1、浙江中烟基于物联网的产品物流管理信息化关键技术与系统doc中国物流与采购联合会科学技术奖申报书（适用于技术发明奖、科技进步奖）一、项目基本情况项目编码 ： 奖 种 ：02科技进步的应用开发 项目名称中文基于物联网的产品物流管理信息化关键技术与系统英文The Research on Key Technology of Information in Product Management Based on IOT and Its System主要完成人(按贡献由大到小排列)章志华 汪欢文 陆海良 高扬华 胡滨 黄大雷 王博 梁启荣 杨志华 王正敏 郁钢主要完成单位（按贡献由大到小排列）浙江中烟工业有
2、限责任公司深圳市远望谷信息技术股份有限公司中远网络物流信息科技有限公司申报单位（盖章）浙江中烟工业有限责任公司项目可否公布是主 题 词RFID；物联网；物流管理；关键技术；系统开发；推广示范项目完成单位类型06国有企业07民营企业06国有企业所属国民经济行业G任务来源B：部委计划G：自选计划(基金)名称和编号1、2009年国家发展和改革委员会“国家首批信息化试点示范工程”项目2、2006年浙江中烟工业有限责任公司重大重点科技项目“基于RFID的现代烟草物流信息系统关键技术研究与应用”项目开始时间 2006年项目结束时间2010年是否参加评审答辩是项目所属领域03信息系统项目经济效益规模d注：项
3、目编码由奖励办公室填写二、项目简介项目所属科学技术领域、主要技术经济指标、促进行业科技进步作用及应用推广情况本项目属于现代服务业信息化。国家发改委披露，2011年我国物流业在GDP中所占的比重为17.8%，而发达国家仅为8%-10%。物流业成本偏高已成为我国经济发展的瓶颈之一，存在的问题是，物流环节多、效率低、资源利用率差、安全性不够。在转变经济发展方式的关键时期，优先整合和利用现有物流资源，提高物流效率，降低物流成本成为转变经济发展方式、调整产业结构的重要途径。工业企业物流是我国社会物流体系的重要组成部分，其物流成本占整个社会物流成本的比重高，下降潜力大。降低工业企业物流成本不仅是政府相关主
4、管部门关注的热点和需要推进的重大工程，也是工业企业应对市场竞争和提升企业综合实力的重要战略决策。作为行业领先的烟草工业企业，浙江中烟通过创新驱动，转型发展，从烟草物流及其安全防护方面研究了基于物联网的卷烟成品物流管理信息化若干关键技术，在国内烟草行业首次开发出基于超高频RFID的仓储管理系统和卷烟平托盘联运出入库扫码系统，并得到成功应用，为解决当前供应链管理中产品流通信息不透明、产品库存难以控制、产品质量难以追溯、产品安全难以监控、物流效率难以计量等关键共性问题提供了新思路、新方法和新工具，提升了行业整体水平。本项目成果主要研究：1）面向烟草行业的企业成品仓储管理信息化关键技术的开发与应用，主
5、要是：基于电磁反向散射原理研制强抗扰无源RFID标签；研究金属介质对超高频RFID无源标签读取性能的影响及抗碾压地埋式RFID货位标签的研制：实现了托盘物品在平库仓储条件下的货位化管理，同时，在仓库内部离线状态下实现物品信息的备份；2）卷烟平托盘联运出入库扫码关键技术与应用，主要是： 研制适用于货物流通的电子托盘：为实现在大规模开环物流中实现实物与信息的同步传送提供了新思路；超高频RFID技术在物流领域的应用研究：开发基于超高频RFID的卷烟平托盘联运出入库扫码系统，为实现企业产品流通信息透明化管理和供应链信息共享提供了新工具。本项目成果，行业标准1项，国家计算机软件著作权登记6项，国家发明专
