麻麗娜，段 禹

(華北電力大學(xué) 科技學(xué)院，河北 保定 071000)

1 引言

冷鏈物流泛指冷藏、冷凍類產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏運輸、銷售，到消費前的每一個環(huán)節(jié)中通過規(guī)定低溫環(huán)境來保證質(zhì)量，降低損耗的一項系統(tǒng)工程[1]。冷鏈物流適用于農(nóng)產(chǎn)品、速凍食品及藥品等特殊產(chǎn)品的運輸，具備保鮮能力強、運輸效率高、安全性強等優(yōu)勢[2]。通過冷鏈物流定位能夠?qū)崿F(xiàn)物流跟蹤，便于物流狀態(tài)監(jiān)控與位置信息查詢，提高發(fā)生異常時應(yīng)急救援的效率[3]。激光技術(shù)與無線傳感器技術(shù)在物流定位中的作用至關(guān)重要，合理的傳感器布設(shè)能夠提高定位精度。冷鏈物流定位傳感器布設(shè)是當前物流及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容，受到的眾多專家與學(xué)者的重視，且已出現(xiàn)一些較好的物流定位傳感器布設(shè)方法[4-5]。

文獻[6]提出了基于有限包絡(luò)圓的傳感器布設(shè)方法。為保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定精度，通過配平來減小傳感器相對位置的不平衡力矩，將各傳感器的布設(shè)位置看作變量，采用有限包絡(luò)圓方法進行約束，確保傳感器之間互不干涉，結(jié)合覆蓋范圍確定各傳感器最終的布設(shè)位置。該方法布設(shè)傳感器的定位偏差較小，但傳感器布設(shè)時間較長。文獻[7]提出了基于TDOF的傳感器布設(shè)方法。根據(jù)傳感信號到達信號接收傳感器的時間差，結(jié)合傳感器信標節(jié)點獲取同步節(jié)點與定位節(jié)點的信息，采用串口方式將TDOF信號發(fā)送到主控中心，通過空間坐標計算實現(xiàn)傳感器定位，完成布設(shè)。該方法的傳感器布設(shè)效率較高，但布設(shè)傳感器的定位偏差較大。

針對上述方法中存在的不足之處，提出基于激光技術(shù)的冷鏈物流定位傳感器布設(shè)方法。通過冷鏈物流定位體系構(gòu)建定位量測方程，利用微分計算獲得傳感器網(wǎng)絡(luò)定位誤差，采用無偏參數(shù)估計誤差方差理論確定最小定位誤差集，最終求得傳感器布設(shè)位置的全局最優(yōu)解，實現(xiàn)傳感器布設(shè)仿真優(yōu)化。設(shè)計對比試驗，驗證了所提方法在傳感器布設(shè)中的有效性。

2 基于激光技術(shù)的冷鏈物流定位傳感器布設(shè)方法

2.1 基于激光技術(shù)的冷鏈物流定位體系

在進行冷鏈物流定位過程中，利用激光射頻技術(shù)與無線傳感器來獲取冷鏈物流位置及相關(guān)狀態(tài)信息。傳感器的布設(shè)會影響定位結(jié)果的準確性，合理的傳感器布設(shè)能夠減小定位誤差，降低成本花銷[8-9]。

通常情況下，部署在冷鏈物流裝置上的冷鏈物流源點信號在傳播過程中，受到障礙物阻擋時，需要以反射、折射與散射等方式傳播[10]，對應(yīng)的傳播圖示如圖1。

圖1 定位傳感信號傳播圖示

當信標節(jié)點的數(shù)量為N時，能夠獲取N個測量值，選取測量值集合中所有包含3個距離測量值的子集合，設(shè)其數(shù)量為k。采用最小二乘法[11]對各組合進行定位估計，獲得信號發(fā)射節(jié)點的位置向量，初步位置向量X的中間結(jié)果描述式如下

k=argxmins(X，Sk)

(1)

其中，Sk代表滿足條件的子集，s為信標節(jié)點索引基。

(2)

(3)

式中，Ri代表第i個距離測量值，Xi代表該值對應(yīng)的信標節(jié)點向量，Si代表第k個子集中的組合數(shù)據(jù)。

重復(fù)上述過程，直至P=N，將各組合對應(yīng)的位置估計與對應(yīng)的距離均值殘差平方，利用下式加權(quán)平均處理后得到冷鏈物流位置數(shù)據(jù)

(4)

