专利名称：集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统以及方法
技术领域：
本发明涉及一种状态感知与定位系统以及方法，特别是涉及一种采用了 RFID复合传感器、射频定位和无线网络等技术，能够实现对集装箱港口全部集卡车辆、车载集装箱或装卸设备等进行自动的动态感知和定位管理的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统以及方法。
背景技术：
在集装箱港口内，专用集装箱卡车(以下简称集卡)是集装箱堆场中运行灵活、数量最大、作业工况复杂的机械设备，因此要使码头设备合理高效的工作，必须首先解决集卡动态识别和调度的问题。
集装箱港口集装箱运输包含进口作业和出口作业两个流程，而这两个物流作业流程都离不开集卡和装卸机械。目前，一些大型集装箱港口采用GPS和无线通讯等技术实现了对港区内集卡和装卸机械的动态识别和调度管理。基于GPS和无线通讯的集卡调度系统(TPS)的广泛使用提高了集卡的效率，但是由于外来集卡车辆不可能安装兼容的GPS模块和无线通讯系统，因此，难于采用类似的方法对外部集卡车辆进行动态感知和调度管理，另夕卜，采用GPS技术的TPS系统也存在着受天气和遮挡情况影响较大，体积大、成本高、系统运行维护不便等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种采用了 RFID复合传感器、射频定位和无线网络等技术，成本低，维护方便，能够实现对集装箱港口全部集卡车辆、车载集装箱或装卸设备等进行自动的动态感知和定位管理，同时能避免采用单纯无线传感网络定位技术需要依赖复杂定位算法的缺点，同时也克服了基于GPS和无线通讯技术进行车辆感知中存在的各种局限的集装箱港口车辆运彳丁状态感知与定位系统。本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，所述系统包括内部集卡、RFID复合传感节点、外部集卡、智能无线节点、通讯链路、车辆监控调度服务器，装有集装箱的集装箱船位于海岸上，集装箱船与大海之间安装有岸桥，内部集卡安装在岸桥上，外部集卡安装在大海上且RFID复合传感节点可以覆盖的区域内，出港道口，入港道口，场桥，智能无线节点，通讯链路，车辆监控调度服务器，出港道口是外部集卡车辆离开集装箱港口的出口，入港道口是外部集卡车辆进入集装箱港口的入口，智能无线节点、通讯链路和车辆监控调度服务器均位于海岸上。在本发明的具体实施例中，所述RFID复合传感节点包括RFID阅读器、RFID天线、车辆检测器、射频发射器和射频天线，RFID复合传感节点安放在港区道路交叉口的正上方，完成车辆的感知定位，相邻的多个RFID复合传感节点互为邻居节点，在节点通讯半径内，中继其它节点的无线通讯信号。在本发明的具体实施例中，所述RFID复合传感节点根据车辆监控与定位的具体需要，可以在所述系统的堆场部分或全部交叉点上安装。在本发明的具体实施例中，所述RFID复合传感节点包括RFID阅读器、RFID天线、车辆检测器、射频发射器和射频天线，RFID复合传感节点安放在港区道路交叉口的正上方，完成车辆的感知定位，相邻的多个RFID复合传感节点互为邻居节点，在节点通讯半径内，中继其它节点的无线通讯信号。在本发明的具体实施例中，所述智能无线节点是一种无线通讯节点，所述智能无线节点包括无线接收器、射频解码器、数据处理器、数据发送器和通讯接口，所述智能无线节点收集汇聚各个RFID复合传感节点传递来的信息，将这些信息进行汇聚分析，然后通过通讯链路发送到车辆监控调度服务器进行处理。在本发明的具体实施例中，所述通讯链路为网络通讯方式，所述通讯链路为有线或无线链路，完成数据传输。在本发明的具体实施例中，所述车辆监控调度服务器为一台或多台计算机系统， 运行着车辆感知、定位、监控调度程序，它通过通讯链路与智能无线节点相连接，可以对智能无线节点传来的车辆感知信息进行实时处理计算，得到感知区域内的全部车辆的运行状态，进而给港口车辆运行调度提供依据。