國內(nèi)外港口集裝箱智能標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

　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(biāo), 而目前國內(nèi)港口雖然也采用計(jì)算機(jī)管理, 但是在整個運(yùn)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(shù), 但由于實(shí)踐中存在識別距離近、可靠性差、無法跟蹤記載集裝箱運(yùn)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(yīng)用和推廣。為了提高集裝箱運(yùn)輸?shù)墓芾硭胶托畔⒒? 采用集裝箱智能標(biāo)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(yùn)輸過程中的物流信息實(shí)時跟蹤, 消除錯箱和漏箱, 大大加快集裝箱的通關(guān)速度, 提高集裝箱運(yùn)輸?shù)墓ぷ餍? 增強(qiáng)集裝箱運(yùn)輸中的安全可靠性, 從而全面提升集裝箱運(yùn)輸?shù)姆?wù)水平, 能夠真正構(gòu)建具有國際先進(jìn)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(biāo)簽相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn), 這正是我國港口信息化與國際先進(jìn)水平縮短差距的一個契機(jī),因此應(yīng)用和推廣集裝箱智能標(biāo)簽迫在眉睫。

    2 　港口集裝箱系統(tǒng)對智能標(biāo)簽的要求
    在集裝箱上安裝智能標(biāo)簽, 是為了有效地識別集裝箱的相關(guān)信息, 鑒于航運(yùn)行業(yè)的特殊性, 所以相應(yīng)的智能標(biāo)簽系統(tǒng)必須要能夠適應(yīng)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(biāo)簽系統(tǒng)不僅需要承受高達(dá)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(fēng)、大雨等惡劣天氣下工作。(2)集裝箱運(yùn)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(biāo)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(yùn)輸過程中的相關(guān)信息, 至少要求智能標(biāo)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(guān)速度, 集裝箱信息必須能夠遠(yuǎn)距離訪問。除了上述主要的4 個指標(biāo)外, 港口集裝箱系統(tǒng)還對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、標(biāo)簽訪問的唯一性、使用壽命等多方面均提出了相應(yīng)的指標(biāo)。目前, 可以選擇的標(biāo)簽技術(shù)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(yīng)用的需要分別介紹其特點(diǎn), 得出合理的選擇。
    2.1 　特點(diǎn)
    (1) 條形碼　由美國的N1T1Woodland 在1949年首先提出。近年來, 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷普及, 其應(yīng)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(dá)一組數(shù)字或字母符號信息的圖形標(biāo)識符, 條形碼是一組粗細(xì)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(yīng)的電信號。由于條和空發(fā)射率不同, 因而電信號的強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的訪問。
    (3) RFID 技術(shù)　一種無接觸自動識別技術(shù),其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性, 實(shí)現(xiàn)對靜止的或移動中的待識別物品的自動機(jī)器識別。RFID 系統(tǒng)的組成至少包括2 個部分: 電子標(biāo)簽(Tag) 和閱讀器(Reader) 。電子標(biāo)簽安裝在待識別的物品上, 當(dāng)擁有電子標(biāo)簽的物品進(jìn)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(biāo)簽中的信息讀出, 實(shí)現(xiàn)對物品的自動識別。
    2.2 　適用性
    (1) 條形碼　其優(yōu)點(diǎn)在于成本低且簡單, 但它不適合港口集裝箱應(yīng)用。原因如下: 在條形碼信息的訪問需要掃描器和標(biāo)簽之間保持適當(dāng)?shù)慕嵌惹覙?biāo)簽上必須清潔無磨損, 但在航運(yùn)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(biāo)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(biāo)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(jī)、抓斗等機(jī)械的同時對標(biāo)簽信息進(jìn)行訪問幾乎不可能。因此, 可以將基于條形碼技術(shù)的智能標(biāo)簽方案排除。
    (2) IC 卡　其優(yōu)點(diǎn)在于卡上含CPU ,能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的訪問機(jī)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(jìn)步,但它同樣不適合港口集裝箱應(yīng)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(shí)現(xiàn)道口、堆場等區(qū)域的標(biāo)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(biāo)簽方案也可以排除。
    (3) RFID 技術(shù)　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(yīng)用的基本要求, 因此基于RFID 的智能標(biāo)簽的方案是一個理想的選擇。
    總的來說, 集裝箱智能標(biāo)簽系統(tǒng)應(yīng)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(biāo)簽系統(tǒng)類別中技術(shù)難度最大、要求最高、系統(tǒng)最復(fù)雜的, 因此需要為集裝箱應(yīng)用定制開發(fā)集裝箱電子標(biāo)簽成套裝備。

