集装箱电子标签系统的研究和应用

摘要：为了提高集装箱运输的管理水平，研究开发了具有世界领先技术水平的集装箱电子标签系统，并率先在内贸集装箱运输中应用示范，取得了阶段性成果。本文着重介绍内贸集装箱电子标签自动识别应用系统的体系结构、主要技术内容、特点和示范线整体方案。
关键词：集装箱电子标签；应用系统；示范线在现代的集装箱码头，管理水平和信息化水平的高低已经成为制约集装箱运输的关键。在集装箱运输中，货物的信息目前还是依赖于传统的货单。集装箱的流向、流转和识别还比较落后，集装箱的识别基本上还处于人工、半人工状态。近几年来，在研究集装箱的识别中，采用了条形码和数码摄像软件识别等技术，但是，由于其识别距离近，可靠性差，集装箱本身又不带信息，条形码和数码摄像存储的信息量极小，给集装箱的运输信息识别和记载带来不便，更不能跟踪记载集装箱运输中的物流信息和电子信息流信息，无法得到广泛的应用和推广。
为了提高集装箱运输的管理水平和信息化水平，我司研究开发了工作频段为全球通行的ISM2.4GHz，具有世界领先技术水平的集装箱电子标签系统，并率先在我国的内贸集装箱运输中应用示范
1、集装箱电子标签的发展状况
电子标签（RFID，即射频识别技术），被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。目前在国外集装箱电子标签的应用还未见到成功的先例，AMTECH曾在集装箱上尝试使用无源电子标签，但在技术方面达不到要求，进行了第一步试验就失败了。SAVI公司在美国国防部的军品集装箱运输中采用有源电子标签获得了较好的试作效果，但由于其产品和系统昂贵的价格以及行业性限制，使其仅能局限在美国军队中应用，在民用集装箱物流中并得到应用。说明我们目前掌握了RFID及其延伸技术，在世界上处于领先地位。
集装箱电子标签有着非常典型的行业特征。首先，集装箱电子标签系统的作业环境是整个电子标签应用领域中最为复杂、技术难度最大的，提出的各项技术指标、工艺性指标、功能性需求都远不同于其他领域；其二，集装箱电子标签的应用是在一个巨大的物流网络环境下，该网络涉及到国际间多个国家、多个地区、多个部门的参与和合作，牵涉到众多部门和单位，如何推动应用是非常关键的；其三，集装箱电子标签的全面应用必将对物流行业产生巨大的影响，同时将极大地推动生产和工作效率，确保货物运输质量。
上海港的内贸集装箱电子标签应用示范开国内集装箱电子标签应用的先河。其使用的所有技术和产品都具有国内完全自主的知识产权，目前已经取得了试验的阶段性成果。
我们还开发了电子封条，并首创了一种用于集装箱电子标签和电子封条的连接方法，功能上可以记录开关门次数，并能无缝接人集装箱电子标签中，已经达到和超过国际先进水平。
2、内贸集装箱电子标签自动识别应用系统
2.1总体思路
2.1.1系统的体系结构
内贸集装箱电子标签自动识别应用系统建设为3级体系结构，自下而上分为如下3个子系统。
1）港口集装箱电子标签公共识别系统集装箱电子标签装置采用射频识别技术，为非接触方式；可同时识别和读写多个静止标签和移动中的标签，储存信息量大，使用寿命长，保密性好，电子标签安装在集装箱箱体表面。
基站式读写器和天线安装在集装箱卡车的运行通道上，无线式读写器安装在集装箱吊运设备上，读写器可以向电子标签读或写集装箱运输中的信息，并通过数据接口用有线和无线传输方式与集装箱管理系统进行数据交换，达到集装箱的自动识别和实时管理。
