港口集裝箱堆場(chǎng)內(nèi)龍門吊的定位和集裝箱管理系統(tǒng)

龔向前，侯 力，王少江

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065）

0 引言

集裝箱運(yùn)輸是一種快速、安全、低成本的貨運(yùn)手段，集裝箱貨運(yùn)在全球貨運(yùn)中起著十分重要的作用，國際貨運(yùn)的90%由集裝箱完成，光2010年1-2月份，全國規(guī)模以上港口完成的國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱吞吐量就達(dá)到2096.47萬TEU（20英尺標(biāo)準(zhǔn)貨柜）。射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification）由于其速度快、效率高、可全天候工作、不怕灰塵污染、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用到集裝箱管理中，極大的提高了港口的管理的水平和效率。借助于RFID技術(shù)，每個(gè)集裝箱的登入、轉(zhuǎn)移和登出都可以通過射頻讀卡器獲知，再將讀卡器的獲得的集裝箱標(biāo)識(shí)碼、貨物內(nèi)容、公司等信息納入港口的管理系統(tǒng)中，便可實(shí)現(xiàn)港口集裝箱的自動(dòng)化管理。然而在集裝箱的轉(zhuǎn)移、登出階段，港口的吊裝設(shè)備龍門吊不可避免的難以快速主動(dòng)的到達(dá)工作位置，需要地面人員的現(xiàn)場(chǎng)管理和指揮，這無疑增加了人工干預(yù)的程度，降低了工作效率，影響了港口管理的自動(dòng)化水平。

為了解決這個(gè)問題，我們構(gòu)想了一個(gè)RFID和無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的系統(tǒng)[1~3]，實(shí)現(xiàn)龍門吊的自動(dòng)定位和路徑規(guī)劃，以完全擺脫地面工作人員的參與，進(jìn)一步提高港口的自動(dòng)化管理水品，提升工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 基于RFID和無線網(wǎng)絡(luò)的龍門吊定位系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)工作原理

吊車上讀卡器負(fù)責(zé)讀取集裝箱標(biāo)簽信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給各個(gè)基站。吊車還貼有標(biāo)明自身唯一標(biāo)識(shí)等相關(guān)信息的標(biāo)簽，基站通過自身的讀卡器讀取吊車標(biāo)簽，不僅辨識(shí)吊車也以此測(cè)定小車與各個(gè)基站距離?；局g也通過對(duì)等以太網(wǎng)相互通訊交換測(cè)得的距離信息，進(jìn)而求取吊車的絕對(duì)坐標(biāo)值。同時(shí)基站的有關(guān)標(biāo)簽的控制調(diào)度命令由基站無線收發(fā)模塊發(fā)出，吊車的無線收發(fā)模塊接收，交由吊車讀卡器執(zhí)行。系統(tǒng)的基本工作流程是：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)附著標(biāo)簽的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)；讀寫器對(duì)接收天線接收到電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后，送到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該電子標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)置做出相應(yīng)的處理和控制。

2 龍門吊定位原理

2.1 吊車與基站間距離的獲取

RSSI定位算法，RF信號(hào)在某個(gè)位置的強(qiáng)度可以采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)來標(biāo)示。一般來說，相同設(shè)備發(fā)出的信號(hào)的強(qiáng)度都是一個(gè)定值，但是當(dāng)RF接收和發(fā)送設(shè)備的距離不一樣時(shí)，接收設(shè)備接收到的發(fā)送回來的信號(hào)強(qiáng)度也就不一樣。這種強(qiáng)度的衰減，稱為信號(hào)的傳播損耗，它與環(huán)境有關(guān)。

無線電傳播路徑損耗對(duì)于RSSI定位算法的定位精度有很大影響。常用的傳播路徑損耗模型有：自由空間傳播模型（Free space propagation model)；對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型(Log- distance path loss model)；哈它模型 (Hata model)；對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型(Log- distance distribution)等。

自由空間無線電傳播路徑損耗模型如下：

其中，d是RF接收和發(fā)射設(shè)備之間的距離，單位km；f是頻率，單位為MHz；n是路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度。

