Ad hoc网络在集装箱堆场管理上的应用
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摘要：在集装箱堆场中，由于集装箱的数量很大，或翻箱作业等使得很难及时准确掌握集装箱的具置。该文分析了集装箱堆场管理方面的特点和ad hoc网络的特点，提出了一种基于Ad hoc网络的集装箱堆场的无线通信网络的模型及其中的关键技术和问题。通过仿真，可以看出该方案解决了集装箱堆场管理中对集装箱具置的追踪问题。
关键词：集装箱；Ad hoc网络；分簇；路由协议
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)18-4313-03
The Application of Ad hoc Network in Container Yard Management
HOU Ning-ning
(Date of Information Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)
Abstract: In the container yard, due to the large number of containers,it was diffidult to track the container box number timely.In this paper,we analyzed the characteristics of container yard management and the characteristics of Ad hoc network,and we proposed a wireless communication network model of Container yard based on Ad hoc network and discussed some key technologies and issues.The network used the method of clustering on containers, cluster head and cluster members used different routing protocols.By the simulation,we can see this method has solved the problem of extraction and transfer of the containers box number not timely.
Key words: container; Ad hoc network; cluster; routing protocol
由于集装箱运输具有私密性好、环境适应能力强、运输成本低等其他运输方式都不可替代的优势，现在已经成为国际物流的主要运输设备。然而，在集装箱堆场管理中还存在诸多问题：1)工作效率低下、工作方式落后。集装箱的箱号仍然采取人工录用的方式。信息传递不及时、工作量大、差错率高；2)大部分堆场处于凭人工经验作业的状态[1]。针对这一问题，国内外很多学者提出了不同的解决办法，例如利用模式识别、RFID自动识别技术等。但大都局限于集装箱箱号的识别，对于在堆场过程中集装箱位置改变后，如何搭建无线网络准确判断出集装箱的具置成为现在要解决的问题。
本文结合集装箱堆场的实际情况和需要，分析了Ad hoc网络在搭建集装箱堆场无线网络上的优势，提出了一种基于Ad hoc网络的集装箱堆场无线通信模型及需要解决的关键问题，该模型采用对集装箱进行分簇，簇头和簇成员采用不同的路由协议，实现了对集装箱准确位置的追踪。最后在NS2仿真工具上对该模型进行了仿真，且分析了其性能。
在本文的集装箱堆场中，假设每个集装箱都附有一个RFID电子标签[2]，可以自动识别出集装箱的箱号等信息。那么覆盖集整个集装箱的无线网络将采用Ad hoc网络技术。
在Ad hoc网络中，每个节点均可独立地随即移动，在通信范围之内，相邻节点可以直接通信，如果两个节点相距很远，则可以通过它们之间的一个或多个节点的无线转发实现。Ad hoc网络中的每个节点都担负着寻找路由和转发数据的功能。
Ad hoc网络具有以下特点[4]：
1）Ad hoc网络节点可以自由移动，使得移动自组网没有固定拓扑，节点可以随时开机和关机，对系统的稳定性没有影响。因此Ad hoc网络健壮性比较好。
2）Ad hoc网络中没有通信控制中心，节点之间地位平等，通过分层协议和分布式算法互联成网，无需任何预设的网络设施。因此网络具有很强的抗毁性。
Ad hoc网络的这些优点使得它在搭建集装箱堆场无线网络上具有明显的优势。在集装箱堆场中，由于集装箱的加入或撤出，或者由于翻箱作业而使集装箱的位置发生变化，Ad hoc网络可以在不具备有线通信网的情况下快速地搭建起一个稳定可靠的网络通道，及时追踪到变化后的集装箱位置和箱号等信息。
2 集装箱堆场管理中Ad hoc网络解决的关键问题
Ad hoc网络组网灵活、快速。但必须考虑几个关键问题[5]：1)特殊的共享无线信道的方式；2)动态变化的网络拓扑结构;3)节能问题等。在集装箱堆场中由于翻箱作业等导致网络拓扑经常发生变化，因此如何保证网络的稳定性成为了首要问题。本文中主要从网络结构的搭建和路由协议的选取方面来解决这一问题。
2.1 网络结构
Ad hoc网络分为平面结构和分簇结构两种[6]。
