基于RFID技术模型的智能港口外文翻译资料

 2022-07-26 14:41:18

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基于RFID技术模型的智能港口

计算机科学与工程学院，上海交通大学，东川路800号，中国上海200240

摘要

全球的港口都面临着从工作效率到安全隐患的巨大挑战，面对这些挑战需要探索出以最小限度的人工干预和控制的革新方式。本文探讨智能港口模型的设计和构建，这个模型是以莫巴萨岛港口的优点、经验和运营为基础的。RFID（Radio Frequency Identification）技术是这个模型智能化的中心。嵌入式智能技术包括：实时监控正在进入或已进入港口的船舶以及在港货物、船舶，正在离开或已离港的船只和货物；正式授权和非法进出的信息汇报；货船是否的正常或损坏的状态。

该系统设置了监视违规或异常情况的补救方案，同时结合敏感的异常检测警报，当设置的临界阀值溢出时，异常信息都会被发送至负责该系统的相关人员或机构。本文提出了该智能系统模型的设计、工作流程和支撑技术。进行了仿真模型从到港到离港货物移动的仿真模拟。提出了仿真设计和仿真结果的具体内容。评估了本次模型和分析了当前面临的挑战。最后列出了模型的可行性、局限性和未来发展方向。

关键字：智能港口 智能港口仿真 智能物流 RFID技术 RFID仿真

1. 前言

海关扮演的角色每个国家不一样，他们的首要工作简化商品流通环节，与行政边界和政府政策实施的进出口关税相关；防止恐怖活动的发生，在特定的商品上实施数量限制。【1】莫巴萨港口是中东地区最繁忙的港口，是内陆地区的大门，除肯尼亚外，这个港口服务于乌干达、卢旺达、布隆迪、刚果民主共和国、苏丹南部, 北东部的坦桑尼亚、埃塞俄比亚和索马里南部。这个港口正面临着处理进口货物运输到国家内部的巨大挑战。港口货物数量不断增加进一步加剧了该港口问题的严重性。莫巴萨港口的交易量将随着南苏丹到乌干达的石油计划进一步增加。

为了提高港口的效率；安全的追踪货物和减少转口货物的周转次数，该港口已经提出了现代化并具有创新意义的方案，包括基于RFID技术的智能港口。智能技术的局限是追踪距离有限。对于当前和未来港口面临的挑战，港口的全面现代化和智能化是必要的。

选择莫巴萨港口作为智能港口模型的理论分析基础是因为它一直面临着在处理货物运输和环境建设两个方面的巨大挑战。主要包括以下几个方面：

  • 它服务于稳定水平不同的国家包括那些不稳定的地区；
  • 这个港口位于人烟稀少的偏远地区；
  • 该地区的国家的政府有着高度的独立的进口关税和政策（有些地区进口关税高达40%）；
  • 港口位于沿海相对和平稳定的一带，另一边是不稳定的，其特点是海盗猖獗、毒品交易和相关的犯罪活动经常发生；
  • 走私爆炸品、轻型武器和毒品的问题相当多;依靠人工的或半自动的功能和特性都有限的系统去解决问题。

基于RFID技术的模型有足够的技术容量，能满足日益增长的贸易数量和面对当前挑战所需的智能需求；这项技术已经作为港口智能化的基础，它将一直在港口装卸货和追踪货物方面扮演着非常重要的角色，因为它能在各种不同的天气和环境工作，不管是雨雪、霜冻、大雾、油渍、污垢环境或室内、车内、仓库和码头都能正常作业【2】。非接触、无线通信的这些特性使智能处理货物和追踪货物成为了可能。

第一部分主要讨论基于莫巴萨港口的运营经验来展开关于智能港口的讨论。该模型应用了先进的RFID技术，主要是提供一个安全有效的系统给港口处理货物的移动和装卸。论文结构思路如下：第二部分是综述部分，第三部分是模型设计，第四部分是模型仿真模拟，最后第五部分是总结部分。

