（通信与信息系统专业论文）基于rfid技术的铁路集装箱实时查询系统的研究与实现.pdf

北京交通大学硕十学位论文中文摘要 中文摘要 无线射频识别技术( r f i d ) 是自动识别技术的一种高级形式。r f i d 最大的优点 在于非接触读取数据。数据的自动识别完成了系统原始数据的采集工作，解决了 人工抄录数据速度慢、误码率高、劳动强度大、工作简单重复性高等问题，成为 计算机信息处理快速、准确地数据采集输入的有效手段。 随着我国加入w t o ，国外运输企业也逐步进入到国内运输市场，这给铁路运 输带来了较多的发展机遇，同时也带来了竞争压力。面对这些挑战和机遇，中国 铁路必须加快发展。对铁路来讲，由运输服务向物流服务的战略转移是推进铁路 跨越式发展的方式之一，而提供全面的物流信息则成为物流服务中一个至关重要 的要素，其中货物追踪查询信息是物流信息中客户最需要的信息之一。目前在铁 路运输中最重要的是铁路集装箱运输，因此本论文重点讨论铁路集装箱货物运输 的追踪查询方案。现阶段我国铁路集装箱运输只能实现对货车的大节点追踪，离 集装箱的追踪查询还有一段距离，并且现有的面向客户的铁路集装箱查询系统仅 为铁路内部个别部门提供箱信息，不能为客户提供实时的集装箱动态信息查询服 务。 本文在深入研究了铁路集装箱货物运输业务流程和r f i d 技术的基础上，构建 了一个基于r f i d 的铁路集装箱管理和追踪的可行性方案，并且针对铁路上现有的 集装箱查询系统所存在的问题，设计并实现了一个面向广大客户的铁路集装箱实 时查询系统。 该系统在能完成对常规集装箱信息、货物信息、货主信息等录入与查询的同 时，重点突出了引入r f i d 技术以后，系统在集装箱跟踪等方面所具有的新特征， 解决了客户无法实时跟踪查询集装箱的问题；第二，本论文提出了基于w e b 式的应 用解决方案，使系统的使用更加灵活方面，满足客户随时随地查询自己货物信息 的要求，解决了目前铁路上现有的基于c s 架构的查询系统的缺点，并且充分考虑 到了系统的安全性设计问题；第三，本系统将所有用户进行等级划分，这一举措 既满足了不同客户个性化的服务需求，同时也在一定程度上保护了铁路自身的利 益，保证了铁路的正常运营和调度；第四，本系统设计中增加了紧急预案模块， 该模块是专门针对今年的南方大雪灾而提出的，当再次发生一些人为不可抗拒的 自然灾害时，本模块可以作为铁路与客户信息交互的有效平台，确保客户与铁路 的信息对等，以便铁路与客户协商更改运输计划，将损失程度降到最低。 关键词：r f i d ；铁路集装箱；实时查询；w e b 式应用解决方案；安全性设计；个 性化服务；紧急预案 分类号：u 2 9 1 a b s t p a c t 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i sa na d v a n c e df o r mo f a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na n dd a t ac a p t u r e ( a i d c ) n ea d v a n t a g eo fr f i di st h a ti t c a nr e a d d a t aw i t h o u tp h y s i c a lc o n t a c t 1 1 1 ea i d co fd a t ac o m p l e t e st h ew o r ko f g a t h e r i n go r i g i n a ld a t a a sat e c h n o l o g yo fa i d c ，r f i ds o l v e st h ep r o b l e m so fl o w s p e e d , h i g hr a t eo fe r r o rc o d e ，h a r da n dr e p e t i t i v ew o r k st h a te x i s t si nm a n u a ld a t ae n t r y , a n di ta l s op r o v i d e sa ne f f i c i e n tm e a n sf o rc o m p u t e r i z i n gi nq u i c ka n da c c u r a t ed a t a e n t r y f o l l o w i n gc h i n a sa e c e s s i o nt ot h ew t o ，f 0 r e i 印e n t e r p r i s e sg r a d u a l l ye n t e r i n g c h i n at r a n s p o r t a t i o nm a r k e t , r a i l t r a n s p o r t a t i o n i sb r o u g h ta b o u td e v e l o p m e n t o p p o r t u n i t i e sa n dc o m p e t i t i v ep r e s s u r e s t h e r e f o r ec h