[摘要]

集裝箱運(yùn)輸是交通運(yùn)輸過程中的一個重要的運(yùn)輸環(huán)節(jié)。近年來，集裝箱運(yùn)輸過程中的集裝箱及其貨物的實時(或準(zhǔn)實時)可視化的跟蹤、管理和調(diào)度問題成為人們關(guān)注的重點。傳統(tǒng)的集裝箱跟蹤、管理和調(diào)度大都是基于圖像識別技術(shù)以及手工錄入數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)的。利用攝像頭將集裝箱的相關(guān)信息傳送到處理節(jié)點，完成對集裝箱箱號的識別與管理；而貨物的跟蹤和調(diào)度則是由人工進(jìn)行非實時的數(shù)據(jù)錄入，其跟蹤、管理和調(diào)度通過查詢數(shù)據(jù)庫的方式來實現(xiàn)。這種方法識別速度較慢、差錯率高并且不能實現(xiàn)實時(準(zhǔn)實時)跟蹤。為了解決上述問題，本文提出了在集裝箱運(yùn)輸管理系統(tǒng)中，利用RFID技術(shù)采集集裝箱及其貨物的信息，并對集裝箱運(yùn)輸過程中所需采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和分類，并根據(jù)分類提出了利用中間件實現(xiàn)的前端數(shù)據(jù)采集的方案；本文還進(jìn)一步研究了RFID技術(shù)在集裝箱數(shù)據(jù)采集過程中所遇到的數(shù)據(jù)碰撞、數(shù)據(jù)冗余以及數(shù)據(jù)安全問題，并給出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：集裝箱跟蹤、貨物跟蹤、RFID、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

The Study on Information Collection for Container and Goods in Transportation Based on RFID Technology

Xiaoping Xue[1][2], Sidong Zhang[1], Xiang Chen[1]

[1] School of electronics and Information engineering, Beijing Jiaotong University, 100044

[2] Department of Information and Communication engineering, Tongji University, 200093

Abstract: Container transportation is one of the important processes of transportation. Recently, the real time, visible track, management and control of container and it’s goods has been gained more attention by researchers. Traditionally, the management and control of container and it’s goods are based on the video techniques and manual data input. In this method, the information of container gathered by the video is transmitted to the information process center to identify the number of the container; the information of goods is input into the information process center manually and non-real time; the track, management and control of goods are implemented by retrieving database. The problems of this method are lower identification speed, high error rate, and non-real time. In this paper, a solution which uses RFID technology to collect the information of container and goods is proposed; the data of container and goods transportation is analyzed and classified; and based on our classification, an automatic data collection solution by using RFID middleware is provided. Furthermore, the data collision, data redundant and data security of RFID in container transportation are studied, and the solutions for these issues are provided.

Keywords: Container Track, Goods Track, RFID, Data Collection

1.引言

在現(xiàn)代化物流中，為減少生產(chǎn)和倉儲成本，提出了零庫存( Just in Time)的概念[1]。它是由日本豐田汽車公司首先創(chuàng)立并且推行的先進(jìn)生產(chǎn)方式，也叫“豐田生產(chǎn)方式”、“準(zhǔn)時制生產(chǎn)（JIT）”，其核心思想是按照用戶的訂貨要求，以必要的原料、在必要的時間和地點生產(chǎn)出必要的產(chǎn)品。由于零庫存減少了制造過程中的種種浪費(fèi)，提高了效率，同時又使系統(tǒng)增強(qiáng)了對客戶訂貨的應(yīng)變能力，因此被視為當(dāng)今制造業(yè)中最理想且最具有生命力的生產(chǎn)系統(tǒng)之一。

集裝箱運(yùn)輸是貨物運(yùn)輸中的一種重要的方式，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。集裝箱運(yùn)輸作為物流過程的重要一部分，為實現(xiàn)零庫存(Just in Time)的運(yùn)輸方式，就要求能對集裝箱在運(yùn)輸過程中的各種環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤、管理及調(diào)度。目前，國內(nèi)常用的方法主要是通過管理信息系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及人工確認(rèn)運(yùn)輸工具的位置來實現(xiàn)的[4][5][6]。傳統(tǒng)方法的主要問題是： (1)集裝箱箱號識別采用人工確認(rèn)或者視頻圖像識別技術(shù)，由于箱號的污損，不可避免地會造成對箱號的誤判，造成信息的不準(zhǔn)確。(2)部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)人工錄入，因此數(shù)據(jù)延時較長，并且準(zhǔn)確性也難以得到保證。

