港口集装箱RFID应用系统研究①

俞丹俊 李正红 陈 诚 郑小雪 苏庆列

[摘 要]本文构建了一个港口集装箱RFID应用系统,详细介绍了该应用系统的各个组成部分和工作流程,最后提出了RFID大规模应用于港口集装箱尚需解决的主要问题。

[关键词]RFID 数据采集 港口 应用

[中图分类号]U169[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0099-04

1 RFID技术应用于集装箱运输的研究现状

集装箱电子标签的应用模式分成四个基本层次[1～2]:(1)基本应用,集装箱箱号的准确快速识别;(2)结合港航企业管理信息系统;(3)地区内跨部门应用;(4)国际通用。随着应用层次的提高,其技术难度和总成本也会相应地提高。

张佳[3],陶学宗[4],金楠[5],王庆纲[6]等对RFID在集装箱运输管理中的应用进行了研究,在集装箱运输过程中把堆场、闸口和岸吊处作为RFID系统的节点。对集装箱货运循环进行跟踪。通过internet,把RFID用于集装箱多式联运,实现信息的多方共享。指出了集装箱运输应用RFID需解决的问题[7]:节点的选择,标准问题,成本问题,数据结构,数据的有效性(防止数据冲突、数据冗余和数据错误),数据的同步性,信息的安全性。

张传龙[8],张志泉[9]等研究了RFID在现代化港口的应用,提出了基于港口服务的RFID的应用方案。该方案包括硬件系统和软件系统两个方面。硬件系统由RFID自动识别系统和通信系统组成,软件系统包括RFID信息管理系统和与之整合的港口集装箱管理系统。

RFID作为一种非接触的自动识别技术,应用到集装箱运输,开发出信息化集装箱,完成对集装箱基础数据的采集和识别,技术上是成熟的,行业上是迫切的,而且RFID电子标签应用到集装箱行业实现箱号的自动识别是一种必然的趋势。但RFID怎么用,如何用,采用何种技术,数据格式如何定义,应用标准如何规范等一系列问题都要进行研究测试,找出完整的应用解决方案[10～11]。

2 RFID技术的相关介绍

RFID是英文“Radio Frequency Identification”的缩写,即无线射频识别技术,是利用射频信号通过空间耦合(交换磁场和电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递信息达到识别目的的技术。

射频识别系统至少应包括以下两个部分,一是读写器,二是电子标签。另外还应包括天线、主机等。RFID系统因应用不同其组成会有所不同,但从RFID系统的工作原理来看,系统一般由信号发射机、信号接收机、编程器和发射天线几部分组成。

3 港口集装箱RFID应用系统的构建

RFID技术只是自动化采集集装箱信息的一种手段,构建的港口集装箱RFID应用系统可以准确实时的记录和查询集装箱历史和当前状态、运输车辆历史记录、集装箱进出道口的当前状态和历史记录、堆场集装箱存放位置、堆场目前集装箱的存放状态等,从而实现集装箱堆场和车辆运输记录的自动化管理和无纸化操作。对集装箱基础数据进行实时传输,实现供应链下集装箱管理的透明化。

3.1 港口集装箱RFID应用系统总体结构

根据港口的实际情况和需要实现的功能目标,构建的港口集装箱RFID应用系统分为以下子系统:

装拆箱点数据输入系统:完成装箱点的数据输入和修改,把信息写入电子标签;电子标签自动识别系统:完成集装箱信息的自动识别和实时采集;无线传输通信系统:完成在港区大范围环境下的数据无线传输通信,用以将前端电子标签系统的数据传输到后端的港口集装箱管理信息系统;港口集装箱管理信息系统:完成后端对集装箱信息的实时处理和管理,并进行EDI数据交换实现港间的集装箱信息实时交换。

其中最重要的是电子标签自动识别系统,它是整个港口集装箱RFID应用系统的基础,而无线传输系统是港口集装箱RFID应用系统的关键。

3.2 电子标签自动识别系统

电子标签自动识别系统作为整个应用系统的基础,其基本配置为:集装箱电子标签、电子标签信息录入设备、电子标签基站式读写器、电子标签无线式读写器、电子标签无线式桥接器等。同时配备手持读写设备以及车载电脑终端。车载电脑终端包括装卸机械驾驶室中的显示设备和无线数据传输终端等。电子标签自动识别系统网络拓扑结构如图4-1所示。