i n ar a i l w a ym u s ta c c e l e r a t et o c o n f r o n tt h ec h a l l e n g e s o ，t h es t r a t e g i cs h i f to fc h i n ar a i l w a yf r o mt r a n s p o r t a t i o n s e r v i c e st ot h el o g i s t i c ss e r v i c e si sa ni n e v i t a b l ec h o i c ef o rd e v e l o p m e n tb yl e a p sa n d b o u n d s p r o v i d i n gc o m p r e h e n s i v el o g i s t i c si n f o r m a t i o ns e r v i c e sh a sb e c o m eav i t a l f r e i g h to p e r a t i o n so ft h ec o r ee l e m e n t so fc o m p e t i t i o n , a n dc a r g ot r a c k i n gc u s t o m e r e n q u i r i e si n f o r m a t i o ni so n eo ft h em o s tn e e d e di n f o r m a t i o n n o w a d a y s ，t h em o s t i m p o r t a n tr a i lt r a n s p o r t a t i o ni sr a i lc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n s oi nt h i sp a p e r , w ew i l l d e e p l yd i s c u s st h es c h e m ef o r t h ei n q u i r e so ft h er a i lc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , c h i n ar a i l w a yj u s to n l yr e a l i z e st h el a r g en o d e st r a c ko ff r e i g h tv e h i c l e t h e r ei ss o m e d i s t a n c et oq u e r yt h e 缸a c ko fc o n t a i n e r t h ee x i t i n gr a i l w a yc o n t a i n e ri n q u i r ys y s t e m c a nb eu s e do n l yb ys o m er a i l w a yd e p a r t m e n t s ，a n di tc a i ln o tp r o v i d ei n f o r m a t i o n a b o u tt h ec o n t a i n e ri nt i m e b a s e do nt h el u c u b r a t i o no ft h ep r o c e s so fr a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n , t h et h e s i s a d o p t sr f i dt e c h n i q u ea n dd i s c u s s e st h ef e a s i b l es c h e m e sf o rt h ei n q u i r e so fc o n t a i n e r t r a c k i nt h i sp a p e r , w ed e s i g na n di m p l e m e n tar a i lc o n t a i n e ri n q u i r ys y s t e mw h i c h c a l lb eu s e db ya l lc u s t o m e r s ，a n di ts o l v e st h ep r o b l e m si ne x i t i n gi n q u i r ys y s t e m t l l i ss y s t e me m p h a s i z e st h en e wc h a r a c t e r i s t i c sa f t e ri n t r o d u c i n gt h er f i di n t ot h e i n q u i r ys y s t e m c e r t a i n l y , i tc a na l s oc o m p l e t et h ec o n v e n t i o n a lf u n c t i o n so fi n q u i r i n g c o n t a i n e