RFID技術(shù)是一種極具生命力的技術(shù)，它的出現(xiàn)將改變?nèi)斯げ杉瘮?shù)據(jù)的方式，提高工作效率。RFID是一種采用無線射頻方式通信的技術(shù)，可以實現(xiàn)運(yùn)動過程中的快速、高效、安全的信息識讀和存儲，正因為如此，它在很多方面得到了廣泛地應(yīng)用[2][3]。本文針對集裝箱運(yùn)輸?shù)母?、管理和調(diào)度問題，提出了利用RFID進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集的框架結(jié)構(gòu)，并針對應(yīng)用中的關(guān)鍵問題提出解決方案。本文其他部分內(nèi)容安排如下：第二部分針對集裝箱運(yùn)輸過程中所需要采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，并且提出了具體的數(shù)據(jù)采集方案；第三部分研究了所提出方案中的關(guān)鍵問題及解決方案，并對各種方案進(jìn)行了分析和比較。在結(jié)論部分，提出了進(jìn)一步研究的方向和系統(tǒng)實施的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

本文的貢獻(xiàn)在于(1)分析并分類了集裝箱跟蹤、管理和調(diào)度中的信息；(2)針對信息分類提出了數(shù)據(jù)采集的方案；(3)針對實施過程中的關(guān)鍵問題，提出了解決方案。

2.基于RFID的集裝箱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取框架-FDC

目前RFID Tag主要有兩種類型：有源和無源型兩種，無源RFID Tag不需要電池供電，但通常其識讀距離受到限制；有源RFID Tag一般采用電池供電，使用壽命可達(dá)5-10年，并且可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離地識讀，有源RFID Tag 和Reader的結(jié)合可以有效地運(yùn)用在集裝箱跟蹤、管理和調(diào)度中。本文所提出的方案是基于長距離RFID，這種Tag和Reader的研制者主要有美國的Savi。

集裝箱跟蹤、管理和調(diào)度的信息分為兩大類：位置信息(L)以及集裝箱和貨物狀態(tài)信息(S)。位置信息分為大范圍實時位置信息和小范圍位置信息。大范圍位置信息是指集裝箱在運(yùn)輸過程中動態(tài)的位置信息并按時間進(jìn)行表達(dá)，這種信息一般通過GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))或TMIS(鐵路管理信息系統(tǒng))可以得到有效地解決，這一問題不屬于本文的討論范圍，可以參考[7][8]。小范圍位置信息是指在某一個具體的范圍內(nèi)(如集裝箱堆場、貨物集散地等)的集裝箱位置信息，包括出入門時間、集裝箱靜態(tài)位置信息(如集裝箱的堆放區(qū)域、在堆放區(qū)域中的三維位置等等)。   

狀態(tài)信息包括：集裝箱的分類信息、集裝箱內(nèi)的貨物信息、集裝箱裝卸作業(yè)信息、到達(dá)地信息、出發(fā)地信息、到達(dá)時間、集裝箱維護(hù)信息等等。貨物狀態(tài)信息分為兩個部分：固定信息和動態(tài)可變信息。固定信息主要是集裝箱分類信息(如編號、種類、所屬公司等)以及維護(hù)管理信息(如集裝箱生產(chǎn)廠、維護(hù)日期、報廢日期等等)。動態(tài)信息是某次運(yùn)輸過程中的特定信息，如貨物的種類、到達(dá)地、出發(fā)地、到達(dá)時間、某地裝卸貨物信息(本文將這種信息定義為聚合和反聚合信息)等等。

小范圍的動態(tài)位置以及狀態(tài)信息的獲取方法如圖1 所示。在該結(jié)構(gòu)中采用三個基本元件：標(biāo)簽(Tag)、地標(biāo)(Signpost)和識讀器(Reader)，通常識讀器和地標(biāo)的位置是固定的，而標(biāo)簽的位置是隨集裝箱的位置而動態(tài)改變的。

標(biāo)簽和識讀器之間的有效讀取距離可達(dá)100m，識讀器可以在高速運(yùn)動(120km/h)中實現(xiàn)識讀標(biāo)簽。安裝在集裝箱上的標(biāo)簽是一種高頻、有源標(biāo)簽，標(biāo)簽平時工作模式為睡眠模式，只有進(jìn)入讀寫區(qū)域時，才由地標(biāo)觸發(fā)標(biāo)簽將標(biāo)簽中的信息傳送給識讀器；或者由識讀器向標(biāo)簽寫入相應(yīng)的信息。這種方式可以有效地節(jié)省Tag的能量，研究表明[9]：這種類型的Tag可以工作十年之久。

