Повышение эффективности грузовых операций путем применения системы RFID-мониторинга для судна типа "контейнеровоз"

2.2.3 RFID. Описание, работа, место среди других СИД

В технологии радиочастотной идентификации (radio frequency identification, RFID) используются радиоволны для автоматической идентификации физических объектов (как живых существ, так и неодушевленных предметов). Следовательно, диапазон объектов, которые могут идентифицироваться с помощью RFID, охватывает практически все на планете (и за ее пределами). Таким образом, RFID является примером технологии автоматической идентификации (automatic identification, Auto-ID), с помощью которой можно идентифицировать физический объект. Другие примеры Auto-ID -- это штрих коды, биометрические методы (например, использование отпечатков пальцев и сканирование сетчатки глаза), идентификация голоса и системы оптического распознавания символов (optical character recognition, OCR).

RFID-система - это составляющий единое целое набор компонентов, реализующий какое-либо RFID-решение. RFID-система состоит из набора компонентов (представленных в одном экземпляре), рассматриваемых в виде сквозной (end-to-end) среды. Перечислим вначале основные элементы каждой RFID системы и в дальнейшем рассмотрим их подробнее

1. Метка.

2. Ридер.

3. Антенна ридера.

4. Контроллер.

5. Система сервера, ПО и коммуникации

Рис. 2.5 - Общая схема действия RFID-системы

Метка (tag) RFID - это устройство, способное хранить данные и передавать их ридеру бесконтактным способом с помощью радиоволн. Это обязательный компонент любой RFID-системы.

Активная метка - содержит в себе элемент питания для передачи данных ридеру. В нашем случае встроенный источник питания неудобен, тк срок его службы ограничен несколькими месяцами, а замена его трудоемка.

В активных RFID-метках имеется внутренний источник питания (например, химическая батарея; но возможны и другие источники -- такие, как солнечная батарея) и электроника для выполнения специализированных задач. В активной метке используется свой внутренний источник питания для передачи данных метки ридеру. Для передачи данных не требуется излучаемой ридером энергии. Встроенная электроника может содержать микропроцессоры, датчики и порты ввода-вывода, получающие питание от внутреннего источника. Поэтому, например, такие компоненты могут измерять температуру окружающей среды и вырабатывать информацию о средней температуре. Эти компоненты затем могут использовать полученную информацию для определения других параметров - скажем, срока годности товара, на котором они находятся. Затем метка может передавать эту информацию ридеру (вместе со своим уникальным идентификатором). Активную метку можно представить себе как компьютер с беспроводной связью, обладающий дополнительными свойствами (характерными, например, для датчика или набора датчиков). В обмене информацией от метки к ридеру при таком типе метки связь всегда инициируется меткой с последующим участием ридера. Так как для передачи данных присутствие ридера не является обязательным, то активная метка может транслировать данные в окружающую среду даже при отсутствии ридера. Активная метка такого типа, непрерывно передающая данные при наличии ридера и при его отсутствии, также называется передатчиком. В другом типе активной метки предусмотрен переход в спящее состояние, или состояние малой мощности, если нет запроса от ридера. Ридер выводит такую метку из спящего состояния, посылая соответствующую команду. Такое состояние экономит энергию батареи, и поэтому метка такого типа, как правило, имеет более продолжительный срок службы по сравнению с активной меткой-передатчиком. Кроме того, так как метка ведет передачу только при запросе, то уровень радиочастотных помех в окружающей ее среде снижается. Этот тип активной метки называется передатчиком-приемником (или приемопередатчиком). Как вы могли понять из выше изложенного, некорректно называть все метки приемопередатчиками.

Расстояние считывания активной метки может составлять 100 футов (около 30,5 м) и более при использовании активного передатчика такой метки.

Активная метка состоит из следующих компонентов:

*Микрочипа. Размеры и функциональные возможности микропроцессора обычно превышают подобные параметры микрочипов пассивных меток.

*Антенны. Она может иметь вид радиочастотного модуля, который может передавать сигналы метки и принимать в ответ сигналы ридера. В полуактивной метке она состоит из тонкой полоски (полосок) металла (например, меди) и подобна антенне пассивной метки.

*Внутреннего источника питания.

*Внутренней электроники.

Пассивная метка - RFID-метка этого типа не содержит встроенного источника питания (например, батарею) и вместо этого для своего питания и передачи данных ридеру использует энергию, излучаемую ридером. Пассивная метка конструктивно проста и не содержит движущихся частей. В результате такая метка имеет большой срок службы и в общем случае хорошо выдерживает жесткие условия окружающей среды. Например, некоторые пассивные метки могут сопротивляться таким коррозионным химическим веществам, как кислоты, и нагреву свыше 400 °F (около 204 °С).

