基于物聯網的智慧林業物流系統研究進展

邱榮祖，林宇洪，林玉英

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福州 350002)

1995年，比爾·蓋茨在其《未來之路》一書中已提及物聯網概念。2005年11月17日，國際電信聯盟(ITU)發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》報告，報告正式提出了“物聯網”的概念，并指出射頻識別技術(RFID)、傳感器技術、機器視覺技術、智能嵌入技術將會得到更加廣泛的應用。2009年1月，IBM首席執行官彭明盛提出“智慧地球”構想，其中物聯網為“智慧地球”不可或缺的一部分，而奧巴馬在就職演講后已對“智慧地球”構想提出積極回應，并提升到國家級發展戰略。2010年我國政府工作報告所附的注釋中指出，物聯網(The Internet of things，IOT)是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。物流業是物聯網早就落地的行業之一，物流系統通過采用紅外、激光、編碼、認址、自動識別、傳感、RFID、GPD、移動計算技術、無線網絡傳輸技術、基礎通信網絡技術和互聯網技術等高新技術，實現物流系統全過程管理的信息化、網絡化、集成化、智能化、柔性化、敏捷化、可視化，全面開創智慧物流新時代[1]。而在林業物流領域的應用卻相對較少，有待大力研發推廣應用。

2013年8月26日，國家林業局印發《中國智慧林業發展指導意見》的通知，旨在推動包括物聯網在內的移動互聯智能技術在林業行業的應用。基于物聯網的智慧林業物流系統是智慧林業的重要組成部分，是一個集傳感技術、通訊技術、運輸技術、信息技術和資源管理為一體的復雜體系，內容涵蓋了種苗培育、資源調查、采伐限額管理、木材運輸、木材倉儲、木材配送、木材產品加工與配送等環節，形成一個前后印證的數據鏈，從而實現了木材來源、流向、流量的全面自動識別、定位、跟蹤、監控和決策管理，提高林業物流效率，降低林業物流成本，減少林業物流系統碳排放量，提升木材產品的國際競爭力，將給林業生產帶來革命性變革。

1 系統架構體系

基于物聯網的三層架構(感知層、網絡層、應用層)設計智慧林業物流系統如圖1所示。在感知層上布置大量傳感器用于感知林業物流生產事件，海量的感知數據通過有線接入網、WIFI(GPRS/3G/4G)網絡層發送給應用層，應用層由簡易的云計算中心組成，在云計算中心集成了基于二維碼碼單子系統、車輛識別與抓拍子系統、木材運輸量識別子系統、車輛行為監查子系統等多個應用程序。

圖1 智慧林業物流系統架構

2 國內外研究與應用現狀

2.1 國外研究現狀

近年來，國外針對智慧林業物流問題也開展了一系列的研究?？溌榱藞绦袣W盟的木材法案計劃，在歐盟的幫助下，研發了木材采伐追蹤系統，可對采伐作業的行為進行監控，從供應鏈中徹底清除非法木材，為該國的木材產品能夠順利進入歐盟市場創造了有利的條件。巴西Web Forest Planet研究所應用RFID芯片標記樹木的樹種、樹高等信息，將芯片固定于樹干，用于監控木材采伐合法性。這些案例都成功地實現了采伐環節的監控。然而近期國際市場執行的美國《雷斯法案修訂案》、歐盟《歐盟木材法案》需要供貨方能夠證明木材產品供應鏈全程合法性，要求提供產品的原料產地、采伐手續、加工流程、產品流向的全面信息。

國外已有現代物流理論與物聯網技術應用于物流管理中的成功案例，例如：Erlend應用系統動力學原理，設計木材供應鏈仿真系統[2]；Antti把集成技術應用于木材采伐供應鏈管理[3]；Zhida Guoba建立了以物聯網技術為手段的鐵路物流智能識別系統[4]。以上研究成果對本系統的研究提供了重要的基礎。

2.2 國內研究現狀

近年來，國內也針對林業物流若干關鍵問題開展物聯網技術應用的研究。邱榮祖等應用GIS技術解決木材楞場位置、運輸最佳路徑和流向流量分配問題[5]；景林開發了一系列林政管理軟件，含林政管理、采伐限額監管和林業運輸審批等模塊，以數字化技術，解決了木材運輸的管理問題[6]；洪端芳建立基于B/S網絡平臺的林政管理業務應用系統的技術方法和實現過程[7]；陸研提出了建立基于RFID技術的名木古樹管理系統的構想[8]；王穎發表論文指出物聯網可在木材追蹤管理中的應用，提出若干主要的可能應用領域[9]；吳學明將物聯網技術和Web技術相結合，提出了一種物聯網木材運輸系統結構模型[10]；李亭亭提出了一些物聯網在林產品物流中的應用的設想[11]；林宇洪應用IC卡技術等對木材運輸過程的有效監管進行探索，基礎基于RFID的林產品原料追溯系統結構域功能[12-15]。

