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摘 要：本文针对工业炸药在全生命周期内（包括生产、存储、运输、销售过程）存在难以实时获取数据、难以监控动态流程的问题，采用无线射频RFID及条形码技术实现对工业炸药的信息采集，并基于采集的信息对工业炸药进行识踪智能管控，构建工业炸药实时监控系统。
关键词：全生命周期；实时获取；RFID；识踪；实时监管
中图分类号：TP391.44
民爆行业是我国工业体系中的基础性产业，肩负着为国民经济建设服务的重要使命[1]。“十二五”期间，要不断提高生产线自动化、连续化和信息化水平，工业炸药生产线要实现全流程监控[2]。而民爆行业生产企业点多面广，生产线、专用存储仓库多建立在偏远地方，现场检查难度大，存在监管难度大、监管不到位的问题。
目前，工业炸药信息标识主要采用一维条码技术对信息进行登记和录入，其存在以下的缺点：容量小、易污损、易丢失，导致红外扫描仪将无法扫描识别出药卷信息等。无线射频识别RFID技术具有可以实现大范围、长距离、多点的实时数据采集和监控的优点[3-6]。RFID标签相比传统标签具有容量更大、反复读写、读写速度快、安全、耐用等特点。
为实现工业炸药全生命周期动态实时监控，实时获取信息数据和监控，简化工作流程，提高效率，本文综合利用RFID技术结合条形码技术来实现。
1 系统总框架设计和监控模型建立
爆破公司、专卖公司、矿山公司等具有购买炸药资质的企业，网上提交购买申请表和相关资料，最高级监管部门审核通过后，系统随机生成购买产品的审批数据，审批数据和购买申请一同发送至生产厂家；厂家系统根据当前的订单自动生成订单；生产线自动打印贴标机从后台系统自动下单；在生产包装环节，对单个药卷进行条形码贴标；自动打印贴标机实时打印电子标签信息和条码信息、并对当前的每箱炸药进行自动贴标；建立单个药卷条形码与整箱炸药RFID标签之间的关联模型；系统严格执行系统下达的生产订单；当发生超量或超类型生产，则生产违规，违规记录将自动写入到监控数据中心，自动打印贴标机停止工作，建立违规监控表，监控子系统实时报警，应急方案启动；对符合电子订单生产的产品，在销售过程中同样要进行信息比对与监控，杜绝出现销售违规的现象。监控子系统违规报警模块应与应急方案实时联动。
生产线读写器实时读取当前的下线量、药卷信息；中转库读写器，可对装车的炸药信息进行监视；存储仓库门口读写器通过读取电子标签，保存至系统中；炸药在运输过程中，车辆处于完全监控的状态，包括对其运输路线、车辆速度、车门是否打开、车内温度等进行监控；购买企业在产品入库时，读写器读取当前车辆运输的产品，与数据库中的信息进行比对，并同时更新数据库记录。该过程中，RFID电子标签在工业炸药产品的全流程建立实时数据采集依据，杜绝人为主观错误。
系统采用Client/Server（客户端/服务器）与Browser/Server（浏览器/服务器）[7]混合的多层信息交互模式，基于SQL Server进行数据库开发，将炸药生产过程各关键控制点的数据保存到生产数据库。客户终端可通过网络或客户端与读写器相连，在采集终端与服务器之间实现数据的传输，并建立各关键控制点的关联关系。
2 系统关键技术实现
2.1 RFID标签的编码标准
目前，RFID市场呈现为多种标准并存的局面，国际上存在三个主要的RFID技术标准体系组织：EPC Global、ISO/IEC、UIC。其标准包括读写器与计算机之的数据交换协议、电子标签与读写器之间的空中接口（如ISO/IEC 18000-6）、以及RFID标签的数据内容编码标、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范等。本文参照EPC Global标准，为制定适用于工业炸药产品全流程监控的RFID标签的数据内容编码标准，选择Class 0和Class 1两个等级，RFID电子标签的信息包含以下内容：产品EPC编码、生产厂家编码、产品号代码、产品规格、生产日期、流水号等。
2.2 RFID条形码技术的炸药信息标识
