基于融合定位的集裝箱海運安全系統(tǒng)研究

陳宇微，韓 銳，王嘉慧，聶文鵬，杜澤紋

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 研究背景

隨著世界經(jīng)濟全球化和一體化的不斷發(fā)展，海運業(yè)在過去的十多年中獲得了穩(wěn)步的增長。全球航運網(wǎng)絡(luò)正在形成，而集裝箱運輸由于具有安全、便利操作以及方便采用多式聯(lián)運等特點，成為其中增長最為迅速的部分[1]。近年來，國際航運業(yè)的信息化是集裝箱海運發(fā)展的主要趨勢之一，其中，集裝箱定位與信息傳遞問題的重要性日漸凸顯。

對于重要物資的海上運輸或在惡劣天氣條件下海上航行時，為保障海運過程中集裝箱的安全性以及定位信息傳輸?shù)膶崟r性，防止出現(xiàn)因箱體傾斜入海無法追蹤而導(dǎo)致貨物丟失的情況，亟需可以解決此類狀況的集裝箱海運安全系統(tǒng)。因此，研制一套能可靠定位與穩(wěn)定傳輸集裝箱坐標(biāo)等信息的安全綜合系統(tǒng)，具有重要意義。

2 設(shè)計原理

2.1 集裝箱海運安全系統(tǒng)分析

通過對現(xiàn)有集裝箱海運安全系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)目前系統(tǒng)存在以下不足。

（1）在港口處，由人工完成對集裝箱是否存在破損的檢查，可能出現(xiàn)因人為疏忽導(dǎo)致未及時發(fā)現(xiàn)集裝箱破損的情況[2]。

（2）現(xiàn)有以全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)為主的陸運集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)存在系統(tǒng)成本高、保密性弱等缺點[3]。在海運途中，當(dāng)裝載重要物資的集裝箱發(fā)生落水事故時，易出現(xiàn)無法及時尋找到集裝箱并完成打撈工作，從而造成財產(chǎn)損失和危害環(huán)境的情況。

為解決以上不足，集裝箱海運安全系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求。

在海運途中，采用融合定位技術(shù)提高集裝箱的定位精度。同時，可將位置坐標(biāo)實時上傳至信息查詢平臺，供管理人員或普通用戶查詢集裝箱信息。

當(dāng)集裝箱運抵港口時，由箱體檢損裝置自動對所有集裝箱進行全面檢查，并將檢查結(jié)果上傳至信息查詢平臺，提醒工作人員及時修復(fù)受損集裝箱。

系統(tǒng)應(yīng)具有信息匯總平臺，以符合航運業(yè)信息化發(fā)展的趨勢。

2.2 集裝箱海運安全系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本文設(shè)計一種應(yīng)用于集裝箱海運的基于融合定位、圖像識別以及射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的安全系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含電子標(biāo)簽與定位終端模塊、港口檢損模塊以及信息查詢模塊。

2.2.1.1 電子標(biāo)簽與定位終端模塊

電子標(biāo)簽與定位終端模塊安裝于集裝箱外壁距頂板30 cm左右高處，包含RFID電子標(biāo)簽與定位終端兩部分。

（1）RFID電子標(biāo)簽用于存儲集裝箱箱號、箱內(nèi)產(chǎn)品等基本信息，可通過讀寫器進行讀寫。RFID電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合；在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)交換[4]。

（2）定位終端由STM32單片機、MFRC模塊及定位模塊組成。其中，定位模塊由GPS&北斗模塊、SIM卡模塊、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（INS）模塊及滴水檢測模塊組成。MFRC模塊作為讀寫器讀取RFID電子標(biāo)簽信息，以確定定位信息取自哪個集裝箱。

