货物流通过程中的定位方法研究.doc

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货物流通过程中的定位方法研究

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摘要：

随着我国物流业的高速发展，客户对物流服务专业化以及精细化的要求逐渐增强，企业传统的物流货物定位系统已经无法适应社会经济的发展。

针对企业物流运作的特征，借助物联网的物同物、人同物以及人同人的全面互联特征，再加上RFID、GPRS等技术对信息进行集成智能操作，将物流货物定位信息相融合，对企业物流货物运输过程中的信息采集、货物追踪、运输监控等进行全面的控制，能够提高企业物流货物运输的质量，促进企业的快速发展。

针对物流行业发展现状和系统需求进行了分析，阐明了基于LBS的物流管理系统的实现方法。

系统利用RFID自动识别技术、移动定位技术来实现货物的进出库管理、跟踪定位。

以钢铁货物为例，钢铁物流以“钢铁”为对象，以“物流”为运作，以“信息”为核心，其中资金流、信息流、物流相互促进、相互融合。

通过釆用无线传感器网络、移动终端等传感及身份识别技术，设计开发钢铁货场货物定位跟踪系统，为货物的信息采集和查找提供了一个灵活可靠的支持平台。

关键词：

LBS现代物流移动定位RFID

1.引言

移动通信、无线网络、移动定位和空间信息技术等多种信息技术的快速发展和相互集成应用，以及各种移动终端功能的日趋完善，为实时位置信息服务提供了技术支持和保障，为“获得快捷、便利的个性化位置服务”提供可能。

在上述需求和技术的双重驱动下，基于位置服务（LocationBasedService，LBS），正成为各学科领域的研究热点和经济增长点。

人类社会中80%以上的信息与空间位置有关，LBS是通过各种关键技术的相互配合，确定用户的实时地理位置，从而提供所需的与位置相关的信息服务。

LBS所具有的巨大发展潜力及商业价值，是人类历史上出现的具有划时代意义的又一技术创新，它同电话、传真、Internet等技术一样，将深刻影响人们的生活方式。

当前LBS系统的开发应用在日本、美国等发达国家已经逐渐普及，而国内对LBS的研究仍处于起步阶段。

针对大型货物在货场和运输过程中，以钢铁为例，近些年来，露天货场的物资仓储管理、机械作业等技术、模式一直按传统方式进行，受制于新技术成本太高，没有突破性的变革。

在LBS关键技术基础上，建立可视的物流管理信息系统或者透明物流供应链已经成为企业取得竞争优势、减少库存及其牛鞭效应、加快资金周转的有效手段和途径，已引起国内外知名企业的高度重视。

本论文拟针对物流行业现状和管理中存在的问题，利用LBS关键技术研究和融合，实现现代物流管理应用行业的LBS系统服务。

利用移动定位技术、空间信息技术，通过无线网络通讯技术与物流管理系统进行结合，在物流系统中嵌入RFID技术，加强系统数据采集自动化，支持系统数据的真实与完备，实现物流系统的信息化。

2.研究内容

2.1研究架构

1）FID物流系统数据获取系统：

通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无接触地读取并识别标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能；

2）物流管理系统货物和运输工具的定位系统：

结合移动通信网络、室内射频信号网络、GPS卫星定位技术等多种移动定位技术，针对不同情况下不同影响因素条件限制和定位需求，采用多种定位技术相辅助混合定位方法，实现物流管理系统货物和运输工具的定位信息获取，在客户端进行显示。

3）GIS动态信息显示系统：

在基础地理数据的基础上，利用通信技术收集到实时移动定位数据，通过GIS平台加载移动定位数据，并在地图上进行显示。

4）物流管理系统LBS服务：

在实时定位，动态信息显示等系统基础功能服务的基础上，对企业进行信息化管理。

在对物流相关信息进行统计分析比较的前提下，对物流体系长期战略性设计和规划提出辅助决策支持，如物流设施选址等，通过对物流供应链模型的模拟和可视化设计，对影响物流体系的整体成本和服务的各个重要因素和资源进行优化配置。

