隨著我國經(jīng)濟建設加快，國內(nèi)、國際貿(mào)易量逐年遞增，集裝箱碼頭貨物吞吐量也在不斷增加，如何提高集裝箱作業(yè)過程的效率、加快集裝箱在碼頭的流轉(zhuǎn)速度，是目前各集裝箱碼頭所面臨的問題。
目前，集裝箱碼頭在對集裝箱進行作業(yè)的過程中，對集裝箱的管理特別是箱號的采集過程還是停留在人眼觀察、手工抄錄箱號的模式中，工作效率低下、出錯率高。一個集裝箱由閘口進入碼頭到最終裝船運走的過程中，需經(jīng)過閘口、卸箱到堆場、堆場存放、翻箱、場內(nèi)運輸?shù)桨哆呇b船等流程。在這些流程中，每一個環(huán)節(jié)都要采集箱號，目前的手工管理方式已無法滿足港口碼頭集裝箱吞吐量不斷增加的需求。
另一方面，進出港區(qū)的集卡車輛來自社會上的各個運輸企業(yè)，合理、有效地管理好這些車輛，保證集裝箱貨物的安全，提高車輛出入港區(qū)閘口的通行速度，也是港口迫切需要解決的問題。
關于集裝箱電子標簽的研究，目前，國內(nèi)外開展的工作很多。
南京三寶科技集團有限公司近年來，一直從事RFID技術在海關物流監(jiān)控管理、港口集裝箱管理及物流公共信息平臺的研究，以此帶動RFID技術、產(chǎn)品的研究與開發(fā)。本文以重慶寸灘集裝箱碼頭為例，著重探討RFID技術應用于集裝箱碼頭業(yè)務管理的技術解決方案，主要涉及集裝箱和車輛的信息采集與管理。
重慶寸灘集裝箱碼頭是一個全新的碼頭，到目前為止一期工程已經(jīng)全部完成，包括兩個泊位2臺岸橋吊機、六個堆場6臺場橋吊機，一臺堆高機、一臺正面吊、一個3進3出的閘口，每天有上千個集裝箱進出港口，目前正在著手二期工程的建設。
重慶港領導非常重視新技術的應用，針對當前集裝箱業(yè)務管理的現(xiàn)狀，決定在集裝箱業(yè)務管理中應用RFID技術，還專門成立項目工作小組，協(xié)調(diào)各方工作，為RFID技術應用項目的實施提供保障。
根據(jù)業(yè)務管理需求，本系統(tǒng)涉及整個港區(qū)的各個集裝箱作業(yè)點，包括閘口、堆場、岸橋、堆高機、正面吊等，包含了港區(qū)集裝箱作業(yè)的整個流程，是一個完整的解決方案。
RFID在港口應用系統(tǒng)方案
1.RFID設備分布
整個系統(tǒng)的RFID設備部署在港區(qū)的各作業(yè)點，分別為閘口、堆場橋吊（簡稱場橋）、岸邊橋吊（簡稱岸橋）、堆高機、正面吊五個集裝箱作業(yè)環(huán)節(jié)。圖1是現(xiàn)場各作業(yè)區(qū)地理分布圖，各作業(yè)點業(yè)務職能如下：
圖１
●閘口——集卡車輛、集裝箱進出港區(qū)的關口。
●堆場——集裝箱從外面運入港區(qū)，裝船前的暫存地，或集裝箱從船上卸下后到貨主提走前的暫存地。堆場內(nèi)的場橋負責將集裝箱從運輸?shù)募ㄜ嚿闲断禄蜓b運上集卡車。
●堆高機——負責將空箱從堆場裝載到集卡車上或者從集卡車上卸到堆場。
●正面吊——負責拼箱倉庫等場所的集裝箱作業(yè)的大型裝卸機械。
●岸邊橋吊——負責將集裝箱從船上卸下裝上集卡車運往堆場，或?qū)⒍褕鰷蕚溥\走的集裝箱從集卡車上卸下裝船運走。
2.系統(tǒng)組成
整個重慶寸灘港口RFID系統(tǒng)組成如圖2。
圖２
各作業(yè)點RFID設備采集數(shù)據(jù)如下：
●閘口——采集通過閘口的集裝箱電子標簽、集卡車電子車牌標簽，通過有線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒉杉掌鳌?br />
●堆場橋吊——采集堆場內(nèi)所吊裝的集裝箱上的電子標簽信息。
●岸邊橋吊——采集岸邊上下船所吊裝的集裝箱上的電子標簽信息。
●堆高機——采集堆高機所吊裝作業(yè)的集裝箱上的電子標簽信息。