定位模塊中，系統(tǒng)通過SIM卡模塊對載體所處位置信號進行判定：若返回值處于15～35區(qū)間內(nèi)，則判定集裝箱處于近海岸地區(qū)，采取衛(wèi)星定位與基站定位融合定位方案；若返回值不在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，則判定集裝箱處于遠海岸地區(qū)，采取衛(wèi)星定位與慣性定位融合定位方案。數(shù)據(jù)融合的具體方式與可行性驗證在章節(jié)2.1，2.2中詳細描述。

完成集裝箱所處區(qū)域的判定后，系統(tǒng)會通過滴水檢測模塊與慣性導(dǎo)航模塊實時監(jiān)測集裝箱所處環(huán)境狀態(tài)。若集裝箱被水浸泡超過5 min，或集裝箱任意軸向加速度超出安全范圍（≤3g，參考實驗結(jié)果得到），則判定為緊急狀態(tài)，定位終端將每秒上傳一次定位信息，避免發(fā)生集裝箱落水后，因定位間隔時間較長、海上洋流造成集裝箱漂遠，不方便打撈。反之，若系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，終端將每小時上傳一次定位信息，既能滿足定位需求，又可以節(jié)省電量。定位模塊的工作流程如圖1所示。

圖1 定位模塊工作流程

2.2.1.2 港口檢損模塊

本模塊安裝于岸邊集裝箱起重機抓斗處，包含港口讀寫終端和箱體檢測裝置兩部分。

港口讀寫終端結(jié)構(gòu)與MFRC模塊相同，在抓斗完成對集裝箱的抓取時，港口讀寫終端作為讀寫器讀取RFID電子標(biāo)簽信息，并將集裝箱基本信息錄入信息查詢平臺，便于系統(tǒng)管理。

箱體檢測裝置由一個樹莓派和四個攝像頭組成。攝像頭分布在抓斗的四角，并朝向集裝箱。樹莓派控制攝像頭對完成抓取的集裝箱進行實時拍照，并對照片進行分析。返回結(jié)果后，樹莓派將無問題的照片刪除，并將有問題的照片上傳至信息查詢平臺，進行人工判斷，提示工作人員及時處理。

2.2.1.3 信息查詢模塊

信息查詢模塊是一個自建的信息查詢平臺。本模塊通過匯總電子標(biāo)簽與定位終端模塊和港口檢損模塊采集的數(shù)據(jù)，形成一個數(shù)據(jù)管理平臺。

平臺主要面向兩種操作用戶：一類為平臺管理人員，其可對平臺所收集到的信息進行修改；另一類為普通用戶，其可利用集裝箱號查詢該集裝箱地理位置等信息。

三個模塊之間通過5G網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸，在信號不佳處可通過北斗短報文傳輸數(shù)據(jù)。

2.2.2 系統(tǒng)工作流程

海運出發(fā)前，通過RFID電子標(biāo)簽錄入集裝箱信息，并上傳信息至平臺。在海運途中，電子標(biāo)簽與定位終端模塊將完成集裝箱定位信息的采集，并將信息按照規(guī)定場景的頻率上傳至平臺。集裝箱運抵港口后，由港口檢損模塊對集裝箱基本信息進行核驗，并檢測集裝箱是否受損。若集裝箱完好，則可繼續(xù)執(zhí)行運輸任務(wù)；反之，模塊將上傳集裝箱狀態(tài)信息至平臺，并通知管理人員提醒工作人員修復(fù)。修復(fù)好后由管理人員更新集裝箱狀態(tài)信息。用戶可在平臺進行數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 集裝箱海運安全系統(tǒng)工作流程

3 融合定位方式及檢驗

3.1 融合定位方式

本系統(tǒng)以衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用基站定位數(shù)據(jù)或INS數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法進行擬合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合?？柭鼮V波是一個不斷地預(yù)測、修正的遞推過程，由于其在求解時不需要存儲大量的觀測數(shù)據(jù)，并且當(dāng)?shù)玫叫碌挠^測數(shù)據(jù)時可隨時算得新的參數(shù)濾波值，便于實時地處理觀測結(jié)果[5]，因此本系統(tǒng)利用卡爾曼濾波對動態(tài)定位數(shù)據(jù)進行處理。

