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RFID技術(shù)在集裝箱裝箱優(yōu)化系統中的應用
摘要：利用RFID技術(shù)進(jìn)行裝箱優(yōu)化設計提升裝箱軟件的適應性達到裝箱空間優(yōu)化。RFID是一種重要的自動(dòng)識別技術(shù)，特點(diǎn)是信息標識與非接觸自動(dòng)獲取，利用RFID技術(shù)特點(diǎn)對大批量貨物和集裝箱相關(guān)信息的自動(dòng)采集，結合安全性指數的考量和多種算法模擬計算，引導現場(chǎng)優(yōu)化裝箱，達到集裝箱裝箱空間利用率最優(yōu)化。集裝箱空間利用率的提高將有助于物流企業(yè)在市場(chǎng)的竟爭力。
關(guān)鍵詞：集裝箱 RFID技術(shù) 空間利用率 裝箱優(yōu)化
目前在我國物流行業(yè)領(lǐng)域，尤其是涉及裝箱運輸的行業(yè)，裝箱優(yōu)化軟件已經(jīng)得到了較為廣泛的認可，如LoadMaster 和Maxload Pro就是國內外知名度比較高的裝箱優(yōu)化軟件。一方面是因為現有的裝箱軟件可以適用于計算貨柜裝箱、集裝箱拼箱、托盤(pán)裝箱等，裝箱算法成熟穩定。另一方面由于現有的裝箱軟件主要解決了集裝箱空間利用率最大化問(wèn)題，而且裝箱優(yōu)化計算大多適用整箱貨物裝箱，或簡(jiǎn)單種類(lèi)的貨物拼箱。在貨物種類(lèi)復雜情況下，光貨物信息的采集就將成為一個(gè)很大的問(wèn)題，因此，還不能滿(mǎn)足現代物流企業(yè)對信息化建設的更高需求，在物流企業(yè)中大規模應用存在一定的困難。
目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)信息化改造中顯露出強勁的生命力，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心技術(shù)之一RFID技術(shù)應用十分廣泛，RFID技術(shù)的關(guān)鍵是信息標識與非接觸式信息自動(dòng)獲取�；赗FID的裝箱優(yōu)化技術(shù)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)自動(dòng)感應的方式遠程提取集裝箱貨物電子標簽內有效數據并自動(dòng)進(jìn)行裝箱優(yōu)化計算，綜合解決復雜貨物數據智能化的批量錄入及模擬運算。通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的程序嵌入PDA無(wú)線(xiàn)智能終端設備實(shí)現引導裝箱貨物在集裝箱內的精確落位及裝卸箱的優(yōu)化流程。同時(shí)可解決集裝箱空間利用率與穩定性綜合優(yōu)化，倒箱優(yōu)化、二次倒箱優(yōu)化，數據匹配自動(dòng)調用，以及集裝箱多箱復雜形態(tài)貨物裝箱優(yōu)化等問(wèn)題。本系統的研究可以提升我國物流行業(yè)信息技術(shù)水平，提高同類(lèi)軟件國際市場(chǎng)的競爭性。
一、系統組成與工作原理
1、RFID技術(shù)原理
RFID是一種目前廣泛應用的自動(dòng)識別技術(shù)，它的特點(diǎn)是信息標識與非接觸式自動(dòng)信息獲取，依據無(wú)線(xiàn)電工作頻率可分低頻、高頻、超高頻及微波四個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段工作，低頻、高頻系統采用電感耦合原理;超高頻、微波系統采用電磁波反射原理來(lái)實(shí)現信息的讀寫(xiě)。RFID系統一般由電子標簽、閱讀器(含天線(xiàn))和應用軟件三大部分組成。電子標簽通過(guò)閱讀器來(lái)進(jìn)行信息讀寫(xiě)，RFID閱讀器可以有多種形式的接口(如RJ45、串口)與后臺應用系統交換數據，實(shí)現對電子標簽的信息讀寫(xiě)。
