RFID在集装箱运输管理中的应用.doc

RFID在集装箱运输管理中的应用 摘要：集装箱运输是运输现代化的一种先进方式，用集装箱运输代替传统运输方式，能极大地推动和促进运输业向高效、优质的方向发展。但其在发展过程中却面临着货物失窃，识别精度不高以及安全与高效相冲突的问题。RFID技术以其识别速度快，精度高，无需接触，环境适应性强的特点受到集装运输业的青睐。本文就RFID在集装箱运输中的运用情况作出简要介绍，并对应用中所存在的问题进行分析讨论。以便RFID技术在集装箱运输管理中的应用更加成熟，也有利于其在相关领域的进一步地推广。关键字：RFID 集装箱运输 电子标签 应用 1. 引言：随着我国经济实力不断增强，融入经济全球化的步伐不断加快，对外贸易快速发展，集装箱运输和集装箱工业稳步增长。近10年我国沿海港口集装箱吞吐量增长率一直保持在30%左右，集装箱产销量连续12年位居世界第一。在信息和网络技术如此发达和普及的今天，作为货物运输主要载体的集装箱，却没有实现任何程度的信息化，这与现代物流所要求的信息透明化、实时化极其不相吻合。目前全球集装箱的箱号识别基本是采用箱号图像识别技术，即通过摄像头识别集装箱表面的印刷箱号，通过图像处理形成数字箱号采集到计算机中。这种技术识别率只有90%左右，而且受阴雨大雾天气和集装箱破损程度的影响很大。因此，需根据集装箱运输的一般流程和参与集装箱运输的企业的特点，对RFID在集装箱运输管理中的应用进行探讨。2. 集装箱运输遇到的问题：2.1.货物盗窃严重 随着集装箱运输快速发展，集装箱货物被盗问题越来越严重。据统计，全球因集装箱失窃造成的损失达300500亿美元，包括间接损失在内，全球每年损失2000亿美元。2.2.集装箱识别精度低 在运输过程中，集装箱是通过它的唯一标识箱号来识别的；集装箱交接同样也是以箱号为准。但人工采集数据有35%是不准确或不实时的，而采用图像识别方式进行监管，则需要用4至5台摄像头同时拍摄，成本较高，识别率仅达80%90%，雨雾中识别率还要低，影响到整个供应链的效率。2.3.安全和效率之间的冲突 港口运输模拟实验表明，当对集装箱的随机抽检率达到5%时，港口就会陷入瘫痪；如果降低抽查率，又无法有效防止犯罪分子用集装箱走私或者运输违禁物品。大型的集装箱X光机虽能透视箱内货物，但透检一只集装箱就需要5分钟，每天满负荷也只能透检240只，而且X光机辨别违禁品仍要靠人的肉眼，这又降低了可靠性。3.RFID技术介绍：3.1.定义RFID（Radio Frequency IDentification）即射频识别技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。3.2.技术简介（工作原理）RFID是一种无线射频识别技术，它是自动识别技术的一种。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。3.3基本组成部分标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。 手持式rfid读写器阅读器（Reader）：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式rfid读写器（如：C5000W）或固定式读写器； 天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。3.4.特点 a.射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。 b.射频技术在物流管理中的适用性 物流管理的本质是通过对物流全过程的管理，实现降低成本和提高服务水平两个目的。 4. RFID技术在集装箱运输中的运用： 为了增加市场竞争产实力，提高运输效率和服务质量，实现集装箱运输的现代化，集装箱的运输管理需要一种更加自动化、智能化、能够实时更新数据的技术，RFID技术无疑具备这些特点。4.1.集装箱的自动识别 将记录有集装箱号、箱型、货物种类、数量等数据的标签安装在集装箱上，在经过安装有识别设备的公路、铁路的出入口、码头的检查门时，RFID标签自动感应后将相应的数据返回阅读器，从而将标签上保存的信息传输到EDI系统，实现了集装箱的动态跟踪与管理，提高了集装箱运输的效率和信息的共享。这种系统一般使用被动式RFID技术，在集装箱码头应用较多。通过这种系统不仅加快了车辆进港提箱的速度，而且对车辆提箱进行了严密的管理，并减少了人为因素造成的差错。4.2.电子封条与货运追踪 一般电子封条采取的是物理封条与RFID组件的混合形式。如前所述，大多数电子封条也同样用到被动式的和主动式RFID技术。