6、利6项，国家实用新型专利8项，国家外观设计专利3项，发表论文3篇，其中EI检索1篇。科学发现及技术创新： 1）首次开发出专用于同时读取托盘标签和条码的移动式读写设备，克服了以往RFID设备只能安装在固定地点的缺陷，使电子标签信息录入与修改更加灵活；2）国内首次研发出了专用于读取托盘RFID标签的地埋式天线，在保证能可靠读取托盘电子标签的同时，又能适应以叉车为主要搬运工具的工作环节；3）根据金属介质对超高频RFID标签读取性能的影响，提出一种RFID标签可用于金属表面的解决方案；4）行业内首次将超高频RFID技术与传统仓储管理技术结合形成一种新的仓储管理模式；5）开发了基于超高频RFID的卷烟仓
7、储管理系统和卷烟平托盘联运出入库扫码系统，并通过与相关系统的高度集成，实现了卷烟流通的实时跟踪管理和供应链上下游企业信息的共享。应用推广及取得经济效益：现项目成果已成功应用于浙江中烟和国内烟草商业企业，取得显著经济效益；同时，本项目成果也可实际应用于其他物流企业，对我国国民经济发展具有重大的意义。（不超过2000个汉字）三、项目详细内容1立项背景国家“十二五”发展规划明确提出要以加快经济发展方式转变为主线，发展战略性新兴产业，推进物联网研发应用。同时，烟草行业“卷烟上水平”总体规划进一步强调，“卷烟上水平”是行业发展方式转变的重要载体和具体体现，要积极推进中国烟草物联网建设，瞄准物联网前沿技术
8、，努力建设覆盖全领域、全过程的中国烟草物联网。近年来，烟草行业以“电话订货、网上配货、电子结算、现代物流”为标志的行业现代流通体系建设取得重大进展，初步实现了从传统商业向现代流通的转变。但与行业改革发展新阶段的要求相比、与国际一流水平相比还存在差距，建设现代流通的手段还需要进一步提升。随着物联网产业的兴起和物联网技术的发展应用，行业部分烟草企业开始积极探索将物联网先进技术运用于卷烟物流作业流程中，并取得了一定成效。行业发展的实践证明，物联网与传统烟草产业全面融合，有利于推进卷烟流通体制改革，有利于实现物流资源在全行业范围内优化配置，有利于建设完整统一、先进实用、不可替代的行业现代流通网络。目前
9、，行业发展面临着烟草控制、完善体制、构建和谐、国际竞争等多方面的压力和挑战，烟草行业未来的国际竞争将更多地集中于对分销渠道的控制。西班牙阿塔迪斯和日本TS等跨国烟草公司的经验表明，依靠先进高效的物流掌握卷烟分销渠道是形成卷烟市场控制力的重要手段。构建中国烟草物联网，打造具有鲜明行业特征、水平先进、高效迅捷的烟草智能物流，既是行业立足于目前专卖专营的管理体制下的战略选择，更是着眼于未来发展主动应对挑战的重要途径。基于国家发展战略、行业和企业发展需求，浙江中烟在成功开展基于RFID的卷烟平托盘联运出入库扫码系统及推广的基础上，于2009年成功申报由国家发展和改革委员会组织的国家信息化试点示范工程，
10、开展“烟草行业射频识别技术应用工程”项目，探索基于超高频RFID的物联网在烟草行业的应用。依托国家信息化试点示范工程和公司重大重点项目“基于RFID的现代烟草物流信息系统关键技术研究与应用”，浙江中烟联合合作单位深圳远望谷和中远网络物流开展基于物联网的卷烟成品物流管理信息化关键技术与应用研究，建设具有行业示范效应的数字化仓储管理系统和卷烟平托盘联运出入库扫码系统。（不超过800个汉字）2. 详细科学技术内容2.1 总体思路从供应链高效协同和信息共享角度来思考企业的物流活动（在全球经济一体化的今天已经成为必然），以浙江中烟为背景，开发基于超高频RFID的卷烟成品数字化仓储管理系统和卷烟平托盘联运
