RFID技術(shù)在集裝箱裝箱優(yōu)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

張新　陳蘭生

摘 要：利用RFID技術(shù)進(jìn)行裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)提升裝箱軟件的適應(yīng)性達(dá)到裝箱空間優(yōu)化。RFID是一種重要的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，特點(diǎn)是信息標(biāo)識(shí)與非接觸自動(dòng)獲取，利用RFID技術(shù)特點(diǎn)對(duì)大批量貨物和集裝箱相關(guān)信息的自動(dòng)采集，結(jié)合安全性指數(shù)的考量和多種算法模擬計(jì)算，引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化裝箱，達(dá)到集裝箱裝箱空間利用率最優(yōu)化。集裝箱空間利用率的提高將有助于物流企業(yè)在市場(chǎng)的竟?fàn)幜Α?/p>

關(guān)鍵詞：集裝箱 裝箱優(yōu)化 RFID技術(shù) 空間利用率

目前在我國(guó)物流行業(yè)領(lǐng)域，尤其是涉及裝箱運(yùn)輸?shù)男袠I(yè)，裝箱優(yōu)化軟件已經(jīng)得到了較為廣泛的認(rèn)可，如LoadMaster 和Maxload Pro就是國(guó)內(nèi)外知名度比較高的裝箱優(yōu)化軟件。一方面是因?yàn)楝F(xiàn)有的裝箱軟件可以適用于計(jì)算貨柜裝箱、集裝箱拼箱、托盤(pán)裝箱等，裝箱算法成熟穩(wěn)定。另一方面由于現(xiàn)有的裝箱軟件主要解決了集裝箱空間利用率最大化問(wèn)題，而且裝箱優(yōu)化計(jì)算大多適用整箱貨物裝箱，或簡(jiǎn)單種類(lèi)的貨物拼箱。在貨物種類(lèi)復(fù)雜情況下，光貨物信息的采集就將成為一個(gè)很大的問(wèn)題，因此，還不能滿足現(xiàn)代物流企業(yè)對(duì)信息化建設(shè)的更高需求，在物流企業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用存在一定的困難。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)信息化改造中顯露出強(qiáng)勁的生命力，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心技術(shù)之一RFID技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，RFID技術(shù)的關(guān)鍵是信息標(biāo)識(shí)與非接觸式信息自動(dòng)獲取?；赗FID的裝箱優(yōu)化技術(shù)是通過(guò)無(wú)線自動(dòng)感應(yīng)的方式遠(yuǎn)程提取集裝箱貨物電子標(biāo)簽內(nèi)有效數(shù)據(jù)并自動(dòng)進(jìn)行裝箱優(yōu)化計(jì)算，綜合解決復(fù)雜貨物數(shù)據(jù)智能化的批量錄入及模擬運(yùn)算。通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的程序嵌入PDA無(wú)線智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)裝箱貨物在集裝箱內(nèi)的精確落位及裝卸箱的優(yōu)化流程。同時(shí)可解決集裝箱空間利用率與穩(wěn)定性綜合優(yōu)化，倒箱優(yōu)化、二次倒箱優(yōu)化，數(shù)據(jù)匹配自動(dòng)調(diào)用，以及集裝箱多箱復(fù)雜形態(tài)貨物裝箱優(yōu)化等問(wèn)題。本系統(tǒng)的研究可以提升我國(guó)物流行業(yè)信息技術(shù)水平，提高同類(lèi)軟件國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性。

系統(tǒng)組成與工作原理

1、RFID技術(shù)原理

RFID是一種目前廣泛應(yīng)用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它的特點(diǎn)是信息標(biāo)識(shí)與非接觸式自動(dòng)信息獲取，依據(jù)無(wú)線電工作頻率可分低頻、高頻、超高頻及微波四個(gè)無(wú)線電頻段工作，低頻、高頻系統(tǒng)采用電感耦合原理；超高頻、微波系統(tǒng)采用電磁波反射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的讀寫(xiě)。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、閱讀器（含天線）和應(yīng)用軟件三大部分組成。電子標(biāo)簽通過(guò)閱讀器來(lái)進(jìn)行信息讀寫(xiě)，RFID閱讀器可以有多種形式的接口（如RJ45、串口）與后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的信息讀寫(xiě)。

