現(xiàn)代港口集裝箱電子標簽系統(tǒng)構(gòu)建模式研究

現(xiàn)代港口集裝箱電子標簽系統(tǒng)構(gòu)建模式研究摘要：設(shè)計了基于RFID的港口集裝箱物流系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架和系統(tǒng)流程，論述了在工業(yè)性試驗中電子標簽的使用過程與統(tǒng)計方法。試驗結(jié)果表明，整套電子標簽使用機制在現(xiàn)代港口集裝箱掛簽運輸工業(yè)性效果良好。關(guān)鍵詞：集裝箱；無線射頻識別；系統(tǒng)隨著集裝單元化發(fā)展步伐加快，集裝箱運輸已經(jīng)成為當今世界最重要的運輸方式之一。然而，集裝箱運輸過程的不透明性引發(fā)了一系列諸如偷渡、走私、偷竊等集裝箱不安全事件的屢次發(fā)生。這些問題已成為制約集裝箱運輸發(fā)展的關(guān)鍵因素，與現(xiàn)代物流所要求的信息透明化、實時化不相吻合。將RFID技術(shù)應(yīng)用于集裝箱運輸中，已經(jīng)有很大的市場需求，因此集裝箱電子標簽使用機制是一個值得研究的課題。1基于RFID的港口集裝箱物流系統(tǒng)1.1系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來劃分，該系統(tǒng)自下而上可分為4層。圖1現(xiàn)代港口集裝箱電子標簽系統(tǒng)架構(gòu)圖1.1.1設(shè)備層系統(tǒng)的設(shè)備層由帶有藍牙功能的GPS模塊、固定式讀寫器、移動式讀寫器、電子標簽等組成。電子標簽的工作模式是“主動式”，標簽主動發(fā)送信號給閱讀器;讀寫器工作模式為“被動式”，正常工作時閱讀器處于接收狀態(tài)，實時接收電子標簽發(fā)出的信號，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到后臺管理系統(tǒng)中。標簽的硬件電路主要包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實時時鐘(RTC)以及天線等。其中，微處理器和射頻收發(fā)芯片構(gòu)成標簽的核心，完成RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)和防碰撞等功能。讀寫器的硬件電路主要包括微處理器、射頻收發(fā)芯片、電源管理、實時時鐘(RTC)、液晶顯示、外部接口模塊、RS-232接口、RS-485接口以及天線等[1]。根據(jù)使用環(huán)境的不同，設(shè)備層有2種組合方式。1)電子標簽+固定式讀寫器：用于固定位置的控制點(如道口、集裝箱岸橋處)。當電子標簽通過讀寫器的覆蓋區(qū)域時，固定式讀寫器中射頻收發(fā)芯片根據(jù)微處理器的指示，完成電子標簽發(fā)出的無線信號的調(diào)制解調(diào)。主要的通信協(xié)議以及防沖突協(xié)議在微處理器中完成，系統(tǒng)提供的RS-232接口可以實現(xiàn)與PC機的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的接口要求。