5）设计一种基于龙门吊定位的货物自动定位系统。

在该系统中，龙门吊沿着轨道线遍历仓库，在进行货物出入库或翻堆的同时，定位系统记录下对应的货位信息，进行实时存储，并通过无线传输方式将数据传到数据中心，数据中心服务器对采集的货物及货位信息进行分析处理，从而实现数据库更新，做到信息系统中位置和物品真实位置一致，便于物品的查找、跟踪。

通过该种方式，实现了货物及货位信息的自动获取，为实现仓储货物信息自动化管理奠定了基础。

3.现代物流系统分析

现代物流系统分析基于LBS的物流管理系统是应用于现代物流行业领域中的LBS应用服务系统，是指在物流行业领域内，利用LBS关键支撑技术，建立物流信息收集、整理、加工、存储、服务的一体化系统，对物流过程中的各种信息流进行实时、集中、统一的管理，实现信息流对物流、资金流的控制与协调。

本系统涉及到移动定位技术、自动识别技术、移动通信网络技术、空间信息技术等LBS相关关键支持技术的技术集成和信息融合。

3.1系统需求分析

随着现代物流领域的飞速发展，越来越多的其他领域技术（如LBS关键支撑技术：

定位技术，空间信息技术，移动通信技术，自动识别技术等）不断的应用到物流管理系统中，给物流管理系统带来了新的动力，使之成为一个多种技术融合集成的复合系统基于上述的认识和需求，本论文结合LBS技术和RFID技术，设计研发一套基于LBS的物流管理系统就显得十分必要的迫切。

3.2系统开发目标

1）本系统将RFID技术应用于系统物流仓储管理出入库产品收发的识别、移动数据采集等部分，实现系统货物信息自动获取，以及货物以及运输工具及其相关信息的输入、存储、查询、检索、分析、管理、统计、制图和输出等；

2）利用WebGIS的优势，移动定位技术，以及移动通信网络技术，建立物流运营过程中运输工具与运输货物从运输起点至终点，相关信息有效流动的全过程，并对其进行动态模拟仿真显示。

3）采用RFID技术，支持物流室内仓储货物定位功能实现，实现物流货物室内仓储中心里的实时定位与跟踪。

4）系统采用地图、文字、图表、数字、影像等多媒体信息集成，多形式、多介质、多功能、全方位和动态地反映物流运营活动过程，以及存货分配、货物调度、仓储选址、以及运输路径等基本现状。

5）系统将运输、仓储、装卸、加工、整理、配送和信息等方面有机结合，形成完整的供应链，并对其进行实时查询、显示、存储、加工、统计以及决策支持的LBS服务，反映和揭示物流运营活动过程中的存货分布特征、货物集合结构、仓储中心分布结构、运输工具分布调配质量、以及系统优化条件和规划前景。

为用户提供多功能、一体化的综合性的LBS服务。

3.3系统技术路线

本系统遵循系统体系结构设计的原则——合适性、结构稳定性、可扩展性、可复用性等，设计系统体系结构设计方案，由此决定本系统技术路线，如图3-1：

图3-1基于LBS物流管理系统技术路线图置您的文字

3.4系统功能描述

1）系统数据自动获取以及信息查询检索功能：

本系统将RFID自动识别技术，应用于系统物流的定位，实现系统货物信息自动获取，以及货物以及运输工具及其相关信息的输入、存储、查询、检索、分析、管理、统计、制图和输出。

2）移动信息显示与调度分析功能：

利用WebGIS的优势，移动定位技术，以及移动通信网络技术，建立物流运营过程中运输工具与运输货物从运输起点至终点，相关信息有效流动的全过程，并对其进行动态模拟仿真显示。

3）货物室内定位跟踪显示功能：

采用RFID技术，支持物流室内仓储货物定位功能实现，实现物流货物室内仓储中心里的实时定位与跟踪。

4）可视化功能：

系统采用地图、文字、图表、数字、影像等多媒体信息集成，多形式、多介质、多功能、全方位和动态地反映物流运营活动过程，以及存货分配、货物调度、仓储选址、以及运输路径等基本现状。

