1 　港口信息化的需要
    現(xiàn)代的集裝箱碼頭, 管理水平和信息化水平的高低成為衡量其優(yōu)劣的重要指標, 而目前國內(nèi)港口雖然也采用計算機管理, 但是在整個運輸過程中,對于集裝箱的識別仍然非常落后, 基本上還是處于人工(或半人工) 的識別階段。近幾年來, 盡管在集裝箱的識別中采用了條形碼和數(shù)碼攝像軟件識別等技術, 但由于實踐中存在識別距離近、可靠性差、無法跟蹤記載集裝箱運輸中的物流信息以及信息承載不方便等原因, 因此沒有得到廣泛的應用和推廣。為了提高集裝箱運輸?shù)墓芾硭胶托畔⒒? 采用集裝箱智能標簽是發(fā)展方向, 它能夠?qū)崿F(xiàn)對集裝箱的自動化識別和對運輸過程中的物流信息實時跟蹤, 消除錯箱和漏箱, 大大加快集裝箱的通關速度, 提高集裝箱運輸?shù)墓ぷ餍? 增強集裝箱運輸中的安全可靠性, 從而全面提升集裝箱運輸?shù)姆账? 能夠真正構(gòu)建具有國際先進水平的集裝箱數(shù)字化的港口。目前, 國際港口集裝箱行業(yè)尚未形成集裝箱智能標簽相關的國際標準, 這正是我國港口信息化與國際先進水平縮短差距的一個契機,因此應用和推廣集裝箱智能標簽迫在眉睫。

    2 　港口集裝箱系統(tǒng)對智能標簽的要求
    在集裝箱上安裝智能標簽, 是為了有效地識別集裝箱的相關信息, 鑒于航運行業(yè)的特殊性, 所以相應的智能標簽系統(tǒng)必須要能夠適應其特殊的工作環(huán)境。(1) 港口的自然環(huán)境很惡劣, 而且作業(yè)是全天候的, 因此智能標簽系統(tǒng)不僅需要承受高達40 ℃以上的酷暑, 還需要承受- 30 ℃的寒冬, 同時還必須能夠在狂風、大雨等惡劣天氣下工作。(2)集裝箱運輸過程中的大部分時間在海上(或者內(nèi)河中) 完成, 因此智能標簽必須要能夠在濕度為35 %～80 %的環(huán)境下工作。(3) 為保證存儲集裝箱中的貨物信息以及運輸過程中的相關信息, 至少要求智能標簽具有4k 字節(jié)左右的存儲能力, 完成物流和信息流的一致性。(4) 為加快通關速度, 集裝箱信息必須能夠遠距離訪問。除了上述主要的4 個指標外, 港口集裝箱系統(tǒng)還對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、標簽訪問的唯一性、使用壽命等多方面均提出了相應的指標。目前, 可以選擇的標簽技術有條形碼、IC卡和RFID ( Radio Frequency Identification , 射頻識別) 等, 現(xiàn)結(jié)合港口集裝箱應用的需要分別介紹其特點, 得出合理的選擇。
    2.1 　特點
    (1) 條形碼　由美國的N1T1Woodland 在1949年首先提出。近年來, 隨著計算機應用的不斷普及, 其應用越來越廣泛。條形碼是由寬度不同、反射率不同的條, 按照一定的編碼規(guī)則(碼制) 編制成的, 用以表達一組數(shù)字或字母符號信息的圖形標識符, 條形碼是一組粗細不同、按照一定的規(guī)則安排間距的平行線條圖形。常見的條形碼是由反射率相差很大的黑條(簡稱條) 和白條(簡稱空) 組成的。信息讀取時, 掃描器向條形碼發(fā)出光, 并接收經(jīng)反射的光信號, 然后將其轉(zhuǎn)換為相應的電信號。由于條和空發(fā)射率不同, 因而電信號的強弱也不同, 根據(jù)電信號的變化就能夠完成對條形碼信息的讀取。