内贸集装箱电子标签自动识别系统主要用于集装箱港区的进出道口，堆场轮胎式龙门吊、岸边门机或桥吊等设备，管理人员手持读写等场合。在目前港区集装箱装卸工艺条件下，内贸集装箱电子标签设备具备的主要功能和特性如下：①集装箱通过港区道口（车速在5km/h），不受雨、雪、雾、酷热、严寒、噪声、机械、震动、冲击和大范围金属干扰等恶劣环境的影响；②试验工作频段为2.45GHz的有源电子标签；③试验各种电子标签设备的技术参数（作用距离、防冲突性能、传输速度、工作温度、工作湿度、抗冲击性、防雷、防电磁干扰特性等）；④试验基站式、无线式、堆场哨兵技术和手持式电子标签读写器的集装箱实际应用。电子标签系统包括集装箱电子标签、集装箱电子标签哨兵、基站式读写器、无线式读写器、无线式桥接器、手持式PDA读写器和电子封条等。
2）电子标签自动识别系统的港区无线传输通信系统集装箱电子标签自动识别系统应用于港区无线通信系统，将布置在码头进出道口、堆场龙门吊、岸边门机或桥吊等设备上的识别设备读到的电子标签信息，无缝接人到后端集装箱信息实时交换系统中。
其关键技术是，研究无线局域网的大型开放空间覆盖模式。在大型开放空间中要求无线信号覆盖的范围更大，采用无线局域网专用功率放大器及天线等辅助设施，通过与AP相配合来扩大无线网络覆盖面积，满足大型开放空间网络覆盖的需求；研究移动中的设备读或写的电子标签信息无缝接入到集装箱信息实时交换系统的技术，并在一定的范围内实现网络漫游、资源共享；研究满足港口地理环境的限制及应用的实际要求、安装部署的需求及实施成本等条件的无线传输通信技术。
3）集成电子标签的内贾集装箱智能管理系统它是为上海港龙吴港务公司量身定做的集EDI单证电子流转，进出口自动箱区预分配，可视化配载，堆场图形化属性设置、管理，龙门吊、桥吊实时确认最终场箱位，所有港务机械中央监控等与电子标签无缝衔接的集装箱实时操作平台软件。
该系统集成了目前国内外贸、内贸港口集装箱酥管理软件的优点，具有规范性、通用性和可操作性，并且与电子标签实现了无缝连接，同时兼容了龙吴港近8年的原有集装箱操作历史数据。它的完成、实施与推广，为加快中国内贸港口管理信息系统的建设，使港口的数据互通，最终达到港、航、货及上级主管部门信息共享，打下了坚实的基础。
该软件除了包含普通集装箱操作平台的基本功能模块（如“进出道口”“进品卸船”“出口装船”“堆场管理”“集箱管理”“记费小结”“摘要查询”“统计报表”等）外，还包括一些特色功能，如系统无缝集成电子标签（RFID）、参数规范自定义或导入、EDI接受/转换/自动箱区预分配、船舶倍拉统一/分离设计、堆场属性和规范图形分配、龙门吊/桥吊箱位实时确认、可视化配载、港口机械中央监控、装/卸船作业线分配、龙门吊／桥吊／内集卡终端操作平台等。
主要关键技术包括B／S架构的实时控制、堆场／船图的图形化表示、堆场分配算法。同时，该系统支持电子标签实时读写存储，便于电子流全线跟踪物流。而且能够为将来针对不同客户的个性化服务（web应用、短信应用等），提供开放、统一的平台。
2．1．2建立内贸集装箱电子标签示范系统
内贸集装箱电子标签示范线“两港一航”整体方案。
这是在2个港口和1条航线上完成的国内首个集装箱电子标签全业务示范线工业性试验。它基于集装箱电子标签实时信息交换功能，包括货物信息的写入，港区进出道口、进出堆场、清点、装卸船、航运和集装箱物流信息查询等流程。
通过“两港一航”工业性试验，建立基于电子标签的内贸集装箱港口间管理系统，建设全国港口间内贸集装箱网络示范线，对港口集装箱运输全过程实行数字化管理，为客户提供实时查询的优质服务。
其关键技术是，设计建设内贸港口的示范系统，包括集装箱电子标签自动识别系统、港区无线通信系统和集装箱信息实时交换系统3大部分。每个港口在港区进出道口、堆场龙门吊、岸边门机或桥吊等设备上安装电子标签读写设备，同时配备手持读写设备，以及装卸机械驾驶室中的显示设备等；在这个“港口一航线一港口”的实际应用环境上进行基于电子标签的集装箱运输和信息交换的工业性试验。
