基于RFID技术的新兴超市自助结算系统计算机仿真.pdf

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基于RFID技术的超市自助结算系统仿真研究梁世武（浙江工业大学，机械工程学院，杭州，310014）摘要：本文提出了一种基于RFID技术的新型超市自助结算系统。此系统的主要收银对象为特大型超级市场。本文主要探讨新型自助结算系统相较于传统系统在结算方式改变。从而带来的收银时间改变。并应用运筹学排队论的知识建立数学模型。最终利用计算机软件仿真，以得出在投入新型基于RFID技术的自助超市结算系统后所需的收银台数量的减少以及结算效率的提升。随着RFID芯片价格的不断下降，这一系统的出现必将成为趋势。关键词：无线射频识别，超市结算系统，排队论，自助结算Simulationstudyofthesupermarketself-checkoutsystemsbasedonRFIDtechnologyLIANGShi-wu（ZheJiangUniversityofTechnology，CollegeofMechanicalEngineering，HangZhou，310014）Abstract：Inthisarticle,authorproposeanewsupermarketself-checkoutsystems,whichbasedonRFIDtechnology.Themaintargetofthissystemisoversizesupermarkets.Thisarticlemainlydiscussesthenewself-checkoutsystemscomparedtotraditionalsystemschangeinthemethodofpaymentandthechangeinprocesstime.UsetheknowledgeofOperationsResearchandQueuingTheorytoestablishthemathematicalmodel.Finally，usethecomputersimulationsoftinordertofindoutthenewchangeinthenumberofhelpdeskself-servicesupermarketsclearingsystembasedonRFIDtechnologyandenhancesettlementefficiency.WiththefallingpricesofRFIDchips,thissystemwillappearinthedailylifeinthenearKeywords：RFID，Supermarketsettlementsystems，QueueTheory，Self-Check 如下。：0引言近年来随着经济的增长，国民的可支配收入大幅度的增加，导致人们对于零售行业的需求大幅度地增加。近年来，中国大型超市如雨后春笋般建立，中国已经成为沃尔玛继美国本土之后最大的市场。但在日常生活中我们很容易在超[4]市中见到这样的场景：1、有时结算台图1RFID系统工作原理前面人满为患，等待队列很长，甚至Fig.1WorkingprincipleofRFIDsystem有顾客因此放弃购买；2、有时结算台2超市结算系统描述。处于闲置状态、仅有部分结算台处于工作状态。过长的结算队列和过多的2.1常规系统结算流程等待浪费将会大大降低客户体验指数、无法很有效地创建优良的购物环境。根据之前的实际考察，我们对于但对于超市而言，这是一种必须消除现在超市所采用的收银员结算台的工的等待。作流程做了记录和分析，同时已经纳对于各种超市排队系统的改善。入了顾客排队的因素。绘制了现超市但是依旧无法解决其本质问题：1、人结算系统收银员/顾客结账工作流程：工结算台收银时间无法获得本质性的[1]缩短。文献通过调研得出，近半数顾客对排队长度容忍度为3人，90％的顾客难以容忍排队长度超过6人。对商场经营者来说．考虑如何组织配备好人员和设备。提高收银质量，缩短甚至取消排队等待时间，为尽可能多的顾客收银。同时，应考虑如何降低单位成本，提高系统整体效益。使整个系统达到最优的运行状态，显得尤为重耍。