国内外港口集装箱智能标签技术的发展和现状

　1 　港口信息化的需要
    现代的集装箱码头, 管理水平和信息化水平的高低成为衡量其优劣的重要指标, 而目前国内港口虽然也采用计算机管理, 但是在整个运输过程中,对于集装箱的识别仍然非常落后, 基本上还是处于人工(或半人工) 的识别阶段。近几年来, 尽管在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, 但由于实践中存在识别距离近、可靠性差、无法跟踪记载集装箱运输中的物流信息以及信息承载不方便等原因, 因此没有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, 采用集装箱智能标签是发展方向, 它能够实现对集装箱的自动化识别和对运输过程中的物流信息实时跟踪, 消除错箱和漏箱, 大大加快集装箱的通关速度, 提高集装箱运输的工作效率, 增强集装箱运输中的安全可靠性, 从而全面提升集装箱运输的服务水平, 能够真正构建具有国际先进水平的集装箱数字化的港口。目前, 国际港口集装箱行业尚未形成集装箱智能标签相关的国际标准, 这正是我国港口信息化与国际先进水平缩短差距的一个契机,因此应用和推广集装箱智能标签迫在眉睫。

    2 　港口集装箱系统对智能标签的要求
    在集装箱上安装智能标签, 是为了有效地识别集装箱的相关信息, 鉴于航运行业的特殊性, 所以相应的智能标签系统必须要能够适应其特殊的工作环境。(1) 港口的自然环境很恶劣, 而且作业是全天候的, 因此智能标签系统不仅需要承受高达40 ℃以上的酷暑, 还需要承受- 30 ℃的寒冬, 同时还必须能够在狂风、大雨等恶劣天气下工作。(2)集装箱运输过程中的大部分时间在海上(或者内河中) 完成, 因此智能标签必须要能够在湿度为35 %～80 %的环境下工作。(3) 为保证存储集装箱中的货物信息以及运输过程中的相关信息, 至少要求智能标签具有4k 字节左右的存储能力, 完成物流和信息流的一致性。(4) 为加快通关速度, 集装箱信息必须能够远距离访问。除了上述主要的4 个指标外, 港口集装箱系统还对系统的稳定性、标签访问的唯一性、使用寿命等多方面均提出了相应的指标。目前, 可以选择的标签技术有条形码、IC卡和RFID ( Radio Frequency Identification , 射频识别) 等, 现结合港口集装箱应用的需要分别介绍其特点, 得出合理的选择。
    2.1 　特点
    (1) 条形码　由美国的N1T1Woodland 在1949年首先提出。近年来, 随着计算机应用的不断普及, 其应用越来越广泛。条形码是由宽度不同、反射率不同的条, 按照一定的编码规则(码制) 编制成的, 用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符, 条形码是一组粗细不同、按照一定的规则安排间距的平行线条图形。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条(简称条) 和白条(简称空) 组成的。信息读取时, 扫描器向条形码发出光, 并接收经反射的光信号, 然后将其转换为相应的电信号。由于条和空发射率不同, 因而电信号的强弱也不同, 根据电信号的变化就能够完成对条形码信息的读取。
    (2) IC 卡　一种携带芯片的卡, 在芯片内部存储一定的程序和数据, 对其数据的访问方式有2种: 接触式和非接触式。在访问接触式卡时, 必须将IC 卡插入阅读器内, 才能实现对卡上数据的访问; 而非接触式IC 卡, 可以在阅读器所处的短距离范围内实现对卡内数据的访问。
    (3) RFID 技术　一种无接触自动识别技术,其基本原理是利用射频信号及其空间耦合、传输特性, 实现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别。RFID 系统的组成至少包括2 个部分: 电子标签(Tag) 和阅读器(Reader) 。电子标签安装在待识别的物品上, 当拥有电子标签的物品进入阅读器的有效范围时, 阅读器可以通过无线的方式将电子标签中的信息读出, 实现对物品的自动识别。
