基于北斗衛星導航系統及無線通信的海運集裝箱全球監控跟蹤系統設計

管練武 周璇 高延濱 韓云濤 馬艷莉

【摘 要】 為保障堆場安全和集裝箱全球監控，介紹我國集裝箱監控系統，分析海運集裝箱運輸和管理過程中存在的不足，以集裝箱船舶、碼頭堆場分類擺放，集裝箱精準吊裝及擺放管理兩個項目為例，提出無線通信平臺與北斗衛星導航系統相結合的技術，可實現集裝箱貨物在全球范圍內運輸時的集中管理及貨物狀態的實時監測和位置跟蹤服務。

【關鍵詞】 北斗衛星導航系統;通信;集裝箱;堆場;全球監控和跟蹤

1 背 景

隨著經濟全球化步伐進一步加快，國際貿易快速發展，集裝箱運輸因其具有高效、便捷、安全的特點而成為現代交通運輸的重要組成部分。集裝箱在船舶、碼頭堆場等處根據所運貨物進行分類擺放，這對保障堆場安全和實現集裝箱的全球監控具有重要作用。北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）是我國政府大力支持的國家重點項目，預計到2020年實現全球范圍內的導航定位和短報文通信功能。屆時，由北斗系統帶動的軍用和民用物資運輸將會帶來非常可觀的經濟效益和社會效益。集裝箱在船運、堆場、倉庫等區域的數量往往是巨大的，為每個集裝箱都安裝北斗導航定位接收機必會大大增加監控成本。

近10年來，我國港口集裝箱吞吐量一直保持穩定增長，2007年集裝箱運輸總量突破1億TEU，2017年全國港口完成集裝箱吞吐量2.38億TEU。

集裝箱運輸的安全性也引起了港口、航運界及陸運界的密切關注，特別是集裝箱偷渡和走私案件時常發生。集裝箱監控系統不僅能有效防范各類偷盜事件，還能有效打擊國際有組織偷渡活動。此外，在運輸危險品時，集裝箱在安全系數和運輸效率上更具優勢。目前，我國危險品運輸管理還很不完善，大部分危險品運輸仍采用傳統運輸方式，安全事故時有發生。因此，急需對危險品集裝箱進行分類堆放和實時監控。

為有效監控海運集裝箱，目前國內一些航運企業都使用了集裝箱監控系統，還有大量航運企業未使用，其中班輪運輸企業的集裝箱監控情況見表1。集裝箱監控系統市場應用前景廣闊。

近年來國內學者對集裝箱運輸監控作了相關研究：任曉明[1]設計了一套基于天鴻網的車輛監控調度系統;秦海濤等[2]運用全球定位系統（GPS）以及短信功能設計了面向化學品運輸的車輛定位監控系統;秦玉[3]基于射頻系統識別技術（RFID）、GPRS/GPS技術和傳感采集技術，研制出一套危險品集裝箱狀態信息實時監測系統;隨著北斗系統在亞太地區的逐步完善，湯瑋等[4]開展了北斗衛星導航系統在我國沿海集裝箱船調度和安全救助中應用的研究。

海運集裝箱運輸和管理過程中存在如下不足：遠程物資運輸和中轉堆場分類管理不統一;堆場對貨物分類管理的有效性和實時性不足，不利于海運集裝箱運輸全程監控。此外，GPS無法對我國軍需物資及貴重物資運輸的路線進行保密，戰時易被敵對勢力利用;美國等發達國家的現有設備因其系統引進和維護服務費用高而不利于廣泛推廣，同時也不能保證我國軍用集裝箱運輸服務的保密性。綜上所述，本文提出一種基于北斗系統與無線通信相結合的海運集裝箱全球監控跟蹤系統擬解決上述不足之處。

2 系統總體方案

海運集裝箱全球監控跟蹤系統擬采用北斗系統實現集裝箱的全球定位監控，并通過無線通信平臺優化集裝箱的局域管理。系統總體方案見圖1。

2.1 集裝箱海陸運輸跟蹤及監控

無線通信平臺與北斗系統的結合，即集裝箱管理系統（見圖2）可實現集裝箱在全球海陸運輸中的管理。系統操作流程如下：首先，可在船舶、碼頭堆場等局域內采用無線通信技術實現對集裝箱位置和箱內貨物信息的收集;然后，按局部區域大小將每個集裝箱的信息傳遞給該區域內一個或者幾個主數據節點，進而鏈接北斗信號處理終端傳輸給北斗系統通信衛星，并以短報文形式由通信衛星將這些信息實時傳遞給任意位置用戶或貨物管理中心;最后，實現集裝箱貨物在全球范圍內運輸時貨物狀態的實時監測和位置跟蹤服務。

