随着我国经济建设加快，国内、国际贸易量逐年递增，集装箱码头货物吞吐量也在不断增加，如何提高集装箱作业过程的效率、加快集装箱在码头的流转速度，是目前各集装箱码头所面临的问题。
目前，集装箱码头在对集装箱进行作业的过程中，对集装箱的管理特别是箱号的采集过程还是停留在人眼观察、手工抄录箱号的模式中，工作效率低下、出错率高。一个集装箱由闸口进入码头到最终装船运走的过程中，需经过闸口、卸箱到堆场、堆场存放、翻箱、场内运输到岸边装船等流程。在这些流程中，每一个环节都要采集箱号，目前的手工管理方式已无法满足港口码头集装箱吞吐量不断增加的需求。
另一方面，进出港区的集卡车辆来自社会上的各个运输企业，合理、有效地管理好这些车辆，保证集装箱货物的安全，提高车辆出入港区闸口的通行速度，也是港口迫切需要解决的问题。
关于集装箱电子标签的研究，目前，国内外开展的工作很多。
南京三宝科技集团有限公司近年来，一直从事RFID技术在海关物流监控管理、港口集装箱管理及物流公共信息平台的研究，以此带动RFID技术、产品的研究与开发。本文以重庆寸滩集装箱码头为例，着重探讨RFID技术应用于集装箱码头业务管理的技术解决方案，主要涉及集装箱和车辆的信息采集与管理。
重庆寸滩集装箱码头是一个全新的码头，到目前为止一期工程已经全部完成，包括两个泊位2台岸桥吊机、六个堆场6台场桥吊机，一台堆高机、一台正面吊、一个3进3出的闸口，每天有上千个集装箱进出港口，目前正在着手二期工程的建设。
重庆港领导非常重视新技术的应用，针对当前集装箱业务管理的现状，决定在集装箱业务管理中应用RFID技术，还专门成立项目工作小组，协调各方工作，为RFID技术应用项目的实施提供保障。
根据业务管理需求，本系统涉及整个港区的各个集装箱作业点，包括闸口、堆场、岸桥、堆高机、正面吊等，包含了港区集装箱作业的整个流程，是一个完整的解决方案。
RFID在港口应用系统方案
1.RFID设备分布
整个系统的RFID设备部署在港区的各作业点，分别为闸口、堆场桥吊（简称场桥）、岸边桥吊（简称岸桥）、堆高机、正面吊五个集装箱作业环节。图1是现场各作业区地理分布图，各作业点业务职能如下：
图１
●闸口——集卡车辆、集装箱进出港区的关口。
●堆场——集装箱从外面运入港区，装船前的暂存地，或集装箱从船上卸下后到货主提走前的暂存地。堆场内的场桥负责将集装箱从运输的集卡车上卸下或装运上集卡车。
●堆高机——负责将空箱从堆场装载到集卡车上或者从集卡车上卸到堆场。
●正面吊——负责拼箱仓库等场所的集装箱作业的大型装卸机械。
●岸边桥吊——负责将集装箱从船上卸下装上集卡车运往堆场，或将堆场准备运走的集装箱从集卡车上卸下装船运走。
2.系统组成
整个重庆寸滩港口RFID系统组成如图2。
图２
各作业点RFID设备采集数据如下：
●闸口——采集通过闸口的集装箱电子标签、集卡车电子车牌标签，通过有线网络将数据传输到信息采集服务器。
●堆场桥吊——采集堆场内所吊装的集装箱上的电子标签信息。
●岸边桥吊——采集岸边上下船所吊装的集装箱上的电子标签信息。
●堆高机——采集堆高机所吊装作业的集装箱上的电子标签信息。
●正面吊——采集正面吊设备吊装作业的集装箱上的电子标签信息。
系统采集软件工作界面如图3。
图３
各信息采集点采集到的标签数据存放到信息采集服务器中后，可提供给港口业务管理平台系统，进行相应业务处理。同时，又可以通过Internet网络传输到集装箱公共信息平台中。
设备选型及安装
电子标签选型
由于超高频RFID技术具有可定向性、工作距离较远（可超过10m）、成本低等优点，已经被广泛应用在物流供应、车辆管理及物品管理等领域中。
用于集装箱自动识别的电子标签，一般称“集装箱电子标签”，或“电子箱号”标签，根据集装箱的寿命和工作环境要求，采用超高频无源RFID技术制造。集卡车上用于车辆自动识别的电子标签，一般称“电子车牌”，根据其工作的环境和使用要求，采用超高频无源RFID和陶瓷封装等技术制造。
这两种标签都采用符合ISO 18000-6B标准的芯片，这样，读写器设备可共用，以减少成本，降低复杂性。由于工作环境不同，集装箱电子标签放置在集装箱表面上，其标签工作时信号反射介质是金属，通常又称之为“金属标签”，如图4所示。
