基于北斗卫星导航系统及无线通信的海运集装箱全球监控跟踪系统设计

管练武 周璇 高延滨 韩云涛 马艳莉

【摘 要】 为保障堆场安全和集装箱全球监控，介绍我国集装箱监控系统，分析海运集装箱运输和管理过程中存在的不足，以集装箱船舶、码头堆场分类摆放，集装箱精准吊装及摆放管理两个项目为例，提出无线通信平台与北斗卫星导航系统相结合的技术，可实现集装箱货物在全球范围内运输时的集中管理及货物状态的实时监测和位置跟踪服务。

【关键词】 北斗卫星导航系统;通信;集装箱;堆场;全球监控和跟踪

1 背 景

随着经济全球化步伐进一步加快，国际贸易快速发展，集装箱运输因其具有高效、便捷、安全的特点而成为现代交通运输的重要组成部分。集装箱在船舶、码头堆场等处根据所运货物进行分类摆放，这对保障堆场安全和实现集装箱的全球监控具有重要作用。北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国政府大力支持的国家重点项目，预计到2020年实现全球范围内的导航定位和短报文通信功能。届时，由北斗系统带动的军用和民用物资运输将会带来非常可观的经济效益和社会效益。集装箱在船运、堆场、仓库等区域的数量往往是巨大的，为每个集装箱都安装北斗导航定位接收机必会大大增加监控成本。

近10年来，我国港口集装箱吞吐量一直保持稳定增长，2007年集装箱运输总量突破1亿TEU，2017年全国港口完成集装箱吞吐量2.38亿TEU。

集装箱运输的安全性也引起了港口、航运界及陆运界的密切关注，特别是集装箱偷渡和走私案件时常发生。集装箱监控系统不仅能有效防范各类偷盗事件，还能有效打击国际有组织偷渡活动。此外，在运输危险品时，集装箱在安全系数和运输效率上更具优势。目前，我国危险品运输管理还很不完善，大部分危险品运输仍采用传统运输方式，安全事故时有发生。因此，急需对危险品集装箱进行分类堆放和实时监控。

为有效监控海运集装箱，目前国内一些航运企业都使用了集装箱监控系统，还有大量航运企业未使用，其中班轮运输企业的集装箱监控情况见表1。集装箱监控系统市场应用前景广阔。

近年来国内学者对集装箱运输监控作了相关研究：任晓明[1]设计了一套基于天鸿网的车辆监控调度系统;秦海涛等[2]运用全球定位系统（GPS）以及短信功能设计了面向化学品运输的车辆定位监控系统;秦玉[3]基于射频系统识别技术（RFID）、GPRS/GPS技术和传感采集技术，研制出一套危险品集装箱状态信息实时监测系统;随着北斗系统在亚太地区的逐步完善，汤玮等[4]开展了北斗卫星导航系统在我国沿海集装箱船调度和安全救助中应用的研究。

海运集装箱运输和管理过程中存在如下不足：远程物资运输和中转堆场分类管理不统一;堆场对货物分类管理的有效性和实时性不足，不利于海运集装箱运输全程监控。此外，GPS无法对我国军需物资及贵重物资运输的路线进行保密，战时易被敌对势力利用;美国等发达国家的现有设备因其系统引进和维护服务费用高而不利于广泛推广，同时也不能保证我国军用集装箱运输服务的保密性。综上所述，本文提出一种基于北斗系统与无线通信相结合的海运集装箱全球监控跟踪系统拟解决上述不足之处。

2 系统总体方案

海运集装箱全球监控跟踪系统拟采用北斗系统实现集装箱的全球定位监控，并通过无线通信平台优化集装箱的局域管理。系统总体方案见图1。

2.1 集装箱海陆运输跟踪及监控

无线通信平台与北斗系统的结合，即集装箱管理系統（见图2）可实现集装箱在全球海陆运输中的管理。系统操作流程如下：首先，可在船舶、码头堆场等局域内采用无线通信技术实现对集装箱位置和箱内货物信息的收集;然后，按局部区域大小将每个集装箱的信息传递给该区域内一个或者几个主数据节点，进而链接北斗信号处理终端传输给北斗系统通信卫星，并以短报文形式由通信卫星将这些信息实时传递给任意位置用户或货物管理中心;最后，实现集装箱货物在全球范围内运输时货物状态的实时监测和位置跟踪服务。