5）LBS服务与辅助决策支持功能：

系统将运输、仓储、装卸、加工、整理、配送和信息等方面有机结合，形成完整的供应链，并对其进行实时查询、显示、存储、加工、统计以及决策支持的LBS服务，并配合进行定位服务。

3.5系统功能结构

基于LBS技术的物流管理系统的核心功能是实现在途物流的可视化监管，辅以有关各部门基本的管理信息系统功能。

RFID根据自动识别获取仓储货物动态信息，并对于仓储货物进行选择性的定位查询和位置显示；移动定位根据设定间隔获取装载了该设备的运输工具的位置信息，与移动定位系统集成在一起的通信模块将车辆的位置、状态等信息由移动通信网络发送到通信服务。

通信服务负责转发、解析并存储来自各终端和中心服务的双向信息。

中心服务完成通信服务与各监控终端的连接，把移动目标显示在电子地图上，并将数据存入数据库。

最后在企业或用户选择监控或查询该运载工具的位置服务时，系统从数据库中读取该运输工具特定时间段的物理轨迹信息，以运输工具的标识动态呈现出来。

图3-2系统功能结构图

4.RFID货物自动定位技术

现代物流是指经信息技术整合的、实现物资实体从供应者到需求者运动的优化物理流通过程。

从系统工程的角度分析，物流是把各种运输、储存、包装、配送、流通加工、信息处理等相关活动有机合成的现代供应链系统。

因此要使物流系统达到最佳的运行状态，必须系统化方式管理物流。

而要用系统的观点管理物流，首先要了解系统各过程的状态，为此首先要实现对物流过程中各环节的信息采集。

在目前商品流通过程中，零售商品的识别是采用条形码来实现，在商品被出售时，通过条码读卡器识别，条码的数据在整个流通过程中只识别一次。

然而，RFID不需要人工去识别标签，读写器每250毫秒可以从射频标签中读出位置和商品相关数据。

有一些读写器可以每秒读取600个标签的数据，这比传统扫描方式要快超过1000倍。

因此，在本系统中，采用RFID自动识别技术的方式对货物信息进行自动采集和提取。

4.1射频识别技术

射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID），是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频标签与读卡器之间的射频信号进行双向通信，实现标签存储信息的识别和数据交换。

最基础的RFID系统大体上由三个部分组成：

读写器或阅读器、天线和射频标签或应答器。

读写器或阅读器（Reader），实现读取（或是写入）标签信息的设备，常见的可分为手持式或固定式；天线（Antenna），在标签和读写器间传递射频信号；标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。

按照能量供给方式的不同，RFID标签可以分为有源标签和无源标签两种。

其中有源标签是由电子标签所附的电池提供芯片能量，标签可以主动发出射频信号由读写器直接获取并进行处理；对于无源标签，读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流获得能量而被激活，发送出携带自身编码等信息的电磁波，由读写器读取并解码后送至后台进行有关处理。

其原理如图4-1。

图4-1RFID原理示意图

4.2RFID优势

RFID技术的优势主要表现在以下三点：

一是可以实现数据信息采集、处理的自动化；二是可以实现货物实体运动等操作环节（如分拣、搬运、装卸、存储等）的自动化；三是可以实现管理和决策（如库存管理、自动生成订单、优化配送线路等）的自动化甚至智能化。

将RFID技术应用于物流管理，从系统的角度来看待物流运动过程，在整个系统中充分利用共享RFID数据信息，以最低的整体成本，达到供应链管理最大效率。

4.3RFID数据自动获取服务设计

RFID数据自动获取服务，在RFID标签上记载了全面的产品信息，用于货物管理，在包括生产、仓储、承运、上柜，甚至最终购买这些环节中，货物的各项信息都是清晰可查的，有效解决与仓库及货物流动有关的信息管理。