    (2) IC 卡　一種攜帶芯片的卡, 在芯片內(nèi)部存儲一定的程序和數(shù)據(jù), 對其數(shù)據(jù)的訪問方式有2種: 接觸式和非接觸式。在訪問接觸式卡時, 必須將IC 卡插入閱讀器內(nèi), 才能實現(xiàn)對卡上數(shù)據(jù)的訪問; 而非接觸式IC 卡, 可以在閱讀器所處的短距離范圍內(nèi)實現(xiàn)對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的訪問。
    (3) RFID 技術　一種無接觸自動識別技術,其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性, 實現(xiàn)對靜止的或移動中的待識別物品的自動機器識別。RFID 系統(tǒng)的組成至少包括2 個部分: 電子標簽(Tag) 和閱讀器(Reader) 。電子標簽安裝在待識別的物品上, 當擁有電子標簽的物品進入閱讀器的有效范圍時, 閱讀器可以通過無線的方式將電子標簽中的信息讀出, 實現(xiàn)對物品的自動識別。
    2.2 　適用性
    (1) 條形碼　其優(yōu)點在于成本低且簡單, 但它不適合港口集裝箱應用。原因如下: 在條形碼信息的訪問需要掃描器和標簽之間保持適當?shù)慕嵌惹覙撕炆媳仨毲鍧崯o磨損, 但在航運中會經(jīng)歷各種不同的天氣, 同時由于裝卸等操作根本無法保證標簽清潔無磨損; 條形碼在閱讀時, 中間不能有任何障礙物, 但港口裝卸時, 難免會有人員和車輛開過, 容易造成障礙, 給標簽信息的訪問帶來諸多不便; 條形碼上的內(nèi)容不能任意修改, 而且其存儲數(shù)據(jù)非常有限; 條形碼的讀寫距離往往太短, 使得在使用港口的橋機、抓斗等機械的同時對標簽信息進行訪問幾乎不可能。因此, 可以將基于條形碼技術的智能標簽方案排除。
    (2) IC 卡　其優(yōu)點在于卡上含CPU ,能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的訪問機制,而且卡上具有一定的存儲能力,能夠隨時修改。顯然, IC 卡相對于條形碼有了很大的進步,但它同樣不適合港口集裝箱應用,其原因與條形碼非常類似:非接觸式IC 卡的有效訪問距離太短,無法實現(xiàn)道口、堆場等區(qū)域的標簽信息訪問; IC卡在讀取時與閱讀器中間不能存在障礙。所以,基于IC 卡的智能標簽方案也可以排除。
    (3) RFID 技術　它具備很多良好的性質(zhì), 如訪問距離長、存儲空間大、數(shù)據(jù)訪問方式對天氣不敏感、信息能夠隨時修改等, 符合港口集裝箱應用的基本要求, 因此基于RFID 的智能標簽的方案是一個理想的選擇。
    總的來說, 集裝箱智能標簽系統(tǒng)應該是一整套行業(yè)特征非常明顯, 行業(yè)專用的系統(tǒng), 同時也是電子標簽系統(tǒng)類別中技術難度最大、要求最高、系統(tǒng)最復雜的, 因此需要為集裝箱應用定制開發(fā)集裝箱電子標簽成套裝備。

    3 　國內(nèi)外相關系統(tǒng)介紹
    射頻識別技術在國外發(fā)展的很快, RFID 產(chǎn)品種類很多, 如SAVI、INTERMEC、ALLEN、MET2RICS、AMECH、TI、MOTOROLA 等廠家都生產(chǎn)RFID 產(chǎn)品, 并且它們的產(chǎn)品各有特點、自成系列,其應用覆蓋工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。而在我國RFID 起步較晚, 形成的系統(tǒng)數(shù)量較少?，F(xiàn)有的系統(tǒng), 如錦山高速公路自動收費系統(tǒng)、上海公交電子月票系統(tǒng)、北京機場高速公路收費系統(tǒng)、深圳的皇崗口岸系統(tǒng)主要以進口產(chǎn)品為主。