3.2.1 电子标签

集装箱电子标签是一种具有微波双向通讯功能的自动标识设备,附着在集装箱上,作为集装箱的信息载体和安全认证的设备。

本设计选择的集装箱电子标签为有源电子标签,具有32KB数据存储容量,具备可读可写功能;采用独特的双频段工作方式,正常读写工作在ISM2.4GHz频段,区域激活工作在125kHz频段;内部采用125个信道,1Mbps的通讯速率,以满足集装箱电子标签的大容量信息实时交换;高安全性数据传输机制,支持双向认证及加、解密;固态封装,可靠防拆卸功能,满足工业环境要求。

根据本RFID应用方案的实际应用情况,集装箱电子标签内存储的内容有两类。固定信息:集装箱箱号,集装箱尺寸,集装箱箱型,特殊箱类型,持箱人;动态可变信息:货船名称,航次,起运港港口代码、卸货港港口代码、中转港港口代码,提单号,铅封号,集装箱状态,污残损记录,集装箱箱重量,货物代码和备注等。

根据ISO10372标准,把箱用电子标签安装于集装箱通风口附近。

3.2.2 集装箱电子标签信息录入设备

本设计采用便携式电脑和手持式PDA读写器来进行集装箱信息录入。手持式PDA读写器(如图4-2所示)主要用于在货运源头、港口道口、堆场、岸边、航运等各集装箱作业环节,完成对电子标签的写入、识读、核对或信息交换。

本设计中手持式PDA读写器采用的技术为:基于PDACF接口的远距离电子标签手持读写器,采用全球通行的ISM 2.4 GHz工作频段;读写模块采用PCMAC接口方式,能与手提式计算机实现双向通讯;基于频道隔离和分割技术的多读写器抗干扰技术,支持多读写器在同一区域协同工作;基于跳频技术的高效防碰撞算法,能同时读取上百个标签;采用非对称加密技术,实现了标签与读写器在安全性和功耗、计算性能之间的平衡;体积小、携带方便、通用性强、功能强大;满足工业环境要求。

3.2.3 集装箱电子标签基站式读写器

本设计中采用的集装箱电子标签基站式读写器是以无线通讯的方式与电子标签进行数据交换,采集、更新标签中的信息,并通过RS232/485等方式与计算机进行有线通讯。

本设计中集装箱电子标签基站式读写器采用的技术为:工作在ISM2.4GHz频段;支持RS232/485有线方式与上位机通讯;加密计算与认证,确保数据安全,防止链路被窃听与数据破解;使用频道隔离技术,多个设备互不干扰;先进的防碰撞技术,支持多标识读写;可配置微波模块工作方式,且发射功率软件可调;抗干扰和防雷设计;满足工业环境要求。

安装在集装箱卡车的运行通道上和进出道口等固定位置。在标杆或横梁上侧挂或顶挂。

3.2.4 集装箱电子标签无线式读写器

集装箱电子标签无线式读写器以无线通讯的方式,与集装箱电子标签进行数据交换,采集和更新标签中的信息,并通过集装箱电子标签无线桥接器以无线方式与计算机通讯。

本设计中集装箱电子标签无线式读写器采用的技术为:采用ISM2.4GHz工作频段;支持无线方式与上位机通讯;加密计算与认证,确保数据安全,防止链路被窃听与数据破解;使用频道隔离技术,多个设备互不干扰;先进的防碰撞技术,支持多标识读写;抗干扰和防雷设计;满足工业环境要求。

集装箱电子标签无线式读写器安装在场吊、岸吊等移动设备上。

3.2.5 集装箱电子标签无线桥接器

集装箱电子标签无线桥接器是用于替代“标签读写器通讯电缆”的一种无线通讯设备。

本设计中无线桥接器采用的技术为:无线桥接器和无线读写器成对使用,对两端连接的设备而言是透明的;数据通讯速率达到1Mbps;支持RS232/485有线接口;数据加密,防止受到安全攻击;抗干扰和防雷设计;满足工业环境要求。