r s ，g o o d sa n dc u s t o m e r si n f o r m a t i o n ；s e c o n d ，m yp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e a p p l i c a t i o np r o j e c tt h a ti sb a s e du p o nt h ew 曲，w h i c hm a k e st h ea p p l i c a t i o no fs y s t e m a g i l e ra n dr e a l i z e st h en e e d st h a tc u s t o m e r sw a n tt oi n q u i r ym e i rg o o d si na n yt i m ea n d p l a c e , a n ds o l v e st h ee x i t i n gp r o b l e mb r o u g h tb ye x i t i n gs y s t e mw h i c h i ss t r u c t u r e db y c l i e n t s e r v a n t ；t b i r d ，i nt h i ss y s t e m ，w ed i f f e r e n t i a t ea l lc u s t o m e r si n t os o m eg r a d e s ， 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n dt h a tc a l lp r o v i d ed i f f e r e n tc u s t o m e rt h ed i f f e r e n ts e r v i c e ，m e a n w h i l ei ta l s oc a l l p r o v i d et h er a i l w a y sb e n e f i t s ；f o u r t h ，t h i ss y s t e ma l s op r o v i d eae m e r g e n c yf u n c t i o n , t h i sf u n c t i o ni su s e da sa ni n f o r m a t i o ne x c h a n g i n gs y s t e mb e t w e e nr a i l w a ya n d c u s t o m e r sw h e ns o m ee m e r g e n c i e sh a p p e ns u c ha ss o u t hh e a v ys n o wd i s a s t e ri n2 0 0 8 u s i n gt h i sf u n c t i o n , r a i l w a ya n dc u s t o m e rc a l lk e e pi n f o r m a t i o nc l o s ea n dd i s c u s st h e t r a n s p o r t a t i o ns c h e m ei nt i m et ol i g h t e nt h el o s s k e y w o r d s ：r f i d ；r a i lc o n t a i n e r ；i n q u i r y ；a p p l i c a t i o np r o j e c tu p o nt h ew e b ；s e o 1 r e d e s i g n ；p e r s o n a ls e r v i c e ；e m e r g e n c yf u n c t i o n c l a s s n o ：1 1 2 9 1 5 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：安黼 签字日期：m 孓年乡月侈日 导师签名：芗 签字日期：年月日 北京交通大学硕十学位论文独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 更琳 签字日期：彦年月7 乡日 致谢 本论文的工作是在我的导师张思东教授的悉心指导下完成的，张思东教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 张思东老师对我的关心和指导。 高德云老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向高老师表示衷心的谢意。感谢张宏科教授、周 华春老师、秦雅娟老师、刘颖老师，他们在我的毕业设计中给予了我很多的帮助 和指导，在此我向他们表示万分的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，万宏宇、赵楠、韩娜、曹晓宁、伦志峰等同 学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1 研究背景及意义 集装箱运输作为一种先进的运输方式越来越被国际运输业所肯定。