CN101176013A - 用于跟踪在卸到地面的海运码头操作中的集装箱的系统和方法 - Google Patents

用于跟踪在卸到地面的海运码头操作中的集装箱的系统和方法 Download PDF

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CN101176013A CNA2005800274621A CN200580027462A CN101176013A CN 101176013 A CN101176013 A CN 101176013A CN A2005800274621 A CNA2005800274621 A CN A2005800274621A CN 200580027462 A CN200580027462 A CN 200580027462A CN 101176013 A CN101176013 A CN 101176013A
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Abstract

一种用于跟踪容纳于码头内的货物集装箱的系统，包括适于放置在集装箱输送装置上的标签发射机，所述标签发射机可操作地用于基于所述集装箱输送装置的输送而影响集装箱位置的事件来发送无线RF信号。多个分离的接入点位于码头内的已知位置，用于从所述标签发射机接收无线RF信号。处理器可操作地与定位接入点相连，用于在发生所述事件时在地理上定位所述标签发射机并确定集装箱的位置。

Description

用于跟踪在卸到地面的海运码头操作中的集装箱的系统和方法
本申请基于2004年8月12日递交的待审临时申请No.60/601,679的在先申请。
技术领域
本发明涉及实时定位系统(RTLS)，更具体地，本发明涉及用于跟踪海运码头中的集装箱的实时定位系统。
背景技术
现代的海运码头必须在具有很少的(如果有的话)可用于扩展的地方的有限空间区域中有效地处理数目逐渐增多的集装箱。随着遍及全球的更高容量的集装箱运输以及更大的新式集装箱运货船的出现，对容量的要求快速增长。应当能够在要求时，在任意给定时间对数以千计的集装箱中特定的集装箱进行定位，但是如果缺少精确和实时的集装箱识别和跟踪系统，那么这一点很难做到，其中所述系统是货运牵引车、交换式牵引车、有轮集装箱底盘车、顶部和侧面拾取装运机以及龙门起重机和港岸起重机的。对经过码头的集装箱进行处理所涉及的路线数也会使定位集装箱变得复杂。例如，一些集装箱通过货船或火车而到达，并由登记门外的卡车拉过登记门。一旦集装箱进入码头，则能够把集装箱停放在码头的底盘车或bombcart(一种底盘车)上，或从底盘车移开并放置在船运集装箱堆垛的顶部。当将要取回集装箱时，该集装箱一定位于码头中数以千计的集装箱之中。这些集装箱可以由外面的驾驶员围绕着码头移动，或着由海运码头的驾驶员使用具有码头装置的客户牵引车来移动。
维护存货清单并跟踪码头中的每个集装箱是困难的，较大的集装箱数以及遍及码头中的不同的集装箱移动路线使得在需要时定位特定的集装箱变得困难。此外，海运码头的运转通常是不平稳的，这使定位系统变得复杂。
使用不同的系统对经过海运码头的集装箱进行处理，例如把集装箱从货船卸到底盘车。例如，集装箱可以通过货船或铁路到达海运码头。可以把其它的集装箱从货船卸到地面。当集装箱通过货船或铁路到达海运码头时，可以把它们“卸下”或放置在bombcart上然后进行堆放，而不是停放在底盘车上。可以在大门对其它集装箱进行登记。集装箱可以不通过货船或铁路而是通过中央登记门而到达。海运码头的顾客所雇佣的驾驶员到达大门进行登记，在这里，这些驾驶员通过更像公路收费站的大门。在这个大门处收集关于集装箱的信息，之后命令驾驶员把底盘车和集装箱停放在特殊位置或把集装箱卸到地面。
这些用于输送集装箱的不同系统使得跟踪海运码头中的集装箱变得困难。因为搜索任意错放的集装箱需要时间和劳动力成本并增加了货物的装船时间，因而跟踪遍及海运码头中的集装箱移动是重要的。
一种现有技术系统使用放置在每一个集装箱上的、颜色明亮且非常特别的磁贴(sticker magnet)。码头雇员绕着码头行走以寻找这些磁贴，并且当发现磁贴时记录它们的位置。这种解决方案是精确的，但是在看到磁贴后可能会在码头内移动集装箱，而且搜索集装箱上的磁贴的过程需要大量的劳动。使用这种方法获得数据时还会出现时滞。
其它的现有技术系统使用无线技术来跟踪海运码头内的集装箱的位置。这些系统需要一些人为的介入以定位集装箱，并且可能由于收集数据而带来时滞。虽然所述的一些系统或其它的现有技术系统可以提供对底盘车(有轮的)上停放的集装箱进行跟踪，但是更加难以跟踪堆放的集装箱(地面上)。
发明内容
一种用于跟踪容纳于码头内的货物集装箱的系统，包括标签发射机，所述标签发射机适于放置在集装箱输送(handling)装置上，并可操作用于基于所述集装箱输送装置输送而影响集装箱位置的事件来发射无线RF信号。多个分离的接入点位于码头内的已知位置，用于从所述标签发射机接收无线RF信号。处理器可操作地与定位接入点相连，用于在发生所述事件时在地理上定位所述标签发射机并确定集装箱的位置。
另一方面，传感器适于安装在所述集装箱输送装置上并与所述标签发射机一同操作，用于感测事件并向所述标签发射机发送数据，以便从所述标签发射机发射事件数据。所述传感器可操作用于感测集装箱的移去、放置或释放以及位于集装箱输送装置上的任意机械爪(gripper)的高度，所述高度用于指示在将集装箱与其它集装箱一同堆放时所堆放集装箱的高度。
所述传感器还可操作用于感测牵引车与具有集装箱的底盘车的断开，或感测牵引车的换向。天线杆适于安装在所述集装箱输送装置上，并可以将所述标签发射机支撑在比任意集装箱堆放高度都要高的高度上，从而允许向任意的定位接入点进行无线RF信号的瞄准线发射。所述标签发射机可以由相隔足够距离的三个RF发射机形成，允许空间分集并最小化耦合和图案失真。所述RF发射机的间隔大约为四分之一波长到一个波长。安装板将所述标签发射机支撑在所述天线杆上，并形成地平面。全球定位传感器安装在所述天线杆上并与所述标签发射机一同操作，以便发送GPS定位坐标。定位处理器可操作地用于关联作为最先到达信号的信号，并执行最先到达信号的微分，以定位所述标签发射机。询问器放置在码头内，并可操作用于询问所述标签发射机以开始发射。
