Библиотечный каталог авторефератов Украины

Харківський національний університет

радіоелектроніки

Голуб Володимир Іванович

                                                                                    УДК 681.518: 658.012: 656.8

МОДЕЛІ ТА ЗАСОБИ ЕФЕКТИВНОГО ЗАСТОСУВАННЯ

ШТРИХКОДОВОЇ ІДЕНТИФІКАЦІЇ В АВТОМАТИЗОВАНИХ

СИСТЕМАХ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться  03.11.2004 р. о  14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 64.052.01 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою:

61166, Харків, пр. Леніна, 14, (057) 702-10-06.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 01.10.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                                                               В.М. Левикін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.   “Розвиток цивілізації неможливий без розвитку інформаційних технологій” – таким був лейтмотив Міжнародного конгресу “Інформаційне суспільство – стратегія розвитку в XXI сторіччі”, що відбувся 1 - 2 квітня 2003 року в Києві  і став генеральною репетицією до Всесвітньої зустрічі на вищому рівні з питань інформаційного суспільства.

У законі України “Про національну програму інформатизації” підкреслюється необхідність широкого освоєння і впровадження сучасних інформаційних технологій в усі сфери життя, що дозволить Україні стати однією з технологічно розвинутих країн світу.

Важливим засобом підвищення ефективності й інтенсифікації роботи підприємств є створення ефективних автоматизованих систем обробки інформації, управління організаційними і технологічними процесами. Великий внесок у розробку теоретичних і практичних аспектів побудови автоматизованих інформаційних систем внесли Глушков В. М., Тимофєєв Б. Ф., Бусленко В. М., Павлов В. І., Левикін В. М., Петров Е. Г., Кузьменко В. М. та інші.

Процедура введення інформації є одним з вузьких місць в автоматизованих системах управління, де обробляються великі обсяги інформації. Введення інформації вручну, за допомогою клавіатури, вимагає значних трудовитрат, залежить від уваги та кваліфікації людини і часто призводить до помилок. Така технологія введення інформації є обмежуючим чинником у розвитку сучасних автоматизованих систем управління.

Способи та засоби введення інформації,  взаємодія інформаційних і матеріальних потоків є одними  з  основних  складових   автоматизованих   систем.   Автоматичне  введення  інформації  й

автоматичне розпізнавання об'єктів забезпечує автоматична ідентифікація .

Одним із засобів підвищення швидкості, надійності та ефективності введення інформації в автоматизованих системах є штрихове кодування. Штрихкодова технологія введення інформації дозволяє значно краще реалізувати можливості автоматизованої системи управління, тому що автоматично забезпечує її об'єктивною інформацією про об’єкти контролю. Введення інформації при цьому здійснюється шляхом сканування штрихкодових позначок, що значно підвищує швидкість та вірогідність введення даних і, відповідно, підвищує якість і надійність системи.

Значний внесок у розробку теоретичних і практичних питань створення систем штрихкодової ідентифікації, їхньому вдосконалюванню і використанню в автоматизованих системах зробили Алаіс Д., Тарасенко В. П., Дичка І. А., Сулема Є. С. та інші.

Штрихове  кодування  є  найбільш  розповсюдженим   у   наш   час   способом   автоматичної

ідентифікації не тільки товарів у роздрібній торгівлі, але й складальних одиниць у машинобудуванні і електронній промисловості, поштових відправлень, документів та інших об'єктів практично у всіх сферах людської діяльності.

Найбільш розповсюджені системи автоматичної ідентифікації на основі штрихового кодування базуються на визнаних у міжнародному масштабі штрихових кодах, що у різний час були запропоновані провідними виробниками засобів автоматичної ідентифікації.  

Однак, наукові роботи у галузі штрихового кодування інформації спрямовані переважно на створення нових видів кодів, підвищення їх стійкості до помилок, щільності інформації й інших якісних характеристик, але не на ефективне їх застосування в автоматизованих системах.

Для конкретної автоматизованої системи відомі коди можуть бути або недостатніми, або надлишковими. При цьому, якщо система є технологічно замкнутою і не взаємодіє з іншими системами, тим більш на міжнародному рівні, зручним було б мати штриховий код, що є мінімальним і достатнім для даної системи, тобто штриховий код, що забезпечує ефективне використання ресурсів системи. Крім того, важливим є вибір реквізитів для представлення об'єкта контролю в системі і реквізитів, що використовуються для його автоматичної ідентифікації.

Прикладами таких систем є більшість автоматизованих систем управління, у тому числі в поштовому зв'язку: системи автоматичного сортування поштових відправлень, експедування періодичних видань, контролю й обліку проходження реєстрованих поштових відправлень та інші.

