薄文彥，趙 磊，曲霄紅

(1.山西大同大學(xué) 計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，山西 大同 037009；2.天津港信息技術(shù)發(fā)展有限公司戰(zhàn)略科技部，天津 300450)

0 引 言

船舶運(yùn)輸在國際貨運(yùn)中起著非常大的作用，2021 年全球運(yùn)輸原油的數(shù)量超過了8 100 萬噸，國內(nèi)干散運(yùn)船超過了2000 艘，隨著后疫情時代全球經(jīng)濟(jì)回暖，原油、液化燃?xì)獾倪\(yùn)輸數(shù)量也在呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。原油和液化燃?xì)獾倪\(yùn)輸都屬于危險品運(yùn)輸，西方國家對危險品的運(yùn)輸都已經(jīng)采取了全程監(jiān)控，對危險品運(yùn)輸過程中的溫度、濕度、壓力以及濃度等進(jìn)行監(jiān)控，有助于實現(xiàn)船舶的安全運(yùn)輸，同時也有助于在發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)時及時采取措施，以減小危險品泄漏或者爆燃所產(chǎn)生的物資和人員損失。

傳統(tǒng)的船舶危險品運(yùn)輸管理主要通過人工以及半自動電子監(jiān)控的方式來實現(xiàn)對船舶物品的監(jiān)控，并通過GPS 和AIS 等系統(tǒng)將船舶的行駛坐標(biāo)、物品狀態(tài)發(fā)送出去，這樣雖然也能實現(xiàn)對船舶危險品的監(jiān)控，但是很多操作仍然需要船員來完成，因而效率較低。無線射頻技術(shù)主要是通過電子標(biāo)簽的信息讀取和傳遞來實現(xiàn)對船舶危險品的運(yùn)輸管理，通過電子標(biāo)簽可以直接獲取船舶裝載危險貨物的種類、基本信息、出發(fā)地、目的地以及其他一些必要信息。同時可以通過定期自動掃描電子標(biāo)簽，并配合實時采集的傳感器監(jiān)控數(shù)據(jù)就可以完成對船舶危險品的實時監(jiān)控。整個危險品運(yùn)輸管理過程可以實現(xiàn)信息化和自動化，因而極大提升了管理效率，同時在危險品數(shù)據(jù)的獲取和處理上也更加準(zhǔn)確，實時性更好。在無線射頻技術(shù)中，很多學(xué)者對相關(guān)技術(shù)在危險品運(yùn)輸管理中的應(yīng)用進(jìn)行研究。魏福祿等[1]針對危險品運(yùn)輸中的RFID 碰撞算法進(jìn)行研究，并建立防碰撞模型，且系統(tǒng)的魯棒性比較好。李琳[2]提出一種基于RFID、GPS 技術(shù)的危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對危險品的跟蹤、定位和管理等功能。

本文提出一種基于無線射頻技術(shù)的船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)，對標(biāo)簽信息讀取后實現(xiàn)信息的實時存儲、處理和傳輸，并且能夠防止出現(xiàn)標(biāo)簽碰撞。

1 無線射頻識別技術(shù)

1.1 無線射頻識別系統(tǒng)

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是無線射頻技術(shù)中的一個重要應(yīng)用，是實現(xiàn)船舶危險品運(yùn)輸管理的關(guān)鍵子系統(tǒng)。RFID 系統(tǒng)可以實現(xiàn)對危險品信息的寫入和讀取[3-4]。

一個基本的RFID 系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫器、中間件以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)4 個部分。

1）電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽中有控制模塊、存儲器、射頻模塊以及天線等，其中控制模塊負(fù)責(zé)在時鐘的控制下通過射頻模塊和天線向存儲器讀取數(shù)據(jù)或者寫入數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽可以內(nèi)置電源供應(yīng)，也可以從外部獲取能量。

2）讀寫器

讀寫器主要通過產(chǎn)生的時鐘、射頻模塊和天線來讀寫電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，同時讀寫器內(nèi)部還負(fù)責(zé)提供電源。

3）中間件

中間件負(fù)責(zé)讀寫器和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的基本連接，一般中間件是上層軟件應(yīng)用和底層硬件之間連接的部分，而在危險品運(yùn)輸管理中，可以針對特定的船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)設(shè)計特定的中間件，使之具備降低干擾、讀寫更加可靠的功能。

4）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

讀寫器獲取的標(biāo)簽信息需要通過中間件以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，這樣才能和船舶運(yùn)輸管理系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)進(jìn)行通信和連接，最終將這些信息發(fā)送到控制中心。

圖1 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of RFID system

1.2 標(biāo)簽防沖突技術(shù)