附图说明
根据下文参考附图对本发明的详细描述，本发明的其它方面、特征和优点将会变得显而易见，其中：
图1是根据本发明一个非限制性示例的实时定位系统的部分环境视图，该系统用于对海运码头中的集装箱进行定位。
图2是一个电路体系结构示例的高级框图，它能够用于定位接入点。
图3是另一个电路体系结构示例的高级框图，它能够用于基于相关性的RF信号定位处理器。
图4是示出了根据本发明一方面，将集装箱从货船卸到底盘车时所采用的步骤的高级流程图。
图5是示出了根据本发明一方面，将集装箱从货船卸到地面时所采用的步骤的高级流程图。
图6是根据本发明一方面，对经过海运码头大门的集装箱进行处理的示例的高级流程图。
图7是根据本发明一方面的计算机窗口的示例，它作为集装箱堆垛控制台的图形用户接口。
图8是根据本发明一方面的计算机窗口的示例，它作为调车机车(switcher)用户接口的图形用户接口。
图9是根据本发明一方面的顶部拾取机、货运牵引车和底盘车的环境视图，其中具有用于卸载集装箱的顶部拾取机。
图10是示出了根据本发明一方面的堆放的集装箱的环境视图。
图11是示出了根据本发明一方面的堆放的集装箱的环境视图，其中集装箱之间为顶部拾取机横杆(spreader)保留了1又1/2英尺的间隙。
图12是示出了根据本发明一方面，用于将集装箱放置在堆垛上的顶部拾取机的环境视图。
图13是示出了根据本发明一方面的顶部拾取机和垂直天线的环境视图，其中顶部拾取机用于移动集装箱，而垂直天线位于顶部拾取机上。
图14是根据本发明一方面，为顶部拾取机天线杆上的三个标签安装平板的不完整平面图。
图15和16是根据本发明一方面的顶部拾取机及其顶部拾取机横杆的环境视图，其中顶部拾取机横杆示出了图15所示的天线杆。
具体实施方式
下文参考附图对本发明进行更加完整的描述，附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明能够以多种不同的形式而实现，而且不应解释为受到这里提出的实施例的限制。相反，提供的这些实施例使得本文公开的内容变得彻底和完全，并且将会把本发明的范围传达给本领域的技术人员。全部附图的相似数字代表相似元件，主要的符号用于指示可选实施例中的相似元件。
本申请中描述的系统和方法使用了一种用于对集装箱进行实时跟踪的实时定位系统。该系统特别适于用在地面上堆有集装箱的海运码头中。该系统和方法使用低功率无线电传输来确定无线发射信标(被称作标签或标签发射机)的位置，并把它贴到以下物体：引入拖车，用于把集装箱拖到底盘车上；使用牵引架(UTR)；搬运吊车(移动式集装箱吊运车(transtainer))，用于装载平展集装箱；运货牵引车；或顶部拾取机横杆(也被称作顶部拾取机或顶部装载机(handler))，有时把它总称为集装箱搬运装置(CHE)。
所述标签向周围环境中的固定天线阵列发射无线信号。典型地，这些天线阵列相隔地位于不同位置，它们包括接收机且有时包括发送机，并且在每一个位置形成了定位接入点(LAP)或接入点(也被称为标签信号读取器)，它从包含在标签内的无线发射机接收包括标签ID的无线RF信号。每一个LAP通过无线或有线LAN与处理器或服务器相连。该处理器使用类似于GPS的技术来确定每一个标签的位置。每一个LAP可以包括为实时定位系统增加精确度的GPS传感器，或提供单独的解决方案。通过在集装箱输送装置接合/脱离集装箱时跟踪集装箱输送装置的位置，能够实现重要的操作优点。所述系统和方法还能够使用小型标签来跟踪大门的移动，并且提供码头内集装箱移动的实时可见性。
受让美国专利No.6/657,586和公布的专利申请No.2002/0181565中描述了一种实时定位系统和方法，将其全体内容在此引入作为参考，可以对该系统和方法进行修改以便用于本申请的系统和方法中。类似地，受让专利包括美国专利No.5,920,287；5,995,046；6,121,926和6,127,976，将其全体内容在此引入作为参考。
如’586专利所述，GPS可以与标签信号读取器或定位接入点一同使用以增加精确度。此外，端口设备(分离的定位接入点或定位接入点的一部分)可以包括可操作用于产生旋转磁场、类似的电磁场或其它场的电路，这样所述端口设备作为近似的通信设备而操作，它能够触发标签使其发送交替(闪烁)图案。所述端口设备用作询问器，而且可以这样称呼。这种询问器在受让美国专利No.6,812,839中有所描述，将其全体内容在此引入作为参考。当标签经过端口设备所产生的场时，该标签能够启动预编程和典型地更快的闪烁速率，从而允许更多的定位点对加有标签的资源进行跟踪，例如当拖动集装箱的车辆通过临界入口(例如海运码头的装船/接收后门或大门入口)时。这种标签、端口设备和定位接入点通常在总部位于Santa Clara，California的Wherenet USA所拥有的贸易标记WhereTag、WherePort和WhereLan的名义下出售。
首先描述了一种用于跟踪海运码头中的集装箱的系统和方法，之后按照本申请的系统和方法，对用于跟踪卸到地面海运码头应用中的集装箱的系统和方法进行更加详细的描述。
所述实时定位系统能够为所有加有标签的资源提供一种无线基础结构，所述加有标签的资源例如集装箱、有轮底盘车、牵引车、起重机、维护装置和其它类似的集装箱输送装置。所述实时定位系统提供了每个标签的实时ID和位置，并提供了可靠的遥测以记录事务处理，而且还为工作指令和数据输入终端提供了移动通信。任意的终端操作(管理)软件(TOS)都能够通过实时定位和遥测数据达到最优化，从而提供集装箱ID和位置的实时准确开口精确度，并提供集装箱事务处理、集装箱输送装置和其它移动资源的实时定位和自动遥测。所述实时定位系统可以应用于：像堆放的集装箱(地面上)以及停放在底盘车(有轮的)上的集装箱那样的基本集装箱仓库。
