港口集裝箱RFID應用系統研究①

俞丹俊 李正紅 陳 誠 鄭小雪 蘇慶列

[摘 要]本文構建了一個港口集裝箱RFID應用系統,詳細介紹了該應用系統的各個組成部分和工作流程,最后提出了RFID大規模應用于港口集裝箱尚需解決的主要問題。

[關鍵詞]RFID 數據采集 港口 應用

[中圖分類號]U169[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0099-04

1 RFID技術應用于集裝箱運輸的研究現狀

集裝箱電子標簽的應用模式分成四個基本層次[1～2]:(1)基本應用,集裝箱箱號的準確快速識別;(2)結合港航企業管理信息系統;(3)地區內跨部門應用;(4)國際通用。隨著應用層次的提高,其技術難度和總成本也會相應地提高。

張佳[3],陶學宗[4],金楠[5],王慶綱[6]等對RFID在集裝箱運輸管理中的應用進行了研究,在集裝箱運輸過程中把堆場、閘口和岸吊處作為RFID系統的節點。對集裝箱貨運循環進行跟蹤。通過internet,把RFID用于集裝箱多式聯運,實現信息的多方共享。指出了集裝箱運輸應用RFID需解決的問題[7]:節點的選擇,標準問題,成本問題,數據結構,數據的有效性(防止數據沖突、數據冗余和數據錯誤),數據的同步性,信息的安全性。

張傳龍[8],張志泉[9]等研究了RFID在現代化港口的應用,提出了基于港口服務的RFID的應用方案。該方案包括硬件系統和軟件系統兩個方面。硬件系統由RFID自動識別系統和通信系統組成,軟件系統包括RFID信息管理系統和與之整合的港口集裝箱管理系統。

RFID作為一種非接觸的自動識別技術,應用到集裝箱運輸,開發出信息化集裝箱,完成對集裝箱基礎數據的采集和識別,技術上是成熟的,行業上是迫切的,而且RFID電子標簽應用到集裝箱行業實現箱號的自動識別是一種必然的趨勢。但RFID怎么用,如何用,采用何種技術,數據格式如何定義,應用標準如何規范等一系列問題都要進行研究測試,找出完整的應用解決方案[10～11]。

2 RFID技術的相關介紹

RFID是英文“Radio Frequency Identification”的縮寫,即無線射頻識別技術,是利用射頻信號通過空間耦合(交換磁場和電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞信息達到識別目的的技術。

射頻識別系統至少應包括以下兩個部分,一是讀寫器,二是電子標簽。另外還應包括天線、主機等。RFID系統因應用不同其組成會有所不同,但從RFID系統的工作原理來看,系統一般由信號發射機、信號接收機、編程器和發射天線幾部分組成。

3 港口集裝箱RFID應用系統的構建

RFID技術只是自動化采集集裝箱信息的一種手段,構建的港口集裝箱RFID應用系統可以準確實時的記錄和查詢集裝箱歷史和當前狀態、運輸車輛歷史記錄、集裝箱進出道口的當前狀態和歷史記錄、堆場集裝箱存放位置、堆場目前集裝箱的存放狀態等,從而實現集裝箱堆場和車輛運輸記錄的自動化管理和無紙化操作。對集裝箱基礎數據進行實時傳輸,實現供應鏈下集裝箱管理的透明化。

3.1 港口集裝箱RFID應用系統總體結構

根據港口的實際情況和需要實現的功能目標,構建的港口集裝箱RFID應用系統分為以下子系統:

裝拆箱點數據輸入系統:完成裝箱點的數據輸入和修改,把信息寫入電子標簽;電子標簽自動識別系統:完成集裝箱信息的自動識別和實時采集;無線傳輸通信系統:完成在港區大范圍環境下的數據無線傳輸通信,用以將前端電子標簽系統的數據傳輸到后端的港口集裝箱管理信息系統;港口集裝箱管理信息系統:完成后端對集裝箱信息的實時處理和管理,并進行EDI數據交換實現港間的集裝箱信息實時交換。