图４
而作为电子车牌的车辆电子标签，放置在车辆前挡风玻璃上，其信号反射介质是玻璃，该种标签所使用的是陶瓷材料，如图5，通常又称之为“陶瓷标签”。
图５
电子标签安装位置
1.集装箱电子箱号标签的安装位置
电子箱号标签在集装箱上安装的位置非常重要，既要考虑不同大型集装箱起重机械对集装箱进行作业时，集装箱上的标签不被其它箱或吊具撞坏，又要考虑读写器天线的读取范围。
考虑集装箱码头作业现场环境，兼顾各作业点（闸口、堆场、岸桥、堆高机等）采集RFID标签数据的可靠性，及RFID技术的特点，将集装箱标签安装在箱门的门楣中间位置，如图6所示：
2.集卡车电子车牌标签的安装位置
集卡车电子车牌标签采用陶瓷介质标签，为了实现车辆与电子车牌标签对应，电子车牌使用硅橡胶贴从驾驶室内贴在前挡风玻璃的后视镜下方，不影响司机视线的区域，如图7所示。
读写器设备安装问题
对于闸口的设备安装，由于设备是静态的，读写器的安装只需要考虑天线的位置和方向，以及读写器与天线之间的距离。
其它地点（如场桥、岸桥、堆高机、正面吊）的大型集装箱装卸机械工作时都是运动的，一方面必须考虑设备安装上去后，不能被撞坏，即防碰撞；另一方面，读写器及相应的设备安装后，在进行集装箱作业时，需考虑设备的抗震性；再次，现场作业时电源不稳定，必须考虑现场电源对读写器设备工作时的影响。
闸口RFID设备的安装：闸口相邻通道之间是一个隔离岛，大约2m宽，为防止邻道干扰，本系统采用天线顶装的方案。为了确保车辆通过闸口通道时，能同时采集到集卡车电子车牌标签及单箱、双箱电子箱号标签的信息，前后设置两个顶装天线，两个天线间隔14m左右，使集卡车停止在地磅上时，正好离前后箱门水平方向约1m左右,如图8所示，安装后的实际效果如图9所示。
图８
场桥、岸桥上RFID设备的安装：场桥和岸桥等大型集装箱起重机工作时，吊具放置在集装箱顶面，再起吊，工作完成后吊具离开集装箱顶面，同时，吊具在工作时会根据箱大小（20英尺、40英尺），进行伸缩调整，读写器天线安装在吊具的两端大梁的下方，方向朝下，如图10所示。
吊具在起吊箱子时，考虑到集装箱门方向是不固定的，本方案分别在吊具两头设置了2个天线，确保能采集到集装箱上的标签信息。
读写器安装在吊具中间位置，便于从吊具中间电源接线箱取电。如图11所示。
图１１
正面吊上RFID设备的安装：对于正面吊，由于吊具两端大梁底面与集装箱顶面间距只有1.5cm，读写器天线无法安装吊具底面，只能安装在吊具两端大梁的侧面，如图12所示。
同样，本方案分别在吊具两头设置了2个天线，确保能采集到集装箱上的标签信息。
读写器安装在吊具中间位置，便于从吊具中间电源接线箱取电，天线的馈线则从吊具底部绕线盘内与控制线一起穿到两头，这样馈线会跟随着吊具伸缩，而不会被拉断，如图13所示。
图１３
堆高机上RFID设备的安装：堆高机作业时，通过两头抓臂的卡销，卡入集装箱顶部一侧的两个孔中，起吊空箱，读写器天线安装在两头抓臂上，面向集装箱顶，稍微向下倾斜，如图14所示。
桥吊、正面吊相同，堆高机上设置了双天线，确保工作时箱门任意方向都能采集到集装箱标签，考虑到堆高机作业时震动和冲击很大，读写器则安装在两头抓臂的水平横梁上，并采用防震措施，馈线通过两边的绕线盘后与天线相连接，如图15所示。
图１５
实施过程中的问题
采集数据的传输问题
闸口设备安装位置处有局域网相联，读写器可以通过有线方式连接到采集的计算机，采集的数据可以直接通过网络进行传输。
其它地点（如场桥、岸桥、堆高机、正面吊）上的读写器因处于运动状态，只能采用无线方式进行信息传输。
集装箱码头作业范围很大，大约1平方公里，无线网络已经覆盖了整个码头作业区域，场桥、岸桥驾驶室均有无线网络接入设备。当吊具进行作业时，因受周围集装箱影响，吊具上的读写器不能与码头无线网络稳定地进行通信，为了保证读写器采集的数据能够稳定可靠地进行传输，在驾驶室内设置一台无线网桥设备，与驾驶室下方吊具上的读写器无阻挡地进行无线通信。整个系统的架构图如图16所示。
图１６
邻道干扰问题
通常，堆场及集装箱运输船上的集装箱都是按一定顺序一层层堆放的，各箱之间间距很小，在船上箱间距离不超过10cm，在堆场上，箱间距离也不会超过30cm。集装箱在堆放时经常出现箱门对箱门堆放的现象。