船舶危險品運(yùn)輸過程中需要對大量的危險品進(jìn)行信息的讀取和管理，因而讀寫器需要在一定時間內(nèi)讀取大量的標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽存儲的信息能夠有效保證信息的完整性和準(zhǔn)確性，但是使用同一個讀寫器發(fā)出讀寫指令時可能同時有多個電子標(biāo)簽響應(yīng)，此時會出現(xiàn)電子標(biāo)簽碰撞的問題。發(fā)生此種情況時由于此時讀寫器無法識別某一個具體的電子標(biāo)簽，因而也無法實現(xiàn)危險品信息的讀取。

標(biāo)簽防沖突技術(shù)主要是利用時分多址法，將時間劃分為多個小段，規(guī)定在每個小段的開始才能向讀寫器發(fā)送信息，這樣能夠降低電子標(biāo)簽碰撞的概率。本文中船舶危險品運(yùn)輸管理為了避免出現(xiàn)大規(guī)模的標(biāo)簽碰撞問題，采用Slotted ALOHA 算法來實現(xiàn)，其基本思想是：通過系統(tǒng)的高精度時鐘將所有時間進(jìn)行分段，由于時鐘非常精準(zhǔn)，因而分段的數(shù)量非常大，此時標(biāo)簽數(shù)量一定，因而就可以對所有標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，讀寫器不會主動發(fā)出指令，電子標(biāo)簽會自動發(fā)出標(biāo)簽序列號由讀寫器進(jìn)行判定，然后讀寫器會選取某一個電子標(biāo)簽讀寫信息。由于使用了高精度的時鐘分段，因而電子標(biāo)簽可能會出現(xiàn)完全碰撞和完全不碰撞2 種情況，隨著分段數(shù)量的增加完全碰撞的概率會變小[4-6]。

Slotted ALOHA 標(biāo)簽防碰撞算法基本原理如圖2 所示。分段的時間為T，深色部分表示標(biāo)簽出現(xiàn)碰撞，淺色為標(biāo)簽數(shù)據(jù)被正確讀取。

圖2 Slotted ALOHA 標(biāo)簽防碰撞算法Fig.2 Slotted ALOHA label anti-collision algorithm

1.3 中間件技術(shù)

在船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)中，中間件是將船舶應(yīng)用軟件和系統(tǒng)連接的一類軟件，它可以將網(wǎng)絡(luò)中不同的應(yīng)用系統(tǒng)連接起來，同時使得這些基于不同技術(shù)的軟件能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享。中間件可以充分調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信資源和系統(tǒng)資源[7]。當(dāng)?shù)讓佑布到y(tǒng)需要傳遞信息時，首先需要向中間件發(fā)出請求，由中間件在網(wǎng)絡(luò)上調(diào)動資源來實現(xiàn)該服務(wù)。一般而言，在RFID 系統(tǒng)中，中間件具有以下特點：

1）統(tǒng)一性。通信和控制協(xié)議統(tǒng)一，因而可以實現(xiàn)不同操作系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信和共享。

2）廣泛性。中間件本身作為一種軟件，可以運(yùn)行于目前大部分的操作系統(tǒng)平臺。

3）獨特的編碼標(biāo)準(zhǔn)。由于在危險品運(yùn)輸過程中需要對所有的危險品進(jìn)行編碼，因而不同的船舶可以根據(jù)自身的情況來制定編碼標(biāo)準(zhǔn)。

4）降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。在使用中間件后，可以有效的將RFID 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流與網(wǎng)絡(luò)中其他的系統(tǒng)對接，如WEB 服務(wù)平臺等，通過將底層的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并規(guī)定上層應(yīng)用軟件的基本通信協(xié)議，使得系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)交互式操作，而這些操作與下層無線射頻技術(shù)完全無關(guān)。因而在底層的無線射頻系統(tǒng)發(fā)生變動時，上層應(yīng)用系統(tǒng)基本不需要作出任何改變。從設(shè)計的角度來看這樣就極大地降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，節(jié)約了開發(fā)時間。

2 船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

首先確定系統(tǒng)的設(shè)計要求：

1）信息化。系統(tǒng)對危險品的信息采集必須實現(xiàn)信息化和自動化，同時要求能夠和其他系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通，對船舶危險品實現(xiàn)實時在線遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2）冗余性。要求系統(tǒng)具有一定的冗余性，只有保持一定的冗余性才能最大程度保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定工作，犧牲一定的系統(tǒng)運(yùn)行成本也要保證整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3）統(tǒng)一性。由于不同RFID 標(biāo)簽廠家生產(chǎn)的標(biāo)簽性能各不相同，因而在設(shè)計和建設(shè)船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)時，需要使用統(tǒng)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的RFID 標(biāo)簽，并最終形成船舶危險品運(yùn)輸管理規(guī)范。