其中最重要的是電子標簽自動識別系統,它是整個港口集裝箱RFID應用系統的基礎,而無線傳輸系統是港口集裝箱RFID應用系統的關鍵。

3.2 電子標簽自動識別系統

電子標簽自動識別系統作為整個應用系統的基礎,其基本配置為:集裝箱電子標簽、電子標簽信息錄入設備、電子標簽基站式讀寫器、電子標簽無線式讀寫器、電子標簽無線式橋接器等。同時配備手持讀寫設備以及車載電腦終端。車載電腦終端包括裝卸機械駕駛室中的顯示設備和無線數據傳輸終端等。電子標簽自動識別系統網絡拓撲結構如圖4-1所示。

3.2.1 電子標簽

集裝箱電子標簽是一種具有微波雙向通訊功能的自動標識設備,附著在集裝箱上,作為集裝箱的信息載體和安全認證的設備。

本設計選擇的集裝箱電子標簽為有源電子標簽,具有32KB數據存儲容量,具備可讀可寫功能;采用獨特的雙頻段工作方式,正常讀寫工作在ISM2.4GHz頻段,區域激活工作在125kHz頻段;內部采用125個信道,1Mbps的通訊速率,以滿足集裝箱電子標簽的大容量信息實時交換;高安全性數據傳輸機制,支持雙向認證及加、解密;固態封裝,可靠防拆卸功能,滿足工業環境要求。

根據本RFID應用方案的實際應用情況,集裝箱電子標簽內存儲的內容有兩類。固定信息:集裝箱箱號,集裝箱尺寸,集裝箱箱型,特殊箱類型,持箱人;動態可變信息:貨船名稱,航次,起運港港口代碼、卸貨港港口代碼、中轉港港口代碼,提單號,鉛封號,集裝箱狀態,污殘損記錄,集裝箱箱重量,貨物代碼和備注等。

根據ISO10372標準,把箱用電子標簽安裝于集裝箱通風口附近。

3.2.2 集裝箱電子標簽信息錄入設備

本設計采用便攜式電腦和手持式PDA讀寫器來進行集裝箱信息錄入。手持式PDA讀寫器(如圖4-2所示)主要用于在貨運源頭、港口道口、堆場、岸邊、航運等各集裝箱作業環節,完成對電子標簽的寫入、識讀、核對或信息交換。

本設計中手持式PDA讀寫器采用的技術為:基于PDACF接口的遠距離電子標簽手持讀寫器,采用全球通行的ISM 2.4 GHz工作頻段;讀寫模塊采用PCMAC接口方式,能與手提式計算機實現雙向通訊;基于頻道隔離和分割技術的多讀寫器抗干擾技術,支持多讀寫器在同一區域協同工作;基于跳頻技術的高效防碰撞算法,能同時讀取上百個標簽;采用非對稱加密技術,實現了標簽與讀寫器在安全性和功耗、計算性能之間的平衡;體積小、攜帶方便、通用性強、功能強大;滿足工業環境要求。

3.2.3 集裝箱電子標簽基站式讀寫器

本設計中采用的集裝箱電子標簽基站式讀寫器是以無線通訊的方式與電子標簽進行數據交換,采集、更新標簽中的信息,并通過RS232/485等方式與計算機進行有線通訊。

本設計中集裝箱電子標簽基站式讀寫器采用的技術為:工作在ISM2.4GHz頻段;支持RS232/485有線方式與上位機通訊;加密計算與認證,確保數據安全,防止鏈路被竊聽與數據破解;使用頻道隔離技術,多個設備互不干擾;先進的防碰撞技術,支持多標識讀寫;可配置微波模塊工作方式,且發射功率軟件可調;抗干擾和防雷設計;滿足工業環境要求。

安裝在集裝箱卡車的運行通道上和進出道口等固定位置。在標桿或橫梁上側掛或頂掛。

3.2.4 集裝箱電子標簽無線式讀寫器

集裝箱電子標簽無線式讀寫器以無線通訊的方式,與集裝箱電子標簽進行數據交換,采集和更新標簽中的信息,并通過集裝箱電子標簽無線橋接器以無線方式與計算機通訊。

本設計中集裝箱電子標簽無線式讀寫器采用的技術為:采用ISM2.4GHz工作頻段;支持無線方式與上位機通訊;加密計算與認證,確保數據安全,防止鏈路被竊聽與數據破解;使用頻道隔離技術,多個設備互不干擾;先進的防碰撞技術,支持多標識讀寫;抗干擾和防雷設計;滿足工業環境要求。

