基于物联网的智慧林业物流系统研究进展

邱荣祖，林宇洪，林玉英

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)

1995年，比尔·盖茨在其《未来之路》一书中已提及物联网概念。2005年11月17日，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》报告，报告正式提出了“物联网”的概念，并指出射频识别技术(RFID)、传感器技术、机器视觉技术、智能嵌入技术将会得到更加广泛的应用。2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。2010年我国政府工作报告所附的注释中指出，物联网(The Internet of things，IOT)是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。物流业是物联网早就落地的行业之一，物流系统通过采用红外、激光、编码、认址、自动识别、传感、RFID、GPD、移动计算技术、无线网络传输技术、基础通信网络技术和互联网技术等高新技术，实现物流系统全过程管理的信息化、网络化、集成化、智能化、柔性化、敏捷化、可视化，全面开创智慧物流新时代[1]。而在林业物流领域的应用却相对较少，有待大力研发推广应用。

2013年8月26日，国家林业局印发《中国智慧林业发展指导意见》的通知，旨在推动包括物联网在内的移动互联智能技术在林业行业的应用。基于物联网的智慧林业物流系统是智慧林业的重要组成部分，是一个集传感技术、通讯技术、运输技术、信息技术和资源管理为一体的复杂体系，内容涵盖了种苗培育、资源调查、采伐限额管理、木材运输、木材仓储、木材配送、木材产品加工与配送等环节，形成一个前后印证的数据链，从而实现了木材来源、流向、流量的全面自动识别、定位、跟踪、监控和决策管理，提高林业物流效率，降低林业物流成本，减少林业物流系统碳排放量，提升木材产品的国际竞争力，将给林业生产带来革命性变革。

1 系统架构体系

基于物联网的三层架构(感知层、网络层、应用层)设计智慧林业物流系统如图1所示。在感知层上布置大量传感器用于感知林业物流生产事件，海量的感知数据通过有线接入网、WIFI(GPRS/3G/4G)网络层发送给应用层，应用层由简易的云计算中心组成，在云计算中心集成了基于二维码码单子系统、车辆识别与抓拍子系统、木材运输量识别子系统、车辆行为监查子系统等多个应用程序。

图1 智慧林业物流系统架构

2 国内外研究与应用现状

2.1 国外研究现状

近年来，国外针对智慧林业物流问题也开展了一系列的研究。喀麦隆为了执行欧盟的木材法案计划，在欧盟的帮助下，研发了木材采伐追踪系统，可对采伐作业的行为进行监控，从供应链中彻底清除非法木材，为该国的木材产品能够顺利进入欧盟市场创造了有利的条件。巴西Web Forest Planet研究所应用RFID芯片标记树木的树种、树高等信息，将芯片固定于树干，用于监控木材采伐合法性。这些案例都成功地实现了采伐环节的监控。然而近期国际市场执行的美国《雷斯法案修订案》、欧盟《欧盟木材法案》需要供货方能够证明木材产品供应链全程合法性，要求提供产品的原料产地、采伐手续、加工流程、产品流向的全面信息。

国外已有现代物流理论与物联网技术应用于物流管理中的成功案例，例如：Erlend应用系统动力学原理，设计木材供应链仿真系统[2]；Antti把集成技术应用于木材采伐供应链管理[3]；Zhida Guoba建立了以物联网技术为手段的铁路物流智能识别系统[4]。以上研究成果对本系统的研究提供了重要的基础。

2.2 国内研究现状

近年来，国内也针对林业物流若干关键问题开展物联网技术应用的研究。邱荣祖等应用GIS技术解决木材楞场位置、运输最佳路径和流向流量分配问题[5]；景林开发了一系列林政管理软件，含林政管理、采伐限额监管和林业运输审批等模块，以数字化技术，解决了木材运输的管理问题[6]；洪端芳建立基于B/S网络平台的林政管理业务应用系统的技术方法和实现过程[7]；陆研提出了建立基于RFID技术的名木古树管理系统的构想[8]；王颖发表论文指出物联网可在木材追踪管理中的应用，提出若干主要的可能应用领域[9]；吴学明将物联网技术和Web技术相结合，提出了一种物联网木材运输系统结构模型[10]；李亭亭提出了一些物联网在林产品物流中的应用的设想[11]；林宇洪应用IC卡技术等对木材运输过程的有效监管进行探索，基础基于RFID的林产品原料追溯系统结构域功能[12-15]。