图1是根据本发明一个非限制性示例的实时定位系统20的部分环境视图，该系统用于定位海运码头中的集装箱。而且，图1示出了这种实时定位系统20的各种应用。计算机服务器22与码头操作系统(TOS)24一同操作。服务器22和码头操作系统24提供了一套可视软件和具有双向码头操作系统接口的海运模块，该模块由多个定位接入点26操作。服务器22还提供了对从定位接入点26接收到的数据进行处理，其中定位接入点26已经从标签28接收到无线信号。本示例中的服务器22能够作为定位处理器而操作，用于确定哪一个加有标签的信号是最先到达(first-to-arrive)的信号，并且相对于任意全球定位系统(如果使用的话)所确定的定位接入点的位置而执行最先到达信号的微分，从而定位标签28，例如放置在车辆处理装置上的标签。
如图所示，定位接入点能够作为具有WIFI 802.11b标准的接入点26而操作，而且作为位置检测器的标签28能够使用ANSI 371.1标准，该标准合并有2.4GHz空中接口的通信标准。大门34可由OCR终端36操作。标签28位于门旁，以改进OCR事务处理并跟踪到有轮位置38和地面位置40处的集装箱。OCR终端36包括不同的OCR摄像机42。所示的标签放置选项是货运卡车43、拖车底盘车44或集装箱46上。在地面位置40处，所示的端口设备50位于图示的起重机52上。能够对轮子行走位置78处的有轮集装箱进行标签更新，因而不需要移动的存货车辆、磁体或工作人员更新。服务器22和TOS 24还可以为图示的轮子行走位置更新提供用户接口。
在货船位置54处，可以使用OCR摄像机42对标签28进行定位，以便在海上起重机56处进行货船卸载。应当理解的是，标签可以用于从车辆上载例如操作小时和燃料等级的维护信息和其它信息。
例如VCOM单元或其它位置跟踪接口单元(PTIU)58的遥测单元能够通过标签28发送传感器数据，并且当底盘车/集装箱与牵引车断开时(例如驾驶员停放底盘车/集装箱时或其它类似的事件)能够向实时定位系统20汇报。当底盘车/集装箱与牵引车断开时(例如驾驶员停放底盘车/集装箱时)，PTIU 58能够向实时定位系统20汇报。PTIU或其它遥测单元能够从牵引车上不同的传感器发送数据，所述牵引车是例如作为非限制性示例的主销上的近似传感器、第五车轮上的一对液压传感器以及反向传感器。这三个传感器可以指示集装箱何时接合或脱离。可以监测其它传感器以确定操作员ID、冲突、燃料等级、使用统计数字和维护信息，这些信息能够用于提高操作效率。
在用于对经过海运码头的集装箱进行处理的不同系统中，实时定位系统10连续地跟踪集装箱的位置，因而能够更为容易地找到集装箱。
图2和3示出了电路类型的示例，能够按照本领域技术人员的建议而对该电路进行修改，从而用于作为服务器的一部分或作为独立单元，以定位接入点电路和定位处理器电路，该电路能够确定任意的定时事件、建立响应任意定时事件的相关性算法并确定哪一个标签信号是最先到达的信号、执行最先到达信号的微分以便对产生标签信号或同等信号的标签或是其它发射机进行定位。
现在参考图2和3，下文的描述中公开并提出了上文所述以及引入作为参考的专利的代表电路和算法，这个描述有助于理解接入点和定位处理器电路的类型，其中所述接入点和定位处理器能够确定哪些信号是最先到达的信号，还能够确定处理器怎样执行最先到达信号的微分以定位标签发射机。
图2示意性地示出了一种具有各自的体系结构的电路配置，能够“读取”用于位置确定信号的相关信号或脉冲(闪烁)，例如从标签发射机向定位接入点发射的信号。天线210检测来自需要定位的对象和标签发射机的附加传输脉冲串或其它信号。本发明这个方面中的天线可以是全方向和环形极化的，并且与功率放大器212相连，而功率放大器212的输出由带通滤波器214进行滤波。自然，可以使用对偶天线或单一天线。在与和滤波器214的下游相连的元件相对应的相关电路中，对带通滤波后的信号的各自I和Q信道进行处理。为了简化附图，仅示出了单一的信道。
把带通滤波后的各自的I/Q信道施加到下变频混频器223的第一输入端221。混频器223具有第二输入端225，连接用于接收本地锁相IF振荡器227的输出。IF振荡器227由高度稳定的参考频率信号(例如175MHz)驱动，所述信号来自控制处理器并通过(75欧姆)通信电缆231连接。参考频率经过LC滤波器233施加到锁相振荡器227并由限幅器235进行限幅。
混频器223的IF输出(在70MHz的量级上)与受控均衡器236相连，受控均衡器236的输出经过受控电流放大器237而施加、并优选地经过通信信号处理器而施加到通信电缆231，其中通信信号处理器可以是相关的处理器。通信电缆231还经过RF扼流圈241至电压调节器242而为接入点的各个组件提供DC电力，所述DC电力提供了必需的DC电压以便为接收机中的振荡器、功率放大器和模拟至数字单元供电。
通信控制处理器能够把175MHz的参考频率提供给本地锁相振荡器227，其幅度可以暗示任意通信电缆231(如果使用的话)的长度。这个数量信息能够用作均衡器236和电流放大器237的控制输入，以便对容纳任意长度的任意通信电缆(如果使用的话)所需的增益和/或期望的均衡值进行设置。为此，参考频率的数量可以由简单的二极管检测器245来检测，并施加到247所示的一组增益和均衡比较器的各个输入端。对比较器的输出进行量化，从而设置增益和/或均衡参数。
有时，可以由全球定位系统接收机所使用的时钟和/或其它无线信号来产生信号。可以按照本领域技术人员的建议来使用这种定时参考信号。
图3大略地示出了基于相关性的RF信号处理器电路的体系结构，它作为定位处理器的一部分，图3的各个RF/IF转换电路的输出端能够通过例如无线通信的方式(或某些情况下为有线方式)与RF信号处理器电路相连，用于对输出进行处理并基于各个标签信号读取器的GPS接收机的位置信息来确定位置。基于相关性的RF信号处理器将相关的标签信号读取器所检测到的扩频信号与时间上延迟或偏移(由部分芯片执行)的扩频参考信号图案相关，并确定哪一个扩频信号是与位置脉冲相对应的最先到达信号。