被动式的电子封条的主要特点是：使用距离短、成本低、一次性。由于被动式封条不能提供持续的电力来检测封条的状态，所以它们也不能检测和记录损害行为发生的时间，而仅仅只能在通过装有阅读装备的供应链节点时提供它们完整与否的信息。主动式的电子封条更复杂一些，只有当其价格明显下降的时候才可能反复使用。主动式封条在结合GPS技术后，能在集装箱状态发生变化时实时将状态变化发生的时间、地点以及周围的环境信息传输到货主或管理人员的机器上去。更有一些封条能够在损害行为发生时提供即时求救信号。具体应用举例：1.美国倡导的集装箱安全协议（CSI）CSI是美国为确保进港集装箱安全而采取的新举措，是为了减少美国遭受恐怖袭击的风险。所有输美集装箱将安装电子封条，通过数据读取仪从电子封条上获取数据，然后实时传送到特设的信息平台。当集装箱受到损坏、运输线路变更或延迟等意外情况发生时，管理者可通过电脑、手机或PDA迅速接收系统的自动报警。2.上海港集装箱电子标签两港一航示范在上海至烟台的两港一航工业性示范中，结合内贸集装箱运输特点，FRID系统采用了双频电子标签系统集成技术，标签内存储了集装箱和所装货物的信息，还可以自动记录箱门开关等相关信息。3.香港和深圳港口RFID投入商业运行中国香港和深圳的港口已经配置了无线射频识别追踪设备并正式投入商业运行。该项目的技术提供商运营着一个全球信息网络，该网络运用有效的无线射频识别设备和软件为承运商提供有关其海上货运集装箱及物品的位置和状况方面的信息。4.韩国政府实施的智能箱计划这项被称为“RFID海运物流”的项目目标是通过RFID技术方案来加强韩国国际贸易的高效性和安全性。安装有智能标签和传感设备的智能集装箱，在运输安全系统（TSS）软件的监控下从釜山港运往美国西海岸和欧洲主要港口。这个项目将使用多个主动RFID产品，包括一个电子封条、一个支持RFID的传感器封条，可以贴在集装箱上，能够随时将集装箱的一些关键信息如位置、安全状况、温度和湿度的变化传送给读取器网络，人们就可以监控供应链中的集装箱。5.RFID技术在集装箱运输中的运用中存在的问题：5.1.电子标签应用于集装箱领域出现的问题集装箱运输环境对电子标签应用性能指标的影响。相对于工业自动化等领域的应用，电子标签在集装箱物流运输中的应用具有很强的特殊性。 （1）工作环境比较恶劣 电子标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，与普通的电子标签工作环境不同。标签在设计和封装时必须考虑以下几个因素：温度的特殊性：集装箱工作环境温度高 、温差大，而且作业是全天候的。高湿度的工作环境：集装箱运输过程中的大部分时间在海上(或者内河中)完成，因此电子标签必须要能够在湿度为3580的环境下工作。 强烈的紫外线照射：长时间、高强度的紫外线照射加速了标签外壳塑料的老化。酸碱腐蚀及振动冲击：集装箱大部分时间都工作在码头、海上，这种环境要求标签抗酸碱腐蚀，同时封装结构和材料要抗振动撞击。 （2）标签动态读取由于集装箱流通速度较快，集装箱信息必须能够远距离访问，因此，要求电子标签识别速度高(移动速度100 km/h)，距离远(6 m)，准确率高(99)等。5.2.集装箱用电子标签受金属面的影响分析普通RFID标签直接贴附于金属表面上，由于金属表面对入射电磁波的反射作用，将会有较强的反方向电磁波也穿过电子标签。入射波与反射波相位叠加后将会抵消一部分，强度也会大大削弱，严重影响读写器对RFID标签的读取距离，甚至无法读取和RFID标签上的数据，同时，读写器与RFID标签间产生的磁通量会在金属表面感应涡流，根据楞次定律，涡流对读写器的磁场起反作用，致使金属表面上的磁场被强烈地衰减了。消除集装箱金属面影响的解决方法是提高天线和金属面的相对高度。随着相对高度的增加，合成场信号矢量将逐渐增强，到相对高度达到波长的1/4时，合成场信号矢量达到最大，并可获得3 dB增益。而RFID标签贴附于集装箱金属面上时，标签和金属面之间的距离很小，可抬高的空间有限，达不到要求。例如：900 MHz射频的1/4波长近似为8 cm，而集装箱外表面凹槽实际深度只有2 cm。需要在普通电子标签与金属表面间插入一种隔离介质，根据电磁波在介质中的波长公式： 其中：0为自由空间波长，分别为介质导磁率和介电系数。通常的做法是把隔离介质与电子标签封装成一体，从而形成防金属电子标签。需要做的研究包括介质的研究(介质的选择、试验与工艺过程确定等)，特定介质参数的数据分析(，等)，以及封装形式的选择。5.3.RFID技术应用在港口集装箱管理方面存在的障碍 虽然RFID技术在港口集装箱运输中进行了试点和研究，但全球大部分港口都还没有应用，这在经济全球化的今天是远远不够的。