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智能集装箱 物联网系统关键技术解析

发布时间:2019年11月19日 来源:中国自动识别网 作者:李媛红

集装箱作为国际多式联运的关键装备,国际贸易货运的90%都是通过集装箱运输来完成。目前,大约有4000万个符合国际标准的集装箱通过海运在全球流转,但是如此大规模的集装箱信息采集、跟踪管理目前依然大多是通过人工或手工完成,导致信息传递的延误,造成了集装箱整个供应链数据的缺失,据调查显示,集装箱物流位置数据能实时准确的仅达60%-65%。物联网技术的兴起和不断发展,为集装箱行业解决这一困境提供了有效的技术手段,充分利用物联网技术构建智能集装箱贸易生态系统,成为大势所趋。2017年8月,全球智能集装箱产业联盟在深圳成立,得到国内外众多企业和机构的积极响应。
 
智能集装箱物联网系统架构
为准确获取货物的位置、状态和安全信息,提升集装箱物流过程的信息化水平,解决集装箱货物运输的安全问题,以美国GE、中国CIMC为核心的企业研究提出了智能集装箱的概念。目前的智能集装箱,是指一个具备全球定位、远程监测与数据交互的集装箱,目的是实现集装箱在互联网下的可视化,通过对集装箱在全球范围内的追踪和监测,保证全球集装箱供应链的安全、提高供应链的管理效率,提升效益。
目前,智能集装箱的实现即通过集装箱智能终端实时采集集装箱状态、位置等信息,并通过蜂窝网络、卫星网络等通信手段与云平台实现通信和交互,形成智能集装箱物联网系统,并构建全球集装箱贸易生态链。智能集装箱物联网系统架构,如图1所示。
图1  智能集装箱物联网系统架构
 
采集层,通过在各类集装箱和运输车辆上加载智能终端,采集集装箱的身份信息、位置信息、状态信息、作业信息等;
传输层,智能终端采集到的集装箱信息通过网络传输给信息平台,可能用到的数据传输网络包括蜂窝移动网络、低功耗局域网、低轨卫星网络等;
平台层,是指集装箱信息平台,承载集装箱信息存储、处理,并为集装箱相关的应用场景提供数据服务;
应用层,不仅包含集装箱本身的堆存、装卸和运输作业相关的业务,还包含集装箱货物关联的发货、收货以及交易结算、保险等业务环节相关的应用。
 
数据采集关键技术
基于集装箱生产、流通管理以及关联的业务应用需求分析,智能集装箱物联网需采集的数据内容包括:身份ID、位置数据、状态数据和事件数据四大类,涉及的关键技术包括:编码技术、自动识别技术、定位技术、传感器技术等。
编码技术
物品编码是指按一定规则对物品赋予易于计算机和人识别、处理的代码。建立集装箱及其关联物品的统一编码体系,是实现集装箱关联系统间信息交换与共享以及高效、经济、快速整合应用的基础和前提,得到行业高度重视。早在上世纪,国际标准化组织104技术委员会(ISO/TC104),就制定发布了《集装箱代码 识别和标记》标准,统一规范了集装箱箱号的使用。随着集装箱行业的发展,集装箱全生命周期内唯一身份识别的需求日渐增强,全国集装箱标准化技术委员会牵头制定发布了《集装箱生产序列号》国家标准。
随着集装箱物联网系统的发展,进而催生了物联网智能终端的发展,全球智能集装箱产业联盟组织制定了《集装箱智能终端编码与标识规范》团体标准。
自动识别技术
传统的集装箱管理系统依靠人工对箱号进行辨别和输入,操作速度慢,容易出现错误、疏忽和人为干预的种种问题。随着货运量的增长和现代化管理的需求,准确、可靠的集装箱自动识别技术成为集装箱管理系统中必需的部分。实现集装箱号码自动识别,无需人工录入即可将箱号自动输入信息管理系统,对海关、物流、港区管理自动化程度的提高,减少时间消耗,改进政府监管水平具有重要的意义。
为了实现对集装箱身份的快速准确识别,业界一直不断尝试应用新兴的自动识别技术,近10年不断尝试了RFID技术、OCR技术,但依然受一些应用瓶颈的影响,未来二维码技术有望取得突破。
RFID技术
RFID技术是一种无线通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。智能集装箱提出以来,最开始的技术就是以RFID技术为核心,ISO/TC104 从整体架构和技术要求出发,制订了相对全面的集装箱应用RFID标准体系,包括:《集装箱 RFID身份标签》《集装箱电子箱封》等。鉴于RFID技术自动识别本身的局限性,以及集装箱RFID标准通信协议的不完善导致没有兼容性,因此集装箱RFID技术并没有得到普遍推广使用。
OCR技术
集装箱号OCR自动识别,是基于图像识别中的OCR(光学字符识别)技术发展而来的一种实用技术,它能对集装箱图像进行实时抓拍,对集装箱号和箱型代码(ISO号码)进行识别。
根据国际通行的规则,集装箱号应喷涂于集装箱的前、后、左、右、上五个面,箱号末尾还有校验码和箱型代码。为提高识别率,箱号识别系统通常对箱体各个面上喷涂的箱号都要进行识别,最后根据各个面的识别结果进行综合互补判断。由于集装箱经常上下叠放,一般箱顶的字体磨损都相当严重,因此,系统通常只采集前、后、左、右四个面的箱号图像进行识别。
箱号识别系统由触发模块、控制器、图像采集模块、识别模块和补光源组成。为实现对箱体四个面的图像采集,一套箱号识别系统同时布置四台工业相机,分别负责对前后左右四个面的拍摄。四路相机根据触发信号和控制器的指令进行拍摄,将图像传回计算机进行识别。由于箱号识别系统布置的复杂性,一般在大型港口码头才能使用,在集装箱流通的诸多环节仍然难以实现数据自动识别和采集。
二维码技术
智能手机和平板电脑的普及应用使二维码得到广泛应用,它比传统的一维条码能存更多的信息,也能表示更多的数据类型。随着国内物联网产业的蓬勃发展,更多的二维码技术应用解决方案被开发出来,应用到各行各业的日常经营活动中,二维码已成为移动互联网入口。
全球智能集装箱产业联盟牵头制定了《集装箱二维码通用技术规范》团体标准,统一了集装箱二维码的数据内容、编码方式、安装位置、技术要求等,并着力推动集装箱二维码的全行业应用。
定位技术
位置信息是物联网很多应用和底层通信的基础,集装箱位置信息在集装箱物流运输、堆场管理等作业环节中不可或缺。在物联网中用于获取物体位置的技术统称为定位技术,该技术是物联网感知层的重要技术之一。物联网领域经常使用的定位技术主要有卫星定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等。
卫星定位系统主要有美国的GPS、欧洲的Galileo、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗,其中应用最广泛最普遍的是GPS定位系统。GPS定位系统由空间部分、控制部分和用户设备部分三部分组成,用户设备部分主要是GPS接收机,主要功能是接收GPS卫星发射的信号,获得定位信息及观测量,经数据处理实现定位。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,利用GPS接收器测量出的到卫星的距离,计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息,以得到待测点的位置。
GPS定位的主要优点包括:覆盖广,能覆盖全球98%的面积,并确保实现全球全天候连续的导航定位服务;精度高,应用实践证明,室外定位精度可达10米以内;操作简便,只需要一台GPS接收机即可准确定位等。缺点是定位精度受终端所处环境影响较大,只适用于室外的应用场景。集装箱基本都在室外,因此集装箱的定位普遍采用GPS卫星定位系统。
传感器技术
集装箱各类状态数据来源于各种传感器,传感器技术是智能集装箱的关键技术之一。
传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中,被作为一次仪表定位,其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。传感器种类及品种繁多,原理也各式各样。
不同种类的集装箱重点关注的状态数据不一样,用到的传感器也不一样。智能干货箱主要运输大众货物,主要需求包括箱门状态监测、箱内有无满载监测、箱内外环境温度监测等,常用的传感器包括温度传感器、霍尔传感器等。智能冷藏箱需要监测的环境参数包括:温度、湿度、压力和氧气、二氧化碳、乙烯等气体的浓度含量,常用的传感器包括温湿度传感器、压力传感器、气体传感器等。智能罐箱需要监控危化品泄漏情况、运输介质状态、环境状态等,常用的传感器包括:超声波传感器、倾角传感器、压力传感器、加速度传感器等。
 