針對小范圍內(nèi)的位置信息，有靜態(tài)位置和動態(tài)位置。動態(tài)位置(如出入門以及在某個區(qū)域內(nèi)移動時的位置)信息的采集比較簡單，當(dāng)集裝箱在移動過程中進(jìn)入某個Reader區(qū)域后，Reader就能感知到附著在集裝箱上Tag，從而可以根據(jù)Reader的位置來確定集裝箱的位置。而靜態(tài)位置中主要是獲取平面坐標(biāo)位置和三維坐標(biāo)位置(為了節(jié)約空間，集裝箱一般都采用堆疊方式擺放)。平面坐標(biāo)位置獲取和三維坐標(biāo)位置獲取可以參考[10]中提出的方案得到解決。

狀態(tài)信息可以通過識讀器寫入到標(biāo)簽中，除聚合和反聚合外的信息可以很方便地寫入到標(biāo)簽中。聚合和反聚合過程由于其本身的過程和采用的技術(shù)不同而有所差異和復(fù)雜。聚合過程是指裝載貨物的過程；反聚合過程中就是貨物從集裝箱中卸載的過程。由于要保證集裝箱標(biāo)簽中的信息、數(shù)據(jù)服務(wù)器中針對某個集箱裝的貨物信息以及集裝箱中實際貨物三者的一致性，就必須要采取一些措施來保證聚合和反聚合過程的一致性。目前主要有兩種技術(shù)可以解決：RFID和條碼技術(shù)。而一般采用的都是RFID和條碼技術(shù)相結(jié)合的方法。

聚合過程如圖2所示，利用條碼技術(shù)對物品進(jìn)行包裝，然后，將包裝箱上加上Tag或條碼，再將加上Tag或條碼的包裝箱放入到集裝箱，并在集裝箱上加上有源Tag。在聚合過程中，利用條碼和RFID Tag混用的方式。無論是聚合過程還是反聚合過程中，都必須要對聚合貨物進(jìn)行正確性(一致性)驗證，以防止貨物裝卸錯誤。一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，可以通過告警系統(tǒng)向操作人員進(jìn)行告警。在具體實施時，可以通過條碼識讀器和RFID識讀器將每個貨物裝載的信息通過有線或無線的方式送至Data Server，再由Data Server比較裝入的貨物信息和集裝箱的基礎(chǔ)信息(如到達(dá)站、出發(fā)站、到達(dá)時間等)，通過比較，確認(rèn)無誤后，再向標(biāo)簽寫入本次操作的數(shù)據(jù)。為了確保信息的正確性，Data Server也可以向操作員的手持設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信息，在得到操作人員的確認(rèn)后再向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)。

聚合和反聚合操作對于拼箱操作是十分重要的，拼箱是將多個客戶貨物拼裝在一個箱內(nèi)，很容易將一箱中的貨物錯裝至另一箱，導(dǎo)致貨物丟失或錯誤提交的情況。利用聚合和反聚合操作可以有效地解決這一問題。

因此，基于上述考慮，前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(也稱前端區(qū)域數(shù)據(jù)中心)，采用中間件實現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要完成數(shù)據(jù)的采集、過濾、區(qū)域數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)有管理信息系統(tǒng)之間的通信、區(qū)域數(shù)據(jù)中心與RFID Reader之間的通信、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、以及信息安全等主要功能，并可以兼容多種RFID Reader以及條碼閱讀器。通過這個中心可以向裝箱運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)提供有關(guān)集裝箱及其貨物等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是專門用來對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的，以保證與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性。前端區(qū)域數(shù)據(jù)中心還可以兼容各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)格式，針對不同種類的數(shù)據(jù)設(shè)備，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。RFID的區(qū)域數(shù)據(jù)中心采用中間件的方法實現(xiàn)，可以容易地結(jié)合到現(xiàn)有集裝箱運(yùn)輸管理系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要可靠、準(zhǔn)確、安全的提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.FDC實施中的關(guān)鍵問題及解決方案

基于RFID的FDC中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性主要受以下三個因素的影響：數(shù)據(jù)碰撞[11]、數(shù)據(jù)冗余以及數(shù)據(jù)安全[12]等。

本系統(tǒng)主要從兩個方面來解決問題：(1)通過RFID的硬件設(shè)備來解決數(shù)據(jù)碰撞和數(shù)據(jù)安全問題；(2)通過中間件來解決數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}。

數(shù)據(jù)碰撞是指在識讀器識別區(qū)域內(nèi)有多個射頻信號同時到達(dá)，它將同時響應(yīng)識讀器的命令而向識讀器發(fā)送信號，引起信道爭用的問題，信號相互干擾，導(dǎo)致識讀器不能正確識別電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，即發(fā)生了碰撞(Collision)。