При обмене информацией в направлении от метки к ридеру первым инициирует связь ридер, а затем обмен осуществляет метка. Для передачи данных такими метками обязательно наличие ридера.

Пассивная метка, как правило, меньше активной или полуактивной метки. Значение расстояния считывания у нее может быть самым различным - от менее 1 дюйма и примерно до 30 футов (около 9 м).

Пассивная метка состоит из следующих основных компонентов:

* микрочипа,

* антенны.

Рис.2.6 - Компоненты пассивной метки.

Микрочип соединяет в себе следующие устройства. Устройство управления питанием/выпрямитель преобразует питающее напряжение переменного тока, получаемое от сигнала с антенны ридера, в питающее напряжение постоянного тока. Это устройство подает питание на остальные компоненты микрочипа. Выделитель тактовой частоты извлекает тактовый сигнал из сигнала, получаемого от антенны ридера. Модулятор модулирует получаемый от ридера сигнал. В модулированный сигнал вводится ответ метки, и этот сигнал затем передается обратно ридеру. Логическая схема отвечает за реализацию протокола информационного обмена между меткой и ридером. Для хранения данных используется память микрочипа. В общем случае память разбита на сегменты (т. е. состоит из нескольких блоков или полей). Адресуемость означает способность обратиться (т. е.прочитать или записать информацию) к отдельным участкам памяти микрочипа. Блок памяти метки может содержать данные различных типов, например порцию идентификационных данных отмеченного объекта, разряды контрольной суммы (например, циклический избыточный код - CRC) для проверки точности передаваемых данных и т.д.

Рис. 2.6 -- Сравнение дальности действия разных типов меток

В настоящее время большинство антенн меток изготовляется из тонкой металлической полоски (например, медной, серебряной или алюминиевой). Однако в будущем, возможно, антенны будут печатать непосредственно на поверхности метки или на упаковочной таре токопроводящими чернилами, содержащими медь, углерод или никель. Также предпринимаются попытки определить возможность печатания микрочипа с помощью подобных чернил. Такие усовершенствования в будущем могут позволить вам печатать RFID-метку, как это делается со штрих кодом на ящике или упаковке отдельных предметов. В результате этого стоимость RFID-метки может стать значительно ниже намеченных 5 центов США за метку. Даже в отсутствие возможности печатать микрочип наносимая печатным способом антенна может присоединяться к микрочипу для получения полной RFID-метки значительно быстрее, чем металлическая антенна.

Другая классификация, основана на способности поддерживать перезапись данных:

* Только с чтением (read-only, RO).

* С однократной записью и многократным чтением (write once, read many, WORM).

* С многократной перезаписью (read-write, RW).

Метка RO-типа может быть запрограммирована (т. е. записана) только один раз в своем жизненном цикле. Данные заносятся в метку постоянным образом в заводских условиях только на этапе ее изготовления. Для этого в микрочипе метки с помощью тонкого лазерного луча пережигаются отдельные плавкие перемычки. После того как это сделано, данные нельзя будет перезаписать в течение всего срока службы метки.Метки такого типа также называются метками с заводским программированием. Изготовитель метки вводит в метку данные, и пользователь метки, как правило, не может оказывать на них никакого влияния. Такие метки хорошо подходят для ограниченного использования, но от них мало пользы на больших предприятиях или в условиях, когда данные необходимо приспосабливать к конкретной области применения.

Такой тип метки используется сегодня в небольших пилотных проектах и на малых предприятиях. Метка RW-типа может быть перепрограммирована (перезаписана) большое число раз. Обычно это число варьируется от 10 ООО до 100 000 раз и более! Такая способность перезаписи дает огромное преимущество, так как данные могут перезаписываться либо ридерами, либо самой меткой (в случае активной метки). В метке RW-типа обычно содержится устройство памяти Flash- или FRAM-типа. RW-метка также называется меткой с эксплуатационным программированием или перепрограммируемой меткой.

Для RW-меток трудной задачей является обеспечение безопасности. Кроме того, метки такого типа наиболее дороги в изготовлении. Метки RW-типа не используются широко в современных областях применения, но такое положение может измениться в будущем, по мере совершенствования технологичности и применимости меток с одновременным снижением их стоимости.

Метка WORM-типа может быть запрограммирована (записана) однократно, и это делается обычно не изготовителем, а пользователем метки в то время, когда необходимо создать метку. Тем не менее на практике для исправления ошибок при такой записи допускается возможность перезаписи некоторых типов WORM-меток. Если данные для такой метки перезаписываются более заданного количества раз, то метка может получить необратимое повреждение. Метка WORM-типа также называется меткой с эксплуатационным программированием.

Такая метка обеспечивает хорошее соотношение цены и рабочих характеристик, приемлемую безопасность данных и является наиболее распространенным типом метки, используемым в корпоративном секторе.