式中，v代表所有得到的子集合數(shù)量。

綜上所述即為傳感器冷鏈物流定位的基本原理，為了實現(xiàn)物流區(qū)域覆蓋，保證定位結(jié)果的準確性，需要進行傳感器布設(shè)。

2.2 物流定位傳感器布設(shè)建模

采用到達時間差與到達角技術(shù)提高物流定位精度，設(shè)冷鏈物流定位傳感器位置坐標為Si′(xi′，yi′，zi′)，i′=1，2，…，N′，S1代表主定位傳感器，其量測到達角為φ1，對應(yīng)的位置坐標為(x1，y1，z1)，測定目標位置坐標為(x，y，z)，各冷鏈物流定位傳感器接收到測定目標信號的時間為ti′，利用下式給出量測方程

(5)

(6)

式中，t1代表主定位傳感器接收到測定目標信號的時間，ci′代表傳感器i′的量測系數(shù)，(xi′，yi′，zi′)為對應(yīng)傳感器的位置坐標。

通過對上述方程的微分計算，可得到如下所示的綜合定位誤差方程

dV=C·dX0+dXs

(7)

若系數(shù)矩陣C的廣義逆存在，則有定位誤差的協(xié)方差矩陣如下

(8)

結(jié)合無偏參數(shù)估計誤差方差理論，給出達到時間差、到達角測定誤差的協(xié)方差矩陣Q=E[dV·dVT]，則誤差方差的理論下界為

(9)

式中，C0=C|(x=x0，y=y0，z=z0)，其中(x0，y0，z0)代表定位量測目標的實際坐標。

采用遺傳算法優(yōu)化并確定各傳感器的布設(shè)位置，將各冷鏈物流定位傳感器的坐標Pi′(xi′，yi′，O)編為碼長為M的兩組二進制碼，M的值根據(jù)傳感器區(qū)域Z1及其自身定位精度確定。二進制碼中分別采用0和1表示正數(shù)和負數(shù)，染色體向量組θ=[x1，y1，x2，y2，…，xN′，yN′]的編碼長度為N1=2×M×N′。

(10)

(11)

為避免編碼取值超出傳感器分布限定區(qū)域，采用懲罰函數(shù)f進行約束，函數(shù)式如下

(12)

(13)

綜合上述分析與計算，得到適應(yīng)度函數(shù)表達式f(θi′)

(14)

在遺傳選擇算子中添加相似度及比重控制，相似度大小能夠體現(xiàn)個體與目標個體的接近程度，相似度F(θi′)的計算式為

F(θi′)=f(θi′)

(15)

比重用于描述適應(yīng)度值與某一個體相同或接近的個體在整個種群中的占比情況，設(shè)種群內(nèi)適應(yīng)度最大的個體為θmax，適應(yīng)度最小的個體為θmin，則比重控制函數(shù)G的表達式如下

(16)

其中，J表示比重控制系數(shù)。

當個體適應(yīng)度值f(θi′)的取值范圍為[f(θmin)+(J-1)·G，f(θmin)+J·G]，設(shè)滿足條件的個體數(shù)量為n′，種群規(guī)模為S′，個體θi′所占比重C(θi′)=n′/S′，綜上，θi′的選擇概率計算式為

(17)

根據(jù)上式計算結(jié)果，利用輪盤賭方式進行個體選擇。

采用改進遺傳算法的協(xié)調(diào)系數(shù)，并在此條件下，進行交叉與變異操作，交叉操作選擇二點交叉方式進行。

完成上述操作后，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)個體群，選擇各代中的優(yōu)質(zhì)個體添加到該群內(nèi)，每隔一定的進化代數(shù)后，按規(guī)定比例剔除該群內(nèi)的低適應(yīng)度個體，最終確定優(yōu)質(zhì)個體，據(jù)此確定各冷鏈物流定位傳感器位置，據(jù)此進行傳感器布設(shè)。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所提基于激光技術(shù)的冷鏈物流定位傳感器布設(shè)方法的綜合有效性，需要進行一次仿真，實驗環(huán)境為Matlab 2014a，實驗平臺為32位、Windows XP系統(tǒng)，CPU型號為Intel Pentium G2030，頻率2.6GHz，內(nèi)存空間32GB。

3.1 最佳適應(yīng)度變化

采用所提方法進行實驗，觀察遺傳進化代數(shù)與最佳適應(yīng)度值間的關(guān)系，實驗中種群規(guī)模設(shè)定為100個，最大遺傳進化代數(shù)設(shè)定為60，得到的實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 最佳適應(yīng)度變化曲線