數(shù)據(jù)碰撞主要有兩種類型：標(biāo)簽(Tag)沖突和識讀器(Reader)沖突[13]。

針對標(biāo)簽沖突，現(xiàn)有的解決方案主要采取時域法，通常有兩大類：確定性算法和不確定性算法[14]。在不確定性算法中，標(biāo)簽隨機(jī)產(chǎn)生應(yīng)答時間。很多不確定性算法都是基于Aloha算法[13]的。確定性算法是讀寫器通過搜索標(biāo)簽的唯一的ID來選擇不同標(biāo)簽來應(yīng)答。二進(jìn)制樹搜索法[15]是最簡單的確定性算法。

針對識讀器碰撞，Colorwave協(xié)議[16]利用識讀器和標(biāo)簽通信局部化的特點來提供一個實時、分布式、局部的MAC協(xié)議為識讀器分配通信頻率和時隙以減少識讀器間的干擾，這種方法能大大提高系統(tǒng)的通信負(fù)載。

數(shù)據(jù)安全就是防止其他系統(tǒng)的讀取設(shè)備讀取或改動集裝箱上RFID Tag中的信息。為了防止數(shù)據(jù)的泄露，人們提出了很多辦法：如物理隔離[18]、停止標(biāo)簽服務(wù)[12]、讀取訪問控制[12][19]以及雙標(biāo)簽聯(lián)合驗證(yoking-proof)法[20]。這些方法都是基于硬件實現(xiàn)的。

在具體實現(xiàn)過程中，采用如圖3所示的中間件來實現(xiàn)集裝箱及其貨物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，RFID 硬件可以有效的解決數(shù)據(jù)碰撞和安全問題，因此，在中間件中主要解決：(1)中間件本身的安全以及與現(xiàn)有系統(tǒng)交互過程的數(shù)據(jù)安全問題；(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠問題，包括數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)差錯等。

數(shù)據(jù)冗余問題是由于某一標(biāo)簽(集裝箱)在沒有任何改變的情況多次通過閱讀區(qū)域或者長時間停留在閱讀區(qū)域，造成識讀器多次獲取重復(fù)數(shù)據(jù)。

采用兩種機(jī)制的結(jié)合方法：即數(shù)據(jù)過濾和控制讀取。數(shù)據(jù)過濾就是對同一時間段內(nèi)的同一個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾操作，過濾處理操作在本地中間件中實現(xiàn)。數(shù)據(jù)過慮技術(shù)并沒有減少對RFID Tag的識讀次數(shù)，RFID Tag會因為多次識讀而消耗能量，降低RFID Tag的使用壽命。為了有效地節(jié)約RFID Tag中的能源，當(dāng)Tag進(jìn)入閱讀區(qū)域時，由于采用了地標(biāo)技術(shù)，本地數(shù)據(jù)中心可以控制地標(biāo)在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)送讀取觸發(fā)信號(如十分鐘發(fā)一次)。這樣可以有效地節(jié)約Tag的能量，提高Tag的使用壽命。

數(shù)據(jù)錯誤是指基礎(chǔ)數(shù)據(jù)讀取過程中獲得了錯誤的數(shù)據(jù)(如不應(yīng)該讀取時，讀取了數(shù)據(jù)，聚合和反聚合過程中的數(shù)據(jù)不一致等等)。中間件采用邏輯檢查方法來有效地解決這個問題，在中間件中實現(xiàn)了邏輯檢查規(guī)則，通過這些規(guī)則可以有效地排除錯誤數(shù)據(jù)。

中間件的數(shù)據(jù)安全主要是提供中間件內(nèi)部的數(shù)據(jù)安全以及與現(xiàn)有系統(tǒng)之間交互過程中的數(shù)據(jù)安全，中間件采用了用戶接入認(rèn)證、數(shù)據(jù)傳輸認(rèn)證，并采用安全的數(shù)據(jù)通道傳送數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)交互過程的安全性。

4.結(jié)論

本文針對集裝箱運(yùn)輸過程中的跟蹤和管理問題，提出了采用遠(yuǎn)距離、快速RFID技術(shù)實現(xiàn)小范圍內(nèi)數(shù)據(jù)快速獲取和定位的框架結(jié)構(gòu)，并針對系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵問題提出了相應(yīng)的解決措施，提出了利用中間件作為數(shù)據(jù)采集的基本模型，通過中間件可以很好地與其他系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、自動采集，可以實現(xiàn)對集裝箱運(yùn)輸過程中集裝箱及集裝箱中貨物的可視化管理，提高工作效率，減少差錯率。