1 集装箱电子标签应用示范的意义

    集装箱运输以其高效、便捷、安全的特点成为交通运输现代化的重要形式。随着我国经济的飞速发展，港口作为我国现代物流与供应链的一个重要节点，集装箱处理量不断增长。我国的港口集装箱吞吐量从2003年起已连续3年居世界第一位；2005年上海港的集装箱吞吐量也达到1808万TEU，连续3年名列全球三甲之内。

    集装箱在运载过程中的信息识别与传递，关系着港航集装箱一体化运输的安全、效率和效益。信息化水平的高低已经成为制约集装箱运输发展的关键。目前集装箱运载过程中的信息识别和传递还依赖于传统的方式，从而使集装箱的识别、转运和流向基本上仍然处于人工、半人工控制状态，不能满足现代物流的需要。

    近年来，国际上由于防恐的安全需求，一些发达国家纷纷提出了集装箱安全锁的概念，并先后提出了多种解决方案。这些方案由于技术和成本的原因，尚处于试验阶段。我国的集装箱运输具有很强的全球性特点，如何适应国际安全的潮流，参与国际集装箱运输电子防伪保安技术的研发与应用，也是一个十分现实的问题。面对新一轮全球集装箱运输信息技术革命的新形势，上海国际港务(集团)股份有限公司、上海锐霆科技有限公司、上海埃珀司网络科技有限公司、上海交通大学、武汉理工大学等联合起来，成立了课题组。在短短一年多的时间里，课题组研究开发了具有国际前沿水平、工作频段为全球通行的ISM2.4GHz集装箱电子标签系统(Container Tag SYstem,CTS)。该系统已率先在中国的“两港一航”内贸集装箱运输、打造国际集装箱数字化港口中应用示范。

     与此同时，有关各方将以此应用示范的研究成果为基础，逐步形成“行业标准”和“国家标准”，以备通过适当途径向国际集装箱标准化委员会推荐，力求适当时机在全球集装箱运输中推广使用，进一步完善国际集装箱标准化。课题组这一研究成果将使中国在国际集装箱运输中拥有更多的自主知识产权。

    2 国内外集装箱电子标签发展状况

    2.1  国际电子标签射频识别技术发展状况

    无线射频识别  (Radio  Frequency  ldentification，RFID)技术在国外发展很快，电子标签(Tag)产品种类很多，像SAVI、1NTERMEC、ALLEN、METRICS、QFREE、TACMASTER、AMTECH、TI、MOTOROLA等厂家都生产电子标签产品。它们的产品各有特点，有的自成系列。射频识别技术越来越受到各行各业的关注，被视为2l世纪的重大技术之一，现己被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。据统计，目前全世界已经安装了约5000个RFID系统，实际年销售额约为9.64亿美元。

    2.2  电子标签射频识别技术在我国的发展状况

    1993年，我国政府制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的10年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。现在，电子标签射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，将在中国很快地普及。我国射频识别技术产品的市场是十分巨大的。

    国内现已有几家公司在代理国外的射频识别系统产品。现在，国内的高速公路上已启用了非接触射频卡自动收费，城市的公交系统使用了电子月票，若干外贸与出入境口岸也使用了射频识别系统等等。

    由于电子标签将引领一个新兴的巨大市场，也为我国信息化发展走在世界前列带来了一个新的契机，国家非常重视这一技术的开发。国家标准化委员会和信息产业部等单位已经在着手制定我国电子标签的国家标准，同时也积极参与国际标准的制定。

    2.3  集装箱电子标签的发展状况

    集装箱电子标签有着非常典型的行业特征。首先，集装箱电子标签系统的作业环境是电子标签应用领域中*为复杂、技术难度*大，各项技术指标、工艺性指标、功能性需求都远不同于其他领域；其二，集装箱电子标签是应用于一个巨大的物流网络环境下，该网络涉及到多个国家、地区和部门的参与和合作，特别是牵涉到众多部门和单位的应用推动，将是非常关键的；其三，如前所述，集装箱电子标签的全面应用必将对物流行业产生巨大的好处：有效地提高管理水平和生产、工作效率，确保货物运输的安全和质量，产生巨大的效益。