    3 　國內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)介紹
    射頻識別技術(shù)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(diǎn)、自成系列,其應(yīng)用覆蓋工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)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(fèi)系統(tǒng)、上海公交電子月票系統(tǒng)、北京機(jī)場高速公路收費(fèi)系統(tǒng)、深圳的皇崗口岸系統(tǒng)主要以進(jìn)口產(chǎn)品為主。
    在表1 的產(chǎn)品中只有有源標(biāo)簽( 如SAVI、ALIEN、Tagmaster 和銳霆科技等) 適合港口集裝箱物流的應(yīng)用。下面, 具體介紹幾個公司的產(chǎn)品, 這里著重介紹標(biāo)簽。
    (1) Savi 的St604 標(biāo)簽　有效的訪問距離可以達(dá)到100 m , 含防沖突機(jī)制, 信息傳輸速率高, 電池壽命長(10 y) 。標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽的接收頻率) 選擇低頻(123 kHz 或132 kHz) , 而標(biāo)簽的發(fā)射頻率選擇高頻(433192 MHz) 。相應(yīng)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(biāo)簽的調(diào)制方式為FSK, 數(shù)據(jù)速率為28kb/ s。
    (2) Alien 的有源標(biāo)簽　標(biāo)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(biāo)簽　在國內(nèi), 上海國際港務(wù)集團(tuán)、上海交通大學(xué)和上海銳霆科技公司承接了上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目, 研制開發(fā)了適用于港口應(yīng)用的有源標(biāo)簽, 并由上海銳霆科技生產(chǎn)。該標(biāo)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(jī)制, 能夠有效地讀取多個標(biāo)簽上的信息; 含數(shù)據(jù)加密功能, 標(biāo)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(jī)制, 可以保證數(shù)據(jù)的安全性; 有效訪問距離最遠(yuǎn)可達(dá)40 m; 含功耗控制, 能降低電池的能量消耗, 使用壽命可達(dá)6 年; 抗干擾能力強(qiáng), 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(biāo)簽的應(yīng)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(biāo)簽, 但在技術(shù)要求方面達(dá)不到要求, 在進(jìn)行第一階段試驗(yàn)時就宣告失敗了。SAVI 在美國國防部的軍品集裝箱運(yùn)輸中采用有源電子標(biāo)簽獲得了較好的試驗(yàn)應(yīng)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(duì)的應(yīng)用,在民用集裝箱物流中并未得到應(yīng)用。日本在2004年6 月啟動了國際航運(yùn)RFID 技術(shù)的測試, 采用EPC 系統(tǒng)論證改進(jìn)貨品運(yùn)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(yùn)輸?shù)竭_(dá)最終目的地的整個過程。
    在國內(nèi), 上海國際港務(wù)集團(tuán)有限公司在國內(nèi)集裝箱運(yùn)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(qiáng), 非常注重科技創(chuàng)新能力, 其全面倡導(dǎo)的數(shù)字化港口建設(shè)已經(jīng)取得了豐碩的成果。上海港對于集裝箱電子標(biāo)簽技術(shù)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(biāo)簽示范線建設(shè), 設(shè)計(jì)了國內(nèi)第一個港口集裝箱智能標(biāo)簽系統(tǒng),其架構(gòu)如圖1 所示。在示范線上, 智能標(biāo)簽安裝在集裝箱的箱體表面, 天線和讀寫設(shè)備安裝在集裝箱運(yùn)行通道和集裝箱吊運(yùn)設(shè)備上, 讀寫器可以向電子標(biāo)簽讀寫集裝箱運(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 達(dá)到集裝箱的自動識別和實(shí)時管理。
    內(nèi)貿(mào)集裝箱電子標(biāo)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(biāo)簽實(shí)時信息交換功能的集裝箱電子標(biāo)簽全業(yè)務(wù)示范線工業(yè)性試驗(yàn), 包括進(jìn)口、進(jìn)場、查詢、出場、裝船、清點(diǎn)、航運(yùn)、卸船、進(jìn)場、查詢、出場、出口。在實(shí)驗(yàn)過程中, 對集裝箱電子標(biāo)簽示范線所有相關(guān)系統(tǒng)和產(chǎn)品在航線上運(yùn)輸?shù)恼鎸?shí)環(huán)境下的工作情況將進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的記錄和錄像, 以獲得基于電子標(biāo)簽系統(tǒng)的內(nèi)貿(mào)港口集裝箱運(yùn)輸線的系統(tǒng)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn), 這在國內(nèi)乃至國際上尚屬首次。
    整個示范線的建設(shè)將依靠自主的知識產(chǎn)權(quán)研制和開發(fā)大量的設(shè)備和軟件, 其中包括: 集裝箱電子標(biāo)簽、道口電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、碼頭吊運(yùn)設(shè)備上的電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、流動吊運(yùn)設(shè)備上的電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、手持電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備、吊運(yùn)設(shè)備操作室的顯示控制終端以及支持集裝箱電子標(biāo)簽系統(tǒng)的港區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)、基于集裝箱電子標(biāo)簽自動識別系統(tǒng)的集裝箱實(shí)時信息交換平臺、支持集裝箱電子標(biāo)簽系統(tǒng)的電子標(biāo)簽中間件平臺等大型系統(tǒng)軟件。

    4 　結(jié)論
    智能標(biāo)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(jìn)程。隨著技術(shù)的進(jìn)步, 存在這樣幾個發(fā)展趨勢: 在標(biāo)簽方面, 有效距離遠(yuǎn)、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(qiáng)、成本更低等將是新一代標(biāo)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(shè)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(yuǎn)距離的識別系統(tǒng)將會更受關(guān)注, 并且期待出現(xiàn)一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一整個RFID 的應(yīng)用, 增強(qiáng)國際化。
    相信隨著中國市場開放力度的不斷加強(qiáng), 國內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(jìn)出口貿(mào)易的門戶, 其建設(shè)、發(fā)展和管理將成為推動我國科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。加強(qiáng)口岸科技水平、實(shí)現(xiàn)口岸信息化是發(fā)展經(jīng)濟(jì)和加速進(jìn)出口貿(mào)易的必然趨勢和必要條件, 它體現(xiàn)了當(dāng)代最先進(jìn)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(shí)力和經(jīng)濟(jì)增長能力的重要標(biāo)志, 重視口岸信息化建設(shè), 注重應(yīng)用信息技術(shù)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(yīng)用集裝箱智能標(biāo)簽, 才能縮小我國與世界先進(jìn)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(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ), 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)。