一种利用集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统感知与定位的方法，所述方法包括如下步骤(I)、将多个RFID复合传感节点以一定间距的网格形态分布在集装箱口作业区域的交叉路口，形成了一个覆盖集装箱码头作业场地的车辆感知区域，每个RFID复合传感节点均有独立的编号和确定的位置；(2)、多个RFID复合传感节点中的一个的全向RFID天线用于在特定的条件下检测车载集装箱RFID卡信息，具有独立地址编号的四个定向RFID天线分别对准四个车道方向，用于检测识别每个车道上车辆正面的RFID卡信息，然后进行定位计算；车辆检测器用于判断某个方向驶来的车辆是否进入该节点，然后打开全向RFID天线读取车载集装箱的RFID卡信息；所有RFID天线和车辆检测器感知的信息均通过射频发射器进行调制后，经过射频天线发送到智能无线节点，然后再经过通讯链路传送到车辆监控调度服务器进行处理，每个RFID复合无线传感节点既可以感知定位外部集卡车辆的运行状况，也可以感知定位内部集卡车辆的运行状况；构成车辆运行状态感知与定位系统的多个RFID无线传感节点是以网格形态配置在集装箱码头的，港区内传感网络的所有网格节点都进行唯一编号，以进行车辆位置感知和定位；在本发明的具体实施例中，采用控制中心定位方式进行车辆实时感知与定位，即各个RFID复合无线传感节点将侦测到的集卡信息通过智能节点和通讯链路传送到车辆监控调度服务器，由车辆监控调度服务器统一进行车辆定位计算，并绘制车辆动态地图。在本发明的具体实施例中，车辆运行状态的感知定位方法如下当某集卡在港区内集卡车道上运行时，集卡车辆前面的无源RFID标签就会朝向某一个RFID复合传感节点，该复合传感节点的阅读器向该集卡的RFID标签发送连续定位信号，根据发射信号与接收信号的时间差变化，或者利用接收到RFID卡信号的功率变化来判断该集卡与这个节点的距离；这些距离定位算法将编制成软件程序，并在车辆监控调度服务器上运行计算；若该集卡的RFID信号消失，说明该集卡行驶方向发生改变，则其它RFID复合传感节点将会侦测到该集卡的运行情况；若该集卡与RFID复合传感节点距离非常接近，并被RFID复合传感节点的车辆检测器感知到，说明该集卡到达该节点所在的位置，并将驶向其它方向，此时，RFID复合传感节点的全向RFID天线开启，将会读取该集卡所搭载集装箱上的有源RFID卡的信息，然后通过智能节点和通讯链路，将该集卡搭载的集装箱信息发给车辆监控调度服务器。本发明的积极进步效果在于本发明提供的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统具有以下优点本发明涉及的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统采用了包含RFID在内的复合传感器网络，不需要在集卡车辆上安装GPS模块和复杂的无线终端设备，它可以将传感信息通过无线网络发送给TPS进行处理，也可以利用无线传感网络将TPS的 调度指令以可视化的方式发送给特定的集卡车辆，可以方便地实现对港区内所有集卡车辆及其负载情况进行动态感知和监控。
图I为本发明的集装箱港口集卡车辆运行状态感知与定位系统示意图。图2为本发明的RFID复合无线感知节点组成示意图。图3为本发明的车辆运行状态无线感知网络拓扑图。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。图I为本发明的集装箱港口集卡车辆运行状态感知与定位系统示意图。如图I所示集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统由包含RFID传感器在内的复合传感器节点、智能无线节点、通讯链路和车辆监控调度服务器等组成。附图I为集装箱港口集卡车辆运行状态感知与定位系统示意图，其中，I为海岸，2为集装箱货船，3为集装箱，4为内部集卡，
5为岸桥，6为RFID复合传感节点，7为集卡车道，8为车辆行驶方向，9为外部集卡，10为出港道口，11为入港道口，12为场桥，13为智能无线节点，14为通讯链路，15为车辆监控调度服务器。系统部分单元的组成功能说明如下RFID复合传感节点6 :是由RFID阅读器、RFID天线、车辆检测器、射频发射器和射频天线组成的一种自治信息感知装置。它安放在港区道路交叉口的正上方，完成车辆的感知定位。相邻的多个RFID复合传感节点互为邻居节点，即在节点通讯半径内，中继其它节点的无线通讯信号。出港道口 10是外部集卡车辆离开集装箱港口的出口。不同的集装箱港口出港道口的位置不同，但都由若干集卡车道组成，每根集卡车道上均安装有基于RFID的车辆信息检测装置。入港道口 11是外部集卡车辆进入集装箱港口的入口。不同的集装箱港口入港道口的位置不同，但都由若干集卡车道组成，每根集卡车道上均安装有基于RFID的车辆信息检测装置。场桥12是指集装箱堆场桥式吊车，是一种移动作业设备。