Тому актуальною є розробка математичних моделей, методів та засобів ефективного застосування штрихового кодування в автоматизованих системах. Використання таких математичних моделей та методів дозволить підвищити ефективність і якість автоматизованих систем управління в різних галузях народного господарства України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетних тем:

№ 461 “Розробка комплексу математичних моделей соціально-економічного розвитку регіону з урахуванням ефективності використання інфраструктури і комунальних ресурсів (номер держреєстрації 0097 U 002128), розділ 461-5 (107-4) “Розробка індустріальної інформаційної технології, математичних моделей і інструментальних засобів проектування складних комп'ютеризованих систем, орієнтованих на користувача-непрограміста” відповідно до координаційного плану Міністерства освіти України №71 “Методи проектування і створення комп’ютеризованих систем і технологій”, на основі наказу Міністерства освіти України №37 від 13.12.97 р.;

№ 521 “Розробка теоретичних основ, математичних моделей і інструментальних засобів у виробничо-навчальних системах (номер держреєстрації 0097 U 012139), розділ 521-1 “Розробка математичних моделей, алгоритмів і програм синтезу комп’ютеризованих організаційних і навчальних систем” відповідно до наказу ректора Харківського державного технічного університету радіоелектроніки (ХТУРЕ) № 05 КА від 15.01.97 р.;

У період роботи у Всесоюзному науково-дослідному інституті поштового зв'язку (ВНДІПЗ) і в Українському науково-дослідному інституті зв'язку (УНДІЗ), на посаді старшого наукового співробітника і завідувача лабораторією дисертант брав участь у виконанні науково-дослідних робіт:

№ 26/89 „Розробка пристрою зчитування штрихового коду”;

№ 362/92-014 „Розробка і дослідне впровадження системи автоматизованої обробки поштових відправлень у підприємствах зв'язку”;

№ 363/92-014 „Розробка і дослідне впровадження нової технології автоматизованої обробки друкованих видань в ГЖЕ – ГВ – УДВЗ” та ряду інших.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності систем штрихового кодування інформації, що використовуються в автоматизованих системах управління, за рахунок розробки моделей, методу і засобів створення ефективних штрихових кодів і зчитування кодової інформації.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішуються наступні задачі:

1. Аналіз сучасних систем штрихкодової ідентифікації матеріальних об'єктів.
2. Розробка моделі оптимізації структури штрихкодового ідентифікатора матеріальних об'єктів, у тому числі поштових відправлень.
3. Розробка математичної моделі багатофакторного оцінювання і вибору варіантів технологічного штрихового коду.
4. Розробка комбінаторного методу побудови штрихового коду з урахуванням заданої системи обмежень.
5. Розробка математичних моделей підвищення ефективності підсистеми зчитування  штрихового коду.
6. Розробка методики вибору ефективного штрихового коду для автоматизованих систем управління.
7. Реалізація розроблених математичних моделей, методу і засобів при створенні ефективних підсистем штрихкодової ідентифікації в автоматизованих системах управління.

Об'єктом дослідження є підсистеми штрихкодової ідентифікації матеріальних об'єктів в автоматизованих системах управління.

Предметом дослідження є математичні моделі, методи оптимізації структури штрихкодового   ідентифікатора,   створення   й   оцінювання  штрихових   кодів,  а   також   математичні моделі і засоби ефективного зчитування цих кодів.

Методи дослідження:  теорія   системного  аналізу,  що  дозволила   виконати  аналіз  систем

штрихкодової ідентифікації й одержати їх формальний опис; методи оптимізації, що використані при вирішенні задач багатофакторного оцінювання і вибору варіанта технологічного штрихового коду, оптимізації структури штрихкодового ідентифікатора; моделі та методи теорії інформації і кодування, на базі яких побудовано варіанти структури технологічного штрихового коду; теорія передачі сигналів і теорія оптимальної фільтрації, що використані при розробці математичних моделей підсистеми зчитування штрихового коду.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше запропоновано розглядати підсистему штрихкодової ідентифікації в автоматизованих системах як замкнену систему передачі даних, що дозволяє з єдиних методологічних позицій досліджувати та аналізувати фактори, які впливають на підвищення ефективності штрихкодової ідентифікації в системі.
2. Розроблено математичну модель оптимізації структури штрихкодового ідентифікатора. Це дозволяє вибирати ефективний склад реквізитів штрихкодового ідентифікатора, які наноситься на об'єкт, що значно зменшує загальні витрати на автоматичну ідентифікацію.
3. Вперше запропоновано комбінаторний метод побудови штрихового коду, що задовольняє заданій системі обмежень. Метод дозволяє створювати символіку штрихового коду згідно з вимогами конкретної  автоматизованої системи управління.
4. Набули подальшого розвитку моделі багатофакторного оцінювання стосовно їх застосування для вибору варіанта підсистеми штрихкодової ідентифікації та варіанта штрихкодової символіки. Це дає змогу вибирати ефективний варіант автоматизованої системи управління, в якій використовується штрихове кодування для ідентифікації об’єктів.
5. Набули подальшого розвитку математичні моделі підсистеми зчитування штрихового коду, що дозволяє визначати основні фактори, які впливають на ефективність процесу зчитування та підвищують ефективність використання світлових потоків і обробки сигналів.