在每一个通过仓库入口的货物托盘、包装箱或元器件上，附着一个RFID标签，采用900MHz至1000MHz超高频模式，进行元器件规格、序列号等信息的自动存储和传递。

当装有搬运车和货物通过仓库出入口时，RFID标签能将信息传递给10英尺范围内的射频读写器上，系统可以通过读写器收集的信息确定车次，货物标签信息等，并对每一货物出入库进行逐一记录，从而提高效率，减少交接货时发生的错误，避免了货物错发、漏发，甚至对于货物失窃、伪造都能起监测作用；同时也减少了管理成本和劳动力成本。

这不但提高了每天运送大量货物的效率，保证了货物运输记录的准确性。

最终，RFID技术能全面调整适应供需关系，使制造商和零售商获得更大的收益。

4.4RFID货物自动定位服务

RFID货物自动定位服务，可识别和跟踪所有物流货物对象实体，提供准确真实的实时数据、实现货物流动位置信息的实时采集、交换、处理等，从而建立更智能、更迅捷的物流链。

在系统跟踪对象上附上RFID电子标签，采用900MHz至1000MHz超高频模式。

RFID读写器部署在仓库、配送中心、承运工具等不同的地点，读写器以一定的频率自动无线扫描附近区域的电子标签，将扫描的信息通过网络通信服务提交应用服务相关服务处理，从而实现对监控货物实体的实时定位信息采集和跟踪，最后存储到数据库，供系统内不同应用用户查询和服务调用。

4.5移动定位服务

在这一服务中，本系统采用混合定位技术来提供物流运输过程中的移动定位服务。

混合定位技术是基于移动终端的定位技术和基于移动网络的定位技术的结合。

混合定位技术结合两种或多种定位技术的优点，使定位更加精确可靠。

在网络覆盖比较差无法接收多个基站的信号时，或者基站位置不能构成最佳角度时，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同时网络则可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度；在基站密集的城市地区，可以提供基于基站和GPS的定位；如果在建筑物密集区域内接收不到GPS定位所需要的至少三颗卫星的信号的情况下，可以利用移动网络来实现精确定位。

5定位功能实现

5.1定位功能实现的关键技术

5.1.1移动定位技术

定位技术是LBS中的关键技术，不同的定位技术决定了不同的定位精度以及成本，同时这些定位技术的应用也有一定的局限性。

一般将移动定位技术分为基于终端的定位和基于网络的定位。

基于终端的移动定位技术其测量在终端上，这类定位技术有GPS、A-GPS等，基于网络的移动定位技术其测量是发生在网络端，这些定位技术有COO、AOA、TOA、TDOA、AFLT、E-OTD等。

5.1.1.1全球卫星导航系统

全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass（北斗）、欧盟的Galileo系统，可用的卫星数目达到100颗以上。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS），是70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，后来被广泛应用于GNSS。

GPS是具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全天候的导航定位、准确授时系统。

它利用卫星向接收机发送无线信号来确定接收机的位置，采用差分技术可以把精度提高到米级。

可以在全球范围内实现全天候、实时地为用户连续提供精确的位置、速度和时间信息。

GPS系统有21颗工作卫星和3颗在轨的备用卫星，它们平均配置在六个轨道上。

卫星发射用伪随机码（伪码）调制的两种频率（Ll、L2）的信号，L1＝1575.42MHz，L2＝1227.6MHz。

用户设备用测量到几颗卫星的距离的方法，来确定观察点的位置。

GPS系统能连续提供三维位置（经度、纬度、高度）、三维速度和时间，实现近乎实时的导航定位。

双频发射是为了供用户设备消除电离层对传播的影响。

GPS用户设备接收卫星发布的信号，根据星历表信息，可以求得每颗卫星发射信号时的位置。

用户设备还测量卫星信号的传播时间，并求出卫星到观测点的距离。

如果用户装备有与GPS系统时间同步的精密钟，那么仅用三颗卫星就能实现三维导航定位，这时以三颗卫星为中心，以所求得的到三颗卫星的距离为半径，作三个球面，观测点就位于球面的交点上。

