無線射頻技術在船舶危險品運輸管理中的應用

薄文彥，趙 磊，曲霄紅

(1.山西大同大學 計算機與網絡工程學院，山西 大同 037009；2.天津港信息技術發展有限公司戰略科技部，天津 300450)

0 引 言

船舶運輸在國際貨運中起著非常大的作用，2021 年全球運輸原油的數量超過了8 100 萬噸，國內干散運船超過了2000 艘，隨著后疫情時代全球經濟回暖，原油、液化燃氣的運輸數量也在呈現逐年增長的趨勢。原油和液化燃氣的運輸都屬于危險品運輸，西方國家對危險品的運輸都已經采取了全程監控，對危險品運輸過程中的溫度、濕度、壓力以及濃度等進行監控，有助于實現船舶的安全運輸，同時也有助于在發現異常狀態時及時采取措施，以減小危險品泄漏或者爆燃所產生的物資和人員損失。

傳統的船舶危險品運輸管理主要通過人工以及半自動電子監控的方式來實現對船舶物品的監控，并通過GPS 和AIS 等系統將船舶的行駛坐標、物品狀態發送出去，這樣雖然也能實現對船舶危險品的監控，但是很多操作仍然需要船員來完成，因而效率較低。無線射頻技術主要是通過電子標簽的信息讀取和傳遞來實現對船舶危險品的運輸管理，通過電子標簽可以直接獲取船舶裝載危險貨物的種類、基本信息、出發地、目的地以及其他一些必要信息。同時可以通過定期自動掃描電子標簽，并配合實時采集的傳感器監控數據就可以完成對船舶危險品的實時監控。整個危險品運輸管理過程可以實現信息化和自動化，因而極大提升了管理效率，同時在危險品數據的獲取和處理上也更加準確，實時性更好。在無線射頻技術中，很多學者對相關技術在危險品運輸管理中的應用進行研究。魏福祿等[1]針對危險品運輸中的RFID 碰撞算法進行研究，并建立防碰撞模型，且系統的魯棒性比較好。李琳[2]提出一種基于RFID、GPS 技術的危險品運輸管理系統，可以實現對危險品的跟蹤、定位和管理等功能。

本文提出一種基于無線射頻技術的船舶危險品運輸管理系統，對標簽信息讀取后實現信息的實時存儲、處理和傳輸，并且能夠防止出現標簽碰撞。

1 無線射頻識別技術

1.1 無線射頻識別系統

無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是無線射頻技術中的一個重要應用，是實現船舶危險品運輸管理的關鍵子系統。RFID 系統可以實現對危險品信息的寫入和讀取[3-4]。

一個基本的RFID 系統包括電子標簽、讀寫器、中間件以及計算機網絡4 個部分。

1）電子標簽

電子標簽中有控制模塊、存儲器、射頻模塊以及天線等，其中控制模塊負責在時鐘的控制下通過射頻模塊和天線向存儲器讀取數據或者寫入數據。電子標簽可以內置電源供應，也可以從外部獲取能量。

2）讀寫器

讀寫器主要通過產生的時鐘、射頻模塊和天線來讀寫電子標簽的數據信息，同時讀寫器內部還負責提供電源。

3）中間件

中間件負責讀寫器和計算機網絡系統之間的基本連接，一般中間件是上層軟件應用和底層硬件之間連接的部分，而在危險品運輸管理中，可以針對特定的船舶危險品運輸管理系統設計特定的中間件，使之具備降低干擾、讀寫更加可靠的功能。

4）計算機網絡

讀寫器獲取的標簽信息需要通過中間件以及網絡發送出去，這樣才能和船舶運輸管理系統的其他子系統進行通信和連接，最終將這些信息發送到控制中心。

圖1 RFID 系統結構Fig.1 Architecture of RFID system

1.2 標簽防沖突技術

船舶危險品運輸過程中需要對大量的危險品進行信息的讀取和管理，因而讀寫器需要在一定時間內讀取大量的標簽信息。電子標簽存儲的信息能夠有效保證信息的完整性和準確性，但是使用同一個讀寫器發出讀寫指令時可能同時有多個電子標簽響應，此時會出現電子標簽碰撞的問題。發生此種情況時由于此時讀寫器無法識別某一個具體的電子標簽，因而也無法實現危險品信息的讀取。