2．1．3研究采用电子标签自动识别系统后的港口信息安全管理技术
建设满足港口集装箱电子标签示范系统需求的多级安全性机制，建立安全认证系统和日志分析系统。
其关键技术如下：①研究保证电子标签读写器和电子标签之间空中接口的信息传输安全技术，实现信息的加密存储和传输，对电子标签实施写操作时的授权写人验证；②研究电子标签读写器和主机间的信息通信加密技术；③研究无线通信系统间的信息传输安全性保障技术；④研究集装箱信息实时交换系统中的安全支撑系统。
2．1．4研究建立内贸集装箱电子标签相关技术的标准草案
提出一种新的适用于我国集装箱的电子标签结构体系，作为港口集装箱自动识别的标准。目标是在港口之间建立一条迁移的通路，帮助人们从现有的无集装箱电子标签方式过渡到采用新型的电子标签方式。电子标签结构体系采用全球贸易编码（GTIN）的基本构架。
在电子标签系统设计中，采用先进、成熟、实用的技术。采用的硬件设备和软件系统符合标准化、开放性的要求，具有可扩展性和灵活性。电子标签系统的设计除按照本标准外，还要符合国家和地方现行的各项有关设计规范和规程。电子标签设备中所采用的协议、总线、接口等，均应采用相应的业界标准，并与国际接轨。
2．2技术内容与关键技术
2．2．1电子标签编码和授权
l）电子标签存储信息内容电子标签存储信息内容分2部分5个区域：第1部分分为4个区域存储4类信息：①固定信息（A区）包括序列号、箱号、持箱人、箱型、尺寸；②货品信息（B区）包括运单号、铅封号、起运港、目的港、货物名称、箱重量、件数、货物特殊要求；③其他信息（C区）包括起运港记录、中转港记录、中转港集装箱场地吊运记录、目的港记录、目的港集装箱场地吊运记录、机械ID号和残损记录；④电子封条信息（D区）包括开箱日期、开箱时间（时、分、秒）和累计开箱次数。第2部分存储货代信息（E区），记录货物托运委托书的相关内容。
2）各环节读写电子标签授权根据集装箱运输的特点，对每个环节读写电子标签都给予一定的权限设置，包括货代、起运港（进场）、残损记录和电子封条自动写人等信息。
2．2．2集装箱电子标签主要技术内容和特点
射频识别技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线，识别距离比光学系统远，射频识别卡可具有读写能力，可携带大量数据，难以伪造，且有智能。它适用于集装箱跟踪、运载工具识别等要求非接触数据采集和交换的场合，由于RFID标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。
1）集装箱电子标签 集装箱电子标签是一种具有微波双向通讯功能的自动标识设备，作为被附着集装箱的信息载体和安全认证的设备。其技术特点如下：①采用独特的双频段工作方式，正常读写工作在ISM2．4GHz频段，区域激活工作在125kHz频段；②采用有源电子标签，具有32k数据存储容量，具备可读可写功能；③采用125kHz无源标签电磁波供电激活的工作模式；④内部采用125个信道，1MbPs的通讯速率，以满足集装箱电子标签的大容量信息实时交换需要；⑤独特的超低功耗技术，使用寿命可达10年；⑥高性能16位微处理器，支持在线编程，无线程序下载；⑦采用基于HDLC协议的时分多址和同步通信机制；⑧高安全性数据传输机制，支持双向认证及加／解密；⑨固态封装，可靠防拆卸功能，满足工业环境要求。
