基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的港口物流碳排放管理系統(tǒng)

秦新生

（華南師范大學(xué)增城學(xué)院 經(jīng)濟(jì)系，廣東 廣州 511363）

1 概述

異常氣候頻繁和大氣污染問題引起大眾的廣泛關(guān)注，針對(duì)物流業(yè)碳排放帶來的環(huán)境污染問題，各國紛紛提出碳減排目標(biāo)，不斷推出強(qiáng)制性環(huán)境管理措施。根據(jù)國家“十二五”規(guī)劃，到 2015 年要實(shí)現(xiàn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值 CO2排放量比 2010 年降低 17%的碳減排目標(biāo)。港口作為全球物流供應(yīng)鏈上的重要節(jié)點(diǎn)，匯集了船舶、裝卸機(jī)械、車輛等眾多設(shè)備，港口在物流作業(yè)過程中排出大量溫室氣體，是影響城市空氣質(zhì)量的重要根源。針對(duì)港口物流運(yùn)作過程中大氣污染的現(xiàn)狀，考慮結(jié)合無線射頻識(shí)別技術(shù)( Radio Frequency Identi fi cation，RFID ) 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ( Wireless Sensor Network，WSN ) 技術(shù)，將其應(yīng)用于港口物流設(shè)備碳排放管理，研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于提高港口物流企業(yè)碳排放管理水平、改善大氣環(huán)境質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

RFID 具有快速的信息識(shí)別和采集能力，應(yīng)用范圍日趨廣泛。它是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能夠利用無線射頻信號(hào)和電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物品信息的自動(dòng)識(shí)別和采集。RFID 由電子標(biāo)簽、閱讀器、中間件應(yīng)用軟件組成。雖然 RFID 技術(shù)具有雙向通信、快速信息采集等優(yōu)點(diǎn)，但存在安裝成本高，有效通信距離短，讀取范圍有限，抗干擾能力較差[1]，不太適合大規(guī)模、遠(yuǎn)距離使用等不足。

WSN 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、感知和采集環(huán)境信息，并且能夠根據(jù)所處環(huán)境的變化自主完成感知和監(jiān)控任務(wù)。它由分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是通過無線通信方式形成的多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN 具有部署隨機(jī)、通信距離遠(yuǎn)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠根據(jù)要求自主感知、采集處理網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)覆蓋的信息，較適合于移動(dòng)和固定目標(biāo)的跟蹤和感知，尤其是傳感器的感知和傳輸信息能力避免了敏感環(huán)境下讀寫器無法工作的現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。但是，WSN 系統(tǒng)缺乏物品信息識(shí)別能力，而 RFID 彌補(bǔ)了這一不足。

RFID 與 WSN 融合可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別通信，同時(shí)能夠解決 RFID 的信號(hào)碰撞問題[2]。2 種技術(shù)融合，不僅可以對(duì)物體目標(biāo)信息快速準(zhǔn)確采集，還可以掌握物體所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)所處環(huán)境的監(jiān)測，大大擴(kuò)展了兩者的應(yīng)用范圍，這為港口物流碳排放管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。RFID 與 WSN 融合的類型[3]可以分為以下 4 種：射頻識(shí)別標(biāo)簽和傳感器相融合，RFID 閱讀器和WSN基站相融合，射頻識(shí)別標(biāo)簽和無線傳感器節(jié)點(diǎn)相融合，無線傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID 閱讀器相融合。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的港口物流碳排放管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是一種一體化的網(wǎng)絡(luò)，它通過 RFID、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、視頻攝像頭等信息傳感技術(shù)與設(shè)備，將各類物品按照約定的協(xié)議與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連接，進(jìn)行信息交換和存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理[4]，它非常適合于物體目標(biāo)頻繁移動(dòng)和跟蹤管理的場合。因此，可以將融合 RFID 與 WSN 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于港口物流碳排放管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

2.1 系統(tǒng)功能需求

港口物流碳排放管理的范圍較廣，管理目標(biāo)對(duì)象較多，信息量大，決策比較復(fù)雜。港口物流碳排放管理系統(tǒng)是集碳排放信息采集、監(jiān)控、管理指揮于一體的綜合管理平臺(tái)，應(yīng)具備的功能如下。

（1）自動(dòng)采集、識(shí)別、傳遞碳排放信息功能。能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)采集港口作業(yè)設(shè)備本身的信息和碳排放信息，并且通過各種通信網(wǎng)絡(luò)及時(shí)、迅速傳遞給港口物流企業(yè)、環(huán)保、交通等管理部門，便于協(xié)同進(jìn)行碳排放決策管理。

（2）對(duì)物流設(shè)備及人員實(shí)時(shí)調(diào)度管理功能。港口內(nèi)各種運(yùn)輸車輛、物流設(shè)備移動(dòng)頻繁，物流作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，管理部門必須實(shí)時(shí)掌握車輛的狀態(tài)信息。因此，系統(tǒng)應(yīng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映物流設(shè)備處于不同狀態(tài)時(shí)的碳排放信息，能夠顯示集裝箱堆存區(qū)、裝卸區(qū)內(nèi)物流設(shè)備和人員的狀態(tài)分布情況，以及車輛的移動(dòng)軌跡信息，滿足動(dòng)態(tài)管理的需求。

