Intelligent transport systems in multimodal logistics: A case of role and contribution through wireless vehicular networks in a sea port location
Abstract
The growing complexity of logistics and its importance as a major economic activity has raised the profile of information and communication technology (ICT) as means to improve the levels of visibility, responsiveness and efficiency in supply chains relying in multimodal transport operations. With the use of wireless vehicular networks, Intelligent Transport Systems (ITS) have the potential to shape the future of multimodal logistics. In the absence of sophisticated ICT tools, the potential role and contribution of ITS and in particular wireless vehicular networks play in logistics is investigated in a multimodal case of a port terminal handling bulk material transported by sea, which is unloaded into haulage vehicles. Event flow mapping and network modelling analysis are used to determine the feasibility of ITS to support real-time data traffic related to the exchange of messages, which are representative of the flow of events taking place in multimodal logistics and which can be associated to high-impact capabilities with economic repercussions such as track and trace.
Keywords Multimodal logistics; Sea ports; Road haulage; Intelligent transport systems; Wireless vehicle communications; Dedicated short range communications(DSRC)
1. Introduction
Logistics has become a major economic activity comprising the process of planning, implementing and controlling the efficient, effective flow and storage of goods, services and related information from point of origin to point of consumption for the purpose of conforming to customer requirements (Council of Logistics Management, 1998). Multimodal logistics has become an important component of logistics worldwide. Hence, in modern deep-sea and short-sea ports, access to other modes of transportation including road, rail, pipeline and air is available. The use of multimodal logistics has been encouraged by government directives and initiatives aiming at making operations more efficient and environmentally friendly. For example, in recent years the European Commission has released a series of calls aiming at the development of short-sea shipping as a sustainable part of the logistics chain as European roads suffer from major congestion problems (DFT, 2007). In Northern Europe, the significance of multimodal logistics can be seen in the growing importance of short-sea shipping comprising regular liner services and ferries operating fast, reliable and flexible connections that carry a wide range of cargos in different types of vessels, including charter vessels for transport of bulk steel and construction materials, between terminals in the region as well as Roll On–Roll Off (Ro–Ro) operations including finished vehicle logistics (DFT, 2007). The efficient management of multimodal logistics would be difficult to achieve without the support of sophisticated information and communication technology (ICT). There is a need of developing electronic logistics management systems, and other applications that can be used to ensure and enhance safety and security and to simplify administrative and customs procedures (DFT, 2007).
In recent years, sea ports have consolidated their position as premier locations for complex logistics networks. For many countries with some of the most developed economies in the world, ports represent their main access gates for trade and commerce, hence ports are ideal transport nodes to investigate the use of innovative ICT to support multimodal logistics operations. The characteristic of ports to host different modes of transportation is of significant importance as the combination of specific modes may account for the majority of freight movements in a region. According to the European Commission, in 2005 the total volume of tonnage moved in short-sea shipping was of the order of 591 million tonnes. On the other hand, it is possible that the complexity of multimodal operations can result in serious inefficiencies in logistics. Some examples of inefficiencies associated to the use of road haulage and sea transportation include penalties of thousands of Euros when a vessel has to spend an extra day docked in order to get fully discharged, container lorries missing time slots due to delays for loading a container on a ship, haulage vehicles remaining idle or moving discharged goods to the wrong depot/warehouse within the port.
