港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)研究①

俞丹俊 李正紅 陳 誠 鄭小雪 蘇慶列

[摘 要]本文構(gòu)建了一個港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng),詳細介紹了該應(yīng)用系統(tǒng)的各個組成部分和工作流程,最后提出了RFID大規(guī)模應(yīng)用于港口集裝箱尚需解決的主要問題。

[關(guān)鍵詞]RFID 數(shù)據(jù)采集 港口 應(yīng)用

[中圖分類號]U169[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0099-04

1 RFID技術(shù)應(yīng)用于集裝箱運輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀

集裝箱電子標簽的應(yīng)用模式分成四個基本層次[1～2]:(1)基本應(yīng)用,集裝箱箱號的準確快速識別;(2)結(jié)合港航企業(yè)管理信息系統(tǒng);(3)地區(qū)內(nèi)跨部門應(yīng)用;(4)國際通用。隨著應(yīng)用層次的提高,其技術(shù)難度和總成本也會相應(yīng)地提高。

張佳[3],陶學(xué)宗[4],金楠[5],王慶綱[6]等對RFID在集裝箱運輸管理中的應(yīng)用進行了研究,在集裝箱運輸過程中把堆場、閘口和岸吊處作為RFID系統(tǒng)的節(jié)點。對集裝箱貨運循環(huán)進行跟蹤。通過internet,把RFID用于集裝箱多式聯(lián)運,實現(xiàn)信息的多方共享。指出了集裝箱運輸應(yīng)用RFID需解決的問題[7]:節(jié)點的選擇,標準問題,成本問題,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)的有效性(防止數(shù)據(jù)沖突、數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)錯誤),數(shù)據(jù)的同步性,信息的安全性。

張傳龍[8],張志泉[9]等研究了RFID在現(xiàn)代化港口的應(yīng)用,提出了基于港口服務(wù)的RFID的應(yīng)用方案。該方案包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個方面。硬件系統(tǒng)由RFID自動識別系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成,軟件系統(tǒng)包括RFID信息管理系統(tǒng)和與之整合的港口集裝箱管理系統(tǒng)。

RFID作為一種非接觸的自動識別技術(shù),應(yīng)用到集裝箱運輸,開發(fā)出信息化集裝箱,完成對集裝箱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和識別,技術(shù)上是成熟的,行業(yè)上是迫切的,而且RFID電子標簽應(yīng)用到集裝箱行業(yè)實現(xiàn)箱號的自動識別是一種必然的趨勢。但RFID怎么用,如何用,采用何種技術(shù),數(shù)據(jù)格式如何定義,應(yīng)用標準如何規(guī)范等一系列問題都要進行研究測試,找出完整的應(yīng)用解決方案[10～11]。

2 RFID技術(shù)的相關(guān)介紹

RFID是英文“Radio Frequency Identification”的縮寫,即無線射頻識別技術(shù),是利用射頻信號通過空間耦合(交換磁場和電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞信息達到識別目的的技術(shù)。

射頻識別系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下兩個部分,一是讀寫器,二是電子標簽。另外還應(yīng)包括天線、主機等。RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同其組成會有所不同,但從RFID系統(tǒng)的工作原理來看,系統(tǒng)一般由信號發(fā)射機、信號接收機、編程器和發(fā)射天線幾部分組成。

3 港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建

RFID技術(shù)只是自動化采集集裝箱信息的一種手段,構(gòu)建的港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)可以準確實時的記錄和查詢集裝箱歷史和當前狀態(tài)、運輸車輛歷史記錄、集裝箱進出道口的當前狀態(tài)和歷史記錄、堆場集裝箱存放位置、堆場目前集裝箱的存放狀態(tài)等,從而實現(xiàn)集裝箱堆場和車輛運輸記錄的自動化管理和無紙化操作。對集裝箱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行實時傳輸,實現(xiàn)供應(yīng)鏈下集裝箱管理的透明化。

3.1 港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)港口的實際情況和需要實現(xiàn)的功能目標,構(gòu)建的港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)分為以下子系統(tǒng):

