基于RFID和北斗技術的鐵路集裝箱管理系統智能化改進

彭其淵，王　翔，陶思宇，姚　迪

（西南交通大學　交通運輸與物流學院，四川　成都　610031）

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基于RFID和北斗技術的鐵路集裝箱管理系統智能化改進

彭其淵，王翔，陶思宇，姚迪

（西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

針對我國鐵路集裝箱管理系統發展現狀中存在的現行的集裝箱信息采集技術、數據傳輸技術和追蹤定位技術，自動化和信息化程度較低，容易導致信息識別率不高、難以進行實時追蹤等問題，提出了基于RFID和北斗技術下的智能化改進措施，對集裝箱基本信息的識別技術、數據傳輸技術、實時追蹤技術提出了改進方案，并對集裝箱場站管理和運輸過程進行優化改造研究，以實現對集裝箱的實時定位追蹤，提高集裝箱運輸作業效率和信息化管理水平。

鐵路集裝箱管理系統；RFID；北斗技術；智能化

1　背景分析

1.1鐵路集裝箱管理系統發展現狀

集裝箱運輸是一種高效率、高效益、高投資、高協作的運輸方式。集裝箱管理系統的建設是發展集裝箱運輸的重要內容和提高運輸效益的重要手段。我國的鐵路集裝箱管理系統自1996年開始建設，已經先后建成了集裝箱追蹤管理信息系統、集裝箱統計分析系統、集裝箱運輸調度系統等［1］。這些系統在一定時期為提高鐵路集裝箱經營管理水平和運輸生產效率提供了有力的技術支撐，取得了明顯的經濟和社會效益。然而隨著鐵路集裝箱運輸的快速發展，現有的集裝箱信息識別技術、數據傳輸技術和追蹤技術日漸暴露出信息化和智能化水平不高的弊端。

目前，我國的集裝箱管理系統是在鐵路運輸管理信息系統（TMIS）的基礎上研發的［2］。采用圖像及條碼識別技術識別集裝箱箱號、裝卸車和出入站日期、單據號、領箱人等信息，并人工錄入計算機系統，然后再與車號自動識別系統（ATIS）中的車輛動態信息進行綁定，傳遞到鐵路總公司中央數據庫管理系統進行分析處理，借助TMIS平臺可以記錄集裝箱運輸過程中的隨車情況，實現集裝箱節點式追蹤管理，但不夠精細化。美國、加拿大、日本、法國等國家的鐵路集裝箱信息系統都已使用多年，并具有全球性計算機網絡支持，能夠對集裝箱運輸實行全程動態追蹤管理［1］。相比于上述國家的集裝箱信息系統建設，我國鐵路集裝箱管理信息系統的智能化和信息化程度相對落后。

1.2鐵路集裝箱運輸組織和場站管理現狀

鐵路集裝箱的經營主要分為集裝箱運輸組織和場站管理兩個方面。目前，我國鐵路集裝箱運輸組織主要分為3個環節：受理承運環節、裝車運輸環節和到站交付環節［3］。

（1）受理承運：客戶提交集裝箱貨運需求訂單。審核通過后按規定日期將貨物送至集裝箱中心站，并填寫托運單，貨物驗收后進行稱重和施封，制票員根據托運單制票。客戶繳納費用后得到提貨聯和報銷聯，托運程序完畢。貨物被運往集裝箱堆場進行暫時保管，工作人員根據貨票丁聯將集裝箱貨物信息錄入集裝箱管理系統。

（2）裝車運輸：各鐵路局根據承認裝車計劃進行配車，集裝箱堆場工作人員按照裝車計劃進行裝車，并填寫裝車清單，連同制票丁聯交由列車人員進行保管和運送。

（3）到站交付：列車到站后與車站方面進行票據交接，到站之前便發出催領通知，卸車后對集裝箱進行堆碼，并對貨物進行暫時保管，貨主領貨后工作人員將空箱收回保管。

集裝箱的場站管理是集裝箱經營的重要內容，對提高集裝箱運輸組織水平和運用效率，防止集裝箱損壞和丟失具有重要意義。主要包括集裝箱進出站管理、檢驗、維修、備用、投入和報廢等環節。