11、出入库扫码系统，统一基础数据代码、规范、整合与优化基础业务流程，提高信息集成度和与供应链上下游企业信息共享的能力，彻底解决系统分散和信息孤岛问题，提高企业物流管理水平与管理时效性，同时有助于实现供应链信息的高度共享，提高对市场的响应速度，提高客户满意度，为目前仍显落后的烟草物流，提供一个用高新技术改造传统产业的典范，全面提升我国烟草行业竞争力。本项目成果利用物联网技术下的供应链管理新思想，基于超高频RFID的货物跟踪管理和商务数据智能挖掘与分析新技术，以及用供应链库存管理新方法，解决了当前烟草供应链管理中物流数据难以实时采集与信息共享的关键共性问题，首次在大规模开环物流中应用RFID技术，开发
12、出国内烟草行业第一个基于超高频RFID的平库数字化仓储管理系统和卷烟平托盘联运出入库扫码系统，为烟草行业建设中国烟草物联网起到先导作用。2.2 技术方案2.2.1 物联网技术架构图1 物联网技术架构图1) 信息物品技术主要指物品的标识、传感和控制技术，也就是指现有的数字化技术。本项目件烟采用的是烟草行业统一的EPC编码方式，应用无源RFID电子标签标识整托盘卷烟。2) 自主网络技术信息网络技术属于物理世界与网络世界融合的接口技术，自主网络就是具备自管理能力的网络系统，自管理能力具体表现为自配置、自愈合、自优化、自保护能力。自主网络管理类技术包括：网络自配置技术、网络自愈合技术、网络自优化技术、
13、网络自保护技术，自主网络控制类技术包括：基于空间语义的控制技术、基于时间语义的控制技术。3) 智能应用技术包括智能数据融合和智能决策控制技术。智能数据融合技术包括基于策略的数据融合、基于位置的数据融合、基于时间的数据融合、基于语义的数据融合；智能决策控制技术包括基于智能算法的决策、基于策略的决策、基于知识的决策，这些决策技术需要数据挖掘技术、知识生成、知识更新、知识检索等技术的支撑。2.2.2 物联网总体功能图2 物联网总体功能图通过开发基于超高频RFID的卷烟成品数字化仓储管理系统和卷烟平托盘联运出入库扫码系统，达到了仓储场景环境和卷烟成品从生产下线直至商业入库全过程的可知、可控、可信；同时
14、，基于系统集成和商务数据挖掘分析技术与相关物流系统高度集成，实现了对各类物流数据和销售数据的实时分析，并通过B2B方式与供应链关键用户进行数据交换，实现信息共享。2.2.3卷烟成品仓储管理信息化关键技术与应用研究2.2.3.1基于电磁反向散射原理的超高频无源RFID电子标签及电子托盘研制（1）无源反向散射RFID系统数据传输对于工作在高频的反向散射无源RFID电子标签，其有效识别距离是评价RFID系统性能的主要指标。因此，本项目基于电磁场空间传播模型和雷达散射截面模型（RCS），采用理论分析和计算机仿真及应用验证来研究反向散射RFID系统的识别距离，旨在找到合理的设计方案研制适用于仓储管理的超
15、高频无源RFID电子标签。典型的无源散射系统包括一个读写器和一个无源电子标签，如图所示。无源电子标签由天线和集成芯片组成，复数阻抗分别为Zin 和 ZL。标签芯片从读写器发射的射频信号中获取能量。标签通过控制天线的阻抗来返回数据，在不同的阻抗状态下，标签的雷达截面（RCS）也不一样。一般情况下，一种阻抗处于失配状态，而另一种阻抗处于匹配状态，从而通过控制“阻抗开关”来实现信号的反向散射调制。图3 无源反向散射RFID系统（2）无源反向散射RFID系统能量传输电磁波从读写器天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达这些目标电磁能量一部分被吸收，另一部分以不同的强度散射到不同的方向。反射能量的一部
