现代港口集装箱电子标签系统构建模式研究.docx
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现代港口集装箱电子标签系统构建模式研究.docx
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现代港口集装箱电子标签系统构建模式研究
现代港口集装箱电子标签系统构建模式研究
摘要:
设计了基于RFID的港口集装箱物流系统的系统构架和系统流程,论述了在工业性试验中电子标签的使用过程与统计方法。
试验结果表明,整套电子标签使用机制在现代港口集装箱挂签运输工业性效果良好。
关键词:
集装箱;无线射频识别;系统
随着集装单元化发展步伐加快,集装箱运输已经成为当今世界最重要的运输方式之一。
然而,集装箱运输过程的不透明性引发了一系列诸如偷渡、走私、偷窃等集装箱不安全事件的屡次发生。
这些问题已成为制约集装箱运输发展的关键因素,与现代物流所要求的信息透明化、实时化不相吻合。
将RFID技术应用于集装箱运输中,已经有很大的市场需求,因此集装箱电子标签使用机制是一个值得研究的课题。
1 基于RFID的港口集装箱物流系统
1.1系统构架如图1所示,按照系统结构来划分,该系统自下而上可分为4层。
图1现代港口集装箱电子标签系统架构图
1.1.1 设备层
系统的设备层由带有蓝牙功能的GPS模块、固定式读写器、移动式读写器、电子标签等组成。
电子标签的工作模式是“主动式”,标签主动发送信号给阅读器;读写器工作模式为“被动式”,正常工作时阅读器处于接收状态,实时接收电子标签发出的信号,并将接收到的数据转送到后台管理系统中。
标签的硬件电路主要包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)以及天线等。
其中,微处理器和射频收发芯片构成标签的核心,完成RF信号的产生、调制、解调和防碰撞等功能。
读写器的硬件电路主要包括微处理器、射频收发芯片、电源管理、实时时钟(RTC)、液晶显示、外部接口模块、RS-232接口、RS-485接口以及天线等[1]。
根据使用环境的不同,设备层有2种组合方式。
1)电子标签+固定式读写器:
用于固定位置的控制点(如道口、集装箱岸桥处)。
当电子标签通过读写器的覆盖区域时,固定式读写器中射频收发芯片根据微处理器的指示,完成电子标签发出的无线信号的调制解调。
主要的通信协议以及防冲突协议在微处理器中完成,系统提供的RS-232接口可以实现与PC机的通讯,RS-485接口满足一些通用仪器仪表的接口要求。
2)电子标签+移动式读写器:
用于移动位置的控制点(如装/拆箱点、海关查验处)。
给PDA或PC机安装读头后的手持设备具备和固定式读写器同样的功能。
“读头”是这种组合方式中,整个移动式读写器系统的核心部分。
控制整个数据交换过程中与标签之间的通信,并提供与后台计算机的接口。
当电子标签通过读写器的覆盖区域时,读写器将相关数据写入电子标签,同时完成相应的授权加封/解封、读取数据等操作[2]。
配合电子标签系统使用的定位设备GPS模块,用来获取当前读取地的地点坐标。
1.1.2 通信层:
系统的通信层包括有线/无线网络设备、RS232/RS485通讯设备、自有/通用的通讯协议、蓝牙通讯方式、以太网传输设备等。
数据包经由RS232/RS485通讯设备和通讯协议,在以太网或无线局域网的环境下,与电子标签的控制软件进行交互。
GPS模块是安装在应用服务器上的,控制软件通过蓝牙与其进行交互,获取当前的地点坐标,然后通过CDMA/Wifi网络发送至GPS服务器,服务器通过地名解析后将数据保存、备份到数据服务器[2]。
1.1.3 数据层:
系统的数据层包括GPS服务器和数据库服务器、电子标签控制软件的应用服务器、web服务器。
GPS服务器完成地址的解析功能,应用服务器对从通信层实时接收到的数据进行分类、分析处理、存储等工作,将处理完的数据与数据库服务器进行交互,并通过web服务器表现在网页上。
同时,web服务器和数据库服务器还具备与应用层的外部系统交换数据的功能。
因此,数据层的3个服务器在纵向上有数据传输功能,在横向上有内部通信功能。
1.1.4 应用层:
系统的应用层集成了外部系统,主要是和在码头生产管理系统进行数据交换。
系统向服务对象(如货主、收货人、货代、船代、港口、海关)提供查询和应用接口,服务对象共同监控集装箱的货运和安全信息。
1.2 系统流程
如图2所示,将RFID技术融入到集装箱传统作业流程后,集装箱物流的流程将发生改变,起运港和目的港各个节点的操作方法如下[3]:
图2基于RFID的集装箱物流系统流程图
1)起运港装箱点:
操作人员利用手持式读写器操作程序扫描到电子标签,将该电子标签与集装箱绑定。
控制软件通过蓝牙和数据库服务器、GPS模块进行交互,获取货物信息、作业信息以及当前的地点坐标,经GPS服务器解析后,控制软件将货物信息、作业信息、GPS地名传送给读写器,再由读写器对电子标签写入数据。
货物装箱完毕后,关上箱门,将电子标签安装在集装箱箱体表面(通常是卡在门栓处),标签随箱由集卡运送到起运港。
2)起运港道口:
在起运港道口,集装箱上的电子标签通过固定式读写器的覆盖区域时,读写器接收并读取电子标签里的信息,实时上传至应用服务器。
同时应用服务器的控制软件对该标签是否被非法开启过,进行自动核对和判断。
若校验无误,控制软件通过CDMA/Wifi网络将数据库服务器中符合条件的EDI数据传送给读写器用以写入电子标签;若发现信息有误或集装箱被非法开启过,系统报警,并通知海关查验报警的集装箱。
3)起运港海关查验:
海关通过手持PDA和移动式读头查验集装箱。
通过手持PDA设备操作控制软件,移动式读头对电子标签完成相应的授权解封(合法开启),同时将数据传送到后台数据库。
查验完毕后,移动式读头对电子标签完成相应的授权加封(合法再次关闭),同时将相关数据传送至后台数据库中。
海关查验记录同样上传服务器,查验完毕后再次挂上电子标签。
4)起运港岸桥:
在起运港装船作业时,桥吊起吊集装箱后,安装在岸桥上的固定式读写器自动读取电子标签里的信息,并将该箱的安全状况等信息上传服务器进行比对。
校验无误后装船,否则系统报警。
5)目的港岸桥:
到达目的港进行卸船作业时,桥吊起吊集装箱后,安装在岸桥上的固定式读写器自动读取电子标签里的信息,并将该箱的安全状况等信息上传服务器进行比对。
卸下来的集装箱经校验无误后由集卡承载驶往堆场存放;若发现信息有误或集装箱被非法开启过,系统报警。
6)目的港海关查验:
目的港海关对非法开启或报警的集装箱实施查验。
7)目的港道口:
在目的港的出场道口,集装箱上的电子标签通过读写器的覆盖区域时,读写器自动读取电子标签里的信息,并将该箱的安全状况等信息上传服务器进行比对。
校验无误后集卡开往拆箱点,否则系统报警。
8)目的港拆箱点:
在收货方确认货物的电子信息安全后,使用手持PDA/PC设备操作授权拆卸电子标签,清空标签里的货物信息。
最后回收电子标签。
2 港口集装箱电子标签收发统计机制
2.1 电子标签使用工业性试验
如图3所示,为在工业性试验中电子标签的循环使用过程。
工业性试验采用某固定海运航线,每个航次有不少于150个集装箱需要挂上电子标签运输。
具体过程描述为:
从试验港缓冲箱区的电子标签库取标签,然后对集装箱进行挂签操作并更新数据库,挂上标签的集装箱正常程序装船、离港;经过漫长的海上运输到达目的港后标签随箱卸船,在目的港出道口后进行拆标签操作,拆下来的标签在目的港收集暂存,每4周将收集的电子标签随船带回;由试验港把带回的电子标签回收、清点、记录;然后由标签提供公司对回收的标签进行检测和信息格式化操作,最后送反试验港缓冲区的电子标签库以待下次循环使用。
图3电子标签的使用过程
2.2 电子标签统计软件说明
如图4所示,是作者自主开发的电子标签使用统计软件,程序用TurboC作为编程环境。
具体操作步骤如下:
图4标签软件界面
1)将各个航次的挂签数据(标签号)全部汇总到Excel表格文件中。
2)将汇总的挂签标签号排在一列,然后进行升序排列,排序完后在左边插入一列并写上序号(自动填充),保存。
3)将上面处理好的两列数据(序号和标签号)直接复制粘贴到一个普通文本文档(.txt文件)中,并将标签号的总个数(序号的最后一个数)写在第一排,保存,关闭这个文本文档,然后将其扩展名改成“.C”(C语言程序文件)。
4)运行程序,调用前面处理好的数据文件,回车可得到结果。
在工业性试验航线中标签使用阶段性统计结果如图5所示。
图5程序运行结果
5)结果说明:
“UseE-seal:
”后面的数据表示实际投入使用的标签个数(如图5即实际投入使用的标签数为2846个);“1time:
”后面的数据表示使用1次的标签个数(如图5即有2279个标签使用了1次);“2times:
”后面的数据表示使用2次的标签个数(如图5即有558个标签使用了2次);“3times:
”后面的数据表示使用3次的标签个数(如图5即有9个标签使用了3次);“4times:
”后面的数据表示使用4次的标签个数(如图5即有0个标签使用了4次)。
该程序意图是为减少标签统计过程中的一些重复工作,操作简单、实用,可用于任何编号标签的统计,可以推广到任何厂家的标签和任何航次的运作。
3 总结和展望
课题研究依托国家科技支撑计划项目之“现代港口物流服务示范工程项目”,并在国内某港口集装箱码头进行工业性试验以及运用,已完成“港到港”和“门到门”2个流程全部内容的测试。
试验数据以及试验的成功,为开展国际首条挂签集装箱运输示范线扫除了技术障碍,也开了集装箱电子标签运作的先河。
集装箱电子标签产业化后,基于集装箱物流的供应链各方可以实现共同监控,一旦某一个集装箱发生不安全事件,该集装箱涉及到的各方可以互相通知,共同监管。
如今的信息平台提供的无偿服务今后也可发展成为电子商务平台,采用会员制管理,在线交易。
RFID技术的优势为RFID市场带来了非常可观的前景,随着信息化力度的不断加大,集装箱电子标签也将必然得到大规模的推广和应用。
(文/武汉理工大学物流工程学院港口装卸技术重点实验室胡悦,肖汉斌)
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- 现代 港口 集装箱 电子标签 系统 构建 模式 研究