RFID標籤讓舊系統「老當益壯」

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

當一個曾經非常成功的系統跟不上時代的進展時,透過現代技術對該系統進行升級,以適當的成本和努力,就可以使其像一個更大且更好的系統般運行,而不用重新打造一個新系統...

有時候,想要維持一個老舊的系統正常運轉並使其基本管理理念保持有效幾乎是不可能的。想想十年前您最喜歡的PC、作業系統(OS)或應用,要讓它們持續運作需要付出多大的努力!同時,當一個曾經非常成功的系統跟不上時代的發展時,透過現代技術對該系統進行升級,以適當的成本和努力,就可以使其像一個更大且更好的系統般運行,而不用重新打造一個新系統。在氣動管道輸送系統中添加RFID標籤就是這樣一個例子。

隨著電子郵件和網路的發展,現代社會對寄送實體郵件的需求大大地減少了。但要知道,現實世界中發送有形物品仍是必須的,有時是網路無法替代的。例如在醫院中,各種患者的樣本(液體和組織)必須送到不同的實驗室,藥物也需要從藥房送到患者手中。為了解決這個問題,醫院通常使用氣動管道來接收和輸送載物瓶(1),載物瓶可以從發送站輸送到遠處的特定接收站。

1載物瓶的直徑通常為6英吋(15cm),長約13英吋(33cm),非常堅固,有一個簡單易鎖的瓶栓。較長的載物瓶需要半徑更大的彎管,每個成本約125美元。(圖片來源:NetBankStore)

最早也是最簡單的氣動管道系統採用物理軸輻式網路拓撲。用戶將物品放入載物瓶中,添加地址標籤並將其放入氣動管道中,然後關上瓶栓,再按下「開始」按鈕。壓縮空氣會將載物瓶運送到一個中央分揀處,在那裡經由人工查看目的地標籤,然後將容器放入合適的輸出管中,再發送出去。中央分揀處可能非常繁忙,但從用戶的角度來看,這個系統非常有用,是確保醫院高效運作的重要組成部份。

如果採用人工運送的方式,即使在建築物內,也很慢且效率不彰,走廊可能會阻塞,而且還必須由專門的人員來運送。後來,自動輸送分揀中心出現了,它可以讀取載物瓶標籤並為其導向,使其進入目的管道。

有趣的是,在氣動管道輸送系統用於醫院之前,曾被用於倫敦和紐約等城市的郵政郵件傳送。參考資料中有一些饒富趣味的歷史資訊和令人驚歎的照片。另外還有一種點對點的氣動管道輸送系統常常用於銀行的免下車服務窗口,尤其是在客戶車道與銀行的服務大廳不相鄰時使用。它們採用簡單的載物瓶與管道原理,是固定線路的點對點專用系統而非軸輻式拓撲,所以不存在定址或路由問題。

遠在電子郵件大幅衝擊紙質郵件之前,氣動管道運送郵件的方式就因多種原因而被廢棄了。然而,氣動管道輸送系統在醫院中的發展卻恰恰相反,因為在醫院中沒有其它可行的替代方案,它的成功也成為其最大的問題。隨著醫療和製藥技術的進步,患者檢驗數量激增,需要快速運輸的患者樣本或藥物也大幅增加。

隨著系統輸送需求的增加,管道超出其承載能力,增加更多管道要麼成本太高,要麼根本不可能,就像在擁擠的古老城區擴充高速公路的車道一樣困難(2)。更糟糕的是,如果一個載物瓶不明原因地卡住,就會阻塞管道系統的多條通道;而如果路由錯誤,後果將會更糟。

2:美國賓夕法尼亞大學醫學院最近升級的氣動管道輸送系統中一小部份,顯示佈局在醫院牆壁或路由中心的整體管道之複雜度。(圖片來源:Hospital of the University of Pennsylvania)

因此,我們需要現代電子技術來徹底改造氣動管道輸送系統,在不添加更多管道的情況下完成更多工作且做得更好。除了指示目的地地址的紙質標籤(僅出於個人方便和用於備份)或插入載物瓶的條碼卡片之外,最新的系統還使用RFID技術來標記每個載物瓶。發送站的使用者在觸控螢幕鍵盤上輸入位址代碼,管道管理系統就會將該位址代碼與永久置入載物瓶的RFID標籤關聯起來(3)。

3:現代氣動管道輸送系統堪稱功能強大、重點突出、簡單明瞭的用戶工作站典範。(圖片來源:Swisslog Healthcare)

經過這樣的改造,氣動管道輸送系統就變得完全自動化了。當載物瓶以15到20英哩/小時(20-30km/hr)的速度行進時,它們會被持續追蹤,並透過交換節點,路由至通往接收站的最佳空閒路徑。

系統管理不僅僅確定每個載物瓶的去向,檢查它是否去往該去的地方(也會出現問題,但很少),還可以辨識由於載物瓶卡住而造成的擁堵(這種情況也極少發生),並持續監控和管理載物瓶的輸送流量、等待和佇列長短,甚至可以根據使用模式確保有足夠的空載物瓶返回到每個網站。很多系統還可以將血液等重要物品編碼為「優先」載物瓶,取代路由計畫和傳送路徑中的其他載物瓶,以便緊急加速運送到手術室。

這些系統構成的網路很複雜,與電子通訊系統有許多相似之處。美國史丹佛大學醫院(Stanford University Hospital)的系統中有124個網站(每個護理站都有自己的網站)、141個傳輸單元(類似於路由器)、99個區域間連接器和29台鼓風機。大多數情況下,即使在運輸高峰期,在發送站和接收站之間最長達到數千英呎的情況下,載物瓶的運送時間也不到3分鐘。輸送流量、等待、佇列和其他參數的分析與許多電子網路一樣也可以量化(4)。

圖4:氣動管道輸送系統的輸送流量分析與電子通訊鏈路的分析非常相似;這些圖表從兩個角度顯示了系統負載與佇列大小的關係。(資料來源:Telecom Pneumatic Tube Systems)

一個大型系統每小時可以處理數百個載物瓶,這聽起來並不多,但平均運送時間和等待時間並不是關鍵,最大等待時間(延遲)才是最重要的。

即使不利用RFID標籤及其帶來的好處,這些氣動管道輸送系統也不會過時,因為它們的功能無可替代,除非真的出現了像《星際爭霸戰》(Star Trek)中那樣的傳送器和複製器。因此,透過在載物瓶上添加RFID標籤,即便系統負載係數也增加了,仍可建構一個具備更好的系統性能、輸送量、可靠性和其他關鍵規格的上層結構,這看起來相當有趣,甚至可以稱其是一個真正成功的物聯網(IoT)故事。

以適度的成本增加更多的感測器,從而大幅增強系統管理功能及性能,您是否參與過類似的系統設計?說服那些研發計劃的投資人,或者實際安裝這些感測器是否很困難?最終的好處是超出期望,還是未能達到預期的成果呢?

(參考原文:RFID upgrade brings an ancient system into 21st century,by Brian Dipert)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年1月號雜誌

 

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