小蔡
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来源：起重运输机械
沈 华
上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125
文章编号：1001-0785（2018）05-0134-03
无线射频识别技术( 以下简称RFID) 作为应用比较广泛且较为成熟的技术，在港口机械方面的应用仍然较少。随着港口机械自动化要求的进一步提高，RFID 技术也得到了相应的应用。
1 RFID 系统
1.1 RFID 系统原理
无线射频识别技术是利用电磁感应原理衍生出来的技术, 是通过射频信号，自动识别目标的电磁信号并对应相应信息的无线识别技术。现在生活中在很多行业、尤其是民用行业都有较广泛应用，其中雷达、ETC、门禁及物流等都是使用了RFID 技术。
无线射频识别技术包括标签、天线以及读写器。其中标签的作用是存储目标对象的相关信息，按安装方式主要分为悬挂、粘贴式以及植入式标签，3 种标签各有应用场合，需要根据实际场合选用。而标签还可以分为有源和无源两种。天线是利用无线射频技术读取/ 写入标签信息的物理介质，天线也有多种形式，各有其特性。而读写器则是读取天线信息经过射频转换部分转换成基带信号，最终由控制部分进行解码并实现与主控制系统的接口功能。读写器也有很多类型，不少厂家也设计了不同的读写器来应对各种工况。
无线射频技术的工作原理示意图见图1。
天线到标签是通过无线射频进行读取的，而读写器在控制之前起到了转码译码和通讯的作用。而标签和天线可以是多个，由读写器来读写。
RFID 技术的优势主要体现在可以实现对在运动中物体的识别以及多目标的识别。
图1 RFID 工作原理示意图
1.2 RFID 系统天线读取范围
RFID 技术是通过电磁感应技术，根据电磁感应理论，一段电缆磁场的方向见图2。
（a）立体方向图 （b）垂直面方向图
图2 磁场方向图
可见电磁感应不是线性的，而RFID 天线又在电磁感应的基础上经过调整和优化，典型的感应区域图见图3。
方向图分别是水平方向和垂直方向，在垂直和水平面上都存在着一定的范围，距离越远衰减增加得越厉害，超出范围就很难感应到信号。同时，这个范围根据天线的功率大小而变化，也和天线的形式有关系，不同天线形式的方向图也会有不同。
图3 典型的RFID 天线的方向图
根据电磁理论推算，Kerr 提出的经典距离计算式为
式中：R 为天线到目标位置距离，P 为功率（下标t、r 分别表示发送及接收）α 为目标物体尺寸，F 为天线的方向因子（可从上图中查出），λ 为波长。G 为功率增益（下标t、r 分别表示发送及接收）。
公式是基于天线发射和接收同一位置的基础上，实际上大多数RFID 的天线都是发射接收到同一个天线上。因此，可以根据天线、标签的物理参数并查天线的方向图推算出RFID 的天线读取范围。
2 RFID 在港口机械上的应用
RFID 系统虽然在民用及军用领域都有广泛应用，但在港口机械上的应用还比较少，究其原因主要是港口机械的自动化水平还不高，且港口机械尤其是散货码头的作业环境恶劣，而在码头环境中，金属物质（包括集装箱，各种码头机械设备）比较多，更加影响了以电磁感应为理论基础的无线射频技术在港口机械上的应用。现今，RFID 技术在自动化码头上有所应用。
2.1 自动化港口机械设备上的RFID 应用
在自动化的港口机械上会存在一个作业任务的校验，如某个作业任务涉及到某台机械设备和某个集装箱卡车，而机械设备和集卡都不是唯一的，此时如何判断作业的对应性，简而言之就是需要更加方便快捷地读取集装箱卡车的信息，这个问题就可以通过RFID（无线射频识别技术）来实现。
