集装箱安全监测技术分析与研究

伞军民

摘要：随着国民经济稳定快速发展，融入经济全球化的步伐不断加快，对外贸易持续高速增长，我国集装箱运输呈现持续快速增长态势。近年来，我国集装箱在生产量、吞吐量以及贸易量方面均已在全球占据绝对主导地位，且集装箱的吞吐量占世界集装箱吞吐量的1/4。集装箱监测技术对促进我国集装箱的健康发展具有重要作用，其可以有效解决集装箱运输的安全和效率问题。从集装箱运输现状入手，分析了研究集装箱安全监测技术的必要性，并通过对集装箱 RFID自动识别技术、定位技术、集装箱状态监测技术及无线数据传输技术等现有的集装箱安全监测技术手段进行综合分析，指出了集装箱安全监测的智能化技术的发展前景。

关键词：集装箱；安全监测；技术  

我国经济和对外贸易飞速发展使得物流运输需求量不断增加，集装箱作为现代物流的重要载体，极大的提高了物流效率，随着物联网技术的发展，国内外学者在集装箱监测领域已经取得了一些研究成果。集装箱监测系统大多具有定位、货物识别和远程通信功能，但无法在集装箱被破坏或者货物被盗窃时及时检测、报警并保留证据，而且系统大多采用 GPRS单一通信方式，受通信环境制约大，难以完全满足集装箱大范围、复杂运输环境下的监测需要。为了保障集装箱运输的安全性和监测系统的可靠性，基于集装箱安全监测的智能化技术，实现集装箱在运输过程中的信息实时采集和存储、及时通信、安全保障等功能。

一、安全智能集装箱的功能

安全智能集装箱功能优势的完美发挥离不开与之配套的多个系统，论安全智能集装箱的功能应从安全智能集装箱运输系统的整体角度出发。安全智能集装箱运输系统由集装箱多式联运系统涉及的各类硬件设施和软件管理系统组成。完整的安全智能集装箱运输系统应具备以下功能：（1）自动识别功能 自动识别集装箱，使其与作业系统进行快速的信息交换，减少手工录入及单证流转过程中的差错，同时提高通关速度；（2）安全监测功能 探测并记录集装箱的非法入侵事件，识别并记录经授权的开关箱门操作，提供报警功能，协助海关及客户进行快速查验，确定安全责任划分；（3）定位和追溯功能 通过管理信息系统和定位技术手段，记录和查询（或自动报告）集装箱位置，当与预先设定的运输路线不一致时发出警报信号，同时可以追溯集装箱运输过程中的历史状态；（4）状态监测功能 利用传感器技术和网络通信技术，实现对运输过程中集装箱状态的实时监测。

二、集装箱监测的技术

1、集装箱自动识别技术。电子标签系统 （RFID）因应用不同其组成也不尽相同，但基本由标签（Tag）、读写器（Read⁃er）和数据交换与管理系统。RFID系统的工作原理为：阅读器将要发送的信息经编码后加载在某一频率的载波信号上，经天线向外发送；进入阅读器工作区域的电子标签，通过内置天线接收此脉冲信号（被动射频系统还需利用一部分天线接收到的电磁波作为驱动芯片的能量），卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，并对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送至阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后发送至中央信息系统进行有关数据处理。依据采用频率的不同，RFID 系统可分为低频、高频、超高频和微波等系统。一般而言，工作频率在 100MHz以下的 RFID系统通过线圈之间的磁场耦合方式工作，产品通常具有工作距离近、成本低、天线尺寸大、通讯速度低等特点。这类电子标签一般对人体没有影响；而400MHz以上的RFID系统是通过无线电波发射和反射的方式工作，产品通常具有工作距离远、天线尺寸小、通讯速度高等特点。研究结果表明：从技术角度分析，频段不是RFID系统的关键影响因素。采用 CTLESS 仿真软件分析433MHz、916MHz和 2.4GHz在模拟真实集装箱环境下得到的射频信号在集装箱表面的发布仿真，即：主要研究集装箱在典型使用环境下，分析不同频段信号在集装箱表面的传播和发散特性。从仿真结果得出：对于 433MHz信号而言，其69cm 波长在集装箱表面产生了比较一致的信号强度等高线，其绕射性能强于 916MHz和2.4GHz的信号波长；916MHz信号强 度等高线 不太一 致；而 2.4GHz 信号的波 长12cm，其等高线则不一致。综上所述，在集装箱的应用环境下，433MHz、916MHz和2.4GHz不同频段相互之间没有特别的优缺点，单纯的讨论频段对集装箱电子标签的影响实质并没有太大意义。