（3）碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。能夠匯總碳排放信息，統(tǒng)計(jì)分析碳排放數(shù)據(jù)，對(duì)碳排放超標(biāo)主動(dòng)報(bào)告預(yù)警，這些功能有助于進(jìn)行碳減排成本分析和碳排放量化報(bào)告，為港口物流企業(yè)碳減排提供參考依據(jù)，便于提出碳排放管理決策。

（4）與企業(yè)相關(guān)部門管理系統(tǒng)集成功能。除了能夠及時(shí)采集碳排放信息以外，系統(tǒng)應(yīng)能夠與貨運(yùn)站、物流企業(yè)、環(huán)保、交通等機(jī)構(gòu)部門的系統(tǒng)無縫銜接[5]，實(shí)現(xiàn)港口物流企業(yè)內(nèi)外部信息共享。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Ω劭谧鳂I(yè)區(qū)內(nèi)各種物流機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤查詢，以滿足不同主體的碳管理需求。

2.2 系統(tǒng)基本原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的港口物流碳排放管理系統(tǒng)的基本原理如圖 1 所示，港口物流設(shè)備外部設(shè)有射頻電子標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)含有物流設(shè)備信息，如車輛代碼、燃油類型、耗油量、司機(jī)姓名等信息。將 RFID 閱讀器與無線傳感器節(jié)點(diǎn)融合組成智能節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)兼具物流設(shè)備外部標(biāo)簽信息的識(shí)別和感知物流作業(yè)區(qū)內(nèi)碳排放信息的功能。智能節(jié)點(diǎn)分布在港口的裝卸搬運(yùn)區(qū)、道路貨運(yùn)站設(shè)施等作業(yè)區(qū)域內(nèi)，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)物流車輛等設(shè)備進(jìn)入智能節(jié)點(diǎn)的讀取范圍內(nèi)，該節(jié)點(diǎn)讀取物流設(shè)備外部 RFID 標(biāo)簽的信息，自動(dòng)識(shí)別、采集物流運(yùn)輸車輛的信息，感知搜集監(jiān)控目標(biāo)的碳排放信息，并且將監(jiān)測到的碳排放信息和讀取的 RFID 標(biāo)簽信息傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理后，再通過通用分組無線服務(wù)技術(shù) ( General Packet Radio Service，GPRS ) 等無線通信技術(shù)和傳輸網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信。如果發(fā)現(xiàn)碳排放濃度異常，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒物流設(shè)備操作人員采取措施，并且向監(jiān)控中心報(bào)告。監(jiān)控中心也可以通過傳輸網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和智能節(jié)點(diǎn)發(fā)出查詢指令[6]。通過查詢指令，監(jiān)控中心、環(huán)保部門、交通部門、物流企業(yè)等相關(guān)部門能夠及時(shí)掌握碳排放信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理；車輛司機(jī)等物流企業(yè)移動(dòng)終端用戶者可以隨時(shí)查詢車輛設(shè)備的碳排放信息，并且向物流企業(yè)報(bào)告碳排放情況。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由智能節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心和碳排放管理系統(tǒng)用戶共 5 個(gè)部分組成。

（1）智能節(jié)點(diǎn)：用于識(shí)別處理碳排放信息和其他信息，進(jìn)行無線通信。為了測量監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的設(shè)備碳排放量，將智能節(jié)點(diǎn)部署在物流設(shè)備工作現(xiàn)場附近，所獲得的數(shù)據(jù)信息以無線通信方式經(jīng)網(wǎng)關(guān)和傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，供用戶查詢監(jiān)控。

（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于智能節(jié)點(diǎn)與用戶監(jiān)控終端之間，用于接收智能節(jié)點(diǎn)的傳感器所采集的信息，并且通過 GPRS 通信模塊與 Internet 連接，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到與 Internet 網(wǎng)絡(luò)相連的監(jiān)控中心等相關(guān)主體。

（3）傳輸網(wǎng)絡(luò)：由 Internet 和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)接收與轉(zhuǎn)發(fā)各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息，配合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通信。

（4）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心是港口物流碳排放管理系統(tǒng)的信息中心和決策機(jī)構(gòu)，由路由器、防火墻、控制臺(tái)計(jì)算機(jī)、監(jiān)控管理程序和數(shù)據(jù)庫等軟、硬件組成。碳排放監(jiān)控中心與環(huán)保、交通部門應(yīng)實(shí)現(xiàn)信息共享[7]，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)監(jiān)測管理命令的下達(dá)與執(zhí)行情況，分析、處理、統(tǒng)計(jì)和評(píng)估所監(jiān)測的數(shù)據(jù)等。當(dāng)碳排放超標(biāo)時(shí)，監(jiān)控中心會(huì)及時(shí)報(bào)警提醒設(shè)備操作人員采取措施減少碳排放。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的港口物流碳排放管理系統(tǒng)的基本原理