標簽防沖突技術主要是利用時分多址法，將時間劃分為多個小段，規定在每個小段的開始才能向讀寫器發送信息，這樣能夠降低電子標簽碰撞的概率。本文中船舶危險品運輸管理為了避免出現大規模的標簽碰撞問題，采用Slotted ALOHA 算法來實現，其基本思想是：通過系統的高精度時鐘將所有時間進行分段，由于時鐘非常精準，因而分段的數量非常大，此時標簽數量一定，因而就可以對所有標簽發送數據進行規劃，讀寫器不會主動發出指令，電子標簽會自動發出標簽序列號由讀寫器進行判定，然后讀寫器會選取某一個電子標簽讀寫信息。由于使用了高精度的時鐘分段，因而電子標簽可能會出現完全碰撞和完全不碰撞2 種情況，隨著分段數量的增加完全碰撞的概率會變小[4-6]。

Slotted ALOHA 標簽防碰撞算法基本原理如圖2 所示。分段的時間為T，深色部分表示標簽出現碰撞，淺色為標簽數據被正確讀取。

圖2 Slotted ALOHA 標簽防碰撞算法Fig.2 Slotted ALOHA label anti-collision algorithm

1.3 中間件技術

在船舶危險品運輸管理系統中，中間件是將船舶應用軟件和系統連接的一類軟件，它可以將網絡中不同的應用系統連接起來，同時使得這些基于不同技術的軟件能夠實現資源共享。中間件可以充分調用網絡通信資源和系統資源[7]。當底層硬件系統需要傳遞信息時，首先需要向中間件發出請求，由中間件在網絡上調動資源來實現該服務。一般而言，在RFID 系統中，中間件具有以下特點：

1）統一性。通信和控制協議統一，因而可以實現不同操作系統之間的數據通信和共享。

2）廣泛性。中間件本身作為一種軟件，可以運行于目前大部分的操作系統平臺。

3）獨特的編碼標準。由于在危險品運輸過程中需要對所有的危險品進行編碼，因而不同的船舶可以根據自身的情況來制定編碼標準。

4）降低系統的開發成本。在使用中間件后，可以有效的將RFID 系統的數據流與網絡中其他的系統對接，如WEB 服務平臺等，通過將底層的監控數據進行封裝，并規定上層應用軟件的基本通信協議，使得系統中的應用軟件可以實現交互式操作，而這些操作與下層無線射頻技術完全無關。因而在底層的無線射頻系統發生變動時，上層應用系統基本不需要作出任何改變。從設計的角度來看這樣就極大地降低了系統的開發成本，節約了開發時間。

2 船舶危險品運輸管理系統的設計

2.1 系統整體設計

首先確定系統的設計要求：

1）信息化。系統對危險品的信息采集必須實現信息化和自動化，同時要求能夠和其他系統實現信息互通，對船舶危險品實現實時在線遠程監控和管理。

2）冗余性。要求系統具有一定的冗余性，只有保持一定的冗余性才能最大程度保證系統的安全和穩定工作，犧牲一定的系統運行成本也要保證整個系統的安全性和可靠性。

3）統一性。由于不同RFID 標簽廠家生產的標簽性能各不相同，因而在設計和建設船舶危險品運輸管理系統時，需要使用統計技術標準的RFID 標簽，并最終形成船舶危險品運輸管理規范。