    电子标签在港口间集装箱航线的实际应用，世界上还没有成功先例。国际著名的西门子(SIEMENS)公司欧洲分公司，正准备研究适用于集装箱运输的电子标签技术。在国内，上海港的内贸集装箱电子标签应用示范开了国内集装箱电子标签应用的先河。目前，上海港的应用示范已经取得了试验的阶段性成果。在应用示范中使用的所有技术和产品都具有国内完全自主的知识产权。我国内贸集装箱运输发展迅速，港口内贸货物吞吐量已达到内外贸总吞吐量的64.4％，增长潜力巨大，应用示范与推广的意义深远。在项目的研发过程中，有不少国际上的同行和国外 公司，表示了愿意和我们共同参与集装箱电子标签研发与应用的合作愿望。

    集装箱电子标签自动识别应用系统体系结构研究和应用示范系统

    3.1  集装箱电子标签自动识别应用系统体系结构研究

    集装箱电子标签自动识别应用系统的研究，由自下而上的三级体系结构构成，如图3—1所示。

    集装箱电子标签自动识别应用系统的三个子系统的名称及其主要功能分别为：

   集装箱电子标签自动识别系统，完成集装箱信息的实时采集和自动识别；港区无线通信系统，完成在港区大范围环境下的数据无线传输通信，用以将前端电子标签系统的数据传输到后端的集装箱信息实时交换系统；集装箱信息实时交换系统，完成后端对集装箱信息的实时处理和管理，并进行EDl数据交换实现港间的集装箱信息实时交换。

    3.1.1  集装箱电子标签自动识别系统研究

    集装箱电子标签装置釆用射频识别技术，应提供一种非接触的、可同时识别和读写的多个静止态标签和移动中的标签。标签储存信息量大、使用寿命长、保密性好，安装在集装箱的箱体表面。

    电子标签系统包括以下产品：集装箱电子标签、用于信息录入的便携式电脑、手持式PDA读写器、集装箱电子标签基站式读写器、集装箱电子标签无线式读写器、集装箱电子标签无线式桥接器、集装箱电子标签哨兵、电子封条等。

    基站式读写器和天线安装在集装箱卡车的运行通道上，也安装在集装箱运行通道和集装箱吊运设备上。读写器可以向电子标签读写集装箱运输中的信息，并通过数据接口用有线和无线传输方式与集装箱管理系统进行数据交换，达到集装箱的自动识别和实时管理。

    集装箱电子标签自动识别系统，主要满足在集装箱港区的进出道口、堆场轮胎式龙门吊、岸边门机或桥吊、管理人员手持读写等工作环境和设备上的使用。

    3.1.2  港区无线传输通信系统研究

    建立一个港区无线通信系统，满足集装箱电子标签自动识别系统应用的实际需求，可以将部署在码头道口、龙门吊、门机、桥吊等设备上的电子标签设备的前端信息，无缝接入到后端的集装箱信息实时交换系统中。

    3.1.3  集装箱信息实时交换系统的研究和开发

    电子标签中集成的集装箱智能管理系统，是为龙吴港务公司量身定做的。包括集EDI单证电子流转，进出口箱区自动预分配，可视化配载，堆场图形化属性的设置与管理，龙门吊、桥吊最终场箱位实时确认，作业机械的中央监控等国内外业界领先功能。与电子标签无缝衔接的是基于目前*先进的、独立于操作平台的B／S架构的、集装箱实时操作平台软件。

    集成于电子标签的集装箱智能管理系统，集中了目前国内港口集装箱管理软件的优点，具有规范性、通用性和可操作性。系统兼容了龙吴港近8年的集装箱操作历史数据。它的完成、实施与推广，为加快中国内贸港口管理信息系统的建设、为数据库更好地满足港口管理的需要、为实现各港的数据互通，最终达到港、航、货及上级主管部门信息共享打下了坚实的基础。

    3.2  集装箱电子标签应用示范系统的建立

    集装箱电子标签应用示范系统的建立，包括三个相关部分，即形成集装箱电子标签“两港一航”应用示范线整体方案；采用电子标签自动识别系统后的港口信息安全管理技术；以及如何建立集装箱电子标签自动识别系统的规范标准。