Практичне значення отриманих результатів.  Результати теоретичних досліджень, розроблені математичні моделі і метод були реалізовані в автоматизованих системах управління при створенні підсистем штрихової ідентифікації. Порівняльний аналіз підсистем штрихкодової ідентифікації по групі якісних показників дозволив розробити методику вибору штрихового коду, способів і пристроїв його нанесення на об'єкт контролю і, відповідно, зчитування і декодування.

Математична модель оптимізації штрихкодового ідентифікатора, модель багатофакторного оцінювання і вибору варіанта штрихового коду використані при визначенні структури штрихкодового ідентифікатора поштових відправлень в автоматизованій системі реєстрації, обробки і контролю проходження реєстрованих поштових відправлень на території України (АСРК-РП). Реалізовано пілотний проект АСРК-РП  для підрозділів поштового зв'язку м. Києва. Система впроваджується на всій мережі поштового зв’язку України.

Комбінаторний метод побудови штрихового коду, що задовольняє заданій системі обмежень, використовувався  при  розробці   підсистеми  штрихкодової   ідентифікації   для  автоматизованої

системи експедування періодичних видань. Були визначені характеристики системи штрихкодової

ідентифікації, що забезпечують мінімальну вартість усієї системи в цілому.

Математичні моделі підсистеми зчитування дозволили реалізувати пристрій зчитування штрихового коду у вигляді олівця, який захищений авторським свідоцтвом СРСР і патентом України. Пристрій за аналогічних технічних характеристик має значно меншу вартість  порівняно із зарубіжними зразками. На основі отриманих результатів створено конструкцію пристрою зчитування штрихового коду, який передано у виробництво на дослідному заводі УНДІЗ (м. Київ) і заводі лічильно-аналітичних машин (м. Рязань).

Теоретичні дослідження автора використано при розробці комплексу державних стандартів України (ДСТУ) у галузі систем штрихкодової ідентифікації.

Результати дисертаційної роботи використовуються при читанні лекційних курсів з дисциплін: “АСУ спеціального призначення”,  “Об'єкти АСУ спеціального призначення” у Харківському національному університеті радіоелектроніки, “Автоматизація технологічних процесів у поштовому зв'язку” у Харківському електротехнікумі зв'язку, під час курсового і дипломного проектування.

Особистий внесок здобувача. У працях, опублікованих у співавторстві, до особистого доробку дисертанта належать: системний аналіз існуючих засобів автоматичної ідентифікації і штрихових кодів [1, 2, 4, 5, 9, 12]; дослідження методів застосування штрихових кодів для автоматичної ідентифікації поштових відправлень [3, 4, 5, 6, 15, 18]; розробка комбінаторного методу побудови символіки штрихового коду, що задовольняє встановленим вимогам [8]; застосування математичної моделі багатофакторного оцінювання для вибору варіанта технологічного штрихового коду [11]; виявлення та систематизація факторів, що впливають на підвищення ефективності систем штрихкодової ідентифікації [14], розробка пристрою формування штрихкодових ідентифікаторів для поштових відправлень [21]; розробка комплексу державних стандартів України [24-33] у галузі штрихового кодування інформації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на XLIII, XLIV Всесоюзних наукових секціях НТТ РЕЗ ім. А.С. Попова у 1988 і 1990 р. р., Міжнародній науково-практичній конференції “Системи і засоби передачі й обробки інформації” (м. Одеса) у 1997 р., науково-практичній конференції “Стратегія входження України у світовий інформаційний простір” (м. Київ) у 1997 р., на семінарі “Системний аналіз, математичне моделювання і прийняття рішень у соціально-економічних і технічних системах” по проблемі “Кібернетика” НАН України у 2002, 2003 і 2004 р.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 33 праці, з яких: 4 монографії, 10 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, 6 доповідей на  конференціях,  1  патент  України,  2 авторські  свідоцтва  СРСР,  9 Державних стандартів України