它安放于集装箱堆场(如附图I所示)，每个集装箱堆场根据需要可以配置若干台场桥设备，用于将堆场的集装箱吊运至集卡，或将集卡上的集装箱堆放在堆场的相应位置。智能无线节点13 :是一种无线通讯节点，由无线接收器、射频解码器、数据处理器、数据发送器和通讯接口等部分组成。它收集汇聚各个RFID复合传感节点传递来的信息，将这些信息进行汇聚分析，然后通过无线链路发送到车辆监控调度服务器进行处理。通讯链路14 :是某种网络通讯方式，可以选择有线或无线链路，完成数据传输。车辆监控调度服务器15 :是一台或多台计算机系统，运行着车辆感知、定位、监控调度程序，它通过通讯链路与智能节点相连接，可以对智能节点传来的车辆感知信息进行实时处理计算，得到感知区域内的全部车辆的运行状态，进而给港口车辆运行调度提供依据。 多个RFID复合传感节点以一定间距的网格形态分布在集装箱口作业区域的交叉路口(如图I所示)，形成了一个覆盖集装箱码头作业场地的车辆感知区域。每个RFID复合无线传感节点均有独立的编号和确定的位置。每个RFID复合无线传感节点的组成结构如图2所示，其中，一个全向RFID天线用于在特定的条件下检测车载集装箱RFID卡信息，具有独立地址编号的四个定向RFID天线分别对准四个车道方向，用于检测识别每个车道上车辆正面的RFID卡信息，然后进行定位计算；车辆检测器用于判断某个方向驶来的车辆是否进入该节点，然后打开全向RFID天线读取车载集装箱的RFID卡信息(如果有车载集装箱时)；所有RFID天线和车辆检测器感知的信息均通过射频发射器进行调制后，经过射频天线发送到智能无线节点13，然后再经过通讯链路14传送到车辆监控调度服务器15进行处理。每个RFID复合无线传感节点既可以感知定位外部集卡车辆的运行状况，也可以感知定位内部集卡车辆的运行状况。构成车辆运行状态感知与定位系统(如图I所示)的多个RFID无线传感节点是以网格形态配置在集装箱码头的。图3是基于RFID无线传感器的车辆状态无线感知网络拓扑图。其中，实心点位置表示安放了 RFID复合无线传感节点，空心点位置表示没有安放RFID复合无线传感节点。港区内传感网络的所有网格节点都进行唯一编号，以进行车辆位置感知和定位。本系统采用控制中心定位方式进行车辆实时感知与定位，即各个RFID复合无线传感节点将侦测到的集卡信息通过智能节点和通讯链路传送到车辆监控调度服务器15，由服务器15统一进行车辆定位计算，并绘制车辆动态地图。车辆运行状态的感知定位方法如下当某集卡在港区内集卡车道7上运行时，集卡车辆前面的无源RFID标签就会朝向某一个RFID复合传感节点，该复合传感节点的阅读器向该集卡的RFID标签发送连续定位信号，根据发射信号与接收信号的时间差变化(T0A法)，或者利用接收到RFID卡信号的功率变化(RSSI法)来判断该集卡与这个节点的距离。这些距离定位算法将编制成软件程序，并在车辆监控调度服务器15上运行计算。若该集卡的RFID信号消失，说明该集卡行驶方向发生改变，则其它RFID复合传感节点将会侦测到该集卡的运行情况；若该集卡与RFID复合传感节点距离非常接近，并被RFID复合传感节点的车辆检测器感知到，说明该集卡到达该节点所在的位置，并将驶向其它方向，此时，RFID复合传感节点的全向RFID天线开启，将会读取该集卡所搭载集装箱上的有源RFID卡的信息，然后通过智能节点13和通讯链路14，将该集卡搭载的集装箱信息发给车辆监控调度服务器15。
本发明涉及的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统(參见附图1、3)，其具体工作过程如下由于集卡车辆在传感网格区域内的感知定位方法类似，因此，仅以传感区域一段区间内车辆运行时的感知定位过程为例加以说明。例如，当某集卡车辆(内部集卡4或外部集卡9)从节点N21向节点N22方向行驶时(如图3所示)，此时RFID复合传感节点N22就会检测到该车辆前部的无源RFID标签，于是向其连续发射定位射频信号，并记录返回的信号功率变化或者返回的射频信号的时间，同时将这些信息通过智能节点13 (如图I)实时传送到车辆监控调度服务器15，采用TOA或RSSI算法进行车辆定位计算，从而得到该车辆的实时速度和位置等信息。当该车辆行驶到RFID复合传感节点N22吋，N22的车辆检测器将会感知该车辆得到达，同时将通过全向RFID天线识别该集卡车辆的集装箱信息，若获得集装箱的有源RFID卡信息，则将该信息传送到车辆监控调度服务器进行记录管理，否则，说明该集卡车辆可能没有装载集装箱，或者集装箱上没有安装有源RFID卡。