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RFID技術在集裝箱裝箱優化系統中的應用
摘要：利用RFID技術進行裝箱優化設計提升裝箱軟件的適應性達到裝箱空間優化。RFID是一種重要的自動識別技術，特點是信息標識與非接觸自動獲取，利用RFID技術特點對大批量貨物和集裝箱相關信息的自動采集，結合安全性指數的考量和多種算法模擬計算，引導現場優化裝箱，達到集裝箱裝箱空間利用率最優化。集裝箱空間利用率的提高將有助于物流企業在市場的竟爭力。
關鍵詞：集裝箱 RFID技術 空間利用率 裝箱優化
目前在我國物流行業領域，尤其是涉及裝箱運輸的行業，裝箱優化軟件已經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題，而且裝箱優化計算大多適用整箱貨物裝箱，或簡單種類的貨物拼箱。在貨物種類復雜情況下，光貨物信息的采集就將成為一個很大的問題，因此，還不能滿足現代物流企業對信息化建設的更高需求，在物流企業中大規模應用存在一定的困難。
目前物聯網技術在產業信息化改造中顯露出強勁的生命力，作為物聯網技術的核心技術之一RFID技術應用十分廣泛，RFID技術的關鍵是信息標識與非接觸式信息自動獲取�；赗FID的裝箱優化技術是通過無線自動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進行裝箱優化計算，綜合解決復雜貨物數據智能化的批量錄入及模擬運算。通過自行開發的程序嵌入PDA無線智能終端設備實現引導裝箱貨物在集裝箱內的精確落位及裝卸箱的優化流程。同時可解決集裝箱空間利用率與穩定性綜合優化，倒箱優化、二次倒箱優化，數據匹配自動調用，以及集裝箱多箱復雜形態貨物裝箱優化等問題。本系統的研究可以提升我國物流行業信息技術水平，提高同類軟件國際市場的競爭性。
一、系統組成與工作原理
1、RFID技術原理
RFID是一種目前廣泛應用的自動識別技術，它的特點是信息標識與非接觸式自動信息獲取，依據無線電工作頻率可分低頻、高頻、超高頻及微波四個無線電頻段工作，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實現信息的讀寫。RFID系統一般由電子標簽、閱讀器(含天線)和應用軟件三大部分組成。電子標簽通過閱讀器來進行信息讀寫，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，實現對電子標簽的信息讀寫。
2、系統組成
集裝箱裝箱優化系統充分利用了RFID非接觸信息獲取技術優勢來實現大量貨物與集裝箱相關信息的自動獲取，信息標識與自動快速獲取是系統應用的關鍵與基礎。整個系統從信息獲取、網絡傳輸、信息處理與應用三層模型來認識屬于經典的物聯網三層架構思想。信息獲取層包括前端手持式PDA終端、臺式發卡器、普通讀寫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信息的標識與讀取，通過手持式PDA實現裝箱引導信息的獲取并輔助引導現場工作人員裝箱工作。網絡傳輸層主要由前端無線網絡(如WIFI、GPRS等)、各種網絡交換設備等構成，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，實現前端感知設備與信息服務中心的各類管理與系統信息交互。信息處理與應用層是整個應用系統的中心，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
各類電子標簽在使用前都要進行初始化工作，由臺式發卡器完成這項工作。貨物出廠時(包括集裝箱)由廠家錄入貨物相關信息到電子標簽并進行儲存。一旦貨物被明確需要裝箱時，就使用手持PDA終端(或其它類型閱讀器)進行成批貨物電子標簽信息的讀取，這些信息經PDA預處理后實時經網絡上傳給云端信息服務處理中心存貯。當所有裝箱貨物與對應的集裝箱信息獲取完畢后，云端信息服務系統處理軟件就可以根據用戶的具體要求，依據多種算法進行裝箱模擬計算，產生相應的裝箱方案并保存到歷史裝箱數據庫中�，F場作業人員利用手持PDA終端所具有的引導裝箱功能，在調用云端信息服務系統中的裝箱方案后，就可按步完成裝箱。另外在裝箱過程中如發現問題，也可實時修正信息上傳給云端重新優化計算裝箱方案。
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有限公司生產的W8700A。W8700A是國內首款搭載4核CPU的工業級物聯網手持移動終端。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點。具有豐富的通訊接口如WCDMA、藍牙、WIFI和內置的3G模塊，通過WIFI或GPRS網絡將現場采集的數據實時與云端服務器進行交互。
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語言實現。