目前林业物流管理的难点在于森林资源分布广泛，自然条件复杂多变，传统的互联网技术难于延伸至深山密林中，需要引入物联网技术，方可实现对林业物流的严密监管。另外林业生产数据过于分散和庞大，传统的单一服务器技术无法处理、需要采用云计算技术方可实现对海量数据的快速处理。此外，我国个别环节的追踪还不能达到国际贸易的严格要求，需要进一步完善供应链全过程的木材产品物流追踪体系。保证中国的木材产品能够顺利地进入欧美市场，并保持强劲的国际市场竞争力。

3 近期研究与应用进展

3.1 二维码运输执法监查技术与应用

码单是木材运输县内通关的通行证，也是林业检查站、森林公安和林业综合执法大队等林业执法部门进行运输执法检查的重要依据。林业生产管理模式由蓄积限额采伐控制模式转向面积限额采伐控制模式后，码单的防伪技术成为亟待研究解决的课题。把二维码应用于木材运输防伪码单，利用现代信息技术对码单的重要数据进行加密，能够对木材运输中的违法行为起到一定的抑制作用，提高林业运输执法效率。图2为二维码码单的执法检查流程。

图2 二维码码单工作流程

要达到二维码运输执法监查实际应用，需要开发设计三个核心软件：开发手机端二维码码单检尺软件，检尺员通过便携式蓝牙打印机打印成不干胶二维码，粘贴在纸质码单的背面。打印二维码后，该码单检尺数据以GPRS的方式即时发送至云计算中心储存，消除了码单数据传递滞后的现象；开发手机端二维码码单校验软件，运输执法检查人员在遇到木材车辆时，将利用手机摄像头扫描二维码码单，取得码单正文和码单密钥，对码单正文按相同的加密算法获得新密钥，对比原密钥和新密钥是否一致，可判定二维码码单是否伪造；开发计算机端二维码识别软件，运输证办证点扫描二维码码单，即可识别码单全部内容，并转换生成木材运输证，该设计实现了驾驶员到达办证点后，自助扫描二维码，即时获得运输证，降低办证员人工录入的工作量，减少了物流中的运输延时，提高了林业生产效率。

3.2 基于RFID车辆识别与抓拍技术与应用

基于RFID车辆识别与抓拍子系统工作原理图3所示。参加林业运输的车辆必须向当地林业局申请运输资质，由林业局在车辆前挡风玻璃处免费贴一张RFID标签，卡号和车号一一对应[14]。同时在林区路网中建设一批RFID拍照点，布成监控网络。工作过程如下。

(1)检尺图像 车辆发车时，检尺员操作个人手机进入彩信编辑功能，拍照车辆运输前的检尺图像作为彩信附件，彩信标题为“车号”，将彩信发送给林业局的彩信平台[9-10]，林业局可知该车原始装车图像(检尺图像)。

(2)抓拍图像 当运输车辆靠近监控点时，RFID读写器捕获车载标签，启动摄像头抓拍车辆前视、后视图像，将抓拍图像、标签卡号、监控点编号通过GPRS技术无线上传至云计算中心。

图3 基于RFID木材车辆识别与抓拍工作原理图

(3)图像接收与识别 云计算中心安装彩信平台，接收检尺员以彩信发送的检尺图像。同时云计算中心申请固定IP，在路由器中将固定IP的93端口映射到服务器。在服务器上用Socket控件编写93端口的监听程序，用于接收各监控点以GPRS发送的抓拍图像。云计算中心对比抓拍图像和检尺图像，两相片的运输量存在差异则判定为运输途中搭载了非法木材。

RFID标签号的识别准确率远远高于车牌号码机器视觉识别准确率，通常采用RFID标签号反查车牌号，再从车牌号查询二维码码单的流程。在此项设计中，抓拍车辆运输图像的动作由RFID标签触发，实现了无人值守的监控点自动化工作，能够减少执法人员的巡逻工作量，起到节能减排的效能。执法人员在巡逻中，遇上运输木材的车辆却未持有合法RFID标签，说明该车辆未申请木材运输的资质，其运输行为不合法，简化了判断环节。