International logistics requires ICT systems that satisfy a diversity of needs as it has been agreed that international logistics is practically mostly multimodal and involves a number of different players that underline the challenge of implementing information services that work to serve the needs of the whole logistics chain (Leviakangas et al., 2007). ICT has become an essential part of the rapid and accurate transfer and processing of enormous volumes of data by international transport firms and port organizations (Kia et al., 2000). Indeed, logistics and transportation are totally dependent on ICT as Stefansson (2002) indicates that the flow of information is essential for carrying out an effective and efficient movement of consignments and using more advanced technology and data sharing it is possible to increase the resource utilization and thus reduce costs. Despite the wide recognition of the importance of ICT in logistics and transportation, Ngai et al. (2008) highlights that little empirical research has been conducted to study the use of information technology applications to support logistics operations. Furthermore, it is expected that emergent technologies may also have a significant impact on already complex multimodal logistics. This is particularly important as Kengpol and Tuominen (2006) highlight that new technologies have
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多式联运物流中的智能运输系统: 在海港位置通过无线车载网络发挥作用并做出贡献的案例
摘 要
物流日益增长的复杂性及其作为主要经济活动的重要性，提高了信息和通信技术（ICT）作为提高依赖于多式联运业务中供应链可见性、响应性和效率水平的手段的形象。随着无线车载网络的使用，智能运输系统（ITS）有潜力塑造多式联运物流的未来。在缺乏先进的信息和通信技术工具的情况下，以港口码头装卸到拖车上的散装物资的多式联运为例，研究智能运输系统，特别是无线车载网络在物流中的潜在作用和贡献。事件流映射和网络建模分析用于确定ITS支持与消息交换相关的实时数据流量的可行性，它们代表了多式联运物流中发生的事件流，可以与具有经济影响的高影响能力相关联，如跟踪和追踪。
关键词 多式联运物流；海港；公路运输；智能运输系统；无线车载通信；专用短程通信（DSRC）
１.引言