由于标签发射机所发射的信号受到各种对象/表面的反射而产生多路效应，因此可以预料的是每一个接入点都从标签发射机接收到多个信号，因此这个相关性方案确保了对第一可观察发射的识别，它是唯一包含有效定时信息的信号，根据这个信息能够做出与距离有关的正确决定。
为此，如图3所示，RF处理器使用作为前端的多信道数字化装置300，例如N个接收机中每一个接收机的正交IF基带下变频器。相关的模拟至数字转换器(ADC)272I和272Q对正交基带信号进行数字化。对基带输出进行数字化(采样)用于最小化单独信道所需的采样率，同时仍旧允许以单一的专用ASIC来实现匹配滤波器部分305，其中数字化装置300的各个信道(读取器输出)与匹配滤波器部分305相连。匹配滤波器部分305可以容易地与其它相同的组件进行级联，从而最大化性能且最小化成本。
这提供了比带通滤波方案更好的优点，带通滤波方案需要更高的采样率或能够对非常高的IF频率和较大的带宽直接进行采样的更加昂贵的模拟至数字变换器。典型地，实现带通滤波方法需要第二ASIC，用于提供模拟至数字变换器与相关器之间的接口。另外，基带采样所需要的每信道采样率仅为带通滤波方案的一半。
匹配滤波器部分305可以包含多个匹配滤波器组307，其中每一个匹配滤波器组都包括一组并行的相关器，例如上文引入作为参考的’926专利所述。PN扩展码发生器可以产生PN扩展码(等同于标签发射机的PN扩展序列发生器所产生的PN扩展码)。将PN码发生器所产生的PN扩展码提供给第一相关器单元以及延迟单元系列，延迟单元系列的输出端与余下的相关器中的各个相关器相连。每一个延迟单元所提供的延迟等于芯片的一半。可以在引入作为参考的’926专利中找到并行相关的更多细节。
作为非限制性示例，可以按大小制造匹配滤波器相关器和对其进行计时，从而提供每级(epoch)4×106量级的相关性。通过将PN扩展码的所有可能的相位与输入信号连续地进行相关，这个相关处理体系结构有效地用作匹配滤波器，持续地搜索参考扩展码序列与输入信号的内容之间的匹配。将每一个相关输出端口328与指定的阈值进行比较，该阈值由一组“在要求时”或“在需要时”数字处理单元340-1、340-2、...340-K自适应地建立。相关器输出端口328中的一个端口具有超过阈值的总值，其中延迟后的PN扩展序列有效地与进入信号对准(半个芯片时间内)。
这个信号被施加到开关矩阵330，开关矩阵330可操作地将选定信道上的数据“快照(snapshot)”连接到数字信号处理单元组340中的选定的数字信号处理单元340-1。所述单元能够随机地“闪烁”或发送位置脉冲，而且能够在统计上进行量化，因此，处理器重访时间内潜在同步信号的数目确定了这种所需的“在要求时”数字信号处理器的数目。
处理器可以对提供给匹配滤波器的原始数据和初始时滞进行扫描。使用作为协处理器的分离的匹配滤波器以芯片速率的分数来扫描原始数据，从而在初始检测输出的前向(时间上)和后向(时间上)上，针对最早的(第一可观察路径)检测和其它隐藏的信号产生自相关。数字处理器的输出是第一路径检测时间、阈值信息和每一个接收机输入端处所产生的信号中的能量，将这个输出提供给基于到达时间的多路(multi-lateration)处理器部分400。
处理器部分400可以使用依赖于来自至少三个读取器的到达时间输入的标准多路算法，以计算标签发射机的位置。所述算法可以使用已接收信号的加权平均值。除了使用第一可观察信号来确定对象位置之外，处理器还可以读取从标签发射机的存储器中读出的任意数据并叠加到传输。可以把对象位置和参数数据下载到维护对象信息的数据库。可以借助相对便宜的、商业上可用的高度计电路所提供的测高数据来扩充标签存储器中存储的任意数据。可以在引入作为参考的’926专利中找到这种电路的更多细节。
通过使用双天线并提供基于空间分集的多路信号缓和，还可以使用引入作为参考的’926专利中所示的增强电路来减小多路效应。在这种系统中，所述天线彼此相隔的距离足以最小化在两个天线处同时出现的破坏性多路干扰，并且还确保天线彼此距离足够近以便不会明显地影响下游多路处理器计算对象位置。
可以对定位处理器26所执行的多路算法进行修改以包括前端子程序，所述子程序选择每一个检测器的较早到达输出作为多路算法所使用的数值。除了包含直接相连的接收机及其相关的对定位器处理器进行馈入的第一到达检测器的任意路径之外，可以把多个辅助的“相控阵”信号处理路径连接到天线组(例如天线对)。把每一个各自的辅助相控阵路径配置为对从满足指定相位关系的两个天线接收到的能量进行求和，能量和耦合到相关的单元，其中这个相关的单元对作为三角测量处理器的处理器进行馈入。
相控阵修改的目的是解决多路环境中的情况，即从不同方向到达的相等和相反的信号可以抵消相对“较早”的信号。还可以利用多个天线的阵因子来提供有效忽视破坏性干扰能量的合理概率。通过使用“图案”或增益的空间分布来接收一个进入信号并忽视另一个，相控阵为每一个地点提供了在已接收信号之间进行微分的能力。
定位处理器26所执行的多路算法可以包括前端子程序，这个子程序从定位处理器26的输入信号处理路径的输出以及来自每一个信号处理路径的输出中选择最早到达的输出作为多路算法使用的数值(针对该接收机地点)。元件和路径的数目以及增益和相移值(加权系数)可以取决于应用而变化。
通过使用引入作为参考的’976专利中所述的分布式数据处理体系结构，还可以对处理负荷进行划分和分配。这个体系结构可以配置为：把工作量在多个互连的信息加工和处理子系统上进行分配。通过动态再分配对处理负荷进行分配实现了容错性。
可以把前端处理子系统划分为多个检测处理器，从而在处理器组之间分配了数据处理操作。划分后的处理器通过分布式联合处理器依次与多个定位处理器相连。对于标签检测性能来说，可以为每一个读取器装备低成本的全方向天线，这个天线提供了所监测环境内的半球状覆盖。