当进行集装箱吊装作业时，吊具从上而下接近所要作业的集装箱，再将集装箱吊起装运到指定的位置（集卡车、船上或堆场其它位置），在一次吊运作业中，除采集到所要作业的集装箱的电子箱号标签数据外，还会读到周围许多集装箱上标签，见图17，这给识别所吊运集装箱的RFID标签带来了难度，这就是邻道干扰问题。
图１７
防止邻道干扰通常使用硬件解决方案和软件解决方案，本系统中将这两种方法结合起来使用。
1.硬件方案
通常情况下，如门禁系统中车辆进出管理，使用增益大的天线及增大读写器输出功率，来保证读取距离及读取成功率，但在集装箱作业过程中，增益大天线反而会带来邻道干扰。
在集装箱吊装作业时，当吊具抓取集装箱时，安装在吊具两端的读写器天线距集装箱顶面距离小于10cm，为了防止读写器天线在作业时不被集装箱撞坏，读写器天线安装在吊具两头下面内侧距离外边缘3??5cm的位置，因此，通过减小天线增益、降低读写器输出功率来缩小天线覆盖范围，尽可能减少相邻集装箱标签对目标集装箱标签的影响。
2.软件排除法
本系统中，硬件方法不能完全消除邻道干扰，需通过软件来进一步排除相邻标签的影响，确定目标标签。由于作业现场的限制，操作工人不操作计算机，因此，对集装箱电子箱号标签的采集工作由计算机软件自动进行，下面以一次翻箱作业加以说明，贴有标签3的集装箱为要移动的目标集装箱。一次完整的作业过程记录数据如表1。
由表1中可以看出，在一个翻箱作业过程中，一共读到8个集装箱标签，其中一个时间段内，读到目标标签（标签3）的成功次数是最多的，并且持续时间较长，从吊具接近所要吊装的箱子表面一直到吊起后放到新的箱位后离开为止，这段时间内读到的所要集装箱标签成功次数相对稳定，而其它标签读取成功数很少，作业时间与读取成功数变化如图18所示。
图18中粗线表示的曲线即是所作业集装箱电子标签读取成功数的变化示意图，由上表及图中可以看出，使用软件排除法消除相邻集装箱电子标签干扰，一方面可以用读取电子标签成功数的方法，利用各作业时间内，连续读取集装箱电子标签成功数最多，排除其它电子标签；另一方面，还可以在每个作业时间段内，确定是否存在连续读取一个标签的情况存在，如果在一个完整作业时间周期内，存在多个连续时间段内只读到一个集装箱电子标签数据的情况，则可以确定该电子标签就是所要作业集装箱上的标签。以上这种解决方法称为“分段比对排除法”。
“分段比对排除法”排除邻箱标签干扰的原理是，将一个工作过程划分成多个相同间隔的时间段，比对每一个时间段内读取各个标签的成功次数，若出现在连续时间段内，读到某一标签的成功次数最多，则该标签就是所要读取的标签，其它标签则可以排除。
用数学模型分析如下：将一个工作过程分为n个大致相等的时间段，每一个时间间隔为5??10秒，t1、t2、????tn，在这些时间段内，若出现连续3个以上时间段内（包括3），如ta-1、ta、ta+1（1\<a\<n）3个时间段内，通过比对所有标签读取成功数时，出现某一个标签的读取成功数最多，如上述表中标签3，则可以判定，该标签即为当前作业时所要读取的标签。
结束语
本项目是集装箱电子标签在集装箱码头的一个应用示范，从2007年4月开始，到2007年11月，在重庆寸滩港区完成了现场勘探、需求调研、技术方案和工程方案设计、产品开发、设备安装与调试、性能测试、业务应用测试等内容，实现了与现有装卸作业系统的对接,初步完成了集装箱电子标签港口应用方案、港口应用模式、物流跟踪应用等关键问题的研究，取得了阶段性研究成果，申请了多项专利。
在项目实施的过程中，进行了单项功能性测试、抗干扰性测试、可靠性测试、系统测试和与作业系统融合性测试等多项测试，测试结果表明RFID技术应用于港口、码头作业管理是可行的。
目前，该系统可以对安装了电子标签的集装箱实现快速过闸，在港口的作业过程中实现自动作业核对，为港口的管理及高效运行带来了极大的便利。
集装箱电子标签的应用还处于试验阶段，要进入大规模应用，还需要解决电子标签的根本问题，那就是集装箱在生产时，将电子标签作为一个标准部件固定在集装箱上，才能推动RFID技术在集装箱物流中的应用。
可以预见，一旦有了集装箱电子标签，海关、码头等集装箱物流供应链的效率和管理水平将大大提高。