要实现工业炸药的全流程监控，其信息的采集是基础，而信息的采集则需要有标签的统一标识。单纯采用条形码或者RFID电子标签存在以下问题：RFID标识信息量大，读取方便，一次可读取多个，但费用较高；一维条形码信息标识简单，且存在读取不易的问题；二维条形码虽然读取不易，但是具有信息量大的优点。因此考虑把条形码和RFID相结合来标识炸药产品：RFID电子标签根据当前条形码的编码规则，更大范围的存储该炸药的信息，并用来成批量读取产品；条形码则可以保持当前的编码规则，用于抽样检查等读取个别产品信息。
2.3 多标签读写防碰撞算法
多标签冲突是RFID系统最容易出现也是必须解决的难题。ISO/IEC 18000-6 Type A、B分别采用ALOHA算法和二进制树形算法，而ISO/IEC 18000-6C中采用的是基于随机数产生器的随机时隙算法[8]。
目前常用的防碰撞算法主要有：基于二进制树搜索（Binary-Tree，BT）算法和基于时隙随机分配的ALOHA算法和标签估计算法（Tag Estimation Method，TEM）等。本文综合两种算法的优缺点，在二进制树搜索树（Binary-Tree，BT）算法[9]基础上，采用一种改进二进制树搜索树算法。其基本原理如下：根据发生碰撞的RFID电子标签信息，构造最佳搜索矩阵，再使用二进制树搜索算法，并根据当前的时隙状态，及时调整搜索路径，从而有效减少碰撞和空闲时隙数以及传输的比特量，有效减少识别时间，提高搜索效率。
2.4 RFID数据处理和数据安全问题
RFID系统会出现阅读错误和数据重复，提出采用可扩展的传感器数据流处理（ESP）[10]，主要特点是流水线数据清理框架结构以支持普适环境应用。数据清理过程包含如下五步：对读取的单个值进行过滤的点处理；纠正阅读丢失和点处理时的无效值的平滑处理；纠正阅读丢失的不相关量的合并处理；处理不用粒子之间重复阅读等的判决处理；基于时间戳等属性，为不同类型传感器进一步数据清理存储数据阅读量的虚化处理。它根据阅读器所获得的数据在时间和空间上具有相关性对数据进行处理。 由于工业炸药行业监控的独特性，RFID标签必须克服其易受到非法访问、跟踪、窃听、伪造等攻击等缺点。为解决上述安全与隐私问题，目前已经提出了多种方案，包括主动干扰、Kill标签、阻止标签、Hash锁和智能标签等方法。Hash锁无法解决位置隐私和中间人攻击问题，其本质原因是通过简单的Hash函数，增加闭锁和开锁状态，对标签和读写器之间的通信进行访问。因此本文采用一种改进的随机读取控制Hash锁方法[11]。
3 结论
本文针对工业炸药全生命周期实时监控的需要，对工业炸药提出基于RFID及条形码这种技术相结合进行全流程实时监控系统。通过对系统总框架设计和监控模型的建立，对实现系统的关键技术-编码标准、信息标识、防碰撞以及数据处理和数据安全进行分析。通过该监控模型，有效地实时获取炸药产品数据，并有力的掌控了炸药的流向，推动该行业的智能化、信息化发展。
参考文献：
[1]工信部规划司.民用爆炸物品行业“十二五”发展规划[R].2011，11，30.
[2]工信部安全生产司.关于提升工业炸药生产线本质安全生产水平的指导意见[R].2012，07，03.
[3]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004：3-7.
[4]刘洪武.RFID防碰撞算法研究[D].南昌：南昌航空大学，2012.
[5]陈锦.基于射频识别技术的门禁系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.
[6]何伟，魏书楷，赵昼辰，张晓华.一种离散制造生产线RFID接口控制器[J].计算机技术与发展，2010，20（6）：192-195.
[7]蒋瀚洋，李月军，庞娅娟.SQLServer2005数据库管理与开发教程[M].北京：人民邮电出版社，2009：190.
[8]马倩，时良平，周立宏.ISO18000-6C标准的防碰撞算法研究[J].计算机应用，2008-12（28）.
[9]单承赣，王聪聪，余春梅.多时隙的二进制搜索防冲突算法[J].合肥工业大学学报，2009，32（1）：66-100.
[10]蒋邵岗，谭杰.RFID中间件数据处理与过滤方法的研究[J].计算机应用，2008，28（10）：2613-2615.
[11]许亮，朱镇明，黄志平，肖开文.基于RFID的工业炸药实时监控信息系统研究[J].计算机光盘软件与应用，2010，8：71-72.
