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RFID技术在集装箱运输中的应用研究
作者：物流技术
日期：2008-02-20 17:25:26
摘要：近年来，全球运输“集装箱化” 的比重不断提高，尤其是在国际贸易中，集装箱运输已经成为一种主要的运输方式，发达国家的海上杂货运输基本实现集装箱化。集装箱运输对促进经济贸易发展、改善经济结构和运输结构、扩大对外开放产生了重大影响，但其存在的问题也不能不引起重视。
集装箱运输是货运方式的一大变革，是大宗货物运输最理想的方式，也是目前标准化程度最高的一种运输方式。因其运输私密性好、包装不破损、运输成本低、环境适应性强、装载密度高、码垛规范等特点而备受客户和商家青睐，已成为运输现代化的重要形式。近年来，全球运输“集装箱化” 的比重不断提高，尤其是在国际贸易中，集装箱运输已经成为一种主要的运输方式，发达国家的海上杂货运输基本实现集装箱化。集装箱运输对促进经济贸易发展、改善经济结构和运输结构、扩大对外开放产生了重大影响，但其存在的问题也不能不引起重视。
1 集装箱运输遇到的问题
1．1 货物失窃损失大
随着集装箱运输的快速发展和集装箱运量的不断增加，世界上许多国家和地区集装箱货物被偷盗问题变得越来越严重。据统计，全球因集装箱失窃事件造成的损失达300亿-500亿美元，包括间接损失在内，全球每年损失2000亿美元，其中美国就占100亿美元。而像2004年美国达拉斯市所发生的一起价值500万美元的集装箱被盗事件，更使发货公司损失惨重，其业务几乎处于停顿状态。集装箱货物失窃所带来的损失由此可见一斑。
1．2 传统识别精度低
在整个集装箱运输的过程中，集装箱的识别就是通过它的唯一的标识——箱号来鉴别的；集装箱的交接也同样是以箱号为准。传统集装箱识别方式精度不高。比如：人工数据采集不仅易出差错，而且花费时间也相对较长。目前，传统识别方式获取的信息有35％是不准确或不实时的，根本无法准确及时追踪到集装箱的4W (whose、what、where、when)信息。而采用OCR方式进行监管，则需要用16台摄像头同时拍摄，成本非常高，但识别率仅达80％-90％，还要受天气条件的影响，雨雾中的识别率还要低许多。集装箱识别精度不高直接影响到整个供应链的效率。
1-3 安全高效有冲突
据统计，全世界约有2 000万只集装箱，每年进行约2亿箱次的跨国运输。以国际第三大集装箱航运中心上海港为例，2005年集装箱吞吐量达到1 800万标准箱(TEU，Twent)r—f00t Equivalent Units)，也就是平均每天有近5万TEU的货物经过上海港。港口运输模拟实验表明，当对集装箱的随机抽检率达到10％时，整个港口就会陷入瘫痪状态。如果减除抽查的随机性，又无法有效地防止犯罪分子用集装箱走私或者运输毁灭性武器发动恐怖袭击(根据美国联邦调查局预计：在美国境内运输的每4只集装箱中，至少有1只被动过手脚，这是很危险的)。大型的集装箱x光机，虽然能透视箱内所装的货物，但透检一只集装箱就需要6分钟，满负荷工作每天充其量也只能透检240只，而且x光机只负责“看”，辨别违禁品仍要靠人的肉眼，这又降低了可靠性。一台X光机需要人民币3 000万元，昂贵的价格使港口与边境关口不可能大量购置这类设备。集装箱安全和运输高效率之间冲突严重。这些问题对集装箱运输产生了不良影响，也使一些集装箱运输的主要关系方遭受了巨大损失，严重削弱了整个供应链的效率。为了防止货物失窃，避免恐怖分子利用集装箱装运毁灭性武器进行恐怖袭击，进而为了提高运输效率、安全性和服务质量，以及整个供应链的可视性与透明性，降低恐怖活动对全球物流供应链的威胁，集装箱运输迫切需要一种能够实时更新数据的技术来及时、精确地采集和处理信息，RFID技术无疑成为最佳选择。