1.3存在的問題

總體來看，我國鐵路集裝箱管理系統主要存在以下幾個方面的問題［2］：

（1）主要采用圖像及條碼識別技術采集集裝箱信息，通過攝像頭識別印刷在集裝箱表面的編號。但是容易受天氣及污損情況的影響，其識別率一般在90%左右，可靠性不高。

（2）圖像及條碼識別技術天然受無法處理數據碰撞問題的制約，在一個識別環境中存在多個數據采集點時，經常由于數據沖突導致信息讀取失敗。

（3）采用人工抄寫的方式記錄集裝箱編號等信息，效率低且容易出錯。

（4）在集裝箱堆放場中，由于集裝箱通常都是多層堆放，現有的圖像及條碼識別技術不足以支持管理者掌握堆場中集裝箱的位置及狀態，容易引發重箱積壓、空箱回送不及時等問題。

（5）在集裝箱堆放場，由于作業自動化程度相對較低，出入手續復雜，容易導致托運車輛排長隊的現象。

（6）現有的集裝箱管理信息系統無法做到對運輸途中集裝箱的實時追蹤，降低了集裝箱運輸的安全性。

2　基于RFID和北斗技術的鐵路集裝箱管理系統智能化改進方案

2.1RFID技術及其應用

RFID即無線射頻識別技術，通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，是一種非接觸的雙向通信方式。RFID通過各類信息傳感設備，按照約定的協議與互聯網連接形成網絡以進行信息交換和通信。利用RFID技術進行集裝箱信息采集，具有非接觸數據讀取、讀取距離遠、抗污損性能好等優點［4］。

RFID技術在我國鐵路運輸領域已有比較成熟的應用［5］，例如現在已經覆蓋全路的車號自動識別技術為我國各級鐵路系統的智能化升級提供了良好的機遇。同時，RFID技術在客票系統中也已有所應用，極大地提高了鐵路客票快速支付和檢票通行的效率。

2.2北斗技術及其應用

北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，并具備短報文通信功能。定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns。

目前，北斗技術在我國漁船定位和道路交通領域中已有良好的應用，而對于北斗技術在鐵路系統應用尚處于探索階段，目前在大秦線上已開發了列車運行狀態信息系統和無線調車機車信號和監控系統等［6］。而北斗技術在列車定位和防災安全監控方面具有無可比擬的優勢，因此，本文將北斗技術應用到鐵路集裝箱實時定位追蹤領域，具有可行性與創新性。

2.3基于RFID和北斗技術的智能化系統改進

使用RFID技術代替原有的圖像及條碼識別技術，同時融入北斗技術以實現對集裝箱運輸過程的實時追蹤，需要對集裝箱管理系統的網絡構架進行改進［3］，如圖1所示。

圖1　基于RFID和北斗技術改進下的鐵路集裝箱管理系統

基于RFID和北斗技術改進下的鐵路集裝箱管理系統，包括上位機系統、傳輸系統和下位機系統三層結構，具體如下：

（1）下位機系統：下位機系統即集裝箱信息采集系統，主要為作業現場的各種數據采集和寫入系統，包括現場人員配備的手持式RFID讀寫器和北斗衛星指揮機，用以讀取和寫入集裝箱信息至集裝箱內側的RFID電子標簽和北斗系列電子標簽。其中RFID電子標簽記錄了集裝箱的箱號、位置、箱內貨物狀況等信息，可供RFID讀寫器讀寫，并與集裝箱管理系統數據庫實時同步更新，保證數據的唯一性和準確性。集裝箱出入口處的RFID讀寫器對進出車輛車載集裝箱信息進行不間斷讀取，借助RFID系統與數據庫信息進行校對，及時發現運輸過程中的錯裝、漏裝現象，降低貨運事故發生的可能。借助裝設在起重器械、運載機械上的RFID讀寫器實現集裝箱堆場作業的指令傳遞和智能化作業。北斗系列電子標簽通過北斗衛星網絡利用北斗指揮機讀取，實時監測集裝箱的地理位置坐標。

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（2）傳輸系統：傳輸系統即網絡傳輸系統，包括各類信息傳輸通道及接口，負責上位機與下位機系統間的信息交互，包括鐵路專用網絡系統與北斗衛星傳輸系統。借助鐵路專用網絡系統實現下位機數據采集系統對上位機信息數據庫的動態更新和校核，上位機控制系統對下位機系統的數據寫入和指令發布。北斗衛星網絡系統用以實現對集裝箱地理坐標的實時定位和遠程通信，并確保與集裝箱管理系統中數據的一致性。