圖3 為基于無線射頻技術的船舶危險品運輸管理系統結構框圖。可以看出，RFID 子系統在完成對標簽信息的讀取后，將信息和無線傳感器獲取的溫度信息通過船舶內部網絡傳輸到船舶監控系統，此時船舶監控系統可以實現對危險品的狀態信息實時監控。同時為了實現和岸基危險品監控中心實現信息的實時傳遞，通過無線網絡將船舶危險品的相關信息、船舶位置信息等傳輸到岸基船舶危險品監控中心，并實現對相關信息的存儲和處理。同時可以開發對應的監控軟件，實現在電腦端和PC 端的監控信息顯示。

圖3 船舶危險品運輸管理系統結構框圖Fig.3 Ship dangerous goods transport management system structure block diagram

2.2 標簽信息讀取實現

對標簽信息進行準確讀取是船舶危險品運輸管理系統實現的關鍵步驟，除了需要使用防碰撞算法防止讀取標簽信息出現沖突，還需要判斷在讀寫器范圍內標簽的數量，標簽信息讀取流程如圖4 所示。

圖4 船舶危險品標簽信息讀取流程Fig.4 Reading process of ship dangerous goods label information

1）初始化。初始化是對所有的標簽進行初始化，包括對標簽信噪比、功率等參數的初始化。

2）判斷某一個讀寫器范圍內的標簽數量，不同的標簽數量需要采用不同的措施，若只有一個標簽，那么在選擇該標簽后就判斷該標簽是否繼續，然后就可以完成數據的讀取。而如果有多個標簽，那么就需要啟動時鐘分段，同時在一個周期內若沒有讀取成功就需要進行二次讀取，因而在布置標簽時需要考慮標簽的間距，如果在同一個讀寫器范圍內標簽數量過多，會造成讀取標簽信息的時間過長，不利于實現對危險品的實時監控。

3）完成標簽信息讀取后開啟下一次的數據讀取。

2.3 實驗驗證

為了實現高效地船舶危險品標簽信息讀取，需要對系統中影響標簽信息讀取的關鍵因素進行研究，包括標簽數量和時隙數量（時間分段）的關系，標簽數量和系統吞吐率的關系，其中系統的吞吐率定義為在不損失數據信息的情況下，實現危險品標簽信息讀取和轉發的最大速率。

在Matlab 中構建仿真環境，根據仿真的結果可以在建立的基于射頻技術的船舶危險品運輸管理系統中對相關參數進行設置，以達到最佳的數據讀取效果。

圖5 為標簽數和時隙數的關系。可以發現，當標簽數量增加時，需求的時隙數會不斷增加，其增長率會大于標簽數的增長率，而時隙數在實際應用中會受到時鐘主頻的限制，因而在應用中需要嚴格限制一定區域內標簽的數量，否則會造成標簽的能耗上升，同時標簽讀取的效率會降低。

圖5 標簽數和時隙數的關系Fig.5 Relationship between label number and time slot number

圖6 為標簽數和系統吞吐率之間的關系。可以發現，在標簽數量小于160 時，系統的吞吐率會隨著標簽數量的增加而提升，標簽數量為160 時系統的吞吐率達到最大，標簽數量超過160 以后系統吞吐率會降低。因而綜合分析可以發現，建立的船舶危險品運輸管理系統中單個讀寫器所對應的標簽數量不能超過160。

圖6 標簽數和吞吐率的關系Fig.6 The relationship between label number and throughput

3 結 語

全球每年都有大量的危險品通過海上交通運輸到達目的地，危險品在運輸過程中會存在爆炸、泄漏和腐蝕等風險，因而在運輸過程中需要對這些危險品進行全程實時監控和管理。本文闡述了無線射頻識別技術，對無線射頻識別系統、標簽防碰撞以及中間件技術進行分析。在此基礎上構建基于無線射頻技術的船舶危險品運輸管理系統，設計了系統的整體架構和標簽信息讀取的基本流程。對標簽數量和時隙數量的關系以及標簽數量和系統吞吐率的關系進行了研究，本文設計的系統具有良好的穩定性和可靠性。