汪力行

（東北大學 計算機科學與工程學院，遼寧 沈陽 110000）

射頻識別技術下的產品質量評價體系設計與開發(fā)

汪力行

（東北大學 計算機科學與工程學院，遼寧 沈陽 110000）

在葡萄酒行業(yè)中，如何用客觀的方法評價葡萄酒質量一直是一個棘手的問題。射頻識別技術（RFID）的出現則提供了一個方法，可以更有效地管理葡萄酒生產。本項研究提出了一個基于RFID的質量評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)控葡萄酒的整個供應鏈。這個系統(tǒng)可以在葡萄酒投放市場出售之前記錄、處理和管理所有有關葡萄酒的信息?；谠摫O(jiān)測系統(tǒng)，本項研究提出了一種結合k-NN算法和人工神經網絡技術的方法以對葡萄酒的最終質量進行量化。該質量評價系統(tǒng)還可以及時發(fā)現事故，減少損失，防止偽造。

射頻識別；葡萄酒產業(yè)；食品質量

0 引言

葡萄酒產業(yè)是一個擁有幾百年歷史的古老產業(yè)，也正因如此，業(yè)內人士在生產葡萄酒和評價葡萄酒質量上仍在使用著古老傳統(tǒng)的方法。現在最常見的評價葡萄酒質量的方法是通過專家判斷給出葡萄酒的質量評分。這種傳統(tǒng)方法并不是一個客觀合理的方法，專家的判斷往往過于主觀。此外，因為專家成本太高，大多數葡萄酒產品質量未被評價過，消費者通常只能根據品牌的聲譽或生產葡萄酒的產地來判斷其質量。許多研究在關注如何制定有效的葡萄酒質量評價方法。一些科學家試圖通過分析葡萄酒的成分來找出為什么有些葡萄酒具有良好的風味而有些沒有。但是葡萄酒的成分是復雜的，很難找到有相同成分的兩種葡萄酒。還有一些科學家試圖通過分析葡萄酒的制造工藝來評價葡萄酒質量，但卻受限于技術，無法實時監(jiān)測到工藝中的每一個環(huán)節(jié)。隨著RFID技術的出現，對供應鏈的每一環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測變?yōu)榭赡?。同時，對制造和運輸過程進行監(jiān)測還可以有效防止仿造。本項研究的目的是基于RFID技術設計的一種質量評價系統(tǒng)來幫助消費者更好地了解葡萄酒質量。

為了更好的識別和追蹤產品，條形碼技術已被用于貨物管理多年。目前，RFID技術開始替代條形碼技術。RFID是一種新興的技術，最近幾年越來越多地應用在物流和供應鏈管理方面[1]。該技術使用無線電來識別物體，而不需要光線或物理接觸[2]。相對于條形碼，RFID能夠確保在快速移動中捕獲實時信息。此外，RFID提供了更大的數據容量和可更改的特性，還能抵御濕度和灰塵[3]。同時，EPCglobal提出的ePedigree系統(tǒng)使識別和跟蹤產品更加容易。葡萄酒生產商可以在酒廠安裝傳感器和RFID讀寫器，數據可以實時被傳送到EPCglobal，在相關的ePedigree系統(tǒng)中記錄各項生產儲存信息。在葡萄酒集裝箱運輸中，則可以應用嵌入傳感器和RFID標簽來記錄各項環(huán)境數據，例如集裝箱內的溫度和濕度。具體細節(jié)將在第2節(jié)予以介紹。

這項研究的目的是在RFID技術環(huán)境下開發(fā)一種質量評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以監(jiān)測葡萄酒的整條供應鏈，從葡萄園中的葡萄到瓶中的葡萄酒，從倉庫到零售商。在這個過程中，當有異常事件發(fā)生時，它會給運營商警告。該系統(tǒng)的另一個功能是應用k-NN算法和人工神經網絡對葡萄酒質量進行評估，并將評價結果提供消費者以供參考。