裝拆箱點數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng):完成裝箱點的數(shù)據(jù)輸入和修改,把信息寫入電子標簽;電子標簽自動識別系統(tǒng):完成集裝箱信息的自動識別和實時采集;無線傳輸通信系統(tǒng):完成在港區(qū)大范圍環(huán)境下的數(shù)據(jù)無線傳輸通信,用以將前端電子標簽系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说母劭诩b箱管理信息系統(tǒng);港口集裝箱管理信息系統(tǒng):完成后端對集裝箱信息的實時處理和管理,并進行EDI數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)港間的集裝箱信息實時交換。

其中最重要的是電子標簽自動識別系統(tǒng),它是整個港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ),而無線傳輸系統(tǒng)是港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3.2 電子標簽自動識別系統(tǒng)

電子標簽自動識別系統(tǒng)作為整個應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ),其基本配置為:集裝箱電子標簽、電子標簽信息錄入設(shè)備、電子標簽基站式讀寫器、電子標簽無線式讀寫器、電子標簽無線式橋接器等。同時配備手持讀寫設(shè)備以及車載電腦終端。車載電腦終端包括裝卸機械駕駛室中的顯示設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸終端等。電子標簽自動識別系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

3.2.1 電子標簽

集裝箱電子標簽是一種具有微波雙向通訊功能的自動標識設(shè)備,附著在集裝箱上,作為集裝箱的信息載體和安全認證的設(shè)備。

本設(shè)計選擇的集裝箱電子標簽為有源電子標簽,具有32KB數(shù)據(jù)存儲容量,具備可讀可寫功能;采用獨特的雙頻段工作方式,正常讀寫工作在ISM2.4GHz頻段,區(qū)域激活工作在125kHz頻段;內(nèi)部采用125個信道,1Mbps的通訊速率,以滿足集裝箱電子標簽的大容量信息實時交換;高安全性數(shù)據(jù)傳輸機制,支持雙向認證及加、解密;固態(tài)封裝,可靠防拆卸功能,滿足工業(yè)環(huán)境要求。

根據(jù)本RFID應(yīng)用方案的實際應(yīng)用情況,集裝箱電子標簽內(nèi)存儲的內(nèi)容有兩類。固定信息:集裝箱箱號,集裝箱尺寸,集裝箱箱型,特殊箱類型,持箱人;動態(tài)可變信息:貨船名稱,航次,起運港港口代碼、卸貨港港口代碼、中轉(zhuǎn)港港口代碼,提單號,鉛封號,集裝箱狀態(tài),污殘損記錄,集裝箱箱重量,貨物代碼和備注等。

根據(jù)ISO10372標準,把箱用電子標簽安裝于集裝箱通風(fēng)口附近。

3.2.2 集裝箱電子標簽信息錄入設(shè)備

本設(shè)計采用便攜式電腦和手持式PDA讀寫器來進行集裝箱信息錄入。手持式PDA讀寫器(如圖4-2所示)主要用于在貨運源頭、港口道口、堆場、岸邊、航運等各集裝箱作業(yè)環(huán)節(jié),完成對電子標簽的寫入、識讀、核對或信息交換。

本設(shè)計中手持式PDA讀寫器采用的技術(shù)為:基于PDACF接口的遠距離電子標簽手持讀寫器,采用全球通行的ISM 2.4 GHz工作頻段;讀寫模塊采用PCMAC接口方式,能與手提式計算機實現(xiàn)雙向通訊;基于頻道隔離和分割技術(shù)的多讀寫器抗干擾技術(shù),支持多讀寫器在同一區(qū)域協(xié)同工作;基于跳頻技術(shù)的高效防碰撞算法,能同時讀取上百個標簽;采用非對稱加密技術(shù),實現(xiàn)了標簽與讀寫器在安全性和功耗、計算性能之間的平衡;體積小、攜帶方便、通用性強、功能強大;滿足工業(yè)環(huán)境要求。

3.2.3 集裝箱電子標簽基站式讀寫器

本設(shè)計中采用的集裝箱電子標簽基站式讀寫器是以無線通訊的方式與電子標簽進行數(shù)據(jù)交換,采集、更新標簽中的信息,并通過RS232/485等方式與計算機進行有線通訊。

