RFID技术在集装箱装箱优化系统中的应用
张新 陈兰生
摘 要：利用RFID技术进行装箱优化设计提升装箱软件的适应性达到装箱空间优化。RFID是一种重要的自动识别技术，特点是信息标识与非接触自动获取，利用RFID技术特点对大批量货物和集装箱相关信息的自动采集，结合安全性指数的考量和多种算法模拟计算，引导现场优化装箱，达到集装箱装箱空间利用率最优化。集装箱空间利用率的提高将有助于物流企业在市场的竟争力。
关键词：集装箱 装箱优化 RFID技术 空间利用率
目前在我国物流行业领域，尤其是涉及装箱运输的行业，装箱优化软件已经得到了较为广泛的认可，如LoadMaster 和Maxload Pro就是国内外知名度比较高的装箱优化软件。一方面是因为现有的装箱软件可以适用于计算货柜装箱、集装箱拼箱、托盘装箱等，装箱算法成熟稳定。另一方面由于现有的装箱软件主要解决了集装箱空间利用率最大化问题，而且装箱优化计算大多适用整箱货物装箱，或简单种类的货物拼箱。在货物种类复杂情况下，光货物信息的采集就将成为一个很大的问题，因此，还不能满足现代物流企业对信息化建设的更高需求，在物流企业中大规模应用存在一定的困难。
目前物联网技术在产业信息化改造中显露出强劲的生命力，作为物联网技术的核心技术之一RFID技术应用十分广泛，RFID技术的关键是信息标识与非接触式信息自动获取。基于RFID的装箱优化技术是通过无线自动感应的方式远程提取集装箱货物电子标签内有效数据并自动进行装箱优化计算，综合解决复杂货物数据智能化的批量录入及模拟运算。通过自行开发的程序嵌入PDA无线智能终端设备实现引导装箱货物在集装箱内的精确落位及装卸箱的优化流程。同时可解决集装箱空间利用率与稳定性综合优化，倒箱优化、二次倒箱优化，数据匹配自动调用，以及集装箱多箱复杂形态货物装箱优化等问题。本系统的研究可以提升我国物流行业信息技术水平，提高同类软件国际市场的竞争性。
系统组成与工作原理
1、RFID技术原理
RFID是一种目前广泛应用的自动识别技术，它的特点是信息标识与非接触式自动信息获取，依据无线电工作频率可分低频、高频、超高频及微波四个无线电频段工作，低频、高频系统采用电感耦合原理；超高频、微波系统采用电磁波反射原理来实现信息的读写。RFID系统一般由电子标签、阅读器（含天线）和应用软件三大部分组成。电子标签通过阅读器来进行信息读写，RFID阅读器可以有多种形式的接口（如RJ45、串口）与后台应用系统交换数据，实现对电子标签的信息读写。
2、系统组成
集装箱装箱优化系统充分利用了RFID非接触信息获取技术优势来实现大量货物与集装箱相关信息的自动获取，信息标识与自动快速获取是系统应用的关键与基础。整个系统从信息获取、网络传输、信息处理与应用三层模型来认识属于经典的物联网三层架构思想。信息获取层包括前端手持式PDA终端、台式发卡器、普通读写器和各式电子标签等，主要完成标签制作、货物与集装箱等相关信息的标识与读取，通过手持式PDA实现装箱引导信息的获取并辅助引导现场工作人员装箱工作。网络传输层主要由前端无线网络（如WIFI、GPRS等）、各种网络交换设备等构成，完成由信息获取层得到的大量货物、集装箱等信息的准确完整传输，实现前端感知设备与信息服务中心的各类管理与系统信息交互。信息处理与应用层是整个应用系统的中心，分硬件与系统应用软件二大部分。硬件由大量的服务器与交换路由设备构成，软件由数据库管理模块、装箱模拟计算模块、稳定性综合优化模块、系统配置模块和信息交换模块等组成。
3、基本工作原理
各类电子标签在使用前都要进行初始化工作，由台式发卡器完成这项工作。货物出厂时（包括集装箱）由厂家录入货物相关信息到电子标签并进行储存。一旦货物被明确需要装箱时，就使用手持PDA终端（或其它类型阅读器）进行成批货物电子标签信息的读取，这些信息经PDA预处理后实时经网络上传给云端信息服务处理中心存贮。当所有装箱货物与对应的集装箱信息获取完毕后，云端信息服务系统处理软件就可以根据用户的具体要求，依据多种算法进行装箱模拟计算，产生相应的装箱方案并保存到历史装箱数据库中。现场作业人员利用手持PDA终端所具有的引导装箱功能，在调用云端信息服务系统中的装箱方案后，就可按步完成装箱。另外在装箱过程中如发现问题，也可实时修正信息上传给云端重新优化计算装箱方案。
PDA终端系统
1、PDA终端
PDA终端采用由广东华信金溢信息技术有限公司生产的W8700A。W8700A是国内首款搭载4核CPU的工业级物联网手持移动终端。它采用SamSung ARM Cortex-A9四核Exynos 4412 CPU1.4GHz，基于android4.0操作系统，内置920～925MHz频段RFID模块，具有6米的有效读卡距离，空口采用IO18000-6C/EPC Class1 Gen2标准，具有读取全方位、距离远、防冲撞、单次读取数量多等优点。具有丰富的通讯接口如WCDMA、蓝牙、WIFI和内置的3G模块，通过WIFI或GPRS网络将现场采集的数据实时与云端服务器进行交互。
2、PDA终端软件
W8700A（PDA终端）嵌入式软件主要由五大模块组成，分别包括：数据采集模块，装箱管理模块，信息传输模块和配置管理模块和界面设计等。在安桌平台下全部模块都采用JAVA语言实现。