2、系統組成
集裝箱裝箱優(yōu)化系統充分利用了RFID非接觸信息獲取技術(shù)優(yōu)勢來(lái)實(shí)現大量貨物與集裝箱相關(guān)信息的自動(dòng)獲取，信息標識與自動(dòng)快速獲取是系統應用的關(guān)鍵與基礎。整個(gè)系統從信息獲取、網(wǎng)絡(luò )傳輸、信息處理與應用三層模型來(lái)認識屬于經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)三層架構思想。信息獲取層包括前端手持式PDA終端、臺式發(fā)卡器、普通讀寫(xiě)器和各式電子標簽等，主要完成標簽制作、貨物與集裝箱等相關(guān)信息的標識與讀取，通過(guò)手持式PDA實(shí)現裝箱引導信息的獲取并輔助引導現場(chǎng)工作人員裝箱工作。網(wǎng)絡(luò )傳輸層主要由前端無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(如WIFI、GPRS等)、各種網(wǎng)絡(luò )交換設備等構成，完成由信息獲取層得到的大量貨物、集裝箱等信息的準確完整傳輸，實(shí)現前端感知設備與信息服務(wù)中心的各類(lèi)管理與系統信息交互。信息處理與應用層是整個(gè)應用系統的中心，分硬件與系統應用軟件二大部分。硬件由大量的服務(wù)器與交換路由設備構成，軟件由數據庫管理模塊、裝箱模擬計算模塊、穩定性綜合優(yōu)化模塊、系統配置模塊和信息交換模塊等組成。
3、基本工作原理
各類(lèi)電子標簽在使用前都要進(jìn)行初始化工作，由臺式發(fā)卡器完成這項工作。貨物出廠(chǎng)時(shí)(包括集裝箱)由廠(chǎng)家錄入貨物相關(guān)信息到電子標簽并進(jìn)行儲存。一旦貨物被明確需要裝箱時(shí)，就使用手持PDA終端(或其它類(lèi)型閱讀器)進(jìn)行成批貨物電子標簽信息的讀取，這些信息經(jīng)PDA預處理后實(shí)時(shí)經(jīng)網(wǎng)絡(luò )上傳給云端信息服務(wù)處理中心存貯。當所有裝箱貨物與對應的集裝箱信息獲取完畢后，云端信息服務(wù)系統處理軟件就可以根據用戶(hù)的具體要求，依據多種算法進(jìn)行裝箱模擬計算，產(chǎn)生相應的裝箱方案并保存到歷史裝箱數據庫中�，F場(chǎng)作業(yè)人員利用手持PDA終端所具有的引導裝箱功能，在調用云端信息服務(wù)系統中的裝箱方案后，就可按步完成裝箱。另外在裝箱過(guò)程中如發(fā)現問(wèn)題，也可實(shí)時(shí)修正信息上傳給云端重新優(yōu)化計算裝箱方案。
二、PDA終端系統
1、PDA終端
PDA終端采用由廣東華信金溢信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的W8700A。W8700A是國內首款搭載4核CPU的工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)手持移動(dòng)終端。它采用SamSung ARM Cortex-A9四核Exynos 4412 CPU1.4GHz，基于android4.0操作系統，內置920～925MHz頻段RFID模塊，具有6米的有效讀卡距離，空口采用IO18000-6C/EPC Class1 Gen2標準，具有讀取全方位、距離遠、防沖撞、單次讀取數量多等優(yōu)點(diǎn)。具有豐富的通訊接口如WCDMA、藍牙、WIFI和內置的3G模塊，通過(guò)WIFI或GPRS網(wǎng)絡(luò )將現場(chǎng)采集的數據實(shí)時(shí)與云端服務(wù)器進(jìn)行交互。
2、PDA終端軟件
W8700A(PDA終端)嵌入式軟件主要由五大模塊組成，分別包括：數據采集模塊，裝箱管理模塊，信息傳輸模塊和配置管理模塊和界面設計等。在安桌平臺下全部模塊都采用JAVA語(yǔ)言實(shí)現。