集裝箱電子標簽無線式讀寫器安裝在場吊、岸吊等移動設備上。

3.2.5 集裝箱電子標簽無線橋接器

集裝箱電子標簽無線橋接器是用于替代“標簽讀寫器通訊電纜”的一種無線通訊設備。

本設計中無線橋接器采用的技術為:無線橋接器和無線讀寫器成對使用,對兩端連接的設備而言是透明的;數據通訊速率達到1Mbps;支持RS232/485有線接口;數據加密,防止受到安全攻擊;抗干擾和防雷設計;滿足工業環境要求。

無線橋接器和無線讀寫器成對使用,安裝在場吊和岸吊等堆高設備上的駕駛室內。

3.2.6 無線車載終端

無線車載終端主要用于場橋和岸橋等大型機械的駕駛員對中控室發出的作業指令進行接收及確認,把作業完成信息發送給中控室。

本設計場橋無線車載終端和岸橋無線車載終端均采用2.4G圖形界面,場橋終端安裝在場橋司機駕駛室中,岸橋終端安裝在岸橋司機駕駛室中。

3.3無線傳輸通信系統

3.3.1 無線系統的介紹及技術選擇

碼頭因為復雜的地理位置和特殊功能造成了傳統有線網絡使用上的不便。無線局域網具有高移動性和架設與維護便捷等特點,在位置變動頻繁以及不方便鋪設有線網絡的情況下,可以把貨物、集裝箱情況和資料直接傳輸到計算機中進行處理,大大提高工作效率和服務質量,避免不必要的差錯。

當前無線數據通訊網絡較為成熟的是IEEE802.11b(2.4GHz 11Mbps直序擴頻)技術。該技術又稱WiFi無線技術,以其穩定高速的網絡通訊能力著稱,為廣大設備廠商所支持。由于該技術允許同一地區內有三個頻段同時進行覆蓋,因此理想情況下可以通過擴頻方式將某些地區的總體帶寬拓寬至33Mbps,相對于前幾年較為流行的跳頻系統的1.6Mbps(跳頻系統標準不統一,有些跳頻系統可達到3Mbps的帶寬)具有較大的帶寬上的優勢。對于擁有眾多需要通訊的機械設備的港口來說,選取該技術更能適合系統的運行效率。所以本系統采用的無線數據通訊網絡為IEEE802.11b。

設計原則:根據碼頭作業的需求,輪胎吊作業和岸吊的車載終端需要全堆場和碼頭前沿的地面的空中無線信號覆蓋;系統通信容量不應存在瓶頸,即在最惡劣的環境下,輪胎吊車載終端和岸吊車載終端可以共享11Mbits/s以上的信道帶寬,在輪胎吊作業繁忙的時候,不允許發生空中信道瓶頸的現象。

3.3.2 無線傳輸通信系統的功能

無線傳輸通信系統把從事集裝箱作業的所有活動站點(集裝箱拖車、集裝箱裝卸橋、場吊、叉車及指揮人員等),使用無線終端設備通過覆蓋全部作業區域的無線網絡,與管理中心的服務器相聯接,對集裝箱生產的各個步驟建立實時的數據采集、傳輸通道,使管理人員可以更加清楚、準確實時的知道實際的作業情況,對集裝箱生產過程進行實時監控和數據處理結果實時記錄,從而更有效的安排生產作業和處理突發事件,并可為其他相關行業(如海關等部門)提供及時準確的數據。

本無線傳輸通信系統適用于港口電子標簽自動識別系統應用實際需求,具體實現以下功能:將部署在碼頭閘口、場吊、橋吊等設備上的電子標簽設備的信息和管理人員手持機讀寫出來的電子標簽信息無線傳輸,并無縫接入到后端集裝箱信息實時交換系統中,并在一定的范圍內實現網絡漫游、資源共享;把調度指揮中心的作業計劃指令及時發布到場吊和橋吊車載終端;集裝箱堆放作業完成后,通過場吊和橋吊設備上的無線數據傳輸車載終端將數據實時遠程傳輸反饋給調度指揮中心和后臺管理系統,從而完全避免了多次重復的數據手工抄寫和錄入,并避免了數據記錄的不及時和錄入的延誤;滿足港口地理環境限制、應用的實際需求。

3.3 港口集裝箱RFID應用系統工作流程

該港口集裝箱RFID應用系統的工作流程如圖4-3所示。包括貨物信息的寫入,港區進出道口、進出堆場、裝卸船時集裝箱物流信息的讀取和記錄。

以集裝箱出口流程為例,詳述所經過的步驟:

(1)在裝箱點通過手持PDA或筆記本電腦將集裝箱和貨物狀態相關信息寫入電子標簽。

(2)載有帶電子標簽的集裝箱卡車開往港口,當集裝箱通過港口管理道口的RFID基站式閱讀器時,RFID卡被觸發,發射出能唯一表明通過閘口集裝箱身份的代碼信息(如集裝箱號、類別、噸位等及來源地或目的地等),RFID基站式閱讀器同時讀取接收辨別檢驗、經處理傳輸到計算機系統,進行數據管理及存檔,以備查詢。并與數據庫中的預約信息進行對比,確認后正常放行并分配場箱位;

(3)集裝箱卡車開往指定堆場,龍門吊在接到中控室發來的指令(包含箱位)后,開始起吊集裝箱,安裝在龍門吊上的RFID閱讀器讀取電子標簽確認無誤后,再堆放到指定場箱位,確認后將場箱位記錄到數據庫。集裝箱在堆場等待裝船;

(4)經港方中控室配載后,中控室發布工作指令(包含箱號,箱位)給龍門吊,貼有電子標簽的集裝箱由龍門吊從堆場起吊,同時讀取所吊取的集裝箱電子標簽的信息,與數據庫中該集裝箱的相關信息核對無誤后,裝上集卡發往岸邊橋吊;

(5)橋吊將集裝箱吊起裝船,同時讀取電子標簽信息根據配載信息將集裝箱裝船到指定船箱位。

4 RFID港口集裝箱大規模應用尚需解決的主要問題

4.1 RFID系統標準問題

標準涉及的內容很多,有空中接口協議標準、編碼標準、測試標簽和讀寫器通訊協議標準,以及一系列應用標準等。而存在共性的主要是空中接口協議標準,如18000-6B。

在頻率方面,美國使用915MHZ,歐盟要求868MHZ,而日本標準為2.45GHZ和13.56MHZ;標簽包含內容方面,也還沒有正式的行業標準;編碼標準方面,一種是由日本提出的UID編碼體系,支持這一體系的有日本電子廠商、信息企業和印刷公司等,而另一種是由美國的EPC(電子產品代碼)環球協會提出的EPC電子產品編碼標準,支持這一體系的有沃爾瑪連鎖集團、Tesco,IBM,微軟等歐美公司。并且歐美的EPC標準信息位數為96位,而日本則為128位。可見,目前廠家推出的RFID產品互不兼容,不利于推廣應用。

目前,RFID三大主流標準中還沒有一個標準是特別適用集裝箱應用的。集裝箱行業有自己的RFID自動識別標準ISO 10374 (1991,1995,2005),該標準直接將集裝箱箱號和用戶信息寫入,識別的時候將信息直接識別出來,避免了代碼解析的過程,更適合于目前的集裝箱自動識別應用。當然,由于該標準主要是集裝箱行業國際標準,并沒有引起國際大公司的跟進,所以標簽成本相對比較高。

集裝箱運輸中的RFID系統,不但涉及國內各港航企業,而且也涉及國外的港口、發貨人或收貨人等,因此應該是世界范圍內統一的標準。只有這樣,才能使貼有RFID標簽的集裝箱無論在國內外都能夠讀取和寫入,都能進行有效跟蹤。

4.2 電子標簽本身的安全問題

集裝箱貼上RFID標簽后,雖然在集裝箱運輸系統中的相關企業之間能夠加快信息傳遞,提高物流整體服務質量,但RFID系統的安全問題考驗著我們的智慧。

電子標簽的安全問題主要是指電子標簽內容的安全問題。集裝箱電子標簽是多次重復使用的,在集裝箱整個生命周期中不能失效。同時該標簽要能夠辨識閱讀器,不能讓非系統內讀取器閱讀,從而防止犯罪分子通過無線通訊方式獲得電子標簽隱含信息,然后利用這些信息獲得或破壞電子標簽密碼。

因此,電子標簽只有在能夠做到辨識閱讀器從而提高信息安全性,才有利于在集裝箱運輸中大規模應用。

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[基金項目]

福建省教育廳基金(JA08064)

[通訊作者]

李正紅(1964-),女,福建浦城人,教授.