表1 不同建筑物的路徑損耗指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差

自由空間是一種理想空間，具有以下特點(diǎn)：均勻無損耗的無限大空間，電磁波在自由空間傳播時(shí)，不存在反射、繞射、散射和吸收率等現(xiàn)象。電磁波在自由空間傳播發(fā)生的能量損耗，是由于輻射能量的四周擴(kuò)散。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，無線電傳播路徑損耗與上述理想情況下的值相比有些變化。理論和實(shí)測(cè)的結(jié)果表明，無論室內(nèi)或室外，平均路徑損耗隨距離按對(duì)數(shù)規(guī)律衰減[4,5]，可表示為：

其中，d0為近地參考距離；d是RF接收和發(fā)射設(shè)備之間的距離，單位km；n是路徑損耗指數(shù)。由于多種因素的影響，路徑損耗在各方向上存在不一致，故此式中的橫杠表示對(duì)于給定值d的所用可能路徑損耗的綜合平均。

實(shí)際接收設(shè)備所處地點(diǎn)的電波傳播條件千差萬別，如果我們?cè)诰嚯x發(fā)射天線dKM的多個(gè)位置上進(jìn)行大量測(cè)試的話，測(cè)量所得的路徑損耗必定會(huì)呈現(xiàn)出隨機(jī)分布的特點(diǎn)，這種隨機(jī)效應(yīng)是由于建筑物等遮擋造成的。式2只考慮在相同的發(fā)送接收設(shè)備條件下，大尺度平均路徑損耗，然而不同位置的周圍環(huán)境，對(duì)路徑損耗的影響非常大。故引入對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型計(jì)算路徑損耗。對(duì)任意的d值，特定位置的路徑損耗為PL(d)，如下式：

其中PL(d)[dB]是經(jīng)過距離d后的路徑損耗，Xσ~N(0,σ2)是加在平均路徑損耗上的平均值為0的正態(tài)分布隨機(jī)變量,稱為路徑損耗的校正因子。因此PL(d)是以

對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型使用近地參考距離d0作為路徑損耗的參考點(diǎn)。當(dāng)d＞d0時(shí)，路徑損耗與d0處的路徑損耗相關(guān)，d0處的路徑損耗可由測(cè)量平均值或自由空間公式預(yù)測(cè)得到。參考距離d0的典型取值1m(室內(nèi)環(huán)境)和100m或1Km(室外環(huán)境)。這里取d=d0=l00m，代入式(1)，可得到Loss，即的值。

各基站接收到小車上RF信號(hào)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為：

根據(jù)各基站接收到的小車信號(hào)的強(qiáng)度，加上已知的小車上RF信號(hào)的發(fā)射功率和天線增益（包括發(fā)射天線增益GT和接收天線增益GR），利用對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型式(3)，可以將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離。

截至2017年底，31個(gè)省（區(qū)、市）均開展了承包地確權(quán)工作。中國社會(huì)科學(xué)院農(nóng)村發(fā)展研究所研究員李國祥表示，土地確權(quán)將進(jìn)一步明晰農(nóng)村土地產(chǎn)權(quán)，更好地保護(hù)農(nóng)民利益，促進(jìn)農(nóng)村土地要素市場(chǎng)發(fā)育和優(yōu)化配置。隨著土地確權(quán)工作的完成，下一步應(yīng)當(dāng)做好土地流轉(zhuǎn)市場(chǎng)服務(wù)工作，讓農(nóng)村土地確權(quán)證在實(shí)際工作中發(fā)揮作用。同時(shí)，土地確權(quán)工作中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也可以在后續(xù)農(nóng)村土地征收、集體經(jīng)營性建設(shè)用地入市以及農(nóng)村宅基地改革“三塊地”改革中推廣。

