最 佳解的實驗過程，,藉由此過程進一步探討在此最佳化問題當中透過基因演算法 兩種複製方法進行求解所造成的差異。在本章節中我們會詳述透過前一章所提出 的問題定義與研究方法對使用基因演算法對物流出入口中 RFID 讀取器佈置最佳 讀取率擺放位置的問題進行實驗的設計以及設定實驗所使用的變數，並就實驗所 得結果進行分析與比較。
第一節 第一節 第一節
第一節 實驗設計 實驗設計 實驗設計 實驗設計
根據第三章所提出的問題以及方法架構，本研究將會透過基因演算法進行對 物流出入口的RFID讀取器佈置最佳讀取率擺放位置進行求取最佳解的實驗；我 們在此實驗當中將會依照學者Balanis在1997年時根據Friis’Equation 定義所提出 的傳輸模型[1]對基因演算法中演化的基因組合在解碼後，透過此模型對於產生 的讀取器擺放位置組合進行讀取率計算。在實驗當中，對於此傳輸模型以及基因 演算法中我們所使用的各變數以及參數的設定我們將會在以下部分進行介紹。
( ) ( )
( )
2 2(
2)(
2)
2, ,
ˆ ˆ
1 1
4
T T T R R R
R T T R T R
G G
P P p p
r
θ φ θ φ λ
= π ⋅ − Γ − Γ ⋅
我們實驗中所使用的讀取器所發射電波功率(P )為 0.5w、標籤接收電波後回T 傳讀取器能夠被正確讀取的最低門檻值( PR)為 50 w
µ
。Γ
T和Γ
R為標籤和讀取器的 反射效率，當讀取器與標籤之間的天線不匹配時，便會產生抗阻，在天線與標籤 匹配的理想狀況抗阻應為 0。 pˆT⋅
pˆR 2為極化損耗因素，作用為反映標籤與讀取器之間極化不匹配的狀況；但是當讀取器使用的天線為線性極化天線[9]時，無 論標籤是使用哪種天線極化耗損因素平均值為 0.5。而載波波長
λ
則為 915MHZ。透過上述所提出的傳輸模型與其變數的設定，我們將可以使用第三章所設計 的基因演算法方法架構進行演算，透過基因演算法的演化過程進而求出在物流出 入口中最佳化讀取率的 RFID 讀取器位置放置組合。
本研究所設計並使用的基因演算法則中，交配率為 0.3、突變率為 0.05、初 始子代與每一子代物種數量為 20、搜尋終止條件為 30 個世代的演化。以相同的 RFID 物流出入口讀取器佈置讀取率最大化問題為最佳化目標，同時進行兩組基 因演算法的演化運算，一組為複製過程使用輪盤法、另一組則為複製過程使用競 爭法在相同條件之下，兩者各進行 100 次運算；運算完後就兩組實驗結果進行比 較與分析。
本研究所設計的基因演算法則所使用的開發語言為 MATLAB7.1；進行以上 實驗運算的電腦規格與作業系統環境為 CPU：E6600、1GB 記憶體容量、系統環 境為 Windows XP Professional SP3。
第二節 第二節 第二節
第二節 效能 效能 效能 效能分析 分析 分析 分析
我們透過前一章節所設計的基因演算法對於 RFID 物流出入口讀取器佈置讀 取率最大化運算後，所得到擁有最大讀取率擺放位置與角度得到最佳的讀取器天 線擺放位置與角度為位於出入口左側高 1.5 公尺讀取器擺放角度為0o的位置與擺 放位置位於出入口右側高 1.5 公尺讀取器擺放角度為0o的位置；在這個擺放位置 組合下，對於整個標籤空間內的標籤讀取率有 80%的正確讀取率並且在這擁有 80%正確讀取率的標籤空間當中，標籤所能夠達到的讀取率為 90%。而在透過兩 種不同複製方法所求出的讀取器讀取率最大化的最佳解擺放位置均相同，並且在