●正面吊——采集正面吊設備吊裝作業(yè)的集裝箱上的電子標簽信息。
系統(tǒng)采集軟件工作界面如圖3。
圖３
各信息采集點采集到的標簽數(shù)據(jù)存放到信息采集服務器中后，可提供給港口業(yè)務管理平臺系統(tǒng)，進行相應業(yè)務處理。同時，又可以通過Internet網(wǎng)絡傳輸?shù)郊b箱公共信息平臺中。
設備選型及安裝
電子標簽選型
由于超高頻RFID技術具有可定向性、工作距離較遠（可超過10m）、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用在物流供應、車輛管理及物品管理等領域中。
用于集裝箱自動識別的電子標簽，一般稱“集裝箱電子標簽”，或“電子箱號”標簽，根據(jù)集裝箱的壽命和工作環(huán)境要求，采用超高頻無源RFID技術制造。集卡車上用于車輛自動識別的電子標簽，一般稱“電子車牌”，根據(jù)其工作的環(huán)境和使用要求，采用超高頻無源RFID和陶瓷封裝等技術制造。
這兩種標簽都采用符合ISO 18000-6B標準的芯片，這樣，讀寫器設備可共用，以減少成本，降低復雜性。由于工作環(huán)境不同，集裝箱電子標簽放置在集裝箱表面上，其標簽工作時信號反射介質(zhì)是金屬，通常又稱之為“金屬標簽”，如圖4所示。
圖４
而作為電子車牌的車輛電子標簽，放置在車輛前擋風玻璃上，其信號反射介質(zhì)是玻璃，該種標簽所使用的是陶瓷材料，如圖5，通常又稱之為“陶瓷標簽”。
圖５
電子標簽安裝位置
1.集裝箱電子箱號標簽的安裝位置
電子箱號標簽在集裝箱上安裝的位置非常重要，既要考慮不同大型集裝箱起重機械對集裝箱進行作業(yè)時，集裝箱上的標簽不被其它箱或吊具撞壞，又要考慮讀寫器天線的讀取范圍。
考慮集裝箱碼頭作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，兼顧各作業(yè)點（閘口、堆場、岸橋、堆高機等）采集RFID標簽數(shù)據(jù)的可靠性，及RFID技術的特點，將集裝箱標簽安裝在箱門的門楣中間位置，如圖6所示：
2.集卡車電子車牌標簽的安裝位置
集卡車電子車牌標簽采用陶瓷介質(zhì)標簽，為了實現(xiàn)車輛與電子車牌標簽對應，電子車牌使用硅橡膠貼從駕駛室內(nèi)貼在前擋風玻璃的后視鏡下方，不影響司機視線的區(qū)域，如圖7所示。
讀寫器設備安裝問題
對于閘口的設備安裝，由于設備是靜態(tài)的，讀寫器的安裝只需要考慮天線的位置和方向，以及讀寫器與天線之間的距離。
其它地點（如場橋、岸橋、堆高機、正面吊）的大型集裝箱裝卸機械工作時都是運動的，一方面必須考慮設備安裝上去后，不能被撞壞，即防碰撞；另一方面，讀寫器及相應的設備安裝后，在進行集裝箱作業(yè)時，需考慮設備的抗震性；再次，現(xiàn)場作業(yè)時電源不穩(wěn)定，必須考慮現(xiàn)場電源對讀寫器設備工作時的影響。
閘口RFID設備的安裝：閘口相鄰通道之間是一個隔離島，大約2m寬，為防止鄰道干擾，本系統(tǒng)采用天線頂裝的方案。為了確保車輛通過閘口通道時，能同時采集到集卡車電子車牌標簽及單箱、雙箱電子箱號標簽的信息，前后設置兩個頂裝天線，兩個天線間隔14m左右，使集卡車停止在地磅上時，正好離前后箱門水平方向約1m左右,如圖8所示，安裝后的實際效果如圖9所示。
圖８
場橋、岸橋上RFID設備的安裝：場橋和岸橋等大型集裝箱起重機工作時，吊具放置在集裝箱頂面，再起吊，工作完成后吊具離開集裝箱頂面，同時，吊具在工作時會根據(jù)箱大小（20英尺、40英尺），進行伸縮調(diào)整，讀寫器天線安裝在吊具的兩端大梁的下方，方向朝下，如圖10所示。
吊具在起吊箱子時，考慮到集裝箱門方向是不固定的，本方案分別在吊具兩頭設置了2個天線，確保能采集到集裝箱上的標簽信息。