我国加入 世贸组织后，国内外贸易不断扩大，集装箱运输在我国亦进入了蓬勃发展的时期。 随着中国制造能力的进一步增强，大宗货物和制成品的大进大出及集装箱适箱率 的提升也给港口集装箱运输的发展带来了良好的机遇，预计2 0 1 0 年前后中国将成 为世界最大的集装箱航运中心，港口集装箱吞吐量将达至l j l 0 8 0 0 万t e u ，外贸集装 箱吞吐量将达8 0 0 0 8 5 0 0 万t e u 。据测算，扣除空箱、中转、内贸箱和短途运量， 铁路应接运港口总吞吐量的5 左右，而目前中国铁路接运的量不足2 ，这对铁 路集装箱运输也是一个巨大的挑战，铁路集装箱运输只有加快发展、改善服务， 才能在集装箱运输市场中发挥应有的作用。 在今年的南方大雪灾中，由于降雪量和降雪面积的持续增加，导致部分货车 的晚点和临时停运，许多运输途中的集装箱被半路搁置或延期运送。由于用户无 法实时了解自己的集装箱动态信息，铁路与用户信息不对等，致使用户不能及时 与铁路进行协商、改变原有的运输计划，导致在这次大雪灾中，铁路和用户的经 济损失都很惨重，直接给国家造成了许多不必要的浪费，中国铁路实现跨越式发 展，由运输服务向物流服务的战略转移是其必然的选择，而提供全面的物流信息 服务则成为铁路货运发展中的一个的核心目标，因为货物追踪查询信息是客户最 需要信息之一，使客户能够随时了解其货物的状态，做到运输全程的安全、准时、 透明，既能使客户放心，同时也有利于铁路货运工作的组织。 1 2国内外货物追踪查询现状分析 我们先来看看国内外一些公司以及我国铁路线有的在追踪查询货物时所采用 的方法，这些方法可以成为我们日后研究的理论基础和经验借鉴。 1 2 1现有追踪查询系统分析 日本铁路货运公司采用的是集装箱运输信息和追踪系统( 简称i t - f r e n sa n d t r a c e ) ，并于2 0 0 4 年5 月完成了在1 4 0 个集装箱办理站、5 0 0 个装载设备、8 0 0 0 个集装箱拖车和9 0 0 0 0 个集装箱上无线电电子标签的安装，通过全球卫星定位， 北京交通大学硕上学位论文 实现对所有铁路货运车辆的追踪管理。该系统已于2 0 0 4 年5 月开始测试，并于2 0 0 5 年1 月投入使用，货主和货运代理从因特网上可以查询到与货运资源相关的各类 信息。 香港物流企业对货物追踪服务亦十分重视。香港空运服务有限公司( h a a s ) 推 出的多式联运“超级中国干线 服务，通过网站相联系的“高识计算机系统 ( c o s a c ) ”，顾客可以随时追踪货物的运送情况，无论货物在飞机上、仓储中或在 公路运输中，都能运用最新引进的全球定位及电子封条综合系统，得知货物的即 时状况。 国内的一些大型货运企业( 如中远航运) 也已经实现了通过全球卫星定位系统 ( g p s ) 对自己承运的货物进行全球追踪定位；而一些中小型的货运( 物流) 企业由于 限于自身的规模，既没资金使用g p s ，又没有力量开发货物追踪系统，但又为了 提高企业的竞争力，为客户提供更好的服务，通过给驾驶员配备移动电话来实现 对货物的追踪定位。 1 2 2我国铁路集装箱现行追踪情况及查询系统分析 在了解了国内外一些公司现有的追踪查询方案后，我们再来了解一下我国铁 路目前货物追踪的情况以及现有的查询系统。 现在我国铁路货物运输只能实现对货车的大节点追踪，离货物的追踪查询还 有一段距离。中铁快运可实现简单的货物查询，中铁快运提供的消息包括发货日 期、发货地、到达日期、到达地、签收日期、签收人等六项消息，比较单一，而 且不能实现对货物的实时追踪。 目前铁路上现有的集装箱信息查询系统( c i s ) e p 所存在的最主要的问题是： ( 1 ) 专网限制 现有的查询系统采取c s 架构，使得该系统仅为铁路内部处于专网中的个别部 门提供箱信息，处于外网中的用户所能查询到的信息主要包括发货日期、发货地、 到达日期、到达地、签收日期、签收人等六项消息，信息简单，对用户帮助不大。 ( 2 ) 实时性不强 目前铁路为客户提供的查询信息，仅包括始发站和终点站两个站点，对于途 中集装箱经过的各站点情况并不能实时查询，客户无法了解集装箱在运输途中的 情况，不能全程跟踪自己的集装箱。 1 3 目前可供选择的货物追踪查询技术 2 引言 要想实现货物的实时查询，了解货物的动态信息，首先要做到对货物的实时 追踪，目前比较好的追踪技术主要有以下三种，我们分别来对它们进行介绍。 1 3 1全球定位系统g p s 技术 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统，是近年来开发的最具有开 创意义的高新技术之一，具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空与航天) 、全天 候性优势的导航定位、定时、测速系统。g p s 是一个无线电空间定位系统。它利用 导航卫星和地面站为全球提供全天候高精度的三维坐标和时间的定位信息地球表 面和上方任何地点可以无源方式接受用于定位导航。g p s 导航系统与电子地图、无 线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理 等许多功能。 