В данной системе используется радиочастотная метка RFID cargo tag, которая имеет размеры 15Ч15Ч1,2 см и разработана для крепления на гладких металлических поверхностях, таких как стенки стандартных 40-футовых контейнеров. В сочетании с основой из алюминиевого листа это обеспечивает оптимальное отражение радиосигнала.

. Метка является универсальной и допускает монтаж на различных других поверхностях: деревянных, пластмассовых и др.

RFID-ридер(устройство опроса) - прибор, способный читать разные данные из совместимой с ним RFID-метки и записывать в нее данные(то есть это читающее-записывающее устройство)

Антенна метки используется для извлечения энергии, питающей метку, из сигнала ридера и приема-передачи данных между меткой и ридером. Эта антенна физически прикреплена к микрочипу. Центральным для работы метки параметром является гео-метрия антенны. Возможны бесчисленные конструкции антенн, особенно для УВЧ-диапазона, и их проектирование является настолько же искусством, как и наукой. Длина антенны прямо пропорциональна рабочей длине волны метки. Диполъная ан-тенна состоит из прямолинейного отрезка проводника (например, из меди) с разрывом посередине. Общая длина дипольной антенны, оптимально передающей энергию сигнала, получаемого с антенны ридера, равна половине длины волны используемой частоты. Двойная диполъная антенна состоит из двух диполей и значительно уменьшает чувствительность метки к ориентации. В результате этого ридер может читать такуюметку под различными углами. Петлевой диполь состоит из двух и более параллельно соединенных прямолинейных проводников, каждый длиной в половину волны (используемой частоты). Если он содержит два проводника, то получается 2- проводной петлевой диполь; 3- проводной петлевой диполь состоит из трех параллельно соединен-ных проводников

Также в состав системы входят контроллер - устройство, позволяющее внешнему объекту(человеку или программе) управлять функциями ридера, датчик, обнаруживающий присутствие контейнера в зоне действия ридера, и интерфейс связи, согласующий обмен данными с внешними объектами. Сетевой интерфейс позволяет подключаться к компьютеру как через проводные, так и через беспроводные сети. По сути ридер ведет себя как сетевое устройство, при установке которого не требуется специального распознавания оборудования.

2.3.1 Предложение перспективного элемента автоматической системы обработки контейнеров

В данной исследовательской работе предлагается схема действия элемента системы автоматической идентификации контейнеров, использующий в своей основе принцип радиочастотной идентификации объектов. Данный элемент дополняет систему автоматического обнаружения и захвата контейнеров, основанную на принципе дальнометрии. При совместном использовании двух данных систем удается не только осуществить автоматический захват контейнера, но и в дополнение к этому контролировать правильность взятия контейнера. Соответственно риск взятия неправильного контейнера значительно уменьшается.

Рис.2.9 - Схема действия RFID системы контроля погрузки-разгрузки контейнеров

Принцип действия схемы довольно прост. При приближении спредера к контейнеру на нужное расстояние(определяется дальностью действия пары метка-ридер - 0,1-10м), датчик подает сигнал ридеру о посылке запроса на метку. Ридер посредством антенны излучает сигнал, который в свою очередь принимается меткой(она пассивная), которая обрабатывает его и посылает ответный сигнал с информацией о контейнере. от ридера сигнал поступает на терминал обработки данных, где информация о номере контейнера, полученная от метки сравнивается с номером контейнера, который требуется к погрузке в данный момент.

Если данные одинаковы - данный контейнер взят правильно, на дисплее в кабине крана и на мостике судна дается соответствующий сигнал, и погрузка продолжается. В противном случае подается сигнал несоответствия данного контейнера требуемому в карго-плане судна. И принимается дальнейшее решение силами грузового помощника и стивидоров о выборе контейнера.

Обмен данными мостика с причальным крановым терминалом производится по интерфейсу WiFi, WiMAX и т.д. которые обладают достаточной пропускной способностью и радиусом действия 50-300м

Задачей, решаемой предлагаемой системой идентификации, является расширение функциональных возможностей системы и повышение оперативности складирования контейнеров, а именно, одновременное с идентификацией контейнера автоматическое определение правильности подачи этого контейнера на погрузку в данное время. По сути система работает как детектор «свой-чужой» и уменьшает вероятность того, что на судно будет погружен взятый неправильно контейнер. Это дает нам экономию времени и денежных средств на покрытие страховых рисков, связанных с доставкой контейнера не вовремя а то и вовсе его утратой.

Ограничением данной системы автоматической идентификации являются несовершенные функциональные возможности системы, заключающиеся в отсутствии одновременной автоматической регистрации информации о координатах месторасположения контейнера (при позиционировании контейнеров).

Рис. № 2.8. Схема структурного алгоритма системы

Преимущества RFID:

1. Бесконтактная работа. RFID-метка может быть прочитана без какого-либо физического контакта между меткой и ридером.