根據(jù)圖2可知，遺傳代數(shù)在0～30以內(nèi)時，隨著遺傳進化代數(shù)的增加，種群的最佳適應(yīng)適度值逐漸增加；遺傳進化代數(shù)為30時，種群最佳適應(yīng)度值趨近于1；遺傳進化30代以后，種群最佳適應(yīng)度值基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明進化代數(shù)為30時，即可獲取傳感器布設(shè)最佳方案。

3.2 傳感器的定位偏差

采用所提方法與限包絡(luò)圓的傳感器布局方法、TDOF的傳感器布局方法進行實驗，對比各方法所布設(shè)傳感器的冷鏈物流定位偏差，為保證實驗結(jié)果的準確性，共進行8次定位實驗，得到實驗結(jié)果如表1、所示。表1中YA代表所提方法，YB代表限包絡(luò)圓的傳感器布局方法，YC代表TDOF的傳感器布局方法。

表1 各方法布設(shè)傳感器的定位偏差

分析表1數(shù)據(jù)可知，當進行第3次數(shù)實驗時，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法的定位偏差為28cm，TDOF的傳感器布局方法的定位偏差為31cm，所提方法的定位偏差僅為3.2cm。當進行第8次數(shù)實驗時，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法的定位偏差為25cm，TDOF的傳感器布局方法的定位偏差為38cm，所提方法的定位偏差僅為2.5cm。計算此次實驗的誤差均值，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法為28cm，TDOF的傳感器布局方法為37.25cm，所提方法為2.575cm。所提方法的定位偏差遠遠小于其它方法，說明所提方法的定位精準度較高。

3.3 傳感器布設(shè)時間

為驗證傳感器布設(shè)效率，采用所提方法與限包絡(luò)圓的傳感器布局方法、TDOF的傳感器布局方法進行實驗，對比各方法所布設(shè)傳感器的傳感器布設(shè)所需時間，為保證實驗結(jié)果的準確性，共進行8次定位實驗，得到實驗結(jié)果如表2所示。

表2 各方法傳感器布設(shè)時間比較

分析表2數(shù)據(jù)可知，當進行第2次數(shù)實驗時，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法的傳感器布設(shè)時間為64s，TDOF的傳感器布局方法的傳感器布設(shè)時間為79s，所提方法的傳感器布設(shè)時間為8s。當進行第6次數(shù)實驗時，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法的傳感器布設(shè)時間為79s，TDOF的傳感器布局方法的傳感器布設(shè)時間為86s，所提方法的傳感器布設(shè)時間為5.8s。計算此次實驗的傳感器布設(shè)時間均值，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法為70.5s，TDOF的傳感器布局方法為81.375s，所提方法為7.125s。所提方法的傳感器布設(shè)時間遠遠小于其它方法，說明所提方法的布設(shè)效率較高。

3.3 冷鏈物流定位時延

為了進一步驗證所提方法的有效性，采用限包絡(luò)圓的傳感器布局方法、TDOF的傳感器布局方法以及所提方法對冷鏈物流定位時延進行檢測，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法下冷鏈物流定位時延

分析圖3可知，定位對象個數(shù)越多，冷鏈物流定位時延越大。當定位對象個數(shù)為15個時，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法的冷鏈物流定位時延為38ms，TDOF的傳感器布局方法的冷鏈物流定位時延為79ms，所提方法的冷鏈物流定位時延為6ms。當定位對象個數(shù)為50個時，限包絡(luò)圓的傳感器布局方法的冷鏈物流定位時延為421ms，TDOF的傳感器布局方法的冷鏈物流定位時延為365ms，所提方法的冷鏈物流定位時延為31ms。所提方法的冷鏈物流定位時延較低，說明所提方法對傳感器布設(shè)后反應(yīng)速度得到有效提升。

4 結(jié)論

物流網(wǎng)絡(luò)信息化是物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要條件之一，特別對于冷鏈物流至關(guān)重要，激光技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高了物流信息采集的效率，能夠及時獲取冷鏈物流各階段的相關(guān)信息，在物流監(jiān)測、跟蹤中應(yīng)用廣泛。

為提高冷鏈物流定位精度，通過相關(guān)算法的學(xué)習與研究，提出基于激光技術(shù)的冷鏈物流定位傳感器布設(shè)方法，通過仿真，得出以下結(jié)論：

1)所提方法的定位精準度較高，當進行第8次數(shù)實驗時，所提方法的定位偏差僅為2.5cm。

2)所提方法的布設(shè)效率較高，當進行第6次數(shù)實驗時，所提方法的傳感器布設(shè)時間為5.8s。

3)經(jīng)過所提方法布設(shè)后的傳感器反應(yīng)速度得到有效提升。當定位對象個數(shù)為50個時，所提方法的冷鏈物流定位時延僅為31ms。