无线桥接器和无线读写器成对使用,安装在场吊和岸吊等堆高设备上的驾驶室内。

3.2.6 无线车载终端

无线车载终端主要用于场桥和岸桥等大型机械的驾驶员对中控室发出的作业指令进行接收及确认,把作业完成信息发送给中控室。

本设计场桥无线车载终端和岸桥无线车载终端均采用2.4G图形界面,场桥终端安装在场桥司机驾驶室中,岸桥终端安装在岸桥司机驾驶室中。

3.3无线传输通信系统

3.3.1 无线系统的介绍及技术选择

码头因为复杂的地理位置和特殊功能造成了传统有线网络使用上的不便。无线局域网具有高移动性和架设与维护便捷等特点,在位置变动频繁以及不方便铺设有线网络的情况下,可以把货物、集装箱情况和资料直接传输到计算机中进行处理,大大提高工作效率和服务质量,避免不必要的差错。

当前无线数据通讯网络较为成熟的是IEEE802.11b(2.4GHz 11Mbps直序扩频)技术。该技术又称WiFi无线技术,以其稳定高速的网络通讯能力著称,为广大设备厂商所支持。由于该技术允许同一地区内有三个频段同时进行覆盖,因此理想情况下可以通过扩频方式将某些地区的总体带宽拓宽至33Mbps,相对于前几年较为流行的跳频系统的1.6Mbps(跳频系统标准不统一,有些跳频系统可达到3Mbps的带宽)具有较大的带宽上的优势。对于拥有众多需要通讯的机械设备的港口来说,选取该技术更能适合系统的运行效率。所以本系统采用的无线数据通讯网络为IEEE802.11b。

设计原则:根据码头作业的需求,轮胎吊作业和岸吊的车载终端需要全堆场和码头前沿的地面的空中无线信号覆盖;系统通信容量不应存在瓶颈,即在最恶劣的环境下,轮胎吊车载终端和岸吊车载终端可以共享11Mbits/s以上的信道带宽,在轮胎吊作业繁忙的时候,不允许发生空中信道瓶颈的现象。

3.3.2 无线传输通信系统的功能

无线传输通信系统把从事集装箱作业的所有活动站点(集装箱拖车、集装箱装卸桥、场吊、叉车及指挥人员等),使用无线终端设备通过覆盖全部作业区域的无线网络,与管理中心的服务器相联接,对集装箱生产的各个步骤建立实时的数据采集、传输通道,使管理人员可以更加清楚、准确实时的知道实际的作业情况,对集装箱生产过程进行实时监控和数据处理结果实时记录,从而更有效的安排生产作业和处理突发事件,并可为其他相关行业(如海关等部门)提供及时准确的数据。

本无线传输通信系统适用于港口电子标签自动识别系统应用实际需求,具体实现以下功能:将部署在码头闸口、场吊、桥吊等设备上的电子标签设备的信息和管理人员手持机读写出来的电子标签信息无线传输,并无缝接入到后端集装箱信息实时交换系统中,并在一定的范围内实现网络漫游、资源共享;把调度指挥中心的作业计划指令及时发布到场吊和桥吊车载终端;集装箱堆放作业完成后,通过场吊和桥吊设备上的无线数据传输车载终端将数据实时远程传输反馈给调度指挥中心和后台管理系统,从而完全避免了多次重复的数据手工抄写和录入,并避免了数据记录的不及时和录入的延误;满足港口地理环境限制、应用的实际需求。

3.3 港口集装箱RFID应用系统工作流程

该港口集装箱RFID应用系统的工作流程如图4-3所示。包括货物信息的写入,港区进出道口、进出堆场、装卸船时集装箱物流信息的读取和记录。

以集装箱出口流程为例,详述所经过的步骤:

(1)在装箱点通过手持PDA或笔记本电脑将集装箱和货物状态相关信息写入电子标签。

(2)载有带电子标签的集装箱卡车开往港口,当集装箱通过港口管理道口的RFID基站式阅读器时,RFID卡被触发,发射出能唯一表明通过闸口集装箱身份的代码信息(如集装箱号、类别、吨位等及来源地或目的地等),RFID基站式阅读器同时读取接收辨别检验、经处理传输到计算机系统,进行数据管理及存档,以备查询。并与数据库中的预约信息进行对比,确认后正常放行并分配场箱位;

(3)集装箱卡车开往指定堆场,龙门吊在接到中控室发来的指令(包含箱位)后,开始起吊集装箱,安装在龙门吊上的RFID阅读器读取电子标签确认无误后,再堆放到指定场箱位,确认后将场箱位记录到数据库。集装箱在堆场等待装船;

