استفاده از RFID در صنعت حمل و نقل هوایی

استفاده از RFID در صنعت حمل و نقل هوایی

نادر سنندجی

منبع: اولین همایش منطقه‌ای رویکردهای نوین در مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات

مقدمه

در سال‌های اخیر تکنولوژی RFID به یکی از مهم‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی فناوری اطلاعات مبدل گشته و توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. از اجزای مهم این تکنولوژی می‌توان به ۳ عنصر تگ (یا به‌طور کلی Transponder)، کارتخوان، و نرم افزارهای کاربردی اشاره کرد. تگ از یک چیپ الکترونیکی کوچک که شامل آنتن و ذخیره کننده‌ داده است تشکیل شده و یک شماره سریال منحصر به فرد و یکتا را به هر شیئ اختصاص می‌دهد که این شماره سریال اطلاعاتی در هر زمینه را می‌تواند در مورد آن شیئ در اختیار کاربر قرار دهد. کارتخوان از یک ماژول فرکانس رادیویی، واحد کنترل و عنصر مزدوج‌کننده برای ایجاد ارتباط فرکانس رادیویی ایجاد می‌شود.

استفاده از RFID در بسیاری از زمینه‌های اقتصادی با گسترش روزافزون مواجه است. طبق گزارش سالیانه منتشر شده توسط مؤسسه IDTechx سود ناشی از به‌کارگیری این فناوری در سال ۲۰۰۶ در کل جهان بیش از ۲٫۸ میلیارد دلار بوده که این میزان طبق پیش‌بینی این مؤسسه در سال ۲۰۱۶ بالغ بر ۲۶ میلیارد دلار خواهد شد. در مقایسه با سایر روش‌های تشخیص هویتی، RFID دارای مزایایی همچون ایجاد ارتباط بدون تماس، تشخیص همزمان چندین شیئ، ایجاد ارتباط بدون نیاز به خط دید مستقیم، حافظه بالا و نفوذ‌پذیری بالا می‌باشد. همچنین RFID امکان ذخیره و بازیابی خودکار داده را نیز فراهم می‌کند. کلیه‌ی ویژگی‌های مطرح شده قابلیت استفاده از RFID را در صنعت حمل و نقل هوایی به خوبی نشان می‌دهد. IATA برنامه‌های بسیاری را برای به‌کارگیری گسترده‌ RFID در صنعت حمل و نقل هوایی (مانند تگ‌های الصاقی به چمدان، ردیابی چمدان، کارت پروازها) به منظور کاهش خطا‌های انسانی در مدیریت اموال مسافرین که در سال تا ۴۰ میلیون خطا تخمین زده می‌شود مد نظر دارد. در همین چند سال که به‌طور محدود از RFID در اندک فرودگاه‌های مطرح دنیا استفاده شده است، بیش از ۱۰ درصد از میزان این اشتباهات کاسته شده. در این مقاله که مطالعه‌ موردی آن در فرودگاه بین‌المللی پکن است به بررسی یک سیستم RFID برای مدیریت چمدان‌های مسافرین به کمک تگ‌های الصاقی به آنها می‌پردازیم.

استانداردهای مورد استفاده

دو استاندارد مهم که در طرح فرودگاه پکن مورد استفاده قرار گرفتند ISO 18000 و EPC است. استاندارد EPC مورد استفاده قرار گرفته تمامی رابط‌های مورد نیاز در صنعت حمل و نقل هوایی را مورد پوشش قرار می‌دهد. استاندارد کلاس۱ نسل دو UHF تعریف شده در EPC با تطابق با استاندارد کلاس ۶ ISO 18000 مورد استفاده قرار گرفته است. این استاندارد‌ها برای اجرا به تگ‌های بدون نیاز به منبع تغذیه و بازه‌ فرکانسی ۸۶۰ تا ۹۶۰ مگاهرتزی نیاز دارند. فرکانس‌های کاری در نقاط مختلف دنیا متفاوتند مثلاً در آمریکای شمالی در بازه ۹۰۲ تا ۹۲۸ مگاهرتز و در اروپا در بازه ۸۵۶٫۶ تا ۸۶۷٫۶ مگاهرتز و در ژاپن در بازه‌ی ۹۴۴ تا ۹۵۴ مگاهرتز کار می‌کنند. علت تأکید بر قرار گرفتن در بازه فرکانسی UHF، این است که کارتخوان و تگ‌های RFID اگر در این بازه کار کنند، در برابر محیط‌های خشک و غیرفلزی مانند چمدان در یک فرودگاه کارایی خود را حفظ می‌کنند.