2 RFID在集装箱运输中的应用
2．1 集装箱是供应链实施RFID的第一阶段
在供应链的应用上，厂商导入RFID技术时会分成如下4个阶段来实施：集装箱阶段、货盘阶段、包装容器阶段、单个产品阶段。集装箱作为第一个实施阶段，应用RFID技术不仅有助于增加对货物的掌控能力，减少集装箱及其运载货物的丢失、被盗和损坏，而且通过电子标签可实现对集装箱的实时追踪。
2．2 RFID在集装箱运输中的应用具有特殊性
相对于工业自动化、交通运输控制管理等领域自动识别技术的应用，RFID技术在集装箱运输中的应用具有很强的特殊性。① 工作环境恶劣。电子标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，工作环境比较恶劣：温度高(>80℃)、温差大、空气湿度大、酸碱腐蚀严重、振动冲击大。② 识别要求较高。由于集装箱移动较快，对于电子标签识别参数提出了更高的要求：识别速度高(移动速度MOO km／h)、距离远(>6 m)、准确率高(>99％)、数据容量大(>8Kbits)等。考虑至Ⅱ集装箱运输环境等特殊应用要求，在集装箱运输中宜选用高频(如2．45GHz、5．8GHz)、有源电子标签。
2．3 RFID技术将给集装箱运输带来新亮点
随着集装箱运输的快速发展和“安全贸易计划” (包括集装箱安全计划、海关贸易伙伴反恐方案、商业营运安全计划、货物24 h提前申报、智能性安全贸易通道等)工程的逐步实施，RFID系统会在各个国家和地区的口岸、港口逐渐建立起来，RFID技术将给集装箱运输带来新的亮点。
2．3．1 集装箱的自动识别。将记录有集装箱号、箱型、货物种类、数量等数据的标签安装在集装箱上，在经过安装有识别设备的公路、铁路的出入口及码头的检查门时，RFID标签自动感应后将相应的数据返回阅读器，从而将标签上保存的信息传输到EDI系统，实现了集装箱的动态跟踪与管理，提高了集装箱运输的效率和信息的共享。这种系统一般使用被动式RFID技术，在集装箱码头应用较多。通过这种系统不仅加快了车辆进港提箱的速度，而且对车辆提箱进行了严密的管理，并减少了人为因素造成的差错。
2．3．2 电子封条与货物追踪。一般电子封条采取的是物理封条与RFID组件的混合形式。大多数电子封条可用到被动式和主动式RFID技术。被动式电子封条的主要特点是：使用距离短、成本低、一次性。由于被动式封条不能提供持续的电力来检测封条的状态，所以它们也不能检测和记录损害行为发生的时间，而仅仅只能在通过装有阅读装备的供应链节点时提供它们完整与否的信息。主动式电子封条更复杂一些，只有当其价格明显下降的时候才可能反复使用。主动式封条在结合GPS技术后，能在集装箱状态发生变化时实时将状态变化发生的时间、地点以及周围的环境信息传输到货主或管理人员的机器上去。更有一些封条能够在损害行为发生时提供即时求救信号。
3 集装箱运输应用RFID需解决的问题
3．1 节点选择
集装箱运输涉及到的相关企业众多，如货运代理、拖车公司、支线船公司、船公司、港口、堆场(专门提供空箱存放场所的公司)等，空间范围大，货物流转过程复杂。因此，集装箱运输要建立RFID系统，首先面临的就是系统节点选择问题。节点选择确立以下原则：RFID系统具有较高的使用率，带来较好的经济和社会效益；建设单位实力比较雄厚，信息系统以及网络等配套设施齐全；RFID系统能够给相关单位带来更好的服务。
