RFID 智能道闸系统在自动化轮胎式起重机堆场中的应用

现代信息技术的高速发展，带动了港口生产和管理技术的长足进步，港口堆场内的自动化场桥的智能化水平成为码头提高生产率一个重要标签。在现行集装箱信息管理标准条件下，结合了现代计算机技术、现代电子技术、软件工程技术、数据库技术、射频识别技术，实现了自动化堆场进场道口的数据采集、设备自动控制、业务自动处理的高效堆场系统[1]。

全球港口场桥设备中轮胎式起重机（以下简称轮胎吊）占据比例较大，轨道式起重机占据比例较小。因此，自动化、智能化绿色港口的发展离不开轮胎吊，同样，轮胎吊自动化改造[2] 将会为绿色港口、港机制造企业走向自动化、智能化起到积极推动作用。

文中详细介绍了无线射频识别技术（RadioFrequency Identification，简称RFID）[3] 以及车辆道闸系统的工作原理、系统结构、工作流程及其在轮胎吊自动化改造中的应用。RFID 数据采集技术具有其特殊性，需要综合考虑现场机械及作业环境的特点、实际使用需求、智能射频技术实现理念和整体作业功能结构等关键环节进行规划设计，将RFID 智能设计与道闸系统配合使用，并融入码头堆场管理中，基于整个生产作业系统的结构和功能进行设计和实施，与港内其他作业子系统既相互独立，又存在很多交互和关联，最终为码头提供一个功能完善、设备先进、操作方便、安全可靠、投资经济的自动化系统集成解决方案。

码头自动化堆场入口配置的RFID、道闸系统体系结构设计为三层架构。三层架构的设计思想以接口规范化为基础，充分满足了系统的可扩展性、系统组成的灵活性。

1.1 系统设计思想

1）提供系统软硬件标准接口的设备连接框架（包括RFID 设备、车辆检测器等），为生产管理系统提供原始数据，同时担负对设备的联动控制。系统提供无缝集成连接，各种设备可以正常独立工作，也可以在系统时序控制逻辑的控制下协调联动。

2）运用现代先进的软件工程学根据业务流程提供信息处理系统体系结构，合理规范数据流。同时提供易用、界面友好的客户端操作系统。体系结构的设计遵从先进性、可扩展性、灵活性和规范性。

1.2 系统设计架构

智能堆场RFID、道闸系统结构为三层架构设计，第一层是客户端（用户界面），提供用户与系统的友好访问；第二层是应用服务器，负责业务逻辑的实现；第三层是数据服务器，负责数据信息的存储、访问及其优化。由于业务逻辑被提取到应用服务器，大大降低了客户端的负担，因此也称为瘦客户（Thin Client）结构，如图1 所示。

图1 三层架构设计

1.3 系统架构优势

三层结构在传统的二层结构的基础上增加了应用服务器，将应用逻辑单独进行处理，从而使用户界面与应用逻辑位于不同的平台上，两者之间的通信协议由系统自行定义。这样的结构设计可使应用逻辑被所有用户共享，是两层结构应用软件与三层应用软件之间最大的区别。

首先，通过将整个系统分为不同的逻辑块，大大降低了应用系统开发和维护成本。三层结构将表示部分和业务逻辑部分按照客户层和应用服务器相分离，客户端和应用服务器、应用服务器和数据库服务器之间的通讯、异构平台之间的数据交换等都可以通过中间件或者相关程序来实现。当数据库或者应用服务器的业务逻辑改变时，客户端并不需要改变，反之亦然，大大提高了系统模块的复用性，缩短了开发周期，降低了维护费用。其次，系统的扩展性大大增强。模块化系统易于在纵向和水平两个方向进行拓展：一方面可以将系统升级为更大、更有力的平台，同时也可以适当增加规模来增强系统的网络应用。由于摆脱了系统同构性的限制，使分布数据处理成为可能。