數據采集模塊是整個(gè)裝箱系統優(yōu)化處理的基礎模塊，利用PDA內嵌的超高頻RFID讀寫(xiě)器對智能集裝箱和各類(lèi)包裝箱電子標簽內的基本數據(如貨物包裝的長(cháng)、寬、高，承載毛重，易碎度等等)進(jìn)行讀寫(xiě)處理，并將數據在用戶(hù)端進(jìn)行呈現，同時(shí)可通過(guò)手持PDA智能終端進(jìn)行局部檢驗的方式驗證錄入數據的正確性，也可實(shí)現數據的增加、修改和刪除等操作。由于可能存在貨物同時(shí)大量堆疊出現的情況，數據采集模塊要具備電子標簽防碰撞讀寫(xiě)功能，一般可以采用如基于A(yíng)LOHA防沖撞沖突算法及其改進(jìn)算法解決同時(shí)對多標簽的讀寫(xiě)能力。
裝箱管理模塊是PDA終端系統的核心模塊，是裝箱優(yōu)化系統的實(shí)際操作指引模塊。裝箱引導的基礎是云端服務(wù)信息系統根據早前獲得的集裝箱信息和裝箱貨物信息通過(guò)多種模擬計算產(chǎn)生的裝箱方案，或者是裝箱歷史數據庫中儲存的方案。用戶(hù)輸入參數，信息處理中心解算完成的裝箱引導方案實(shí)時(shí)被調用發(fā)送給PDA終端，引導現場(chǎng)作業(yè)人員按給出的具體步驟和要求完成裝箱，同時(shí)也可修改進(jìn)一步做到裝箱優(yōu)化。
信息傳輸模塊是網(wǎng)絡(luò )通信模塊，通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò )傳輸信道完成信息的遠程接入。PDA終端內置多種形式通信模塊，通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò )或者3G廣域網(wǎng)，利用socket通信編程技術(shù)，實(shí)現信息在PDA終端至云端服務(wù)器之間快速實(shí)時(shí)交互，達到信息的上傳與下載。配置管理、界面設計是基本的軟件模塊。包括用戶(hù)賬號管理、基本參數設置、人機接口界面處理等。
三、云端信息服務(wù)系統
信息處理與應用是整個(gè)系統的核心，主要功能是處理貨物數據的自動(dòng)錄入數據庫、有效數據的自動(dòng)優(yōu)化方案計算、貨物的裝箱提示和最終裝箱方案的演示和生成，PDA智能終端數據的接收與反饋，數據庫的更新與調度等。
應用系統軟件由數據庫管理模塊、裝箱模擬計算模塊、穩定性綜合優(yōu)化模塊、系統配置與報表生成模塊和信息交換模塊等五大主要模塊組成，各個(gè)模塊之間實(shí)現信息共享與相互協(xié)作處理。應用系統軟件采用C/S模式，在MS SQL SERVER2005數據庫平臺和C++開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)現。服務(wù)系統軟件模塊如圖3所示：
1、信息交互與數據管理
信息交互是系統應用的前提與基礎，云端信息服務(wù)系統的所有處理都是建立在信息實(shí)時(shí)完整獲取的前提之下，信息交換模塊就是完成這一功能的具體模塊。前端多種形式的信息獲取設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與云端相聯(lián)，通過(guò)socket通信，將數據傳送至云端服務(wù)器。云端遠程服務(wù)器上的數據接收模塊，通過(guò)socket通信，接受來(lái)自遠程無(wú)線(xiàn)感應網(wǎng)絡(luò )上傳的數據，以及PDA通過(guò)檢查驗證后的數據。由于在PDA上已經(jīng)對最原始的數據進(jìn)行過(guò)一定的處理，所以服務(wù)器上接受模塊主要通過(guò)接受數據，然后存入內存，供后續的存儲和計算操作使用。相反，云端信息服務(wù)系統也要將如裝箱引導方案等數據按需發(fā)送給手持PDA進(jìn)行引導裝箱。
大量的貨物信息和集裝箱信息都需要存貯與管理，建立在微軟數據庫管理系統之上的數據庫應用子系統來(lái)處理這些數據。另外數據庫管理系統要與裝箱模擬計算模塊協(xié)作生成裝箱方案，形成的多種裝箱方案要進(jìn)行有序存儲和管理，以方便檢索與調用。