检测处理器对接收到的能量进行滤波，以确定从传输中接收到的最早的到达时间能量，由此对标签发射机最终确定位置上的多路效应进行最小化。检测处理器对所有接收到的与传输中的已知扩展码相关的能量进行解调并打上时间戳，以便把接收到的位置脉冲与唯一一个标签发射机相关联。然后，检测处理器把这个信息集合到消息分组中，并通过通信构架，把这个分组作为检测报告发送到所划分的关联处理器组中的一个处理器，然后解除对检测报告的分配。
用于关联控制处理器流控制机制的检测处理器合理地把计算负荷分配到可用的关联处理器上，同时保证单一位置脉冲传输的所有接收都涉及相同的关联处理器，无论它们来自一个或多个检测处理器。
图4是示出了当把集装箱从货船卸到底盘车时如何使用实时定位系统20的高级流程图。附图标记以500这一序列开始。
如图4中的流程图所示，通过起重机把集装箱卸到底盘车(块500)。工作人员可以验证由光学字符识别所“建议”的集装箱编号(块502)，尽管在某些实例中不需要或不希望使用OCR。实时定位系统20基于牵引车的位置来识别该牵引车(块504)。可以命令驾驶员把拖车停在何处(块506)。驾驶员把集装箱停放好并断开(块508)。当停放集装箱时，实时定位系统20报告该集装箱的位置(块510)。当需要该集装箱时，无论驾驶员把它停放在哪里，都可以找到该集装箱(块512)。
图5示出了在一个非限制性示例中，当从货船卸到地面时所使用的流程图。以通过起重机把集装箱卸到bombcart(块520)作为非限制性示例。工作人员验证由光学字符识别所“建议”的集装箱编号(块522)，尽管在某些实例中不需要或不希望使用OCR。实时定位系统20基于牵引车的位置来识别该牵引车(块524)。驾驶员把集装箱带到顶部装载机(top handler)(块526)。顶部装载机把集装箱从bombcart移到堆垛(块528)。当卸下集装箱时，实时定位系统20报告该集装箱的位置(块530)。另一个工作人员可以对堆垛位置进行确认(块532)。当需要该集装箱时，可以在该集装箱被卸到地面的位置找到该集装箱(块534)。
用于跟踪海运码头中的集装箱的实时定位系统20也可以在处理经过码头大门的集装箱时使用，其中包含与把集装箱从货船卸到底盘车或从货船卸到地面类似的问题。可以命令进入大门的驾驶员停放底盘车/集装箱或把集装箱卸到地面。从外部进入的大量牵引车和底盘车以及一些驾驶员和装置并不总是属于码头，并且并不永久地对其加标签。如图6的示例性高级流程图中所示，可以针对登记增加额外的步骤。当底盘车或集装箱进入大门时，可以为其添加临时标签。
如图所示，驾驶员到达大门(块550)且工作人员记录集装箱和其它信息(块552)。向底盘车或集装箱贴上标签(块554)，并且驾驶员收到指示，即建议的停放位置或卸到地面分配(块556)。确定是否停放或卸到地面(块558)。如果确定停放，那么驾驶员停放集装箱并断开(块560)。当停放集装箱时，实时定位系统20报告该集装箱的位置(块562)。当需要该集装箱时，无论驾驶员把它停放在哪里，都可以找到该集装箱(块564)。如果在块558处做出把集装箱卸到地面的决定，则确定是否要按照指示将集装箱带到顶部装载机(块566)。如果结果是否定的，那么驾驶员停放集装箱并断开(块568)且继续进行处理，这样当停放集装箱时，实时定位系统20报告该集装箱的位置(块562)。
如果在块566处指示带到顶部装载机，那么驾驶员把拖车带到顶部装载机队列(块570)。顶部装载机把集装箱从拖车移到堆垛(块572)。当停放集装箱时，实时定位系统报告该集装箱的位置(块574)。工作人员确认堆垛位置(块576)。当需要该集装箱时，可以在该集装箱被卸到地面的位置找到该集装箱(块578)。
所述的基础结构、跟踪设备和软件能够支持对集装箱输送装置(CHE)和通过大门34的第三方卡车司机进行跟踪，从而启用了码头操作系统(TOS)24的集装箱ID自动切换(hand-off)。实时定位系统20可以支持码头中集装箱地面位置40的自动更新，无论它是通过卡车还是使用牵引架(Utility Trailor Rig)(UTR)而输送到启用系统的前端装运机(FRL)。从大门到地面这个货运流程可以包括货运牵引车或底盘车上的永久或临时安装的实时定位系统标签28。当底盘车经过可选的光学字符识别(OCR)入口36时，端口设备50可以触发这个标签28，其中入口36可以自动地把加有标签的ID与OCR记录相关联。
端口设备50可以位于大门34的每一条大门车道以实现自动标签/事务处理关联，而且可以为正确的车道分配OCR入口事务处理。前端装运机可以具有端口设备50，该设备迫使货运或底盘车标签发送其ID，而且相关的集装箱ID可以自动地转移到前端装运机。在把集装箱放到地面上之前可以对集装箱进行跟踪。位置跟踪接口单元(PTIU)58收集检测器信息，或类似的遥测单元可以收集检测器信息并按照上述方式通过前端装运机的标签发送该信息。在集装箱脱离后，可以接收检测器信息，且能够确定前端装运机标签的X、Y位置。在海运服务器22处，能够把检测器信息的位置转换为海湾、单元和层位置，并且为码头操作系统24进行更新。
对于大门到车轮这一情景，实时定位系统20可以把访问海运码头的运货员所创建的停放签名与停放指令进行比较。例如，永久或临时标签可以位于运货员的牵引车或底盘车上，而且当运货员经过可选的OCR入口36时端口设备50读取该标签，其中入口36自动地把标签ID与OCR记录进行关联。端口设备50可以位于大门34的每一条大门车道以实现自动标签/事务处理关联，而且可以为车道分配OCR入口事务处理。通过以下方式能够获知集装箱的处理过程：询问码头操作系统24、跟踪集装箱而且监测该集装箱以确保遵守了放到地面指令。运货员可以把集装箱留到底盘车上或把底盘车推入海运码头。不需要移动存货目录车辆或磁体检索就能够自动地确定标签的位置。为码头操作系统更新车轮行走位置。
