基于融合定位的集裝箱海運安全系統研究

陳宇微，韓 銳，王嘉慧，聶文鵬，杜澤紋

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 研究背景

隨著世界經濟全球化和一體化的不斷發展，海運業在過去的十多年中獲得了穩步的增長。全球航運網絡正在形成，而集裝箱運輸由于具有安全、便利操作以及方便采用多式聯運等特點，成為其中增長最為迅速的部分[1]。近年來，國際航運業的信息化是集裝箱海運發展的主要趨勢之一，其中，集裝箱定位與信息傳遞問題的重要性日漸凸顯。

對于重要物資的海上運輸或在惡劣天氣條件下海上航行時，為保障海運過程中集裝箱的安全性以及定位信息傳輸的實時性，防止出現因箱體傾斜入海無法追蹤而導致貨物丟失的情況，亟需可以解決此類狀況的集裝箱海運安全系統。因此，研制一套能可靠定位與穩定傳輸集裝箱坐標等信息的安全綜合系統，具有重要意義。

2 設計原理

2.1 集裝箱海運安全系統分析

通過對現有集裝箱海運安全系統的分析，發現目前系統存在以下不足。

（1）在港口處，由人工完成對集裝箱是否存在破損的檢查，可能出現因人為疏忽導致未及時發現集裝箱破損的情況[2]。

（2）現有以全球定位系統（Global Positioning System，GPS）技術為主的陸運集裝箱監測系統存在系統成本高、保密性弱等缺點[3]。在海運途中，當裝載重要物資的集裝箱發生落水事故時，易出現無法及時尋找到集裝箱并完成打撈工作，從而造成財產損失和危害環境的情況。

為解決以上不足，集裝箱海運安全系統應滿足如下要求。

在海運途中，采用融合定位技術提高集裝箱的定位精度。同時，可將位置坐標實時上傳至信息查詢平臺，供管理人員或普通用戶查詢集裝箱信息。

當集裝箱運抵港口時，由箱體檢損裝置自動對所有集裝箱進行全面檢查，并將檢查結果上傳至信息查詢平臺，提醒工作人員及時修復受損集裝箱。

系統應具有信息匯總平臺，以符合航運業信息化發展的趨勢。

2.2 集裝箱海運安全系統設計

2.2.1 系統功能設計

本文設計一種應用于集裝箱海運的基于融合定位、圖像識別以及射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術的安全系統。系統主要包含電子標簽與定位終端模塊、港口檢損模塊以及信息查詢模塊。

2.2.1.1 電子標簽與定位終端模塊

電子標簽與定位終端模塊安裝于集裝箱外壁距頂板30 cm左右高處，包含RFID電子標簽與定位終端兩部分。

（1）RFID電子標簽用于存儲集裝箱箱號、箱內產品等基本信息，可通過讀寫器進行讀寫。RFID電子標簽與讀寫器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間（無接觸）耦合；在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞和數據交換[4]。

（2）定位終端由STM32單片機、MFRC模塊及定位模塊組成。其中，定位模塊由GPS&北斗模塊、SIM卡模塊、捷聯慣性導航（INS）模塊及滴水檢測模塊組成。MFRC模塊作為讀寫器讀取RFID電子標簽信息，以確定定位信息取自哪個集裝箱。

定位模塊中，系統通過SIM卡模塊對載體所處位置信號進行判定：若返回值處于15～35區間內，則判定集裝箱處于近海岸地區，采取衛星定位與基站定位融合定位方案；若返回值不在設定閾值范圍內，則判定集裝箱處于遠海岸地區，采取衛星定位與慣性定位融合定位方案。數據融合的具體方式與可行性驗證在章節2.1，2.2中詳細描述。

完成集裝箱所處區域的判定后，系統會通過滴水檢測模塊與慣性導航模塊實時監測集裝箱所處環境狀態。若集裝箱被水浸泡超過5 min，或集裝箱任意軸向加速度超出安全范圍（≤3g，參考實驗結果得到），則判定為緊急狀態，定位終端將每秒上傳一次定位信息，避免發生集裝箱落水后，因定位間隔時間較長、海上洋流造成集裝箱漂遠，不方便打撈。反之，若系統處于安全狀態，終端將每小時上傳一次定位信息，既能滿足定位需求，又可以節省電量。定位模塊的工作流程如圖1所示。

圖1 定位模塊工作流程

2.2.1.2 港口檢損模塊

本模塊安裝于岸邊集裝箱起重機抓斗處，包含港口讀寫終端和箱體檢測裝置兩部分。

港口讀寫終端結構與MFRC模塊相同，在抓斗完成對集裝箱的抓取時，港口讀寫終端作為讀寫器讀取RFID電子標簽信息，并將集裝箱基本信息錄入信息查詢平臺，便于系統管理。

箱體檢測裝置由一個樹莓派和四個攝像頭組成。攝像頭分布在抓斗的四角，并朝向集裝箱。樹莓派控制攝像頭對完成抓取的集裝箱進行實時拍照，并對照片進行分析。返回結果后，樹莓派將無問題的照片刪除，并將有問題的照片上傳至信息查詢平臺，進行人工判斷，提示工作人員及時處理。