本文的其他部分安排如下：第1節(jié)為關于RFID應用的研究文獻的回顧，以及對于RFID的系統(tǒng)以及有關葡萄酒產業(yè)的一些調查研究。第2節(jié)主要介紹所提出系統(tǒng)的整體結構，接著描述了基于RFID的監(jiān)測系統(tǒng)以及該系統(tǒng)是如何跟蹤監(jiān)測葡萄酒的供應鏈。第3節(jié)主要描述了評價葡萄酒質量的方法。最后一節(jié)對該項研究予以總結，并討論未來的工作計劃。

1 文獻綜述

RFID技術使用日益廣泛，許多研究人員已經為這種新技術的應用設計了不同的系統(tǒng)。應用RFID和傳感器技術，Dupuit等人[4]在2007年提出了針對污水處理廠結合基于規(guī)則的推理算法，提出了一個決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)從傳感器中分析數據，監(jiān)測污水處理情況，并檢查污水網絡是否發(fā)生故障。Park等人[5]在2006年提出了一個集裝箱堆場管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)目的是確保集裝箱的安全，以防集裝箱里物體丟失，并追蹤查探集裝箱。Sadek等人[6]在2001年為高速公路交通流量的管理開發(fā)出一個基于案例推理的原型系統(tǒng)。他們的研究結果表明該原型系統(tǒng)可以實時監(jiān)測公路交通，并通過案例庫自動產生高質量的解決方案。為了在傳輸中監(jiān)測集裝箱內的產品，Jedermann等人[7]在2006年開發(fā)了一種實時自助傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)把傳感器和RFID標簽分離開，因此，系統(tǒng)可以很容易擴展連接不同種類的傳感器，以滿足客戶對特殊環(huán)境數據監(jiān)測的要求。Woo等人[8]在2009年提出了一個對于產品狀態(tài)實時跟蹤的系統(tǒng)，甚至當產品在一個盒子或容器中時，該系統(tǒng)都可以對其進行跟蹤。Abad等人[9]在2009年為追溯食品供應鏈和冷鏈監(jiān)測開發(fā)了基于RFID的系統(tǒng)。Huang等人[10]在2009年討論了在制造業(yè)方面基于RFID的無線技術。Zhang等人[11]在2010年采用工作流管理作為機制來促進RFID的實時可重構制造系統(tǒng)。韓存武等人[12]采用RFID技術設計了一個高校設備管理系統(tǒng)，極大地提高了設備管理水平。

基于這些以往的調查研究，本項研究提出了一個基于RFID的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合RFID和傳感器技術來監(jiān)測葡萄酒整條供應鏈。在系統(tǒng)的設計工作中，葡萄酒行業(yè)的特性也要予以考慮。Charters和Pettigrew[13]2007年在他們的葡萄酒行業(yè)的研究中采用定性的方法調查澳大利亞葡萄酒飲用者關于葡萄酒質量的看法，從而提出了全面的葡萄酒質量理念復雜性的描述。Ferrer等人[14]在2008年關注釀酒葡萄的收獲，并得出葡萄的質量對葡萄酒質量有很大影響的結論。在他們的文章中，一個質量損失函數被用于表示相對于最佳日期過早或延遲收獲所造成的葡萄酒質量的損失程度。Raptis等人[15]在2000年用模糊神經網絡研究陳年蒸餾酒的分類，發(fā)現釀造桶是主要的影響因素，葡萄酒的香氣和味道是判斷葡萄酒質量的主要考慮因素。

FALKEN Secure Networks[16]已經開發(fā)一個基于RFID的質量跟蹤系統(tǒng)以實現法國波爾多地區(qū)葡萄酒公司的要求。該系統(tǒng)可以確保在裝卸、運輸、分配中葡萄酒的質量可以得到保障。系統(tǒng)有4部分。它可以在成長收獲季節(jié)跟蹤葡萄園的氣候。在運輸過程中，監(jiān)測運輸車廂內的環(huán)境。同時，葡萄酒的實時位置也會被記錄。此外，它具有追蹤管理釀造桶的作用，為釀酒師提供完整的釀造桶的使用歷史和風味介紹。在零售層面，系統(tǒng)能有效防止假冒，幫助餐廳和葡萄酒經銷商監(jiān)測酒的儲備，并管理庫存。