2)電子標簽+移動式讀寫器：用于移動位置的控制點(如裝/拆箱點、海關(guān)查驗處)。給PDA或PC機安裝讀頭后的手持設(shè)備具備和固定式讀寫器同樣的功能?！白x頭”是這種組合方式中，整個移動式讀寫器系統(tǒng)的核心部分?？刂普麄€數(shù)據(jù)交換過程中與標簽之間的通信，并提供與后臺計算機的接口。當電子標簽通過讀寫器的覆蓋區(qū)域時，讀寫器將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入電子標簽，同時完成相應(yīng)的授權(quán)加封/解封、讀取數(shù)據(jù)等操作[2]。配合電子標簽系統(tǒng)使用的定位設(shè)備GPS模塊，用來獲取當前讀取地的地點坐標。1.1.2通信層：系統(tǒng)的通信層包括有線/無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、RS232/RS485通訊設(shè)備、自有/通用的通訊協(xié)議、藍牙通訊方式、以太網(wǎng)傳輸設(shè)備等。數(shù)據(jù)包經(jīng)由RS232/RS485通訊設(shè)備和通訊協(xié)議，在以太網(wǎng)或無線局域網(wǎng)的環(huán)境下，與電子標簽的控制軟件進行交互。GPS模塊是安裝在應(yīng)用服務(wù)器上的，控制軟件通過藍牙與其進行交互，獲取當前的地點坐標，然后通過CDMA/Wifi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至GPS服務(wù)器，服務(wù)器通過地名解析后將數(shù)據(jù)保存、備份到數(shù)據(jù)服務(wù)器[2]。1.1.3數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層包括GPS服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、電子標簽控制軟件的應(yīng)用服務(wù)器、web服務(wù)器。GPS服務(wù)器完成地址的解析功能，應(yīng)用服務(wù)器對從通信層實時接收到的數(shù)據(jù)進行分類、分析處理、存儲等工作，將處理完的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行交互，并通過web服務(wù)器表現(xiàn)在網(wǎng)頁上。同時，web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還具備與應(yīng)用層的外部系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的功能。因此，數(shù)據(jù)層的3個服務(wù)器在縱向上有數(shù)據(jù)傳輸功能，在橫向上有內(nèi)部通信功能。1.1.4應(yīng)用層：系統(tǒng)的應(yīng)用層集成了外部系統(tǒng)，主要是和在碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)向服務(wù)對象(如貨主、收貨人、貨代、船代、港口、海關(guān))提供查詢和應(yīng)用接口，服務(wù)對象共同監(jiān)控集裝箱的貨運和安全信息。1.2系統(tǒng)流程如圖2所示，將RFID技術(shù)融入到集裝箱傳統(tǒng)作業(yè)流程后，集裝箱物流的流程將發(fā)生改變，起運港和目的港各個節(jié)點的操作方法如下[3]：圖2基于RFID的集裝箱物流系統(tǒng)流程圖1)起運港裝箱點：操作人員利用手持式讀寫器操作程序掃描到電子標簽，將該電子標簽與集裝箱綁定。控制軟件通過藍牙和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GPS模塊進行交互，獲取貨物信息、作業(yè)信息以及當前的地點坐標，經(jīng)GPS服務(wù)器解析后，控制軟件將貨物信息、作業(yè)信息、GPS地名傳送給讀寫器，再由讀寫器對電子標簽寫入數(shù)據(jù)。貨物裝箱完畢后，關(guān)上箱門，將電子標簽安裝在集裝箱箱體表面(通常是卡在門栓處)，標簽隨箱由集卡運送到起運港。

2)起運港道口：在起運港道口，集裝箱上的電子標簽通過固定式讀寫器的覆蓋區(qū)域時，讀寫器接收并讀取電子標簽里的信息，實時上傳至應(yīng)用服務(wù)器。同時應(yīng)用服務(wù)器的控制軟件對該標簽是否被非法開啟過，進行自動核對和判斷。若校驗無誤，控制軟件通過CDMA/Wifi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中符合條件的EDI數(shù)據(jù)傳送給讀寫器用以寫入電子標簽;若發(fā)現(xiàn)信息有誤或集裝箱被非法開啟過，系統(tǒng)報警，并通知海關(guān)查驗報警的集裝箱。

3)起運港海關(guān)查驗：海關(guān)通過手持PDA和移動式讀頭查驗集裝箱。通過手持PDA設(shè)備操作控制軟件，移動式讀頭對電子標簽完成相應(yīng)的授權(quán)解封(合法開啟)，同時將數(shù)據(jù)傳送到后臺數(shù)據(jù)庫。查驗完畢后，移動式讀頭對電子標簽完成相應(yīng)的授權(quán)加封(合法再次關(guān)閉)，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至后臺數(shù)據(jù)庫中。海關(guān)查驗記錄同樣上傳服務(wù)器，查驗完畢后再次掛上電子標簽。

4)起運港岸橋：在起運港裝船作業(yè)時，橋吊起吊集裝箱后，安裝在岸橋上的固定式讀寫器自動讀取電子標簽里的信息，并將該箱的安全狀況等信息上傳服務(wù)器進行比對。校驗無誤后裝船，否則系統(tǒng)報警。

5)目的港岸橋：到達目的港進行卸船作業(yè)時，橋吊起吊集裝箱后，安裝在岸橋上的固定式讀寫器自動讀取電子標簽里的信息，并將該箱的安全狀況等信息上傳服務(wù)器進行比對。卸下來的集裝箱經(jīng)校驗無誤后由集卡承載駛往堆場存放;若發(fā)現(xiàn)信息有誤或集裝箱被非法開啟過，系統(tǒng)報警。

