无线射频技术在船舶危险品运输管理中的应用

薄文彦，赵 磊，曲霄红

(1.山西大同大学 计算机与网络工程学院，山西 大同 037009；2.天津港信息技术发展有限公司战略科技部，天津 300450)

0 引 言

船舶运输在国际货运中起着非常大的作用，2021 年全球运输原油的数量超过了8 100 万吨，国内干散运船超过了2000 艘，随着后疫情时代全球经济回暖，原油、液化燃气的运输数量也在呈现逐年增长的趋势。原油和液化燃气的运输都属于危险品运输，西方国家对危险品的运输都已经采取了全程监控，对危险品运输过程中的温度、湿度、压力以及浓度等进行监控，有助于实现船舶的安全运输，同时也有助于在发现异常状态时及时采取措施，以减小危险品泄漏或者爆燃所产生的物资和人员损失。

传统的船舶危险品运输管理主要通过人工以及半自动电子监控的方式来实现对船舶物品的监控，并通过GPS 和AIS 等系统将船舶的行驶坐标、物品状态发送出去，这样虽然也能实现对船舶危险品的监控，但是很多操作仍然需要船员来完成，因而效率较低。无线射频技术主要是通过电子标签的信息读取和传递来实现对船舶危险品的运输管理，通过电子标签可以直接获取船舶装载危险货物的种类、基本信息、出发地、目的地以及其他一些必要信息。同时可以通过定期自动扫描电子标签，并配合实时采集的传感器监控数据就可以完成对船舶危险品的实时监控。整个危险品运输管理过程可以实现信息化和自动化，因而极大提升了管理效率，同时在危险品数据的获取和处理上也更加准确，实时性更好。在无线射频技术中，很多学者对相关技术在危险品运输管理中的应用进行研究。魏福禄等[1]针对危险品运输中的RFID 碰撞算法进行研究，并建立防碰撞模型，且系统的鲁棒性比较好。李琳[2]提出一种基于RFID、GPS 技术的危险品运输管理系统，可以实现对危险品的跟踪、定位和管理等功能。

本文提出一种基于无线射频技术的船舶危险品运输管理系统，对标签信息读取后实现信息的实时存储、处理和传输，并且能够防止出现标签碰撞。

1 无线射频识别技术

1.1 无线射频识别系统

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是无线射频技术中的一个重要应用，是实现船舶危险品运输管理的关键子系统。RFID 系统可以实现对危险品信息的写入和读取[3-4]。

一个基本的RFID 系统包括电子标签、读写器、中间件以及计算机网络4 个部分。

1）电子标签

电子标签中有控制模块、存储器、射频模块以及天线等，其中控制模块负责在时钟的控制下通过射频模块和天线向存储器读取数据或者写入数据。电子标签可以内置电源供应，也可以从外部获取能量。

2）读写器

读写器主要通过产生的时钟、射频模块和天线来读写电子标签的数据信息，同时读写器内部还负责提供电源。

3）中间件

中间件负责读写器和计算机网络系统之间的基本连接，一般中间件是上层软件应用和底层硬件之间连接的部分，而在危险品运输管理中，可以针对特定的船舶危险品运输管理系统设计特定的中间件，使之具备降低干扰、读写更加可靠的功能。

4）计算机网络

读写器获取的标签信息需要通过中间件以及网络发送出去，这样才能和船舶运输管理系统的其他子系统进行通信和连接，最终将这些信息发送到控制中心。

图1 RFID 系统结构Fig.1 Architecture of RFID system

1.2 标签防冲突技术

船舶危险品运输过程中需要对大量的危险品进行信息的读取和管理，因而读写器需要在一定时间内读取大量的标签信息。电子标签存储的信息能够有效保证信息的完整性和准确性，但是使用同一个读写器发出读写指令时可能同时有多个电子标签响应，此时会出现电子标签碰撞的问题。发生此种情况时由于此时读写器无法识别某一个具体的电子标签，因而也无法实现危险品信息的读取。

标签防冲突技术主要是利用时分多址法，将时间划分为多个小段，规定在每个小段的开始才能向读写器发送信息，这样能够降低电子标签碰撞的概率。本文中船舶危险品运输管理为了避免出现大规模的标签碰撞问题，采用Slotted ALOHA 算法来实现，其基本思想是：通过系统的高精度时钟将所有时间进行分段，由于时钟非常精准，因而分段的数量非常大，此时标签数量一定，因而就可以对所有标签发送数据进行规划，读写器不会主动发出指令，电子标签会自动发出标签序列号由读写器进行判定，然后读写器会选取某一个电子标签读写信息。由于使用了高精度的时钟分段，因而电子标签可能会出现完全碰撞和完全不碰撞2 种情况，随着分段数量的增加完全碰撞的概率会变小[4-6]。

Slotted ALOHA 标签防碰撞算法基本原理如图2 所示。分段的时间为T，深色部分表示标签出现碰撞，浅色为标签数据被正确读取。

图2 Slotted ALOHA 标签防碰撞算法Fig.2 Slotted ALOHA label anti-collision algorithm

1.3 中间件技术

在船舶危险品运输管理系统中，中间件是将船舶应用软件和系统连接的一类软件，它可以将网络中不同的应用系统连接起来，同时使得这些基于不同技术的软件能够实现资源共享。中间件可以充分调用网络通信资源和系统资源[7]。当底层硬件系统需要传递信息时，首先需要向中间件发出请求，由中间件在网络上调动资源来实现该服务。一般而言，在RFID 系统中，中间件具有以下特点：