1.4 系统架构实现

智能堆场RFID 识别、道闸系统利用识别到的车辆信息结合码头运营管理系统为进场作业提供数据比对、动态地为远程核心控制工作人员提供操作信息并对各种出错信息进行报警和提示。对于这样复杂的系统，采用的系统设计结构直接决定了系统的稳定性、可靠性、实用性。本系统设计采用三层软件系统架构，平衡各种硬件设备和关联系统对整个系统的资源利用，最大程度优化系统资源，使系统具有灵活性、使用维护便捷性、运行稳定性以及良好的开放性、灵活的扩展性和层次的可伸缩性。系统架构如图2 所示。

图2 系统架构示意图

码头自动化RTG 堆场RFID 系统由RFID 数据采集系统、RTG 通道道闸系统、出口道闸系统三部分组成，如图3 所示。

图3 集装箱堆场RFID 闸口管理系统拓扑图

2.1 RFID 数据采集系统

RFID 数据采集系统由电子车牌、RFID 读写器、射频天线、嵌入式主机、电磁感应线圈、车辆检测器等组成。在堆场中，RFID 道口弱电箱设备安装在道口金属立杆上，金属立杆的门框杆上安装RFID 天线，设备箱中安装RFID 读卡器、工控机、网络交换机、车辆检测器等设备，如图4 所示。RFID 电子车牌贴在车辆前挡风玻璃上，通过道口触发读卡。

图4 RFID 通道布置示意图

2.2 RTG 通道道闸系统

当RTG 转场时，远控中心需要知道RTG 离开或进入另一个堆场，为此设置RTG 通道道闸系统。接收移动指令后，由安全人员负责手工或通过无线遥控器打开RTG 通道道闸，待RTG 全部通过并确认安全后，再现场手动或无线遥控进行落杆关闭通道。

2.3 车辆出口道闸系统

车辆出口道闸系统主要功能是限制车辆逆向进入堆场。由出口道闸、车辆检测器、网络控制、地感线圈组成。车辆离开驶近出口时，触发抬杆地感，道闸抬杆放行，驶出通道离开落杆地感后，道闸自动落杆。车辆离开道闸落杆后，道闸系统会通过网络控制器向港内远程控制中心发送车辆离开信号，便于后台管理系统进行车辆作业计数统计。逆向车辆驶入落杆地感线圈道闸不抬杆。

码头自动化堆场RFID、道闸系统作业流程如图5所示。

图5

码头堆场RFID、道闸系统功能调试及测试完成后，2 个堆场4 台自动化轮胎吊投入使用。堆场RFID、道闸系统性能稳定，整个堆场自动化系统运用情况良好。该系统的成功应用不仅减轻了自动化轮胎吊远控中心操作人员的作业压力，同时还可清楚集卡进出堆场的情况。使自动化轮胎吊自动调度系统作业更加合理。

对天津太平洋堆场RFID、道闸系统进行了单功能测试、抗干扰性测试、可靠性测试、系统测试与作业系统融合性测试等多项测试，测试结果表明，RFID、道闸系统应用于港口、码头作业管理可简化作业流程。该系统不仅可以实现RFID 自动识别车牌号，在港区作业过程中实现自动作业核对，而且还能够控制堆场内道闸快速开放闸，为港口管理及高效运行带来便利。系统硬件结构简单，投资费用少，易于实施，非常适用于箱区无人化管理的大型集装箱码头，具有很好的行业推广使用价值。

[1] 乔俊杰. RTG 集装箱堆场智能化远程控制技术综述及探讨[J]. 装备制造技术，2016(12):123-126.

[2] 尹飞. 集装箱码头RTG 远程半自动化操作堆场实现方法研究[J]. 中国新产品新技术，2018(1):30,31.

[3]Wang W J,Yuan Y,Wang X, etal. RFID implementation issues in China: Shanghai Port case study[J].Journal of Internet Commerce，2006，5(4): 89-103.