物流已成为一项主要的经济活动，包括计划、实施和控制货物、服务和相关信息从原产地到消费点的高效、有效的流动和存储的过程，以符合客户的要求（物流管理委员会，1998）。多式联运已成为世界范围内物流的重要组成部分。因此，在现代深海和近海港口，可以使用其他运输方式，包括公路、铁路、管道和航空。政府旨在提高业务效率和环境友好性的指示和倡议鼓励使用多式联运物流。例如，近年来，欧盟委员会发布了一系列呼吁，旨在发展短途海运，将其作为物流链中的可持续的一部分，因为欧洲道路面临严重的拥堵问题（DFT，2007）。在北欧，多式联运物流的重要性体现在短途海运日益增长的重要性上，包括定期班轮服务和渡轮，通过快速、可靠和灵活的连接，用不同类型的船只运载各种各样的货物。包括该区域各码头之间运输散装钢材和建筑材料的包租船只，以及包括成品车辆物流在内的滚装（Ro-Ro）运输业务（DFT，2007）。如果没有先进的信息和通信技术（ICT）的支持，多式联运物流的有效管理将难以实现，有必要开发电子物流管理系统和其他应用程序，以确保和加强安全和安全，并简化行政和海关程序（DFT，2007）。
近年来，港口巩固了其作为复杂物流网络首选地点的地位。对于许多拥有世界上一些最发达经济体的国家来说，港口是它们贸易和商业的主要门户，因此，港口是研究使用创新的ICT支持多式联运物流运作的理想运输节点。港口拥有不同运输方式的特点具有重要意义，因为特定运输方式的组合可能占一个地区的大部分货运活动。根据欧盟委员会的数据，2005年近海航运的总吨位约为5.91亿吨。另一方面，多式联运操作的复杂性也可能会导致物流效率的严重低下。与公路运输和海运相关的效率低下的一些例子包括：船只不得不额外停靠一天才能完全卸货，会被处以数千欧元的罚款；集装箱卡车因集装箱装船延误而错过时段；拖车闲置或将卸货运到港口内错误位置的仓库。
国际物流需要满足多样化需求的ICT系统，因为人们一致认为，国际物流实际上主要是多式联运的，涉及许多不同的参与者，这突显了实施服务于整个物流链需求的信息服务的挑战（Leviauml;kangas等人，2007）。ICT已经成为国际运输公司和港口组织快速、准确地传输和处理大量数据的重要组成部分（Kia等人，2000）。事实上，物流和运输都完全依赖于ICT，如Stefansson（2002）指出，信息流对于进行货物有效、高效的运输至关重要，使用更先进的技术和数据共享可以提高资源利用率，从而降低成本。尽管人们广泛认识到ICT在物流和运输中的重要性，Ngai等人（2008）强调，很少有实证研究对信息技术应用支持物流业务的使用进行了研究。此外，预计新兴技术也可能对本已复杂的多式联运物流产生重大影响。这一点尤为重要，因为Kengpol和Tuominen（2006）强调新技术已经影响了物流管理的实践和意义。例如，Dullaert等人（2009）关于道路运输和内陆航行相结合使用的多式联运的工作认识到需要一个通信平台，以便能够整合和共享供应链中的业务信息，并缓解诸如移动数据连接的低可靠性和质量不高等问题。
他们设想的解决方案包括一个实时决策支持系统，在该系统中，智能软件代理处理通信任务，使用公共交换协议在不同用户之间交换所需的信息量，这些协议充当不同系统之间的翻译。
为了应对港口的战略重要性，近年来在信息和通信技术方面进行了大量投资。例如，随着信息和通信技术（ICT）的采用，港口技术正在变得更加先进，如龙门起重机上的GPS系统、用于码头规划的ICT支持、自动引导车辆的路径以及用于堆放集装箱和开具发票的设备（Neade，2008）。但是人们对港口使用ICT的关注并不是从最近才开始的。例如Kia等人（2000）研究了信息技术的重要性及其在改善货物装卸作业系统中的作用。他们使用一个模拟模型比较了一个装有电子设备的集装箱码头和一个没有电子设备的集装箱码头的生产率。模拟的结果提供了证据，有助于解释为什么集装箱跟踪系统在港口运行的计算机应用程序中具有较高的优先级。
ICT技术包括RFID、GPS设备、蜂窝网络、3G和Wi-Fi，为多式联运物流提供了更强的可视性和连通性。例如，RFID受到了学术界和从业人员的高度重视，可以在文献中找到一些关于RFID应用的研究，其中特别强调提高跟踪和追踪能力。周（2009）的研究强调，跟踪和追踪能力变得如此重要的原因可以与这样一个事实联系在一起：对于许多组织来说，即时了解物品的状态以及了解其经历的过程和涉及的交易历史正变得越来越重要。物品的即时状态包括身份、精确位置、物理状态和其他关键特征。另一方面，使用异构技术可能会给依赖它们的业务应用程序带来负担，这主要是因为与可靠性、连接性、范围有限、可伸缩性和安全性有关的问题。
智能运输系统（ITS）有潜力显著塑造多式联运物流的未来，特别是海港运营。事实上，ITS已经成为欧洲和世界其他地区交通管理的下一个重大创举。ERTICO研究项目（2007）将ITS的概念概括为利用先进的ICT技术来减少拥堵和事故，同时通过减少对环境的影响使交通网络更加安全。Zomer和Anten（2008）强调指出，智能交通系统与改善全球供应链设计和运营的重要挑战有关，包括基于实时数据的实时控制，这最终会影响风险和弹性。