1 3 2e d i 技术 电子数据交换( e d i ) 是指以电子方式将采用标准格式构造的贸易数据在计算 机应用程序间的传输和交换。e d i 不是用户之间简单的数据交换，e d i 用户需要按 照国际通用的消息格式发送信息，接收方也需要按国际统一规定的语法规则，对 消息进行处理，并引起其它相关系统的e d i 综合处理。整个过程都是自动完成，无 需人工干预，减少了差错，提高了效率。e d i 系统由通信模块、格式转换模块、联 系模块、消息生成和处理模块等4 个基本功能模块组成。 1 3 3无线射频识别技术 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，无线射频识别系统) ，常称为感应 式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等，是利用射 频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技 术，是自动识别技术在无线电技术方面的具体应用和发展，被视为本世纪最重要 的信息技术之一。 对物品进行追踪是r f i d 最常见的应用之一，在工业或商业活动中有助于改进 生产处理过程、减少管理成本。库存目录管理是用于工厂、商店、仓库自动记录 库存情况的管理手段，虽然也可以采用其他技术手段进行管理，如使用条形码， 但是r f i d 标签不用人工扫描就能识别，这就大大减少了操作时间。r f i d 标签还可 以写入新的数据，记录下它的经历。 北京交通大学硕士学位论文 综合比较上述三种技术，我们发现g p s 虽然定位比较精确，但是由于投入成本 过高，而且只能实现对于整列车的追踪，因此并不适用于对每个集装箱的追踪； 而e d i 技术缺少很好的扩充性，采取e d i 来交换数据，必须按规定程式进行，一旦 交易对手变了，就要做出新规定，不适用于铁路运输这种多变化的交易模式。综 上所述，我们认为将r f i d 技术应用到铁路集装箱的管理和跟踪上具有不可替代的 优越性，r f i d 作为一项自动识别技术，其识别速度快，可在恶劣条件下工作，r f i d 在关键节点处对集装箱箱号的自动识别，可取代人工抄取箱号的方式，改变集装 箱运输中现场操作落后的局面，减少重复性的人工操作，精练工作流程，因此我 们认为r f i d 是解决集装箱追踪和管理问题的有效方法，并且我们在本论文中将采 用i 强d 技术作为追踪集装箱的基本方法【l 】。 1 4课题提出的理论基础 射频技术的历史可以追溯n 2 0 世纪3 0 年代，从历史上看，一般要花2 0 - 3 0 年的 时间才能使一种技术得到商业的应用，要使其变得完全成熟起来，经常要使用 4 0 5 0 年的时间。例如，无线电、电视、晶体管、计算机等都经过了几十年的发展。 射频识别技术，已经经过了几十年的发展，现在，无线射频识别技术正在改变或 改进各地的商业和工业活动。历史也证明，只要有需求和有实现的经济意义，新 技术就会不断发展。如今r f i d 技术带来的方便，带来的经济效益以及它的广泛的 应用前景，也成为驱动射频识别技术新的应用开发与利用的力量。在2 1 世纪，围 绕r f i d 的新一轮发明和革新将进一步推动r f i d 进入我们的生活。 无线射频识别是通过无线传送的数据来检测和识别带有标签的物体，这需要 一个标签( 应答器) 、一个识读器( 查询器、读写器) ，还需要天线( 耦合设备) 。当 一个标签受到查询时，它的内存中的数据就会发送出去，标签的作用就是将关于 某个对象的数据物理地附随于这个对象上，因此每个标签都有用于存储数据的内 部编码机制。 1 9 9 9 年美国麻省理工学院a u t oi d 中心提出了e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ， 产品电子代码) 这个新的理念，即人们将每一件物品赋予一个唯一的编号，e p c 标签是这一编号的载体，当e p c 标签贴在物品上或内嵌在物品中的时候，即将该 物品与e p c 标签中的唯一编号( 标准说法是“产品电子代码 或“e p c 代码 ) 建 立起了一对一的对应关系。 基于互联网和射频技术的e p c 系统，即实物物联网( 简称物联网) 是在计算 机互联网的基础上，利用r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频识别) 、天线数 据通信等技术，构造了一个实现全球物品信息实时共享的“i n t e r a c to f t h i n g s 。它 4 引言 将成为继条码技术之后，再次变革商品零售结算、物流配送及产品跟踪管理模式 的一项新技术。 基于物联网这一新理念的诞生，随之而来的是适用于这一理念的e p cc 1 g 2 标签的诞生。所谓的e p cc 1 g 2 标签是指符合第二代标准( g e n2s t a n d a r d ) 的电子标 签，第二代标准是一种有关e p c 标签到识读器的接口标准，它对硬件的互操作起了 至关重要的作用，标签通过使用该标准可多次识读的特点，能够在8 6 0 9 6 0 m h z 间的不同频段上与识读器进行通信。