实时定位系统20还可操作地用于货船或铁路至地面这些流程，并支持货船上集装箱ID的自动化关联，以便跟踪到达海运码头堆放场中有轮或地面位置38、40的集装箱ID。在这个示例中，集装箱ID可以与UTR相关联。例如，港岸起重机52 OCR或铁路OCR入口可以用于自动地捕获集装箱ID，而且集装箱和UTR基于UTR检测器的扫描和定位而自动地进行关联。移动式集装箱吊运车上的端口设备以及UTR标签自动地把集装箱的所有权转移到移动式集装箱吊运车。对移动式集装箱吊运车进行定位并使集装箱脱离以确定X、Y位置。例如，与PTIU 58一同操作的其它检测器可以用于确定Z位置，这将在下文详细描述。可以把脱离的移动式集装箱吊运车的位置转换为海湾、单元、层位置或其它的集装箱位置，并为码头操作系统24进行更新。
上述系统还可以用于货船或铁路至车轮这些流程，其中港岸起重机OCR或铁路OCR入口自动地捕获集装箱ID。集装箱和UTR基于UTR检测器的扫描和定位而自动地进行关联。在底盘车脱离后可以记录UTR的位置，而且UTR自动示出可以用于下一次分配。UTR的脱离位置可以被转换为集装箱的行位置或开口位置，并且为TOS进行更新。
位置跟踪接口单元(PTIU)58可以位于UTR、侧面装载机、顶部装载机、外伸堆垛机、跨车、RTG和其它集装箱输送装置，而且能够通过标签28把装置检测器数据发送到实时定位系统20以便服务器22进行处理。通过为集装箱输送装置提供通用平台，能够简化检测器的传输。PTIU 58可以监测：哪个装置正在移动、谁在使用该装置(利用操作员登录)、该装置在做什么(例如空载或移动集装箱)以及其它诊断数据(例如装置操作期间的燃料等级)。PTIU 58能够对允许实时定位系统20进行更新的事件做出响应，其中所述更新是对特定装置在PTIU 58向标签28发送数据时所做的事情进行更新。例如，当RTG的操作员移动RTG横杆时，不会向实时定位系统20发送事件。然而，当操作员把横杆固定到集装箱上时，因为这个事件影响了集装箱存货的位置，所以PTIU58把这个事件数据发送到实时定位系统20。
PTIU 58能够监测任意所需的检测器，并对影响集装箱存货的恰当事件做出响应。例如，对于顶部装载机或RTG来说，固定集装箱和移动集装箱这两个事件可以是类似的，尽管检测器认为这是不同的事件。对于UTR来说，所监测的事件可以是第五车轮接合/脱离以及出现集装箱。取决于集装箱输送装置，所用的事件和检测器可以不同。
作为定位处理器的服务器可以包括适合的软件，用于对从PTIU 58接收到的数据进行处理，例如提供与位于海域码头中的每一种集装箱输送装置的签名处理控制台相对应的开放式计算机窗口。可以把码头中的X、Y、Z位置转换为行、海湾、单元和层位置以得到集装箱的新位置，并把这个新位置传递给码头操作系统24。图7中示出了集装箱堆垛控制台的开放式计算机屏幕的示例，由虚线所选择并指示的那样，图中示出了窗口顶部不同的集装箱位置的布局，以及窗口下部堆放的集装箱的等比例表示。还可以与UTR驾驶员或其它集装箱输送装置操作员共享位置信息，而且用户接口可以由图8所示的调车机车用户接口来实现。
如上所示，所述系统和方法中开发的实时定位系统20能够利用上文所述的端口设备50来识别到达海运码头的ISO集装箱，并且当按照有轮操作把这些集装箱储存到分级堆放场中的平板拖车(例如底盘车)上时，对这些集装箱进行定位。如上所述，集装箱可以通过正门到达并由端口设备50进行扫描，或如上所述通过铁路到达并由移动式集装箱吊运车进行装载，或是通过货船到达并按照与铁路过程类似的过程由UTR-拖拉底盘车上的起重机进行装载。例如，由进入的货运驾驶员(运货员)或码头工人旅馆主人(longshoreman hosteller)(UTR)驾驶员把这些“有轮”集装箱停放在堆放场中。实时定位系统20对位于堆放场中的所有有轮集装箱的经常更新的ID和位置进行维护。
多数有轮操作使用加有标签的底盘车。位于非占用底盘车上的到达堆放场的集装箱可以由“顶部拾取机”(例如也被称作“顶部拾取机横杆(spreader)”)装运机进行卸载并堆放到“地面”上，从而外面的运货员可以在离开时带走底盘车。图9示出了具有标签的货运牵引车600以及海运码头所拥有的带有标签的底盘车602。所示的顶部拾取机604位于水平顶部拾取机横杆605内并用于抓取集装箱，而且大体上在26示出了定位接入点(LAP)。天线杆606支撑所述LAP。天线杆606和LAP可以包括GPS单元。优选地使用X、Y、Z坐标系中的集装箱准确位置来表示“地面堆垛”中的每一个集装箱的ID和位置，特别是当如图10所示存在多个堆放的集装箱时。图10中，大体上在610处示出了以“四层高”堆放的满的集装箱，而且大体上在612处示出了以“五层高”堆放的空的集装箱。
如图11中的位置线620所示，地面上的集装箱通常(但不总是)把它们的位置标记在过道上。在一个非限制性示例中，集装箱的宽度为8.5英尺、高为8.5至9.5英尺、长为20英尺、40英尺、45英尺和48英尺。大体上如两个集装箱堆垛之间的间隔622所示，任意的顶部拾取机装运机所形成的堆垛之间的间隔典型地具有大约为1.5英尺的最小值，以便具有更大间隔的移动式集装箱吊运车容纳由铁路管理的装运机。在一个非限制性示例中，空的集装箱堆垛高为5个集装箱，由于美国不会出口许多集装箱，因而空的集装箱典型地占发送集装箱中大约80％。满的集装箱可以堆放到4个集装箱那样高，而且堆垛深度是可变的。通常为了末端上具有端口设备的顶部拾取机横杆在集装箱之间保留1.5英尺的间隙622，所述横杆必须与区域相适合并且不会受到损害。粉笔画出的轮廓620示出了所标记的集装箱存储区域的轮廓。
可以快速地执行装载和卸载操作，在一个非限制性示例中，允许在小于两秒的时间内捕获与装运机位置有关的集装箱位置以避免错误。如图12所示，顶部拾取机横杆上的最高固定点630高于第三层集装箱的顶部(大约30英尺)。由于世界上多数海运码头采用地面作为堆放空间并考虑输入/输出效率，卸到地面的操作正在变得越来越重要。