    2.2 　适用性
    (1) 条形码　其优点在于成本低且简单, 但它不适合港口集装箱应用。原因如下: 在条形码信息的访问需要扫描器和标签之间保持适当的角度且标签上必须清洁无磨损, 但在航运中会经历各种不同的天气, 同时由于装卸等操作根本无法保证标签清洁无磨损; 条形码在阅读时, 中间不能有任何障碍物, 但港口装卸时, 难免会有人员和车辆开过, 容易造成障碍, 给标签信息的访问带来诸多不便; 条形码上的内容不能任意修改, 而且其存储数据非常有限; 条形码的读写距离往往太短, 使得在使用港口的桥机、抓斗等机械的同时对标签信息进行访问几乎不可能。因此, 可以将基于条形码技术的智能标签方案排除。
    (2) IC 卡　其优点在于卡上含CPU ,能够实现灵活的访问机制,而且卡上具有一定的存储能力,能够随时修改。显然, IC 卡相对于条形码有了很大的进步,但它同样不适合港口集装箱应用,其原因与条形码非常类似:非接触式IC 卡的有效访问距离太短,无法实现道口、堆场等区域的标签信息访问; IC卡在读取时与阅读器中间不能存在障碍。所以,基于IC 卡的智能标签方案也可以排除。
    (3) RFID 技术　它具备很多良好的性质, 如访问距离长、存储空间大、数据访问方式对天气不敏感、信息能够随时修改等, 符合港口集装箱应用的基本要求, 因此基于RFID 的智能标签的方案是一个理想的选择。
    总的来说, 集装箱智能标签系统应该是一整套行业特征非常明显, 行业专用的系统, 同时也是电子标签系统类别中技术难度最大、要求最高、系统最复杂的, 因此需要为集装箱应用定制开发集装箱电子标签成套装备。

    3 　国内外相关系统介绍
    射频识别技术在国外发展的很快, RFID 产品种类很多, 如SAVI、INTERMEC、ALLEN、MET2RICS、AMECH、TI、MOTOROLA 等厂家都生产RFID 产品, 并且它们的产品各有特点、自成系列,其应用覆盖工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。而在我国RFID 起步较晚, 形成的系统数量较少。现有的系统, 如锦山高速公路自动收费系统、上海公交电子月票系统、北京机场高速公路收费系统、深圳的皇岗口岸系统主要以进口产品为主。
    在表1 的产品中只有有源标签( 如SAVI、ALIEN、Tagmaster 和锐霆科技等) 适合港口集装箱物流的应用。下面, 具体介绍几个公司的产品, 这里着重介绍标签。
    (1) Savi 的St604 标签　有效的访问距离可以达到100 m , 含防冲突机制, 信息传输速率高, 电池寿命长(10 y) 。标签的大小为1518 cm ×413 cm×312 cm , 正常工作的环境温度为- 32 ℃～70 ℃。St604 标签的通信方式比较特殊, 是非对称的, 阅读器的发射频率(即标签的接收频率) 选择低频(123 kHz 或132 kHz) , 而标签的发射频率选择高频(433192 MHz) 。相应的调制方式和信息速率也不相同, 阅读器的调制方式是ASK, 数据速率是114kb/ s ; 而标签的调制方式为FSK, 数据速率为28kb/ s。
    (2) Alien 的有源标签　标签的大小为8 cm ×215 cm ×115 cm 其工作频率为2145GHz , 数据的传输速率为16 kb/ s , 存储能力为4 k 字节, 正常工作的环境温度为- 25 ℃～70 ℃, 有效识别距离为30m , 功耗低, 使用寿命长。
    (3) 上海锐霆科技有源标签　在国内, 上海国际港务集团、上海交通大学和上海锐霆科技公司承接了上海市科委重大科技攻关项目, 研制开发了适用于港口应用的有源标签, 并由上海锐霆科技生产。该标签尺寸小, 适合在各种集装箱上安装; 采用有源的方式, 且使用高频作为通信频带, 采用非对称的数据通信, 下行500 kb/ s , 上行250 kb/ s ;含防冲突机制, 能够有效地读取多个标签上的信息; 含数据加密功能, 标签的存储器容量4 k～16k 字节, 可以存储货物信息和操作的历史记录; 传输协议和读写控制均包含安全管理机制, 可以保证数据的安全性; 有效访问距离最远可达40 m; 含功耗控制, 能降低电池的能量消耗, 使用寿命可达6 年; 抗干扰能力强, 能够自动避开现有的通信系统使用的频带。
