管練武 周璇 高延濱 韓云濤 馬艷莉

【摘 要】 為保障堆場(chǎng)安全和集裝箱全球監(jiān)控，介紹我國(guó)集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)，分析海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸和管理過(guò)程中存在的不足，以集裝箱船舶、碼頭堆場(chǎng)分類擺放，集裝箱精準(zhǔn)吊裝及擺放管理兩個(gè)項(xiàng)目為例，提出無(wú)線通信平臺(tái)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)集裝箱貨物在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸時(shí)的集中管理及貨物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和位置跟蹤服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);通信;集裝箱;堆場(chǎng);全球監(jiān)控和跟蹤

1 背 景

隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐進(jìn)一步加快，國(guó)際貿(mào)易快速發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸因其具有高效、便捷、安全的特點(diǎn)而成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。集裝箱在船舶、碼頭堆場(chǎng)等處根據(jù)所運(yùn)貨物進(jìn)行分類擺放，這對(duì)保障堆場(chǎng)安全和實(shí)現(xiàn)集裝箱的全球監(jiān)控具有重要作用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是我國(guó)政府大力支持的國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位和短報(bào)文通信功能。屆時(shí)，由北斗系統(tǒng)帶動(dòng)的軍用和民用物資運(yùn)輸將會(huì)帶來(lái)非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。集裝箱在船運(yùn)、堆場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等區(qū)域的數(shù)量往往是巨大的，為每個(gè)集裝箱都安裝北斗導(dǎo)航定位接收機(jī)必會(huì)大大增加監(jiān)控成本。

近10年來(lái)，我國(guó)港口集裝箱吞吐量一直保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，2007年集裝箱運(yùn)輸總量突破1億TEU，2017年全國(guó)港口完成集裝箱吞吐量2.38億TEU。

集裝箱運(yùn)輸?shù)陌踩砸惨鹆烁劭?、航運(yùn)界及陸運(yùn)界的密切關(guān)注，特別是集裝箱偷渡和走私案件時(shí)常發(fā)生。集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)不僅能有效防范各類偷盜事件，還能有效打擊國(guó)際有組織偷渡活動(dòng)。此外，在運(yùn)輸危險(xiǎn)品時(shí)，集裝箱在安全系數(shù)和運(yùn)輸效率上更具優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)危險(xiǎn)品運(yùn)輸管理還很不完善，大部分危險(xiǎn)品運(yùn)輸仍采用傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，急需對(duì)危險(xiǎn)品集裝箱進(jìn)行分類堆放和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為有效監(jiān)控海運(yùn)集裝箱，目前國(guó)內(nèi)一些航運(yùn)企業(yè)都使用了集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)，還有大量航運(yùn)企業(yè)未使用，其中班輪運(yùn)輸企業(yè)的集裝箱監(jiān)控情況見表1。集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)集裝箱運(yùn)輸監(jiān)控作了相關(guān)研究：任曉明[1]設(shè)計(jì)了一套基于天鴻網(wǎng)的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng);秦海濤等[2]運(yùn)用全球定位系統(tǒng)（GPS）以及短信功能設(shè)計(jì)了面向化學(xué)品運(yùn)輸?shù)能囕v定位監(jiān)控系統(tǒng);秦玉[3]基于射頻系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)（RFID）、GPRS/GPS技術(shù)和傳感采集技術(shù)，研制出一套危險(xiǎn)品集裝箱狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);隨著北斗系統(tǒng)在亞太地區(qū)的逐步完善，湯瑋等[4]開展了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)沿海集裝箱船調(diào)度和安全救助中應(yīng)用的研究。

海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸和管理過(guò)程中存在如下不足：遠(yuǎn)程物資運(yùn)輸和中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)分類管理不統(tǒng)一;堆場(chǎng)對(duì)貨物分類管理的有效性和實(shí)時(shí)性不足，不利于海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸全程監(jiān)控。此外，GPS無(wú)法對(duì)我國(guó)軍需物資及貴重物資運(yùn)輸?shù)穆肪€進(jìn)行保密，戰(zhàn)時(shí)易被敵對(duì)勢(shì)力利用;美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)有設(shè)備因其系統(tǒng)引進(jìn)和維護(hù)服務(wù)費(fèi)用高而不利于廣泛推廣，同時(shí)也不能保證我國(guó)軍用集裝箱運(yùn)輸服務(wù)的保密性。綜上所述，本文提出一種基于北斗系統(tǒng)與無(wú)線通信相結(jié)合的海運(yùn)集裝箱全球監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)擬解決上述不足之處。

2 系統(tǒng)總體方案

海運(yùn)集裝箱全球監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)擬采用北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集裝箱的全球定位監(jiān)控，并通過(guò)無(wú)線通信平臺(tái)優(yōu)化集裝箱的局域管理。系統(tǒng)總體方案見圖1。

2.1 集裝箱海陸運(yùn)輸跟蹤及監(jiān)控

無(wú)線通信平臺(tái)與北斗系統(tǒng)的結(jié)合，即集裝箱管理系統(tǒng)（見圖2）可實(shí)現(xiàn)集裝箱在全球海陸運(yùn)輸中的管理。系統(tǒng)操作流程如下：首先，可在船舶、碼頭堆場(chǎng)等局域內(nèi)采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱位置和箱內(nèi)貨物信息的收集;然后，按局部區(qū)域大小將每個(gè)集裝箱的信息傳遞給該區(qū)域內(nèi)一個(gè)或者幾個(gè)主數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而鏈接北斗信號(hào)處理終端傳輸給北斗系統(tǒng)通信衛(wèi)星，并以短報(bào)文形式由通信衛(wèi)星將這些信息實(shí)時(shí)傳遞給任意位置用戶或貨物管理中心;最后，實(shí)現(xiàn)集裝箱貨物在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸時(shí)貨物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和位置跟蹤服務(wù)。