当该集卡车辆越过节点N22继续向节点N23方向行驶时，N22将不能检测到该集 卡的RFID信息，此时RFID复合无线传感节点N24将检测到该集卡的信息并采用与上述相同的方法进行车辆的感知与定位计算。这样整个传感区域内的车辆都能够被感知与定位，从而实现集装箱港口车辆运行状态的实时监控。在实际应用中，本发明涉及的车辆感知与定位系统中的RFID复合无线传感节点的数量和布置方式可以根据实际情况进行选择，比如，可以在每个网格节点上都安装ー个传感节点，也可以按照图3所示方式布置节点。每个RFID复合无线传感节点在布置前需要精确校准，以保证感知能力一致。另外，由于整个感知区域内车辆较多，而且车辆行驶方向各异，为了保证车辆RFID信息感知的准确性，每个的RFID阅读器要求具有防碰撞功能。由于室外无线传感器的精度会受到天气的影响，因此，系统每次使用时需要以基准传感节点的数据为标准对传感定位计算进行校正，以提高车辆感知定位的准确性。本发明采用了包含RFID在内的复合传感器网络，不需要在集卡车辆上安装GPS模块和复杂的无线终端设备，它可以将传感信息通过无线网络发送给TPS进行处理，也可以利用无线传感网络将TPS的调度指令以可视化的方式发送给特定的集卡车辆，可以方便地实现对港区内所有集卡车辆及其负载情况进行动态感知和监控。本发明涉及的集装箱港ロ车辆运行状态感知与定位系统与现有的基于GPS技术的车辆定位系统相比，具有结构简単，成本低廉，安装使用方便，定位准确，易于维护等优点，同时不受天气状况的影响，能够有效解决集装箱港口集卡车辆运行状态实时监控的问题。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
权利要求
1.一种集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述系统包括内部集卡(4)、RFID复合传感节点(6)、外部集卡(9)、智能无线节点(13)、通讯链路(14)、车辆监控调度服务器(15)，装有集装箱(3 )的集装箱船(2 )位于海岸(I)上，集装箱船(2 )与大海之间安装有岸桥(5)，内部集卡(4)安装在岸桥(5)上，外部集卡(9)安装在大海上且RFID复合传感节点(6)可以覆盖的区域内，出港道口(10)，入港道口(11)，场桥(12)，智能无线节点(13)，通讯链路(14)，车辆监控调度服务器(15)，出港道口(10)是外部集卡车辆离开集装箱港口的出口，入港道口( 11)是外部集卡车辆进入集装箱港口的入口，智能无线节点(13)、通讯链路(14)和车辆监控调度服务器(15)均位于海岸(I)上。
2.根据权利要求I所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述RFID复合传感节点(6)包括RFID阅读器、RFID天线、车辆检测器、射频发射器和射频天线，RFID复合传感节点(6)安放在港区道路交叉口的正上方，完成车辆的感知定位，相邻 的多个RFID复合传感节点互为邻居节点，在节点通讯半径内，中继其它节点的无线通讯信号。
3.根据权利要求2所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述RFID复合传感节点(6)根据车辆监控与定位的具体需要，可以在所述系统的堆场部分或全部交叉点上安装。
4.根据权利要求I所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述RFID复合传感节点(6)包括RFID阅读器、RFID天线、车辆检测器、射频发射器和射频天线，RFID复合传感节点(6)安放在港区道路交叉口的正上方，完成车辆的感知定位，相邻的多个RFID复合传感节点互为邻居节点，在节点通讯半径内，中继其它节点的无线通讯信号。
5.根据权利要求I所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述智能无线节点(13)是一种无线通讯节点，所述智能无线节点(13)包括无线接收器、射频解码器、数据处理器、数据发送器和通讯接口，所述智能无线节点(13)收集汇聚各个RFID复合传感节点(6)传递来的信息，将这些信息进行汇聚分析，然后通过通讯链路(14)发送到车辆监控调度服务器(15)进行处理。
6.根据权利要求I所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述通讯链路(14)为网络通讯方式，所述通讯链路(14)为有线或无线链路，完成数据传输。
