基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及無線通信的海運(yùn)集裝箱全球監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

管練武 周璇 高延濱 韓云濤 馬艷莉

【摘 要】 為保障堆場安全和集裝箱全球監(jiān)控，介紹我國集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)，分析海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸和管理過程中存在的不足，以集裝箱船舶、碼頭堆場分類擺放，集裝箱精準(zhǔn)吊裝及擺放管理兩個項(xiàng)目為例，提出無線通信平臺與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)集裝箱貨物在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸時的集中管理及貨物狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和位置跟蹤服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);通信;集裝箱;堆場;全球監(jiān)控和跟蹤

1 背 景

隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐進(jìn)一步加快，國際貿(mào)易快速發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸因其具有高效、便捷、安全的特點(diǎn)而成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。集裝箱在船舶、碼頭堆場等處根據(jù)所運(yùn)貨物進(jìn)行分類擺放，這對保障堆場安全和實(shí)現(xiàn)集裝箱的全球監(jiān)控具有重要作用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是我國政府大力支持的國家重點(diǎn)項(xiàng)目，預(yù)計到2020年實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位和短報文通信功能。屆時，由北斗系統(tǒng)帶動的軍用和民用物資運(yùn)輸將會帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。集裝箱在船運(yùn)、堆場、倉庫等區(qū)域的數(shù)量往往是巨大的，為每個集裝箱都安裝北斗導(dǎo)航定位接收機(jī)必會大大增加監(jiān)控成本。

近10年來，我國港口集裝箱吞吐量一直保持穩(wěn)定增長，2007年集裝箱運(yùn)輸總量突破1億TEU，2017年全國港口完成集裝箱吞吐量2.38億TEU。

集裝箱運(yùn)輸?shù)陌踩砸惨鹆烁劭?、航運(yùn)界及陸運(yùn)界的密切關(guān)注，特別是集裝箱偷渡和走私案件時常發(fā)生。集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)不僅能有效防范各類偷盜事件，還能有效打擊國際有組織偷渡活動。此外，在運(yùn)輸危險品時，集裝箱在安全系數(shù)和運(yùn)輸效率上更具優(yōu)勢。目前，我國危險品運(yùn)輸管理還很不完善，大部分危險品運(yùn)輸仍采用傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，安全事故時有發(fā)生。因此，急需對危險品集裝箱進(jìn)行分類堆放和實(shí)時監(jiān)控。

為有效監(jiān)控海運(yùn)集裝箱，目前國內(nèi)一些航運(yùn)企業(yè)都使用了集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)，還有大量航運(yùn)企業(yè)未使用，其中班輪運(yùn)輸企業(yè)的集裝箱監(jiān)控情況見表1。集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)市場應(yīng)用前景廣闊。

近年來國內(nèi)學(xué)者對集裝箱運(yùn)輸監(jiān)控作了相關(guān)研究：任曉明[1]設(shè)計了一套基于天鴻網(wǎng)的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng);秦海濤等[2]運(yùn)用全球定位系統(tǒng)（GPS）以及短信功能設(shè)計了面向化學(xué)品運(yùn)輸?shù)能囕v定位監(jiān)控系統(tǒng);秦玉[3]基于射頻系統(tǒng)識別技術(shù)（RFID）、GPRS/GPS技術(shù)和傳感采集技術(shù)，研制出一套危險品集裝箱狀態(tài)信息實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng);隨著北斗系統(tǒng)在亞太地區(qū)的逐步完善，湯瑋等[4]開展了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國沿海集裝箱船調(diào)度和安全救助中應(yīng)用的研究。

海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸和管理過程中存在如下不足：遠(yuǎn)程物資運(yùn)輸和中轉(zhuǎn)堆場分類管理不統(tǒng)一;堆場對貨物分類管理的有效性和實(shí)時性不足，不利于海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸全程監(jiān)控。此外，GPS無法對我國軍需物資及貴重物資運(yùn)輸?shù)穆肪€進(jìn)行保密，戰(zhàn)時易被敵對勢力利用;美國等發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)有設(shè)備因其系統(tǒng)引進(jìn)和維護(hù)服務(wù)費(fèi)用高而不利于廣泛推廣，同時也不能保證我國軍用集裝箱運(yùn)輸服務(wù)的保密性。綜上所述，本文提出一種基于北斗系統(tǒng)與無線通信相結(jié)合的海運(yùn)集裝箱全球監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)擬解決上述不足之處。

2 系統(tǒng)總體方案

海運(yùn)集裝箱全球監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)擬采用北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集裝箱的全球定位監(jiān)控，并通過無線通信平臺優(yōu)化集裝箱的局域管理。系統(tǒng)總體方案見圖1。

2.1 集裝箱海陸運(yùn)輸跟蹤及監(jiān)控

無線通信平臺與北斗系統(tǒng)的結(jié)合，即集裝箱管理系統(tǒng)（見圖2）可實(shí)現(xiàn)集裝箱在全球海陸運(yùn)輸中的管理。系統(tǒng)操作流程如下：首先，可在船舶、碼頭堆場等局域內(nèi)采用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對集裝箱位置和箱內(nèi)貨物信息的收集;然后，按局部區(qū)域大小將每個集裝箱的信息傳遞給該區(qū)域內(nèi)一個或者幾個主數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而鏈接北斗信號處理終端傳輸給北斗系統(tǒng)通信衛(wèi)星，并以短報文形式由通信衛(wèi)星將這些信息實(shí)時傳遞給任意位置用戶或貨物管理中心;最后，實(shí)現(xiàn)集裝箱貨物在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸時貨物狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和位置跟蹤服務(wù)。

