[摘要]
    集裝箱運輸是交通運輸過程中的一個重要的運輸環節。近年來，集裝箱運輸過程中的集裝箱及其貨物的實時(或準實時)可視化的跟蹤、管理和調度問題成為人們關注的重點。傳統的集裝箱跟蹤、管理和調度大都是基于圖像識別技術以及手工錄入數據的方式實現的。利用攝像頭將集裝箱的相關信息傳送到處理節點，完成對集裝箱箱號的識別與管理；而貨物的跟蹤和調度則是由人工進行非實時的數據錄入，其跟蹤、管理和調度通過查詢數據庫的方式來實現。這種方法識別速度較慢、差錯率高并且不能實現實時(準實時)跟蹤。為了解決上述問題，本文提出了在集裝箱運輸管理系統中，利用RFID技術采集集裝箱及其貨物的信息，并對集裝箱運輸過程中所需采集的基礎數據進行了分析和分類，并根據分類提出了利用中間件實現的前端數據采集的方案；本文還進一步研究了RFID技術在集裝箱數據采集過程中所遇到的數據碰撞、數據冗余以及數據安全問題，并給出了相應的解決方案。
    關鍵詞：集裝箱跟蹤、貨物跟蹤、RFID、基礎數據采集
    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
    在現代化物流中，為減少生產和倉儲成本，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立并且推行的先進生產方式，也叫“豐田生產方式”、“準時制生產（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出必要的產品。由于零庫存減少了制造過程中的種種浪費，提高了效率，同時又使系統增強了對客戶訂貨的應變能力，因此被視為當今制造業中最理想且最具有生命力的生產系統之一。
    集裝箱運輸是貨物運輸中的一種重要的方式，在國民經濟中占有重要的地位。集裝箱運輸作為物流過程的重要一部分，為實現零庫存(Just in Time)的運輸方式，就要求能對集裝箱在運輸過程中的各種環節進行跟蹤、管理及調度。目前，國內常用的方法主要是通過管理信息系統，利用數據庫技術以及人工確認運輸工具的位置來實現的[4][5][6]。傳統方法的主要問題是： (1)集裝箱箱號識別采用人工確認或者視頻圖像識別技術，由于箱號的污損，不可避免地會造成對箱號的誤判，造成信息的不準確。(2)部分基礎數據人工錄入，因此數據延時較長，并且準確性也難以得到保證。
    RFID技術是一種極具生命力的技術，它的出現將改變人工采集數據的方式，提高工作效率。RFID是一種采用無線射頻方式通信的技術，可以實現運動過程中的快速、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用[2][3]。本文針對集裝箱運輸的跟蹤、管理和調度問題，提出了利用RFID進行前端數據采集的框架結構，并針對應用中的關鍵問題提出解決方案。本文其他部分內容安排如下：第二部分針對集裝箱運輸過程中所需要采集的數據進行了分類，并且提出了具體的數據采集方案；第三部分研究了所提出方案中的關鍵問題及解決方案，并對各種方案進行了分析和比較。在結論部分，提出了進一步研究的方向和系統實施的標準化問題。
    本文的貢獻在于(1)分析并分類了集裝箱跟蹤、管理和調度中的信息；(2)針對信息分類提出了數據采集的方案；(3)針對實施過程中的關鍵問題，提出了解決方案。
    2.基于RFID的集裝箱基礎數據獲取框架-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5-10年，并且可以實現遠距離地識讀，有源RFID Tag 和Reader的結合可以有效地運用在集裝箱跟蹤、管理和調度中。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、管理和調度的信息分為兩大類：位置信息(L)以及集裝箱和貨物狀態信息(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輸過程中動態的位置信息并按時間進行表達，這種信息一般通過GPS(全球衛星定位系統)或TMIS(鐵路管理信息系統)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(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、集裝箱靜態位置信息(如集裝箱的堆放區域、在堆放區域中的三維位置等等)。
    狀態信息包括：集裝箱的分類信息、集裝箱內的貨物信息、集裝箱裝卸作業信息、到達地信息、出發地信息、到達時間、集裝箱維護信息等等。貨物狀態信息分為兩個部分：固定信息和動態可變信息。固定信息主要是集裝箱分類信息(如編號、種類、所屬公司等)以及維護管理信息(如集裝箱生產廠、維護日期、報廢日期等等)。動態信息是某次運輸過程中的特定信息，如貨物的種類、到達地、出發地、到達時間、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。
    小范圍的動態位置以及狀態信息的獲取方法如圖1 所示。在該結構中采用三個基本元件：標簽(Tag)、地標(Signpost)和識讀器(Reader)，通常識讀器和地標的位置是固定的，而標簽的位置是隨集裝箱的位置而動態改變的。
    標簽和識讀器之間的有效讀取距離可達100m，識讀器可以在高速運動(120km/h)中實現識讀標簽。安裝在集裝箱上的標簽是一種高頻、有源標簽，標簽平時工作模式為睡眠模式，只有進入讀寫區域時，才由地標觸發標簽將標簽中的信息傳送給識讀器；或者由識讀器向標簽寫入相應的信息。這種方式可以有效地節省Tag的能量，研究表明[9]：這種類型的Tag可以工作十年之久。
    針對小范圍內的位置信息，有靜態位置和動態位置。動態位置(如出入門以及在某個區域內移動時的位置)信息的采集比較簡單，當集裝箱在移動過程中進入某個Reader區域后，Reader就能感知到附著在集裝箱上Tag，從而可以根據Reader的位置來確定集裝箱的位置。而靜態位置中主要是獲取平面坐標位置和三維坐標位置(為了節約空間，集裝箱一般都采用堆疊方式擺放)。平面坐標位置獲取和三維坐標位置獲取可以參考[10]中提出的方案得到解決。