集裝箱使用的無(wú)線通信傳感器節(jié)點(diǎn)具有體積?。ǔ叽鐑H為20 mm ？40 mm）、傳輸距離長(zhǎng)（直線通信距離可達(dá)3 km）、實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)告、單次工作時(shí)間長(zhǎng)（可達(dá)9個(gè)月）、環(huán)境適用性強(qiáng)，以及無(wú)線測(cè)距與北斗系統(tǒng)聯(lián)合定位等特點(diǎn)。

該傳感器節(jié)點(diǎn)能有效地將箱內(nèi)溫度、濕度、振動(dòng)及防盜傳感器信息進(jìn)行采集并傳輸給一定距離內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)（傳感器槽），實(shí)現(xiàn)貨物局域范圍內(nèi)位置或狀態(tài)等數(shù)據(jù)的收集。這些數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)傳送給承運(yùn)商或用戶，承運(yùn)商或用戶只要在手機(jī)、平板電腦或微型計(jì)算機(jī)等上安裝對(duì)應(yīng)的App即可對(duì)貨物的狀態(tài)、位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。此外，承運(yùn)商或用戶還可根據(jù)保存的數(shù)據(jù)信息，對(duì)相關(guān)貨物進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤和報(bào)告。

2.2 集裝箱船舶、碼頭堆場(chǎng)分類擺放

將集裝箱根據(jù)貨物種類在船舶、碼頭堆場(chǎng)進(jìn)行分類擺放至關(guān)重要，這不僅有利于提高集裝箱管理效率以降低成本，而且也能提高倉(cāng)庫(kù)碼頭的利用率，杜絕過(guò)期產(chǎn)品的堆放。特別是危險(xiǎn)物品集裝箱遠(yuǎn)離其他物品、貴重物品集裝箱的重點(diǎn)保護(hù)，以及干燥物品集裝箱的防水防潮等在倉(cāng)庫(kù)和碼頭分類管理中尤為重要。

從基于無(wú)線通信的集裝箱倉(cāng)庫(kù)、碼頭堆場(chǎng)分類擺放（見圖3）可以看出，A區(qū)和B區(qū)分別表示不同類物品的堆放，在每個(gè)區(qū)的入口和出口分別安裝區(qū)域管理單元，當(dāng)運(yùn)輸特定物品的集裝箱經(jīng)過(guò)A區(qū)入口或出口的區(qū)域管理單元時(shí)，用戶App會(huì)直接顯示該集裝箱所在的具體位置。

2.3 集裝箱精準(zhǔn)吊裝及擺放管理

快速而準(zhǔn)確地移動(dòng)吊裝和擺放集裝箱，能大大縮短船舶靠港時(shí)間，節(jié)約時(shí)間和成本。本項(xiàng)目通過(guò)在集裝箱各個(gè)表面分別安裝一個(gè)高精度、近距離的無(wú)線傳感器，由無(wú)線收發(fā)方式確定集裝箱的位置和距離，吊裝駕駛室操作人員可借助駕駛室顯示器App界面實(shí)現(xiàn)集裝箱的快速吊裝和擺放。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)不僅提供全天候、高精度的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，還具有短報(bào)文通信能力。短報(bào)文通信過(guò)程如下：

（1）短報(bào)文發(fā)送方首先將包含接收方ID號(hào)和通信內(nèi)容的通信申請(qǐng)信號(hào)加密后通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站;

（2）地面中心站接收到通信申請(qǐng)信號(hào)后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶;

（3）接收方用戶機(jī)接收出站信號(hào)，解調(diào)解密出站電文，完成一次通信。

3.2 無(wú)線傳感器技術(shù)

系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)集裝箱內(nèi)運(yùn)輸物資所需測(cè)量的如溫度、濕度、鹽度、振動(dòng)等物理特性，采用不同的傳感器進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器槽。傳感器槽主要接收來(lái)自于集裝箱內(nèi)部各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)信息，并完成對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度是否均衡、集裝箱門是否封閉嚴(yán)實(shí)、集裝箱是否受到劇烈撞擊等狀態(tài)的判斷。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

中繼節(jié)點(diǎn)中使用了最新的控制端。該控制端能夠處理傳感器和北斗衛(wèi)星接收機(jī)傳來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）以短報(bào)文的方式轉(zhuǎn)發(fā)給北斗衛(wèi)星。

該控制端含有一個(gè)32位ARM Cortex-M3的CPU（與主處理器工作頻率同為48 MHz），并且擁有豐富的外設(shè)功能集，其中包括一個(gè)獨(dú)特的超低功耗傳感器控制器。此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，適用于當(dāng)系統(tǒng)的其余部分處于睡眠模式時(shí)自主收集模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，集裝箱運(yùn)輸已成為當(dāng)代國(guó)際貨物運(yùn)輸?shù)闹饕问?，是全球一體化的象征。采用海運(yùn)集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)能有效保障貨物運(yùn)輸?shù)陌踩瑢?duì)于在惡劣天氣下甚至是在海盜劫持中丟失的貨物，也能利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位和跟蹤。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任曉明.基于天鴻網(wǎng)的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)， 2004.

[2] 秦海濤，薛晨陽(yáng)，秦麗，等.面向化學(xué)品運(yùn)輸?shù)能囕v定位監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（4）：233-235.

[3] 秦玉.危險(xiǎn)品集裝箱物流狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4] 湯瑋， 張耿霖. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)沿海集裝箱船舶調(diào)度和安全救助中的應(yīng)用[J].水運(yùn)管理，2016（3）：6-8.