集装箱使用的无线通信传感器节点具有体积小（尺寸仅为20 mm ？40 mm）、传输距离长（直线通信距离可达3 km）、实时检测和报告、单次工作时间长（可达9个月）、环境适用性强，以及无线测距与北斗系统联合定位等特点。

该传感器节点能有效地将箱内温度、湿度、振动及防盗传感器信息进行采集并传输给一定距离内的中继节点（传感器槽），实现货物局域范围内位置或状态等数据的收集。这些数据通过网络云平台传送给承运商或用户，承运商或用户只要在手机、平板电脑或微型计算机等上安装对应的App即可对货物的状态、位置等进行实时查询。此外，承运商或用户还可根据保存的数据信息，对相关货物进行长期跟踪和报告。

2.2 集装箱船舶、码头堆场分类摆放

将集装箱根据货物种类在船舶、码头堆场进行分类摆放至关重要，这不仅有利于提高集装箱管理效率以降低成本，而且也能提高仓库码头的利用率，杜绝过期产品的堆放。特别是危险物品集装箱远离其他物品、贵重物品集装箱的重点保护，以及干燥物品集装箱的防水防潮等在仓库和码头分类管理中尤为重要。

从基于无线通信的集装箱仓库、码头堆场分类摆放（见图3）可以看出，A区和B区分别表示不同类物品的堆放，在每个区的入口和出口分别安装区域管理单元，当运输特定物品的集装箱经过A区入口或出口的区域管理单元时，用户App会直接显示该集装箱所在的具体位置。

2.3 集装箱精准吊装及摆放管理

快速而准确地移动吊装和摆放集装箱，能大大缩短船舶靠港时间，节约时间和成本。本项目通过在集装箱各个表面分别安装一个高精度、近距离的无线传感器，由无线收发方式确定集装箱的位置和距离，吊装驾驶室操作人员可借助驾驶室显示器App界面实现集装箱的快速吊装和摆放。

3 关键技术

3.1 北斗卫星导航通信系统

北斗系统不仅提供全天候、高精度的定位、导航、授时服务，还具有短报文通信能力。短报文通信过程如下：

（1）短报文发送方首先将包含接收方ID号和通信内容的通信申请信号加密后通过卫星转发入站;

（2）地面中心站接收到通信申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户;

（3）接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通信。

3.2 无线传感器技术

系统中的传感器节点根据集装箱内运输物资所需测量的如温度、湿度、盐度、振动等物理特性，采用不同的传感器进行相关的数据处理，然后将采集的数据发送给传感器槽。传感器槽主要接收来自于集装箱内部各个传感器节点信息，并完成对集装箱内部温度是否均衡、集装箱门是否封闭严实、集装箱是否受到剧烈撞击等状态的判断。

3.3 无线网络传输技术

中继节点中使用了最新的控制端。该控制端能够处理传感器和北斗卫星接收机传来的信号，并通过卫星无线电测定业务（RDSS）以短报文的方式转发给北斗卫星。

该控制端含有一个32位ARM Cortex-M3的CPU（与主处理器工作频率同为48 MHz），并且拥有丰富的外设功能集，其中包括一个独特的超低功耗传感器控制器。此传感器控制器非常适合连接外部传感器，适用于当系统的其余部分处于睡眠模式时自主收集模拟数据和数字数据。

4 结 语

目前，集装箱运输已成为当代国际货物运输的主要形式，是全球一体化的象征。采用海运集装箱监控系统能有效保障货物运输的安全，对于在恶劣天气下甚至是在海盗劫持中丢失的货物，也能利用北斗系统进行精准定位和跟踪。

参考文献：

[1] 任晓明.基于天鸿网的车辆监控调度系统设计与开发[D].武汉：武汉理工大学， 2004.

[2] 秦海涛，薛晨阳，秦丽，等.面向化学品运输的车辆定位监控系统[J].微计算机信息，2007（4）：233-235.

[3] 秦玉.危险品集装箱物流状态实时监控系统的研究与开发[D].上海：上海交通大学，2009.

[4] 汤玮， 张耿霖. 北斗卫星导航系统在我国沿海集装箱船舶调度和安全救助中的应用[J].水运管理，2016（3）：6-8.