    目前, 在国外民用集装箱电子标签的应用还未见到成功先例。AMTECH曾在集装箱上尝试使用无源电子标签, 但在技术要求方面达不到要求, 在进行第一阶段试验时就宣告失败了。SAVI 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验应用, 但由于其产品和系统昂贵的价格以及行业性限制, 使其仅能局限在美军队的应用,在民用集装箱物流中并未得到应用。日本在2004年6 月启动了国际航运RFID 技术的测试, 采用EPC 系统论证改进货品运输的整个贸易流程以提高销售效率, 包括货品出厂, 经过陆路海路运输到达最终目的地的整个过程。
    在国内, 上海国际港务集团有限公司在国内集装箱运输中处于龙头地位, 作为国内第一大港和世界港口前三强, 非常注重科技创新能力, 其全面倡导的数字化港口建设已经取得了丰硕的成果。上海港对于集装箱电子标签技术尤为重视, 在上海市的大力支持下启动了内贸集装箱电子标签示范线建设, 设计了国内第一个港口集装箱智能标签系统,其架构如图1 所示。在示范线上, 智能标签安装在集装箱的箱体表面, 天线和读写设备安装在集装箱运行通道和集装箱吊运设备上, 读写器可以向电子标签读写集装箱运输中的信息, 并通过数据接口用有线传输和天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示范线主要是在2 个港口和一条航线上, 完成国内首个基于集装箱电子标签实时信息交换功能的集装箱电子标签全业务示范线工业性试验, 包括进口、进场、查询、出场、装船、清点、航运、卸船、进场、查询、出场、出口。在实验过程中, 对集装箱电子标签示范线所有相关系统和产品在航线上运输的真实环境下的工作情况将进行现场数据的记录和录像, 以获得基于电子标签系统的内贸港口集装箱运输线的系统运营经验, 这在国内乃至国际上尚属首次。
    整个示范线的建设将依靠自主的知识产权研制和开发大量的设备和软件, 其中包括: 集装箱电子标签、道口电子标签读写设备、码头吊运设备上的电子标签读写设备、流动吊运设备上的电子标签读写设备、手持电子标签读写设备、吊运设备操作室的显示控制终端以及支持集装箱电子标签系统的港区无线通信网络、基于集装箱电子标签自动识别系统的集装箱实时信息交换平台、支持集装箱电子标签系统的电子标签中间件平台等大型系统软件。

    4 　结论
    智能标签是一个新兴的产业, 它的出现势必带动和加速物流、仓储, 交通等行业的信息化进程。随着技术的进步, 存在这样几个发展趋势: 在标签方面, 有效距离远、无线可读写性能更加完善、适合高速移动载体识别、智能性更强、成本更低等将是新一代标签的特征; 在阅读器方面, 小型化、便携式、嵌入式、模块化、多种模式兼容的读写设备是主要研究的对象; 而系统方面, 安全性更高、智能化和远距离的识别系统将会更受关注, 并且期待出现一系列行业标准统一整个RFID 的应用, 增强国际化。
    相信随着中国市场开放力度的不断加强, 国内经济在不同方面都将体现出大的国际竞争力。口岸作为我国进出口贸易的门户, 其建设、发展和管理将成为推动我国科技与经济发展的重要因素。加强口岸科技水平、实现口岸信息化是发展经济和加速进出口贸易的必然趋势和必要条件, 它体现了当代最先进的管理思想和管理理念, 是衡量市场竞争力、现代化程度、综合实力和经济增长能力的重要标志, 重视口岸信息化建设, 注重应用信息技术已成为全世界的共识。在极具代表性的港口物流中,只有加快研究和应用集装箱智能标签, 才能缩小我国与世界先进水平之间的差距, 为打造信息化、智能化的我国现代国际港口提供坚实的技术基础, 使得我们能够从容面对急速发展的港口物流业的挑战。