(4)经港方中控室配载后,中控室发布工作指令(包含箱号,箱位)给龙门吊,贴有电子标签的集装箱由龙门吊从堆场起吊,同时读取所吊取的集装箱电子标签的信息,与数据库中该集装箱的相关信息核对无误后,装上集卡发往岸边桥吊;

(5)桥吊将集装箱吊起装船,同时读取电子标签信息根据配载信息将集装箱装船到指定船箱位。

4 RFID港口集装箱大规模应用尚需解决的主要问题

4.1 RFID系统标准问题

标准涉及的内容很多,有空中接口协议标准、编码标准、测试标签和读写器通讯协议标准,以及一系列应用标准等。而存在共性的主要是空中接口协议标准,如18000-6B。

在频率方面,美国使用915MHZ,欧盟要求868MHZ,而日本标准为2.45GHZ和13.56MHZ;标签包含内容方面,也还没有正式的行业标准;编码标准方面,一种是由日本提出的UID编码体系,支持这一体系的有日本电子厂商、信息企业和印刷公司等,而另一种是由美国的EPC(电子产品代码)环球协会提出的EPC电子产品编码标准,支持这一体系的有沃尔玛连锁集团、Tesco,IBM,微软等欧美公司。并且欧美的EPC标准信息位数为96位,而日本则为128位。可见,目前厂家推出的RFID产品互不兼容,不利于推广应用。

目前,RFID三大主流标准中还没有一个标准是特别适用集装箱应用的。集装箱行业有自己的RFID自动识别标准ISO 10374 (1991,1995,2005),该标准直接将集装箱箱号和用户信息写入,识别的时候将信息直接识别出来,避免了代码解析的过程,更适合于目前的集装箱自动识别应用。当然,由于该标准主要是集装箱行业国际标准,并没有引起国际大公司的跟进,所以标签成本相对比较高。

集装箱运输中的RFID系统,不但涉及国内各港航企业,而且也涉及国外的港口、发货人或收货人等,因此应该是世界范围内统一的标准。只有这样,才能使贴有RFID标签的集装箱无论在国内外都能够读取和写入,都能进行有效跟踪。

4.2 电子标签本身的安全问题

集装箱贴上RFID标签后,虽然在集装箱运输系统中的相关企业之间能够加快信息传递,提高物流整体服务质量,但RFID系统的安全问题考验着我们的智慧。

电子标签的安全问题主要是指电子标签内容的安全问题。集装箱电子标签是多次重复使用的,在集装箱整个生命周期中不能失效。同时该标签要能够辨识阅读器,不能让非系统内读取器阅读,从而防止犯罪分子通过无线通讯方式获得电子标签隐含信息,然后利用这些信息获得或破坏电子标签密码。

因此,电子标签只有在能够做到辨识阅读器从而提高信息安全性,才有利于在集装箱运输中大规模应用。

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[2] 王登清.RFID技术在港口集装箱领域的应用研究[J].物流技术,2008,27(9):120-122.

[3] 张佳,胡正华.RFID在集装箱运输管理中的应用研究[J].包装世界,2007(6):34-36.

[4] 陶学宗,钟 雁.RFID技术在集装箱运输中的应用研究[J].物流技术,2006(4):40-42.

[5] 金楠,万晓霞,柯贤文.电子标签在集装箱循环使用中的应用[J].中国水运,2007(4):52-53.

[6] 王庆纲,缪立新.射频识别技术在集装箱多式联运中的应用[J].中国物流与采购,2004(7):54-55.

[7] Hao Min etc.RFID in China,White paper [D].Auto-id center Fudan University,Department of microelectronics,2003.10.

[8] 张传龙.RFID在现代化港口的应用[J].集装箱化,2008,19(3):24-26.

[9] 张志泉.浅谈射频识别技术在集装箱码头中的应用[J].港口科技,2007(9):28-30.

[10] 周受钦,何振威.基于RFID电子标签和无线数据实时传输的集装箱堆场管理系统[J].业界创新园地,2006(9):15-22.

[11] Shouqin Zhou.A RFID-based remote monitoring system for enterprise internal production rnanagernent[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technoloy,2007,33(7):837-844.

[基金项目]

福建省教育厅基金(JA08064)

[通讯作者]

李正红(1964-),女,福建浦城人,教授.