（5）碳排放管理系統(tǒng)用戶：分為遠(yuǎn)程終端用戶和移動(dòng)終端用戶，包括物流企業(yè)、港口貨運(yùn)站、司機(jī)、環(huán)保和交通管理部門等，用戶可以通過Internet 訪問碳排放監(jiān)控中心，也可以利用移動(dòng)終端查詢碳排放信息。

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。智能節(jié)點(diǎn)具有 RFID 閱讀功能和溫室氣體濃度感知功能。它由數(shù)據(jù)采集單元、處理與控制單元、WSN 無線通信單元、RFID無線通信單元和供電單元等部分組成[8]，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。其中，數(shù)據(jù)采集單元由氣體傳感器組和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將感知到的碳排放信息轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。采用一氧化碳傳感器 CO-BF、MS5100 氣體傳感器、氧化氮電化學(xué)氣體傳感器NO2-A1 構(gòu)成氣體傳感器組。采用 ATmega128L 芯片作為處理和控制單元，負(fù)責(zé)將監(jiān)測到的碳排放信息與碳排放控制指標(biāo)相比較，如果碳排放超標(biāo)，則觸發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信模塊，自動(dòng)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。ATmega128L 芯片還負(fù)責(zé)接收管理人員的讀取指令，將其發(fā)送給 RFID 閱讀器，以讀取物流設(shè)備標(biāo)簽和碳排放信息。WSN 無線通信單元采用 CC2420 無線通信模塊，供電部分采用2 節(jié)1.5 V 微型電池。

（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。主要由射頻收發(fā)模塊、中央處理器、存儲(chǔ)器、GPRS 通信模塊 4 個(gè)部分組成[9]，用于接收和處理來自智能節(jié)點(diǎn)的碳排放數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到碳排放監(jiān)控中心；同時(shí)，接收碳排放監(jiān)控中心的指令，確認(rèn)智能節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)仍然采用 CC2420 無線通信模塊接收數(shù)據(jù)[10]，同樣采用 ATmega128L 芯片作為中央處理器。由于監(jiān)控中心距離監(jiān)測點(diǎn)較遠(yuǎn)，系統(tǒng)采用 MC55 GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送。

（3）操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用 Tiny OS 系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專門為WSN而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)[11]，擁有開放的源代碼。Tiny OS 系統(tǒng)是基于組件的、事件驅(qū)動(dòng)的 WSN 操作系統(tǒng)，其組件庫包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)獲取工具等，用戶可以根據(jù)所采集氣體類型的需要加以擴(kuò)展。

3 港口物流碳排放管理系統(tǒng)應(yīng)用分析

以國內(nèi)某港口集裝箱堆存區(qū)為例，將港口物流碳排放管理系統(tǒng)應(yīng)用于其中，測試叉車、起重機(jī)、集裝箱吊車等物流設(shè)備處于運(yùn)輸、裝卸、搬運(yùn)等不同運(yùn)行狀態(tài)下的 CO、HC 和 NOx溫室氣體排放濃度。隨著燃油種類和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的不同，所排放污染氣體濃度也不同。港口物流碳排放管理系統(tǒng)通過快速識(shí)別車輛設(shè)備信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)港口物流設(shè)備碳排放信息的實(shí)時(shí)采集，對(duì)港口物流設(shè)備的精確定位[12]，從而加快港口貨物處理速度。從實(shí)際應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)能夠滿足港口物流碳排放管理的監(jiān)控需要，各智能節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地采集和傳輸碳排放數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)能夠較好地反映碳排放變化情況，與一般化學(xué)儀器監(jiān)測分析法相比，節(jié)省人力和物力成本，時(shí)效性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，為港口實(shí)時(shí)進(jìn)行碳排放管理提供了決策和控制依據(jù)，測試結(jié)果如表 1 所示。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

表1 港口物流設(shè)備碳排放測試結(jié)果

由表 1 可知，使用不同燃油類型的物流設(shè)備在不同運(yùn)行速度下的溫室氣體排放濃度不同。加速狀態(tài)下，以柴油為動(dòng)力的叉車 CO 排放濃度小于0.5%；慢速狀態(tài)下，以汽油為動(dòng)力的起重機(jī) CO 排放濃度較高，達(dá)到 6%。慢速狀態(tài)下，以汽油為動(dòng)力的集裝箱吊車 HC 排放濃度最高，達(dá)到 1 200 mg/L。因此，對(duì)于港口物流企業(yè)和交通管理部門來說，不能忽略慢速狀態(tài)下物流設(shè)備的溫室氣體排放，對(duì)物流設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控管理尤為必要。

4 結(jié)束語

針對(duì)我國港口物流運(yùn)作中大氣污染的現(xiàn)狀，分析當(dāng)前港口物流碳排放管理中存在的問題，結(jié)合 RFID 和 WSN 技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)分析，構(gòu)建RFID 與 WSN 技術(shù)融合的港口物流設(shè)備碳排放管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)港口物流設(shè)備碳排放信息的自動(dòng)、精確采集。該系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)營成本低，覆蓋范圍廣，便于對(duì)港口物流設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)碳排放監(jiān)控管理，有助于港口物流企業(yè)進(jìn)行碳排放決策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，提高港口的綠色競爭力。

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