 پروتکل کلاس RP1740

برای مدیریت چمدان‌‌ها در فرودگاه‌ها، IATA پروتکل کلاس RP1740 را برای پیاده‌سازی مدیریت مبتنی بر RFID تعریف کرده است. این پروتکل استفاده از RFID را منوط به پیاده‌سازی استاندارد ISO18000-c و پروتکل‌های کاربری که از استاندارد ISO/IEC 15961,15962 که وظیفه‌ فشرده‌سازی داده برای ذخیره‌سازی و تعیین دستورات مورد نیاز برای تگ را بر عهده دارد، می‌کند.

استفاده در خطوط هوایی و فرودگاه‌ها

بیش از ۲ میلیارد چمدان سالیانه توسط خطوط هوایی منتقل می‌شوند. سود استفاده از RFID در مدیریت این چمدان‌‌ها در سال ۲۰۰۶ بیش از ۲۰ میلیون دلار بوده که تا سال ۲۰۱۶ به بیش از ۱۰۰ میلیون دلار خواهد رسید. استفاده از RFID یک مدیریت بلادرنگ و دقیق را در حمل و نقل اثاث و مرتب‌سازی آن‌ها، تحویل درست آنها و مسیریابی صحیح آنها برعهده دارد به همین دلیل تا کنون هواپیمایی انگلستان، هنگ‌کنگ، و بسیاری از خطوط مطرح هوایی آمریکا مانند Delta Airlines و فرودگاه بزرگ McCarren در آمریکا به‌طور کامل بارکد‌های قدیمی را با تگ‌های جدید RFID جایگزین کرده‌اند. دو راه برای تطبیق RFID در فرودگاه‌ها وجود دارد، در روش اول تگ‌های ارزان قیمت یک بار مصرف که هزینه‌ی آن کم‌تر از ۲۵ سنت است(و در هزینه سفر توسط شخص لحاظ می‌شود)، برای نشان‌گذاری یک شاخص یکتا روی هر چمدان به‌کار می‌رود(درست مانند یک پلاک منحصر به فرد برای هر خودرو). اطلاعات هر چمدان مانند صاحب آن، مبدا و مقصد آن، و سایر اطلاعات امنیتی آن فقط در صورتی که پایگاه داده زمینه‌ای این سیستم متصل باشد قابل استنطاق است. مزیت این روش این است که هزینه‌ی هر تگ بسیار ناچیز و تشخیص نرم‌افزار خواننده آن توسط تگ بسیار ساده است، اما زیرساخت پیچیده و هزینه‌بر آن از یک طرف و امکان شنود اطلاعات به صورت OFF-Line (که حریم شخصی افراد را نقض کرده و یکی از مهم‌ترین مسایل حقوقی RFID نیز همین موضوع است) از طرفی دیگر از نقاط ضعف این روش است. روش دیگر برای استفاده از RFID در فرودگاه‌ها، از تگ‌های به نسبت گران‌تر ولی با حافظه‌ی بیش‌تر استفاده می‌شود. استفاده از حافظه بیش‌تر در تگ برای حفظ اطلاعات جزیی چمدان‌‌ها و عدم دسترسی به اطلاعات شخصی توسط عناصر غیرمرتبط است. در این روش موقعیت هر چمدان می‌تواند در هر مرحله بعد از ورود به فرودگاه ثبت شود. مزیت این روش در کاهش بار محاسباتی زیرساخت و مدیریت Off line توسط کارتخوان‌‌ها امکان‌پذیر است. عیب این روش هم هزینه‌ی بیش‌تر هر تگ است که نیازمند به تگ‌های با قابلیت استفاده مجدد است.