(ДСТУ), 1 Керівний нормативний документ (КНД).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і  додатка та має загальний обсяг 175 сторінок. Містить 34 рисунки, три додатки на 17 сторінках, список використаних літературних джерел з 106 найменувань на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі  обґрунтовується актуальність дисертаційної роботи, формулюється мета та завдання дослідження, відзначається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено результати системного аналізу сучасних систем штрихкодової ідентифікації матеріальних об’єктів та методів побудови штрихових кодів. Типові структури  знаків відомих штрихових кодів наведено на рис. 1 і рис. 2. На основі аналізу системи штрихкодової ідентифікації як інформаційної системи (рис. 3) визначено, що її ефективність досягається шляхом розв’язування задачі багатокритеріальної оптимізації виду:

,                                (1)

де Х – множина допустимих розв’язань  (множина варіантів систем штрихового кодування);

– множина локальних критеріїв оцінки ефективності варіантів систем штрихового кодування;

– числові характеристики важливості для ОПР локальних критеріїв ефективності, що враховують множину локальних критеріїв К(х) і їхню важливість для ОПР.

Для розв’язування задачі необхідне застосування методів багатокритеріальної оптимізації та вирішення задачі оптимізації з локальними критеріями. Великий розмір задачі (1) для реальних систем штрихового кодування спонукають провести її декомпозицію на задачі меншого розміру, які є ключовими. Це задачі:

1.    Оптимізації структури штрихкодового ідентифікатора об’єктів контролю.

2.    Багатофакторного оцінювання та вибору варіанта штрихового коду.

3.    Побудови символіки штрихового коду з урахуванням системи обмежень.

4. Розробки математичних моделей підсистеми зчитування штрихового коду, що забезпечують настроювання на параметри штрихового коду та умови його сканування.

5. Оптимізації ресурсів у взаємо-пов’язаній послідовності компонентів системи штрихкодової ідентифікації: штриховий код – пристрій зчитування.

Другий розділ присвячено розробці моделей та методів побудови та оцінювання технологічних штрихових кодів. Однією із задач при побудові систем штрихкодової ідентифікації є задача вибору структури штрихкодової позначки об’єкта матеріального потоку. На прикладі вибору структури штрихкодової позначки поштового відправлення ця задача сформульована наступним чином: нехай – кількість біт інформації, яку необхідно передати про поштове відправлення, – кількість біт інформації, що наноситься на ярлик за допомогою штрихового коду (ШК), а () – кількість біт інформації, що передаються по каналах зв’язку. Тоді – ціна передачі біт інформації символами ШК, = – ціна передачі останніх () біт інформації по каналах зв’язку. Оптимальна кількість інформації, що передається кожним із двох способів, є розв’язком задачі оптимізації функції однієї змінної на відрізку :

f(n) → min, n∈,                                                      (2)

де – відповідно, мінімальна та максимальна кількість біт інформації, що наноситься на ярлик за допомогою ШК.

Після  розв’язування задачі  (2)  одним  із  відомих  методів оптимізації  вирішується задача

визначення тих атрибутів із множини А1, А2, …, Аm, які мають бути нанесені на ярлик. Математично цю задачу сформульовано як задачу про рюкзак:

→ max;                                                                        (3)

≤ n*,   xj ∈{0,1},  j=1, …, m,                                                  (4)

де – відповідно, цінність та довжина j-го атрибуту;

– обмеження на загальну довжину атрибутів.

Після визначення списку атрибутів розв’язується задача оцінювання та вибору варіанта ШК із визначеною множиною вимог. Математична модель цієї задачі має вигляд:

F(n, m, L, K*) → extr;                                                                 (5)

K* ⊂ K;                                                                          (6)

Card K* ≥ n,                                                                        (7)

де F – критерій ефективності ШК;

K* – множина кодових комбінацій із K, що задовольняють встановленій множині вимог.

Якщо визначити, що А={а1, а2, . . ., аn} – первинний алфавіт з n якісними ознаками, B={b1,b2, . . ., bm} – вторинний алфавіт з m якісними ознаками, Κ  – множина різних кодових комбінацій завдовжки L символів вторинного алфавіту, тоді кількість елементів множини K оцінюється як Card K = mL.