尽管集装箱上能够包括标签，根据本发明一个非限制性示例的系统和方法能够从与集装箱输送装置的实时关联中推断出集装箱的位置，所述集装箱输送装置把集装箱放置到地面上的堆垛和承运底盘车，而且还可以把集装箱从地面上的堆垛和承运底盘车移去。图13示出了：天线定位接入点650；堆放的8又1/2英尺的集装箱652；顶部拾取机横杆654上18英尺的垂直鞭状天线，其中在顶部拾取机横杆上所示的点656处安装该天线；以及9又1/2英尺的集装箱660。如下文所述，用于标签发射的鞭状天线可以改为由支持标签组的天线杆形成。作为询问器的端口设备50可以位于大体上在662处所示的顶部拾取机横杆条的每一端上，用于对位于承运底盘车上的标签进行扫描。
应当理解的是，装载机上的检测器可以在发生动作时(Z维数值)指示集装箱的放置、集装箱的释放和机械爪的高度。可以使用标签28把这个信息与来自PTIU 58的遥测数据一同发送，同时把集装箱输送装置的位置与事务处理数据相关联。作为询问器的端口设备50感应到底盘车标签和/或货运牵引车标签的闪烁，从而把集装箱ID与来自装载机标签的数据相关联。
非海运码头底盘车可以由不具有标签的货运牵引车牵引，而且可以在码头，利用涂有的在事务处理期间获得的集装箱编号的照片，采用手工登记的方式进入码头。如果在底盘车放置期间没有检测到感应到恰当端口设备ID的端口设备50，那么可以通过形成实时定位系统20一部分的局域网自动地向集装箱输送装置请求这个照片。可以使用光学字符识别(OCR)，但由于使用OCR的大门操作仅证实了大约为95％的扫描成功率，所以可能不希望使用OCR。此外，装载机的振动甚至可能比稳定的大门扫描仪更会降低OCR的性能。装载机快速移动所创建的两秒钟关联窗口可能导致OCR性能的进一步降低。
由于装载机移动较快，装载机上的标签可能包括标签组以确保瞬时定位精确度。例如，作为RF发射机的3个标签28可以同时由遥测单元根据识别的装载机事务处理而触发。这些标签可以设置为大约600毫秒的最小触发延迟，且触发器上具有标准多标签扫描高频抖动。每一个标签可以产生4个通常具有125毫秒抖动间距的子闪烁，创建了短脉冲串窗口中的最大时间分集。三个四分之一波长的标签28a、28b、28c可以安装在三角形安装板670的角落旁，形成了图14所示的平衡。这个平板670提供了地平面，并防止了集装箱下面的反射。在一个非限制性示例中，平板670安装在杆654上。标签的间隔典型地为大约1/4波长。这种配置可以为空间分集提供天线辐射体水平线以下的最小化射频辐射。这个配置还可以最小化来自发射点高度以下的集装箱和其它金属物体的一些多路。三个RF发射机还能够提供一些滤波。
由于装载机的位置必须尽可能地精确，所以对于现有的实时定位系统20的基础结构来说，优选实施例中来自装载机标签的典型RF发射应当是瞄准线。这一点是通过把装载机上分离的天线杆654提升至高于堆放的集装箱的顶平面来实现的。可以使用用作海运码头中堆放场灯光柱上的垂直分集的现有18英尺玻璃纤维天线杆。三角形安装板670的顶部支撑着标签和用于附加到顶部拾取机横杆的最高固定位置的新支架。移动式集装箱吊运车较高，而且杆应当清除周围的装运机结构。为了克服高架障碍，可以为顶部拾取机横杆设置一些机械弹性，例如维护车库门以及高架工具和传送机。GPS传感器670也可以位于杆654上，用于提供额外的定位能力和冗余覆盖。当GPS被阻塞时，可以使用RTLS 20或同时使用GPS和RTLS 20。如果RTLS基础结构被阻塞，那么GPS可以提供定位。
图15和16示出了两幅具有18英尺的天线杆654的顶部拾取机横杆605的视图，天线杆654具有用于安装天线的条杆680，还示出了端口设备50的安装点682(图16)。因为底盘车上的集装箱加有标签一端的方向是未知的，所以端口设备50应当安装在顶部拾取机横杆605的两端，即机械爪605a和605b处。端口设备50应当安装在横杆和平板下，以防止在放置到堆垛和从堆垛移去操作期间受到相邻集装箱的损坏。端口设备天线的电子连接应当是足够灵活的，以容纳20英尺至45英尺的集装箱宽度输送。
典型地，地面堆垛的定位精度应当是：集装箱长度为大约+/-10英尺(对于20英尺的集装箱来说)，集装箱宽度大约为+/-4英尺。典型地，堆垛的Z尺寸最大为大约5个集装箱高度。有时候，暂时把集装箱放到被标记的地面堆垛之外的区域中。由于不在堆垛中，所以应当标识这些集装箱，但是实际的定位指示可以仅是地带(zone)。端口设备50可以用于把海运码头底盘车和/或加有标签的货运牵引车上的集装箱与装运机相关联。如上所述，与未加有标签的运货员牵引的底盘车上的集装箱进行关联是一种挑战。这可以由顶部拾取机结构以及牵引车、集装箱和底盘车的组合而得出。
在一个非限制性示例中，对到达加有标签的海运码头底盘车和/或由加有标签的运货员所牵引的集装箱进行跟踪，OCR或视频摄像机不需要进行未加标签的事务处理。
PTIU 58或类似的模块可以连接到顶部拾取机检测器，用于：(a)集装箱拾取(移动)；(b)集装箱释放(放置)；以及(c)操作高度。特殊标签可以包括：(a)数据输入和闪烁触发器；以及(b)50欧姆RF输出连接器。
顶部拾取机上使用的具有安装板670的RF天线杆可以包括三个单元辐射体，这三个单元辐射体由具有足够间隔的三个标签28a、28b、28c形成，用于：(i)最小化耦合和图案失真；(ii)足够的空间分集；以及(iii)天线杆上顶部支架的最小覆盖。这个RF天线还可以包括朝上的半球状图案和足够长的杆，其中所述半球状图案具有平衡的水平线之下的最小辐射，而且所述杆比最高的集装箱堆垛面高出两英尺。特殊的端口设备50可以用于顶部拾取机，并包括不同的电路和结构功能，例如：(a)pot and shock mount电子电路；(b)单独的天线；(c)横杆末端的弹性连接电缆；(d)天气防御；(e)损坏保护；以及(f)验证环境中的端口设备覆盖范围。
磁罗盘和惯性导航技术都可以用于对装运机位置信息进行优化。专用的定址算法可以用于：(a)对地面堆垛和当不再堆垛中时的地带位置中的所有集装箱进行X、Y、Z定址；(b)可辨别的堆垛放置和移动操作；(c)底盘车和/或货运牵引车上的相关标签，即顶部拾取机放置或移去的集装箱的集装箱ID；以及(d)标签组中相关的三个标签，与每一个顶部拾取机事件相关联以便提高定位精确度，允许在小于1.5秒的窗口中发送闪烁。应用软件可以用于对地面堆垛中和存储在资源管理器中的所有集装箱进行定位，还可以根据平面图像放大来等比例地显示精确当前形式的堆垛中的集装箱。