数据采集模块是整个装箱系统优化处理的基础模块，利用PDA内嵌的超高频RFID读写器对智能集装箱和各类包装箱电子标签内的基本数据（如货物包装的长、宽、高，承载毛重，易碎度等等）进行读写处理，并将数据在用户端进行呈现，同时可通过手持PDA智能终端进行局部检验的方式验证录入数据的正确性，也可实现数据的增加、修改和删除等操作。由于可能存在货物同时大量堆叠出现的情况，数据采集模块要具备电子标签防碰撞读写功能，一般可以采用如基于ALOHA防冲撞冲突算法及其改进算法解决同时对多标签的读写能力。
装箱管理模块是PDA终端系统的核心模块，是装箱优化系统的实际操作指引模块。装箱引导的基础是云端服务信息系统根据早前获得的集装箱信息和装箱货物信息通过多种模拟计算产生的装箱方案，或者是装箱历史数据库中储存的方案。用户输入参数，信息处理中心解算完成的装箱引导方案实时被调用发送给PDA终端，引导现场作业人员按给出的具体步骤和要求完成装箱，同时也可修改进一步做到装箱优化。
信息传输模块是网络通信模块，通过多种网络传输信道完成信息的远程接入。PDA终端内置多种形式通信模块，通过WIFI网络或者3G广域网，利用socket通信编程技术，实现信息在PDA终端至云端服务器之间快速实时交互，达到信息的上传与下载。配置管理、界面设计是基本的软件模块。包括用户账号管理、基本参数设置、人机接口界面处理等。
云端信息服务系统
信息处理与应用是整个系统的核心，主要功能是处理货物数据的自动录入数据库、有效数据的自动优化方案计算、货物的装箱提示和最终装箱方案的演示和生成，PDA智能终端数据的接收与反馈，数据库的更新与调度等。
应用系统软件由数据库管理模块、装箱模拟计算模块、稳定性综合优化模块、系统配置与报表生成模块和信息交换模块等五大主要模块组成，各个模块之间实现信息共享与相互协作处理。应用系统软件采用C/S模式，在MS SQL SERVER2005数据库平台和C++开发环境下开发实现。服务系统软件模块如图3所示：
1、信息交互与数据管理
信息交互是系统应用的前提与基础，云端信息服务系统的所有处理都是建立在信息实时完整获取的前提之下，信息交换模块就是完成这一功能的具体模块。前端多种形式的信息获取设备通过网络与云端相联，通过socket通信，将数据传送至云端服务器。云端远程服务器上的数据接收模块，通过socket通信，接受来自远程无线感应网络上传的数据，以及PDA通过检查验证后的数据。由于在PDA上已经对最原始的数据进行过一定的处理，所以服务器上接受模块主要通过接受数据，然后存入内存，供后续的存储和计算操作使用。相反，云端信息服务系统也要将如装箱引导方案等数据按需发送给手持PDA进行引导装箱。
大量的货物信息和集装箱信息都需要存贮与管理，建立在微软数据库管理系统之上的数据库应用子系统来处理这些数据。另外数据库管理系统要与装箱模拟计算模块协作生成装箱方案，形成的多种装箱方案要进行有序存储和管理，以方便检索与调用。
2、装箱模拟计算
装箱模拟计算采用多种灵法的处理策略与算法来满足装箱引导的需要。主要针对比较常见规格的集装箱或托盘，也可以用户自定义集装箱容器规格参与集装箱空间优化计算。模拟计算采用多种装箱优先考虑的策略在计算时进行选择，如宽大优先，长大优先，数量优先，体积优先等；同时还附加两个优化搜索策略（深度搜索，浅度搜索），在此基础上进行装箱空间优化方案的计算，从而生成多种方案的装箱引导步骤与要求。四种优先策略：宽大优先：货物装箱首先保证货物在集装箱宽度方向上实现优化计算；长大优先：货物装箱首先保证货物在集装箱长度方向上实现优化计算；数量优先：货物装箱优化仅考虑一个集装箱能尽可能多地放入货物个数的算法；体积优先：货物装箱优化仅考虑一个集装箱能尽可能多地放入的货物总体积最大的算法，以保证集装箱空间利用率最大化。另外还有二种搜索策略：深度搜索，浅度搜索。
3、双指数综合评估
集装箱稳定性指数包括集装箱整体稳定性指数和箱内货物运输稳定性指数两个综合评估指标，在装箱空间优化计算的同时加入了稳定性指数的概念，第一次将运输稳定性列入了装箱可优化的范畴，以双指数综合评估计算装箱引导方案。模拟计算软件将根据被装箱货物的具体数据进行自动的稳定性优化计算，最大程度地保证运输过程中集装箱的稳定性和降低箱内货物因为运输外部条件的变化而产生的不稳定风险。箱内货物稳定性指数评估参数：①最大允许悬空比率指标；②最大允许位移比率指标；③最大碰撞承受力指标；④最大允许翻转率指标：
集装箱整体稳定性指数评估参数：①集装箱整体重心点指标；②集装箱箱体允许的各项稳定性参数。综合优化图5所标：
结束语
装箱优化软件的应用已是多年，但随着物流行业对信息化需要的进一步提高，装箱软件在功能上日益出现短板现象，特别是自动识别技术的迅速发展与应用大大推动了智能物流的发展。基于RFID的装箱优化系统的应用研究大大提高了装箱软件在大批量货物的装箱效率，同时在装箱优化中结合了对货物和集装箱的安全性考量，进一步提升了装箱应用系统的比较优势。下一步，装箱优化系统可以与集装箱运输监控等其它系统相结合来进一步实现集装箱的综合管理。
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（第一作者单位：绍兴职业技术学院，第二作者单位：绍兴迅极网络技术开发有限公司。本文为国家科技型中小企业技术创新基金项目（12C26213302900））