2. 综述

RFID技术是采用射频识别原理来完成数据在阅读器和电子标签之间的识别、追踪和定位。它的组成部分包括天线、电子标签、射频识别阅读器和读写器【3】。RFID技术被认为是一项能够提升性能、提高一体化程度和决策结构并且是物联网的一个典型范例【4，5】。这项技术已经为制造业与物流提供了创新技术支持【6】。RFID技术的灵敏度高、适应性强和灵活性高，能在战略上为供应链管理起到有价值的供应杠杆作用【7】。RFID技术的创新性、高效、灵活的特性被认为是有巨大竞争优势的关键因素【8】。自从20世纪80年代中期RFID技术已经成功应用在制造业、供应链管理和物流等行业，投入使用之后降低成本和提高收益，得到了广泛的认可。【9】RFID技术在供应链管理中的价值体现在生产过程自动化，建立竞争优势，提高供应链的整体效率，闭环追踪系统实现供应过程的可视化。【10】其他优点包括物流过程中高效作业，工作流量低，能在无预先计划安排的情况下实现通信合作、制定计划、监控管理和执行任务的功能操作。【11-13】Rynmduck和Jeyr【14】已经讨论了关于可以大大缩短订单处理和货物进出时间的RFID物流系统的实时监控工作流量的模型。

RFID技术是通过在物品、托盘和集装容器中嵌入智能设备来完成智能处理，RFID技术引领物流和供应链的未来，是未来物流系统的内涵。【15-17】一项研究的结论预计使用在运输物品上的RFID电子标签将成为物流行业的标准。【18】案例的模型附带安全保护功能，确定集装箱的数据不被盗取。【19】该模型的RFID系统集成了GPS、传感技术、GSM/GPRS和离线卫星安全信息网。运输路线有相应的支撑软件，比如IBM公司为海运集装箱开发的SOA软件。【20】

智能物流系统有以下的定义功能：

  • 人可以通过智能设备或产品去完成作业控制活动；【21】
  • 信息收集和获取实时更新；【21】
  • 最新的决策具有可见性和迟滞性，保证有充足的时间对干扰做出反应；
  • 关联数据如当前位置、历史位置具有独立的存储，保证适应不同的环境变化。

Yang et al. 【25】的文章中讨论了一种能获取周期数据的嵌入式设备。Nikitakos et al.的文章中提出了一项关于数字化船运的研究，该研究表明数字化船运的业务量显著与含有电子设备港口有关。【26】但该研究没有提供设计模型和该电子设备港口的运行细节。明显表明：关于智能化港口系统的文献将对未来系统的框架进行定义，特别是供应链部分。但是目前很少文章关于整个智能物流系统的设计和实现。智能系统的发展方向不仅是实现自动化控制，而且能有效的提高人工操作所带来的安全威胁和增强对环境的适应性。

全球供应链是一个联系紧密的高效与充满威胁的模型系统。全球进出口贸易额达到6万亿美元，其中有150亿的集装箱不断地通过46000艘船舶运输到4000个国际港口。每条运输路线和节点都要面临着巨大的威胁和恐怖袭击。港务人员承受巨大的压力的同时，还可能面临因为船运中断而带来的处罚。大约有20多个货运人被关押或被控制在奥塔。【27】 恐怖分子被认为是全球最大的威胁之一【28】 任务的复杂性要确保安全是相当难的一件事，往往会导致海运暂停的状况。按照更加疯狂的恐怖分子的说法，任何的运输资产都有成为他们的武器。恐怖分子十分狡猾，多面，出没于货运航道进行抢劫，目前的货运系统设计的时候没有考虑安全因素，只是为了提高经济效益。因此需要先进的技术和设备去提供安全、高效的航运保障。【29,30】 利用智能手段去解决未来激烈的挑战与威胁具有重大的意义。人工或半自动的作业方法已经不能满足当前的需要。所有为了提高作业效率的努力都是为了保证系统处于安全状态。这对于开发者应用该模型于智能物流起重要作用，关于海关港口部门这方面的文献是很少的，尽管他们在保证港口的效率和安全扮演着不可或缺的作用。此外，海关港口部门常暴露于最危险的地方，处于供应链的瓶颈部分。因此，需要应用智能系统去建立一个安全、高效和稳定的框架。关于供应物流的大量研究文章都没有效提出RFID技术的应用方案。对于常规的物流系统，一般货物是否已送达目的地，一旦货物送达，就认为物流活动完成。然而海关局还有需要限制或禁止不明货物进出港口。此外，他们还需要确保贸易过程中支付相应的关税和承担相应的责任。