作者简介：李波（1980-），男，助理工程师，研究方向：机电自动化、信息化管理，现主要从事民爆行业设备自动化、系统智能化、信息化方面的研究。
作者单位：广东振声科技股份有限公司，广东梅州 514700
关键词：全生命周期；实时获取；RFID；识踪；实时监管
中图分类号：TP391.44
民爆行业是我国工业体系中的基础性产业，肩负着为国民经济建设服务的重要使命[1]。“十二五”期间，要不断提高生产线自动化、连续化和信息化水平，工业炸药生产线要实现全流程监控[2]。而民爆行业生产企业点多面广，生产线、专用存储仓库多建立在偏远地方，现场检查难度大，存在监管难度大、监管不到位的问题。
目前，工业炸药信息标识主要采用一维条码技术对信息进行登记和录入，其存在以下的缺点：容量小、易污损、易丢失，导致红外扫描仪将无法扫描识别出药卷信息等。无线射频识别RFID技术具有可以实现大范围、长距离、多点的实时数据采集和监控的优点[3-6]。RFID标签相比传统标签具有容量更大、反复读写、读写速度快、安全、耐用等特点。
为实现工业炸药全生命周期动态实时监控，实时获取信息数据和监控，简化工作流程，提高效率，本文综合利用RFID技术结合条形码技术来实现。
1 系统总框架设计和监控模型建立
爆破公司、专卖公司、矿山公司等具有购买炸药资质的企业，网上提交购买申请表和相关资料，最高级监管部门审核通过后，系统随机生成购买产品的审批数据，审批数据和购买申请一同发送至生产厂家；厂家系统根据当前的订单自动生成订单；生产线自动打印贴标机从后台系统自动下单；在生产包装环节，对单个药卷进行条形码贴标；自动打印贴标机实时打印电子标签信息和条码信息、并对当前的每箱炸药进行自动贴标；建立单个药卷条形码与整箱炸药RFID标签之间的关联模型；系统严格执行系统下达的生产订单；当发生超量或超类型生产，则生产违规，违规记录将自动写入到监控数据中心，自动打印贴标机停止工作，建立违规监控表，监控子系统实时报警，应急方案启动；对符合电子订单生产的产品，在销售过程中同样要进行信息比对与监控，杜绝出现销售违规的现象。监控子系统违规报警模块应与应急方案实时联动。
生产线读写器实时读取当前的下线量、药卷信息；中转库读写器，可对装车的炸药信息进行监视；存储仓库门口读写器通过读取电子标签，保存至系统中；炸药在运输过程中，车辆处于完全监控的状态，包括对其运输路线、车辆速度、车门是否打开、车内温度等进行监控；购买企业在产品入库时，读写器读取当前车辆运输的产品，与数据库中的信息进行比对，并同时更新数据库记录。该过程中，RFID电子标签在工业炸药产品的全流程建立实时数据采集依据，杜绝人为主观错误。
系统采用Client/Server（客户端/服务器）与Browser/Server（浏览器/服务器）[7]混合的多层信息交互模式，基于SQL Server进行数据库开发，将炸药生产过程各关键控制点的数据保存到生产数据库。客户终端可通过网络或客户端与读写器相连，在采集终端与服务器之间实现数据的传输，并建立各关键控制点的关联关系。
2 系统关键技术实现
2.1 RFID标签的编码标准
目前，RFID市场呈现为多种标准并存的局面，国际上存在三个主要的RFID技术标准体系组织：EPC Global、ISO/IEC、UIC。其标准包括读写器与计算机之的数据交换协议、电子标签与读写器之间的空中接口（如ISO/IEC 18000-6）、以及RFID标签的数据内容编码标、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范等。本文参照EPC Global标准，为制定适用于工业炸药产品全流程监控的RFID标签的数据内容编码标准，选择Class 0和Class 1两个等级，RFID电子标签的信息包含以下内容：产品EPC编码、生产厂家编码、产品号代码、产品规格、生产日期、流水号等。
2.2 RFID条形码技术的炸药信息标识
要实现工业炸药的全流程监控，其信息的采集是基础，而信息的采集则需要有标签的统一标识。单纯采用条形码或者RFID电子标签存在以下问题：RFID标识信息量大，读取方便，一次可读取多个，但费用较高；一维条形码信息标识简单，且存在读取不易的问题；二维条形码虽然读取不易，但是具有信息量大的优点。因此考虑把条形码和RFID相结合来标识炸药产品：RFID电子标签根据当前条形码的编码规则，更大范围的存储该炸药的信息，并用来成批量读取产品；条形码则可以保持当前的编码规则，用于抽样检查等读取个别产品信息。