2、系統(tǒng)組成

集裝箱裝箱優(yōu)化系統(tǒng)充分利用了RFID非接觸信息獲取技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)大量貨物與集裝箱相關(guān)信息的自動(dòng)獲取，信息標(biāo)識(shí)與自動(dòng)快速獲取是系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵與基礎(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)從信息獲取、網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息處理與應(yīng)用三層模型來(lái)認(rèn)識(shí)屬于經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)思想。信息獲取層包括前端手持式PDA終端、臺(tái)式發(fā)卡器、普通讀寫(xiě)器和各式電子標(biāo)簽等，主要完成標(biāo)簽制作、貨物與集裝箱等相關(guān)信息的標(biāo)識(shí)與讀取，通過(guò)手持式PDA實(shí)現(xiàn)裝箱引導(dǎo)信息的獲取并輔助引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員裝箱工作。網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要由前端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如WIFI、GPRS等）、各種網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等構(gòu)成，完成由信息獲取層得到的大量貨物、集裝箱等信息的準(zhǔn)確完整傳輸，實(shí)現(xiàn)前端感知設(shè)備與信息服務(wù)中心的各類(lèi)管理與系統(tǒng)信息交互。信息處理與應(yīng)用層是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的中心，分硬件與系統(tǒng)應(yīng)用軟件二大部分。硬件由大量的服務(wù)器與交換路由設(shè)備構(gòu)成，軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、裝箱模擬計(jì)算模塊、穩(wěn)定性綜合優(yōu)化模塊、系統(tǒng)配置模塊和信息交換模塊等組成。

3、基本工作原理

各類(lèi)電子標(biāo)簽在使用前都要進(jìn)行初始化工作，由臺(tái)式發(fā)卡器完成這項(xiàng)工作。貨物出廠時(shí)（包括集裝箱）由廠家錄入貨物相關(guān)信息到電子標(biāo)簽并進(jìn)行儲(chǔ)存。一旦貨物被明確需要裝箱時(shí)，就使用手持PDA終端（或其它類(lèi)型閱讀器）進(jìn)行成批貨物電子標(biāo)簽信息的讀取，這些信息經(jīng)PDA預(yù)處理后實(shí)時(shí)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上傳給云端信息服務(wù)處理中心存貯。當(dāng)所有裝箱貨物與對(duì)應(yīng)的集裝箱信息獲取完畢后，云端信息服務(wù)系統(tǒng)處理軟件就可以根據(jù)用戶的具體要求，依據(jù)多種算法進(jìn)行裝箱模擬計(jì)算，產(chǎn)生相應(yīng)的裝箱方案并保存到歷史裝箱數(shù)據(jù)庫(kù)中?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員利用手持PDA終端所具有的引導(dǎo)裝箱功能，在調(diào)用云端信息服務(wù)系統(tǒng)中的裝箱方案后，就可按步完成裝箱。另外在裝箱過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，也可實(shí)時(shí)修正信息上傳給云端重新優(yōu)化計(jì)算裝箱方案。

PDA終端系統(tǒng)

1、PDA終端

PDA終端采用由廣東華信金溢信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的W8700A。W8700A是國(guó)內(nèi)首款搭載4核CPU的工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)手持移動(dòng)終端。它采用SamSung ARM Cortex-A9四核Exynos 4412 CPU1.4GHz，基于android4.0操作系統(tǒng)，內(nèi)置920～925MHz頻段RFID模塊，具有6米的有效讀卡距離，空口采用IO18000-6C/EPC Class1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)，具有讀取全方位、距離遠(yuǎn)、防沖撞、單次讀取數(shù)量多等優(yōu)點(diǎn)。具有豐富的通訊接口如WCDMA、藍(lán)牙、WIFI和內(nèi)置的3G模塊，通過(guò)WIFI或GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與云端服務(wù)器進(jìn)行交互。