本設(shè)計中集裝箱電子標簽基站式讀寫器采用的技術(shù)為:工作在ISM2.4GHz頻段;支持RS232/485有線方式與上位機通訊;加密計算與認證,確保數(shù)據(jù)安全,防止鏈路被竊聽與數(shù)據(jù)破解;使用頻道隔離技術(shù),多個設(shè)備互不干擾;先進的防碰撞技術(shù),支持多標識讀寫;可配置微波模塊工作方式,且發(fā)射功率軟件可調(diào);抗干擾和防雷設(shè)計;滿足工業(yè)環(huán)境要求。

安裝在集裝箱卡車的運行通道上和進出道口等固定位置。在標桿或橫梁上側(cè)掛或頂掛。

3.2.4 集裝箱電子標簽無線式讀寫器

集裝箱電子標簽無線式讀寫器以無線通訊的方式,與集裝箱電子標簽進行數(shù)據(jù)交換,采集和更新標簽中的信息,并通過集裝箱電子標簽無線橋接器以無線方式與計算機通訊。

本設(shè)計中集裝箱電子標簽無線式讀寫器采用的技術(shù)為:采用ISM2.4GHz工作頻段;支持無線方式與上位機通訊;加密計算與認證,確保數(shù)據(jù)安全,防止鏈路被竊聽與數(shù)據(jù)破解;使用頻道隔離技術(shù),多個設(shè)備互不干擾;先進的防碰撞技術(shù),支持多標識讀寫;抗干擾和防雷設(shè)計;滿足工業(yè)環(huán)境要求。

集裝箱電子標簽無線式讀寫器安裝在場吊、岸吊等移動設(shè)備上。

3.2.5 集裝箱電子標簽無線橋接器

集裝箱電子標簽無線橋接器是用于替代“標簽讀寫器通訊電纜”的一種無線通訊設(shè)備。

本設(shè)計中無線橋接器采用的技術(shù)為:無線橋接器和無線讀寫器成對使用,對兩端連接的設(shè)備而言是透明的;數(shù)據(jù)通訊速率達到1Mbps;支持RS232/485有線接口;數(shù)據(jù)加密,防止受到安全攻擊;抗干擾和防雷設(shè)計;滿足工業(yè)環(huán)境要求。

無線橋接器和無線讀寫器成對使用,安裝在場吊和岸吊等堆高設(shè)備上的駕駛室內(nèi)。

3.2.6 無線車載終端

無線車載終端主要用于場橋和岸橋等大型機械的駕駛員對中控室發(fā)出的作業(yè)指令進行接收及確認,把作業(yè)完成信息發(fā)送給中控室。

本設(shè)計場橋無線車載終端和岸橋無線車載終端均采用2.4G圖形界面,場橋終端安裝在場橋司機駕駛室中,岸橋終端安裝在岸橋司機駕駛室中。

3.3無線傳輸通信系統(tǒng)

3.3.1 無線系統(tǒng)的介紹及技術(shù)選擇

碼頭因為復(fù)雜的地理位置和特殊功能造成了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)使用上的不便。無線局域網(wǎng)具有高移動性和架設(shè)與維護便捷等特點,在位置變動頻繁以及不方便鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的情況下,可以把貨物、集裝箱情況和資料直接傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理,大大提高工作效率和服務(wù)質(zhì)量,避免不必要的差錯。

當前無線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)較為成熟的是IEEE802.11b(2.4GHz 11Mbps直序擴頻)技術(shù)。該技術(shù)又稱WiFi無線技術(shù),以其穩(wěn)定高速的網(wǎng)絡(luò)通訊能力著稱,為廣大設(shè)備廠商所支持。由于該技術(shù)允許同一地區(qū)內(nèi)有三個頻段同時進行覆蓋,因此理想情況下可以通過擴頻方式將某些地區(qū)的總體帶寬拓寬至33Mbps,相對于前幾年較為流行的跳頻系統(tǒng)的1.6Mbps(跳頻系統(tǒng)標準不統(tǒng)一,有些跳頻系統(tǒng)可達到3Mbps的帶寬)具有較大的帶寬上的優(yōu)勢。對于擁有眾多需要通訊的機械設(shè)備的港口來說,選取該技術(shù)更能適合系統(tǒng)的運行效率。所以本系統(tǒng)采用的無線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)為IEEE802.11b。