Ефективність   використання   штрихового  коду   K*   залежить  від  таких  факторів,   як  тип

поверхні, якість друку,  довжина  кодових  комбінацій,  характеристики коду  та  інші. Групування цих факторів дозволило визначити локальні критерії: f1(x) – вартість, f2 (x) – довжина кодових комбінацій, xX, де X – множина елементів виду х=(n, L, K*). Якщо відносну важливість локальних критеріїв визначити як , то модель задачі можна представити у вигляді: визначити

.                                                   (8)

Для розв’язання задачі використано функціонально - вартісний аналіз, у відповідності з яким ефект визначається, з одного боку,  зменшенням довжини кодових комбінацій:

                                                                (9)

де – константа, що перевищує максимальну довжину кодових комбінацій,

а з іншого – мінімізацією витрат . Зведення багатокритеріальної задачі до однокритеріальної виконано на основі теорії корисності, у відповідності до якої функція корисності вибрана у вигляді:

,                                                                   (10)

де  fi  – поточне значення i-го локального критерію;

fiнх, fiнл – відповідно, найгірше та найкраще значення;

– показник  степеня, який визначає нелінійність функції корисності.

Елементи множини Х, для яких значення критеріїв  f1(x) и f2(x) лежать у межах інтервалів:   f1: [f1нл, f1(х1)], f2: [f2нл, f2(х2)], де: складають область компромісів. Розв’язок задачі залежить від інформації, яку має ОПР про важливість локальних критеріїв.

Задачу побудови штрихового коду сформульовано наступним чином: якщо – первинний алфавіт, а – вторинний алфавіт, – множина усіх кодових комбінацій завдовжки символів вторинного алфавіту, кількість елементів в якому , кожна кодова комбінація має вигляд , структура кодових комбінацій має вигляд де , кількість одиниць у кожній кодовій комбінації а кодова відстань між парою кодових комбінацій визначається як , то необхідно із множини усіх кодових комбінацій виділити підмножину , яка має не менш ніж елементів, які задовольняють наступним вимогам:

;                                                         (11)

                                            (12)

                                                       (13)

;                                          (14)

                                                      (15)

де – довжина послідовностей вигляду: .        

Для розв’язування цієї задачі розроблено евристичний алгоритм, що базується на визначеному процесі побудови кодових комбінацій та доведених у роботі твердженнях. Працездатність алгоритму перевірено під час моделювання процесу побудови кодових комбінацій.

Таким чином, на базі створеного алгоритму розроблено  комбінаторний метод побудови штрихового коду з урахуванням заданої системи обмежень. Приклад штрихкодової позначки розробленого штрихового коду наведено на рис. 4.

Третій розділ присвячено розробці моделей зчитування у системах штрихкодової ідентифікації. Розглянуто послідовність виконання операцій над сигналами при зчитуванні штрихового коду та сформульовано задачу вибору раціональних значень параметрів системи зчитування як задачу максимізації загальної енергетичної ефективності системи зчитування :

                                                                      (16)

де – множина припустимих варіантів підсистеми зчитування;

– вектор параметрів системи зчитування; 

– параметри, що характеризують об’єкт зчитування. – оптична щільність, відповідно, штриха та проміжку у залежності від особливостей  матеріалів;

– параметри, що характеризують джерело випромінювання. – світловий потік світлодіода у залежності від  довжини хвилі випромінювання та струму живлення i;

–   параметри,   що  характеризують фотоприймач.   –   чутливість

фотоприймача у залежності від довжини хвилі випромінювання та схеми включення ;

–   параметри,   що    характеризують    геометричні    розміри    об’єкта

зчитування та апертури  зчитувача. –  значення  амплітуди  сигналу  у  залежності  від

розмірів апертури , розмірів штрихів та швидкості сканування об’єкта зчитування;

– параметри, що характеризують оптичну систему. – ефективність оптичної системи у залежності від коефіцієнту пропускання оптичних елементів, кута нахилу оптичного тракту до поверхні зчитування та коефіцієнта використання потоків ;

– параметри, що характеризують тракт підсилення та фільтрації. – ефективність підсилювального тракту у залежності від відношення  сигнал/шум та ширини смуги пропускання  квазіоптимального фільтра (індексозначає, що дані параметри відносяться до підсилювального тракту);

– параметри, що характеризують елементи формування імпульсів.  – ефективність тракту формування імпульсів у залежності від відношення сигнал/шум та ширини смуги пропускання  квазіоптимального фільтра (індексозначає, що дані параметри відносяться до тракту формування імпульсів),

при обмеженнях на характеристики: об’єкта зчитування – ; джерела випромінювання – ; фотоприймача – ; геометричних розмірів об’єкта зчитування та апертури –  ; оптичної системи – ; тракту підсилення та фільтрації – ; елементів формування імпульсів – . Тут