طراحی و پیاده‌سازی

با افزایش تقاضای سفرهای هوایی در جهان استفاده از بارکدهای قدیمی به دلیل زمان اندک برای قرائت، زمان ارتباط بسیار کوتاه هواپیما، و تأخیرات زیاد هواپیما‌ها که باعث منقضی شدن TTL این بارکد‌ها و مدیریت مجدد مشکل آنها خواهد شد با کمبودهای شدید روبه‌رو خواهد شد. در شکل زیر دیاگرام پیاده‌سازی طرح اجرا شده در فرودگاه پکن نشان داده‌شده است.

 

همان‌طور که در شکل نشان داده شده است تگ UHF متصل به نوار چسبیده به چمدان، قابلیت اجرای هر دو روش که در بند قبلی به آن اشاره شد را ممکن می‌سازد. این روش RFID را مکمل بارکدهای کنونی مورد استفاده می‌سازد. هر گره مسیریابی RFID مشتمل بر یک کارتخوان مبتنی بر شبکه‌ی TCP/IP و دو یا بیش‌تر آنتن ثابت برای ارسال امواج الکترومغناطیسی در همه‌ی جهت‌‌ها می‌باشد. هر گره در یک موقعیت محوری نصب و وظیفه‌ی مدیریت فضا و پویش و به‌روز‌رسانی اطلاعات در انتهای هر پویش را برعهده دارد. در هر پویش اطلاعات چندین چمدان به پایگاه داده افزوده می‌شود. تمام تگ‌‌ها و نود‌ها که در بالا به آن اشاره شد لایه‌ اساسی فیزیکی سیستم را تشکیل می‌دهند. هنگامی که یک مسافر وارد گیت می‌شود، اطلاعات اثاث این مسافر نه تنها توسط بارکدهای قدیمی خوانده می‌شود بلکه به بایتکدهایی که قابل ذخیره توسط یک بلاک حافظه تگ RFID است، ترجمه می‌گردد. این بایتکد حاوی اطلاعاتی در مورد هویت حامل، زمان، مبدا، تاریخ و چند بیت برای خطایابی احتمالی با کمک روش CRC می‌باشد. مرکز کنترل که شامل ماژول‌هایی برای مدیریت کارتخوان‌‌ها و رویداد‌ها است، وظیفه هماهنگی میان کارتخوان‌‌ها و در صورت تهاجم جهت شنود، وظیفه‌ی تغییر ساختار داده‌ای را بر عهده دارد. چون داده دریافتی توسط نودهای RFID بسیار حجیم است، بنابراین این داده خام باید ابتدا فیلتر شود و سپس ذخیره گردد. سرور اطلاعات وظیفه تأمین خدمات رابط و API‌های قابل تعامل با مدیر شبکه مبتنی بر وب را برعهده دارد. مواردی که تاکنون مورد اشاره قرار گرفتند به پیاده‌سازی خدمات برای تعیین موقعیت چمدان‌‌ها می‌پردازند. نتیجه‌‌ی این پردازش‌‌ها می‌تواند بر روی نقشه‌های GIS روی مانیتورهای توزیع شده نشان داده شود. همچنین برخی خدمات می‌تواند به ترمینال‌های متحرک بیسیم موکول گردد که این امر مزایایی همچون اعلام به هر مسافر که اثاث او به‌طور موفقیت‌آمیز به مقصد رسیده را در پی دارد. در شکل زیر یک کلمه کنترلی پروتکل مورد استفاده در این طرح را می‌توان دید.

 

این طرح کارایی خود را در ترمینال‌های شلوغ فرودگاه به خوبی نشان می‌دهد. مثلاً در ترمینال شماره ۲ فرودگاه بین‌المللی پکن که شلوغ‌‌ترین ترمینال در کل آسیا است، این طرح کارایی خود را به خوبی و درنتایجی که در ادامه به آنها اشاره می‌کنیم نشان داده است. در هر نوار متصل به چمدان‌‌ها یک تگ UHF کلاس۱  نسل۲ پروتکل EPC به‌کار رفته است. در این شرایط، هر تگ متصل شده متناظر با بلیت الکترونیکی هر مسافر و به‌طور منحصر به فرد خواهد بود. در پیاده‌سازی مطابق شکل۱ هر کارتخوان از ۳ آنتن در حوزه‌ مسیر‌یابی تشکیل شده است، این سه آنتن در بازرسی امنیتی، ابتدای گیت ورودی، و گیت ورود به سالن انتظار برای رفتن به هواپیما قرار دارند. تمام کارتخوان‌‌ها از طریق کابل شبکه اترنت و تحت پروتکل TCP/IP به مرکز کنترل متصل‌اند. با ارسال کلمه‌ی کنترلی که در شکل ۲ نشان داده شد، تگ در هر فاصله که در حوزه‌ هر آنتن باشد قرائت شده و چون از روش‌های انطباق زمانی استفاده شده است، چندین تگ به صورت همزمان قابل خواندن است.

