基于物聯網的集裝箱感知系統研究與應用

包起帆

(上海國際港務(集團)股份有限公司，上海 200080)

基于物聯網的集裝箱感知系統研究與應用

包起帆

(上海國際港務(集團)股份有限公司，上海 200080)

介紹了一種基于物聯網的集裝箱感知系統的實現和應用，為大規模商業應用提供了一種可行性方案。該系統利用RFID、無線數據通信和互聯網等技術，實現無人干預下的集裝箱自動識別、信息共享和智能管理。

集裝箱物流;感知;物聯網;無線射頻識別

1 前言

在經濟高速發展、國際貨運持續增長的今天，集裝箱運輸無可爭議地成為交通運輸現代化的重要形式。然而當前集裝箱物流存在兩個問題:其一，由于集裝箱自身不載有信息，信息在各環節中的傳遞還依賴于傳統的人工、半人工方式，集裝箱物流缺乏透明度，貨主獲取信息只能處于被告知的地位，因此難以掌控自己貨物在物流過程中的動態，往往只能通過加長交貨時間來避免合同違約，這樣就難以實現資源的優化配置，導致了物流成本居高不下。其二，全球集裝箱物流安全保障形勢相當嚴峻。集裝箱貨物的隱秘性，及其物流的跨國性等都給集裝箱物流的安全管理帶來困難。近年來利用集裝箱運輸而引發的偷渡、走私、失竊等問題，已引起全球各界的廣泛關注。據統計，每年因集裝箱貨物被盜而造成的直接損失為200億～500億美元，間接損失在2000億美元以上。

最近興起的物聯網是解決集裝箱物流上述兩個問題的有效途徑。所謂物聯網［1］，是指在互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術，構造一個覆蓋世界萬物的網絡。在這個網絡中，物品能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預，是互聯網從人向物的延伸［2］。

據相關文獻報道，鐵路集裝箱運輸已采用了RFID技術對運輸集裝箱的火車進行識別和跟蹤［3］，郵局采用條碼技術對其運送的貨物進行管理，通過信息服務平臺為客戶提供查詢服務。這兩種系統的運行環境是單一的業務環境，是一個閉環系統。但對海運集裝箱運輸或集裝箱多式聯運而言，其運行環境和用戶對象要更為廣泛，因此，此領域的研究雖然是國際熱點，但并未形成實踐。

文章以上海港多年實踐為基礎，對基于物聯網的集裝箱感知系統的方案、流程、應用以及商業模式等方面進行了介紹和探討。

2 基于物聯網的集裝箱感知系統

基于物聯網的集裝箱感知系統利用RFID技術，通過計算機互聯網實現集裝箱的自動識別、信息的互聯與共享和智能管理。系統可以實時記錄集裝箱運輸中的箱、貨、流信息，以及相關的安全信息(合法開箱的時間和地點，非法開箱的時間)，結合遍布全球的互聯網實現對集裝箱物流全過程的實時感知，從而提高集裝箱物流的透明度和安全性。集裝箱感知系統實現了與集裝箱物流相關的所有客戶從過去被動地接收信息到主動地獲取信息的轉變，也就是實現了從告知到感知的轉變。所謂告知，見圖1，從裝箱到拆箱的集裝箱運輸整個過程，貨主和收貨人若需得知其集裝箱的相關信息，只能向物流公司、港口、船公司等獲取，但這些被“告知”的信息是否真實、及時呢?所謂感知，見圖2，從裝箱到拆箱的集裝箱運輸整個過程，集裝箱運輸整個過程中的相關用戶均能主動在系統平臺上獲取集裝箱的相關信息。這正是物聯網的價值所在。