讀寫器安裝在吊具中間位置，便于從吊具中間電源接線箱取電。如圖11所示。
圖１１
正面吊上RFID設備的安裝：對于正面吊，由于吊具兩端大梁底面與集裝箱頂面間距只有1.5cm，讀寫器天線無法安裝吊具底面，只能安裝在吊具兩端大梁的側(cè)面，如圖12所示。
同樣，本方案分別在吊具兩頭設置了2個天線，確保能采集到集裝箱上的標簽信息。
讀寫器安裝在吊具中間位置，便于從吊具中間電源接線箱取電，天線的饋線則從吊具底部繞線盤內(nèi)與控制線一起穿到兩頭，這樣饋線會跟隨著吊具伸縮，而不會被拉斷，如圖13所示。
圖１３
堆高機上RFID設備的安裝：堆高機作業(yè)時，通過兩頭抓臂的卡銷，卡入集裝箱頂部一側(cè)的兩個孔中，起吊空箱，讀寫器天線安裝在兩頭抓臂上，面向集裝箱頂，稍微向下傾斜，如圖14所示。
橋吊、正面吊相同，堆高機上設置了雙天線，確保工作時箱門任意方向都能采集到集裝箱標簽，考慮到堆高機作業(yè)時震動和沖擊很大，讀寫器則安裝在兩頭抓臂的水平橫梁上，并采用防震措施，饋線通過兩邊的繞線盤后與天線相連接，如圖15所示。
圖１５
實施過程中的問題
采集數(shù)據(jù)的傳輸問題
閘口設備安裝位置處有局域網(wǎng)相聯(lián)，讀寫器可以通過有線方式連接到采集的計算機，采集的數(shù)據(jù)可以直接通過網(wǎng)絡進行傳輸。
其它地點（如場橋、岸橋、堆高機、正面吊）上的讀寫器因處于運動狀態(tài)，只能采用無線方式進行信息傳輸。
集裝箱碼頭作業(yè)范圍很大，大約1平方公里，無線網(wǎng)絡已經(jīng)覆蓋了整個碼頭作業(yè)區(qū)域，場橋、岸橋駕駛室均有無線網(wǎng)絡接入設備。當?shù)蹙哌M行作業(yè)時，因受周圍集裝箱影響，吊具上的讀寫器不能與碼頭無線網(wǎng)絡穩(wěn)定地進行通信，為了保證讀寫器采集的數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定可靠地進行傳輸，在駕駛室內(nèi)設置一臺無線網(wǎng)橋設備，與駕駛室下方吊具上的讀寫器無阻擋地進行無線通信。整個系統(tǒng)的架構圖如圖16所示。
圖１６
鄰道干擾問題
通常，堆場及集裝箱運輸船上的集裝箱都是按一定順序一層層堆放的，各箱之間間距很小，在船上箱間距離不超過10cm，在堆場上，箱間距離也不會超過30cm。集裝箱在堆放時經(jīng)常出現(xiàn)箱門對箱門堆放的現(xiàn)象。
當進行集裝箱吊裝作業(yè)時，吊具從上而下接近所要作業(yè)的集裝箱，再將集裝箱吊起裝運到指定的位置（集卡車、船上或堆場其它位置），在一次吊運作業(yè)中，除采集到所要作業(yè)的集裝箱的電子箱號標簽數(shù)據(jù)外，還會讀到周圍許多集裝箱上標簽，見圖17，這給識別所吊運集裝箱的RFID標簽帶來了難度，這就是鄰道干擾問題。
圖１７
防止鄰道干擾通常使用硬件解決方案和軟件解決方案，本系統(tǒng)中將這兩種方法結合起來使用。
1.硬件方案
通常情況下，如門禁系統(tǒng)中車輛進出管理，使用增益大的天線及增大讀寫器輸出功率，來保證讀取距離及讀取成功率，但在集裝箱作業(yè)過程中，增益大天線反而會帶來鄰道干擾。
在集裝箱吊裝作業(yè)時，當?shù)蹙咦ト〖b箱時，安裝在吊具兩端的讀寫器天線距集裝箱頂面距離小于10cm，為了防止讀寫器天線在作業(yè)時不被集裝箱撞壞，讀寫器天線安裝在吊具兩頭下面內(nèi)側(cè)距離外邊緣3??5cm的位置，因此，通過減小天線增益、降低讀寫器輸出功率來縮小天線覆蓋范圍，盡可能減少相鄰集裝箱標簽對目標集裝箱標簽的影響。
2.軟件排除法