設(shè)計原則:根據(jù)碼頭作業(yè)的需求,輪胎吊作業(yè)和岸吊的車載終端需要全堆場和碼頭前沿的地面的空中無線信號覆蓋;系統(tǒng)通信容量不應(yīng)存在瓶頸,即在最惡劣的環(huán)境下,輪胎吊車載終端和岸吊車載終端可以共享11Mbits/s以上的信道帶寬,在輪胎吊作業(yè)繁忙的時候,不允許發(fā)生空中信道瓶頸的現(xiàn)象。

3.3.2 無線傳輸通信系統(tǒng)的功能

無線傳輸通信系統(tǒng)把從事集裝箱作業(yè)的所有活動站點(集裝箱拖車、集裝箱裝卸橋、場吊、叉車及指揮人員等),使用無線終端設(shè)備通過覆蓋全部作業(yè)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò),與管理中心的服務(wù)器相聯(lián)接,對集裝箱生產(chǎn)的各個步驟建立實時的數(shù)據(jù)采集、傳輸通道,使管理人員可以更加清楚、準確實時的知道實際的作業(yè)情況,對集裝箱生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理結(jié)果實時記錄,從而更有效的安排生產(chǎn)作業(yè)和處理突發(fā)事件,并可為其他相關(guān)行業(yè)(如海關(guān)等部門)提供及時準確的數(shù)據(jù)。

本無線傳輸通信系統(tǒng)適用于港口電子標簽自動識別系統(tǒng)應(yīng)用實際需求,具體實現(xiàn)以下功能:將部署在碼頭閘口、場吊、橋吊等設(shè)備上的電子標簽設(shè)備的信息和管理人員手持機讀寫出來的電子標簽信息無線傳輸,并無縫接入到后端集裝箱信息實時交換系統(tǒng)中,并在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)漫游、資源共享;把調(diào)度指揮中心的作業(yè)計劃指令及時發(fā)布到場吊和橋吊車載終端;集裝箱堆放作業(yè)完成后,通過場吊和橋吊設(shè)備上的無線數(shù)據(jù)傳輸車載終端將數(shù)據(jù)實時遠程傳輸反饋給調(diào)度指揮中心和后臺管理系統(tǒng),從而完全避免了多次重復(fù)的數(shù)據(jù)手工抄寫和錄入,并避免了數(shù)據(jù)記錄的不及時和錄入的延誤;滿足港口地理環(huán)境限制、應(yīng)用的實際需求。

3.3 港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)工作流程

該港口集裝箱RFID應(yīng)用系統(tǒng)的工作流程如圖4-3所示。包括貨物信息的寫入,港區(qū)進出道口、進出堆場、裝卸船時集裝箱物流信息的讀取和記錄。

以集裝箱出口流程為例,詳述所經(jīng)過的步驟:

(1)在裝箱點通過手持PDA或筆記本電腦將集裝箱和貨物狀態(tài)相關(guān)信息寫入電子標簽。

(2)載有帶電子標簽的集裝箱卡車開往港口,當集裝箱通過港口管理道口的RFID基站式閱讀器時,RFID卡被觸發(fā),發(fā)射出能唯一表明通過閘口集裝箱身份的代碼信息(如集裝箱號、類別、噸位等及來源地或目的地等),RFID基站式閱讀器同時讀取接收辨別檢驗、經(jīng)處理傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng),進行數(shù)據(jù)管理及存檔,以備查詢。并與數(shù)據(jù)庫中的預(yù)約信息進行對比,確認后正常放行并分配場箱位;