5.1.1.2辅助GPS定位系统

辅助GPS定位系统（AssistantGlobalPositioningSystem，A-GPS）是GPS基础上应用移动通信网络进行的辅助定位系统。

因为GPS首次定位时间需要2-3分钟左右，因此具有很大的限制性。

利用A-GPS，它为移动终端传输一些辅助数据，这样可以大大减少首次定位需要的时间，甚至仅需要几秒的时间。

A-GPS基本思想是建立一个与移动通信网连接的GPS参考网络，网络中的接收机有良好的视野，可以连续运行。

A-GPS解决方案的优势主要由于A-GPS通过移动通信网络的空中接口使终端获得卫星的有效参数，所以可将初始捕获时间减少到5~10秒。

A-GPS适用于多种网络。

但A-GPS的一个致命缺点就是在市内繁华地区或者室内，由于建筑物的遮挡，可能收不到定位所需的4颗卫星的导航信号，从而造成定位失败。

5.1.1.3基于网络的定位技术

目前的移动网络中，基站控制器（BaseStationController，BSC）会在移动台（MobileStation，MS）的位置更新、呼叫处理、短消息传送以及切换等过程中将用户所在基站扇区的CELL-ID传送给移动交换中心（MobileSwitchingCentre，MSC），利用这个网络标志来确定MS的位置。

Cell-ID的定位精度取决于小区的大小，所以它对基站的密度有很大的依赖。

对于GSM网络，城区小区的密度远远高于郊区或农村地区，因而在城区Cell-ID的定位精度要远远高于郊区和农村。

CDMA网络不需要设置密集的基站，Cell-ID用于CDMA不能满足用户的定位需求，所以Cell-ID不适合用于CDMA。

5.1.1.4混合定位技术

混合定位是定位技术发展的一个方向，混合定位结合两种或多种定位技术的优点，使定位更加的精确和可靠。

它结合了基于移动通信网络的定位技术和基于GPS的通信网络辅助定位技术的优点。

在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同时移动通信网络则可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度；在城市，可以利用基站密集的优势，通过基于基站信号，或GPS和基站信号混合的方式定位，实现在复杂环境下（如室内、城市高楼之间）的精确定位。

例如最直接的混合是A-GPS和Cell-ID的混合定位技术。

在建筑物密集地区，Cell-ID可以弥补A-GPS的定位精度的不足，而且，因为Cell-ID可以用在拥有大量旧式终端的网络中，和A-GPS的混合，正好弥补了A-GPS在这一方面的不足。

5.2定位功能实现方法

5.2.1移动定位服务实现方法

本系统对于运载工具在运输过程中的移动定位功能服务，采用混合定位技术来实现。

混合定位技术是将基于移动终端的定位技术和基于移动网络的定位技术两类移动定位技术相结合，并互为补充的定位技术。

A-GPS定位技术虽然有定位精度高、首次捕获GPS信号时间短等优点，但是该技术还是有一些缺陷的地方，如在复杂环境下（如室内、城市高楼之间）接收不到GPS的信号，仍然不能定位，而且A-GPS定位技术必须进行多次网络传输，占用大量的网络资源；基于网络的定位技术避免不了因射频信号的非视线传输和多径效应带来的定位误差，尤其当基站位置沿直线放置时，很难同时接受到三个基站的信号，极大的影响了定位精度。

所以需要结合这两种定位技术的优点，采用混合定位技术来满足本系统物流实时定位功能服务需求。

本系统混合定位技术结合多种定位技术的优点，使定位更加精确可靠。

在通信网络覆盖比较差无法接收多个基站的信号时，或者基站位置不能构成最佳角度时，可以利用A-GPS定位提供高精度的位置信息，同时移动通信网络则可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度；在基站密集的城市地区，可以提供基于移动通信网络的定位；如果在室内接收不到GPS定位所需要的至少三颗卫星的信号，可以利用移动网络和RFID来实现精确定位。