数据传输关键技术
集装箱智能终端采集的数据,通过蜂窝网络、卫星通信网络等技术手段实现集装箱的远程数据传输,从而实现集装箱信息的实时获取与共享。窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是物联网(IoT)领域一个新兴的技术。在智能集装箱应用中也受到重点关注。
蜂窝移动通信技术
蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式,在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来,进而实现用户在活动中可相互通信,其主要特征是终端的移动性,并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信是成熟的通信网络,但由于漫游资费高且不可控,许多通过蜂窝网络实现数据传输的应用集中在国家区域范围内,随着全球漫游资费的降低,通过蜂窝网络来实现智能集装箱数据的网络传输才能具备普适经济适用价值。另外,由于蜂窝网络主要服务于“人”的移动互联,在地球海洋、森林等大面积的无人区域并没有蜂窝网络覆盖,因此不能满足智能集装箱全球流通实时跟踪的需求。目前国内外厂商通过手机通信网络来实现智能集装箱的信息服务,还主要集中在贵重货物或者冷链货物运输的集装箱上,以及危险化学品运输的罐式集装箱上,普通干货集装箱的应用还很少。
低轨卫星通信技术
低轨道卫星移动通信指利用运行轨道比地球同步轨道低得多的一组卫星,实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信。低轨卫星通信的优点在于:覆盖全球性,多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖,可以在单一网络平台实现运营;部署统一性,低轨卫星的单一网络无需协调不同网络之间的技术、政治、商业等存在的差异,技术协调难度比较低;资费稳定性,低轨卫星单一网络的成本控制简单易行。低轨卫星通信技术解决了蜂窝网络通讯需要全球漫游等所碰到的在全球范围内运营的瓶颈问题,为智能集装箱的发展打开了另外一个空间,但目前其资费成本仍高于蜂窝网络,加之功耗问题,暂时只能作为辅助通信手段。
NB-IoT技术
NB-IoT构建于蜂窝网络,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接,NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖的物联网市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术,其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点,将是智能集装箱通信技术的重要选择。
从智能集装箱物联网系统架构出发,研究分析智能集装箱数据采集和数据传输关键技术现状与未来应用发展趋势,有利于引导智能集装箱相关技术研发,促进智能集装箱产业发展,从而提升智能集装箱供应链效率。
 
(作者单位:深圳市标准技术研究院)
《中国自动识别技术》2019年第5期总第80期
参考文献:
[1]《物联网几种定位技术的分析比较》软件工程师  Vol.17 No.10  2014年10月
[2] 周受钦 智能集装箱及其生态链平台研究  学位论文 2018年4月
[3] 郭宝,张阳,顾安,刘毅.  万物互联NB-IoT关键技术与应用实践.  机械工业出版社,2017,6.
 

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