c 1 g 2 标签的编码原则是标签中的数据仅代表 一个信息的检索号，标签中不再存放关于物品、企业等的详细信息，更多的信息 都将存放在网络中，c 1 g 2 标签的编码原则符合e p c 物联网的理念，因此成为物 联网的重要组成部分。 c 1 g 2 标签除了在编码方式上不同于以往的标签外，它同时具有一些其他标签 无法比拟的优越性，正是这些优越性使它非常适用于对铁路集装箱等物流运输的 透明化管理和实时追踪。下面我们简要介绍g e n 2 标签的这些优越性能。 首先，g e n 2 标签中存放的仅是物品的唯一识别标识，这一优点可以实现集装 箱的透明化管理，我们可以将集装箱箱号写入g e n 2 标签，而关于集装箱中的货物 信息则存放在后端系统中，由于集装箱箱号的唯一性，使得每一个电子标签可以 唯一的识别一个集装箱，这样就可以实现集装箱的自动识别，并且在集装箱管理 和追踪过程中实现透明化操作，当然这里的“透明化 是建立在后端系统“有形 的信息流支持的基础上的。 第二，基于g e n 2 标准的识读器具有很高的读取率( 识读距离可达1 0 米，读取 率近1 0 0 ) 和识读速度，识读器每秒钟可读15 0 0 个标签，在批量扫描标签时避免 重复识读。这一特点非常适用于当火车高速运行时对于火车上集装箱的实时准确 识别。 第三，g e n 2 协议下的标签和识读器工作在9 0 0 m h z 左右的超高频带，这使得 g e n 2 标签非常适宜于作为专门工作在金属环境中的被动式9 1 5 m h z 标签，由于集 装箱表面全部为金属材料，所以g e n 2 标签非常适用于贴在集装箱表面。 第四，g e n 2 协议的频谱分布比较广泛，这一优点提高了u h f 的频率调制性能， 2 0 0 7 年4 月2 0 日，我国信息产业部正式划定了u h f 频段射频识别技术应用试行 使用频率为8 4 0 8 4 5 m h z 9 2 0 9 2 5 m h z ，避免了与现有无线电业务得干扰。 最后，g e n 2 标准是一个开放的标准，这使得更多的技术提供商可以在不缴纳 专利授权费的情况下生产符合供应商、制造商和终端用户需要的产品，从而减少 了终端用户实现l 心i d 系统的费用，促进了标签价格的降低。这一特点非常适用于 我国铁路集装箱数量较多的情况，可以在节约成本的同时提高管理效率。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 5 课题的主要内容、设计思想及预期结果 1 5 1课题的主要内容 通过长时间的现场调研，认真分析了目前我国铁路和客户对铁路集装箱货物 信息实时查询的需求，针对当前铁路集装箱在信息查询上所存在的问题，结合r f i d 技术在物品跟踪管理上的应用优势，本论文设计并实现了基于无线射频识别技术 的面向客户的铁路集装箱实时查询系统，解决了目前集装箱查询系统所存在的一 些问题，本系统实现了将铁路集装箱动态信息放置在公网上的要求，满足了客户 的查询需求，并且在系统整体设计上顾及到了铁路的自身利益，保证了铁路调度 工作的正常进行，同时在将整个系统放置在i n t e r n e t 网络上后充分考虑到了系统 的安全问题。 目前铁路上现有的集装箱信息查询系统中所存在的最主要的问题是： ( 1 ) 专网限制 现有的查询系统仅为铁路内部处于专网中的个别部门提供箱信息，处于外网 中的用户所能查询到的信息主要包括发货日期、发货地、到达日期、到达地、签 收日期、签收人等六项消息，信息比较简单、比较单一。 ( 2 ) 实时性不强 目前铁路为客户提供的查询信息，仅包括始发站和终点站两个站点，对于途 中集装箱经过的各站点情况并不能实时查询，无法满足客户实时查询的要求。 因此在本课题里提出了面向客户的集装箱实时追踪查询方案，设计了基于w e b 形式的个性化的集装箱客户查询系统，使广大货主在因特网上可以方便的查询自 己的货物信息并且实时跟踪自己的集装箱，为客户提供集装箱在途中各大货运站 点的信息；针对不同的货主有不同的需求，我们设计了满足不同客户需求的服务 系统，同时这样做也是出于维护铁路自身利益的考虑；同时，我们将专网上的信 息放在公网上后必须考虑整个系统的安全性和货主信息的保密性，因此本论文中 提出了基于角色管理的系统访问控制机制以及数据库的安全机制；在此系统中还 充分考虑到以后可能会遇到一些人为不可抗拒的自然灾害情况，因此专门添加了 紧急预案这个功能模块，以便当再次发生紧急情况时，可以将损失减d , n 最低程 度，实现资源的合理优化和配置。 1 5 2设计思想 我们考虑将g e n 2 新一代无源电子标签安装在每一个铁路集装箱上，用g e n 2 6 引言 标签作为每一个集装箱的唯一标识，在对应的每一个集装箱的标签中写入该集装 箱的箱号等固有信息，通过扫描集装箱上的标签就可以自动识别该集装箱，并且 在集装箱堆场和各大货运站点安装r f i d 阅读设备，实时监控集装箱的动态信息， 做到从集装箱进入堆场后便开始对其进行跟踪管理。 本论文的主要任务是设计一个面向客户的铁路集装箱实时查询系统，该系统 中的信息来源于货场和货运站对于集装箱动态信息的实时采集和录入。而本论文 的重点是讨论如何划分本系统的功能模块，以及必需考虑将原有的铁路专网信息 放置在公用网络上后如何保证系统的安全性，这也是整个系统设计的重中之重。 