16、分最终返回到读写器的发射天线。在反向散射RFID系统中，利用电磁反射波实现从标签到读写器的能量传输。其过程可分为前向链路和反向链路。前向链路传输前向链路指的是从读写器到标签的能量传输过程。根据Friis自由空间传播模型可知，在距离读写器R处的接收功率Pr(R)为： （1）式中，是波长，Pt是读写器的发射功率，是读写器天线的增益，是接收天线的增益，L是与传播无关的系统损耗因子，L= 1时表示系统没有硬件损耗。在无源反向散射RFID系统中，假设标签放在读写器天线的最大增益方向，标签的最大增益方向也指向读写器，且读写器和天线极化方向一致，那么，式（1）可写成： （2）反向链路传输有雷达传播原理可知，
17、若雷达在目标处的入射功率为Si，目标的截获功率Pi与雷达的散射截面成正比。 （3）假设入射于上的功率被全面均匀散射时，散射到雷达接收天线处的功率密度等于实际目标在该处的散射功率密度Ss，即 （4）由式（3）和（4）可得： （5）式中，Ei为目标处的入射场，Es为目标在雷达接收天线处的散射场。可见，就是目标向雷达接收天线方向散射电磁波能力的量度。则雷达的接收功率Pr为： （6）其中R1、R2分别为发射天线和接收天线至目标的距离(双站雷达)。为发射雷达的增益，为接收雷达的增益。对于单站雷达而言，则 （7）对于反向散射RFID系统，阅读器一般只有一个天线，相当于单站雷达。标签放在读写器最大增益方向，
18、标签的最大增益也指向读写器天线，且两者极化方向一致，则 （8）式（8）即是RCS模型。（3）无源反向散射RFID系统识别距离计算由无源反向散射RFID系统前向链路能量传输计算公式可知电子标签的接收功率Pr(R)，与标签的开启功率Pmin比较，要开启标签，则Pr(R)Pmin，临界条件为Pr(R)=Pmin，即 （9）由式（9）可求得此时RFID系统前向链路的最大识别距离Rmax （10）在自由空间中有式（10）可简化成 （11）根据反向链路能量传输计算公式，当读写器获得标签反向散射的能量不小于读写器的最小启动功率，临界值为，即 （12）由式（12）可求得系统反向链路的最大识别距离 （13）RF
19、ID系统如要正常工作，则要同时满足式（10）和式（13），即系统的最大识别距离 （14）（4）超高频无源RFID电子标签设计根据超高频反向散射RFID系统识别距离计算公式，识别距离与标签的RCS值有密切关系，因此，在设计标签时，根据本项目工作模式的需求，分别设计了安装于托盘上和埋设于地表面且符合ISO18000-6B标准的电子标签，标签总体性能达到国内领先水平。2.2.3.2金属介质对超高频RFID电子标签的影响及地埋式货位标签的设计本项目中，超高频RFID电子标签的其中一种应用模式，涉及金属介质对超高频RFID电子标签的影响。因此，首先就金属介质对超高频RFID电子标签的影响进行了研究，并提
20、出了一种超高频RFID电子标签用于金属表面的解决方案，基于此方案，设计了一种地埋式货位标签，实现了在楼房型仓库中实行托盘货位化管理。（1）金属介质对超高频RFID电子标签的影响由2.2.3节可知，标签的接收功率与功率传输系数有关，在2.2.3节，因为是自由空间，所以默认=1，假设标签芯片的阻抗Zin=Rin+jxin，标签天线阻抗Zc=Rc+jxc，那么传输系数可以表示为： （01） （15）对于标签天线的增益Gr，由增益及方向性的定义可得： （16）式中，Dr是标签天线的方向性，er是标签天线的辐射效率。对于同一超高频RFID系统，读写器的输出功率、读写器天线的增益、标签芯片的最小启动功率都
