UWB和RFID技术在高铁集装器站场管理中的应用.pdf

网络与信息化物流技术2023年第42卷第10期（总第445期）收稿日期2023-04-08基金项目湖北省重点研发计划项目（2021BAA043）作者简介刘斌（1983-），男，湖北襄阳人，助理研究员，研究方向：物流自动化、智慧物流。doi:10.3969/j.issn.1005-152X.2023.10.025UWB和RFID技术在高铁集装器站场管理中的应用刘斌1，李志海1，王锋1，刘文龙2，袁浩1，陈刚1（1.湖北物资流通技术研究所，湖北襄阳441002；2.湖北韵生航天科技有限公司，湖北襄阳441022）摘要针对高铁集装器在铁路站场管理中信息化程度低、劳动强度大、作业效率不高等问题，提出了将UWB和RFID技术融合应用于集装器站场管理中的方法，给出了UWB-RFID标签和车载读写终端的设计方案，通过RFID技术实现了集装器信息的自动化采集，利用UWB技术实现了站场集装器、人员、设备的实时定位管理，从而实现站场资源的有效协调和调度，提高铁路站场的作业效率和信息化管理水平。关键词高铁集装器；站场管理；UWB；RFID中图分类号TP391.44；U291.1文献标识码A文章编号1005-152X(2023)10-0100-04Application of UWB and RFID Technologies in Management of High-Speed Railway Container StationsLIUBin1,LIZhihai1,WANGFeng1,LIU Wenlong2,YUANHao1,CHENGang1(1.HubeiInstitute of Logistics Technology,Xiangyang 441002;2.HubeiYunshengAerospaceTechnology Co.,Ltd.,Xiangyang 441022,China)Abstract:Aiming at the problems of low information degree,high labor intensity and low operation efficiency in high-speed railway container stationmanagement,we put forward the method of integrating UWB and RFID technology in high-speed railway container station management,and gave the designscheme of UWB-RFID tag and vehicle read-write terminal.Using the RFID and UWB technology,we realized the automatic collection of container informationand the real-time positioning and management of the containers,staff and equipment of the container station,so as to coordinate and schedule the stationresources effectively and improve theoperationefficiencyandinformationmanagementcapacityof the high-speedrailwaystation.Keywords:high-speed railwaycontainer;stationmanagement;UWB;RFID0引言当前，我国已建成世界上最大规模的高速铁路网，随着我国“八纵八横”高铁网络加密成型，高铁运输在满足客运需求的同时，正逐步向高铁货运方向发展，国家 “十四五”现代物流发展规划 也提出了完善高铁快运线路和网络，推进高铁快运稳步发展的战略。高铁货运主要面向对时效性要求较高的高附加值货物，为保证货物运输的安全性和高铁车厢空间利用率，高铁货运主要通过集装器进行货物运输1。但由于缺乏配套的信息化管理手段，高铁集装器到达铁路货场后，其信息的采集、配载、装卸等流程大多依靠人力完成，不仅劳动强度大、出错率高，而且作业效率低下，不能充分发挥高铁货运时效性的优势2。目前，RFID识别和定位技术在铁路集装箱的管理中已有相关应用。