1RFID技术简介[2]RFID技术是利用无线电波来进行通讯的一种非接触式自动识别技术。射频识别系统一般由3部分构成：应答器、阅读器和后台数据库应用软件。RFID工作的基本原理是通过读头和粘附在物体上的标签之间的电池耦合或者电感耦合来进行数据通讯以达到对标签物品的非接触式的自动识别。图2、现有超市结算系统收银员/顾客结算工RFID系统一般由信号发射机、信作流程图[3]Fig.2Clearingworkflowchartforthe号接收机和发射天线几部分组成。对于基本的RFID硬件系统，其工作原理presentsupermarketcheckoutsystem 上图所代表的是我们现有的常规超市收银员结算系统。流程及特征描述：1、顾客在选择收银台的时候将会根据收银台前的等候队长来选择是否继续购物（即是否没队队长大于等于6人）或者所前往具体的收银台。2、顾客在前一名顾客接受收银时，将个人所选购物品放置于结算台预备传送带上。以方便收银员的拿取。3、由于收银员结算系统在设计上的固有瓶颈，因此无法及时满足高密度的顾客到达所带来的压力。产生排队问题。4、高强度的工作导致收银员的工作压力大大增加，从而降低工作效率。图3基于RFID技术的新型超市自助结算系形成恶性循环。统顾客结算流图5、较小的技术成本投入，管理相Fig.3Customersettlementflowdiagramofthe对不需要过多的技术支持，比较适合newsupermarketself-checkoutsystemsbased于综合规模较小的新兴超市。onRFIDtechnology72.2自助结算系统2.3自助结算系统特征描述此结算系统的实现前提是所有必须经过同意结算通道的商品必须贴有RFID标签。①、货物身上的RFID芯片在经过门闸机时，信号接收机读取芯片发出的信息。②、系统经过处理将结果以账单的形式显示于门闸机后端的自助付款终端机上。等待顾客的核对。③、此时当顾客利用嵌有RFID芯片的超市会员卡或者银联卡在自助结算终端机上进行自助结算的同时，超市的打包人员已经将顾客的商品进行了打包。④、对于无法办理自助结算的顾客。在超市人员完成打包之后进行人工结算。综上流程，绘得其结算流图，如图3：图4基于RFID技术的新型超市自助结算系统结算流程图Fig.4Clearingflowchartforanewsupermarketself-checkoutsystemsbasedonRFIDtechnology 图4是我们根据所绘图3以及系统设定会放弃购物。所得到结算工作流程图。3.2数学模型根据我们对于新的结算系统的设计，我们主要体现新系统以下几点特根据系统：①输入过程；②排队征。其中部分特征是与现常规结算系及排队规则；③收银机制。同时结合统相类似的。如第一点，队列的选择先前的文献资料我们将每个收银台的规则是根据实际情况而设定的队列空空间设置为6人（K=6）。综上因素，间容量。因此会存在放弃购物选择项。我们选定排队数学模型为M/M/s/K。[4]自助结算系统特征描述：（多收银台混合制模型。）（1、顾客在选择自助收银台的时候3.3仿真模型的构造将会根据自助收银台前的等候队伍来决定是否继续购物（所有队长均大于（1、系统在经过长时间的运行之等于6人）或者前往具体的自助收银台。后趋于稳定。（2、顾客在接受收银时将贴有RFID（2、M/M/s/K。（多收银台混合芯片货物的购物车推过门闸机。门闸制模型。）中设定顾客相继到达的时机扫描获得货物信息。自动在自助终间服从参数为λ的负指数分布。（即端机上显示账目单顾客的到达服从Poisson流）。其参数（3、顾客在自助终端机上核对账单为λ，λ代表单位时间为到达的顾客单后使用RFID会员卡或者银联卡进行数。λ=20p/min。自助缴费。(3、对于常规收银员结算系统中，（4、在顾客进行自助缴费的同时终收银员对顾客的收银时间服从λ端机的打包人员已经将货物打包完毕。=0.85的负指数分布。收银员收银能力同时可接受非自助结算顾客的现金结相同；对于基于RFID技术的自助缴费算。系统，顾客的收银时间服从λ=0.5的（5、系统的运行效率远远高于常规负指数分布。同时各门闸机单位工作收银员结算系统。