圖1 告知Fig.1 Being informed

圖2 感知Fig.2 Perception

該系統的服務對象是以貨主(及收貨人)為主的集裝箱物流全過程中的相關對象，如物流公司、港口、船公司、保險、代理、海關、商檢等。

2.1 系統構架

系統按功能可劃分為集裝箱RFID自動識別系統、網絡數據傳輸系統、信息服務平臺3部分。系統的框架見圖3。

1)集裝箱RFID自動識別系統。采用射頻識別技術，為非接觸方式，可同時識別和讀寫靜止標簽和移動中的標簽，硬件包括:集裝箱電子標簽、固定式讀寫器、移動式讀寫器等。其中固定式讀寫器可安裝在堆場、道口、橋吊或集裝箱卡車同行的路線上;而移動式讀寫器集成了GPS功能，可在任意的集裝箱裝箱點、拆箱點、政府查驗點使用，可把開關箱的時間、地點、貨物信息等上傳到網絡。該部分主要完成集裝箱的自動識別以及信息的實時采集和上傳，保證集裝箱各種信息能自動、快速、遠距離、可靠地采集與識別。

圖3 系統構架圖［4］Fig.3 The frame graph of the system［4］

2)網絡數據傳輸系統。主要完成自動采集的集裝箱信息的實時上傳功能，保證在整個集裝箱物流全過程中，數據傳輸沒有盲區。該系統中的讀寫器利用了現有的無線通訊網絡，既減少組網成本，又提高了互聯網接入的靈活性。當然，在WIFI廣泛覆蓋的國家或區域也可以利用此方式接入互聯網。

3)信息服務平臺。完成后端對集裝箱信息的實時處理和管理，服務平臺可向服務對象提供集裝箱安全信息、箱信息、貨物信息和物流信息的實時查詢，從而實現了集裝箱全過程的可視化跟蹤管理。信息服務平臺運行流程圖如圖4所示。

圖4 信息服務平臺運行流程圖Fig.4 Flow chart for the operation of the service information platform

2.2 系統業務流程分析

業務流程的優化和固化是信息化管理的基礎。基于物聯網的集裝箱物流運作具有自身的特點，這些特點決定了集裝箱物流的流程，以及對集裝箱物流流程進行信息化、系統化的基本環節。根據實際運營分析，可以將基于物聯網的集裝箱物流運描述為如下流程，如圖5所示。

1)在集裝箱電子標簽系統的起點——裝箱點，裝貨后關箱門，授權掛上標簽，錄入信息，即意味著保管責任由貨主轉移給卡車(火車)承運人。當對不安全事件進行追溯性管理時，該點也是區分生產過程和物流過程的重要節點。在進場道口，安裝在道口的讀寫設備自動讀取電子標簽信息，確認無誤后集卡進入港區，即意味著保管責任由承運人轉移給港口，該點可實現自動化操作，完全取代人工操作。

2)在起運港岸邊橋吊，集裝箱在起吊裝船的過程中，安裝在橋吊上的讀寫設備自動讀取電子標簽信息，即意味著保管責任由起運港轉移給船公司，該點可實現自動化操作，完全取代人工操作。

3)在目的港岸邊橋吊，集裝箱在起吊卸船的過程中，系統功能與裝船類似，保管責任由船公司轉移給目的港。

4)在目的港出場道口，系統功能與進場類似，保管責任由目的港轉移給承運人。

5)在集裝箱電子標簽系統的終點——拆箱點，授權拆下標簽，開箱門收貨人收貨，保管責任由承運人轉移給收貨人。

6)如果海關等需要對集裝箱進行查驗，則將集裝箱運到港區查驗箱區，在授權的情況下開箱查驗，標簽會自動記錄這一物流過程。

上述的各個環節中，如果電子標簽在沒有授權情況下被非法打開，電子標簽內部自動記錄開閉的時間;對于貴重物品可使用內置GPS的電子標簽，記錄重要事件的地點。當電子標簽經過讀寫器時，非法打開的記錄將被讀取并自動上傳到信息服務平臺。此時，物流鏈上相關授權客戶均能在網站上查詢到該信息，從而為不安全事件的追溯性管理提供了客觀依據。

