港口集装箱堆场内龙门吊的定位和集装箱管理系统

龚向前，侯 力，王少江

（四川大学 制造科学与工程学院， 成都 610065）

0 引言

集装箱运输是一种快速、安全、低成本的货运手段，集装箱货运在全球货运中起着十分重要的作用，国际货运的90%由集装箱完成，光2010年1-2月份，全国规模以上港口完成的国际标准集装箱吞吐量就达到2096.47万TEU（20英尺标准货柜）。射频识别技术（Radio Frequency Identification）由于其速度快、效率高、可全天候工作、不怕灰尘污染、传输距离远等特点，现在被广泛应用到集装箱管理中，极大的提高了港口的管理的水平和效率。借助于RFID技术，每个集装箱的登入、转移和登出都可以通过射频读卡器获知，再将读卡器的获得的集装箱标识码、货物内容、公司等信息纳入港口的管理系统中，便可实现港口集装箱的自动化管理。然而在集装箱的转移、登出阶段，港口的吊装设备龙门吊不可避免的难以快速主动的到达工作位置，需要地面人员的现场管理和指挥，这无疑增加了人工干预的程度，降低了工作效率，影响了港口管理的自动化水平。

为了解决这个问题，我们构想了一个RFID和无线网络结合的系统[1~3]，实现龙门吊的自动定位和路径规划，以完全摆脱地面工作人员的参与，进一步提高港口的自动化管理水品，提升工作效率。

1 系统总体设计

1.1 系统结构框图

图1 基于RFID和无线网络的龙门吊定位系统

1.2 系统工作原理

吊车上读卡器负责读取集装箱标签信息，并通过无线网络传送给各个基站。吊车还贴有标明自身唯一标识等相关信息的标签，基站通过自身的读卡器读取吊车标签，不仅辨识吊车也以此测定小车与各个基站距离。基站之间也通过对等以太网相互通讯交换测得的距离信息，进而求取吊车的绝对坐标值。同时基站的有关标签的控制调度命令由基站无线收发模块发出，吊车的无线收发模块接收，交由吊车读卡器执行。系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送出一定频率的射频信号，当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，电子标签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；读写器对接收天线接收到电子标签发送来的载波信号进行解调和解码后，送到数据管理系统进行相关的处理；数据管理系统根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，针对不同的设置做出相应的处理和控制。

2 龙门吊定位原理

2.1 吊车与基站间距离的获取

RSSI定位算法，RF信号在某个位置的强度可以采用接收信号强度指示(RSSI)来标示。一般来说，相同设备发出的信号的强度都是一个定值，但是当RF接收和发送设备的距离不一样时，接收设备接收到的发送回来的信号强度也就不一样。这种强度的衰减，称为信号的传播损耗，它与环境有关。

无线电传播路径损耗对于RSSI定位算法的定位精度有很大影响。常用的传播路径损耗模型有：自由空间传播模型（Free space propagation model)；对数距离路径损耗模型(Log- distance path loss model)；哈它模型 (Hata model)；对数—常态分布模型(Log- distance distribution)等。

自由空间无线电传播路径损耗模型如下：

其中，d是RF接收和发射设备之间的距离，单位km；f是频率，单位为MHz；n是路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度。

表1 不同建筑物的路径损耗指数和标准偏差

自由空间是一种理想空间，具有以下特点：均匀无损耗的无限大空间，电磁波在自由空间传播时，不存在反射、绕射、散射和吸收率等现象。电磁波在自由空间传播发生的能量损耗，是由于辐射能量的四周扩散。在实际应用环境中，由于多径、绕射、障碍物等因素，无线电传播路径损耗与上述理想情况下的值相比有些变化。理论和实测的结果表明，无论室内或室外，平均路径损耗随距离按对数规律衰减[4,5]，可表示为：

其中，d0为近地参考距离；d是RF接收和发射设备之间的距离，单位km；n是路径损耗指数。由于多种因素的影响，路径损耗在各方向上存在不一致，故此式中的横杠表示对于给定值d的所用可能路径损耗的综合平均。