在功能模块的划分上，我们考虑本系统是供三类人员进行操作的，因此本系 统划分了四大基本模块：集装箱实时查询模块、集装箱及用户信息录入模块、集 装箱状态信息插入模块以及紧急预案模块。其中，集装箱实时查询模块是供客户 使用的，客户登陆后可以通过此模块查询自己的货物信息以及集装箱的动态信息； 集装箱及用户信息录入模块是供集装箱堆场使用，堆场可以将货主和所托运的货 物等相关信息实时录入该系统，以备日后货主查询使用；集装箱状态信息插入模 块是供各大货运站使用的，在该模块中，货运站的操作人员需要将集装箱在该站 的动态信息实时录入，从而保证客户可以实时查询到集装箱的动态信息；紧急预 案模块是当发生一些人为不可抗拒的自然灾害( 如今年的南方大雪灾) 时为客户提 供的紧急预备方案，这时候铁路上的集装箱动态信息向所有货主公开，货主不在 分等级，所有货主都可以查询到自己集装箱的全部信息。 1 5 3预期结果 本系统的设计面向广大客户，意在满足广大客户实时查询集装箱动态信息的 需求，因此该系统实现后，希望可以解决以下几方面现实中存在的问题。 第一，可以满足广大客户的需求，使广大客户在登陆i n t e r n 吼网络后，在装有 浏览器的情况下可以随时查询自己的货物和集装箱动态信息。 第二，为了保护铁路方面的利益，我们的设计并不是要将铁路上的所有信息 都对外公布，而是进行了用户等级的划分，这个划分标准由铁路来定，根据用户 等级，有选择性的向客户提供信息，这样可以保证铁路自身的调度不受干扰，并 且降低铁路客户服务部的工作量。 第三，该系统可以解决货物与货票分离的问题。现在的实际情况是通常货物 已经到达，但是提货单还在中途邮寄，致使货主无法按时提货，造成了货物搁置 现象，使货主必须得缴纳额外的滞留费，该系统建立后，可以使货主及时查询到 自己的货物已经到站的信息，并且凭借该系统提供的电子货票以及其他证件便可 7 北京交通大学硕十学位论文 以去领取货物。 第四，货主可以随时查询自己的集装箱在路上的信息，并且当发生编组错误 致使货物向相反方向运送时，货主可以及时发现，并向铁路部门反映，及时更改 运输路线，减少不必要的损失。 第五，当有紧急情况出现时，以今年的南方大雪灾为例，可以开启紧急预案 功能，将所有信息向货主开放，保证货主可以实时了解到自己的集装箱信息，并 且使得铁路与货主信息对等，方便货主与铁路及时进行信息沟通，做出合理的运 输计划。 1 6论文结构 本论文得主要工作是利用b s 技术设计一个面向客户的铁路集装箱实时追踪 查询系统，并对该系统的总体结构和功能模块进行了详细的划分和介绍，同时重 点讨论了该系统的安全性设计和实施，并最终实现了该系统。 结合以上内容本论文共分五章。在第一章中，详细介绍了本论文提出的背景 及意义、分析了国内外的现状、讨论了本论文提出的理论基础、分析了我国目前 现有的铁路追踪查询系统所存在的问题以及提出了本课题的主要内容、设计思想 并设想了预期能够达到的结果；在第二章中，详细讲解了r f i d 系统的组成和工作 原理，并着重介绍了新一代无源电子标签以及将其应用的铁路集装箱管理上的可 行性和优势；第三章，介绍本论文设计的查询系统的体系结构和各个功能模块， 并对总的结构和各大功能模块进行了详细的介绍；第四章，详细介绍了针对该系 统的安全性设计，并重点讲述了基于角色的访问控制理论，并将该理论优化后添 加到本系统的安全设计方案中；第五章，重点讲述了本系统实现的开发平台及所 用到的关键技术，并且对各个功能模块的具体实现步骤和最终实现效果进行了详 细的描述，最后对于本系统的安全策略实现进行了详尽的介绍。 8 r f l d 技术原理及在铁路集装箱上的应用 2r f i d 技术原理及在铁路集装箱上的应用 2 1r fid 系统组成 r f i d 系统的硬件组件包括r f i d 标签、识读器和天线，用于识别和捕捉r f i d 标签中的数据，系统中当然还有主机，用于运行处理数据的应用程序，并连接网 络，其硬件组成形式如图2 1 所示【2 】。 r f i d 标签 耦合 2 1 1电子标签 r k _ 鬻识读器 天线 坎映看哥 图2 - 1 标签、阅读器和天线 f i g u r e2 - 1t a gr e a d e ra n da n t e n n a r f i d 标签是一个微型的无线收发装置，在r f i d 标签内保存有数据，当识读 器查询时它会发送数据给识读器，当前最通用的r f i d 标签是带内存的集成电路组 成，它实质上是一个带内存的微处理器芯片。此外，还有一些r f i d 标签是无芯片、 无集成电路的。与采用集成电路的r f i d 标签相比，无芯片的r f i d 标签有可能大 幅度降低成本。在只需要一些简单功能的应用时，它们也能达到很高的准确性和 很远的探测范围。 当一个r f i d 标签受到查询时，它的内存中的数据就会发送出去。一个标签能 执行的基本任务包括读内存、写内存，或以其他方式处理内存中的数据，如加密。 一个r f i d 标签的内存属性可以分成如下三种：只读、写一次读多次或者可读可写。 r f i d 标签的作用就是将关于某个对象的数据物理地附属于这个对象上，因此 每个标签都有用于存储数据的内部机制。只读标签通常是在制造时已经确定了内 部的数据，写一次读多次的标签可以由r f i d 标签的用户一次性写入数据，这增加 了标签使用的灵活性。