考慮到葡萄酒行業(yè)的特征，本項研究所提出的系統(tǒng)在設計時將會采集了葡萄園氣候信息，車輛位置信息，卡車車廂和倉庫內部的環(huán)境等實時數據。數據經過處理后，系統(tǒng)經過算法計算向用戶顯示葡萄酒質量的評估結果。

2 基于RFID的實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

本節(jié)首先介紹了整個系統(tǒng)的體系結構。圖1顯示了基于RFID的實時監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作流程。葡萄酒的供應鏈可以分為4部分：葡萄種植，酒廠釀造，地窖存貯以及配送。對每一部分，設計不同的實時監(jiān)測系統(tǒng)。最后，所有搜集到的數據信息組成了一瓶酒的ePedigree電子家譜。相關信息在之后的質量評價系統(tǒng)中進行分析。本節(jié)接下來會對實時監(jiān)測系統(tǒng)中的每一部分進行描述。在之后的第3節(jié)中會介紹質量評價系統(tǒng)中使用到的算法。

圖1 基于RFID的實時監(jiān)測系統(tǒng)設計Fig. 1 The design of the RFID-based real time monitoring system

2.1 在葡萄園進行質量監(jiān)測

毫無疑問，葡萄是影響葡萄酒質量的主要因素。如果可能的話，在葡萄園中布置一個RFID系統(tǒng)可以日夜記錄日照時間、濕度和溫度等信息。這一步并不是必要的。為了節(jié)省成本，當葡萄生產商向酒莊供應葡萄時，他可以告訴酒莊葡萄園所在地，種植以及收獲葡萄的時間等信息。系統(tǒng)根據這一批葡萄的生產時間以及產地，自動獲取天氣信息，并將葡萄的品種、生產者信息和噴灑殺蟲劑情況記錄在ePedigree中。

信息傳送至將在第3節(jié)介紹的質量評價系統(tǒng)模塊中，質量評價系統(tǒng)將為這批葡萄分配一個ID。

2.2 釀造中的質量監(jiān)測

蒸餾在葡萄酒的生產中是很重要的一步，蒸餾的質量影響最終葡萄酒的質量。新鮮的蒸餾液通常有刺鼻難聞的氣味和尖銳的味道。儲存在橡木桶中多年，對提高蒸餾液的香氣和味道是很有必要的（Thoukis 1974，Nishimura and Matsuyama 1989）[17-18]。在成熟過程中，釀造桶是影響蒸餾質量的主要因素。RFID被用來記錄每一個桶的使用歷史，包括它的風味和年限。當桶上的RFID標簽被讀取時，蒸餾液的年限可以在系統(tǒng)中被記錄和追溯。在該階段，系統(tǒng)的另一個功能是對釀造桶的追蹤。盡管所有的桶看起來都差不多，但在該系統(tǒng)的幫助下，可以避免誤拿不合適的釀造桶進行釀造。

2.3 地窖中的質量監(jiān)測

葡萄酒在地窖或倉庫儲藏時，溫度和濕度需要被記錄下來。由于地窖通常很大，只有一個溫度或濕度傳感器是不夠的。附有RFID標簽的傳感器可以幫助操作者區(qū)分不同位置的傳感器。RFID讀寫器也將安裝在地窖中，相關的環(huán)境因素數據可以實時發(fā)送到后臺系統(tǒng)中。獲取數據后，系統(tǒng)首先清理數據：包括識別異常值，消除噪音數據，消除不一致數據等。數據經過處理后，將進入系統(tǒng)的預警模塊。預警模塊使用PROLOG語言書寫的規(guī)則推理進行設計，當溫度或濕度超出安全范圍時，該模塊給出警告以及警告內容。