（3）上位機系統：在對既有集裝箱管理系統數據庫的基礎上，開發集裝箱RFID信息管理軟件和鐵路地理信息系統（GIS）軟件，用以實現北斗系統數據信息的存儲和管理。

2.4智能化系統改進下的鐵路集裝箱運輸與場站管理作業優化改造

應用RFID和北斗技術對鐵路現有集裝箱管理系統進行智能化改進后，需要對集裝箱運輸及場站管理作業進行優化改造［7］。其中，運輸作業的優化改造包括受理承運、裝車運輸、到站交付三個環節；場站管理作業的優化改造包括集裝箱出入管理、集裝箱堆場作業管理和集裝箱客戶端管理三個環節。

（1）運輸作業優化改造。采用RFID技術和北斗技術對集裝箱管理系統進行智能化改造后，需要對集裝箱運輸組織中的受理承運、裝車運輸、到站交付等環節進行流程再造。

①在受理承運環節，包括訂單提交、審核、貨物驗收、填寫運單、貨物驗收、稱重施封等流程與改造之前相比變化不大。在制票環節中需要相應增加電子標簽制作環節，配合貨運票據同步制作電子標簽，實現集裝箱信息的網絡化同步傳輸，有利于貨物信息的完整和對稱。貨物被送到集裝箱堆場保管，同時貨物集裝箱信息已通過局域網傳輸到集裝箱管理系統，無需人工錄入。

相比于既有流程，優化改造后的流程以電子標簽替代了現有紙質標簽，提高了貨物信息傳遞的效率和安全性，也排除了人工錄入環節中存在的信息錯漏風險。貨物信息可以被方便的讀取和寫入，在系統內有序高效的傳遞，也減輕了作業人員的勞動強度。

②在裝車運輸環節，配車和裝車流程變化不大，裝車后工作人員利用手持式RFID讀寫器將集裝箱編號、到站、貨重等信息寫入電子標簽，并隨集裝箱進行運送。RFID系統可以對集裝箱信息進行實時校核，對貨丟、貨損及上錯車的情況進行及時報警，保證出站前集裝箱貨物的準確和安全。在途集裝箱的實時追蹤則由貨運中心依靠北斗衛星網絡不間斷讀取集裝箱通信盒中的北斗系列標簽，從而掌握集裝箱的位置和狀態，保證貨物的實時監控和安全。

相比于既有流程中貨物運輸途中存在盲點以及發生貨丟、貨損事故后責任不明等問題，借助于RFID系統的信息校核和報警功能可以最大限度保證貨物出站前的安全和完整。運輸途中北斗衛星的實時監測保證了貨物信息在整個運輸途中的連貫性，在減低事故發生率的同時提供了追究責任和挽回損失的有效途徑。

③在到站交付環節，貨物卸車后，RFID系統實時掃描集裝箱信息并與集裝箱管理系統數據庫信息進行及時匹配，若發生不匹配現象則及時報警，并通過回查北斗標簽信息確認貨運事故發生的地點和時刻，最大限度地挽回損失。信息無誤后向貨主發出催領通知并對貨物進行暫時保管，保管過程中可以再次借助手持讀寫器讀取電子標簽信息進行驗證，保證貨物完整良好的交付。

圖2　智能化改進下鐵路集裝箱場站管理作業流程

相比于既有流程，借助RFID技術和北斗技術可以保證交付環節貨物的完整和良好，也簡化了作業環節。RFID對貨物進出站集裝箱信息進行實時讀取和匹配，加之集裝箱運輸途中北斗技術的實時追蹤，相當于給貨物安全提供了一份“雙保險”。

（2）場站管理作業優化改造

①集裝箱出入管理：借助出入口處安裝的RFID讀寫器對進出車輛車載集裝箱信息進行讀取，并與中央數據庫系統中信息進行同步校核，若校核信息一致無誤，才在運輸車輛方向，允許其進入或離開集裝箱堆場。