这两种标签都具有一个优点，就是消除了偶然或恶意重写 9 北京交通大学硕十学位论文 标签数据导致的危险。如果一个r f i d 标签内存能够允许写入数据、修改数据，通 常也增加了标签的陈本，而同时它也具有了执行更多功能的能力。 r f i d 标签类型可分为被动标签、主动标签和半主动标签( 也有人称之为半被 动标签) 。当前最常用的标签是被动标签，这些标签可以制成各种形状并且能以非 常低的成本生产。这其中的一个重要原因是它们不需要电池。它们从识读器发射 的电磁能量中获取所需的能量。当前许多r f i d 系统方案中都使用了被动标签的技 术，比如动物跟踪、资产管理、工业自动化、电子商品监视和访问控制等许多应 用系统。 2 1 2识读器 识读器是一个捕捉和处理r f i d 标签数据的装置。有一些识读器也能将数据写 到r f i d 标签中，因此有时识读器设备还称为读写器。识读器也负责与主机接口。 识读器的功能首先是激活标签。对于被动标签和半主动标签，识读器提供必 要的能量激活在识读器电磁场范围内的标签。这个场的范围大小通常取决于识读 器与r f i d 标签双方天线的尺寸和识读器的功率。天线尺寸又是由应用需求确定 的。而识读器通过天线进行发射的发射功率还要受到各国各地区有关的标准、规 则的限制。功率决定了电磁场的强度和范围，但每个国家都有自己的标准和规则， 限制了在各种频率上的功率。由于这个原因，各个国家的r f i d 系统之间往往不能 兼容。 关于工作频率。影响标签和识读器之间通信的最重要的因素之一是它们之间 的工作频率。工作频率是根据应用要求、各国的相关标准和规则确定的。最常用 的r f d 工作频率是低频( l f ) 的1 3 5 k h z 或更低，高频( h f ) 的1 3 5 6 m h z ，超高频 ( u h f ) 的4 3 3 m h z 以及微波频率2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。一般来讲，频率也确定了在 标签和识读器之间的数据传输率。频率越低，传输速率就低。然而在设计一个r f i d 系统时，传输速率并不是唯一要考虑的因素。在为某个应用系统确定工作频率时， 环境条件起着非常重要的作用。 2 1 3天线 天线是用于在r f i d 标签和识读器之间建立数据通信的通道，天线的设计和位 置对于系统的覆盖范围、识读距离和操作通信的准确性起着重要作用。例如，直 线状的识读器天线比环状的识读器天线能提供更远的识读范围，但是如果标签天 线的朝向相对于直线状的识读器天线是随机的，识读结果的准确性就会变差。这 1 0 r f i d 技术原理及在铁路集装箱上的应用 就使得直线状的识读器天线更适于自动装配线一类的场合，因为在那种情况下标 签的朝向可以总是取相同的方向。 r f i d 标签和识读器之间的通信受到不少限制。首先，虽然传输的是数字信号， 但天线的传输是模拟方式而非数字方式。这样它的传输质量很容易受到各种因素 的影响而下降。其次，通信还会受到各种i 强噪声源和环境条件的干扰。下列情况 都可能导致干扰，影响识读：液体，如水会影响电磁波的传播；金属箔或其他金 属性物体；比较高的湿度；极端的温度，如非常热或非常冷的情况；电机或引擎 的运转；无线设备，如手机、p d a ；计算机无线通信网络以及无绳电话等。这些 条件对r f i d 系统性能影响的程度，还要看标签与识读器之间通信所采用的操作频 率。 处理干扰的能力对于r f i d 系统的成功起着重要作用。因此，每个r f i d 部件 能够安装放置到最理想的位置也是非常重要的。在系统设计中不仅要不断从物理 上克服这些不利的影响和限制，同时，要采用软件的方法实现纠错、容错，这可 以有效提高识读的精确性和系统的可靠性。 2 1 4r f i d 工作原理 电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，标签附着在待 识别物体的表面。识读器可无接触地读取并识别标签中所保存的电子数据，从而 达到自动识别物体的目的，阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签 进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被阅读器读取并 解码后送至计算机，由计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及 远程传送等管理功能p 】。 无线射频识别操作中的一个关键因素是数据的传输交换，它发生在p u 口i d 标签 与识读器之间，称为耦合( c o u p l i n g ) 。这是通过天线进行的，r f i d 标签和识读器 都有各自的天线。在大多数无线射频识别系统中，耦合可以利用电磁波( 反向散 射) ，也可以利用磁( 感应) ，所用的方法取决于应用需求，如成本的高低、尺寸 的大小、识读速度、读取范围和精确度等。 利用磁感应耦合的无线射频识别系统读取范围很小，是在几厘米的范围。这 类系统适用于如门禁控制等一类的应用中，在这些应用中短距离是优点。在这些 情况下，一个标签仅能开一把锁或开一扇由无线识别系统控制的门。当