根据这一原则，将RFID节点选择在空箱堆场和港口堆场非常合适。而对于发货人或收货人来说，因为这类企业数量众多，规模差异较大，特别是对众多的中小发货人来说，RFID系统一般只有自己使用，其使用率必然很低，因此不将其作为RFID系统的节点。
3．2 标准问题
标准涉及的内容很多，有空中接口协议标准、编码标准、测试标签和读写器通讯协议标准，以及一系列应用标准等。而存在共性的主要是空中接口协议标准，如18000—6B。
目前，RFID三大主流标准中还没有一个标准是特别适合集装箱应用的。集装箱行业有自己的RFID自动识别标准ISO 10374(1991，1995，2005)，该标准直接将集装箱箱号和用户信息写入，识别的时候将信息直接识别出来，避免了代码解析的过程，更适合于目前的集装箱自动识别应用。当然，由于该标准主要是集装箱行业国际标准，并没有引起国际大公司的跟进，所以标签成本相对比较高。
3．3 成本问题
成本问题本身不是问题，关键是看投人产出比，而非单纯的标签价格问题。读取可靠、适合于集装箱恶劣运输环境的、有稳定读写性能的电子标签才是根本，合理的商务模式才是关键，而不是标签价格本身。比较集装箱及其运载货物的价格，集装箱运输应用RFID电子标签的成本是完全可以接受的。
3．4 数据结构
在集装箱运输RFID系统中，标签数据既要满足供应链上各相关企业对数据存储和处理的需要，又要保证不泄漏相关企业的商业机密。供应链上各相关企业对集装箱内货物数据的需求不一样，即对掌握数据的详细程度不同。比如，港口需要知道货物种类、箱型、尺寸、箱重、目的港等，而船公司还需要知道箱内货物的具体名称等更详细的数据。因此，集装箱运输中RFID系统的标签数据结构要解决好数据的完整性和保密性的关系。
3．5 数据的有效性
3．5．1 数据冲突。在一个电子标签阅读器的识别区域内有多个电子标签出现时，阅读器发出识别命令后，该区域内的所有电子标签都会对此命令作出响应，并向阅读器发送信息。这样，来自不同的电子标签的数据会相互干扰，可能会导致数据丢失，甚至发生错误识别。这种由于多址接人同一传输信道而造成的数据损失称为数据冲突，常用的防冲突措施有空间防冲突、频域防冲突和时域防冲突3种。频域防冲突方法价格较高，目前仅在机场的行李标签识别系统得到应用。时域防冲突措施中的同步搜索法识别效率比较高，得到了广泛地应用。
3．5．2 数据冗余。由于某一标签(集装箱)在没有任何改变的情况下多次通过阅读区域或者长时间停留在阅读区域，造成识读器多次获取重复数据，同时电子标签也会因为多次识读而消耗能量，降低使用寿命。采用地标技术，系统可以控制地标在一定的时间间隔内发送读取触发信号(如10min发一次)。这样可以有效地节约电子标签的能量，提高其使用寿命。
3．5．3 数据错误。是指基础数据读取过程中获得了错误的数据，如不应该读取时，读取了数据；聚合和反聚合过程中的数据不一致等。在中间件中实现逻辑检查规则，通过这些规则可以有效地排除错误数据。集装箱运输RFID系统只有有效地解决数据的有效性问题，方可体现RFID技术的优越性。
3．6 数据的同步性
建立RFID系统的节点是用来采集集装箱信息并跟踪集装箱的，这些标签中的信息要在各相关企业之间共享。标签信息在RFID系统的节点处可能会被读取或写入，这就要求RFID系统各节点的数据要同步。如果某节点对标签中的信息进行更改后，没有及时更新相关企业信息系统中的相关数据，则会由于错误的信息导致错误的判断和处理。因此，数据同步问题，相关企业要协调一致，各企业的信息系统要有处理数据同步的机制。
3．7 信息的安全性