在平面结构中，所有节点的地位平等，网络比较简单，无需任何的结构维护过程，但当规模扩大时节点需要维护大量的路由信息，扩展性差；在分簇结构中，网络被划分为簇，每一个簇由簇头和簇成员构成，簇内成员功能比较简单，基本上不需要维护路由，因此扩展性比较好，适用于各种场合。
图1 平面结构 图2 分簇结构
由于在集装箱堆场中，集装箱的数目比较多，且多数情况下排列成规则的立方体形，因此采用分簇结构可以减少因翻箱作业等导致的网络拓扑变化。这样集装箱的加入或撤出只会影响所属簇的拓扑变化，对其他的网络拓扑没有任何影响。
本文中的分簇是以处于同一平面的集装箱为单位进行划分和管理，即处于同一平面的集装箱按照某一规则选举簇头，而处于不同平面的集装箱不会处于同一簇内。在簇内，节点按照作用分为簇头和簇成员节点，簇头负责协调和管理簇内节点以及簇成员之间的通信。考虑到节点的电源能量有限，簇头负责的工作负荷比较大，消耗的能量比较多，如何保证簇头节点正常工作成为首要考虑的问题，因此在簇形成的过程中，采用能量优先的选举原则进行簇头的选举。
2.2 路由协议
有线网络中的路由协议一般都是基于距离矢量或基于链路状态的路由算法，而在Ad hoc网络中，由于节点的移动特征，网络的拓扑结构在不断的发生变化，这些路由算法不适合于Ad hoc网络。如何迅速准确地选择到达目的节点的路由，成为了Ad hoc网络的一个核心问题。目前适合于Ad hoc网络的路由协议，根据路由驱动模式的不同，分为表驱动路由协议和按需路由协议[8]。
在表路由协议中，每个节点需要维护一个或多个路由表，路由表项包括目的节点、跳数和目的序号等，每个节点周期性的与邻居节点交换路由信息，来更新路由表。优点是时延小，比较容易实现路由的优化，但随着网络规模的扩大，表驱动方式要维护大量的路由信息，系统的吞吐量会随之降低。DSDV协议就属于表路由协议。
在按需路由协议中，并不事先生成路由，只是在源节点需要时才这样做。按需路由协议一般分成两个阶段：路由发现和路由维护。当源节点需要到达目的节点的路由而路由表中没有该路由时路由发现才会被激活，路由建立后，就由某种路由维护程序进行维护。优点是吞吐量增加，但时延增大。其中包括DSR协议。
在集装箱堆场管理的Ad hoc网络中，采用的是混合路由的方式，即按需路由协议和表路由协议综合使用的方式。在各个簇内的节点采取表路由协议的方式，而各个簇之间采取按需路由协议。这样可以实现表路由协议和按需路由协议的优势互补，使链路变化限定在局部范围内，从而减少了全网广播的路由开销。在本文中，表路由协议采用DSDV，按需路由协议采用的是DSR。
3 仿真过程和性能分析
3.1 环境配置和性能指标
在本文中，为了描述集装箱堆场管理中的Ad hoc网络的特点，采用的仿真工具是NS2。我们在500×500的区域内放置45个节点，节点的移动方向随即运动，且在仿真之前在TCL脚本中提前设置节点所属的层次号（level_）,无线传输的物理层和MAC层采用IEEE802.11协议，每秒发送一个512字节的分组。假设无线传输是理想的，即无差错和延时。这里我们把本文中的方案称为AOW。
3.2 性能分析
时延和路由开销是网络性能的两个重要参数。时延指的是数据包在网络中的传输时间，路由开销指的是发送数据包所需要的路由信息数。
比较仿真结果可以得出：
从图4中可以看出采用本文中的AOW在时延方面都优于DSDV和DSR，而且从总体上来看，AOW的平均时延比较均衡，主要是因为在本文的AOW中采用了对集装箱分簇的算法，在容易拥塞的节点进行分簇，平均了每个节点所承担任务，减少了后续节点的等待时间。
从图5中可以看出采用本文中的AOW在路由开销方面稍优于DSDV，但与DSR有一定的差距。主要原因是大多数节点是簇成员的状态，采用的协议为DSDV，而簇头的数量有限，因此路由开销会位于DSDV和DSR之间。
通过图4和图5可以看出，本文中所采取的方案部分提高了网络性能，从而在网络拓扑动态变化时，可以减少时延并及时选择合适的路由协议，提高了网络的稳定性。
4 结论
本文结合在集装箱堆场管理中，由于翻箱作业等导致集装箱箱号等信息无法准确追踪的问题和Ad hoc网络的特点，提出了利用集装箱堆场中堆成的规则立方体的形状这一特点，进行分簇且簇头和簇成员采取不同路由协议的方案，为整个集装箱堆场搭建无线网络。从仿真结果来看，该方案部分改善了Ad hoc网络的性能，且解决了集装箱堆场中箱号等信息的提取和追踪的问题，扩宽了Ad hoc网络的应用领域。集装箱堆场管理中的Ad hoc网络QoS保障、移动性管理等也是关键问题，这也是下一步的研究目标。
参考文献：
[1] 李嵬,王新伟,束金龙,等.基于混合优化策略的智能集装箱预翻箱系统[J].计算机应用与研究,2006(2):171-174.
[2] 周受钦,何振威.基于RFID电子标签和无线数据实时传输的集装箱堆场管理系统[J].业界创新园地,2006(9).
[3] 王涛.基于Ad hoc网络的海上移动通信系统的实现[D].大连:大连海事大学,2009.
[4] 唐春年.基于NS2的Ad hoc网络仿真研究[J].信息通信,2008(5).
[5] 花晓菲.基于NS2的Ad hoc网络分群路由协议仿真分析与研究[D].北京:北京交通大学,2006.
[6] 刘长利,徐.一种基于AODV路由协议的分簇算法研究[J].电子对抗,2008(3)
[7] 苟怡.Ad hoc网络应用于煤矿应急救援通信的研究[J].工矿自动化,2010,8(8).
[8] 廖登.基于NS2的移动Ad hoc网络典型网络协议比较[J].邵阳学院学报,2005(3).
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