但对于设备的软/硬能力相同。件检修、保养需要较高的技术支持。(4、变量设置：s：表示有s个收银员或者门闸机，3排队模型分析s=10；n：表示有n个顾客；3.1物理模型分析K：表示排队队伍的长度限定，K=6；超市结算系统是一个随机收银系L：系统稳定之后平均队长；[5]统，该系统具有如下的特征。Lq：系统稳定时的排队长，称为平（1、收银对象为已经选好商品的顾均排队长；客顾客源在一天的营业中可以视为是W：系统稳定时的顾客逗留时间，无限的。顾客的到达相互独立。单位称为平均逗留时间；时间的顾客到达服从随机分布。Wq：系统稳定时的顾客等待时间，（2、收银员（新系统中的打包员）称为平均等待时间；是系统中的收银单位。相邻顾客之间λn：当系统处于稳定状态n时，新的收银时间相互独立。且单顾客收银来的顾客的平均到达率（单位时时间服从随机函数分布。间内到达系统的顾客数）；（3、系统遵循FCFS原则（先到先收银）μn：当系统处于稳定状态n时，新（4、顾客会自动选择较短的收银队列来的顾客的平均收银率（单位时收银台。但当系统队列>=6人时，顾客间内可以完成服务的顾客数）； 3.4模型计算[6]根据文献我们可以得到以下排队论相关数据的计算方法。n0,1,2，.....Kn0nkn0nsnssnK于是nop0nsn!pnnopsnKss!ns其中s1nsKs1(1)s()s1n0ns!!(1s)pos1ns1((Ks1))s1n0ns!!由平稳分布Pn，n=0,1,2，，…，K，可得平均排队长为：KLq()nspnn0sposKs1KS[1(1)(Ks1)]12sssss!(1)ssp(KsK)(s1)o1s2!s得到平均队长：s1n()nsLLqspon0n!由于超市排队中我们设定顾客在收银台人数超过6人的时候便不再排队，转而放弃购物。因此必须考虑顾客的有效到达率。对于多收银台系统，仍有再利用elittle公式，得到LLq1W=,WWqee平均被占用的结算台数目可通过以下公式获得。 sK1snpnnspn0nssK1nnnpsonsn0n!!nssssK1nn11pons1n1(n1)!nsss!.........(1p)K综上，我们得到了平均队长的计算方法:LLsL(1p)qqk4计算机仿真计算4.1软件选择根据以上的分析和模型建立。由于问题的计算量较大，同时为了保证计算的准确度。我们采用了线性规划软件Lingo中的queueanalysis功能项来做结果模型的计算机仿真计算。4.2计算机仿真计算图5常规收银员结算系统计算机仿真计算结果Fig.5ComputersimulationresultsofRegularcashiersettlementsystem 图6基于RFID技术自助结算系统计算机仿真计算结果Fig.6ComputersimulationresultsofSelf-checkoutsystemsbasedonRFIDtechnology我们从两个模型的计算机仿真结果中选取对我们的实验分析有价值的数据进行对比得到了下表：表1常规收银员结算系统与基于RFID技术自助结算系统排队模型计算机仿真结果比较Tab.1thequeuingmodelcomputersimulationcalculationresultsbetweenRegularcashierbillingsystemandRFIDbasedonself-checkoutsystems传统人工收银台基于RFID自助结算系统排队论模型类型M/M/15/90M/M/15/90S（收银台数）1515N（顾客数）∞∞K（队长容量）66λn(平均到达率)20/min20/minμn（平均收银率）1.2/min2/minPo（系统空闲概率）0.0000%0.0044%L（平均队长）81.016910.2041Lq（平均排队长）66.01730.2041W（平均逗留时间）4.50100.5102Wq(平均等待时间)3.66770.0102Pw（顾客等待概率）99.9879%10.2042%应急处理能力提出了很大的挑战。同5、实验结果分析时过高强度的员工工作强度将会降低员工对外界敏锐度，降低工作效率。5.1问题发现产生负反馈。