2.2.1.3 信息查詢模塊

信息查詢模塊是一個自建的信息查詢平臺。本模塊通過匯總電子標簽與定位終端模塊和港口檢損模塊采集的數據，形成一個數據管理平臺。

平臺主要面向兩種操作用戶：一類為平臺管理人員，其可對平臺所收集到的信息進行修改；另一類為普通用戶，其可利用集裝箱號查詢該集裝箱地理位置等信息。

三個模塊之間通過5G網絡進行信息傳輸，在信號不佳處可通過北斗短報文傳輸數據。

2.2.2 系統工作流程

海運出發前，通過RFID電子標簽錄入集裝箱信息，并上傳信息至平臺。在海運途中，電子標簽與定位終端模塊將完成集裝箱定位信息的采集，并將信息按照規定場景的頻率上傳至平臺。集裝箱運抵港口后，由港口檢損模塊對集裝箱基本信息進行核驗，并檢測集裝箱是否受損。若集裝箱完好，則可繼續執行運輸任務；反之，模塊將上傳集裝箱狀態信息至平臺，并通知管理人員提醒工作人員修復。修復好后由管理人員更新集裝箱狀態信息。用戶可在平臺進行數據查詢。系統工作流程如圖2所示。

圖2 集裝箱海運安全系統工作流程

3 融合定位方式及檢驗

3.1 融合定位方式

本系統以衛星定位數據為基準，利用基站定位數據或INS數據通過卡爾曼濾波算法進行擬合，實現數據融合。卡爾曼濾波是一個不斷地預測、修正的遞推過程，由于其在求解時不需要存儲大量的觀測數據，并且當得到新的觀測數據時可隨時算得新的參數濾波值，便于實時地處理觀測結果[5]，因此本系統利用卡爾曼濾波對動態定位數據進行處理。

3.2 融合定位可行性驗證

3.2.1 試驗過程

使用無人機一架，攜帶氣壓計、GPS模塊和INS模塊（定位精度均為1 m，數據采樣頻率設為5 Hz）各一個，在100 s時間內螺旋上升40 m，螺旋半徑為20 m。

在整個過程中，可利用氣壓計測量的氣壓數據分析出無人機的受力數據，從而通過積分求得速度數據；利用GPS模塊得到GPS定位數據，利用INS模塊得到INS數據。

3.2.2 試驗分析

將無人機飛行過程中，利用氣壓計、GPS模塊記錄的數據以及兩者經卡爾曼濾波處理后得到的數據共三組數據通過MATLAB軟件繪制在同一個圖像中，如圖3所示。

圖3 飛行軌跡數據標示圖

由圖3可得，對利用氣壓計經積分計算得到的速度數據和GPS模塊得到的定位數據進行卡爾曼濾波處理后，所得定位參數的定位精度高于未處理前的定位參數，定位準確性得到大幅提升。

同理，將INS模塊所得的無人機飛行加速度、GPS模塊測得的定位數據以及兩者經卡爾曼濾波處理后得到的數據共三組數據通過MATLAB軟件繪制在同一個圖像中，如圖4所示。

圖4 無人機位移標示圖

由圖4可得，若僅使用INS模塊的數據進行定位，因INS模塊無法穩定估計無人機速度，導致加速度積分誤差不斷累積，從而造成定位參數不收斂，無法準確檢測無人機位置的情況。若將INS模塊所得加速度數據與GPS模塊測得的定位數據進行卡爾曼濾波處理，利用INS模塊數據對GPS定位數據進行修正與增強，便能得到更精確的定位信息。

綜上，單獨由INS模塊或GPS模塊測得的定位數據均存在定位精度不足的問題，而利用卡爾曼濾波算法對GPS模塊與INS模塊所得數據進行數據融合處理后，便可提高定位精度，更好地實現在復雜天氣或海況條件下對集裝箱進行準確定位的目的。故本裝置所述融合定位的方案可行。

4 創新特色

與現有集裝箱海運安全系統相比，本系統有以下特色。

（1）本系統可以實時拍照、自動檢損，分析集裝箱是否存在殘損情況，與現有的人工肉眼對集裝箱進行檢損和手動上傳破損照片或視頻相比，提高了檢查的精度與效率。

（2）本系統應用融合定位模式，相比于單定位模式，能夠有效提高定位精度。

（3）本系統建立了信息查詢平臺，實現了集裝箱信息智能匯總與查詢。

（4）本系統終端上的傳感器模塊，能夠依據集裝箱是否處于緊急狀態，調整定位與信息上傳頻率，可以在保障安全的同時節省電量。

5 結 語

本系統目前設計以服務集裝箱海洋運輸領域為主，在陸路運輸方面依然可以適用。隨著人們對集裝箱海運安全系統認識的不斷加深以及本項目技術的不斷改進和完善，它必將在未來的集裝箱遠洋運輸中得到不斷的升級和更廣的應用。