目前林業物流管理的難點在于森林資源分布廣泛，自然條件復雜多變，傳統的互聯網技術難于延伸至深山密林中，需要引入物聯網技術，方可實現對林業物流的嚴密監管。另外林業生產數據過于分散和龐大，傳統的單一服務器技術無法處理、需要采用云計算技術方可實現對海量數據的快速處理。此外，我國個別環節的追蹤還不能達到國際貿易的嚴格要求，需要進一步完善供應鏈全過程的木材產品物流追蹤體系。保證中國的木材產品能夠順利地進入歐美市場，并保持強勁的國際市場競爭力。

3 近期研究與應用進展

3.1 二維碼運輸執法監查技術與應用

碼單是木材運輸縣內通關的通行證，也是林業檢查站、森林公安和林業綜合執法大隊等林業執法部門進行運輸執法檢查的重要依據。林業生產管理模式由蓄積限額采伐控制模式轉向面積限額采伐控制模式后，碼單的防偽技術成為亟待研究解決的課題。把二維碼應用于木材運輸防偽碼單，利用現代信息技術對碼單的重要數據進行加密，能夠對木材運輸中的違法行為起到一定的抑制作用，提高林業運輸執法效率。圖2為二維碼碼單的執法檢查流程。

圖2 二維碼碼單工作流程

要達到二維碼運輸執法監查實際應用，需要開發設計三個核心軟件：開發手機端二維碼碼單檢尺軟件，檢尺員通過便攜式藍牙打印機打印成不干膠二維碼，粘貼在紙質碼單的背面。打印二維碼后，該碼單檢尺數據以GPRS的方式即時發送至云計算中心儲存，消除了碼單數據傳遞滯后的現象；開發手機端二維碼碼單校驗軟件，運輸執法檢查人員在遇到木材車輛時，將利用手機攝像頭掃描二維碼碼單，取得碼單正文和碼單密鑰，對碼單正文按相同的加密算法獲得新密鑰，對比原密鑰和新密鑰是否一致，可判定二維碼碼單是否偽造；開發計算機端二維碼識別軟件，運輸證辦證點掃描二維碼碼單，即可識別碼單全部內容，并轉換生成木材運輸證，該設計實現了駕駛員到達辦證點后，自助掃描二維碼，即時獲得運輸證，降低辦證員人工錄入的工作量，減少了物流中的運輸延時，提高了林業生產效率。

3.2 基于RFID車輛識別與抓拍技術與應用

基于RFID車輛識別與抓拍子系統工作原理圖3所示。參加林業運輸的車輛必須向當地林業局申請運輸資質，由林業局在車輛前擋風玻璃處免費貼一張RFID標簽，卡號和車號一一對應[14]。同時在林區路網中建設一批RFID拍照點，布成監控網絡。工作過程如下。

(1)檢尺圖像 車輛發車時，檢尺員操作個人手機進入彩信編輯功能，拍照車輛運輸前的檢尺圖像作為彩信附件，彩信標題為“車號”，將彩信發送給林業局的彩信平臺[9-10]，林業局可知該車原始裝車圖像(檢尺圖像)。

(2)抓拍圖像 當運輸車輛靠近監控點時，RFID讀寫器捕獲車載標簽，啟動攝像頭抓拍車輛前視、后視圖像，將抓拍圖像、標簽卡號、監控點編號通過GPRS技術無線上傳至云計算中心。

圖3 基于RFID木材車輛識別與抓拍工作原理圖

(3)圖像接收與識別 云計算中心安裝彩信平臺，接收檢尺員以彩信發送的檢尺圖像。同時云計算中心申請固定IP，在路由器中將固定IP的93端口映射到服務器。在服務器上用Socket控件編寫93端口的監聽程序，用于接收各監控點以GPRS發送的抓拍圖像。云計算中心對比抓拍圖像和檢尺圖像，兩相片的運輸量存在差異則判定為運輸途中搭載了非法木材。