3.2 融合定位可行性驗證

3.2.1 試驗過程

使用無人機一架，攜帶氣壓計、GPS模塊和INS模塊（定位精度均為1 m，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)為5 Hz）各一個，在100 s時間內(nèi)螺旋上升40 m，螺旋半徑為20 m。

在整個過程中，可利用氣壓計測量的氣壓數(shù)據(jù)分析出無人機的受力數(shù)據(jù)，從而通過積分求得速度數(shù)據(jù)；利用GPS模塊得到GPS定位數(shù)據(jù)，利用INS模塊得到INS數(shù)據(jù)。

3.2.2 試驗分析

將無人機飛行過程中，利用氣壓計、GPS模塊記錄的數(shù)據(jù)以及兩者經(jīng)卡爾曼濾波處理后得到的數(shù)據(jù)共三組數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件繪制在同一個圖像中，如圖3所示。

圖3 飛行軌跡數(shù)據(jù)標(biāo)示圖

由圖3可得，對利用氣壓計經(jīng)積分計算得到的速度數(shù)據(jù)和GPS模塊得到的定位數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波處理后，所得定位參數(shù)的定位精度高于未處理前的定位參數(shù)，定位準(zhǔn)確性得到大幅提升。

同理，將INS模塊所得的無人機飛行加速度、GPS模塊測得的定位數(shù)據(jù)以及兩者經(jīng)卡爾曼濾波處理后得到的數(shù)據(jù)共三組數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件繪制在同一個圖像中，如圖4所示。

圖4 無人機位移標(biāo)示圖

由圖4可得，若僅使用INS模塊的數(shù)據(jù)進行定位，因INS模塊無法穩(wěn)定估計無人機速度，導(dǎo)致加速度積分誤差不斷累積，從而造成定位參數(shù)不收斂，無法準(zhǔn)確檢測無人機位置的情況。若將INS模塊所得加速度數(shù)據(jù)與GPS模塊測得的定位數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波處理，利用INS模塊數(shù)據(jù)對GPS定位數(shù)據(jù)進行修正與增強，便能得到更精確的定位信息。

綜上，單獨由INS模塊或GPS模塊測得的定位數(shù)據(jù)均存在定位精度不足的問題，而利用卡爾曼濾波算法對GPS模塊與INS模塊所得數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理后，便可提高定位精度，更好地實現(xiàn)在復(fù)雜天氣或海況條件下對集裝箱進行準(zhǔn)確定位的目的。故本裝置所述融合定位的方案可行。

4 創(chuàng)新特色

與現(xiàn)有集裝箱海運安全系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)有以下特色。

（1）本系統(tǒng)可以實時拍照、自動檢損，分析集裝箱是否存在殘損情況，與現(xiàn)有的人工肉眼對集裝箱進行檢損和手動上傳破損照片或視頻相比，提高了檢查的精度與效率。

（2）本系統(tǒng)應(yīng)用融合定位模式，相比于單定位模式，能夠有效提高定位精度。

（3）本系統(tǒng)建立了信息查詢平臺，實現(xiàn)了集裝箱信息智能匯總與查詢。

（4）本系統(tǒng)終端上的傳感器模塊，能夠依據(jù)集裝箱是否處于緊急狀態(tài)，調(diào)整定位與信息上傳頻率，可以在保障安全的同時節(jié)省電量。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)目前設(shè)計以服務(wù)集裝箱海洋運輸領(lǐng)域為主，在陸路運輸方面依然可以適用。隨著人們對集裝箱海運安全系統(tǒng)認(rèn)識的不斷加深以及本項目技術(shù)的不斷改進和完善，它必將在未來的集裝箱遠洋運輸中得到不斷的升級和更廣的應(yīng)用。