數據采集模塊是整個裝箱系統優化處理的基礎模塊，利用PDA內嵌的超高頻RFID讀寫器對智能集裝箱和各類包裝箱電子標簽內的基本數據(如貨物包裝的長、寬、高，承載毛重，易碎度等等)進行讀寫處理，并將數據在用戶端進行呈現，同時可通過手持PDA智能終端進行局部檢驗的方式驗證錄入數據的正確性，也可實現數據的增加、修改和刪除等操作。由于可能存在貨物同時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功能，一般可以采用如基于ALOHA防沖撞沖突算法及其改進算法解決同時對多標簽的讀寫能力。
裝箱管理模塊是PDA終端系統的核心模塊，是裝箱優化系統的實際操作指引模塊。裝箱引導的基礎是云端服務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多種模擬計算產生的裝箱方案，或者是裝箱歷史數據庫中儲存的方案。用戶輸入參數，信息處理中心解算完成的裝箱引導方案實時被調用發送給PDA終端，引導現場作業人員按給出的具體步驟和要求完成裝箱，同時也可修改進一步做到裝箱優化。
信息傳輸模塊是網絡通信模塊，通過多種網絡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WIFI網絡或者3G廣域網，利用socket通信編程技術，實現信息在PDA終端至云端服務器之間快速實時交互，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、云端信息服務系統
信息處理與應用是整個系統的核心，主要功能是處理貨物數據的自動錄入數據庫、有效數據的自動優化方案計算、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，各個模塊之間實現信息共享與相互協作處理。應用系統軟件采用C/S模式，在MS SQL SERVER2005數據庫平臺和C++開發環境下開發實現。服務系統軟件模塊如圖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，云端信息服務系統的所有處理都是建立在信息實時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網絡與云端相聯，通過socket通信，將數據傳送至云端服務器。云端遠程服務器上的數據接收模塊，通過socket通信，接受來自遠程無線感應網絡上傳的數據，以及PDA通過檢查驗證后的數據。由于在PDA上已經對最原始的數據進行過一定的處理，所以服務器上接受模塊主要通過接受數據，然后存入內存，供后續的存儲和計算操作使用。相反，云端信息服務系統也要將如裝箱引導方案等數據按需發送給手持PDA進行引導裝箱。
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作生成裝箱方案，形成的多種裝箱方案要進行有序存儲和管理，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滿足裝箱引導的需要。主要針對比較常見規格的集裝箱或托盤，也可以用戶自定義集裝箱容器規格參與集裝箱空間優化計算。模擬計算采用多種裝箱優先考慮的策略在計算時進行選擇，如寬大優先，長大優先，數量優先，體積優先等;同時還附加兩個優化搜索策略(深度搜索，淺度搜索)，在此基礎上進行裝箱空間優化方案的計算，從而生成多種方案的裝箱引導步驟與要求。四種優先策略：寬大優先：貨物裝箱首先保證貨物在集裝箱寬度方向上實現優化計算;長大優先：貨物裝箱首先保證貨物在集裝箱長度方向上實現優化計算;數量優先：貨物裝箱優化僅考慮一個集裝箱能盡可能多地放入貨物個數的算法;體積優先：貨物裝箱優化僅考慮一個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綜合評估指標，在裝箱空間優化計算的同時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行自動的穩定性優化計算，最大程度地保證運輸過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生的不穩定風險。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集裝箱整體重心點指標;②集裝箱箱體允許的各項穩定性參數。綜合優化圖5所標：
四、結束語
裝箱優化軟件的應用已是多年，但隨著物流行業對信息化需要的進一步提高，裝箱軟件在功能上日益出現短板現象，特別是自動識別技術的迅速發展與應用大大推動了智能物流的發展�；赗FID的裝箱優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，同時在裝箱優化中結合了對貨物和集裝箱的安全性考量，進一步提升了裝箱應用系統的比較優勢。下一步，裝箱優化系統可以與集裝箱運輸監控等其它系統相結合來進一步實現集裝箱的綜合管理。
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