    3.2.1  集装箱电子标签“两港一航”应用示范线整体方案

    集装箱电子标签“两港一航”示范线整体方案，如图3—2所示：

    集装箱电子标签应用示范，主要是在两个港口和一条航线上，完成国内首个基于集装箱电子标签实时信息交换功能的，集装箱电子标签全业务示范工业性试验。这一试验包括集装箱在港区进出道口、进出堆场、清点、装卸船、航运等流程的物流信息的写入、识别、传输、处理、查询。主要了解集装箱电子标签所有相关系统和产品，在“两港一航”运输线真实环境下的工作状况，取得第一手的现场工业性试验的数据和现场录像，获得基于集装箱电子标签系统的“两港一航”集装箱运输系统运营经验，以便进一步推广应用。

    3.2.2  建立集装箱电子标签相关技术的规范标准研究

    为适应港口集装箱电子标签的市场需求，促进具有自主知识产权的核心技术(标签、读写器、信息自动交换平台软件等)的发展，加快港口数字化建设步伐，指导港口电子标签、识别技术等产品的设计，同时对电子标签系统综合技术水平提供具体的依据，保障港口使用的电子标签产品的质量，应在“应用示范”的基础上，研究建立内贸集装箱电子标签相关的技术标准。

    提出一种新的适用于我国集装箱的电子标签结构体系，作为港口集装箱自动识别的标准。目标是在港口之间建立一条迁移的通道，帮助人们从现有的无集装箱电子标签时代过渡到釆用新型的电子标签方式，电子标签结构体系采用了全球贸易编码(GTIN)的基本构架。

    电子标签产品的实现原则是经济、安全、方便、适用。在电子标签系统设计中，采用先进、成熟、实用的技术。采用的硬件设备和软件系统符合标准化、开放性的要求，具有可扩展性和灵活性。电子标签系统的设计除按照本次制定的标准外，还要求符合国家和地方现行的各项有关产品设计规范和规程。对电子标签设备中所釆用的协议、总线、接口等，均应釆用相应的业界标准，并与国际接轨。
 
     4 集装箱电子标签系统的主要内容和关键技术

     4.1  集装箱电子标签

     集装箱电子标签是一种具有微波双向通讯功能的自动标识设备，附着在集装箱上，作为集装箱的信息载体和安全认证的设备，如图4—1所示。

    4.2  集装箱电子标签信息录入设备

    主要采用便携式电脑和手持式PDA读写器来进行集装箱信息录入。

    手持式PDA读写器是用于在货运源头、港口道口、堆场、岸边、航运等各集装箱作业环节，完成对电子标签的写入、识读、核对或信息交换，如图4—2所示。

    4.3  集装箱电子标签基站式读写器

    集装箱电子标签基站式读写器如图4—3所示，用于进出道口等固定位置。它以无线通讯的方式与电子标签进行数据交换，采集、更新标签中的信息，并通过RS232／485等方式与计算机通讯。

    4.4  集装箱电子标签无线式读写器

    集装箱电子标签无线式读写器安装在如龙门吊、桥吊、门机、正面吊等移动设备上，以无线通讯的方式，与集装箱电子标签进行数据交换，采集和更新标签中的信息，并通过集装箱电子标签无线桥接器以无线方式与计算机通讯。

    4.5  集装箱电子标签无线桥接器

    集装箱电子标签无线桥接器是用于替代“标签读写器通讯电缆”的一种无线通讯设备，如图4—4所示。

    4.6  集装箱电子标签哨兵

    集装箱电子标签哨兵是用于在堆场、桥吊、龙门吊、门机、叉车等场合，配合无线读写器完成对集装箱电子标签的唯一性自动识别，如图4—5所示。

    4.7  集装箱电子封条

    集装箱电子封条是用于保障集装箱的安全性的设备，如图4-6所示。

    5 集装箱电子标签频段的选择

    5.1  标签不同频段的选择

    对于内贸集装箱电子标签采用何种射频信号频段的讨论，一直以来众说纷纭，焦点在于433MHz、916MHz和2.4GHz这三个频点哪个更适用。

    仿真采用了CTLESS仿真软件，对模拟集装箱实际作业环境下得到的433MHz、916MHz和2.4GHz射频信号在集装箱表面的分布进行分析。研究的结果表明，频段从技术角度来看不是关键问题，对集装箱电子标签，讨论上述三个频段的适用性并没有太大的实质意义。