2、PDA終端軟件

W8700A（PDA終端）嵌入式軟件主要由五大模塊組成，分別包括：數(shù)據(jù)采集模塊，裝箱管理模塊，信息傳輸模塊和配置管理模塊和界面設(shè)計(jì)等。在安桌平臺(tái)下全部模塊都采用JAVA語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)裝箱系統(tǒng)優(yōu)化處理的基礎(chǔ)模塊，利用PDA內(nèi)嵌的超高頻RFID讀寫(xiě)器對(duì)智能集裝箱和各類(lèi)包裝箱電子標(biāo)簽內(nèi)的基本數(shù)據(jù)（如貨物包裝的長(zhǎng)、寬、高，承載毛重，易碎度等等）進(jìn)行讀寫(xiě)處理，并將數(shù)據(jù)在用戶端進(jìn)行呈現(xiàn)，同時(shí)可通過(guò)手持PDA智能終端進(jìn)行局部檢驗(yàn)的方式驗(yàn)證錄入數(shù)據(jù)的正確性，也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、修改和刪除等操作。由于可能存在貨物同時(shí)大量堆疊出現(xiàn)的情況，數(shù)據(jù)采集模塊要具備電子標(biāo)簽防碰撞讀寫(xiě)功能，一般可以采用如基于ALOHA防沖撞沖突算法及其改進(jìn)算法解決同時(shí)對(duì)多標(biāo)簽的讀寫(xiě)能力。

裝箱管理模塊是PDA終端系統(tǒng)的核心模塊，是裝箱優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)際操作指引模塊。裝箱引導(dǎo)的基礎(chǔ)是云端服務(wù)信息系統(tǒng)根據(jù)早前獲得的集裝箱信息和裝箱貨物信息通過(guò)多種模擬計(jì)算產(chǎn)生的裝箱方案，或者是裝箱歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的方案。用戶輸入?yún)?shù)，信息處理中心解算完成的裝箱引導(dǎo)方案實(shí)時(shí)被調(diào)用發(fā)送給PDA終端，引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員按給出的具體步驟和要求完成裝箱，同時(shí)也可修改進(jìn)一步做到裝箱優(yōu)化。

信息傳輸模塊是網(wǎng)絡(luò)通信模塊，通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò)傳輸信道完成信息的遠(yuǎn)程接入。PDA終端內(nèi)置多種形式通信模塊，通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)或者3G廣域網(wǎng)，利用socket通信編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息在PDA終端至云端服務(wù)器之間快速實(shí)時(shí)交互，達(dá)到信息的上傳與下載。配置管理、界面設(shè)計(jì)是基本的軟件模塊。包括用戶賬號(hào)管理、基本參數(shù)設(shè)置、人機(jī)接口界面處理等。

云端信息服務(wù)系統(tǒng)

信息處理與應(yīng)用是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要功能是處理貨物數(shù)據(jù)的自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)、有效數(shù)據(jù)的自動(dòng)優(yōu)化方案計(jì)算、貨物的裝箱提示和最終裝箱方案的演示和生成，PDA智能終端數(shù)據(jù)的接收與反饋，數(shù)據(jù)庫(kù)的更新與調(diào)度等。

應(yīng)用系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、裝箱模擬計(jì)算模塊、穩(wěn)定性綜合優(yōu)化模塊、系統(tǒng)配置與報(bào)表生成模塊和信息交換模塊等五大主要模塊組成，各個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)信息共享與相互協(xié)作處理。應(yīng)用系統(tǒng)軟件采用C/S模式，在MS SQL SERVER2005數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和C++開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。服務(wù)系統(tǒng)軟件模塊如圖3所示：

1、信息交互與數(shù)據(jù)管理

信息交互是系統(tǒng)應(yīng)用的前提與基礎(chǔ)，云端信息服務(wù)系統(tǒng)的所有處理都是建立在信息實(shí)時(shí)完整獲取的前提之下，信息交換模塊就是完成這一功能的具體模塊。前端多種形式的信息獲取設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與云端相聯(lián)，通過(guò)socket通信，將數(shù)據(jù)傳送至云端服務(wù)器。云端遠(yuǎn)程服務(wù)器上的數(shù)據(jù)接收模塊，通過(guò)socket通信，接受來(lái)自遠(yuǎn)程無(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)，以及PDA通過(guò)檢查驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)。由于在PDA上已經(jīng)對(duì)最原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)一定的處理，所以服務(wù)器上接受模塊主要通過(guò)接受數(shù)據(jù)，然后存入內(nèi)存，供后續(xù)的存儲(chǔ)和計(jì)算操作使用。相反，云端信息服務(wù)系統(tǒng)也要將如裝箱引導(dǎo)方案等數(shù)據(jù)按需發(fā)送給手持PDA進(jìn)行引導(dǎo)裝箱。

大量的貨物信息和集裝箱信息都需要存貯與管理，建立在微軟數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之上的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用子系統(tǒng)來(lái)處理這些數(shù)據(jù)。另外數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)要與裝箱模擬計(jì)算模塊協(xié)作生成裝箱方案，形成的多種裝箱方案要進(jìn)行有序存儲(chǔ)和管理，以方便檢索與調(diào)用。