在現有流程中，以上過程基本都是以人工作業為主，作業效率低，容易導致集裝箱運輸車在出入口排長隊的現象。RFID技術支持下，RFID讀寫器可以實現自動快速地對集裝箱信息的讀取和寫入，數據可以在系統內有序高效的傳遞。有效提高了信息識別的準確性和數據更新的同步性，減輕了工作人員的勞動強度。

②集裝箱堆場作業管理：對于需要搬運的集裝箱，由上位機系統發出指令，下位機系統通過鐵路專用網絡在接受到指令信息后與作業設備進行信息交互，控制作業設備進行自動化作業，改變既有人工操作的模式。

在現有流程中，需要挪移集裝箱的確認工作由人工完成，然后控制起重機械完成對集裝箱的挪移。RFID環境下，可以通過車載RFID讀寫器實現對需要挪移的集裝箱的自動確認和識別，并通過數據交互控制起重機械的自動化作業，有效提高了工作效率。

③集裝箱客戶端管理：現有基于TMIS開發應用的鐵路集裝箱管理系統實現了對客戶信息的數據庫管理，可以進行信息存儲、管理、查詢、更新等操作。RFID技術和北斗技術支持下，可以獲取集裝箱堆碼位置、狀態、地理位置等動態信息，方便用戶借助各類電子設備終端實現對集裝箱信息更精準和全面的查詢。

在現有流程中，客戶可以通過終端設備對貨物基本信息進行查詢，但是信息不夠全面，數據更新非常遲緩，信息化程度相對粗糙。RFID環境下，可以方便為用戶提供全面的貨物狀態信息，而且北斗技術可以實現精確的貨物狀態信息實時更新，從而有利于提高運輸的透明性和客戶滿意度。

3　結語

集裝箱運輸是一種高效率、高效益、高投資、高協作的運輸方式，也是未來鐵路貨運發展的主要方向。本文針對我國鐵路集裝箱管理系統發展現狀中存在的主要問題，提出了基于RFID和北斗技術下的智能化改進措施，對集裝箱基本信息的識別技術、數據傳輸技術、實時追蹤技術提出了改進方案，并對集裝箱場站管理和運輸過程進行優化改造研究。有利于提高集裝箱運輸的作業效率，減輕工作人員的勞動強度，體現了智能化鐵路的含義，也是本文的創新性所在。

［1］劉作義，郎茂祥.鐵路貨物運輸［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.

［2］張雪.基于RFID技術的鐵路集裝箱堆場管理信息系統的研究與實現［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

［3］臧鑫.RFID在鐵路集裝箱運輸中的應用研究［J］.鐵道運輸與經濟，2012，33（7）：58-60.

［4］徐利民，楊磊，楊旭，鄭平標.我國鐵路集裝箱運輸組織技術發展方向研究［J］.鐵道運輸與經濟，2012，34（12）：18-25.

［5］陶學宗，鐘雁.RFID技術在集裝箱運輸中的應用研究［J］.物流技術，2006，（4）：40-42.

［6］蘇蕊，劉曉娟.“北斗”衛星導航系統在鐵路行業中的應用［J］.鐵路通信信號工程技術，2011，8（6）：28-30.

［7］劉迪，張志榮.基于北斗的鐵路集裝箱運輸RFID應用系統研究［J］.中國鐵路，2015，（8）：42-46.

Intelligent Improvement of Railway Container Management System Based on RFID and Beidou Technology

Peng Qiyuan，Wang Xiang，Tao Siyu，Yao Di
（School of Transportation Logistics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

In this paper， in view of the problems afflicting the current railway container management systems in China， we proposed theintelligent improvement measure based on RFID and the Beidou technology， designed the specific improvement solutions for the containeridentification technology， data transmission technology， and real- time tracking technology， and at the end， optimized the container yardmanagement and operation processes.

railway container management system； RFID； Beidou technology； intelligent

TP391.45；TP315

A

1005-152X（2016）08-0079-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.08.021

2016-07-02

中央高校基本科研業務費專項資金資助（2682015cx041）

彭其淵（1962-），男，重慶涪陵人，教授，博士生導師，主要研究方向：智能交通系統理論與方法、綜合運輸系統優化；王翔（1992-），男，山東泰安人，西南交通大學交通運輸與物流學院碩士研究生。