2.3 多标签读写防碰撞算法
多标签冲突是RFID系统最容易出现也是必须解决的难题。ISO/IEC 18000-6 Type A、B分别采用ALOHA算法和二进制树形算法，而ISO/IEC 18000-6C中采用的是基于随机数产生器的随机时隙算法[8]。
目前常用的防碰撞算法主要有：基于二进制树搜索（Binary-Tree，BT）算法和基于时隙随机分配的ALOHA算法和标签估计算法（Tag Estimation Method，TEM）等。本文综合两种算法的优缺点，在二进制树搜索树（Binary-Tree，BT）算法[9]基础上，采用一种改进二进制树搜索树算法。其基本原理如下：根据发生碰撞的RFID电子标签信息，构造最佳搜索矩阵，再使用二进制树搜索算法，并根据当前的时隙状态，及时调整搜索路径，从而有效减少碰撞和空闲时隙数以及传输的比特量，有效减少识别时间，提高搜索效率。
2.4 RFID数据处理和数据安全问题
RFID系统会出现阅读错误和数据重复，提出采用可扩展的传感器数据流处理（ESP）[10]，主要特点是流水线数据清理框架结构以支持普适环境应用。数据清理过程包含如下五步：对读取的单个值进行过滤的点处理；纠正阅读丢失和点处理时的无效值的平滑处理；纠正阅读丢失的不相关量的合并处理；处理不用粒子之间重复阅读等的判决处理；基于时间戳等属性，为不同类型传感器进一步数据清理存储数据阅读量的虚化处理。它根据阅读器所获得的数据在时间和空间上具有相关性对数据进行处理。 由于工业炸药行业监控的独特性，RFID标签必须克服其易受到非法访问、跟踪、窃听、伪造等攻击等缺点。为解决上述安全与隐私问题，目前已经提出了多种方案，包括主动干扰、Kill标签、阻止标签、Hash锁和智能标签等方法。Hash锁无法解决位置隐私和中间人攻击问题，其本质原因是通过简单的Hash函数，增加闭锁和开锁状态，对标签和读写器之间的通信进行访问。因此本文采用一种改进的随机读取控制Hash锁方法[11]。
3 结论
本文针对工业炸药全生命周期实时监控的需要，对工业炸药提出基于RFID及条形码这种技术相结合进行全流程实时监控系统。通过对系统总框架设计和监控模型的建立，对实现系统的关键技术-编码标准、信息标识、防碰撞以及数据处理和数据安全进行分析。通过该监控模型，有效地实时获取炸药产品数据，并有力的掌控了炸药的流向，推动该行业的智能化、信息化发展。
参考文献：
[1]工信部规划司.民用爆炸物品行业“十二五”发展规划[R].2011，11，30.
[2]工信部安全生产司.关于提升工业炸药生产线本质安全生产水平的指导意见[R].2012，07，03.
[3]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004：3-7.
[4]刘洪武.RFID防碰撞算法研究[D].南昌：南昌航空大学，2012.
[5]陈锦.基于射频识别技术的门禁系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.
[6]何伟，魏书楷，赵昼辰，张晓华.一种离散制造生产线RFID接口控制器[J].计算机技术与发展，2010，20（6）：192-195.
[7]蒋瀚洋，李月军，庞娅娟.SQLServer2005数据库管理与开发教程[M].北京：人民邮电出版社，2009：190.
[8]马倩，时良平，周立宏.ISO18000-6C标准的防碰撞算法研究[J].计算机应用，2008-12（28）.
[9]单承赣，王聪聪，余春梅.多时隙的二进制搜索防冲突算法[J].合肥工业大学学报，2009，32（1）：66-100.
[10]蒋邵岗，谭杰.RFID中间件数据处理与过滤方法的研究[J].计算机应用，2008，28（10）：2613-2615.
[11]许亮，朱镇明，黄志平，肖开文.基于RFID的工业炸药实时监控信息系统研究[J].计算机光盘软件与应用，2010，8：71-72.
作者简介：李波（1980-），男，助理工程师，研究方向：机电自动化、信息化管理，现主要从事民爆行业设备自动化、系统智能化、信息化方面的研究。
作者单位：广东振声科技股份有限公司，广东梅州 514700