支持包含关系追溯的RFID数据模型

徐秀+邓文丽+张攀

摘要：随着RFID技术的普及，产生了海量的RFID数据，如何有效地将数据进行管理利用已成为一大热点问题。RFID数据模型是管理RFID数据的基础，决定着基于该模型数据管理方法的有效性。本文我们将提出一个支持包含关系追溯的RFID数据模型，这个数据模型将对在供应链中物品包含关系的变动进行研究，针对包装层次的追溯查询，研究基于RFID的供应链包含关系追溯系统中的关键技术，包括RFID可溯追时空数据模型及该时空数据模型如何在分布式环境下对包含关系追溯查询处理等。

关键词：RFID；时空数据模型；分布式查询；供应链包含关系追溯

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0033-04

1 引言

目前已提出了许多RFID数据模型，但它们很少考虑溯源应用特征及需求。从溯源应用特征看，RFID数据模型应能描述物品的位置变化（从一个区域移到另一个区域）、状态变化（如从生产、运输到销售等）、包装关系变化（如物品的组装和拆分）等动态信息，而且这些信息都是时间相关。

在数据模型领域，文献[1]DRER模型是一个动静态相结合的数据模型，可以实现物品位置查询和时间查询，但该模型假设所有数据都存储在一个数据库中，所以很难用于分布式系统。文献[2]数据立方体模型（RFID-cuboid）是静态数据挖掘模型，不是事件驱动动态模型。该数据模型只适合具有相同属性的大型数据集，不适合对单个物品进行检测的应用环境。文献[3]面向供应链的RFID时空数据模型补充的位置关系，添加相邻关系之间的关系、优越的地理位置、货物的路径信息。可以实现物品位置查询获得其路径信息，但对其包含关系的追溯方面还不够完善。对于包含关系，SPIRE在早期的工作中提出了两种方法检测方法。一种方法就是手动检测，另一种就是配置RFID阅读器，自动读到包装箱及其包含物品的标签。但是该方法不能较好地解决重新组合的问题。

按照ISO标准，RFID的溯源是指通过记录物品的识别代码以跟踪对象的位置变化变化。溯源也可定义为对产品的所有阶段（从生产、处理到销售）进行全程追踪。文献[4]将溯源分为3种类型：后向溯源（Backward traceability，也称供应商溯源）、内部溯源（Internal traceability，也称过程溯源）和前向溯源（Forward traceability，也称消费者溯源）；目前已经实现物品位置查询获得其路径信息，但对其包含关系的追溯方面还不够完善，因此，要构建在供应链整个生命周期内健壮且无缝的溯源系统，需设计合理的数据模型和查询方法，这即是本文的研究内容。

2 包含关系的追溯需求

2.1 包含关系类型

如图1所示，假定供应链上面一共包括五个环节：原材料供应商、生产商、分销商、零售商、最终消费者。这每个环节上容器与物品的包含关系会发生变化，比如拆分与重组。而我们这篇文章的主要目的就是实现物品容器在供应链上包含关系的追溯。

包含关系可能会随物品在供应链中的运动而改变。物品可以从一个容器（容器是指包含物品或容器的对象）分离出来，或者某些物品可能会被放入到一个容器中。同时，物品在流通时，因为可能会进行的包装拆分和重装新包装操作，因此包含关系可能随时间变化而变化。为了能够应对追溯查询，必须管理这些包含关系的变化。

其主要的包含关系有：

（1）共容关系：如果物品I1和物品I2能够被同一容器A在同一层次直接包含，称这两个物品存在共容关系；

（2）直接包含关系：如果一个物品I1可以直接被另一个物品A包含，称这两个物品之间存在直接包含关系；

（3）间接包含关系：如果一个容器A包含容器B，容器B又包含物品I1，则称容器A与物品I1存在间接包含关系；同时容器A、容器B和物品I1又形成多層级包含关系。

2.2 包含关系追溯需求

根据文献[4]与上述的包含关系类型，可以将主要的追溯需求分为：

（1）直接包含关系追溯。某时刻/时间段容器包含了哪些对象（向下追溯）；供应程容器包含了哪些对象（历史追溯--容器）；某时刻/时间段对象被什么容器包含（向上追溯）；供应链全程对象被什么容器包含（历史追溯--对象）。

（2）共容关系追溯。某时刻/时间段对象和哪些对象在同一个容器中（共容追溯）。

（3）多层级包含关系追溯。某时刻对象被哪几层容器包含（向上追溯）；某时刻容器包含了哪些对象（向下追溯）。

3 数据模型

3.1 可追溯网络

在供应链环境下，随着时间的变化，对象的状态也会随之而变化，包括它的空间位置、与其他对象的包含关系等。我们将包含关系可追溯性定义为跟踪一个对象的当前和所有先前包含关系状态变化的能力。图2显示了一个对象移动以及包含关系变化图的例子。

3.2 概念模型

本文提出了一种基于时间和空间顺序的RFID数据模型，充分考虑面向供应链的RFID数据的特点以及标记对象的特征，将供应链上的标记对象分为能包含其他标记对象的容器对象（简称为容器），例如托盘、包装箱等；以及不能包含其他标记对象的物品对象（简称为物品）。因此，标记对象在供应链上的包含关系可以分为物品和容器的包装（假定物品被直接容器包裹后再供应链中不会再拆分）以及容器和容器之间的重组与拆分。