集裝箱使用的無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)具有體積小（尺寸僅為20 mm ？40 mm）、傳輸距離長（直線通信距離可達(dá)3 km）、實(shí)時檢測和報告、單次工作時間長（可達(dá)9個月）、環(huán)境適用性強(qiáng)，以及無線測距與北斗系統(tǒng)聯(lián)合定位等特點(diǎn)。

該傳感器節(jié)點(diǎn)能有效地將箱內(nèi)溫度、濕度、振動及防盜傳感器信息進(jìn)行采集并傳輸給一定距離內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)（傳感器槽），實(shí)現(xiàn)貨物局域范圍內(nèi)位置或狀態(tài)等數(shù)據(jù)的收集。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)云平臺傳送給承運(yùn)商或用戶，承運(yùn)商或用戶只要在手機(jī)、平板電腦或微型計算機(jī)等上安裝對應(yīng)的App即可對貨物的狀態(tài)、位置等進(jìn)行實(shí)時查詢。此外，承運(yùn)商或用戶還可根據(jù)保存的數(shù)據(jù)信息，對相關(guān)貨物進(jìn)行長期跟蹤和報告。

2.2 集裝箱船舶、碼頭堆場分類擺放

將集裝箱根據(jù)貨物種類在船舶、碼頭堆場進(jìn)行分類擺放至關(guān)重要，這不僅有利于提高集裝箱管理效率以降低成本，而且也能提高倉庫碼頭的利用率，杜絕過期產(chǎn)品的堆放。特別是危險物品集裝箱遠(yuǎn)離其他物品、貴重物品集裝箱的重點(diǎn)保護(hù)，以及干燥物品集裝箱的防水防潮等在倉庫和碼頭分類管理中尤為重要。

從基于無線通信的集裝箱倉庫、碼頭堆場分類擺放（見圖3）可以看出，A區(qū)和B區(qū)分別表示不同類物品的堆放，在每個區(qū)的入口和出口分別安裝區(qū)域管理單元，當(dāng)運(yùn)輸特定物品的集裝箱經(jīng)過A區(qū)入口或出口的區(qū)域管理單元時，用戶App會直接顯示該集裝箱所在的具體位置。

2.3 集裝箱精準(zhǔn)吊裝及擺放管理

快速而準(zhǔn)確地移動吊裝和擺放集裝箱，能大大縮短船舶靠港時間，節(jié)約時間和成本。本項(xiàng)目通過在集裝箱各個表面分別安裝一個高精度、近距離的無線傳感器，由無線收發(fā)方式確定集裝箱的位置和距離，吊裝駕駛室操作人員可借助駕駛室顯示器App界面實(shí)現(xiàn)集裝箱的快速吊裝和擺放。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)不僅提供全天候、高精度的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，還具有短報文通信能力。短報文通信過程如下：

（1）短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID號和通信內(nèi)容的通信申請信號加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站;

（2）地面中心站接收到通信申請信號后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶;

（3）接收方用戶機(jī)接收出站信號，解調(diào)解密出站電文，完成一次通信。

3.2 無線傳感器技術(shù)

系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)集裝箱內(nèi)運(yùn)輸物資所需測量的如溫度、濕度、鹽度、振動等物理特性，采用不同的傳感器進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器槽。傳感器槽主要接收來自于集裝箱內(nèi)部各個傳感器節(jié)點(diǎn)信息，并完成對集裝箱內(nèi)部溫度是否均衡、集裝箱門是否封閉嚴(yán)實(shí)、集裝箱是否受到劇烈撞擊等狀態(tài)的判斷。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

中繼節(jié)點(diǎn)中使用了最新的控制端。該控制端能夠處理傳感器和北斗衛(wèi)星接收機(jī)傳來的信號，并通過衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）以短報文的方式轉(zhuǎn)發(fā)給北斗衛(wèi)星。

該控制端含有一個32位ARM Cortex-M3的CPU（與主處理器工作頻率同為48 MHz），并且擁有豐富的外設(shè)功能集，其中包括一個獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器。此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，適用于當(dāng)系統(tǒng)的其余部分處于睡眠模式時自主收集模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

目前，集裝箱運(yùn)輸已成為當(dāng)代國際貨物運(yùn)輸?shù)闹饕问?，是全球一體化的象征。采用海運(yùn)集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)能有效保障貨物運(yùn)輸?shù)陌踩瑢τ谠趷毫犹鞖庀律踔潦窃诤１I劫持中丟失的貨物，也能利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位和跟蹤。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任曉明.基于天鴻網(wǎng)的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)， 2004.

[2] 秦海濤，薛晨陽，秦麗，等.面向化學(xué)品運(yùn)輸?shù)能囕v定位監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2007（4）：233-235.

[3] 秦玉.危險品集裝箱物流狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4] 湯瑋， 張耿霖. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國沿海集裝箱船舶調(diào)度和安全救助中的應(yīng)用[J].水運(yùn)管理，2016（3）：6-8.