式(3)中還有兩個(gè)需要確定的常量：n表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于障礙物的結(jié)構(gòu)和使用的材料，它的范圍在2至5之間，自由空間時(shí)n=2:Xσ； 是平均值為0的正態(tài)分布隨機(jī)變量，也就是信號(hào)穿過障礙物的衰減，其標(biāo)準(zhǔn)差范圍隨環(huán)境有較大變化。本系統(tǒng)的RF系統(tǒng)應(yīng)用在某港口集裝箱碼頭，在此港口的無線電傳輸?shù)沫h(huán)境有如下特征：港口的氣候條件一般是海洋性氣候與陸地氣候結(jié)合；港口的堆場(chǎng)集裝箱的高度一般為6~8個(gè)集裝箱即20m~25m左右，而且堆放密集；港口地貌一般比較平坦，不存在太大落差；港口機(jī)械的移動(dòng)頻繁；港口面積較大，超過百萬平方米。綜合上述環(huán)境因素，可以取路徑損耗指數(shù)n≈2.5，同時(shí)取路徑損耗的校正因子Xσ≈﹣20dB?；蛘吒鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量決定這兩個(gè)常量的參考值。

顯然接收設(shè)備到信號(hào)源的距離越近，由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差越小，而當(dāng)距離較大時(shí)，由于上述式(3)中Xσ的影響，由RSSI波動(dòng)造成的絕對(duì)距離誤差將會(huì)很大。但鑒于堆場(chǎng)內(nèi)各集裝箱的唯一識(shí)別號(hào)碼及所堆放位置已被準(zhǔn)確獲知，便可以采用就近的發(fā)送設(shè)備(如集裝箱RFID標(biāo)簽)對(duì)由上述方法測(cè)算出的小車與基站距離值作適當(dāng)修正，以提高定位精度。

2.2 龍門吊坐標(biāo)的計(jì)算

圖2 定位方法示意圖

在射頻定位系統(tǒng)中，為了消除不同基站對(duì)定位結(jié)果的誤差，一般采用相對(duì)定位的方式。即選擇其中一個(gè)基站作為服務(wù)基站，然后考察待定位小車到不同基站之間的距離差。由圖2可知，一旦獲得待定位小車到兩個(gè)基站之間距離的測(cè)量值，就可以得到待定位小車到兩個(gè)基站之間的距離差，多個(gè)基站到待定位小車距離測(cè)量值就可以構(gòu)成一組關(guān)于待定位小車位置的雙曲線方程組，求解該方程組就可得到待定位小車的估計(jì)位置。

設(shè)(x，y)為待定位吊車的待估計(jì)位置，(Xi，Yi)為第i個(gè)基站的己知位置，根據(jù)幾何知識(shí)，待定位吊車和第i個(gè)基站之間的距離Ri為：

令Ri-1表示待定位吊車到基站i的距離與到基站1的距離差，則

為求解該非線性方程組，可以先進(jìn)行線性化處理。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，可得：

將x，y，R1視為未知數(shù)，上式變成線性方程組，求解該方程組就可以得到待定位吊車的位置。本文只利用3基站的3個(gè)接收設(shè)備對(duì)待定位吊車進(jìn)行二維位置定位，故上述三式中i=1,2,3。此算法過程簡(jiǎn)單明確，能獲得基于距離差測(cè)量數(shù)據(jù)的最優(yōu)解。

3 管理系統(tǒng)架構(gòu)與運(yùn)行

定位功能是集裝箱管理系統(tǒng)功能的一部分，它總體包含以下的子系統(tǒng)。

3.1 倉儲(chǔ)物資自動(dòng)化管理系統(tǒng)

集裝箱RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)完成裝箱數(shù)據(jù)輸入、集裝箱信息實(shí)時(shí)采集和自動(dòng)識(shí)別；通信系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)無線傳輸；集裝箱信息管理系統(tǒng)完成對(duì)集裝箱信息的實(shí)時(shí)處理和管理，并完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，向客戶提供集裝箱信息查詢服務(wù)；港口集裝箱管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、記錄經(jīng)過道口的集裝箱、拖運(yùn)車輛、事件發(fā)生時(shí)間、操作人員、集裝箱堆放位置等信息，具有制作二維集裝箱堆場(chǎng)貝位圖和放箱、找箱功能。倉儲(chǔ)管理尤其是大型倉儲(chǔ)管理工作是非常繁雜的，出、入庫登記、庫存盤點(diǎn)等需要耗費(fèi)人力和時(shí)間成本。RFID技術(shù)在倉儲(chǔ)管理中的應(yīng)用，大大提高了管理效率，降低了管理成本。由于RFID技術(shù)的無接觸和可同時(shí)批量標(biāo)簽識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，使物品在通過倉庫識(shí)別區(qū)后，出(入)庫和庫存登記自動(dòng)生成。若配合移動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置，可按預(yù)先設(shè)置的盤存時(shí)間完成庫存盤點(diǎn)。同時(shí)對(duì)未授權(quán)出庫的物品報(bào)警。