实际接收设备所处地点的电波传播条件千差万别，如果我们在距离发射天线dKM的多个位置上进行大量测试的话，测量所得的路径损耗必定会呈现出随机分布的特点，这种随机效应是由于建筑物等遮挡造成的。式2只考虑在相同的发送接收设备条件下，大尺度平均路径损耗，然而不同位置的周围环境，对路径损耗的影响非常大。故引入对数—常态分布模型计算路径损耗。对任意的d值，特定位置的路径损耗为PL(d)，如下式：

其中PL(d)[dB]是经过距离d后的路径损耗，Xσ~N(0,σ2)是加在平均路径损耗上的平均值为0的正态分布随机变量,称为路径损耗的校正因子。因此PL(d)是以

对数—常态分布模型使用近地参考距离d0作为路径损耗的参考点。当d＞d0时，路径损耗与d0处的路径损耗相关，d0处的路径损耗可由测量平均值或自由空间公式预测得到。参考距离d0的典型取值1m(室内环境)和100m或1Km(室外环境)。这里取d=d0=l00m，代入式(1)，可得到Loss，即的值。

各基站接收到小车上RF信号时的信号强度为：

根据各基站接收到的小车信号的强度，加上已知的小车上RF信号的发射功率和天线增益（包括发射天线增益GT和接收天线增益GR），利用对数—常态分布模型式(3)，可以将传输损耗转化为距离。

截至2017年底，31个省（区、市）均开展了承包地确权工作。中国社会科学院农村发展研究所研究员李国祥表示，土地确权将进一步明晰农村土地产权，更好地保护农民利益，促进农村土地要素市场发育和优化配置。随着土地确权工作的完成，下一步应当做好土地流转市场服务工作，让农村土地确权证在实际工作中发挥作用。同时，土地确权工作中的相关经验也可以在后续农村土地征收、集体经营性建设用地入市以及农村宅基地改革“三块地”改革中推广。

式(3)中还有两个需要确定的常量：n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子，依赖于障碍物的结构和使用的材料，它的范围在2至5之间，自由空间时n=2:Xσ； 是平均值为0的正态分布随机变量，也就是信号穿过障碍物的衰减，其标准差范围随环境有较大变化。本系统的RF系统应用在某港口集装箱码头，在此港口的无线电传输的环境有如下特征：港口的气候条件一般是海洋性气候与陆地气候结合；港口的堆场集装箱的高度一般为6~8个集装箱即20m~25m左右，而且堆放密集；港口地貌一般比较平坦，不存在太大落差；港口机械的移动频繁；港口面积较大，超过百万平方米。综合上述环境因素，可以取路径损耗指数n≈2.5，同时取路径损耗的校正因子Xσ≈﹣20dB。或者根据现场实地测量决定这两个常量的参考值。

显然接收设备到信号源的距离越近，由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小，而当距离较大时，由于上述式(3)中Xσ的影响，由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大。但鉴于堆场内各集装箱的唯一识别号码及所堆放位置已被准确获知，便可以采用就近的发送设备(如集装箱RFID标签)对由上述方法测算出的小车与基站距离值作适当修正，以提高定位精度。

2.2 龙门吊坐标的计算

图2 定位方法示意图

在射频定位系统中，为了消除不同基站对定位结果的误差，一般采用相对定位的方式。即选择其中一个基站作为服务基站，然后考察待定位小车到不同基站之间的距离差。由图2可知，一旦获得待定位小车到两个基站之间距离的测量值，就可以得到待定位小车到两个基站之间的距离差，多个基站到待定位小车距离测量值就可以构成一组关于待定位小车位置的双曲线方程组，求解该方程组就可得到待定位小车的估计位置。