(3)集裝箱卡車開往指定堆場,龍門吊在接到中控室發(fā)來的指令(包含箱位)后,開始起吊集裝箱,安裝在龍門吊上的RFID閱讀器讀取電子標簽確認無誤后,再堆放到指定場箱位,確認后將場箱位記錄到數(shù)據(jù)庫。集裝箱在堆場等待裝船;

(4)經(jīng)港方中控室配載后,中控室發(fā)布工作指令(包含箱號,箱位)給龍門吊,貼有電子標簽的集裝箱由龍門吊從堆場起吊,同時讀取所吊取的集裝箱電子標簽的信息,與數(shù)據(jù)庫中該集裝箱的相關(guān)信息核對無誤后,裝上集卡發(fā)往岸邊橋吊;

(5)橋吊將集裝箱吊起裝船,同時讀取電子標簽信息根據(jù)配載信息將集裝箱裝船到指定船箱位。

4 RFID港口集裝箱大規(guī)模應(yīng)用尚需解決的主要問題

4.1 RFID系統(tǒng)標準問題

標準涉及的內(nèi)容很多,有空中接口協(xié)議標準、編碼標準、測試標簽和讀寫器通訊協(xié)議標準,以及一系列應(yīng)用標準等。而存在共性的主要是空中接口協(xié)議標準,如18000-6B。

在頻率方面,美國使用915MHZ,歐盟要求868MHZ,而日本標準為2.45GHZ和13.56MHZ;標簽包含內(nèi)容方面,也還沒有正式的行業(yè)標準;編碼標準方面,一種是由日本提出的UID編碼體系,支持這一體系的有日本電子廠商、信息企業(yè)和印刷公司等,而另一種是由美國的EPC(電子產(chǎn)品代碼)環(huán)球協(xié)會提出的EPC電子產(chǎn)品編碼標準,支持這一體系的有沃爾瑪連鎖集團、Tesco,IBM,微軟等歐美公司。并且歐美的EPC標準信息位數(shù)為96位,而日本則為128位?？梢?目前廠家推出的RFID產(chǎn)品互不兼容,不利于推廣應(yīng)用。

目前,RFID三大主流標準中還沒有一個標準是特別適用集裝箱應(yīng)用的。集裝箱行業(yè)有自己的RFID自動識別標準ISO 10374 (1991,1995,2005),該標準直接將集裝箱箱號和用戶信息寫入,識別的時候?qū)⑿畔⒅苯幼R別出來,避免了代碼解析的過程,更適合于目前的集裝箱自動識別應(yīng)用。當然,由于該標準主要是集裝箱行業(yè)國際標準,并沒有引起國際大公司的跟進,所以標簽成本相對比較高。

集裝箱運輸中的RFID系統(tǒng),不但涉及國內(nèi)各港航企業(yè),而且也涉及國外的港口、發(fā)貨人或收貨人等,因此應(yīng)該是世界范圍內(nèi)統(tǒng)一的標準。只有這樣,才能使貼有RFID標簽的集裝箱無論在國內(nèi)外都能夠讀取和寫入,都能進行有效跟蹤。

4.2 電子標簽本身的安全問題

集裝箱貼上RFID標簽后,雖然在集裝箱運輸系統(tǒng)中的相關(guān)企業(yè)之間能夠加快信息傳遞,提高物流整體服務(wù)質(zhì)量,但RFID系統(tǒng)的安全問題考驗著我們的智慧。

電子標簽的安全問題主要是指電子標簽內(nèi)容的安全問題。集裝箱電子標簽是多次重復(fù)使用的,在集裝箱整個生命周期中不能失效。同時該標簽要能夠辨識閱讀器,不能讓非系統(tǒng)內(nèi)讀取器閱讀,從而防止犯罪分子通過無線通訊方式獲得電子標簽隱含信息,然后利用這些信息獲得或破壞電子標簽密碼。

因此,電子標簽只有在能夠做到辨識閱讀器從而提高信息安全性,才有利于在集裝箱運輸中大規(guī)模應(yīng)用。

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[基金項目]

福建省教育廳基金(JA08064)

[通訊作者]

李正紅(1964-),女,福建浦城人,教授.