2、裝箱模擬計算
裝箱模擬計算采用多種靈法的處理策略與算法來(lái)滿(mǎn)足裝箱引導的需要。主要針對比較常見(jiàn)規格的集裝箱或托盤(pán)，也可以用戶(hù)自定義集裝箱容器規格參與集裝箱空間優(yōu)化計算。模擬計算采用多種裝箱優(yōu)先考慮的策略在計算時(shí)進(jìn)行選擇，如寬大優(yōu)先，長(cháng)大優(yōu)先，數量?jì)?yōu)先，體積優(yōu)先等;同時(shí)還附加兩個(gè)優(yōu)化搜索策略(深度搜索，淺度搜索)，在此基礎上進(jìn)行裝箱空間優(yōu)化方案的計算，從而生成多種方案的裝箱引導步驟與要求。四種優(yōu)先策略：寬大優(yōu)先：貨物裝箱首先保證貨物在集裝箱寬度方向上實(shí)現優(yōu)化計算;長(cháng)大優(yōu)先：貨物裝箱首先保證貨物在集裝箱長(cháng)度方向上實(shí)現優(yōu)化計算;數量?jì)?yōu)先：貨物裝箱優(yōu)化僅考慮一個(gè)集裝箱能盡可能多地放入貨物個(gè)數的算法;體積優(yōu)先：貨物裝箱優(yōu)化僅考慮一個(gè)集裝箱能盡可能多地放入的貨物總體積最大的算法，以保證集裝箱空間利用率最大化。另外還有二種搜索策略：深度搜索，淺度搜索。
3、雙指數綜合評估
集裝箱穩定性指數包括集裝箱整體穩定性指數和箱內貨物運輸穩定性指數兩個(gè)綜合評估指標，在裝箱空間優(yōu)化計算的同時(shí)加入了穩定性指數的概念，第一次將運輸穩定性列入了裝箱可優(yōu)化的范疇，以雙指數綜合評估計算裝箱引導方案。模擬計算軟件將根據被裝箱貨物的具體數據進(jìn)行自動(dòng)的穩定性?xún)?yōu)化計算，最大程度地保證運輸過(guò)程中集裝箱的穩定性和降低箱內貨物因為運輸外部條件的變化而產(chǎn)生的不穩定風(fēng)險。箱內貨物穩定性指數評估參數：①最大允許懸空比率指標;②最大允許位移比率指標;③最大碰撞承受力指標;④最大允許翻轉率指標：
集裝箱整體穩定性指數評估參數：①集裝箱整體重心點(diǎn)指標;②集裝箱箱體允許的各項穩定性參數。綜合優(yōu)化圖5所標：
四、結束語(yǔ)
裝箱優(yōu)化軟件的應用已是多年，但隨著(zhù)物流行業(yè)對信息化需要的進(jìn)一步提高，裝箱軟件在功能上日益出現短板現象，特別是自動(dòng)識別技術(shù)的迅速發(fā)展與應用大大推動(dòng)了智能物流的發(fā)展�；赗FID的裝箱優(yōu)化系統的應用研究大大提高了裝箱軟件在大批量貨物的裝箱效率，同時(shí)在裝箱優(yōu)化中結合了對貨物和集裝箱的安全性考量，進(jìn)一步提升了裝箱應用系統的比較優(yōu)勢。下一步，裝箱優(yōu)化系統可以與集裝箱運輸監控等其它系統相結合來(lái)進(jìn)一步實(shí)現集裝箱的綜合管理。
參考文獻：
[1]韓 旭. RFID技術(shù)在國防工程安全管理系統中的應用[J]. 自動(dòng)化儀表，2014，35(9)：34-37+41.
[2]張 新. 基于RFID技術(shù)的高校課堂教學(xué)管理系統[J].中國管理信息化，2014(7)：38-40
[3]王 超. 基于RFID的港口信息采集系統設計[J].水運工程，2013(2)：137-141
[4]黃春華. RFID在高速公路收費系統的應用研究[J].中國水運，2011(5)：34-37
[5]黃霏茜. 挖掘港口集裝箱運輸潛力的對策探討[J].中國水運，2015(5)：49-50
[6]王登清. 基于 RFID 技術(shù)的港口集裝箱和車(chē)輛管理系統的設計與實(shí)現[J]. 物流技術(shù)，2011(7)：146-149
[7]曾 毅. 內河集裝箱船安全裝載方法研究[J].中國水運，2014(9)：29-31
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