با نصب یک نمایشگر LED بالای هر حامل برای هر برنامه پروازی تعیین شده، می‌توان روی این نمایشگر تعداد چمدان‌های مرتب شده و درحال مرتب‌سازی را نشان داد.

نتایج عملی

نتایج پردازش در محیط نامناسب دریافت چمدان‌‌ها در برنامه پروازی دو ماهه بین ماه می‌ تا ژوئن سال ۲۰۰۶ هواپیمایی چین صورت گرفته است. نرخ قرائت صحیح(بازده) تگ‌های الصاقی محاسبه شده است. درصد نرخ قرائت به صورت زیر تعریف می‌شود:

 

طبق نتایج به‌دست آمده از این بررسی آماری دو ماهه، این نرخ به ۹۶٫۸۶ درصد می‌رسد که در مقایسه با روش استفاده از بارکد‌های قدیمی که دقت آنها تا ۸۵ درصد(در بعضی از فرودگاه‌ها تا ۷۵ درصد دقت داشته‌اند) بوده، به بهبود بیش از ۱۱ درصدی می‌رسیم. در شکل زیر به نتایج آماری این پیشرفت اشاره شده است:

 

طبق نتایج میدانی این دو ماه، بیش از ۱۷۴ هزار دلار در این مدت صرفه‌جویی اقتصادی شده است. بنابراین اگر نتایج را به کل بسته‌های ارسالی در سال که به بیش از دو میلیارد بسته است تعمیم دهیم، به سود سالیانه‌ ۷۶۰ میلیون دلاری می‌رسیم.

 

ارتقای کارایی

برخلاف بارکدهای قدیمی، تگ‌های الصاقی تحت تأثیر تا شدگی، پنهان‌شدن پشت ورقه‌های فلزی، کثیف شدن و بلوکه شدن قرار نمی‌گیرند. این ویژگی‌ها که همگی در یک سیستم ارسال و حمل و نقل هوایی همیشه اتفاق می‌افتد، برتری بسیار زیادی به استفاده از تگ‌های RFID می‌دهد و چون دقت زیادی برای جابه‌جایی چمدان‌های دیگر مورد نیاز نیست، سرعت کار پرسنل انسانی را خیلی افزایش می‌دهد. همچنین امکان قرائت همزمان چندین تگ، قابلیت ایجاد یک مجموعه از چمدان‌‌ها و ارسال آنها با هم را ممکن می‌سازد. همچنین اطلاعات بسته‌هایی که صاحب آنها مراجعه نکرده و با تأخیر به مقصد می‌رسند، با یک سیستم مدیریت WiFi به مرکز کنترل ارجاع داده می‌شوند تا با قرائت اطلاعات صاحب آن، تصمیمات لازم در مورد آن اجرا گردد.

مقایسه قیمت سخت‌افزارهای مورد استفاده با سیستم بارکد

همان‌طور که قبلاً اشاره شد، بارکد‌ها به خط دید مستقیم برای خوانده شدن نیاز دارند و در محیط پویایی مثل بارانداز فرودگاه امکان مسدود شدن این خط دید مستقیم وجود دارد. همچنین در محیط پر نویز و پر اغتشاش فرودگاه، سیستم بارکد اصلا قابل اعتماد نخواهد بود. در مقام مقایسه قیمت سیستم بارکد با سیستم مبتنی بر RFID، قیمت هر کارتخوان RFID که در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته کم‌تر از ۴۰۰۰ دلار است که در مقایسه با دستگاه بارکدخوان، قیمت کارتخوان RFID از بارکدخوان ۱۱۰۰۰ دلار ارزان‌تر است اما قیمت هر تگ الصاقی چندین برابر قیمت یک برچسب بارکد ساده است که اگر در مقیاس چندین هزار تگ برای هر کارت خوان مقایسه صورت گیرد، هزینه‌بر بودن RFID را نشان می‌دهد ولی با گسترش روزافزون تکنولوژی ساخت تگ و کاهش همه روزه قیمت این قطعه، می‌توان به سودآوری بیش‌تر این فناوری در صنعت حمل و نقل هوایی خوشبین بود. در جدول زیر مقایسه‌ عمل‌کرد RFID و بارکد و چیرگی محسوس RFID به خوبی مشهود است:

 

زیرساخت مورد نیاز برای پیاده‌سازی

تحقیقات سال‌های اخیر IATA نشان می‌دهد که ۸۰ فرودگاه معتبر جهان باید به فناوری RFID برای ایجاد امکان ارتباط با یکدیگر و کاهش ۸۰ درصدی خطاهای مدیریت اثاث مسافرین مجهز گردند. چون بسیاری از بسته‌های مسافرتی در طول جهان در حال تردد هستند، زیرساخت بسیار قوی برای ذخیره و ردیابی اطلاعات تگ‌های الصاقی در هر گره RFID و به صورت بلادرنگ مورد نیاز است و تشریک داده‌های موجود در همه‌ی سرورهای اطلاعاتی در فرودگاه‌های مرتبط با هم مورد نیاز می‌باشد. برای رسیدن به این هدف(فراهم کردن زیرساخت ارتباطی عظیم) راه‌کارهایی مانند ONS که از سرویس DNS شبکه اینترنت برای دستیابی به اطلاعاتی که تحت پروتکل EPC تعریف شده است استفاده می‌کند موجود است. بنابراین تمام فرودگاه‌های کوچکی که استفاده از RFID در آنها به صرفه نیست می‌توانند به عنوان میزبان و پشتیبان(نه مصرف کننده) از این فناوری حمایت کنند و با اتصال به شبکه اینترنت برای نظارت محموله‌های ارسالی به شبکه فروگاه‌های جهان کمک کنند.

نتیجه‌گیری

سیستم‌های مبتنی بر RFID نظارت بلادرنگ اثات و محموله‌های ارسالی در فرودگاه‌ها را ممکن می‌سازند. در مقایسه با سیستم‌های قدیمی مبتنی بر بارکد دارای مزایای بسیار بیش‌تری هم از لحاظ کیفیت کار و هم هزینه‌ انجام نظارت هستند. به‌طور کلی از این مقاله نتایج قطعی زیر قابل دریافت است:

۱-از نظر کیفی مزیت برد بیش‌تر، تحمل پذیری بیش‌تر در برابر اغتشاشات تحمیل شده، تشخیص همزمان چندین تگ و سرعت پردازش بالا را دارا است. در مقایسه با سیستم بارکد میزان سرعت خواندن تگ‌‌ها بیش از ۲۰ درصد افزایش نشان می‌دهد.

۲- هر چند هزینه‌ اولیه‌ راه‌اندازی RFID کمی بیش‌تر از سیستم ساده‌ بارکد است اما صرفه‌جویی حاصل از استفاده از RFID ظرف مدت کوتاهی این هزینه را جبران خواهد کرد.

۳- کاهش هزینه‌های استفاده از RFID و مزایای آن هرچند خیلی زیاد است اما برای رسیدن به حداکثر مقدار خود نیازمند همه‌گیر شدن در اکثر فرودگاه‌های بزرگ جهان است زیرا برای پیاده‌سازی مؤثر نیاز به یک زیرساخت شبکه‌ای جهانی دارد.

۴- استقرار RFID در فرودگاه‌های بزرگ الزامی برای فرودگاه‌های کوچک که بضاعت پیاده‌سازی این سیستم را ندارند ایجاد نمی‌کند زیرا تگ‌های RFID و سیستم بارکد قدیمی توانایی تعامل با هم را همان‌گونه که در بخش معرفی زیرساخت توضیح داده شد، دارند.

۵- تنها نکته‌ قابل تأمل و چالش ‌برانگیز در استفاده از این فناوری حفظ حریم شخصی است که مقاله‌ها و بررسی‌های زیادی در مورد حفظ حریم شخصی نیز می‌توانند در زمینه استفاده از RFID در فرودگاه‌ها صورت گیرد.