    在表1 的產(chǎn)品中只有有源標簽( 如SAVI、ALIEN、Tagmaster 和銳霆科技等) 適合港口集裝箱物流的應用。下面, 具體介紹幾個公司的產(chǎn)品, 這里著重介紹標簽。
    (1) Savi 的St604 標簽　有效的訪問距離可以達到100 m , 含防沖突機制, 信息傳輸速率高, 電池壽命長(10 y) 。標簽的大小為1518 cm ×413 cm×312 cm , 正常工作的環(huán)境溫度為- 32 ℃～70 ℃。St604 標簽的通信方式比較特殊, 是非對稱的, 閱讀器的發(fā)射頻率(即標簽的接收頻率) 選擇低頻(123 kHz 或132 kHz) , 而標簽的發(fā)射頻率選擇高頻(433192 MHz) 。相應的調(diào)制方式和信息速率也不相同, 閱讀器的調(diào)制方式是ASK, 數(shù)據(jù)速率是114kb/ s ; 而標簽的調(diào)制方式為FSK, 數(shù)據(jù)速率為28kb/ s。
    (2) Alien 的有源標簽　標簽的大小為8 cm ×215 cm ×115 cm 其工作頻率為2145GHz , 數(shù)據(jù)的傳輸速率為16 kb/ s , 存儲能力為4 k 字節(jié), 正常工作的環(huán)境溫度為- 25 ℃～70 ℃, 有效識別距離為30m , 功耗低, 使用壽命長。
    (3) 上海銳霆科技有源標簽　在國內(nèi), 上海國際港務集團、上海交通大學和上海銳霆科技公司承接了上海市科委重大科技攻關項目, 研制開發(fā)了適用于港口應用的有源標簽, 并由上海銳霆科技生產(chǎn)。該標簽尺寸小, 適合在各種集裝箱上安裝; 采用有源的方式, 且使用高頻作為通信頻帶, 采用非對稱的數(shù)據(jù)通信, 下行500 kb/ s , 上行250 kb/ s ;含防沖突機制, 能夠有效地讀取多個標簽上的信息; 含數(shù)據(jù)加密功能, 標簽的存儲器容量4 k～16k 字節(jié), 可以存儲貨物信息和操作的歷史記錄; 傳輸協(xié)議和讀寫控制均包含安全管理機制, 可以保證數(shù)據(jù)的安全性; 有效訪問距離最遠可達40 m; 含功耗控制, 能降低電池的能量消耗, 使用壽命可達6 年; 抗干擾能力強, 能夠自動避開現(xiàn)有的通信系統(tǒng)使用的頻帶。
    目前, 在國外民用集裝箱電子標簽的應用還未見到成功先例。AMTECH曾在集裝箱上嘗試使用無源電子標簽, 但在技術要求方面達不到要求, 在進行第一階段試驗時就宣告失敗了。SAVI 在美國國防部的軍品集裝箱運輸中采用有源電子標簽獲得了較好的試驗應用, 但由于其產(chǎn)品和系統(tǒng)昂貴的價格以及行業(yè)性限制, 使其僅能局限在美軍隊的應用,在民用集裝箱物流中并未得到應用。日本在2004年6 月啟動了國際航運RFID 技術的測試, 采用EPC 系統(tǒng)論證改進貨品運輸?shù)恼麄€貿(mào)易流程以提高銷售效率, 包括貨品出廠, 經(jīng)過陸路海路運輸?shù)竭_最終目的地的整個過程。
    在國內(nèi), 上海國際港務集團有限公司在國內(nèi)集裝箱運輸中處于龍頭地位, 作為國內(nèi)第一大港和世界港口前三強, 非常注重科技創(chuàng)新能力, 其全面倡導的數(shù)字化港口建設已經(jīng)取得了豐碩的成果。上海港對于集裝箱電子標簽技術尤為重視, 在上海市的大力支持下啟動了內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標簽示范線建設, 設計了國內(nèi)第一個港口集裝箱智能標簽系統(tǒng),其架構(gòu)如圖1 所示。在示范線上, 智能標簽安裝在集裝箱的箱體表面, 天線和讀寫設備安裝在集裝箱運行通道和集裝箱吊運設備上, 讀寫器可以向電子標簽讀寫集裝箱運輸中的信息, 并通過數(shù)據(jù)接口用有線傳輸和天線傳輸方式與集裝箱管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換, 達到集裝箱的自動識別和實時管理。