目前该项技术推广比较慢，主要还存在以下的障碍： （1） RFID系统标准问题 国际标准已经出台，但没有得到有效推广，国内集装箱自动识别的国家标准尚未出台，制约着国内集装箱自动识别系统的厂家开发相关RFID 技术软硬件产品。这些产品包括集装箱电子标签、电子车牌、读写器、电子关锁及集装箱后台管理系统等。而这些产品又是 RFID 应用在港口集装箱管理的核心产品。针对 RFID 技术应用在集装箱方面的标准，国际标准化组织isofrc104集装箱技术委员会于1991年制定TIS010374集装箱自动识别的国际标准脚。我国于1999年制定的国家标准GBfr178941999等同于IS010374标准，但这两个标准都没有得到有效推广。 （2 ）成本问题 应用 RFID 技术，给港口相关企业带来两方面投入：一是购置 REID 相关设备如标签、读写器等，二是对基础系统的改造和再投资。目前，RFID 系统投资较大，且RFID技术没有规模化应用在港口集装箱运输中，导致该技术在港口的使用成本还较高，较为严重地限制了贸易公司、海关、港口和第三方物流公司使用RFID技术的积极性。 （3）安全问题 首先是标签内容的安全问题，其次是标签的位置安全。集装箱的标签是多次重复使用的，在集装箱整个生命周期中不能失效。集装箱贴上RFID标签后，虽然在集装箱运输系统中的相关企业之间能够加快信息传递，提高物流整体服务质量，但或许将来通过一种简单的电子设备，犯罪分子能够通过无线通讯方式获得电子标签隐含信息，然后利用这些信息获得或破坏电子标签密码。因此，用于集装箱运输系统中的RFID标签要避免非系统内的读取器阅读，即标签要能够辨识阅读器，从而决定是否将标签内的信息发送给该阅读器。只有做到这样，电子化集装箱管理下的运输才会更加安全。 （4） 应用 RFID 技术的成熟度问题 目前，国内对 REID 技术应用在港口集装箱领域还处于试点和探讨阶段，相关产品还不成熟，直接使得客户对该技术的使用存在颇多顾虑。虽然有少数 REID 厂商已经研发出 RFID 集装箱的相关产品，但此类产品大多使用在某些港口的示范性工程中，与真正的规模化应用相比还存在较大的差距。 （5） 观念问题 RFID 技术应用的参与方对 RFID 的态度存在很大的差异。政府和 REID 厂商作为 RFID 的直接受益方，以积极、乐观的态度极力推广应用RFID 技术，而RFID的客户如贸易商、港口、航运等相关企业作为 RFID 的消费者，需要为应用此技术买单。他们在技术的推广初期不愿意做先行者，因为在初期的投入更加巨大，而且没有成功的模式可以模仿。在观念上，作为 REID 技术的创新使用者需要付出高额的代价，而且第一个吃螃蟹的人吃不好螃蟹反而成为吃螃蟹的先烈者，持这两种观点的客户不在少数。客户对 RFID 技术存在的观念障碍，也成为了 RFID 发展的桎梏。6. RFID技术在运用中所遇问题的解决方案：6.1.考虑金属面影响的情况下对电子标签天线进行设计标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性、标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射及隔离介质参数等的影响。因此将普通的标签贴附于集装箱金属面时，原来匹配的天线变得不再匹配了，需要对天线重新进行设计，确定天线几何形状与尺寸。超高频RFID标签的天线一般是长条和标签状，而天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。普通的电子标签天线尺寸极小，但是集装箱体的大面积空间放宽了电子标签天线尺寸的要求。同时天线的设计必须考虑前面提到的隔离介质的影响。天线设计的目标是传输最大的能量进出电路，天线匹配程度越高，天线的辐射性能越好。这需要仔细地设计天线和自由空间以及芯片电路的匹配。UHF波频段的电子标签天线一般采用微带天线形式。在传统的微带天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸和结构，或者使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。而电子标签芯片阻抗一般呈现强感弱阻的特性，而且很难测量芯片工作状态下的准确阻抗特性数据。其输入阻抗、方向图等特性容易受到加工精度、介质板纯度的影响。在保持天线性能的同时使天线与芯片相匹配，兼顾集装箱金属面的影响，这是集装箱用电子标签天线设计的一个主要难点。在以前的研究中，一般认为可以通过使用宽频带天线实现天线与芯片间的匹配。6.2.推广 RFID 技术应用在港口集装箱领域的措施 （1）RFID 系统的国际标准主要由数据采集和后台数据库网络应用系统的标准组成。