射频识别技术在集装箱运输管理中的应用

1、射频识别技术在集装箱运输管理中的应用摘要:本文主要简要介绍了射频识别技术的定义、分类及工作原理，并阐述在集装箱运输管理中RFID的应用。作为新的技术一一 RFID技术有其显著的优势，但其在广泛应用之前仍 面临着很大的困难。本文就RFID技术在集装箱运输管理上应用所存在的问题，分析并讨论其解决方案。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。关键词：RFID 应用局限性方案引言20世纪60年代以来，集装箱运输在许多国家得到了迅速发展，现在已成为国 际运输中重要的运输方式。RFID（射频身份标签）由于采用微波反射调制方式或感 应耦合方式进行识别，与条码

2、相比，由于不受雨、雪、雾和噪音、振动等的影响， 抗污染性强，已受到集装箱运输与管理的广泛关注。射频识别技术将以更加经济的方式获取货物流动的信息，完全取代条形码的地位。借助射频识别技术的供应链将在运营成本和执行效率方面大大超过其竞争 对手。射频识别技术（RFID）以识别速度快、精度高、无需接触、环境适应性强等特 点而受到集装箱运输业的宵睐，得到了快速发展。它逐渐被运用到了交通运输， 航空包裹的管理，后勤管理，生产线自动控制，门禁管理，物料处理，医疗等领 域。RFID技术在对托盘、集装箱、运输车辆等方面的管理，对商品的标识以及 供应链整体的管理的应用都促进了物流业的发展。电子标签具有读取距离远（一

3、股在20 m以内）、适于恶劣环境、穿透性强、可识别运动目标等特点。RFID技术在集装箱领域的应用使准确控制、追踪集装箱的who, where, when信息成为了可能。集装箱用电子标签多用超高频 （UHF）段。这个频段的穿透能力 强，并且在动态读取时显示出了优越性射频识别技术的定义分类工作原理射频识别技术（Radio Frequency Identification ，缩写 RFID）,射 频识别技术是 20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技 术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射

4、频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。根据RFID系统完成的功能不同，可以粗略地把RFID系统分成四种类型：EAS系统、便携式数据采集系统、网络系统、定位系统。EAS 技术ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE（EAS） 一种设置在需要控制物品出入的门口的RFID技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数据中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告。在应用EAS技术时，首先在物品上粘付EAS标签，当物品

5、被正常购买或者合法移出时，在结算处通过一定的装置使EAS标签失活，物品就可以取走。物品经过装有EAS系统的门口时，EAS装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签EAS系统会发出警告。典型的EAS系统一般由三部分组成，1）附着在商品上的电子标签，电子传感器；2）电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出入；3）监视器，在出口造成一定区域的监视空间。便携式数据采集系统便携式数据采集系统是使用带有 RFID阅读器的手持式数据采集器采集RFID标签上的数据。这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境。手持式阅读器（数据输入终端）可以在读取数据的同时，通过无线电波数据传输方式（

6、RFDC）实时地向主计算机系统传输数据，也可以暂时将数据存储在阅读器中，在一批一 批地向主计算机系统传输数据。物流控制系统在物流控制系统中，固定布置的RFID阅读器分散布置在给定的区域，并且阅读器直接与数据管理信息系统相连，信号发射机 是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。当物体、人流经阅读器时， 阅读器会自动扫描标签上的信息并把数据信息输入数据管理信息系统存 储、分析、处理，达到控制物流的目的。定位系统定位系统用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等进行运行定位支持。阅读器放置在移动的车辆、轮船上或者自动化流水 线中移动的物料、半成品、成品上，信号发射机嵌入到操作环境的地表下 面。信号

7、发射机上存储有位置识别信息，阅读器一般通过无线的方式或者 有线的方式连接到主信息管理系统。RFID技术的基本工作原理并不复杂：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。一套完整的RFID系统，是由阅读器与电子标签（也就是所谓的应答器） 及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器 ，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅 读器便依序接收解读数据 ，送给应用程序做相应的处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间