将RFID 天线及读写器装在港口机械设备上，而标签装在集卡上，当作业任务指定好机械设备和集卡后，在机械设备自动化运行进行到装卸时，自动读取对应的集装箱卡车的标签信息，从而判断是否是所对应的作业车辆并反馈给中控及单机自动化系统中，进行进一步的判断和操作。
实际上RFID 系统在应用时存在一些问题，比如天线和标签的安装位置、天线馈线的线路阻抗因素、环境因素等。
2.2 RFID 实际应用问题
2.2.1 RFID 标签的安装位置
根据RFID 的原理，可知RFID 是通过电磁感应标签的，这样，就必须保证在目标物体和天线之间不能存在金属的物质，应尽可能安装在车内较为固定的位置。如图4 的集卡作业区域( 俯视图)。
图4 集卡作业区域
集卡的作业区域只有1 辆，还有一辆是过路集卡的情况下，需要考虑作业集卡的标签能被感应到而过路车的标签不能被感应到。在这种情况下，如果2 台机械设备是背靠背，就需要考虑将标签装在集卡前挡风玻璃的中间以保证背靠背时，2 台机械设备都能读到标签。
以上为一实例，需要根据实际的作业情况来布置标签的位置。如果是多个作业车道的话，也可以在车顶安装RFID 标签。
2.2.2 天线的安装位置
虽然可以通过式（1）结合方向图计算出可以读到的距离，但实际上经过物体遮挡、天线及标签的角度问题等因素，很难计算出准确的位置。那么就需要根据已知目标的位置根据测试来获得所需要安装位置的信息。另外，设计时还需注意：
1）天线与标签的路径上不能有磁性的或金属的物质，否则也无法正常读写。
2）需要考虑标签的读写区域，有的区域不能读到标签信息，必要的话可能需要调整天线的功率。
3）需要考虑目标的位置变化，即在机械设备位置不变的情况下，目标可能存在多个作业区域，标签相对目标是固定的，标签就有多个位置。因此，需要对应各个位置分别安装天线以保证RFID 读取的可靠性。
2.2.3 天线馈线的选择
根据RFID 技术，馈线的电缆阻抗也是需要注意。天线的阻抗一般被制作成50Ω，那么馈线的阻抗也需要匹配成50Ω。如果不匹配的话，馈线的阻抗会造成反射损耗影响RFID 系统的正常工作。当馈线长度以致阻抗有要求时，需要在制作时调整天线的结构及内部元件从而匹配到馈线的阻抗。
2.2.4 读写器的作用
由RFID 的原理可知，天线馈线的距离是有要求的，需和天线的阻抗匹配，因此，读写器需要放置在合适位置，由读写器进行编译，解码最终将数据传给控制系统。
2.3 应用实例
在集装箱机械作业中，可以将RFID 天线分别装在闸口、堆场、集装箱机械的单机设备上。在闸口安装RFID 的目的在于，中控可以在闸口读出或写入集装箱卡车的信息，并且进行任务的分配。在堆场内安装RFID 系统用于感知集装箱卡车的位置，便于堆场管理系统的调度。在单机上安装RFID 天线的目的是在一个流程作业完成之前核对集装箱卡车的信息，保证作业的正确性。由于在闸口不存在集卡的位置的不确定性，安装的方式可以类似于ETC 的安装方式，即在侧面或顶部安装RFID 天线，集卡在驶入过程中会比较容易被感应，而堆场的RFID 天线的安装可以在每个机械设备车道的进出口处。单机的RFID 安装位置需要根据作业情况和码头管理系统的工况进行配置。
闸口、堆场内及单机集装箱机械的RFID 系统除了天线、标签以及读写器以外，还可以设置控制器和LED显示屏。LED 显示屏的作用是显示RFID 及堆场管理系统的信息，将作业流程的正确性及其他信息显示给集装箱卡车司机，以便司机了解信息或提示管理人员进行人工的介入。
2.4 RFID 应用小结
随着RFID 技术在自动化港口机械上的应用，虽然仍受到各种条件的制约以及系统上的不完善，而且用途也比较单一（只是读写集卡的信息一个用途上），但是，仍然有效地取代了码头很多人工的确认及一些繁琐的劳动。相信在自动化码头的成熟应用以后，RFID 系统也可以应用在常规的港口机械设备上。