    內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標簽示范線主要是在2 個港口和一條航線上, 完成國內(nèi)首個基于集裝箱電子標簽實時信息交換功能的集裝箱電子標簽全業(yè)務示范線工業(yè)性試驗, 包括進口、進場、查詢、出場、裝船、清點、航運、卸船、進場、查詢、出場、出口。在實驗過程中, 對集裝箱電子標簽示范線所有相關系統(tǒng)和產(chǎn)品在航線上運輸?shù)恼鎸嵀h(huán)境下的工作情況將進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的記錄和錄像, 以獲得基于電子標簽系統(tǒng)的內(nèi)貿(mào)港口集裝箱運輸線的系統(tǒng)運營經(jīng)驗, 這在國內(nèi)乃至國際上尚屬首次。
    整個示范線的建設將依靠自主的知識產(chǎn)權(quán)研制和開發(fā)大量的設備和軟件, 其中包括: 集裝箱電子標簽、道口電子標簽讀寫設備、碼頭吊運設備上的電子標簽讀寫設備、流動吊運設備上的電子標簽讀寫設備、手持電子標簽讀寫設備、吊運設備操作室的顯示控制終端以及支持集裝箱電子標簽系統(tǒng)的港區(qū)無線通信網(wǎng)絡、基于集裝箱電子標簽自動識別系統(tǒng)的集裝箱實時信息交換平臺、支持集裝箱電子標簽系統(tǒng)的電子標簽中間件平臺等大型系統(tǒng)軟件。

    4 　結(jié)論
    智能標簽是一個新興的產(chǎn)業(yè), 它的出現(xiàn)勢必帶動和加速物流、倉儲, 交通等行業(yè)的信息化進程。隨著技術的進步, 存在這樣幾個發(fā)展趨勢: 在標簽方面, 有效距離遠、無線可讀寫性能更加完善、適合高速移動載體識別、智能性更強、成本更低等將是新一代標簽的特征; 在閱讀器方面, 小型化、便攜式、嵌入式、模塊化、多種模式兼容的讀寫設備是主要研究的對象; 而系統(tǒng)方面, 安全性更高、智能化和遠距離的識別系統(tǒng)將會更受關注, 并且期待出現(xiàn)一系列行業(yè)標準統(tǒng)一整個RFID 的應用, 增強國際化。
    相信隨著中國市場開放力度的不斷加強, 國內(nèi)經(jīng)濟在不同方面都將體現(xiàn)出大的國際競爭力。口岸作為我國進出口貿(mào)易的門戶, 其建設、發(fā)展和管理將成為推動我國科技與經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。加強口岸科技水平、實現(xiàn)口岸信息化是發(fā)展經(jīng)濟和加速進出口貿(mào)易的必然趨勢和必要條件, 它體現(xiàn)了當代最先進的管理思想和管理理念, 是衡量市場競爭力、現(xiàn)代化程度、綜合實力和經(jīng)濟增長能力的重要標志, 重視口岸信息化建設, 注重應用信息技術已成為全世界的共識。在極具代表性的港口物流中,只有加快研究和應用集裝箱智能標簽, 才能縮小我國與世界先進水平之間的差距, 為打造信息化、智能化的我國現(xiàn)代國際港口提供堅實的技術基礎, 使得我們能夠從容面對急速發(fā)展的港口物流業(yè)的挑戰(zhàn)。