6)目的港海關(guān)查驗：目的港海關(guān)對非法開啟或報警的集裝箱實施查驗。

7)目的港道口：在目的港的出場道口，集裝箱上的電子標簽通過讀寫器的覆蓋區(qū)域時，讀寫器自動讀取電子標簽里的信息，并將該箱的安全狀況等信息上傳服務(wù)器進行比對。校驗無誤后集卡開往拆箱點，否則系統(tǒng)報警。

8)目的港拆箱點：在收貨方確認貨物的電子信息安全后，使用手持PDA/PC設(shè)備操作授權(quán)拆卸電子標簽，清空標簽里的貨物信息。最后回收電子標簽。2港口集裝箱電子標簽收發(fā)統(tǒng)計機制2.1電子標簽使用工業(yè)性試驗如圖3所示，為在工業(yè)性試驗中電子標簽的循環(huán)使用過程。工業(yè)性試驗采用某固定海運航線，每個航次有不少于150個集裝箱需要掛上電子標簽運輸。具體過程描述為：從試驗港緩沖箱區(qū)的電子標簽庫取標簽，然后對集裝箱進行掛簽操作并更新數(shù)據(jù)庫，掛上標簽的集裝箱正常程序裝船、離港;經(jīng)過漫長的海上運輸?shù)竭_目的港后標簽隨箱卸船，在目的港出道口后進行拆標簽操作，拆下來的標簽在目的港收集暫存，每4周將收集的電子標簽隨船帶回;由試驗港把帶回的電子標簽回收、清點、記錄;然后由標簽提供公司對回收的標簽進行檢測和信息格式化操作，最后送反試驗港緩沖區(qū)的電子標簽庫以待下次循環(huán)使用。圖3電子標簽的使用過程2.2電子標簽統(tǒng)計軟件說明如圖4所示，是作者自主開發(fā)的電子標簽使用統(tǒng)計軟件，程序用TurboC作為編程環(huán)境。具體操作步驟如下：圖4標簽軟件界面1)將各個航次的掛簽數(shù)據(jù)(標簽號)全部匯總到Excel表格文件中。

2)將匯總的掛簽標簽號排在一列，然后進行升序排列，排序完后在左邊插入一列并寫上序號(自動填充)，保存。

3)將上面處理好的兩列數(shù)據(jù)(序號和標簽號)直接復(fù)制粘貼到一個普通文本文檔(.txt文件)中，并將標簽號的總個數(shù)(序號的最后一個數(shù))寫在第一排，保存，關(guān)閉這個文本文檔，然后將其擴展名改成“.C”(C語言程序文件)。

4)運行程序，調(diào)用前面處理好的數(shù)據(jù)文件，回車可得到結(jié)果。在工業(yè)性試驗航線中標簽使用階段性統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。圖5程序運行結(jié)果5)結(jié)果說明：“UseE-seal：”后面的數(shù)據(jù)表示實際投入使用的標簽個數(shù)(如圖5即實際投入使用的標簽數(shù)為2846個);“1time：”后面的數(shù)據(jù)表示使用1次的標簽個數(shù)(如圖5即有2279個標簽使用了1次);“2times：”后面的數(shù)據(jù)表示使用2次的標簽個數(shù)(如圖5即有558個標簽使用了2次);“3times：”后面的數(shù)據(jù)表示使用3次的標簽個數(shù)(如圖5即有9個標簽使用了3次);“4times：”后面的數(shù)據(jù)表示使用4次的標簽個數(shù)(如圖5即有0個標簽使用了4次)。該程序意圖是為減少標簽統(tǒng)計過程中的一些重復(fù)工作，操作簡單、實用，可用于任何編號標簽的統(tǒng)計，可以推廣到任何廠家的標簽和任何航次的運作。3總結(jié)和展望課題研究依托國家科技支撐計劃項目之“現(xiàn)代港口物流服務(wù)示范工程項目”，并在國內(nèi)某港口集裝箱碼頭進行工業(yè)性試驗以及運用，已完成“港到港”和“門到門”2個流程全部內(nèi)容的測試。試驗數(shù)據(jù)以及試驗的成功，為開展國際首條掛簽集裝箱運輸示范線掃除了技術(shù)障礙，也開了集裝箱電子標簽運作的先河。集裝箱電子標簽