机场行李自动分拣系统设计与开发

张子豪，张 旭，汪雪刚

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)(2.中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412002)(3.江苏爱吉亚电子科技有限公司，江苏 张家港 215625)

早期机场行李分拣主要采用条形码技术，随着使用时间的增加、条形码的磨损以及光学元件的老化，识别成功率大大降低。与条形码技术相比，超高频无线射频识别(radio frequency identification，RFID)技术在很多方面均有明显的优势。由于RFID技术[1]主要通过电磁波传输方式进行信息传递，因此读写速度更快，操作更简单。超高频RFID技术应用在机场行李分拣系统中有利于极大地提高机场行李分拣的效率，对国内蓬勃发展的民航行业是一大技术支持。

1 行李自动分拣系统

行李自动分拣系统主要负责乘客随身行李在进入机场后的初步安检与分拣[2]。整个系统的主要职能有两个，即行李安检与行李分拣，考虑分拣操作应以机场和乘客安全为前提，提出将行李安检的结果作为行李分拣的标准，故在进行系统布局时应将安检部分放在分拣部分之前。

1.1 行李自动分拣系统结构

行李自动分拣系统分为行李安检子系统和自动回栏子系统两个部分。行李安检子系统主要负责乘客行李的安检、分拣、转运等[3]，自动回栏子系统主要负责转运托盘的回收再利用。行李自动分拣系统的输入为乘客的随身行李[4]，输出为通过自动安检(X光机安检)和人工安检的安全行李或未通过安检的不安全行李。两个子系统之间的关系主要通过托盘连接，托盘是行李安检子系统的转运工具，也是自动回栏子系统的处理对象[5]。

行李自动分拣系统工作示意如图1所示。

图1 行李自动分拣系统工作示意图

1.2 行李自动分拣系统功能介绍

1.2.1行李安检子系统

行李安检子系统的主要任务是进行乘客行李的安检、分拣、转运，设有两种安检方式，即X光机自动安检和人工开包安检。行李在行李安检子系统中流转时，先经过X光机自动安检，若通过X光机安检，则安检完成，分拣至安检完成区等待乘客领取；若未能通过X光机安检，则转入人工开包安检，人工开包安检合格后则安检完成，等待乘客领取，若人工开包安检也未通过，则定性为不安全行李。

乘客的行李经过X光机安检后顺着传送带到达分拣处后，根据安检结果，行李将被分拣至两条不同的路径：1)顺着线路1被转运至人工安检处进行人工安检；2)顺着线路2被转运至托盘自动升降机附近。在到达自动升降机之前，托盘内的行李由相应的乘客领走。

1.2.2自动回栏子系统

自动回栏子系统的工作流程较简单，其处理对象是位于线体上层的已经完成行李安检转运任务的空托盘，目的是将空托盘运送至位于上层线体中的放置位的正下方区域，供后续的乘客使用，从而实现托盘的自动回栏以及重复使用。

在此过程中自动回栏子系统还需将空托盘上标签绑定的人像信息、安检信息等信息清除，从信息的层面将托盘变为“空托盘”[6]。

2 机场行李自动分拣系统总体设计

2.1 系统总体工作流程

以单个托盘在整个系统中的流转过程为例介绍系统的工作流程，具体如图2所示。

图2 行李自动分拣系统流程图

2.2 行李安检子系统

行李安检子系统工作流程如图3所示。

根据系统工作流程可知，在行李安检子系统运行过程中，当有托盘经过RFID读写器时，若RFID读写器出现漏读，则会导致系统在该环节直接报错或者在下一个环节无法识别该托盘[7]；若RFID读写器与周围其他RFID读写器(主要指放置位读写器)之间发生了串读，则会导致人脸识别信息遗漏或者绑定错误，系统报错。故RFID技术应用于本系统的难点是如何解决RFID读写器与标签之间的串、漏读问题。

2.3 自动回栏子系统

自动回栏子系统的工作流程图如图4所示。

图3 行李安检子系统工作流程图

图4 自动回栏子系统的工作流程图

自动回栏子系统在系统开机后先进行自检，检查电机系统、RFID读写器以及托盘自动升降机工作状态是否正常，若有任何一部分故障，则系统报错，液晶屏上对应的红灯亮起并显示出错部位[8]，工作人员根据液晶屏显示内容对系统进行检修，直至系统检测一切正常；若系统各组成部分无故障，则系统检测显示一切正常，液晶屏上对应的绿灯亮起，开始下一步工作。

系统自检完成后，托盘自动升降机开始工作，自动升降机的主要作用是将空托盘从行李安检子系统的终点(整个线体的上层)转至自动回栏子系统的起点(整个线体的下层)，当空托盘被托盘自动升降机转至自动回栏子系统的起点后，第一段传送带的光电传感器被托盘遮挡触发，负责控制第一段传送带的电机开始工作将托盘向前传送，在向前传送的过程中，位于传送带侧边的RFID读写器读取托盘上的标签信息，并将标签信息上传至控制系统。

自动回栏子系统的传送带被分为几个小段，每段传送带有一个驱动电机，同时在每段传送带首尾两处分别设置一个光电传感器，只有当位于传送带首的光电传感器被触发、位于传送带末尾的光电传感器没有被触发的时候，电机才开始运转并驱动传送带将托盘向前输送[9]，从而实现防托盘堆积的目的。