在集裝箱物流運作的每個過程，集裝箱都能被自動識別，集裝箱的物流信息都被獲取并進行檢查，集裝箱的物流狀態都能得到自動更新，并通過網絡實時向服務對象發布。在多個關鍵流程中實現了物與物的信息交換和共享，而無需人的干預。

圖5 基于物聯網的集裝箱物流業務流程圖［5］Fig.5 Flow chart for the process of container logistics based on the IoT［5］

3 系統的實踐應用

實踐是檢驗和完善系統的有效方法。在系統完成開發后，筆者等開展了一系列應用實踐。

2008年3月10日，裝載了帶有電子標簽的集裝箱班輪“中海寧波”號從上海港駛往美國薩瓦納港，開始了全球第一條集裝箱電子標簽國際航線的首航。截止到2008年12月，集裝箱電子標簽“中國上海—美國薩瓦那”航線共開航46個航次，完成了6707 TEU的實船試驗，為集裝箱供應鏈中的308家節點企業展開集裝箱全程服務。

2008年起，加拿大味樂美國際食品貿易有限公司將該系統應用到食品運輸鏈上，開通了“中國青島—美國紐約”的食品貿易航線，通過從中國供應商裝箱點到美國海關點的“點到港”流程，完成從發貨到收貨的集裝箱全程實時跟蹤和查詢，從而追溯集裝箱運輸過程中的運輸質量和安全，現已完成216標準箱。

該系統還被應用到集裝箱陸路運輸的監控，為追溯貨物運輸的責任界定提供了有力證據。上海外輪理貨有限公司應用該系統對其代理的貨物進行第三方監控，提高了集裝箱陸上運輸的透明度，實現了貨物的零短缺。8月14日上午，上海外輪理貨有限公司發現監控的10個箱子中有1個集裝箱(EMCU1357073)在運輸途中被打開(8月14日凌晨1:30)。經貨主公司查實，該箱缺損1.4 t貨物。該公司隨后又對其20個集裝箱安裝了電子標簽。結果，發現貨物不再短缺。目前，已在全面推廣中。

4 商業模式研究

商業模式的創新是新技術推廣的關鍵。在不斷擴大的實踐基礎上，目前筆者等已經探索到一個可行的方案，這種新的商業模式好比現在成熟的無線通訊網絡和手機一樣。標簽好比手機，形成一系列產品，由發貨人和收貨人自行購買標簽，自己安裝，自己回收，通過網站實現對自己貨物的全程實時在線監控;讀寫器好比通訊基站，集成 GPS、EDI、GPRS/CDMA/3G等，由集裝箱RFID網站運行商負責把用于監控點的固定式讀寫器安裝在碼頭道口、橋吊下和貨棧大門口等各個監控點，實現電子標簽數據的采集;集裝箱RFID網站運行商負責維護整個系統平臺的運行，好比無線通訊營運商。區別在于筆者等利用的數據網絡是采用目前已有的全球網絡資源，如互聯網、無線通訊網絡、WIFI等。其中各方的經濟關系如下:

1)由政府部門指導監管的集裝箱RFID網站營運商投資網站和設在碼頭、倉庫、物流中心的讀寫器，負責系統的營運，向客戶提供相關信息，收取適當的費用;

2)貨主、保險公司、商檢公司等直接用戶購買電子標簽和手持式讀寫設備，自行操作，回收標簽，在網站上通過授權獲取信息，并支付適當的費用;

3)政府主管部門可以從網站上提出相關要求，履行職責。

5 相關標準

一項新技術的推廣應用有賴于國際標準的保障。集裝箱電子標簽的推廣應用涉及一系列的標準問題。ISO/TC 104/SC4分委員會是負責制定集裝箱識別和通訊的相關標準，致力于開發自動識別、信息通訊和共享以及集裝箱智能管理系統。其中WG2工作組負責制定集裝箱RFID相關標準。該小組已經發布了ISO 18185系列標準，ISO TS 10891技術規范，ISO 10374標準等。ISO 18185及其系列國際標準規定了用于貨物集裝箱的電子封條及其系統，這些系列標準的目的是增加集裝箱在運輸過程中的安全性;而ISO TS 10891技術規范規定了一系列專門針對貼在貨運集裝箱上的RFID電子標簽的要求，其目的是優化設備控制系統的工作效率，包括選擇性使用符合ISO 18185標準的電子封條產品。