圖3 為基于無線射頻技術(shù)的船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖?？梢钥闯?，RFID 子系統(tǒng)在完成對標(biāo)簽信息的讀取后，將信息和無線傳感器獲取的溫度信息通過船舶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱氨O(jiān)控系統(tǒng)，此時船舶監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對危險品的狀態(tài)信息實時監(jiān)控。同時為了實現(xiàn)和岸基危險品監(jiān)控中心實現(xiàn)信息的實時傳遞，通過無線網(wǎng)絡(luò)將船舶危險品的相關(guān)信息、船舶位置信息等傳輸?shù)桨痘拔ｋU品監(jiān)控中心，并實現(xiàn)對相關(guān)信息的存儲和處理。同時可以開發(fā)對應(yīng)的監(jiān)控軟件，實現(xiàn)在電腦端和PC 端的監(jiān)控信息顯示。

圖3 船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Ship dangerous goods transport management system structure block diagram

2.2 標(biāo)簽信息讀取實現(xiàn)

對標(biāo)簽信息進(jìn)行準(zhǔn)確讀取是船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，除了需要使用防碰撞算法防止讀取標(biāo)簽信息出現(xiàn)沖突，還需要判斷在讀寫器范圍內(nèi)標(biāo)簽的數(shù)量，標(biāo)簽信息讀取流程如圖4 所示。

圖4 船舶危險品標(biāo)簽信息讀取流程Fig.4 Reading process of ship dangerous goods label information

1）初始化。初始化是對所有的標(biāo)簽進(jìn)行初始化，包括對標(biāo)簽信噪比、功率等參數(shù)的初始化。

2）判斷某一個讀寫器范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量，不同的標(biāo)簽數(shù)量需要采用不同的措施，若只有一個標(biāo)簽，那么在選擇該標(biāo)簽后就判斷該標(biāo)簽是否繼續(xù)，然后就可以完成數(shù)據(jù)的讀取。而如果有多個標(biāo)簽，那么就需要啟動時鐘分段，同時在一個周期內(nèi)若沒有讀取成功就需要進(jìn)行二次讀取，因而在布置標(biāo)簽時需要考慮標(biāo)簽的間距，如果在同一個讀寫器范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量過多，會造成讀取標(biāo)簽信息的時間過長，不利于實現(xiàn)對危險品的實時監(jiān)控。

3）完成標(biāo)簽信息讀取后開啟下一次的數(shù)據(jù)讀取。

2.3 實驗驗證

為了實現(xiàn)高效地船舶危險品標(biāo)簽信息讀取，需要對系統(tǒng)中影響標(biāo)簽信息讀取的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，包括標(biāo)簽數(shù)量和時隙數(shù)量（時間分段）的關(guān)系，標(biāo)簽數(shù)量和系統(tǒng)吞吐率的關(guān)系，其中系統(tǒng)的吞吐率定義為在不損失數(shù)據(jù)信息的情況下，實現(xiàn)危險品標(biāo)簽信息讀取和轉(zhuǎn)發(fā)的最大速率。

在Matlab 中構(gòu)建仿真環(huán)境，根據(jù)仿真的結(jié)果可以在建立的基于射頻技術(shù)的船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)讀取效果。

圖5 為標(biāo)簽數(shù)和時隙數(shù)的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量增加時，需求的時隙數(shù)會不斷增加，其增長率會大于標(biāo)簽數(shù)的增長率，而時隙數(shù)在實際應(yīng)用中會受到時鐘主頻的限制，因而在應(yīng)用中需要嚴(yán)格限制一定區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽的數(shù)量，否則會造成標(biāo)簽的能耗上升，同時標(biāo)簽讀取的效率會降低。

圖5 標(biāo)簽數(shù)和時隙數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between label number and time slot number

圖6 為標(biāo)簽數(shù)和系統(tǒng)吞吐率之間的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，在標(biāo)簽數(shù)量小于160 時，系統(tǒng)的吞吐率會隨著標(biāo)簽數(shù)量的增加而提升，標(biāo)簽數(shù)量為160 時系統(tǒng)的吞吐率達(dá)到最大，標(biāo)簽數(shù)量超過160 以后系統(tǒng)吞吐率會降低。因而綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，建立的船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)中單個讀寫器所對應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)量不能超過160。

圖6 標(biāo)簽數(shù)和吞吐率的關(guān)系Fig.6 The relationship between label number and throughput

3 結(jié) 語

全球每年都有大量的危險品通過海上交通運(yùn)輸?shù)竭_(dá)目的地，危險品在運(yùn)輸過程中會存在爆炸、泄漏和腐蝕等風(fēng)險，因而在運(yùn)輸過程中需要對這些危險品進(jìn)行全程實時監(jiān)控和管理。本文闡述了無線射頻識別技術(shù)，對無線射頻識別系統(tǒng)、標(biāo)簽防碰撞以及中間件技術(shù)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于無線射頻技術(shù)的船舶危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的整體架構(gòu)和標(biāo)簽信息讀取的基本流程。對標(biāo)簽數(shù)量和時隙數(shù)量的關(guān)系以及標(biāo)簽數(shù)量和系統(tǒng)吞吐率的關(guān)系進(jìn)行了研究，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。