RFID標簽號的識別準確率遠遠高于車牌號碼機器視覺識別準確率，通常采用RFID標簽號反查車牌號，再從車牌號查詢二維碼碼單的流程。在此項設計中，抓拍車輛運輸圖像的動作由RFID標簽觸發，實現了無人值守的監控點自動化工作，能夠減少執法人員的巡邏工作量，起到節能減排的效能。執法人員在巡邏中，遇上運輸木材的車輛卻未持有合法RFID標簽，說明該車輛未申請木材運輸的資質，其運輸行為不合法，簡化了判斷環節。

3.3 基于機器視覺木材運輸量識別技術與應用

應用“機器視覺”技術開發“木材運輸量識別子系統”，安裝在云計算中心。云計算中心接收RFID傳感器抓拍的車輛相片，采用機器視覺技術識別木材運輸量。并通過RFID標簽號或車牌號查詢當前車輛的二維碼碼單，判定在運輸途中，木材運輸量是否發生了改變。

(1)圓識別與計數 采集大量木材相片，獲得木材顏色樣本的分布范圍，對原始圖像中非木材顏色的像素進行消色，可過濾干擾背景。分割殘余圖像，即獲得木材區域。對木材區域圖反色后，采用不同直徑的樣本圓對圖像進行一次開操作后，再進行一次閉操作，獲得連通區域圖，計算各連通區域的圓度，實踐發現木材形成的連通區域的圓度大于0.9。采用開、閉操作后得到的連通區域必然和樣本圓大小相近，因此樣本圓從大至小嘗試多次，可以從大到小分批得到不同徑級的圓狀連通區域。每一批識別出來的木材，即從原圖中摳掉，避免干擾后續識別過程。循環多次，把每一次識別的木材圓心和直徑存儲于數組中，直至實現了全部木材的識別。

(2)車牌識別 木材運輸車輛只有藍牌和黃牌兩種，建立兩種車牌顏色的樣本集。對帶有車牌的相片(采用車牌顏色的樣本集過濾背景，保留車牌區域，從而實現對車牌區域的切割。對車牌區域灰度化后二值化，做出車牌區域的垂直投影圖，旋轉圖像，直至垂直投影圖中山峰寬度最小值時，車牌傾斜校正成功，利用山峰位置來切割字符。并采用每個字符圖像矩陣與標準字符圖像矩陣比較的方法，實現車牌字符的識別。

(3)木材運輸量識別 重要路段通常采用24 h不間段錄相的方式，在這些路段布置RFID傳感器，并對視頻逐幀掃描識別，發現運輸木材的車輛卻無匹配的RFID標簽信號，則可判定這些車輛未獲得木材運輸資質，將識別獲得的車牌號及運輸圖像發送給路面執法車輛，要求執法人員追蹤檢查。目前木材運輸量的根數識別的誤差率為6%，采用高檔的監控攝像頭，可以進一步提高根數識別率。

3.4 基于GPS車輛行為監查技術與應用

一些加工企業通過購買合法碼單來騙取生產指標，就近盜砍林木，加工成產品合法銷售。這種違法行為也叫“飛單假運”，因為“飛單假運”沒有產生運輸行為，傳統的路檢手段均不奏效。經統計，車輛運輸木材時，存在以下違法行為：“飛單假運、改變終點、超時運輸、多次套單、繞過檢查、無證運輸”。因此云計算中心需要實現對車輛行為的感知，判斷車輛是否守法完成物流任務。

采用ATmega128L型號的MCU模塊、GTM900B型號的GPRS模塊、SR-88型號的GPS模塊開發運輸監管器。擬從事林產品運輸的車輛應申請運輸資質，加裝運輸監管器。運輸時，定位信息每隔30 s傳至云計算中心，形成運輸軌跡。檢尺員通過SMS技術，在運輸車輛出發前，已將碼單信息遠程傳送到云計算中心，因此云計算中心可以提前獲知指定的運輸起止時間，并獲知指定軌跡中三個關鍵點：起點、必經檢查站、終點。云計算中心對比碼單信息和運輸車輛的真實運輸時間、軌跡，可判斷運輸行為是否合法。云計算中心發現疑似違法行為后，通過SMS發送調度指令，通知距離最近的執法車輛追蹤檢查，并考核執法人員的工作績效。執法車輛按調度指令搜尋運輸車輛，同時通過Mobile Web技術下載碼單，實現不停車檢查。