21、不会变化。所以当超高频RFID标签靠近金属介质附近时，标签的最大读取距离主要受到标签天线的传输系数、标签天线的方向性Dr及标签天线的辐射效率er三者的影响。性能参数受金属边界的影响当超高频RFID标签放置于金属介质表面时，导致标签性能变成的主要因素是金属的边界条件使得读写器询问信号的反射波与入射波相位相反，从而导致能量被抵消，标签难以获得足够的能量被激活。当入射波垂直于金属表面时，由于入射波与反射波正好相差，电场分量在金属表面成驻波分布，如图4所示，标签与金属边界的距离为零处电场强度最小，距离为0.25处电场的强度最大。换而言之，当标签直接贴在金属表面时，能够获得的能量几乎为零，而标签放置在距
22、金属表面0.25处，获得的能量最大。因此，当标签直接贴于金属表面时，由于边界条件的影响标签天线的辐射效率严重衰减。图4 金属表面的电场驻波分布模式标签天线除受到辐射效率影响外，标签的阻抗匹配也会变差，从而导致天线与标签芯片功率传输系数减小。天线阻抗的变化一方面是天线辐射电阻的减小，另一方面是金属表面对天线产生加感的影响。有金属边界条件导致的天线辐射效率减小某种程度上可以采用吸波材料来克服，但金属表面对天线的加感影响则无法消除。与天线辐射效率和功率传输系数都受到金属边界削弱相比，天线的方向性影响不大。根据天线基本原理，对一个偶极子天线而言，金属表面相当于一个平板反射器。偶极子天线如果不是完全贴在
23、金属表面，那么天线的方向性或增益比自由空间更高。普通/2偶极子天线和金属平面反射器与天线增益关系如图5所示。即使当标签距离金属平面很近，标签的增益也是客观的。由于增益是方向性和辐射效率的乘积，而辐射效率在天线非常靠近金属表面时时很小的，这说明天线贴近金属表面时，天线的方向性比较大。当标签天线距离金属表面/2时，天线的增益减小至几乎为零。从电场的驻波分布图可知了，天线在接近金属表面/2处时辐射效率几乎为零。图5 普通偶极子天线与金属表面反射器的距离与天线增益的关系从天线辐射方向图的角度来说，偶极子标签天线在金属表面的性能变化也反应在辐射方向图上。金属板越大，天线的主瓣就越窄，而且瓣的数目会随着标
24、签与金属表面的距离增大而增加。如图7所示，普通偶极子天线处于金属表面不同高度时天线的辐射方向图是不同的。当天线距金属表面/32与/4时，天线都是一个主瓣，且增益都比自由空间大；当天线距金属表面/2时，天线的瓣数变为2，且法线方向上天线的增益衰减比较严重。辐射方向图与天线方向性具有较好的一致性。（a） 天线距金属表面/32 （b）天线距金属表面/4 （c）天线距金属表面/2图6 普通偶极子天线增益模式与金属表面反射器的距离的关系（单位：dBi）（2）地埋式货位标签的设计本项目试图在多层楼房型仓库中实现托盘货位化管理，经反复调研论证，最终形成了基于超高频RFID技术的货位化管理方案，并得到成功应用
25、。方案的核心是设计了一种基于超高频RFID的地埋式货位标签，标签结构如图7所示。在货位标签设计过程中，考虑到货位标签会频繁受到叉车碾压，故采用了特殊材料制做的外结构件；同时，为增加RFID标签的读取率，增强读取效果，在标签底部放置了一块铜板，用于增强电磁场的反射能力，考虑到铜板会产生涡流对射频场产生副作用，在铜板和RFID标签之间安装了塑料垫片，该垫片不会影响超高频电磁场的性能，通过反复试验，最终确定了塑料垫片的高度，在此高度下，不但可以最大限度的消除涡流的影响，还能充分利用铜板的反射效果，提高超高频RFID标签的读取率。此货位标签的设计现已申请了国家发明专利。图7 地埋式货位标签2.2.3.