    5.2  *大通信距离和无线信号

    有源RFID系统的主要性能参数有两个：*大通信距离和无线信号的传播。

    根据我国在无线频段管理上的规定，能够使用的频段在2.4GHz，且应该采用扩谱的调制方式，从而达到低功率的要求。

    在集装箱电子标签系统中进行了大量的、多厂商、多频段电子标签试验对比，证实现有技术中，从*大通信距离和无线信号的传播考虑，2.4GHz比较适合在港口环境中应用。

    5.3  集装箱电子标签编码系统研究

    从现有的无集装箱电子标签时代过渡到釆用新型的电子标签方式，需提出一种新的适用于我国集装箱运输的电子标签结构体系。该电子标签结构体系采用了全球贸易编码(GTIN)的基本构架，并给予读写授权。

    5.3.1  电子标签存储信息内容电子标签存储的信息内容分为二大部分（5个区域）：

    第一部分：固定信息（A区）包括：序列号、箱号、持箱人、箱型、尺寸；货品信息（B区）包括：运单号、铅封号、起运港、目的港、货物名称、箱重量、件数、货物特种要求；其他信息(C区)包括：起运港记录、中转港记录、中转港集装箱场地吊运记录、目的港记录、目的港集装箱场地吊运记录、机械ID号和残损记录；电子封条信息(D区)包括：开箱日期、开箱时间(时、分、秒)和累计开箱次数。

    第二部分：货代信息（E区）包括：记录货物托运委托书的相关内容。

    5.3.2  电子标签编码

    电子标签编码，采用了全球贸易编码（GTIN）的基本构架。

    5.3.3  各环节读写电子标签授权

    根据集装箱运输的特点，对每个运输环节读写电子标签都给予一定的权限设置，包括：货代、起运港(进场)、残损记录和电子封条自动写入等信息。

    此外，本研究分别从调制方式、通信机制和数据帧结构等三个方面对通信方式进行了详细分析，并对电子标签的防冲突性设计进行了研究，研制出了能够保证数据安全的电子标签的读写设备，开发了适应本系统的集装箱电子标签系统的中间件，详细阐述了集装箱电子标签系统中的数据安全问题，并提出了相应的解决方案，最后分析了集装箱电子标签读取可靠性。

    6 创新点及知识产权

    6.1  创新点

    (1)首次提出并开发了完全适用于我国港口各种工作环境和装卸设备(道口、堆场龙门吊、岸边门机和桥吊等)，工作频段为国际通行的ISM2．4CHz集装箱电子标签系统；

●首先开发了基站式读写器及定向天线；
●首先开发了无线读写器；
●首先开发了无线式桥接器；

    (2)首先开发了电子标签哨兵；

    (3)开发了能够读写集装箱电子标签的手持式PDA读写器；

    (4)提出并开发了新型的集装箱电子封条；

    (5)提出并实现了集装箱电子标签与电子封条的连接和系统的融合；

    (6)研究和开发出国内首个基于集装箱电子标签系统的集装箱信息实时交换系统，采用B／S操作平台，实现集装箱的自动识别和集装箱信息的实寸智能交换；

    (7)引入全面的安全性保证设计理念，实现从整体交换平台到电子标签设备级的安全性保障手段；

    (8)提出我国集装箱电子标签系统的技术标准草案。

    6.2  知识产权情况

    6.2.1  专利

    （1）集装箱电子标签装置，专利号：200420037164.3

    （2）一种电子标签安全通信的方法，专利号：200510026966.3

    （3)低功耗的有源电子标签通信模式，专利号：200510026965．

    （4）一种集装箱电子封条，专利号：200520042928．

    （5）一种用于集装箱电子标签和电子封条的连接，专利号：200510028094.4

    6.2.2  著作权登记

    内贸集装箱智能管理系统V1.0，受理号为：200516497

    6.2.3  实用价值及推动技术进步的作用

    本项目的建成，在建立和完善中国内贸港口集装箱运输体系、探索信息实时交换平台建设、使港口的内贸集装箱装卸效率与技术水准方面，都达到了国际先进水平。有利于快速提高中国内贸集装箱的吞吐能力，有利于提升港口集装箱运输的现代化管理水平，有利于提高集装箱枢纽港的中转量和提升增值服务水平，有利于促进中国内贸集装箱港口物流先进装备的产业化，促进上海及华东地区的经济发展。本项目对推动全国港口集装箱运输的技术进步具有示范作用。