集裝箱使用的無線通信傳感器節點具有體積小（尺寸僅為20 mm ？40 mm）、傳輸距離長（直線通信距離可達3 km）、實時檢測和報告、單次工作時間長（可達9個月）、環境適用性強，以及無線測距與北斗系統聯合定位等特點。

該傳感器節點能有效地將箱內溫度、濕度、振動及防盜傳感器信息進行采集并傳輸給一定距離內的中繼節點（傳感器槽），實現貨物局域范圍內位置或狀態等數據的收集。這些數據通過網絡云平臺傳送給承運商或用戶，承運商或用戶只要在手機、平板電腦或微型計算機等上安裝對應的App即可對貨物的狀態、位置等進行實時查詢。此外，承運商或用戶還可根據保存的數據信息，對相關貨物進行長期跟蹤和報告。

2.2 集裝箱船舶、碼頭堆場分類擺放

將集裝箱根據貨物種類在船舶、碼頭堆場進行分類擺放至關重要，這不僅有利于提高集裝箱管理效率以降低成本，而且也能提高倉庫碼頭的利用率，杜絕過期產品的堆放。特別是危險物品集裝箱遠離其他物品、貴重物品集裝箱的重點保護，以及干燥物品集裝箱的防水防潮等在倉庫和碼頭分類管理中尤為重要。

從基于無線通信的集裝箱倉庫、碼頭堆場分類擺放（見圖3）可以看出，A區和B區分別表示不同類物品的堆放，在每個區的入口和出口分別安裝區域管理單元，當運輸特定物品的集裝箱經過A區入口或出口的區域管理單元時，用戶App會直接顯示該集裝箱所在的具體位置。

2.3 集裝箱精準吊裝及擺放管理

快速而準確地移動吊裝和擺放集裝箱，能大大縮短船舶靠港時間，節約時間和成本。本項目通過在集裝箱各個表面分別安裝一個高精度、近距離的無線傳感器，由無線收發方式確定集裝箱的位置和距離，吊裝駕駛室操作人員可借助駕駛室顯示器App界面實現集裝箱的快速吊裝和擺放。

3 關鍵技術

3.1 北斗衛星導航通信系統

北斗系統不僅提供全天候、高精度的定位、導航、授時服務，還具有短報文通信能力。短報文通信過程如下：

（1）短報文發送方首先將包含接收方ID號和通信內容的通信申請信號加密后通過衛星轉發入站;

（2）地面中心站接收到通信申請信號后，經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中，經衛星廣播給用戶;

（3）接收方用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通信。

3.2 無線傳感器技術

系統中的傳感器節點根據集裝箱內運輸物資所需測量的如溫度、濕度、鹽度、振動等物理特性，采用不同的傳感器進行相關的數據處理，然后將采集的數據發送給傳感器槽。傳感器槽主要接收來自于集裝箱內部各個傳感器節點信息，并完成對集裝箱內部溫度是否均衡、集裝箱門是否封閉嚴實、集裝箱是否受到劇烈撞擊等狀態的判斷。

3.3 無線網絡傳輸技術

中繼節點中使用了最新的控制端。該控制端能夠處理傳感器和北斗衛星接收機傳來的信號，并通過衛星無線電測定業務（RDSS）以短報文的方式轉發給北斗衛星。

該控制端含有一個32位ARM Cortex-M3的CPU（與主處理器工作頻率同為48 MHz），并且擁有豐富的外設功能集，其中包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器。此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，適用于當系統的其余部分處于睡眠模式時自主收集模擬數據和數字數據。

4 結 語

目前，集裝箱運輸已成為當代國際貨物運輸的主要形式，是全球一體化的象征。采用海運集裝箱監控系統能有效保障貨物運輸的安全，對于在惡劣天氣下甚至是在海盜劫持中丟失的貨物，也能利用北斗系統進行精準定位和跟蹤。

參考文獻：

[1] 任曉明.基于天鴻網的車輛監控調度系統設計與開發[D].武漢：武漢理工大學， 2004.

[2] 秦海濤，薛晨陽，秦麗，等.面向化學品運輸的車輛定位監控系統[J].微計算機信息，2007（4）：233-235.

[3] 秦玉.危險品集裝箱物流狀態實時監控系統的研究與開發[D].上海：上海交通大學，2009.

[4] 湯瑋， 張耿霖. 北斗衛星導航系統在我國沿海集裝箱船舶調度和安全救助中的應用[J].水運管理，2016（3）：6-8.