3.3 基于机器视觉木材运输量识别技术与应用

应用“机器视觉”技术开发“木材运输量识别子系统”，安装在云计算中心。云计算中心接收RFID传感器抓拍的车辆相片，采用机器视觉技术识别木材运输量。并通过RFID标签号或车牌号查询当前车辆的二维码码单，判定在运输途中，木材运输量是否发生了改变。

(1)圆识别与计数 采集大量木材相片，获得木材颜色样本的分布范围，对原始图像中非木材颜色的像素进行消色，可过滤干扰背景。分割残余图像，即获得木材区域。对木材区域图反色后，采用不同直径的样本圆对图像进行一次开操作后，再进行一次闭操作，获得连通区域图，计算各连通区域的圆度，实践发现木材形成的连通区域的圆度大于0.9。采用开、闭操作后得到的连通区域必然和样本圆大小相近，因此样本圆从大至小尝试多次，可以从大到小分批得到不同径级的圆状连通区域。每一批识别出来的木材，即从原图中抠掉，避免干扰后续识别过程。循环多次，把每一次识别的木材圆心和直径存储于数组中，直至实现了全部木材的识别。

(2)车牌识别 木材运输车辆只有蓝牌和黄牌两种，建立两种车牌颜色的样本集。对带有车牌的相片(采用车牌颜色的样本集过滤背景，保留车牌区域，从而实现对车牌区域的切割。对车牌区域灰度化后二值化，做出车牌区域的垂直投影图，旋转图像，直至垂直投影图中山峰宽度最小值时，车牌倾斜校正成功，利用山峰位置来切割字符。并采用每个字符图像矩阵与标准字符图像矩阵比较的方法，实现车牌字符的识别。

(3)木材运输量识别 重要路段通常采用24 h不间段录相的方式，在这些路段布置RFID传感器，并对视频逐帧扫描识别，发现运输木材的车辆却无匹配的RFID标签信号，则可判定这些车辆未获得木材运输资质，将识别获得的车牌号及运输图像发送给路面执法车辆，要求执法人员追踪检查。目前木材运输量的根数识别的误差率为6%，采用高档的监控摄像头，可以进一步提高根数识别率。

3.4 基于GPS车辆行为监查技术与应用

一些加工企业通过购买合法码单来骗取生产指标，就近盗砍林木，加工成产品合法销售。这种违法行为也叫“飞单假运”，因为“飞单假运”没有产生运输行为，传统的路检手段均不奏效。经统计，车辆运输木材时，存在以下违法行为：“飞单假运、改变终点、超时运输、多次套单、绕过检查、无证运输”。因此云计算中心需要实现对车辆行为的感知，判断车辆是否守法完成物流任务。

采用ATmega128L型号的MCU模块、GTM900B型号的GPRS模块、SR-88型号的GPS模块开发运输监管器。拟从事林产品运输的车辆应申请运输资质，加装运输监管器。运输时，定位信息每隔30 s传至云计算中心，形成运输轨迹。检尺员通过SMS技术，在运输车辆出发前，已将码单信息远程传送到云计算中心，因此云计算中心可以提前获知指定的运输起止时间，并获知指定轨迹中三个关键点：起点、必经检查站、终点。云计算中心对比码单信息和运输车辆的真实运输时间、轨迹，可判断运输行为是否合法。云计算中心发现疑似违法行为后，通过SMS发送调度指令，通知距离最近的执法车辆追踪检查，并考核执法人员的工作绩效。执法车辆按调度指令搜寻运输车辆，同时通过Mobile Web技术下载码单，实现不停车检查。