王平，等3将RFID技术应用在铁路集装箱作业中，在集装车进出场站、装卸车和装拆箱时对货物信息进行读取和更新，加强了集装箱、货物和作业人的紧密关联。李丰4将基于RSSI算法的RFID定位技术应用于铁路集装箱识别定位管理中，提高了场站管理效率。彭其渊，等5提出了将RFID和北斗技术应用于集装箱管理的方法，对集装箱场站管理和运输过程进行优化改造研究，以实现对集装箱的实时定位追踪。严岩6将GPS和RFID定位技术相结合，实现流动机械设备的定位，利用位置信息对集装箱码头操作系统功能进行了提升，提高了作业效率，减少了人为因素的影响。陈宇微，等7设计了基于融合定位、图像识别及射频技术的集装箱海运安全系统，实现了集装箱在海运过程中的定位跟踪、信息采集和智能监测。李飞，等8将北斗差分定位技术应用于港口集装箱的管理中，对港口道路进行管控，为集卡行驶路径进行规划，提高了港口运行效率。-100网络与信息化RFID技术在铁路、港口虽然已有较多应用9，但大多仅限于集装箱的信息采集和资产管理，在铁路站场资源、设备的统一协调管理方面作用有限10。在高铁集装器铁路货场，既有室内区域又有室外区域，而GPS、北斗等GNSS系统的卫星信号不能穿透到建筑物的内部，无法对进入室内区域的集装器定位管理。在各类定位技术中，UWB技术利用纳秒级非正弦波窄脉冲传输数据，信号穿透能力强，对信道衰落不敏感，在室内环境中能够穿透墙壁和障碍物，实现厘米级的精确定位，可有效解决集装器在室内区域的定位管理问题11。基于此，本文将UWB定位技术和RFID射频识别技术融合应用于高铁集装器的货场管理中，利用RFID技术实现集装器在铁路货场的自动化信息采集，利用UWB高精度定位技术实现站场集装器、人员、设备的实时定位管理，从而实现货场资源的有效协调和智能调度，提高站场作业效率和资源利用率12，充分发挥高铁货运的时效性优势。1UWB与RFID技术1.1UWB定位技术UWB是一种无载波通信技术，在数据传输过程中不需要相应的载波信号，而是利用周期非常短的非正弦波窄脉冲来传输数据，其信号抗干扰能力强、定位距离大，系统结构实现比较简单，非常适合应用于室内定位系统中13。UWB定位系统主要由定位标签、定位基站和定位引擎三部分组成。定位基站布设在已知固定位置，并使得任意时刻都有4个基站能接受到标签发出的脉冲信号。定位标签向基站发送纳秒级脉冲信号，基站接收到脉冲信号后通过相关运算得到信号的定位测量信息，定位引擎根据基站坐标和测量信息，通过适当的定位算法即可计算出标签的准确位置14。在UWB的各种定位算法中，TDOA算法不需要在定位标签与定位基站之间进行往复通信，定位标签只需要发送一个广播报文，就可以实现高精度的定位15，系统功耗低、容量大、精度高，是解决站场集装器位置监测的有效手段。TDOA是通过基站和标签之间信号传输的时间差进行定位的双曲定位算法。UWB定位基站之间经时钟同步后，定位标签发送UWB信号时，不同基站接收到信号的时刻不同，选取一基站作为参考基站，其他基站接收信号时刻减去参考基站接收信号时刻，即得到到达时间差值（TDOA），根据多个基站之间的到达时间差值可建立一双曲线方程组，求解方程组即可得到多条双曲线的交汇点，即UWB标签的位置。TDOA定位原理如图1所示。基站2基站3基站1r1r2r3t1t2t3图1TDOA算法原理1.2RFID技术RFID技术是一种通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，实现数据快速信息交换与存储的技术。RFID系统主要由电子标签、读写器和后台系统组成。电子标签用来标识物体，读写器通过天线发送射频信号，当电子标签进入射频天线有效区域后被激活，读写器和标签通过无线电波进行双向数据交换，根据系统命令完成对电子标签的读写操作16。在高铁集装器的站场管理中，RFID技术可以用于对高铁集装器信息的无接触式快速信息采集和管理，可以有效提高工作效率，降低劳动强度，减少信息录入的错误率17。2系统架构本文将UWB和RFID技术融合设计了一种UWB-RFID标签和一种车载读写终端。系统首先将UWB定位基站布设在铁路货场室内和室外的固定位置，并确保任意时刻都有4个以上的定位基站能够接收到定位标签发送的脉冲信号15，之后在高铁集装器上绑定UWB-RFID标签，使集装器具有实时高精度定位功能且可实现对集装器信息的自动化采集，最后将集成有UWB定位标签、RFID读写器等功能的车载读写终端安装在集装器装运装备上，用于完成对集装器的信息自动化采集、转运装备的实时定位和与后台服务器的信息交互。基于UWB和RFID的高铁集装器货场管理系统架构如图2所示。