圖3 港口集裝箱管理系統(tǒng)信息與物料流

圖4 物流跟蹤系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 物流跟蹤系統(tǒng)

許多單位需要對(duì)物品(商品)的流動(dòng)進(jìn)行跟蹤，了解物品(商品)發(fā)出、中轉(zhuǎn)、到達(dá)的時(shí)間，以及到達(dá)的目的地。以便掌握庫存數(shù)量、生產(chǎn)資料的儲(chǔ)備、對(duì)錯(cuò)發(fā)物品(商品)的調(diào)整。RFID識(shí)別技術(shù)結(jié)合局域或廣域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可輕松達(dá)到目的。物流跟蹤系統(tǒng)的另一個(gè)重要應(yīng)用是對(duì)重要或危險(xiǎn)物品的流動(dòng)跟蹤。因?yàn)樵S多重要或危險(xiǎn)物品是要嚴(yán)格按指定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流動(dòng)，同時(shí)對(duì)流動(dòng)的時(shí)間亦有嚴(yán)格要求。比如：有保密等級(jí)要求的物品、貴重物品、金融、軍火、爆炸、放射、易污染物品、控制藥品、疫苗、醫(yī)用垃圾等。通過系統(tǒng)跟蹤，可掌握物品的流向、流量、流動(dòng)時(shí)長。

3.3 無線定位吊車并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝卸載

利用RFID實(shí)現(xiàn)集裝箱的無線定位，并控制吊車按照指令對(duì)指定的集裝箱進(jìn)行裝卸載?？梢曰疽?、二、三為基點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，從而確定各個(gè)集裝箱的準(zhǔn)確位置，生成含有集裝箱位置、進(jìn)場(chǎng)日期、物品名稱、數(shù)量等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，儲(chǔ)存在倉庫（集裝箱）管理系統(tǒng)中，從而可認(rèn)定各在庫集裝箱的位置為已知的。

當(dāng)需要用吊車運(yùn)輸集裝箱時(shí)，基站向附近吊車廣播發(fā)送吊裝需求信號(hào)，收到信號(hào)的空閑吊車通過裝在吊車上的有源TAG向三個(gè)基站發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，基站接收并計(jì)算得出吊車此時(shí)的位置，通過WLAN返回吊車上的計(jì)算機(jī)。再由計(jì)算機(jī)選擇合適吊車和路線（吊車到指定集裝箱的優(yōu)化路線），發(fā)出指令，從而驅(qū)動(dòng)吊車按照優(yōu)化路線向集裝箱移動(dòng)。當(dāng)?shù)踯囈苿?dòng)至指定位置時(shí)，吊車上的讀卡器發(fā)出信號(hào)，激活集裝箱上的TAG，并讀取TAG上的信息以確定是否正確，如正確，可立即裝載。

4 結(jié)束語

集裝箱港口作為一個(gè)物流系統(tǒng)，物品的尺寸統(tǒng)一、規(guī)范，管理便利，只要適當(dāng)減少和改善其中人工干預(yù)環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)集裝箱從入港到出港的全程自動(dòng)化。其中人工介入最多的是集裝箱位置的查詢、定位和龍門吊的吊裝調(diào)度，此系統(tǒng)采用RFID和WLAN實(shí)現(xiàn)了龍門吊的定位和吊裝調(diào)度的自動(dòng)化，為港口的自全程動(dòng)化和效率的提高提供了有利保障。

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