3.5 基于WebGIS的木材物流网络优化技术与应用

木材物流网络是由多个木材物流节点和联系节点的连接线路共同构成的网状配置系统。合理的木材物流网络优化方案设计与高效的优化方案查询系统，有助于节省物流费用，促进木材物流流量的合理分配。建立了木材物流网络优化的数学模型，将WebGIS技术与数学模型相结合，进行木材物流网络优化系统的初步分析与设计。以永林集团的木材物流活动为研究对象进行系统的应用，对木材物流网络优化模型通过智能算法进行求解，采用ArcGIS Server和Google Maps API分别构建基于WebGIS的木材物流信息可视化查询平台，实现木材物流网络优化信息的分布式实时共享，提高物流运作效率。

系统主要功能：①木材物流中心选址决策的智能化。当用户进行多物流中心备选地址决策时，系统自动调用相应的功能模块，通过模块内嵌的模型和算法，选出最优的物流中心选址方案，并在GIS上进行可视化直观表达；②路径与运输方案决策的智能化。当用户输入给定的单个供材点和需材点时，系统自动调用相应的功能模块，系统能通过路劲分析获取物流节点间的最佳路线；若是输入多个供材点和多个需材点，则结果为最佳的物流运输网络，即木材运输方案；③木材物流信息查询结果的可视化。用户期望通过系统查询木材物流整个过程的供、需、运、存信息，实现信息在各企业各部门之间的快速传输和共享。供应信息包括木材生产企业近期可供应的木材原料规格、树种和材积；需求信息即木材加工企业发布近期原料需求的信息；运输信息即第三方物流企业在网站上发布可提供的运力信息，并通过网站寻求返程物流，以提高全行程的载重量利用率；库存信息包括木材物流中心或者第三方物流公司的物流人员向外界公布库存的材种与材积信息，以及目前可供使用的存储空间余量。用户通过系统的物流信息查询平台可以共享信息，确保物流、信息流与商流的畅通、提高物流效率，降低物流系统的总成本。

4 智慧林业物流系统发展趋势

4.1 林产品的智能可追溯系统

林产品追溯系统可以为消费者提供更加全面和清晰了解所购买林产品的来源和加工信息，林产品追溯系统的构建对生产企业而言是一种企业形象的体现，建立林产品追溯系统对消费者还能产生反馈效用，更多的消费者了解企业的生产运作，提高客户满意度以及购买信心，提升企业品牌效应和国际地位。林产品追溯系统的构建对整个社会经济健康有序的发展起到推动作用，追溯系统能够有效保证林产品原材料来源以及生产的合法性和可持续性，同时为抑制和打击盗伐乱砍行为提供技术支持，促使社会上逐渐形成崇尚购买合法绿色林产品的良好社会氛围，最终成为建设生态文明社会的强有力推手。

林产品的智能可追溯系统研发有3个主要技术需要解决：

(1)二维码防伪算法的研究。为保证二维码在林产品的流通过程中的唯一性，必须采用具有防伪功能的二维码进行标识，目前二维码防伪技术还没有获得有效解决。

(2)基于智能手机端的软件开发。目前已经存在二维码的识别软件，但是不具有防伪的识别功能，无法保证系统的正常运行。虽然Android平台是一个相对开源的研发平台，但是仍需要相对专业的编程知识进行相关软件的开发。

(3)信息的完整性、权威性和准确性。在林地森林资源到林产品进入市场的整个物流系统，中间环节繁多、原材料来源复杂，如何确保追溯系统中信息的完整性、权威性和准确性也是需要克服的技术难题。

4.2 物流过程的可视化智能管理系统

应用3S技术、RFID技术、GPRS和职能传感技术等多种技术，在物流过程中实时实现车辆定位与跟踪、运输物品追溯、在线调度与配送的全称可视化与智能管理。在传统上，采用RFID技术，虽然可以实现在运物流和运输物资的箱内可视化，但投资大、实时性较低、可视范围小、视觉效果差；如果采用GPS技术，虽然投资小、实时性高、可视范围大、视觉效果较好，但只能实现在运物流(运输工具)的可视化；因此，RFID技术、GPS和GIS技术集成应用是今后的重点方向，建立相应的在运物流网络可视化监控中心，以便实现在运物流和在运物资箱内可视化。这里关键要解决好可视化的实时性和直观效果，同时还需要开发智能管理系统，以便为物流过程提供参照路径和预警机制。