2、集装箱定位技术。定位技术主要通过卫星定位技术或者移动通讯基站定位技术来实现。

（1）卫星导航定位。GPS是由美国国防部的陆海空三军在20 世纪70年代联合研制的新型卫星导航系统。它是一种为海上、陆上、空中的用户提供全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统，北斗卫星导航系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。当前，其只能为中国以及周边地区提供定位服务。中国计划在2020年左右覆盖全球，届时北斗卫星导航系统将会有更强多的功能。

（2）移动通讯基站定位。移动通讯基站定位是通过电信移动运营商的网络 （如GSM网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），并在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。其工作原理大致为：（1） 移动电话测量不同基站的下行导频信号，得出不同基站下行导频的TOA（Time of Arriv⁃al，到达时刻）；（2）根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，计算出移动电话的位置。实际的位置估计算法需考虑多基站 （3个或3个以上）定位的情况，算法相对比较复杂。一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显。为了确保集装箱的定位信号不消失，可以采用GPS卫星定位和基站定位双模式实现相对精度更高的定位模式。该种模式让安全智能集装箱在室外有卫星信号的地方采用GPS卫星定位，误差在10∼50m左右；当无法接收到GPS卫星信号时，定位器则自动转换到基站模式，以最大限度的达到定位信号永不消失的目标。集装箱定位可以在WEB GIS技术基础上，结合GPS定位的数据，在网页地图上显示出集装箱的具体位置。随着具有雄厚技术和财力的跨国企业进入地理信息服务市场，再一次掀起了GIS领域的高潮，预示着全球化地理信息服务时代的到来。

（3）集装箱状态监测技术。集装箱状态的监测主要包括集装箱门的开关状态监测和内部温、湿度等环境状态监测。集装箱电子箱封用来监测集装箱门的开关状态。这些电子箱封部分是在原有机械箱封的基础上加上电子设备而形成的新的电子箱封（如挂锁式和插销式电子箱封）。如集装箱的箱门为挂锁式电子箱封，则在打开集装箱时，不可避免的破坏了锁的结构，故而很容易监测集装箱门的开关状态；如集装箱的箱门为插销式的电子箱封，则在打开集装箱门时会将锁杆折断，从而判断出集装箱被非法打开。对于需实时监测集装箱内部环境状态的需求 （如危险货物集装箱监测、高附加值货物（精密仪器、芯片等）、冷链集装箱等），主要通过选取相关的MEMS传感器，如温湿度传感器、加速度传感器、倾角传感器、压力传感器、液位传感器等多种微传感器，实现对集装箱状态的数据采集 （如温度、湿度、加速度、姿态、压力、液位等），从而实时获取危险货物集装箱的内部状态信息，实现有效监测。现有的传感器从功能需求上基本能够满足要求，但传感器小型化、低功耗、高稳定性等性能指标将直接决定着未来集装箱的安全监测水平。

综上所述，集装箱监测技术涉及多个技术领域，属于典型物联网技术的范畴。随着物联网技术的快速发展和成熟，集装箱智能化运输有望成为交通行业应用物联网技术的排头兵。结合现代物流的需求，集装箱智能化运输将会成为未来集装箱发展的必然趋势。因此，只有密切关注集装箱监测技术的发展动态，才能更好地为集装箱智能化运输服务。

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