8、的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成，感应偶合及后向散射偶合两种，一般低频的RFID大都采用第种式，而较高频大多米用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是 RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和 接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交 换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过 Ether net或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是 RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合 原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。射频识别

9、技术在集装箱运输管理上的应用目前，集装箱的识别和交接是以箱号为准。 而人工的数据采集难免会出现差 错，比如在集装箱装卸时常会因箱号看错发生集装箱装卸错误，延误了交货期限，带来很大的损失。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技术无疑具备了这些特点。它提高了集装箱信息传递的准 确性和安全性，加快了集装箱流转速度，具有很高的经济效益。在集装箱上使用 的RFID标签按照其获取电能方式的不同可以分为两种类型：1）被动式标签。标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。当被动式标签进入系统的工 作区域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流给标签供电。

10、 被动式 标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要频繁读写的地方。被动式标签的 缺点主要是数据传输的距离要比主动式标签小，需要敏感性比较高的阅读器才能可靠识读。2）主动式标签。主动式标签内部自带电池，工作可靠性高，信号传 送距离远。它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方，比如， 一年内标签只允许读写有限次。主动式标签的缺点主要是使用寿命受到限制，而 且随着电池电力的消耗，数据传输距离会越来越小，影响系统正常工作。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

11、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。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

12、，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GP眼术后，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。RFID 技术正在全世界集装箱运输上得到不断推广。目前仍然还有各种各样 的问题需要解决：包括标准化及数据收集设备与信息系统的接口问题：无线频段不统一的问题；使用的标签和阅读器的类型各异， 数据交换标准也不统一；对供 应链的执行系统（港口信息系统、车辆调度系统、仓储管理系统等等）还

13、没有定 义好的接口。在未来几年内，随着这些问题的逐步解决，射频识别技术将以更加 经济的方式获取货物流动的信息，完全取代条形码的地位，同时它也将很大程度 上改变供应链业务流程、提高运营边际收益、加速存货流转和改善整个供应链服 务水平。借助射频识别技术的供应链将在运营成本和执行效率方面大大超过其竟 争对手。射频识别技术应用于集装箱领域的问题分析1. 电子标签应用丁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。 相对丁工业自动化等领域 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

14、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 35%80%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）标签动态读取由丁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

15、。2. 集装箱用电子标签受金届面的影响分析普通RFID标签直接贴附丁金届表面上，由丁金届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标签问产生的磁通量 会在金届表面感应涡流，根据楞次定律，涡流对读写器的磁场起反作用，致使金 届表面上的磁场被强烈地衰减了。消除集装箱金届面影响的解决方法是提高天线和金届面的相对高度。随着相对高度的增加，合成场信号欠量将逐渐增强，到相对高度达到波长的1/4时，合 成场信号欠量达到最大，

16、并可获得 3 dB增益。而RFID标签贴附丁集装箱金届面 上时，标签和金届面之间的距离很小，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届表面问插入一种隔离介质，根据电磁波在介质中的波长公式：义=膈/而7其中：入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，从而形成防金届电子标 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（V, '等），以及封装形式的选择。3. RFID技术

17、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。而这些产品乂是 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1

18、991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 GBfr17894-1999等同于IS010374标准，但这两个标准都没 有得到有效推广。(2 )成本I可题应用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

19、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

20、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

21、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。射频识别技术应用于集装箱领域问题的解决方案1. 考虑金届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、金届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届面时，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

22、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，兼顾集装箱金届面的影响

23、，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。2. 推广RFID技术应用在港口集装箱领域的措施(1) 以RFID国际标准为基础，制定并推行适合中国的电子化集装箱相关 标准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 问，但不利之处是，一

24、旦我们采用国际标准带来两方面的问题：一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

25、国内的 RFID产业，同时， 乂要影响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

26、，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

27、，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