4.3 智能化的企业物流配送中心

基于智能传感、RFID、声、光、机、电、移动终端等各项先进技术，建立全自动化的物流配送中心。借助配送中心智能控制、自动化操作的网络，可提高商流、物流、信息流、资金流的全面协同水平。目前国外先进的智能化物流配送中心，基本实现了机器人队码垛，分拣线上开展自动分拣，计算机自动控制堆垛机完成出入库，整个物流配送中心物流作业实现了智能化和自动化，但目前在林业物流中尚未见研究报道。合理配载、车型选择、路劲优化与库存最有控制等问题需要进一步研究，以便提供智能化的软件支持。

4.4 多种物联网技术集成应用于智慧林业物流系统

物流的自动化、智能化、网络化和可视化是现代物流发展的必然趋势。目前，物联网技术在物流系统中的应用还是局部的、零散的。随着RFID技术与传感器网络的普及，物与物的互联互通，将给企业的物流系统、生产系统、采购系统与销售系统的智能融合打下基础，而网络的融合必将产生智慧生产与智慧供应链的融合，企业物流完全智慧地融入企业经营之中，打破工序、流程界限，打造智慧企业和相应的智能物流系统。同样地，营林、森林保护、木材生产以及其他森林产品物流等构成整个林业物流的有机组成部分，它们既相对独立又相互联系，在加强各子系统智慧化进程的同时，更重要的是要实现整体林业物流的智慧化建设，进而推进智慧林业发展。

目前在物流业应用较多的感知手段主要是RFID和GPS技术，今后随着物联网技术发展，智能传感技术、蓝牙技术、RFID技术、M2M技术和3G等多种技术也将逐步集成应用于现代物流领域，用于现代物流作业中的各种感知与操作。由于特殊的自然地理和社会经济特征，林区的网络覆盖和硬件建设相对滞后，给智慧林业物流系统发展带来极大的制约作用，需要各级政府的政策和资金的大力扶持。

【参 考 文 献】

[1]王慧君.物联网概念及其关键技术发展[J].电光系统，2013(1)：1-9.

[2]Haartveit E Y.Simulating effects of supply chain configuration on industrial dynamics in the forest sector[J].Journal of Forest Engineering，2003，14(2)：199-205.

[3]Asikainen A.Integration of work tasks and supply chains in wood harvesting-Cost savings or complex solutions[J].Journal of Forest Engineering，2004，15(2)：201-2006.

[4]Guo Z，Zhang Z，Li W.Establishment of intelligent identification management platform in railway logistics system by means of the internet of things[J].Procedia Engineering，2011,29：726 - 730.

[5]邱荣祖.基于GIS的木材运输计划决策支持系统[J].林业科学，2002，38(1)：116-121.

[6]景 林，钟一文，蔡为茂，等.森林采伐运输网络系统模型[J].福建林学院学报，2004，24(1)：8-11.

[7]洪端芳，刘玉英.福建省木材流通领域监督管理的探讨[J].林业勘察设计，2007(1)：11-15.

[8]陆 研，张绍文.基于RFID技术的名木古树管理系统初探[J].山东林业科技，2008(2)：91-94.

[9]王 颖，周铁军，李 阳.物联网技术在林业信息化中的应用前景[J].湖北农业科学，2010，49(10)：2601-2604.

[10]吴学明，张怀清，林 辉.基于物联网的县级木材运输管理系统研究[J].安徽农业科学，2012，40(7)：4108-4110.

[11]李亭亭，王立海.物联网在林产品物流中的应用[J].森林工程，2011，27(3)：85-88.

[12]林宇洪，林 森，景 锐，等.木材运输IC卡读写器的开发[J].福建农林大学学报(自然科学版)，2010，39(4)：435-438.

[13]林宇洪，张春霞，邱荣祖.基于C#.net林业运输无线监察系统的开发[J].交通运输工程与信息学报，2010，8(3)：99-104.

[14]林宇洪，沈嵘枫，邱荣祖.南方林区林产品运输监管系统的研究[J].北京林业大学学报，2011，33(5)：130-135.

[15]林宇洪，林 森，邱荣祖.基于RFID的林产品原料追溯系统的设计[J].森林工程，2011，27(4)：34-37.