2.4 葡萄酒配送中的質量監(jiān)測

葡萄酒被配送時，基于RFID的監(jiān)測系統(tǒng)會監(jiān)測車廂內的環(huán)境情況。如圖2所示，系統(tǒng)包括兩部分：RFID和傳感器。RFID部件是由RFID標簽和RFID讀寫器組成。這一部分向EPCglobal傳送產品信息和配送信息。EPCglobal和全球定位系統(tǒng)的結合具有追蹤產品到達不同位置和位置可視化的功能。該信息可以幫助消費者檢查葡萄酒是否遵循正確的物流流程。如果在酒的配送過程中運輸鏈的一部分丟失，那么酒也可能出問題，從而可以達到預防食品安全風險的目的[18]。RFID和傳感器部分可以在車輛中監(jiān)測車廂內環(huán)境。傳感器網絡是由RFID和數個溫度、振動和濕度傳感器連接而成。傳感器通過GPRS或其他無線通訊技術將信息傳送到后臺系統(tǒng)。位置信息也可以通過車載GPRS實時傳送到后臺系統(tǒng)。數據被處理后，信息被傳送到前面2.3節(jié)介紹的預警模塊中。當葡萄酒在運輸過程中時，預警模塊可以幫助用戶判斷集裝箱內的環(huán)境是否符合運輸要求。

最后，酒被出售時，使用RFID讀寫器閱讀酒瓶上的RFID標簽，整瓶酒的譜系可以從系統(tǒng)中檢索出了。圖3顯示了一瓶葡萄酒的譜系。在下一節(jié)中，質量評價系統(tǒng)所使用的算法將會被介紹。

3 質量評價算法

質量評價系統(tǒng)分為五部分：葡萄質量評價，蒸餾液質量評價，貯存質量評價，配送質量評價，葡萄酒質量評價。對于葡萄質量評價，輸入是地區(qū)的經度、緯度、日照時間、災害情況、殺蟲劑和惡劣天氣，輸出是葡萄質量評價分數。對于蒸餾液質量評價，輸入是釀造年限、釀造桶的使用情況和釀造桶的年齡，輸出是蒸餾液質量評價分數。對于貯存質量評價，輸入是異常溫度和濕度，輸出是貯存質量評價分數。對于葡萄酒配送的質量評價，輸入是運輸時間、運輸距離、異常地震度、異常溫度和濕度，輸出是質量評價分數。對于葡萄酒質量評價，輸入是葡萄分數、蒸餾液分數、貯存分數和配送分數，輸出是葡萄酒質量分數。系統(tǒng)中評價分數的范圍是從0到10。

該算法結合了k-NN算法（Keller等1985年提出）[19]與人工神經網絡，使得解決問題的能力得到顯著改善和加強。劉幫等[20]就曾成功應用神經網絡中的支持向量回歸機模型（SVR）量化污水水質并

圖2 基于RFID的追蹤和監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 2 The monitoring system in logistics

圖3 葡萄酒的譜系Fig. 3 An example of identification code in wine industry

其中n是感知器輸入的數量，step是激活函數。

步驟3：訓練權重

更新感知器的權重

其中Δwi（p）是迭代p中的權重校正。

加權系數校正是由增量規(guī)則計算：

步驟4：迭代

增加一個迭代p，返回到步驟2，并重復這個過程直到收斂。

這樣wi就被確定了。

設ui（x）為未分類x的指定的成員，uij為第j個向量集的第i個類的成員。模糊分類器的輸入是成員uij，k-NN算法的數量和未知分類x的集合W。模糊分類器的輸出是指定成員進行預測。

本算法的具體描述如下：

W={x1,x2,…xn}是n個向量的集合，其中每個向量的元素代表輸入zi的定性測量，即xi=（w1×z1i，w2×z2i，…，wn×zni），其中wi×zij是一個坐標軸的值，wi是權重系數。它的值是根據具體問題決定。一個簡單的單層神經網絡被用來訓練它們的值[21]。