2、裝箱模擬計(jì)算

裝箱模擬計(jì)算采用多種靈法的處理策略與算法來(lái)滿足裝箱引導(dǎo)的需要。主要針對(duì)比較常見(jiàn)規(guī)格的集裝箱或托盤(pán)，也可以用戶自定義集裝箱容器規(guī)格參與集裝箱空間優(yōu)化計(jì)算。模擬計(jì)算采用多種裝箱優(yōu)先考慮的策略在計(jì)算時(shí)進(jìn)行選擇，如寬大優(yōu)先，長(zhǎng)大優(yōu)先，數(shù)量?jī)?yōu)先，體積優(yōu)先等；同時(shí)還附加兩個(gè)優(yōu)化搜索策略（深度搜索，淺度搜索），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝箱空間優(yōu)化方案的計(jì)算，從而生成多種方案的裝箱引導(dǎo)步驟與要求。四種優(yōu)先策略：寬大優(yōu)先：貨物裝箱首先保證貨物在集裝箱寬度方向上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算；長(zhǎng)大優(yōu)先：貨物裝箱首先保證貨物在集裝箱長(zhǎng)度方向上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算；數(shù)量?jī)?yōu)先：貨物裝箱優(yōu)化僅考慮一個(gè)集裝箱能盡可能多地放入貨物個(gè)數(shù)的算法；體積優(yōu)先：貨物裝箱優(yōu)化僅考慮一個(gè)集裝箱能盡可能多地放入的貨物總體積最大的算法，以保證集裝箱空間利用率最大化。另外還有二種搜索策略：深度搜索，淺度搜索。

3、雙指數(shù)綜合評(píng)估

集裝箱穩(wěn)定性指數(shù)包括集裝箱整體穩(wěn)定性指數(shù)和箱內(nèi)貨物運(yùn)輸穩(wěn)定性指數(shù)兩個(gè)綜合評(píng)估指標(biāo)，在裝箱空間優(yōu)化計(jì)算的同時(shí)加入了穩(wěn)定性指數(shù)的概念，第一次將運(yùn)輸穩(wěn)定性列入了裝箱可優(yōu)化的范疇，以雙指數(shù)綜合評(píng)估計(jì)算裝箱引導(dǎo)方案。模擬計(jì)算軟件將根據(jù)被裝箱貨物的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的穩(wěn)定性?xún)?yōu)化計(jì)算，最大程度地保證運(yùn)輸過(guò)程中集裝箱的穩(wěn)定性和降低箱內(nèi)貨物因?yàn)檫\(yùn)輸外部條件的變化而產(chǎn)生的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。箱內(nèi)貨物穩(wěn)定性指數(shù)評(píng)估參數(shù)：①最大允許懸空比率指標(biāo)；②最大允許位移比率指標(biāo)；③最大碰撞承受力指標(biāo)；④最大允許翻轉(zhuǎn)率指標(biāo)：

集裝箱整體穩(wěn)定性指數(shù)評(píng)估參數(shù)：①集裝箱整體重心點(diǎn)指標(biāo)；②集裝箱箱體允許的各項(xiàng)穩(wěn)定性參數(shù)。綜合優(yōu)化圖5所標(biāo)：

結(jié)束語(yǔ)

裝箱優(yōu)化軟件的應(yīng)用已是多年，但隨著物流行業(yè)對(duì)信息化需要的進(jìn)一步提高，裝箱軟件在功能上日益出現(xiàn)短板現(xiàn)象，特別是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用大大推動(dòng)了智能物流的發(fā)展?；赗FID的裝箱優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用研究大大提高了裝箱軟件在大批量貨物的裝箱效率，同時(shí)在裝箱優(yōu)化中結(jié)合了對(duì)貨物和集裝箱的安全性考量，進(jìn)一步提升了裝箱應(yīng)用系統(tǒng)的比較優(yōu)勢(shì)。下一步，裝箱優(yōu)化系統(tǒng)可以與集裝箱運(yùn)輸監(jiān)控等其它系統(tǒng)相結(jié)合來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集裝箱的綜合管理。

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（第一作者單位：紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，第二作者單位：紹興迅極網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司。本文為國(guó)家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（12C26213302900））