本领域的技术人员可以想到多种修改和本发明的其它实施例，这些修改和实施例具有上文描述和附图中所表现出的教导的益处。因此可以理解的是，本发明不限于公开的特定实施例，修改和实施例将会包括在所附权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种用于跟踪容纳于码头内的货物集装箱的系统，包括：
标签发射机，适于放置在集装箱输送装置上，并可操作用于基于所述集装箱输送装置的输送而影响集装箱位置的事件来发送无线RF信号；
多个分离的接入点，位于码头内的已知位置，用于从所述标签发射机接收无线RF信号；以及
处理器，可操作地与定位接入点相连，用于在发生所述事件时在地理上定位所述标签发射机并确定集装箱的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括传感器，所述传感器适于安装在所述集装箱输送装置上并与所述标签发射机一同操作，用于感测事件并向所述标签发射机发送数据，以便发射事件数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述传感器可操作地用于感测集装箱的移去、放置或释放以及位于集装箱输送装置上的任意机械爪的高度，所述高度用于指示在将集装箱与其它集装箱一同堆放时所堆放集装箱的高度。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述传感器可操作地用于感测牵引车与具有集装箱的底盘车的断开，或感测牵引车的换向。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括天线杆，所述天线杆适于安装在所述集装箱输送装置上，并把所述标签发射机支撑在比任意集装箱堆放高度都要高的高度上，从而允许向任意的定位接入点进行无线RF信号的瞄准线发射。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述标签发射机包括间隔足够距离的三个RF发射机，从而允许空间分集并最小化耦合和图案失真。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述三个RF发射机的间隔大约为四分之一波长到一个波长。
8.根据权利要求5所述的系统，还包括安装板，所述安装板把所述标签发射机支撑在所述天线杆上，并形成地平面。
9.根据权利要求5所述的系统，还包括全球定位传感器，所述全球定位传感器安装在所述天线杆上并与所述标签发射机一同操作，以便发送GPS定位坐标。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述定位处理器可操作地用于关联作为最先到达信号的信号，并执行最先到达信号的微分以定位所述标签发射机。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括询问器，所述询问器放置在码头内，并可操作地用于询问所述标签发射机以开始发射。
12.一种用于跟踪容纳于码头内的货物集装箱的系统，包括：
天线杆，适于由集装箱输送装置支撑；
标签发射机，由所述天线杆支撑并可操作地用于发射无线RF信号，所述RF信号具有用于识别所述集装箱输送装置的数据；
多个分离的接入点，位于码头内的已知位置，从所述标签发射机接收无线RF信号，其中所述标签发射机由所述天线杆支撑在比任意集装箱的堆放高度都要高的高度上，从而允许向任意的定位接入点进行无线RF信号的瞄准线发射；以及
处理器，可操作地与定位接入点相连，用于基于所述集装箱输送装置的位置而在地理上定位所述标签发射机并确定集装箱的位置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述标签发射机包括三个间隔足够距离的RF发射机，从而允许空间分集并最小化耦合和图案失真。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述三个RF发射机的间隔大约为四分之一波长到一个波长。
15.根据权利要求12所述的系统，还包括安装板，所述安装板把所述标签发射机支撑在所述天线杆上，并形成地平面。
16.根据权利要求12所述的系统，还包括全球定位传感器，所述全球定位传感器安装在所述天线杆上并与所述标签发射机一同操作，以便发送GPS定位坐标。
17.根据权利要求12所述的系统，其中所述标签发射机可操作地用于基于所述集装箱输送装置的输送而影响集装箱位置的事件来发送无线RF信号。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括传感器，所述传感器适于安装在所述集装箱输送装置上并与所述标签发射机一同操作，用于感测事件并向所述标签发射机发送数据，以用于事件数据的无线发射。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述传感器可操作地用于感测集装箱的移去、放置或释放以及位于集装箱输送装置上的任意机械爪的高度，所述高度用于指示把集装箱与其它集装箱一同堆放时所堆放集装箱的高度。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述传感器可操作地用于感测牵引车与具有集装箱的底盘车的断开，或感测牵引车的换向。
21.根据权利要求12所述的系统，其中所述定位处理器可操作地用于关联作为最先到达信号的信号，并执行最先到达信号的微分以定位所述标签发射机。
22.根据权利要求12所述的系统，还包括询问器，所述询问器放置在码头内，并可操作地用于询问所述标签发射机以开始发射。
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