Internet交换机UWB定位引擎防火墙服务器集装器场站管理系统UWB基站集装器图2基于UWB和RFID的高铁集装器货场管理系统架构通过UWB-RFID标签和车载读写终端系统可实现对铁路货场集装器、人员和设备的实时定位管理，从而有效协调系统资源，提高作业效率。2.1UWB-RFID标签UWB-RFID标签由主控制器、UWB定位模块、RFID射频模块和加速度传感模块18构成，绑定在高铁集装器上。UWB-RFID标签结构框图如图3所示。主控制器采用 STM32L151C6T6 低功耗微控制器，STM32L151C6T6芯片采用高性能Cortex-M3 32位RISC内核，具有5种低功耗模式，并集成有高速嵌入式存储器和多种外围通信接口，可以满足系统与UWB定位、RFID射频及刘斌，等：UWB和RFID技术在高铁集装器站场管理中的应用-101网络与信息化物流技术2023年第42卷第10期（总第445期）加速度模块的信息交互需求，并可以通过低功耗模式有效延长标签的续航性能。UWB定位模块采用DWM1000超宽带收发模组设计，DWM1000模块遵循802.15.4-2011协议，将天线、所有射频电路、电源管理和时钟电路集成在一个模块中，支持高达6.8Mbps的数据传输率，它使用了3.5Ghz-6.5Ghz的6个射频频段，支持100kbps、850kbps、6.8Mbps的数据速率，并且可以在多径环境下进行处理，所以可在高反射的环境下应用，支持TWR或TDOA定位系统，定位精度可以达到10cm。RFID射频模块采用中心频率为2.4GHz的CC2500射频芯片，射频收发器集成有高度可配置的调制解调器，并具有可配置的数据速率高达500kbps19。CC2500可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示、空闲信道评估（CCA）、链路质量指示以及无线唤醒（WOR）的硬件支持。加速度传感模块采用基于 VTI 3D-MEMS 技术的SCA3060三轴加速度传感器，测量范围2g，具有运动检测触发中断信号功能，SPI时钟频率支持325kHz，用于检测集装器的运动状态。UWB-RFID标签主控制器通常处于低功耗模式，加速度传感器在检测到集装器处于运动状态时将主控制器唤醒，主控制器启动UWB定位模块，向定位基站周期性发送脉冲信号。定位基站将UWB定位信号发送至定位引擎，通过TDOA算法完成对集装器的定位。在加速度传感器检测到集装器由运动状态过渡到停止状态时，延时发送UWB定位信号一段时间后，停止UWB定位脉冲的发射，并将UWB定位模块和主控制器设置为低功耗模式。RFID射频模块实现有源电子标签的功能，具有唯一ID码，用于标识集装器和存储集装器货物信息12，通常处于SLEEP状态，通过WOR功能周期性侦听空间信号，侦听接收到数据包后，将主控制器唤醒，从而与RFID读写器建立通信，进行数据传输。2.2车载读写终端受高铁车厢规格尺寸限制，高铁集装器体积不大，载重量在1t左右，转运装备主要以叉车为主。车载读写终端主要安装在货场叉车上，由主控制器、UWB定位模块、RFID射频模块、称重模块、无线通信模块和显示模块构成。车载读写终端安装示意图如图4所示。主 控 制 器 使 用 STM32F429 高 性 能 微 控 制 器，STM32F429基于高性能Cortex-M4 32位RISC内核，集成有支持双层图形的LCD-TFT控制器接口和丰富的通信接口，在满足系统与UWB、RFID及称重模块信息交互需求的同时，可直接驱动显示模块显示相关采集数据信息和作业过程信息。UWB定位模块采用DWM1000超宽带收发模组设计，周期性的向定位基站发送定位脉冲信号，主要负责对转运叉车的实时定位。RFID射频模块采用CC2500射频芯片，设置为RFID读写器模式，主要用于射频信号的发射，读取UWB-RFID标签中RFID标签的信息，读写距离考虑货叉长度、作业距离、标签误读等情况，设置为1.5m左右，保证既能准确读取待转运集装器信息，又可以避免对其他集装器信息的误采集。称重模块主要安装在叉车的提升装置处，将集装器重量信息经称重传感器转换为电压信号，经滤波、运放处理后，通过A/D模块转换为数字信号，传输至主控制器处理，主控制器经过计算将信号转化为集装器实际重量。无线通信模块用于和后台服务器的连接，负责将采集的集装器信息传送至服务器，并接收服务器发送至车载终端的作业信息。显示模块主要用于显示集装器重量、定位信息和后台服务器发送的作业信息。车载读写终端结构框如图5所示。主控制器电源模块UWB定位模块RFID射频模块存储模块称重模块无线通信模块显示模块图5车载读写终端结构框图3高铁集装器站场管理高铁集装器在铁路站场的管理主要分为集装器入场管理、智能配载管理和出场管理3个部分。