集装箱贴上RFID标签后，虽然在集装箱运输系统中的相关企业之间能够加快信息传递，提高物流整体服务质量，但同时也给盗贼作案提供了信息。因此，用于集装箱运输系统中的RFID标签要避免非系统内的读取器阅读，即标签要能够辨识阅读器，从而决定是否将标签内的信息发送给该阅读器。只有做到这样，集装箱运输才会更加安全。
集装箱运输在应用RFID技术的过程中，一定要充分考虑RFID技术在集装箱运输中的特殊性以及上面提到的7个核心问题。除此之外，RFID设备的选型也是很重要的一个问题，应谨慎抉择。当然，集装箱运输的相关企业之间的紧密协作也不容忽视。
1 集装箱运输遇到的问题
1．1 货物失窃损失大
随着集装箱运输的快速发展和集装箱运量的不断增加，世界上许多国家和地区集装箱货物被偷盗问题变得越来越严重。据统计，全球因集装箱失窃事件造成的损失达300亿-500亿美元，包括间接损失在内，全球每年损失2000亿美元，其中美国就占100亿美元。而像2004年美国达拉斯市所发生的一起价值500万美元的集装箱被盗事件，更使发货公司损失惨重，其业务几乎处于停顿状态。集装箱货物失窃所带来的损失由此可见一斑。
1．2 传统识别精度低
在整个集装箱运输的过程中，集装箱的识别就是通过它的唯一的标识——箱号来鉴别的；集装箱的交接也同样是以箱号为准。传统集装箱识别方式精度不高。比如：人工数据采集不仅易出差错，而且花费时间也相对较长。目前，传统识别方式获取的信息有35％是不准确或不实时的，根本无法准确及时追踪到集装箱的4W (whose、what、where、when)信息。而采用OCR方式进行监管，则需要用16台摄像头同时拍摄，成本非常高，但识别率仅达80％-90％，还要受天气条件的影响，雨雾中的识别率还要低许多。集装箱识别精度不高直接影响到整个供应链的效率。
1-3 安全高效有冲突
据统计，全世界约有2 000万只集装箱，每年进行约2亿箱次的跨国运输。以国际第三大集装箱航运中心上海港为例，2005年集装箱吞吐量达到1 800万标准箱(TEU，Twent)r—f00t Equivalent Units)，也就是平均每天有近5万TEU的货物经过上海港。港口运输模拟实验表明，当对集装箱的随机抽检率达到10％时，整个港口就会陷入瘫痪状态。如果减除抽查的随机性，又无法有效地防止犯罪分子用集装箱走私或者运输毁灭性武器发动恐怖袭击(根据美国联邦调查局预计：在美国境内运输的每4只集装箱中，至少有1只被动过手脚，这是很危险的)。大型的集装箱x光机，虽然能透视箱内所装的货物，但透检一只集装箱就需要6分钟，满负荷工作每天充其量也只能透检240只，而且x光机只负责“看”，辨别违禁品仍要靠人的肉眼，这又降低了可靠性。一台X光机需要人民币3 000万元，昂贵的价格使港口与边境关口不可能大量购置这类设备。集装箱安全和运输高效率之间冲突严重。这些问题对集装箱运输产生了不良影响，也使一些集装箱运输的主要关系方遭受了巨大损失，严重削弱了整个供应链的效率。为了防止货物失窃，避免恐怖分子利用集装箱装运毁灭性武器进行恐怖袭击，进而为了提高运输效率、安全性和服务质量，以及整个供应链的可视性与透明性，降低恐怖活动对全球物流供应链的威胁，集装箱运输迫切需要一种能够实时更新数据的技术来及时、精确地采集和处理信息，RFID技术无疑成为最佳选择。
2 RFID在集装箱运输中的应用
2．1 集装箱是供应链实施RFID的第一阶段
在供应链的应用上，厂商导入RFID技术时会分成如下4个阶段来实施：集装箱阶段、货盘阶段、包装容器阶段、单个产品阶段。集装箱作为第一个实施阶段，应用RFID技术不仅有助于增加对货物的掌控能力，减少集装箱及其运载货物的丢失、被盗和损坏，而且通过电子标签可实现对集装箱的实时追踪。