7.根据权利要求I所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统，其特征在于所述车辆监控调度服务器(15)为一台或多台计算机系统，运行着车辆感知、定位、监控调度程序，它通过通讯链路(14)与智能无线节点(13)相连接,可以对智能无线节点(13)传来的车辆感知信息进行实时处理计算，得到感知区域内的全部车辆的运行状态，进而给港口车辆运行调度提供依据。
8.一种利用权利要求1-7所述的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统感知与定位的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤 (1)、将多个RFID复合传感节点(6)以一定间距的网格形态分布在集装箱口作业区域的交叉路口，形成了一个覆盖集装箱码头作业场地的车辆感知区域，每个RFID复合传感节点(6)均有独立的编号和确定的位置； (2)、多个RFID复合传感节点(6)中的一个的全向RFID天线用于在特定的条件下检测车载集装箱RFID卡信息，具有独立地址编号的四个定向RFID天线分别对准四个车道方向，用于检测识别每个车道上车辆正面的RFID卡信息，然后进行定位计算；车辆检测器用于判断某个方向驶来的车辆是否进入该节点，然后打开全向RFID天线读取车载集装箱的RFID卡信息；所有RFID天线和车辆检测器感知的信息均通过射频发射器进行调制后，经过射频天线发送到智能无线节点(13)，然后再经过通讯链路(14)传送到车辆监控调度服务器(15)进行处理，每个RFID复合无线传感节点既可以感知定位外部集卡车辆的运行状况，也可以感知定位内部集卡车辆的运行状况；构成车辆运行状态感知与定位系统的多个RFID无线传感节点(6)是以网格形态配置在集装箱码头的，港区内传感网络的所有网格节点都进行唯一编号，以进行车辆位置感知和定位。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于采用控制中心定位方式进行车辆实时感知与定位，即各个RFID复合无线传感节点将侦测到的集卡信息通过智能节点和通讯链路传送到车辆监控调度服务器(15)，由车辆监控调度服务器(15)统一进行车辆定位计算，并 绘制车辆动态地图。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于车辆运行状态的感知定位方法如下 当某集卡在港区内集卡车道(7)上运行时，集卡车辆前面的无源RFID标签就会朝向某一个RFID复合传感节点，该复合传感节点的阅读器向该集卡的RFID标签发送连续定位信号，根据发射信号与接收信号的时间差变化，或者利用接收到RFID卡信号的功率变化来判断该集卡与这个节点的距离；这些距离定位算法将编制成软件程序，并在车辆监控调度服务器(15)上运行计算；若该集卡的RFID信号消失，说明该集卡行驶方向发生改变，则其它RFID复合传感节点将会侦测到该集卡的运行情况；若该集卡与RFID复合传感节点距离非常接近，并被RFID复合传感节点的车辆检测器感知到，说明该集卡到达该节点所在的位置，并将驶向其它方向，此时，RFID复合传感节点的全向RFID天线开启，将会读取该集卡所 搭载集装箱上的有源RFID卡的信息，然后通过智能节点(13)和通讯链路(14)，将该集卡搭载的集装箱信息发给车辆监控调度服务器(15)。
全文摘要
本发明涉及一种集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统以及方法，本发明采用了包含RFID在内的复合传感器网络，不需要在集卡车辆上安装GPS模块和复杂的无线终端设备，它可以将传感信息通过无线网络发送给TPS进行处理，也可以利用无线传感网络将TPS的调度指令以可视化的方式发送给特定的集卡车辆，可以方便地实现对港区内所有集卡车辆及其负载情况进行动态感知和监控。本发明涉及的集装箱港口车辆运行状态感知与定位系统与现有的基于GPS技术的车辆定位系统相比，具有结构简单，成本低廉，安装使用方便，定位准确，易于维护等优点，同时不受天气状况的影响，能够有效解决集装箱港口集卡车辆运行状态实时监控的问题。
文档编号G08G1/01GK102682620SQ20121016383
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者徐为民, 褚建新, 顾伟 申请人:上海海事大学