26、3关键技术应用研究超高频RFID具有可动态识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签、能唯一地标识商品、识别距离较大、能适应恶劣环境等优点，使其在物流领域具有广阔的应用前景，本项目就超高频RFID在仓储、运输两个物流环节的应用开展研究。（1） 超高频RFID在卷烟仓储中的应用传统的卷烟仓储管理系统由于无法实现对件烟的全过程动态追踪；同时，对件烟的流向、流量和存储位置等信息需要繁琐的手工采集和输入系统，由此，常常会因为存储位置不确定、流量流向难以掌握而出现作业混乱、流程流转时间长等问题。基于此，本项目将超高频RFID技术与现代仓储管理技术相结合，开发了基于超高频RFID的卷烟仓储管理系统。RFID
27、技术应用模式RFID的数据采集系统与WMS（warehouse management system）相结合应用到仓储物流的各个环节，可以优化其物流流程，实现流程中数据的自动采集。在应用中，我们在生产仓储中的每个托盘（视为一个单元商品，其上装有30件卷烟）上安装了一个RFID电子标签，电子标签用于存储详细的卷烟信息。托盘电子标签上的信息可以通过手持式读写器、固定读写器（门禁）、研制的移动式读写装置或叉车数据采集终端系统进行更新。主机系统通过移动式读写装置或叉车数据采集终端系统收集托盘电子标签的信息，并进行实时处理。该应用模式有助于烟草工业企业实现对各种物流资源的实时跟踪和及时履行销售订单，提高物
28、流资源的跟踪、定位和管理水平，提升烟草制造企业物流自动化水平和整体运作效率。基于RFID的多层平库卷烟成品仓储管理系统设计采用三层架构。第一层是采集：主要是通过RFID设备以及其他自动识别设备采集数据，包括货位电子标签、件烟条码、无线数据终端、叉车数据采集终端系统等。第二层是移动：即通过无线通信技术，把采集到的数据传递到中央数据库，包括无线接入设备和相关的网络设备。第三层是管理：对采集的数据进行管理，包括数据库服务器、网络服务器等设备和仓库管理系统软件。系统组成基于RFID的多层平库卷烟成品仓储管理系统组成如图8所示，系统由硬件部分和软件部分组成。图8 基于RFID的多层平库卷烟成品仓储管理系
29、统组成图1. 硬件部分硬件部分主要由地埋式货位标签、托盘电子标签、移动式读写装置、地埋式读写器、叉车数据采集终端系统、电梯门禁系统、管理系统服务器、管理终端机组成。1) 地埋式货位标签 由无源RFID电子标签、铜片、结构件组成，用于对平库内的托盘货位进行管理，库内每一托盘位上安装了唯一对应的地埋式货位标签。2) 托盘电子标签：安装于塑料托盘上的无源RFID电子标签，用于采集托盘上的卷烟信息，同时对该托盘进行标记。3) 移动式读写装置：由扫描枪、固定式RFID读写器及天线、PC机、移动式小车组成，用于对托盘上的件烟进行调整。4) 地埋式读写器：埋于月台装卸口的固定式RFID读写器，用于对销售出库
30、的托盘卷烟进行出库扫码。5) 叉车数据采集终端系统：由固定式RFID读写器及天线、移动数据终端、防撞块组成，根据作业状态固定于叉车上，用于采集出入库的托盘卷烟信息，并可对托盘卷烟信息进行调整。6) 电梯门禁系统：由电梯、固定式RFID读写器及天线组成，用于出入非底层（即二楼及以上）需要电梯运载的托盘卷烟信息进行采集。2. 软件部分软件部分包括RFID中间件、数据库系统、仓库管理信息系统等。1) RFID中间件：主要包括两层次功能，第一个层次是为后一个层次提供改善RFID在互联网上性能和功效 的服务；第二个层次是负责与RFID硬件设备之间的通信，对RFID读写器所提供的数据进行过滤、整理。2)
31、仓库管理信息系统：控制流程各环节的动作，完成卷烟入库管理、盘点调拨管理、拣货出库管理以及整个系统的数据备份、数据查询、数据统计、报表生成、报表管理。RFID工作模式卷烟成品件烟生产下线时，以每托盘30件卷烟为一垛，通过机械手对件烟进行组垛，并通过固定式扫描器采集每一个垛对应的件烟条码信息，同时把这些件烟条码数据进行压缩，通过电子标签读写设备将该压缩信息写入到垛托盘上安装的电子标签中。（a）入库管理当车辆到达仓库大门时，门口安装的ECT设备感应到车辆信息，并自动把该车辆信息传送到仓库的WMS系统；WMS系统根据车辆信息与其对应的入库单据关联，自动分配入库卷烟的存放货位，并通过无线网络把入库单下发到库区装卸人员的叉车数据采集终端系统上；装卸人员根据叉车数据采集终端系统上的单据提示进行入库装卸作业；当装卸人员把该托盘卷烟放到库内指定货位上时，此时叉车数据采集终端系统上的RFID读写器读取该货位上的地埋式电子货位标签，系统提示成功读取到地埋标签信息，表明完成了该卷烟托盘的入库作业任务。此入库过程完成了托盘、卷