托盘经过传送带的传送最终到达各个放置位的正下方区域，供乘客放置行李。当某一放置位的空托盘被乘客取用之后，当前传送带的末尾光电传感器不再被遮挡，则电机会驱动后面的空托盘向前补空位[10]。

3 系统硬件设计

3.1 系统整体线体

整个行李分拣系统线体分为上下两层，线体上层为行李安检子系统，线体下层为自动回栏子系统。行李安检子系统的起点对应着自动回栏子系统的终点，自动回栏子系统的起点对应着行李安检子系统的终点。线体简图如图5所示。

图5 线体结构简图

系统线体上下两层之间的间隔为700 mm，上下两层系统的传送带运转方向相反。整个系统的线体侧面图如图6所示。

图6 机场行李自动分拣系统的线体侧面图

3.2 行李安检子系统

系统由6个放置位、6个推放位、1个X光安检机、分拣传送带、安检完成区、人工安检区等组成。各功能区功能介绍见表1。

表1 各功能区位功能表

3.3 自动回栏子系统

自动回栏子系统的俯视图如图7所示。放置位正下方区域主要用于摆放空托盘。自动回栏子系统的工作顺序为从右至左。

图7 自动回栏子系统俯视图

3.4 RFID硬件介绍与布局

3.4.1行李安检子系统RFID布局

整个系统中采用的RFID设备主要包括两类：

1)第一类RFID设备配备有4根并排放置的外置天线，如图8所示，单个天线长约150 mm，两天线间距约80 mm。

图8 放置位与推放位的RFID安装位置示意图

2)第二类RFID设备的天线均采用内嵌式天线，如图9所示，天线内嵌于设备外壳中，采用单天线设计，单个天线呈长方形，长约100 mm，宽约45 mm。

图8中1号框内区域为放置位区域；2号框为放置位光电门传感器的安装位置；3号框为放置位RFID读写器天线的安装位置；4号框为推放位区域；5号框为推放位光电门传感器的安装位置；6号框为推放位RFID读写器天线的安装位置。放置位的RFID读写器的天线与通信模块是分离开的，即为第一类RFID设备，天线的排列形式及安装方式如图8下方长方形框中所示。 推放位RFID读写器的天线与通信模块是集成为一体的，即第二类RFID设备，具体外观及安装方式如图9上方长方形框中所示(黑色塑料板材后面就是RFID读写器的天线)，图9下方长方形框内为推放位的光电门传感器的安装情况。

图9 推放位RFID读写器布局图

3.4.2自动回栏子系统RFID布局

托盘自动升降机在本系统中负责将线体上层的空托盘转运至线体下层的自动回栏子系统的入口处，所以托盘自动升降机布置在自动回栏子系统的起点处。RFID读写器负责采集进入自动回栏子系统的托盘标签信息并上报给控制系统，因控制系统清除标签绑定的信息需要一定的时间，故应将RFID读写器布置在自动回栏子系统线体的前半部分，由于传送带是分段的，故可以将RFID读写器布置在第二个传送带的侧边。具体RFID读写器安装形式与图9所示的安装方式相同。

4 实验验证

4.1 行李安检子系统实验验证

1)实验环境。

行李安检子系统实验主要测试托盘从放置位下方区域取出—放置位—推放位—从推放位向侧边推进这几个部分的读写情况。

①托盘状态。

由于本系统采用的RFID标签在金属环境下受干扰程度较大，因此将乘客行李分为无金属覆盖、部分金属覆盖、侧面金属覆盖、全金属覆盖以及金属旅行箱5种情况，如图10所示。

②托盘测试位置。

托盘测试位置有3个，分别是推放位、放置位、过渡位置，这3个位置是较容易出现串读、漏读或者逻辑异常的位置，故以这3个位置为实验位置，如图11所示。

图10 实验中的5种托盘状态

图11 实验涉及的测试位置

2)实验结果。

行李安检子系统的实验结果如图12所示。

图12 行李分拣子系统的实验结果

由实验数据可知，在相对复杂的金属环境下，RFID读写器容易报错(发生串、漏读)，但一般情况下RFID读写器的读取准确率维持在99%以上。

4.2 自动回栏子系统实验验证

自动回栏子系统主要验证当托盘从位于传送带侧边的RFID读写器前经过时，RFID读写器对当前标签的读写情况。实验验证使用的是release软件。托盘状态与行李安检子系统实验中的托盘状态相同，因RFID设备在自动回栏子系统中的布置方式只有一种(布置于传送带侧边)，故托盘测试位置只有一种，即沿着传送带从RFID读写器前经过。

实验结果如图13所示。

图13 自动回栏子系统的实验结果

由实验数据可知，在自动回栏子系统中，RFID读写器的识别准确率达到了99.5%以上，在有限的实验次数内，剔除偶然因素，RFID设备工作基本稳定。

5 结束语

本文提出了一种将RFID技术应用于机场乘客随身行李分拣的解决方案，对RFID技术在行李分拣系统中的应用展开了详细的分析与设计，并进行了实验验证，从实验数据可以看出，剔除偶然误差的因素，RFID射频设备的识别率达到了99%以上，验证了本文方案的可行性。

本文的研究主要针对的是RFID的硬件布局，后续将对RFID防串读算法进行进一步的研究，以提高RFID设备的识别率。除此之外，本文中软件以及系统层面的设计相对较少，因此软件系统设计以及系统通信等方面的研究也是下一步要做的工作。