目前已经发布的或者正在制定的主要与数据采集有关，如集装箱电子标签与读写器的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议，RFID 标签数据内容编码标准等。后台的数据库网络应用系统还没有形成真正的标准。 直接使用RFID 技术的标准，会带来的好处是节约我们研究制定标准的时间，但不利之处是，一旦我们采用国际标准带来两方面的问题：娃利用这些国际标准衍生而来的产品需要支付数以千亿的高额专利使用费；二是直接使用国际标准会带来的数据安全问题也不可忽视，一旦使用国外的数据库和服务器，国家的商业信息将无秘密可言，带来极大的安全隐患。我国作为集装箱生产的大国，而且也是集装箱周转的第三大国，对用于集装箱的标识电子标签标准的研究和应用将对我国的进出口贸易、集装箱生产商、RFID 产品制造商等企业产生重要的影响。 集装箱是国际流通的运输工具，该标准的制定，需要考虑国际通用性，更要考虑我们自身拥有对RFID技术在港口集装箱应用巨大的需求性。为此，我国需要尽快制定与电子化集装箱相关的国家标准，以保护国内的 RFID 产业，同时，又要影响 IS010374 的修改，使之能兼容中国标准。标准之争，不是简单的技术之争，而是巨大的商业利益及国家商业数据安全之争。因此以RFID 的国际标准为基础，制定并推行适合自身的电子化集装箱的国家标准是必需且急迫的事情 （2） 在与集装箱有关的港口重要节点中试点推行应用 RFID 技术,推进该技术在港口集装箱领域的应用。 港口中与集装箱有关的重要节点是储运中心、集装箱堆场、码头前沿及海关等。这些重要的节点应共同联合起来试点实施集装箱电子化管理，形成区域范围内对集装箱信息的协作化管理。例如在集装箱储运中心设置一组 RFID 读写器，当带有电子标签的集装箱离场时，REID 读写器将读取的集装箱信息通过网络通讯系统传给现场的服务器阁。 在集装箱堆场设置两组 RFID 阅读器，分别是控制 RFID 进场读取器，以及堆场内 RFID 监控阅读器。港口控制中心设置的 RFID 进场读取器，主动读取装有电子标签的集装箱进场信息，场内的 RFID 监控阅读器可配合跨运机对场内的集装箱实施安全监控。在海关卡口设置阅读器，卡口主机对装有电子标签的集装箱读取电子车牌、司机卡、前箱电子箱号标签的数据、后箱的电子关锁数据；通过电子地磅仪表获取重量数据；通过箱号识别模块获得集装箱图像信息并进行箱号识别。这些数据由卡口主机通过网络传输至海关物流监控平台。在港口范围内实施电子化集装箱管理，可提高集装箱物流信息采集的准确性、便利性，提高海关通关的效率；为提高港口作业自动化水平提供有力条件；也为提高集装箱物流供应链信息化、透明化提供了基础。 （3） 加速 RFID 技术研发和行业推广,降低 RFID 技术应用成本 RFID 技术在港口集装箱管理的应用发展不仅与政府部门的强制性要求、实施标准、企业合作、网络完善等因素有关，也与 RFID 技术的不断完善有关。目前电子化集装箱的研究范围涉及产品及标准的研究、应用系统的研究等内容。更为关键的是，要将这些研究成果转化成切实可行的电子化集装箱管理系统应用在港口行业。随着RFID业界对港口的集装箱系统测试和试验力度加大，加速了电子化集装箱系统在港口的应用。如2005年1月，通用电气的子公司通用电气安全集团发布了一套针对集装箱安全市场的电子系统，并和中集合作完成了第一次跨海运输的商业测试。 与此同时，GE 正在全球范围内的港口安装 RFID 读写器和软件，全力推广智能集装箱系统的相关技术，力图使这些技术成为集装箱行业的一个新标准。我们相信在业界的共同努力下，RFID 在港口的应用将随着技术的不断成熟，逐步降低客户的使用成本。在RFID 技术不断完善的背景下，在客户强烈的需求推动下，RFID 技术在港口集装箱领域的使用必将渐行渐近。 （4） 在重要港口分阶段逐步实施 RFID 技术 全球领先咨询公司 Gartner 将企业运用RFID技术分为三个阶段：第一阶段是企业内部采用 RFID 技术，应用目的是验证RFID能被用在特定企业的某种环境中；第二阶段是企业结合RFID技术和现有业务流程，但只是把 RFID 应用作为原有业务系统的一种完善和补充，用新技术来适应传统的应用；第三阶段是以 RFID 技术为核心设计业务流程，优化已有的业务流程，消除人工流程，提高信息自动化处理程度。 参照 Gartner 在企业运用 RFID 技术的三个阶段理论，在港口集装箱管理领域中导入 RFID 技术也可以分为三个阶段：第一阶段在港口堆场的集装箱管理中导入RFID技术，实现在港口的重要节点上监督、控制、追踪集装箱。