其核心的创新技术是：①基于超低功耗状态的有源电子标签通信工作模式；②基于随机延迟机制的防碰撞算法；③基于Hash函数的局域地址访问和多项式加密的电子标签通信安全机制；④基于低频125kHz无源标签工作原理的区域激活机制；⑤以事件驱动为中心的标签嵌入式实时任务系统，任务系统对事件进行处理，以完成特定的功能或对系统故障进行处理，以使系统恢复正常工作。
2）集装箱电子标签基站式读写器在进出道口等固定位置，以无线通讯的方式，与集装箱电子标签进行数据交换，采集和更新标签中的信息，并通过RS232／485等方式与计算机通讯。
基站式读写器的技术特点如下：①工作在ISM2.4GHz频段；②加密计算与认证，确保数据安全，防止链路窃听与数据破解；③使用频道隔离技术，多个设备互不干扰；④先进的防碰撞技术，支持多标识读写；⑤可配置微波模块工作方式，且发射功率软件可调；⑥抗干扰和防雷设计；⑦支持RS232／485有线方式与上位雄通讯；⑧满足工业环境要求。
其核心的创新技术是：①基于频道隔离和分割技术的多读写器抗干扰技术，支持多读写器在同一区域协同工作；②基于跳频技术的高效防碰撞算法，能同时读取数百个标签；③采用非对称加密技术，实现了标签与读写器在安全性和功耗、计算性能之间的平衡；④读写器命令根据通信数据的大小而采用无线变长帧结构；⑤功率可配置工作模式实现多级识别距离的软件平滑控制。
3）集装箱电子标签无线式读写器无线式读写器安装在如龙门吊、桥吊、门机、正面吊等移动设备上，以无线通讯的方式，与集装箱电子标签进行数据交换，采集和更新标签中的信息，并通过集装箱电子标签无线桥接器以无线方式与计算机通讯
无线式读写器的技术特点如下：①~⑥与基站式读写器相同；⑦支持无线方式与上位机通讯；⑧支持哨兵模式下的局域空间无线访问。
其核心的创新技术是：①~④与基站式读写器相同；⑤基于哨兵工作模式下，在局域空间对标签实现唯一性无线访问。
4）集装箱电子标签无线桥接器无线桥接器是替代标签读写器通讯电缆的一种无线通讯设备6。其特点是：①无线桥接器和无线读写器成对使用，对两端连接的设备而言是透明的；②数据通讯速率达到1Mbps：③RS232／485接口；④数据加密，防止受到安全攻击；⑤抗干扰和防雷设计。
5）集装箱电子标签哨兵集装箱电子标签哨兵是用来在堆场、桥吊、龙门吊、门机、叉车等场合配合无线读写器完成对集装箱电子标签的唯一性自动识别，见图7。其特点是：①采用低频125kHz工作频段；②通过电磁波供电激活集装箱电子标签中的125KHz低频电路工作；③支持非工作状态的休眠模式和快速唤醒启动的模式切换；④支持工作状态的自动侦测和自动模式切换；⑤先进的防碰撞技术，支持多标签读写；⑥独特的整体低功耗设计；⑦场强可测量，且发射功率软件可调；⑧抗干扰和防雷设计。
6）集装箱电子标签手持式PDA读写像手持式PDA读写器用于在货代源头信息写人、港口码头点货、航运中等场合完成对集装箱电子标签的识读和信息交换，见图8。其特点是：①一④与基站式读写器创新技术相同；⑤业界首个基于PDACF接口的远距离电子标签手持读写器；⑥支持PALM和WINCE3.0、4．2、5.0MOBILE主流嵌入式操作系统，提供完整的二次开发SDK，可快速开发应用；⑦功率可配置工作模式实现多级识别距离的软件平滑控制；⑧体积小、携带方便、通用性强、功能强大。
7）集装箱电子封条集装箱电子封条，它具有如下特点：①2．45GHz和125kHz双频段工作；②集成门传感器和光传感器，完成集装箱的入侵监测，满足反恐和防盗要求等；③满足安全性要求；④监视集装箱运输的状态；⑤具备带时间戳的事件记录和存储；⑥采用模块化设计，可扩展辐射、化学检测传感器等；⑦使用温度为－40~＋80℃，湿度为95％；⑧固态封装，抗高强度跌落与振动，满足工业环境要求。