3.5 基于WebGIS的木材物流網絡優化技術與應用

木材物流網絡是由多個木材物流節點和聯系節點的連接線路共同構成的網狀配置系統。合理的木材物流網絡優化方案設計與高效的優化方案查詢系統，有助于節省物流費用，促進木材物流流量的合理分配。建立了木材物流網絡優化的數學模型，將WebGIS技術與數學模型相結合，進行木材物流網絡優化系統的初步分析與設計。以永林集團的木材物流活動為研究對象進行系統的應用，對木材物流網絡優化模型通過智能算法進行求解，采用ArcGIS Server和Google Maps API分別構建基于WebGIS的木材物流信息可視化查詢平臺，實現木材物流網絡優化信息的分布式實時共享，提高物流運作效率。

系統主要功能：①木材物流中心選址決策的智能化。當用戶進行多物流中心備選地址決策時，系統自動調用相應的功能模塊，通過模塊內嵌的模型和算法，選出最優的物流中心選址方案，并在GIS上進行可視化直觀表達；②路徑與運輸方案決策的智能化。當用戶輸入給定的單個供材點和需材點時，系統自動調用相應的功能模塊，系統能通過路勁分析獲取物流節點間的最佳路線；若是輸入多個供材點和多個需材點，則結果為最佳的物流運輸網絡，即木材運輸方案；③木材物流信息查詢結果的可視化。用戶期望通過系統查詢木材物流整個過程的供、需、運、存信息，實現信息在各企業各部門之間的快速傳輸和共享。供應信息包括木材生產企業近期可供應的木材原料規格、樹種和材積；需求信息即木材加工企業發布近期原料需求的信息；運輸信息即第三方物流企業在網站上發布可提供的運力信息，并通過網站尋求返程物流，以提高全行程的載重量利用率；庫存信息包括木材物流中心或者第三方物流公司的物流人員向外界公布庫存的材種與材積信息，以及目前可供使用的存儲空間余量。用戶通過系統的物流信息查詢平臺可以共享信息，確保物流、信息流與商流的暢通、提高物流效率，降低物流系統的總成本。

4 智慧林業物流系統發展趨勢

4.1 林產品的智能可追溯系統

林產品追溯系統可以為消費者提供更加全面和清晰了解所購買林產品的來源和加工信息，林產品追溯系統的構建對生產企業而言是一種企業形象的體現，建立林產品追溯系統對消費者還能產生反饋效用，更多的消費者了解企業的生產運作，提高客戶滿意度以及購買信心，提升企業品牌效應和國際地位。林產品追溯系統的構建對整個社會經濟健康有序的發展起到推動作用，追溯系統能夠有效保證林產品原材料來源以及生產的合法性和可持續性，同時為抑制和打擊盜伐亂砍行為提供技術支持，促使社會上逐漸形成崇尚購買合法綠色林產品的良好社會氛圍，最終成為建設生態文明社會的強有力推手。

林產品的智能可追溯系統研發有3個主要技術需要解決：

(1)二維碼防偽算法的研究。為保證二維碼在林產品的流通過程中的唯一性，必須采用具有防偽功能的二維碼進行標識，目前二維碼防偽技術還沒有獲得有效解決。

(2)基于智能手機端的軟件開發。目前已經存在二維碼的識別軟件，但是不具有防偽的識別功能，無法保證系統的正常運行。雖然Android平臺是一個相對開源的研發平臺，但是仍需要相對專業的編程知識進行相關軟件的開發。

(3)信息的完整性、權威性和準確性。在林地森林資源到林產品進入市場的整個物流系統，中間環節繁多、原材料來源復雜，如何確保追溯系統中信息的完整性、權威性和準確性也是需要克服的技術難題。

4.2 物流過程的可視化智能管理系統

應用3S技術、RFID技術、GPRS和職能傳感技術等多種技術，在物流過程中實時實現車輛定位與跟蹤、運輸物品追溯、在線調度與配送的全稱可視化與智能管理。在傳統上，采用RFID技術，雖然可以實現在運物流和運輸物資的箱內可視化，但投資大、實時性較低、可視范圍小、視覺效果差；如果采用GPS技術，雖然投資小、實時性高、可視范圍大、視覺效果較好，但只能實現在運物流(運輸工具)的可視化；因此，RFID技術、GPS和GIS技術集成應用是今后的重點方向，建立相應的在運物流網絡可視化監控中心，以便實現在運物流和在運物資箱內可視化。這里關鍵要解決好可視化的實時性和直觀效果，同時還需要開發智能管理系統，以便為物流過程提供參照路徑和預警機制。