设(x，y)为待定位吊车的待估计位置，(Xi，Yi)为第i个基站的己知位置，根据几何知识，待定位吊车和第i个基站之间的距离Ri为：

令Ri-1表示待定位吊车到基站i的距离与到基站1的距离差，则

为求解该非线性方程组，可以先进行线性化处理。经过适当的数学变换，可得：

将x，y，R1视为未知数，上式变成线性方程组，求解该方程组就可以得到待定位吊车的位置。本文只利用3基站的3个接收设备对待定位吊车进行二维位置定位，故上述三式中i=1,2,3。此算法过程简单明确，能获得基于距离差测量数据的最优解。

3 管理系统架构与运行

定位功能是集装箱管理系统功能的一部分，它总体包含以下的子系统。

3.1 仓储物资自动化管理系统

集装箱RFID自动识别系统完成装箱数据输入、集装箱信息实时采集和自动识别；通信系统完成数据无线传输；集装箱信息管理系统完成对集装箱信息的实时处理和管理，并完成数据统计与分析，向客户提供集装箱信息查询服务；港口集装箱管理系统监测、记录经过道口的集装箱、拖运车辆、事件发生时间、操作人员、集装箱堆放位置等信息，具有制作二维集装箱堆场贝位图和放箱、找箱功能。仓储管理尤其是大型仓储管理工作是非常繁杂的，出、入库登记、库存盘点等需要耗费人力和时间成本。RFID技术在仓储管理中的应用，大大提高了管理效率，降低了管理成本。由于RFID技术的无接触和可同时批量标签识别的优势，使物品在通过仓库识别区后，出(入)库和库存登记自动生成。若配合移动机构装置，可按预先设置的盘存时间完成库存盘点。同时对未授权出库的物品报警。

图3 港口集装箱管理系统信息与物料流

图4 物流跟踪系统网络结构

3.2 物流跟踪系统

许多单位需要对物品(商品)的流动进行跟踪，了解物品(商品)发出、中转、到达的时间，以及到达的目的地。以便掌握库存数量、生产资料的储备、对错发物品(商品)的调整。RFID识别技术结合局域或广域网络的应用，可轻松达到目的。物流跟踪系统的另一个重要应用是对重要或危险物品的流动跟踪。因为许多重要或危险物品是要严格按指定的点对点流动，同时对流动的时间亦有严格要求。比如：有保密等级要求的物品、贵重物品、金融、军火、爆炸、放射、易污染物品、控制药品、疫苗、医用垃圾等。通过系统跟踪，可掌握物品的流向、流量、流动时长。

3.3 无线定位吊车并实现自动化装卸载

利用RFID实现集装箱的无线定位，并控制吊车按照指令对指定的集装箱进行装卸载。可以基站一、二、三为基点，建立坐标系，从而确定各个集装箱的准确位置，生成含有集装箱位置、进场日期、物品名称、数量等数据的数据库，储存在仓库（集装箱）管理系统中，从而可认定各在库集装箱的位置为已知的。

当需要用吊车运输集装箱时，基站向附近吊车广播发送吊装需求信号，收到信号的空闲吊车通过装在吊车上的有源TAG向三个基站发出应答信号，基站接收并计算得出吊车此时的位置，通过WLAN返回吊车上的计算机。再由计算机选择合适吊车和路线（吊车到指定集装箱的优化路线），发出指令，从而驱动吊车按照优化路线向集装箱移动。当吊车移动至指定位置时，吊车上的读卡器发出信号，激活集装箱上的TAG，并读取TAG上的信息以确定是否正确，如正确，可立即装载。

4 结束语

集装箱港口作为一个物流系统，物品的尺寸统一、规范，管理便利，只要适当减少和改善其中人工干预环节即可实现集装箱从入港到出港的全程自动化。其中人工介入最多的是集装箱位置的查询、定位和龙门吊的吊装调度，此系统采用RFID和WLAN实现了龙门吊的定位和吊装调度的自动化，为港口的自全程动化和效率的提高提供了有利保障。

[1] 李斌,李文锋.智能物流中面向RFID的信息融合研究[J].电子科技大学学报,2007,36(6):1329-1332、1349.

[2] 王成,王志新,张华强.风电场远程监控系统及无线网络技术应用研究[J].自动化仪表,2008,29(11):16-20.

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