本系統(tǒng)中，硬件方法不能完全消除鄰道干擾，需通過軟件來進一步排除相鄰標簽的影響，確定目標標簽。由于作業(yè)現(xiàn)場的限制，操作工人不操作計算機，因此，對集裝箱電子箱號標簽的采集工作由計算機軟件自動進行，下面以一次翻箱作業(yè)加以說明，貼有標簽3的集裝箱為要移動的目標集裝箱。一次完整的作業(yè)過程記錄數(shù)據(jù)如表1。
由表1中可以看出，在一個翻箱作業(yè)過程中，一共讀到8個集裝箱標簽，其中一個時間段內(nèi)，讀到目標標簽（標簽3）的成功次數(shù)是最多的，并且持續(xù)時間較長，從吊具接近所要吊裝的箱子表面一直到吊起后放到新的箱位后離開為止，這段時間內(nèi)讀到的所要集裝箱標簽成功次數(shù)相對穩(wěn)定，而其它標簽讀取成功數(shù)很少，作業(yè)時間與讀取成功數(shù)變化如圖18所示。
圖18中粗線表示的曲線即是所作業(yè)集裝箱電子標簽讀取成功數(shù)的變化示意圖，由上表及圖中可以看出，使用軟件排除法消除相鄰集裝箱電子標簽干擾，一方面可以用讀取電子標簽成功數(shù)的方法，利用各作業(yè)時間內(nèi)，連續(xù)讀取集裝箱電子標簽成功數(shù)最多，排除其它電子標簽；另一方面，還可以在每個作業(yè)時間段內(nèi)，確定是否存在連續(xù)讀取一個標簽的情況存在，如果在一個完整作業(yè)時間周期內(nèi)，存在多個連續(xù)時間段內(nèi)只讀到一個集裝箱電子標簽數(shù)據(jù)的情況，則可以確定該電子標簽就是所要作業(yè)集裝箱上的標簽。以上這種解決方法稱為“分段比對排除法”。
“分段比對排除法”排除鄰箱標簽干擾的原理是，將一個工作過程劃分成多個相同間隔的時間段，比對每一個時間段內(nèi)讀取各個標簽的成功次數(shù)，若出現(xiàn)在連續(xù)時間段內(nèi)，讀到某一標簽的成功次數(shù)最多，則該標簽就是所要讀取的標簽，其它標簽則可以排除。
用數(shù)學模型分析如下：將一個工作過程分為n個大致相等的時間段，每一個時間間隔為5??10秒，t1、t2、????tn，在這些時間段內(nèi)，若出現(xiàn)連續(xù)3個以上時間段內(nèi)（包括3），如ta-1、ta、ta+1（1\<a\<n）3個時間段內(nèi)，通過比對所有標簽讀取成功數(shù)時，出現(xiàn)某一個標簽的讀取成功數(shù)最多，如上述表中標簽3，則可以判定，該標簽即為當前作業(yè)時所要讀取的標簽。
結束語
本項目是集裝箱電子標簽在集裝箱碼頭的一個應用示范，從2007年4月開始，到2007年11月，在重慶寸灘港區(qū)完成了現(xiàn)場勘探、需求調(diào)研、技術方案和工程方案設計、產(chǎn)品開發(fā)、設備安裝與調(diào)試、性能測試、業(yè)務應用測試等內(nèi)容，實現(xiàn)了與現(xiàn)有裝卸作業(yè)系統(tǒng)的對接,初步完成了集裝箱電子標簽港口應用方案、港口應用模式、物流跟蹤應用等關鍵問題的研究，取得了階段性研究成果，申請了多項專利。
在項目實施的過程中，進行了單項功能性測試、抗干擾性測試、可靠性測試、系統(tǒng)測試和與作業(yè)系統(tǒng)融合性測試等多項測試，測試結果表明RFID技術應用于港口、碼頭作業(yè)管理是可行的。
目前，該系統(tǒng)可以對安裝了電子標簽的集裝箱實現(xiàn)快速過閘，在港口的作業(yè)過程中實現(xiàn)自動作業(yè)核對，為港口的管理及高效運行帶來了極大的便利。
集裝箱電子標簽的應用還處于試驗階段，要進入大規(guī)模應用，還需要解決電子標簽的根本問題，那就是集裝箱在生產(chǎn)時，將電子標簽作為一個標準部件固定在集裝箱上，才能推動RFID技術在集裝箱物流中的應用。
可以預見，一旦有了集裝箱電子標簽，海關、碼頭等集裝箱物流供應鏈的效率和管理水平將大大提高。