步驟1：初始化

設置初始權重wi和臨界值θ為任意值。

步驟2：激活

通過輸入值zi（p）和所需的輸出Yd（p）激活感知器。讓P=1迭代計算實際輸出。

模糊算法描述如下：

步驟1：選擇k，1≤k≤n

輸入未知數x

初始化i=1

直到k-NN算法中x被找到，j=1，2，…，n

步驟2：計算從x到xj的距離

M是一個p×p的正定矩陣，p是向量xj（j=1，2，…，n）的維數。當M是單位矩陣Ip時，d是其歐幾里得距離。

步驟3：如果i＜=j，則將xj包含在k-NN集合中；否則，如果xj比任何先前最近鄰結點更接近x，則刪除k近鄰集中最遠的，包括k-NN集中的xj。

步驟4：i=i+1

步驟5：初始化i=1 直到（x在所有類中被分配成員）

對于j=1，2，…，n

步驟6：計算

4 案例分析

由于葡萄酒的生產往往需要數年，現實生活中收集到的數據往往不夠系統(tǒng)分析。在這里，用一個模擬案例來描述系統(tǒng)的操作步驟。

CLR是波爾多地區(qū)的一個酒莊，該酒莊每年生產大量的葡萄酒。過去，酒莊做了很多努力，付出很多錢來區(qū)分葡萄酒的品質。他們使用傳統(tǒng)的方法即聘請一些專家品嘗葡萄酒，專家會給葡萄酒做上一個評分，評分幫助酒莊比較葡萄酒的不同批次。然而，該方法是過于主觀的。另外，不同專家的評分也很難相互比較。酒莊希望有一個客觀的方法來評價葡萄酒質量。一個基于RFID的質量評價系統(tǒng)因此被提出。該系統(tǒng)的操作步驟將在下面的段落中予以描述。酒莊不強制農民在葡萄園里安裝基于RFID的監(jiān)測系統(tǒng)，但是，當農民向酒莊出售葡萄時，他們需要填寫如表1那樣的表格。

制造葡萄酒的第一步是蒸餾。監(jiān)測系統(tǒng)主要用于管理釀造桶。在每個桶的外部安裝有一個D2B設備。設備是由活性RFID標簽和無線通信終端組成。該RFID標簽頻率是433兆赫茲，并且設備工作在大約40-60米的距離（Kwok等人2008年提出）[22]。當員工用RFID閱讀器讀標簽時，如表2所示，他可以獲得釀造桶的當前以及歷史數據。當員工想拿某一些特定釀造桶時，他只需點擊手機上所需的釀造桶，一條無線消息將會被傳送到桶，然后，這些桶上被選擇的D2B設備將會閃爍，并發(fā)出蜂鳴聲，以獲得員工的注意。蒸餾后，葡萄酒儲存在地窖中，系統(tǒng)可以幫助監(jiān)測地窖里的濕度和溫度。20個溫度和濕度傳感器安裝在地窖中，每個傳感器粘貼一個RFID標簽。標簽可以幫助人們識別傳感器的位置以及區(qū)分各個傳感器。在這種情況下，安全溫度設置為13度到17度之間，安全濕度設置為70%到75%。如果溫度或濕度超出范圍，帶有無線模塊的傳感器就會向后臺系統(tǒng)發(fā)出警告，該事故將被記錄，如表3所示。在運輸過程中，基于RFID的監(jiān)測系統(tǒng)安裝在車輛中，如圖4所示。該系統(tǒng)可以提供車輛位置實時信息。而且，如表4所示，系統(tǒng)可以在運輸過程中記錄車廂里的環(huán)境情況以幫助人們分析其對葡萄酒質量的影響。