在集装器上配置UWB-RFID标签，使集装器具备了信息自动采集和实时定位功能。在转运装备上配置车载读写终端，使转运装备具备了RFID标签识别、高精度实时定位和集装器重量实时感知的功能。UWB和RFID技术的应用可以有效提高集装器在铁路站场的管理效率。3.1入场管理待入场集装器到达站场入口后，后台服务器首先根据集装器货物信息给集装器分配暂存货位，然后根据转运装备的实时位置信息，将集装器和暂存货位信息发送至相应的转运装备读写终端。读写终端在读取到集装器RFID标签信息后，自动与服务器发送的待入场信息进行比对，若RFID标签信息和服务器发送信息不符，则在读写终端生成货物异常信息提示。若比对信息一致，将称重模块感知的重量信息与待入场集装器绑定，并发送至后台服务器。之后由读写终端根据转运装备UWB定位信息和集装器暂存主控制器电源模块UWB定位模块加速度传感模块RFID射频模块存储模块图3UWB-RFID标签结构框图称重单元读写终端图4车载读写终端安装示意图-102网络与信息化货位信息自动规划最佳导航路线，将集装器转运至暂存货位，读写终端在感知到重量信号消失时，自动比对集装器位置信息是否与分配的暂存货位一致，若信息不一致，则读写终端提示集装器暂存位置异常信息，若信息一致，则读写终端向后台服务发送转运结束信息，由后台服务器向装运装备分配其他作业任务。集装器入场流程如图6所示。分配暂存货位准备入场入场完成发送信息至转运装备转运装备导航至入口读取集装器货物信息信息比对无误？采集重量信息异常信息提示绑定集装器重量信息导航至暂存货位异常信息提示货位比对正确？是否是否图6集装器入场流程3.2配载管理货运高铁运行速度快，对车厢内的载荷分布有严格的要求，过多的偏载会导致列车运行的不稳定，容易产生运营安全隐患，同时货运列车运行区间存在多站点装卸货物的需求，需要根据货物的装卸站点进行综合性配载。高铁集装器在装车前由后台服务器根据集装器类别、重量、到达站点等信息制定集装器优化装载计划，在保证高铁车厢配载均衡的基础上满足各个站点高效快速装卸的要求。配载计划制定后，由后台服务器按照配载计划将任务信息发送至转运装备读写终端，读写终端根据转运装备和待配载集装器位置规划最佳导航路线，引导转运装备到达待配载集装器处，经读写终端采集的RFID标签、UWB定位、重量感知信息比对集装器货物、货位、重量无误后，读写终端将转运装备导航至待装车区域，按照配载计划完成装车准备。集装器配载管理如图7所示。制定配载计划配载准备发送信息至转运装备导航转运装备至集装器货物、货位、重量信息比对信息比对无误？导航至待装车区异常信息提示是否图7集装器配载管理3.3出场管理集装器出场时，后台服务器首先根据转运装备的实时位置信息将待出场集装器信息发送至相应的转运装备读写终端，读写终端根据转运装备和待出场集装器暂存位置，将转运装备导航至待出场集装器处，经读写终端采集的RFID标签、UWB定位、重量感知信息比对集装器货物、货位、重量无误后，将集装器导航至货场出口处，完成集装器出场作业，并向后台服务器发送集装器出场完成信息，后台服务器向转运装备分配其他作业任务。集装器出场流程如图8所示。发送信息至转运装备准备出场导航转运装备至集装器货物、货位、重量信息比对信息比对无误？导航至出货区异常信息提示是否图8集装器出场流程4结语高铁货运运输条件稳定，时效性高，可以很好地保障物流运输的时效性和安全性，必然会成为未来物流发展的趋势。本文针对高铁集装器在铁路站场管理中信息化、自动化程度较低，劳动强度大、作业效率低等问题，将UWB定位技术和RFID射频识别技术融合设计了一种UWB-RFID标签和车载读写终端，可以实现对高铁集装器信息的无接触式快速信息采集和对站场资源、设备的实时监测和跟踪，通过智能调度优化可以有效提高站场的运行效率、资源利用率和安全管理水平，充分发挥高铁货运快速、高效的优势。参考文献1苑丰彪,杨君,帅园园.基于物联网技术的货运动车组货物运输管理应用研究J.铁道机车与动车,2018(5):42-43,46.2刘斌,王锋,李志海,等.基于标准化集装器的高铁货运与城配联运信息化平台构建J.物流技术,2023,42(7):111-115.3王平,秦鸣夏.RFID在铁路集装箱场站中的应用J.电子设计工程,2016,24(11):141-143.4李丰.基于RFID的铁路集装箱识别定位技术的研究和应用D.成都:西南交通大学,2018.5彭其渊,王翔,陶思宇,等.基于RFID和北斗技术的铁路集装箱管理系统智能化改进J.