2．2 RFID在集装箱运输中的应用具有特殊性
相对于工业自动化、交通运输控制管理等领域自动识别技术的应用，RFID技术在集装箱运输中的应用具有很强的特殊性。① 工作环境恶劣。电子标签随集装箱在海上、码头、堆场等场所流动，工作环境比较恶劣：温度高(>80℃)、温差大、空气湿度大、酸碱腐蚀严重、振动冲击大。② 识别要求较高。由于集装箱移动较快，对于电子标签识别参数提出了更高的要求：识别速度高(移动速度MOO km／h)、距离远(>6 m)、准确率高(>99％)、数据容量大(>8Kbits)等。考虑至Ⅱ集装箱运输环境等特殊应用要求，在集装箱运输中宜选用高频(如2．45GHz、5．8GHz)、有源电子标签。
2．3 RFID技术将给集装箱运输带来新亮点
随着集装箱运输的快速发展和“安全贸易计划” (包括集装箱安全计划、海关贸易伙伴反恐方案、商业营运安全计划、货物24 h提前申报、智能性安全贸易通道等)工程的逐步实施，RFID系统会在各个国家和地区的口岸、港口逐渐建立起来，RFID技术将给集装箱运输带来新的亮点。
2．3．1 集装箱的自动识别。将记录有集装箱号、箱型、货物种类、数量等数据的标签安装在集装箱上，在经过安装有识别设备的公路、铁路的出入口及码头的检查门时，RFID标签自动感应后将相应的数据返回阅读器，从而将标签上保存的信息传输到EDI系统，实现了集装箱的动态跟踪与管理，提高了集装箱运输的效率和信息的共享。这种系统一般使用被动式RFID技术，在集装箱码头应用较多。通过这种系统不仅加快了车辆进港提箱的速度，而且对车辆提箱进行了严密的管理，并减少了人为因素造成的差错。
2．3．2 电子封条与货物追踪。一般电子封条采取的是物理封条与RFID组件的混合形式。大多数电子封条可用到被动式和主动式RFID技术。被动式电子封条的主要特点是：使用距离短、成本低、一次性。由于被动式封条不能提供持续的电力来检测封条的状态，所以它们也不能检测和记录损害行为发生的时间，而仅仅只能在通过装有阅读装备的供应链节点时提供它们完整与否的信息。主动式电子封条更复杂一些，只有当其价格明显下降的时候才可能反复使用。主动式封条在结合GPS技术后，能在集装箱状态发生变化时实时将状态变化发生的时间、地点以及周围的环境信息传输到货主或管理人员的机器上去。更有一些封条能够在损害行为发生时提供即时求救信号。
3 集装箱运输应用RFID需解决的问题
3．1 节点选择
集装箱运输涉及到的相关企业众多，如货运代理、拖车公司、支线船公司、船公司、港口、堆场(专门提供空箱存放场所的公司)等，空间范围大，货物流转过程复杂。因此，集装箱运输要建立RFID系统，首先面临的就是系统节点选择问题。节点选择确立以下原则：RFID系统具有较高的使用率，带来较好的经济和社会效益；建设单位实力比较雄厚，信息系统以及网络等配套设施齐全；RFID系统能够给相关单位带来更好的服务。
根据这一原则，将RFID节点选择在空箱堆场和港口堆场非常合适。而对于发货人或收货人来说，因为这类企业数量众多，规模差异较大，特别是对众多的中小发货人来说，RFID系统一般只有自己使用，其使用率必然很低，因此不将其作为RFID系统的节点。
3．2 标准问题
标准涉及的内容很多，有空中接口协议标准、编码标准、测试标签和读写器通讯协议标准，以及一系列应用标准等。而存在共性的主要是空中接口协议标准，如18000—6B。