為了提高集裝箱運輸過程中的透明度和效率，在大量實踐的基礎上，中國提出了“貨運集裝箱－RFID貨運標簽系統”的提案和草案，經過成員國的投票于2009年5月8日通過并立項，編號18186。ISO/PAS 18186于2010年7月1日正式發布(Publicly Available Specification共用規范)。該標準通過基于互聯網的信息平臺，提高集裝箱運輸過程的透明度和效率，從而為集裝箱物流的所有利益方帶來好處，包括:貨主、代理、保險、承運人、政府部門等。特別是，這項國際標準的最大利益方貨主，由于及時掌控貨物的位置和狀態，貨主可以及時調整其生產周期和資金使用計劃，從而達到資金利用最大化。

ISO/PAS 18186是ISO/TC 104/SC4工作的重要組成部分，并且其很好地完善了該分委員會的技術標準體系。該RFID貨運標簽系統與ISO 10374和ISO 10891規定的使用集裝箱牌照標簽的RFID安全認證框架，以及ISO 18185規定的電子封條雖可并存但是互相獨立，它們之間不相沖突，由用戶根據自身需求作出選擇。該標準定義的貨運標簽既可以單獨應用，也可以和電子箱封、牌照標簽組合應用。

6 結語

文章提出一種基于物聯網的集裝箱感知系統，介紹了系統的方案、流程和實踐應用，并提出一種可行性的商業模式。

系統將為集裝箱物流帶來巨大的效益。一方面，系統能夠使集裝箱物流全程更透明，可幫助貨主及時掌控運輸動向，降低物流成本，提高經濟效益。另一方面，可使集裝箱物流各環節的安全更可控，并具有追溯性，從而防止貨物失竊，提高貨物的運輸質量。從國家監管層面來說，可有效增強政府對物流全過程的監管，防止走私和人員偷渡，提高國家安全水平。

在集裝箱運輸中應用好RFID技術，除了RFID技術自身的設計，還需要整體考慮集裝箱運輸的流程和特點等，這在以后的實際應用中會不斷地積累經驗，不斷地改進創新。所以在這個領域要做的事很多，要探討的問題也很多，但這一切都是值得努力去做的。

［1］淺析物聯網探析［J］.中國防偽報道，2009，10:55.

［2］感知物聯網［J］.智能建筑與城市信息，2009，9(154):103－104.

［3］史 琳.基于RFID技術的鐵路集裝箱實時查詢系統的研究與實現［D］.北京:北京交通大學，2008.

［4］包起帆.集裝箱物流全程實時在線監控系統［J］.水運工程，2008(6):50－55.

［5］Bao Qifan，Jiang Xia，Wu Zhaowei.The online real－ time monitoring system for the whole process of container logistics chain［J］.Port Technology International，2008(39):78 － 84.

Research and application of the container sense system based on IoT

Bao Qifan

(Shanghai International Port(Group)Co.，Ltd.，Shanghai 200080，China)

The Internet of Things(IoT)has given rise to provide an effective way to improve the transparency and security for the container logistics.This paper proposes the realization and application of one type of the container sense system based on IoT，which provides a feasible methodology and solution for a large scale commercial use.The system realizes automatic identification of containers，information sharing and intelligent management without human intervention，by using RFID(radio frequency identification)，communication and internet technologies.

container logistics;perceive;IoT;RFID

U169.6

A

1009－1742(2011)03－0019－05

2010－05－14

包起帆(1951—)，男，浙江鎮海縣人，教授級高級工程師，主要從事現代港口物流、起重運輸機械等方面的研究;E－mail:baoqf51@163.com