1）统一性。通信和控制协议统一，因而可以实现不同操作系统之间的数据通信和共享。

2）广泛性。中间件本身作为一种软件，可以运行于目前大部分的操作系统平台。

3）独特的编码标准。由于在危险品运输过程中需要对所有的危险品进行编码，因而不同的船舶可以根据自身的情况来制定编码标准。

4）降低系统的开发成本。在使用中间件后，可以有效的将RFID 系统的数据流与网络中其他的系统对接，如WEB 服务平台等，通过将底层的监控数据进行封装，并规定上层应用软件的基本通信协议，使得系统中的应用软件可以实现交互式操作，而这些操作与下层无线射频技术完全无关。因而在底层的无线射频系统发生变动时，上层应用系统基本不需要作出任何改变。从设计的角度来看这样就极大地降低了系统的开发成本，节约了开发时间。

2 船舶危险品运输管理系统的设计

2.1 系统整体设计

首先确定系统的设计要求：

1）信息化。系统对危险品的信息采集必须实现信息化和自动化，同时要求能够和其他系统实现信息互通，对船舶危险品实现实时在线远程监控和管理。

2）冗余性。要求系统具有一定的冗余性，只有保持一定的冗余性才能最大程度保证系统的安全和稳定工作，牺牲一定的系统运行成本也要保证整个系统的安全性和可靠性。

3）统一性。由于不同RFID 标签厂家生产的标签性能各不相同，因而在设计和建设船舶危险品运输管理系统时，需要使用统计技术标准的RFID 标签，并最终形成船舶危险品运输管理规范。

图3 为基于无线射频技术的船舶危险品运输管理系统结构框图。可以看出，RFID 子系统在完成对标签信息的读取后，将信息和无线传感器获取的温度信息通过船舶内部网络传输到船舶监控系统，此时船舶监控系统可以实现对危险品的状态信息实时监控。同时为了实现和岸基危险品监控中心实现信息的实时传递，通过无线网络将船舶危险品的相关信息、船舶位置信息等传输到岸基船舶危险品监控中心，并实现对相关信息的存储和处理。同时可以开发对应的监控软件，实现在电脑端和PC 端的监控信息显示。

图3 船舶危险品运输管理系统结构框图Fig.3 Ship dangerous goods transport management system structure block diagram

2.2 标签信息读取实现

对标签信息进行准确读取是船舶危险品运输管理系统实现的关键步骤，除了需要使用防碰撞算法防止读取标签信息出现冲突，还需要判断在读写器范围内标签的数量，标签信息读取流程如图4 所示。

图4 船舶危险品标签信息读取流程Fig.4 Reading process of ship dangerous goods label information

1）初始化。初始化是对所有的标签进行初始化，包括对标签信噪比、功率等参数的初始化。

2）判断某一个读写器范围内的标签数量，不同的标签数量需要采用不同的措施，若只有一个标签，那么在选择该标签后就判断该标签是否继续，然后就可以完成数据的读取。而如果有多个标签，那么就需要启动时钟分段，同时在一个周期内若没有读取成功就需要进行二次读取，因而在布置标签时需要考虑标签的间距，如果在同一个读写器范围内标签数量过多，会造成读取标签信息的时间过长，不利于实现对危险品的实时监控。

3）完成标签信息读取后开启下一次的数据读取。

2.3 实验验证

为了实现高效地船舶危险品标签信息读取，需要对系统中影响标签信息读取的关键因素进行研究，包括标签数量和时隙数量（时间分段）的关系，标签数量和系统吞吐率的关系，其中系统的吞吐率定义为在不损失数据信息的情况下，实现危险品标签信息读取和转发的最大速率。

在Matlab 中构建仿真环境，根据仿真的结果可以在建立的基于射频技术的船舶危险品运输管理系统中对相关参数进行设置，以达到最佳的数据读取效果。

图5 为标签数和时隙数的关系。可以发现，当标签数量增加时，需求的时隙数会不断增加，其增长率会大于标签数的增长率，而时隙数在实际应用中会受到时钟主频的限制，因而在应用中需要严格限制一定区域内标签的数量，否则会造成标签的能耗上升，同时标签读取的效率会降低。

图5 标签数和时隙数的关系Fig.5 Relationship between label number and time slot number

图6 为标签数和系统吞吐率之间的关系。可以发现，在标签数量小于160 时，系统的吞吐率会随着标签数量的增加而提升，标签数量为160 时系统的吞吐率达到最大，标签数量超过160 以后系统吞吐率会降低。因而综合分析可以发现，建立的船舶危险品运输管理系统中单个读写器所对应的标签数量不能超过160。

图6 标签数和吞吐率的关系Fig.6 The relationship between label number and throughput

3 结 语

全球每年都有大量的危险品通过海上交通运输到达目的地，危险品在运输过程中会存在爆炸、泄漏和腐蚀等风险，因而在运输过程中需要对这些危险品进行全程实时监控和管理。本文阐述了无线射频识别技术，对无线射频识别系统、标签防碰撞以及中间件技术进行分析。在此基础上构建基于无线射频技术的船舶危险品运输管理系统，设计了系统的整体架构和标签信息读取的基本流程。对标签数量和时隙数量的关系以及标签数量和系统吞吐率的关系进行了研究，本文设计的系统具有良好的稳定性和可靠性。