最后，将标记对象与时间和空间上的位置联系在一起，定义数据库的查询操作，使模型能查询物品的基本信息，复杂包含关系的变化的信息和相关供应链信息，有效地解决了在供应链中物品包含关系变动的追溯问题。

考虑以上需求综合以上分析，本文建立了能够表现以上实体以及它们之间各种关系的ER模型，如图3所示。endprint

3.3 逻辑模型

根据概念数据模型可以转换到相应的关系模型，以便于实现在可追溯性网络中的对包含关系的追溯查询，生成的关系模型如下所示：

Organization（gid，name，description）

Object（object_epc，object_name，description）

Location（gid，object_epc，receiveFrom，sendTo，t_start，t_end）

Item（item_epc，item _name，price）

Container（container_epc，container _name）

Reader（reader_epc，reader_name，description）

Pack（item _epc， container _epc，contain_time，split_time）

Contain（child_epc， parent_epc，contain_time，split_time）

本文将对象的包含关系分为物品和容器间包装以及容器与容器之间的重组与拆分。其中，容器和容器间包含关系以的形式将容器间的包含关系保存在数据库表中；这种存储形式在容器有多层包装时，如果要检测容器之间的间接包含关系（即在两个非相邻层级的容器之间），需要经过多次数据库连接操作，效率较低。因此，本文采用区间编码的方式来表示容器与容器间的包含关系從而进行较少的连接操作即可判断不同层级容器的包含关系，其存在的包含关系如图4所示，包含关系表示方法如表1所示。

4 包含关系可追溯查询

根据逻辑数据模型，我们可以实现对包含关系的追溯，其中主要有一下几种追溯查询类型。

5 分布式查询处理

5.1 分布式查询概述

根据文献[5][6]中提出关于分布式查询，图5的模型中预先并不知道跨节点的数据的完整分布，是在处理转发查询时逐步发现的。为了处理一个查询获取一个对象所经过的路径的信息，每个组织都需要为每个发生或接收的事件存储两个的属性，即receiveFrom和sendTo。这些信息可以通过与其他组织信息一起联系、追踪来获得。如果一个组织不能提供精确的数据，那么访问组织的节点数量会增加，在最坏的情况下，所有的组织都需要联系。

5.2 分布式转发查询算法

（1）查询与合并：分析并重写查询，先在本地执行查询，再根据本地执行结果和查询要求重写成与上下游相关组织的查询，最后将远程的查询结果返回初始客户端，算法如表2所示。

（2）过程与转发：若查询对象具有receiveFrom和sendTo属性，根据新的查询语句获取需要的上下游信息，将查询改写与直接上、下游节点相关的新查询，然后调用查询与合并算法执行查询，算法如表3所示。

（3）洪泛查询：若查询对象没有receiveFrom和sendTo属性，根据新的查询语句获取所有组织信息，向所有的组织发出查询。若找到要查询的对象或者事件，调用查询与合并算法执行查询，算法如表4所示。

6 结语

近年RFID技术的普及及发展速度迅猛，可以预见RFID应用将成为一种全球趋势，其未来所产生的作用，涉及方面之广都无法估量。本文从数据库建模的方面对RFID包含关系进行追溯，大大的利用数据模型管理RFID产生的海量数据。

关于RFID的模型有很多，但针对包含关系的追溯模型却十分鲜有。本文建立的模型不仅对物品进行向上、向下、平行等简单的追溯，更增添了复杂情况下的多层级包含关系、整体性包含关系和包含关系随时间变化的追溯。扩展的EPCIS事件模型适用于对供应链中物品包含复杂事件，对多层次包含事件查询在本地查询耗用时间较短，在供应链上每步查询重写可在远程同时查询所有包含对象，随着供应链长度增加或者容器层次的增加，包含事件分布式查询响应时间的增长率较低，在一定程度上具有一定优越性。

最后，期望RFID的技术可以得到长远发展，尽早地进入人们生活，并在未来为人们做出更的大贡献。

参考文献

[1]任宗东，高伟，任东英.时空ER模型的设计[J].计算机工程，2003，29（l2）：77-79.

[2]李琦.立方体模型在RFID数据处理中的应用研究[D].重庆邮电大学，2011.

[3]Wang Yonghui，Qin XiaoyuA. RFID Spatio-temporal Data Model Oriented Supply Chain.The Open Automation and Control Systems Journal，2015，7：31-41.

[4]廖国琼，万齐智，蒋剑，万常选.支持RFID对象包含关系追溯的几何向量编码策略[J].小型微型计算机系统，2014，35（6）：1298-1303.

[5]Ramesh B，Jarke M. Toward Reference Models for Requirements Traceability[M].IEEE Press，2001.

[6]赵文，李信鹏，刘殿兴，张世琨，王立福.供应链环境下一种分布式RFID发现服务[J].电子学报，2010，38（s1）：99-106.

Abstract：With the popularization of RFID technology， it has produced a huge amount of RFID data， and how to effectively manage the data has become a hot issue.The RFID data model is the basis for managing RFID data and determines the validity of the model data management method.In this paper， we will propose a support include RFID data model of relationship between traceability， the data model will be the items include in the supply chain relationship， the change of packing level of traceability queries， study the key contains the relationship between supply chain traceability system based on RFID technology， including RFID back to chase the spatio-temporal data model and how the spatio-temporal data model in the distributed environment to contain traces the query processing.

Key Words：RFID；Spatiotemporal data model；Distributed query；Supply chains include traceability