表1 葡萄信息Tab. 1 Infoon about grapes

表2 桶的信息Tab. 2 Information about barrel

表3 酒窖環(huán)境Tab. 3 Information about cellar environment

表4 運輸信息Tab. 4 Information about transportation

4個表中每個因素都有一個權重；神經網絡被用來訓練權重。初始階段，葡萄酒會被專家評分，專家給出的評分則用來訓練權重。經過多次訓練后，權重值幾乎一致，也就沒有必要雇專家了。公式（6）被應用于計算葡萄酒被分類到何種程度。

最后，當消費者想要買一瓶葡萄酒時，他只需將葡萄酒放在安裝有RFID讀寫器的柜臺上；系統(tǒng)將顯示其質量評分和這瓶酒的ePedigree（電子譜系）。此外，該系統(tǒng)也可以用來防止偽造。

圖4 基于RFID的追蹤和監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 4 The monitoring system installed on trucks

5 總結

為了提高葡萄酒行業(yè)的質量評價方法，一個基于RFID技術的質量評價系統(tǒng)被開發(fā)出來。該系統(tǒng)有2個功能：實時監(jiān)測和質量評價。實時監(jiān)測系統(tǒng)的功能是監(jiān)測和管理葡萄酒產品的整個供應鏈。質量評價系統(tǒng)的功能是在供應鏈每一個環(huán)節(jié)中評價葡萄酒質量。質量評價系統(tǒng)從實時監(jiān)測系統(tǒng)中獲取數據，應用k-NN和人工神經網絡相結合的算法計算評分。

在葡萄交給酒廠時，系統(tǒng)便開始工作。質量評價系統(tǒng)根據天氣和葡萄的地區(qū)信息標記葡萄的質量等級。根據葡萄等級，生產商可以決定為制造酒投入多少資源和成本。在釀造過程中，質量監(jiān)測系統(tǒng)對釀造桶予以識別，可以避免誤用不合適的釀造桶這類的人為錯誤。酒窖里的環(huán)境因素也會被系統(tǒng)監(jiān)測。如果發(fā)生任何意外情況，該系統(tǒng)可以及時給予警告。釀造后，蒸餾的質量將通過評價系統(tǒng)進行評估。如果蒸餾的評分很高，生產商應該更注意釀造和配送環(huán)節(jié)。當葡萄酒進入市場時，RFID標簽將會貼在酒瓶上。消費者可以掃描標簽從系統(tǒng)了解葡萄酒的評分，并據此來選擇葡萄酒。此外，葡萄酒瓶上的RFID標簽也為偽造產品的鑒別提供有效工具。

本項研究所提出的系統(tǒng)可以改進葡萄酒的供應鏈管理，它可以取代現在的主觀和無效的葡萄酒質量評價方法，它可以幫助消費者在開軟木塞之前了解葡萄酒。此外，現在不同地區(qū)有不同評價規(guī)則。該系統(tǒng)旨在建立一個統(tǒng)一的標準，幫助人們更方便地了解他們買到的產品的質量。

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The Design and Development of a RFID Enabled Quality Evaluation System

WANG Li-xing
(School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110000, China)

It is a challenge for evaluation of a product quality in object ways. With the development of radio frequency identifcation (RFID) technology, supply chain management of products becomes effective. This paper frstly introduced how to design a RFID for monitoring everything that happened in the supply chain. Using the data archived by the RFID-based system, a k-nearest neighbor algorithm hybrid with artifcial neural network is proposed. The algorithm can be used for product quality evaluation. Additionally, a case about quality evaluation in wine industry is introduced to illustrate how the system and the algorithm worked. With the help of such a system for quality evaluation, accidents can also be discovered timely, which can reduce losses and prevent counterfeit.

RFID; Wine industry; Food quality evaluation

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.007

:WANG Li-xing. The Design and Development of a RFID Enabled Quality Evaluation System [J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 36-44.

國家自然科學基金青年基金（71502029），中央高校基本科研業(yè)務費（N150404023）資助

汪力行（1984-），女，江西人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：RFID技術應用，決策支持系統(tǒng)，數據挖掘等

本文引用格式：汪力行.射頻識別技術下的產品質量評價體系設計與開發(fā)[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（12）：36-44.