目前，RFID三大主流标准中还没有一个标准是特别适合集装箱应用的。集装箱行业有自己的RFID自动识别标准ISO 10374(1991，1995，2005)，该标准直接将集装箱箱号和用户信息写入，识别的时候将信息直接识别出来，避免了代码解析的过程，更适合于目前的集装箱自动识别应用。当然，由于该标准主要是集装箱行业国际标准，并没有引起国际大公司的跟进，所以标签成本相对比较高。
3．3 成本问题
成本问题本身不是问题，关键是看投人产出比，而非单纯的标签价格问题。读取可靠、适合于集装箱恶劣运输环境的、有稳定读写性能的电子标签才是根本，合理的商务模式才是关键，而不是标签价格本身。比较集装箱及其运载货物的价格，集装箱运输应用RFID电子标签的成本是完全可以接受的。
3．4 数据结构
在集装箱运输RFID系统中，标签数据既要满足供应链上各相关企业对数据存储和处理的需要，又要保证不泄漏相关企业的商业机密。供应链上各相关企业对集装箱内货物数据的需求不一样，即对掌握数据的详细程度不同。比如，港口需要知道货物种类、箱型、尺寸、箱重、目的港等，而船公司还需要知道箱内货物的具体名称等更详细的数据。因此，集装箱运输中RFID系统的标签数据结构要解决好数据的完整性和保密性的关系。
3．5 数据的有效性
3．5．1 数据冲突。在一个电子标签阅读器的识别区域内有多个电子标签出现时，阅读器发出识别命令后，该区域内的所有电子标签都会对此命令作出响应，并向阅读器发送信息。这样，来自不同的电子标签的数据会相互干扰，可能会导致数据丢失，甚至发生错误识别。这种由于多址接人同一传输信道而造成的数据损失称为数据冲突，常用的防冲突措施有空间防冲突、频域防冲突和时域防冲突3种。频域防冲突方法价格较高，目前仅在机场的行李标签识别系统得到应用。时域防冲突措施中的同步搜索法识别效率比较高，得到了广泛地应用。
3．5．2 数据冗余。由于某一标签(集装箱)在没有任何改变的情况下多次通过阅读区域或者长时间停留在阅读区域，造成识读器多次获取重复数据，同时电子标签也会因为多次识读而消耗能量，降低使用寿命。采用地标技术，系统可以控制地标在一定的时间间隔内发送读取触发信号(如10min发一次)。这样可以有效地节约电子标签的能量，提高其使用寿命。
3．5．3 数据错误。是指基础数据读取过程中获得了错误的数据，如不应该读取时，读取了数据；聚合和反聚合过程中的数据不一致等。在中间件中实现逻辑检查规则，通过这些规则可以有效地排除错误数据。集装箱运输RFID系统只有有效地解决数据的有效性问题，方可体现RFID技术的优越性。
3．6 数据的同步性
建立RFID系统的节点是用来采集集装箱信息并跟踪集装箱的，这些标签中的信息要在各相关企业之间共享。标签信息在RFID系统的节点处可能会被读取或写入，这就要求RFID系统各节点的数据要同步。如果某节点对标签中的信息进行更改后，没有及时更新相关企业信息系统中的相关数据，则会由于错误的信息导致错误的判断和处理。因此，数据同步问题，相关企业要协调一致，各企业的信息系统要有处理数据同步的机制。
3．7 信息的安全性
集装箱贴上RFID标签后，虽然在集装箱运输系统中的相关企业之间能够加快信息传递，提高物流整体服务质量，但同时也给盗贼作案提供了信息。因此，用于集装箱运输系统中的RFID标签要避免非系统内的读取器阅读，即标签要能够辨识阅读器，从而决定是否将标签内的信息发送给该阅读器。只有做到这样，集装箱运输才会更加安全。
集装箱运输在应用RFID技术的过程中，一定要充分考虑RFID技术在集装箱运输中的特殊性以及上面提到的7个核心问题。除此之外，RFID设备的选型也是很重要的一个问题，应谨慎抉择。当然，集装箱运输的相关企业之间的紧密协作也不容忽视。