物流技术,2016,35(8):79-83.6严岩.集装箱码头GPS和RFID定位技术的开发与应用D.成都:电子科技大学,2013.7陈宇微,韩锐,王嘉慧,等.基于融合定位的集装箱海运安全系统研究J.电视技术,2022,46(10):4-7.8李飞,董辉,布少聪.北斗定位技术在集装箱码头智能调度中的应用J.港口科技,2021(12):16-20.9陈香莲.RFID技术在现代港口集装箱运输组织中应用分析探讨J.物流工程与管理,2018,40(12):69-70.10 杨文韬,吴昊,张岩,等.铁路集装化器具追踪技术及管控系统研究J.铁道货运,2017,35(12):23-29,44.11 卢冬霞.超宽带无线通信技术在智能铁路中的应用研究J.铁路通信信号工程技术,2020,17(12):30-33.（下转第109页）刘斌，等：UWB和RFID技术在高铁集装器站场管理中的应用-103网络与信息化形式的标签数据。多层感知器（MLP）是非线性的网络模型，其中决定其非线性本质的是每层的激活函数，激活函数有很多种，本文采用比较常用的ReLu函数和sigmoid函数，其中sigmoid函数是输出层的激活函数，可以在计算损失时利用交叉熵损失来优化更新模型。针对特征选择层，本文利用L1-稀疏范数来确定重要因素，目标函数定义如下：J()W,y=-1ni=1nyilogyi+|w01其中，W是多层感知器（MLP）的所有参数，包括特征选择层的参数以及输入层、隐藏层和输出层的参数；w0仅仅是特征选择层的参数，这部分参数的目的是选出重要特征，相当于给原始特征增加一个权重，原始特征需要与权重相乘，才能送入多层感知器（MLP）中，重要影响因素的权重值在训练模型时会远远大于无关因素的权重值，这样在送入后续的分类网络后，重要因素与无关因素对模型的影响力就有了明显区分，重要因素对分类模型的影响力较大，而无关因素或噪声因素对模型的影响就很小或接近于0，从而提升车货匹配的正确性。3实验结果分析本文从匹配准确度和匹配效率两个方面对基于深度特征选择模型的车货匹配算法进行分析，并与基于半马尔科夫的车货匹配算法进行了对比。实验采用安徽共生物流科技有限公司的历史订单数据，人为复核后保留合理匹配方案用于模型训练，并从是否是最优匹配方案、是否是能完成运输需求的匹配方案和完成匹配所需时间三个角度定量对基于半马尔科夫和基于深度特征选择模型的车货匹配算法进行对比分析，具体结果见表3。表3基于半马尔科夫和基于深度特征选择模型的车货匹配算法实验对比结果算法类型基于半马尔科夫的车货匹配算法基于深度特征选择模型的车货匹配算法最优匹配方案占比（%）94.3296.14能完成运输需求的匹配方案占比（%）98.86100完成匹配所需时间（s）3.21.4从实验数据不难看出，基于深度特征选择模型的车货匹配算法能够更好地服务于车货双方，在保证正确匹配方案的同时，所需的匹配时间远远低于传统的车货匹配算法，在车货匹配信息平台中能够更好地服务用户，减少社会资源的浪费。4结语本文针对“一对多”车货匹配问题，分析了目前车货匹配信息平台中存在的车货信息不对称和不能实时进行车货匹配等问题，提出了一种新的基于深度特征选择模型的车货匹配算法。以目前已有的大量、合适的历史订单数据为基础，以多层感知器（MLP）为基础模型，通过增加特征选择层的方式增强重要因素的影响力，减少无关因素的影响力，以达到提高匹配正确度的目的，最终得到一个基于深度特征选择模型的车货匹配算法。最后将其与传统的基于半马尔科夫的车货匹配算法在匹配准确度和匹配时间效率两个方面进行比较，实验结果表明，基于深度特征选择模型的车货匹配算法在匹配准确度和匹配效率上均明显优于传统的基于半马尔科夫的车货匹配算法。参考文献1邴聪.公路干线货运中的车货匹配研究D.杭州:浙江理工大学,2018.2胡觉,邴聪,韩曙光.基于TS算法的公路干线货运平台车货匹配研究J.浙江理工大学学报,2018(5):478-486.3侯景瑞.基于改进遗传算法的车货动态配载模型研究与设计D.合肥:合肥工业大学,2018.4牟向伟，陈燕,等.基于改进量子进化算法的车货供需匹配方法研究J.中国管理科学,2016(12):166-176.5余以胜,刘鑫艳.基于改进Balance算法的车货匹配研究J.武汉理工大学学报,2016(10):47-54.6傅怡.基于改进蚁群算法的货运物流平台车货匹配优化方法D.合肥:合肥工业大学,2020.7邢鹏.基于云平台的多配送中车辆调度问题研究D.北京:北京交通大学,2013.图2车货匹配网络结构图12 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