    狀態信息可以通過識讀器寫入到標簽中，除聚合和反聚合外的信息可以很方便地寫入到標簽中。聚合和反聚合過程由于其本身的過程和采用的技術不同而有所差異和復雜。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簽中的信息、數據服務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可以解決：RFID和條碼技術。而一般采用的都是RFID和條碼技術相結合的方法。
    聚合過程如圖2所示，利用條碼技術對物品進行包裝，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行正確性(一致性)驗證，以防止貨物裝卸錯誤。一旦發現錯誤，可以通過告警系統向操作人員進行告警。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信息(如到達站、出發站、到達時間等)，通過比較，確認無誤后，再向標簽寫入本次操作的數據。為了確保信息的正確性，Data Server也可以向操作員的手持設備發送確認信息，在得到操作人員的確認后再向標簽寫入數據。
    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，很容易將一箱中的貨物錯裝至另一箱，導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，前端數據采集系統(也稱前端區域數據中心)，采用中間件實現，其內部結構如圖3所示。主要完成數據的采集、過濾、區域數據中心與現有管理信息系統之間的通信、區域數據中心與RFID Reader之間的通信、數據格式的轉換、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輸管理信息系統提供有關集裝箱及其貨物等基礎數據。
    數據轉換模塊是專門用來對采集到的數據進行數據格式轉換的，以保證與現有系統的兼容性。前端區域數據中心還可以兼容各種數據采集設備的數據格式，針對不同種類的數據設備，可以方便地進行數據采集。RFID的區域數據中心采用中間件的方法實現，可以容易地結合到現有集裝箱運輸管理系統中，根據應用系統的需要可靠、準確、安全的提供基礎數據。
    3.FDC實施中的關鍵問題及解決方案
    基于RFID的FDC中數據的準確性和可靠性主要受以下三個因素的影響：數據碰撞[11]、數據冗余以及數據安全[12]等。
    本系統主要從兩個方面來解決問題：(1)通過RFID的硬件設備來解決數據碰撞和數據安全問題；(2)通過中間件來解決數據冗余和數據傳輸的安全問題。
    數據碰撞是指在識讀器識別區域內有多個射頻信號同時到達，它將同時響應識讀器的命令而向識讀器發送信號，引起信道爭用的問題，信號相互干擾，導致識讀器不能正確識別電子標簽中的數據，即發生了碰撞(Collision)。
    數據碰撞主要有兩種類型：標簽(Tag)沖突和識讀器(Reader)沖突[13]。
    針對標簽沖突，現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，標簽隨機產生應答時間。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簽的唯一的ID來選擇不同標簽來應答。二進制樹搜索法[15]是最簡單的確定性算法。
    針對識讀器碰撞，Colorwave協議[16]利用識讀器和標簽通信局部化的特點來提供一個實時、分布式、局部的MAC協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的通信負載。
    數據安全就是防止其他系統的讀取設備讀取或改動集裝箱上RFID Tag中的信息。為了防止數據的泄露，人們提出了很多辦法：如物理隔離[18]、停止標簽服務[12]、讀取訪問控制[12][19]以及雙標簽聯合驗證(yoking-proof)法[20]。這些方法都是基于硬件實現的。
    在具體實現過程中，采用如圖3所示的中間件來實現集裝箱及其貨物的基礎數據采集，RFID 硬件可以有效的解決數據碰撞和安全問題，因此，在中間件中主要解決：(1)中間件本身的安全以及與現有系統交互過程的數據安全問題；(2)基礎數據的可靠問題，包括數據冗余和數據差錯等。
    數據冗余問題是由于某一標簽(集裝箱)在沒有任何改變的情況多次通過閱讀區域或者長時間停留在閱讀區域，造成識讀器多次獲取重復數據。
    采用兩種機制的結合方法：即數據過濾和控制讀取。數據過濾就是對同一時間段內的同一個標簽的數據進行過濾操作，過濾處理操作在本地中間件中實現。數據過慮技術并沒有減少對RFID Tag的識讀次數，RFID Tag會因為多次識讀而消耗能量，降低RFID Tag的使用壽命。為了有效地節約RFID Tag中的能源，當Tag進入閱讀區域時，由于采用了地標技術，本地數據中心可以控制地標在一定的時間間隔內發送讀取觸發信號(如十分鐘發一次)。這樣可以有效地節約Tag的能量，提高Tag的使用壽命。
    數據錯誤是指基礎數據讀取過程中獲得了錯誤的數據(如不應該讀取時，讀取了數據，聚合和反聚合過程中的數據不一致等等)。中間件采用邏輯檢查方法來有效地解決這個問題，在中間件中實現了邏輯檢查規則，通過這些規則可以有效地排除錯誤數據。
    中間件的數據安全主要是提供中間件內部的數據安全以及與現有系統之間交互過程中的數據安全，中間件采用了用戶接入認證、數據傳輸認證，并采用安全的數據通道傳送數據，從而保證數據交互過程的安全性。
    4.結論
    本文針對集裝箱運輸過程中的跟蹤和管理問題，提出了采用遠距離、快速RFID技術實現小范圍內數據快速獲取和定位的框架結構，并針對系統中的一些關鍵問題提出了相應的解決措施，提出了利用中間件作為數據采集的基本模型，通過中間件可以很好地與其他系統進行結合，通過對基礎數據的準確、自動采集，可以實現對集裝箱運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。