2. Перезапись данных. Данные RFID-метки с перезаписью (RW-метки) могут быть перезаписаны большое число раз.

3. Работа вне прямой видимости. Чтобы RFID-метка была прочитана RFID-ридером, в общем случае не требуется ее нахождения в зоне прямой видимости ридера.

4. Разнообразие диапазонов чтения. Диапазон чтения RFID-метки может составлять от нескольких дюймов до 100 футов и более.

5. Широкие возможности хранения данных. RFID-метка может хранить информацию объемом от нескольких байтов до практически неограниченного количества данных.

6. Поддержка чтения нескольких меток. RFID-ридер может автоматически читать несколько RFID-меток в своей зоне чтения за очень короткий период времени. Прочность. RFID-метки могут в значительной мере противостоять жестким условиям окружающей среды.

7. Выполнение интеллектуальных задач. Кроме хранения и передачи данных, RFID-метка может предназначаться для выполнения других задач (например, для измерения таких условий окружающей среды, как температура и давление).

8. Крайне высокая точность чтения. RFID является точной на 100%.

Недостатки RFID:

1. Невысокие рабочие характеристики в присутствии радионепрозрачных и радиопоглощающих объектов. Если используются верхние УВЧ и микроволновые частоты и отмеченный объект изготовлен из радионепрозрачного материала (например, металла), из радиопоглощающего материала (например, воды) или если объект упакован в такой радионепрозрачный материал, то RFID-ридер может частично или полностью не читать данные метки

2. Воздействие факторов окружающей среды. Если рабочая среда содержит большое количество металла, жидкости и т. д., то это может влиять на точность чтения меток в зависимости от частоты. Отражение сигналов антенны ридера от радионепрозрачных объектов вызывает так называемое многолучевое распространение.(Надежным вариантом для таких типов рабочей среды будет обеспечение прямой видимости меток со стороны ридера.

3. Ограниченное число читаемых меток. Число меток, которые ридер может идентифицировать в единицу времени (например, в секунду), ограниченно несколькими метками.

4. Воздействие помех от аппаратуры. В ридерах RFID могут возникать конфликты ридеров при их неправильной установке. Конфликт ридеров происходит, когда перекрываются зоны их охвата и сигнал одного ридера взаимодействует с сигналом другого ридера в такой общей зоне.

5. Ограниченная проникающая способность энергии радиоволн. Оценить её в каждом практическом случае можно только экспериментально

6. Незрелость технологии. На данный момент много спорных путей развития и не отлаженное производство элементов системы(количество брака достигает 10%)

Спецификация составляющих системы

1. Тип метки пассивная

2. Рабочая частота 2,45ГГц

3. Размеры метки ~3x6см

4. Положение утоплен в паз рифления контейнера

5. Тип записи WORM - метка записывается лишь единожды в жизни

6. Прочность усиленная, с защитой от соленой воды и прямых солнечных лучей

7. Антенна ридера патч-антенна 10х10см

8. Организация системы сетевой / беспроводной

9. Мощность см. стандарты

10. Обслуживание не требуется

11. Поляризация антенны допустима линейная

12. Объм встроенной памяти 56-1024 кБ

13. Сообщение «мостик-терминал» Wi-Fi, WiMAX, УКВ

2.4.1 выводы по научной работе

На основании проведенных исследований получены следующие результаты:

ѕ Были проанализированы принципы устройства и работы систем автоматической радиочастотной идентификации, их достоинства и недостатки.

ѕ было изучено устройство

ѕ было рассмотрено устройство современных контейнерных терминалов

ѕ был предложен перспективный элемент системы радиочастотной идентификации, рассмотрена схема его построения и действия. Данный элемент с успехом дополняет существующую систему автоматического обнаружения и захвата контейнеров, используемую в современных контейнерных терминалах(в частности порта Роттердам).

ПРИЛОЖЕНИЕ А

НАВИГАЦИОННЫЕ ТАБЛИЦЫ

Таблица Б.1 -- Маршрутный лист перехода Валенсия (причал) -- Валенсия (лоцман)

Таблица Б.2 -- Маршрутный лист перехода Валенсия (лоцман) -- Неаполь (лоцман)

Таблица Б.3 -- Маршрутный лист перехода Неаполь (лоцман) -- Неаполь (причал)

Таблица Б.4 -- Плановая таблица обсерваций

Таблица Б.5 -- СНО (Средства Навигационного Обеспечения)

Таблица Б.6 -- Гидрометеорологическая характеристика рассматриваемых районов

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПЛАНЫ УЗКОСТЕЙ И ПОРТОВ ЗАХОДА

Рисунок Г.1 -- План порта Валенсия

Рисунок Г.2 -- План пролива Бонифачо

Рисунок Г.3 - План порта Неаполь

Размещено на Allbest.ru