4.3 智能化的企業物流配送中心

基于智能傳感、RFID、聲、光、機、電、移動終端等各項先進技術，建立全自動化的物流配送中心。借助配送中心智能控制、自動化操作的網絡，可提高商流、物流、信息流、資金流的全面協同水平。目前國外先進的智能化物流配送中心，基本實現了機器人隊碼垛，分揀線上開展自動分揀，計算機自動控制堆垛機完成出入庫，整個物流配送中心物流作業實現了智能化和自動化，但目前在林業物流中尚未見研究報道。合理配載、車型選擇、路勁優化與庫存最有控制等問題需要進一步研究，以便提供智能化的軟件支持。

4.4 多種物聯網技術集成應用于智慧林業物流系統

物流的自動化、智能化、網絡化和可視化是現代物流發展的必然趨勢。目前，物聯網技術在物流系統中的應用還是局部的、零散的。隨著RFID技術與傳感器網絡的普及，物與物的互聯互通，將給企業的物流系統、生產系統、采購系統與銷售系統的智能融合打下基礎，而網絡的融合必將產生智慧生產與智慧供應鏈的融合，企業物流完全智慧地融入企業經營之中，打破工序、流程界限，打造智慧企業和相應的智能物流系統。同樣地，營林、森林保護、木材生產以及其他森林產品物流等構成整個林業物流的有機組成部分，它們既相對獨立又相互聯系，在加強各子系統智慧化進程的同時，更重要的是要實現整體林業物流的智慧化建設，進而推進智慧林業發展。

目前在物流業應用較多的感知手段主要是RFID和GPS技術，今后隨著物聯網技術發展，智能傳感技術、藍牙技術、RFID技術、M2M技術和3G等多種技術也將逐步集成應用于現代物流領域，用于現代物流作業中的各種感知與操作。由于特殊的自然地理和社會經濟特征，林區的網絡覆蓋和硬件建設相對滯后，給智慧林業物流系統發展帶來極大的制約作用，需要各級政府的政策和資金的大力扶持。

【參 考 文 獻】

[1]王慧君.物聯網概念及其關鍵技術發展[J].電光系統，2013(1)：1-9.

[2]Haartveit E Y.Simulating effects of supply chain configuration on industrial dynamics in the forest sector[J].Journal of Forest Engineering，2003，14(2)：199-205.

[3]Asikainen A.Integration of work tasks and supply chains in wood harvesting-Cost savings or complex solutions[J].Journal of Forest Engineering，2004，15(2)：201-2006.

[4]Guo Z，Zhang Z，Li W.Establishment of intelligent identification management platform in railway logistics system by means of the internet of things[J].Procedia Engineering，2011,29：726 - 730.

[5]邱榮祖.基于GIS的木材運輸計劃決策支持系統[J].林業科學，2002，38(1)：116-121.

[6]景 林，鐘一文，蔡為茂，等.森林采伐運輸網絡系統模型[J].福建林學院學報，2004，24(1)：8-11.

[7]洪端芳，劉玉英.福建省木材流通領域監督管理的探討[J].林業勘察設計，2007(1)：11-15.

[8]陸 研，張紹文.基于RFID技術的名木古樹管理系統初探[J].山東林業科技，2008(2)：91-94.

[9]王 穎，周鐵軍，李 陽.物聯網技術在林業信息化中的應用前景[J].湖北農業科學，2010，49(10)：2601-2604.

[10]吳學明，張懷清，林 輝.基于物聯網的縣級木材運輸管理系統研究[J].安徽農業科學，2012，40(7)：4108-4110.

[11]李亭亭，王立海.物聯網在林產品物流中的應用[J].森林工程，2011，27(3)：85-88.

[12]林宇洪，林 森，景 銳，等.木材運輸IC卡讀寫器的開發[J].福建農林大學學報(自然科學版)，2010，39(4)：435-438.

[13]林宇洪，張春霞，邱榮祖.基于C#.net林業運輸無線監察系統的開發[J].交通運輸工程與信息學報，2010，8(3)：99-104.

[14]林宇洪，沈嶸楓，邱榮祖.南方林區林產品運輸監管系統的研究[J].北京林業大學學報，2011，33(5)：130-135.

[15]林宇洪，林 森，邱榮祖.基于RFID的林產品原料追溯系統的設計[J].森林工程，2011，27(4)：34-37.