该港口的海关部门已经配备了两套RFID系统去追踪货物的运输，该系统已经显示出了巨大的好处。【31,32】实时跟踪系统是该系统的组成之一，利用RFID技术对港口运输的货物进行实时信息的采集。当携带电子标签的货物进过扫描区域，阅读器会对货轮的状态信息进行采集。实时位置追踪系统受第二系统的控制，但是与普通位置追踪系统不同，它不用依靠外部控制指令。实时位置追踪系统需要配备GPS接受器（提供车辆位置信息），RFID阅读器（提供车辆实时状态）和传输数据到中控室的GSM/GPRS。然而在实际港口中这样的好处被技术水平不高的手动操作掩盖了，如果港口在货物的到达、处理和卸货过程中加入智能化技术相应的优势会特别明显。海关部门想要一个更高水平的智能化港口向智能化方向转型是必然趋势。本文试图去探讨基于RFID技术的智能化模型去解决当前问题，称为K-ICPM.该模型基于RFID技术，该技术将在系统中发挥重要作用。该模型保证货物装卸和船舶进出港口的安全。

  1. 系统模型设计
    1. 模型介绍

KICPM智能海港系统定义了港口的如何智能化的问题：

  • 数据提供：
  1. 到港货物的识别；
  2. 识别正在进港和已在港的船舶；
  3. 在港货物的识别；
  4. 离港货物和船舶的识别；
  5. 识别船舶是否授权进出港口和货物运输，发生紧急情况会采取相应的补救措施；
  • 发出警报和通知相应的部门机构；
  • 不断地监控敏感或可疑船舶的状态；
  • 当需要帮助时，系统会提供相关信息和相应的补救措施；
  • 在特定的区域，当对象的阈值超过设定的阈值时会发出警报。
    1. 系统技术架构

RFID技术是确保系统智能化操作的关键技术，系统模型的运行依靠港口内RFID的基础设备包括RFID阅读器、主动式电子标签和通讯设备。主动式RFID货物追踪设备是无线通讯的。【33】 设备的工作频率是433MHz. 阅读器和电子标签之间的交流是阅读器被动的获取电子标签的数据。相关标准参考ISO 17363 ，其中给出了电子标签和阅读器之间无线通讯协议ISO/IEC 18000-7. ISO 17363【34】 定义了四种追踪货运集装箱的设备名称：集装箱证件标签，集装箱电子封条，货物电子标签。ISO 18185 标准：货运集装箱的电子封条和协议的第一部分规定了通讯协议，标准第七部分定义了系统物理层面。ISO 18185-7 A型【35】 规定物理层面的工作频率是433MHz。它有二重工频当工作于433MHz时，主要是长距离和低频环境的操作，低频的工作范围在123-125KHz, 并使用OOK调整模式。六个字节构成独立的存储单元，第一二个字节作为身份识别码，其余四个作为该电子标签的序列编码，阅读器需要对发出特定识别信号的电子标签进行身份识别，请求的内容包括：标签的身份信息，密码，读写存储器和其他相关信息的收集和读取。其中的一些请求比如写入命令通过密码保护。

      1. 货船标签和电子封条

在模型中，我们将对船舶的离港到靠港在一个全程的监控，确保船舶安全到达。追踪使用的主动式RFID电子标签如：电子封条，集装箱安全标签和船舶标签，其中船舶标签是有ISO 17363/18185和ISO 18000-7 标准。设备的工作频率在433.92MH和123-125MHz用于低频工频环境。工业领域使用的RFID类型有很多类：包括Evigia EV3-CST, i-Q310 CST等等，其中有些设备类型也应用于美国军事的集装箱船。

      1. 物品标签

为了提高港口的智能化水平，船舶里面的货物也加上电子标签。电子标签的使用取决于自然环境和货物的需求，对普通的箱子和托盘会使用不用的电子标签。

图1 智能港口主动式RFID阅读器安装示意图

对于敏感性货船，主动式RFID资产标签带有传感器和先进的监控技术，工业上带有先进的传感器标签包括Evigia EV3-AT，Identec i-Q310 ATR 和 Savi ST-616/618【36-39】 先进的电子标签根据的标准是ISO 18000-7，在托盘，纸箱，易碎品方面更适用。标签的附着物有粘贴条，磁性底座，配置工具和压力传感器。

      1. 许可标签

为追踪运输集卡和拖车单元设计的主动式RFID电子标签是有发挥相应的作用，这些设备也用于船舶的进出港过程中。

      1. RFID在港口中系统覆盖形式lt;

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