5.2.2RFID货物自动定位服务实现方法

本系统RFID货物自动定位服务是由服务控制系统、读写器、参考天线和电子标签四分部组成在具体的实施中，本系统基于SpotON和LANDMARC相结合的方法，采用读写器与天线分离结构，同一读写器拥有三个独立的天线射频模块，每个射频模块与独立参考天线相连，每个射频模块相连的参考天线以等边三角形结构分布，每个参考天线与6个读写器天线射频模块连接，最终排列成蜂窝结构网络。

所有读写器通过有线方式与服务控制系统相连。

通过对仓库中参考天线的已知坐标进行处理，从而组成RFID标签仓库定位的参考坐标系。

在本系统中，每个读写器将能同时获取三个参考天线所接收的信号。

根据SpotON的原理，所有天线所发射的信号强度由近到远可以划分为几个级别，距离天线越近的区域，信号强度越强，距离天线越远的区域，信号强度越弱。

在实际的应用中，所划分的信号强度等级越多，能达到的定位精度就越高，信号强度等级和距离的对应关系可通过测试获得。

在实际的定位过程中，当需要对指定区域的货物进行清查盘点定位时，服务控制系统通过读写器的射频模块经参考天线组发射一低频率的脉冲信号，以激活被测区域的所有电子标签。

当持有该编码的标签接收到这一低频脉冲信号后，会从睡眠状态转入激活状态，反射携有自身信息的电磁信号，该信号对于不同位置的接收天线而言，由于与待测标签的距离远近不同会存在明显的信号强弱区别，所有接收到标签反射信号的天线将信号强弱信息传回读写器，通过一系列聚合算法与信号强度等级距离参照，得出以参考天线组为参考坐标系的标签位置，最终将定位信息显示于仓库地图上。

5.2.3移动通信网络服务实现方法

GPRS的开通有效地解决了在GPS定位车载终端通过GPS卫星接收车辆的状态和定位信息，然后经由移动通信网传输到监控终端其中可能遇到的一系列问题。

另一方面，系统可以直接联入互联网，使监控方式更加灵活。

在CDMA系统中，其系统容量可扩到FDMA的20倍左右、TDMA的3倍以上及GSM的4倍以上。

同时，它还具有抗多径干扰能力、更好的话音质量和更低的功耗以及软区切换等特点。

3G是第三代移动通信技术标准。

该标准规定，移动终端以车速移动时，其传输数据速率为144Kbps，室外静止或步行时速率为384Kbps，而室内为2Mbps。

3G系统的数据传输能力比2G系统有很大提高，为向用户提供更丰富的信息提供了网络带宽的保证，使一些信息量较大的定位业务通过无线网络实现成为可能，如地图显示、实时导航，甚至3D地图服务等。

WIFI全称WirelessFidelity，又称802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。

综上所述，结合各种网络方式的优点，本系统采用GPRS，CDMA，3G，Wifi等多种通信链路方式相兼容的组合通信链路层，为本系统LBS服务提供有力支持。

此外，国内已建成的众多无线通信专网，以及有线电话、寻呼网、卫星通信等均可成为LBS的通信链路。

本系统通信模型如图5-1所示

5.4货物定位功能模拟展示

RFID定位在系统跟踪对象上附上RFID电子标签，采用900MHz至1000MHz超高频模式。

RFID读写器部署在仓库、配送中心、承运工具等不同的地点，读写器以一定的频率自动无线扫描附近区域的电子标签，将扫描的信息通过网络通信服务提交应用服务进行相关服务处理。

本系统基于SpotON和LANDMARC相结合的方法，采用读写器与天线分离结构，同一读写器拥有三个独立的天线射频模块，每个射频模块与独立参考天线相连，每个射频模块相连的参考天线以等边三角形结构分布，每个参考天线与6个读写器天线射频模块连接，最终排列成蜂窝结构网络。

移动定位本系统对于运载工具在运输过程中的移动定位功能服务，采用混合定位技术来实现。

混合定位技术是将基于移动终端的定位技术和基于移动网络的定位技术两