（1、在我们第一组的试验中我们发现（2、过长的顾客等待时间，根据我们系统的使用度（Overallsystem的仿真计算顾客的等待用时占比达到utilization）达到了惊人的99.9977%。了81.5%，而在使用了RFID技术的结算高负荷的运转对于系统的稳定性以及系统中，排队等待用时占比仅为1.9%。 从两者数据中可以发现，新系统对于起到很大的提升作用。减少客户的等待用时、提升服务速度5.2寻找最优服务台数在做以上的计算机仿真计算的时，我个顾客到达我们的结算系统。通过们已经设定了计算机排队论模型最大Lindo的仿真计算，得到以下仿真结果。队长为6。如果取消队长限制（queue其中：capacity），同时保持其余参数不变Lq为平均等待队长；（即修改排队系统改为M/M/15形式。）。Wq为平均等待时间；同时设定一天超市的营业时间为12小Pq为顾客到达系统在接受收银之前的时。得CP（customerspopulation）平均等待概率。=20*60*12=14400。因此每天有14400表2常规收银员超市结算系统排队模型仿真结果Tab.2QueuingmodelsimulationresultsofregularsupermarketsclearingsystemSLqWqPq1536.421.8599.67%1620.511.0399.37%172.670.1390.73%180.460.0266.83%190.180.0148.09%200.080.0033.81%表3基于RFID技术的超市结算系统排队模型仿真结果Tab.3QueuingmodelsimulationresultsofsupermarketsclearingsystembasedonRFIDSLqWqPq984.964.2499.73%106.030.2694.26%110.620.0368.21%120.190.0144.93%130.070.0028.52%140.030.0017.41%（1、从上表中得出结果：为了达到考察其剩余两项数据发现。在基于每个收银台前的收银等待不大于5人。RFID技术的超市自助结算系统中，平在原先的收银员结算系统下我们的结均等待时长和排队概率两项指标算台数目必须达到17个。同时基于（Wq=0.03min，Pq=68.21%）远低于常RFID技术的超市结算系统仅仅只需要规收银员结算系统的相应数据11个自助收银台。同时参考图5，我们（Wq=0.13，Pq=90.73%）。达到了18可以得出所需的门闸机数目仅为12个。个收银台的结算效率（Wq=0.02，（2、在达到等待收银队列不大于5Pq=66.83%，同时其Lq=0.46）。人的目标之后我们得到了两个结算系（3、较少的服务台数量降低了结算统所需收银台数。在这种情况下我们系统对超市的占地。节约期初的设计 面积，降低成本。同时在商品上粘贴RFID芯片将可（4、同时较少的服务台数量可以降以实时的监控商品的在售数目、库存低现场管理的难度。同时可更高效地以及保质期等相关参数。以便于超市实行目视管理。更少的人力资源占用实行高效的物料管理。在未来人资资本增加的环境下可以为参考文献：企业剩下一定量的资金。[1]、郭戈平．中国超市顾客购物行为6前景意义调查报告[J]．商业时代，2003(22)：本文所提到的基于RFID技术的超44-45．市自助结算系，是基于RFID的大面积[2]、陈大才．射频识别(RFID)技术的推广和普及前提下设计的。随着技[M]．北京：电子工业出版社，2001．术的进步，RFID芯片的价格在不久的[3]、沈海燕，史宏，须征文，等（铁将来将会讲到一个可以让各生产厂商道部科学研究院）G铁路车号自动识及物流中心所广泛接受的程度。届时别系统的实现及应用［HC:N］各种运用RFID芯片的自动化控制、监[4]、项益民,樊棠怀.基于RFID技术的控技术将会大面积地普及社会。物流管理系统方案设计[M].广在未来，一个高效的超市自助结州.2005算系统将会大大降低超市的结算系统[5]、张琦琮，杨公平，张福强超市排压力。提升超市的服务质量。客户体队系统仿真研究[M].济南.2011验将会有很大的改变。从而消除不必[6]胡运权。运筹学教程（第三版）清要的等待浪费以及等待带来的客户流华大学出版社2007失。