在支持智能交通系统的各种技术中，无线车载网络是一个基本组成部分，它将影响未来的运输和物流业务。Akaiwa（1997）指出，无线车载网络的日益增长的重要性与移动无线通信的普及和增长直接相关。无线信道建模技术的进步和随后复杂的数字传输方法的发展使提供高数据速率通信成为可能，同时须遵循严格的服务质量（QoS）要求。
港口多式联运物流业务日益复杂，特别是海上运输和公路运输之间的相互依存关系，是探索有效利用信息和通信技术（ICT）的有力理由。特别是ITS的关键组成部分，如无线车载网络，可以影响供应链，需要更多的关注。
在以下章节中，我们将回顾ITS的发展、港口作业的性质以及ITS对多式联运运作的潜在影响。
本文讨论了所采用的目标和研究方法，随后对一个工业案例进行了分析，该案例用于说明ITS通过专用短程通信（DSRC）形式的无线车载网络对多式联运物流的作用和贡献。本案例涉及使用事件流、绘图和网络模拟，详细研究港口码头中散装物料的倾倒作业，以论证无线车载网络支持数据交通的可行性。这代表了在复杂的多式联运物流作业中所需的跟踪和追踪能力，例如在海港进行的物流作业。
2.智能交通系统（ITS）、无线车载网络以及影响多式联运的可能性
近年来，ITS成为了一项倡议，它不仅将通过启用车辆到车辆（V2V）和车辆到基础设施（V2I）的通信来改变交通运输，而且也影响到物流运作的整体效率。事实上，人们已经认识到，在物流中，ITS在实现无纸化信息流方面发挥着重要作用；然而，ITS在实现可靠、灵活、绿色、可持续、安全和有保障的物流中所发挥的关键作用尚未得到充分的研究（Zomer和Anten，2008）。当前和即将出台的欧洲货运行动计划并没有充分认识到ITS在物流中发挥的独特和关键作用（Zomer和Anten，2008），因为目前对ITS的研究大多集中在交通控制、事件检测和事故预防上。
依赖于无线车载网络的ITS有可能成为一个平台，可以克服与技术扩散相关的问题，如可靠性、连通性、有限的覆盖范围、可扩展性和安全性。根据Shanbaq（2007）的说法，这一点很重要，由于使用了许多不同的新技术，现代公司正经历数据过载，并正在寻求一种统一的态势感知操作模式。
近年来，交通领域的学术和从业人员已经开始强调无线车载网络的重要性。例如，移动自组织网络包括使车辆能够与其附近的其他车辆通信所需的智能基础设施，以及提供智能控制和安全应用以及基于位置的服务的基础设施（Blythe，2005）。Jiang和Delgrossi（2008）强调，车辆环境对当今的无线通信系统提出了一系列新的要求。人们强调，在与道路上遇到的其他车辆通信之前，车辆安全通信应用不能容忍长时间的连接建立延迟。类似的，非安全应用也需要与提供服务的路边站点建立有效的连接。未来，码头运营商和公路运输公司将受益于这类网络提供的服务，从而更有效地在港口内处理货物。
在ITS领域，5.9 GHz的专用短程通信（DSRC）有望成为可靠的无线车载网络平台，不仅支持道路安全需求，还支持物流作业等非安全应用。DSRC基于IEEE 802.11p标准，旨在处理不同类型的服务应用，包括将安全和非安全信息传输到两种模式：V2V和V2I。
关于设置无线车载网络的考虑因素，在DSRC中传输的消息有两种类型：用于车辆环境的无线接入（WAVE）短消息（WSM）和IPv6业务。WSM消息涉及假定实时传播的低延迟和关键安全相关消息，而IPv6流量通常与商业服务有关，如下载数据流。为了允许互联网协议（IP）流量，IP地址的发现（WAVE，2005）通过生成一个带有媒体访问控制（MAC）地址和当前路边基础设施通告的IP前缀的全球IP地址来实现（Farradyne，2005）。为该IP地址分配一个定时器值，当定时器超时时，该IP地址将不再有效。如果车辆连接到新的路边基础设施，则必须生成一个基于新IP前缀的新IP地址。
DSRC的发展旨在为智能高速公路提供高质量的路边车辆通信服务（Cai和Lin，2008）。该技术的部署可以满足多种需求，包括无缝信息交换、信息交换的安全性和完整性，或准确预测旅行时间的能力（Nyquist和Bergsten，2008）。有文献表明，DSCR技术在市场上的大多数重要应用中，包括探测数据、里程用户费用、指示牌、通行费、交通数据和V2V安全，其性能优于蜂窝和卫星系统（Marousek等人，2008）。
在5.9 GHz下运行的DSRC车辆网络的硬件组件包括车载单元（OBus）、路边单元（RSUs）和信息交换机，这是发展ITS物流能力的基础。其他组件包括网络管理单元、证书认证机构和地图服务器。车载单元（OBU）包括安装在车辆内的硬件模块，包括5.9 GHz DSRC收发器、GPS定位系统、应用服务处理器和人机界面（HMI）。在OBU处生成的广泛应用程序可以被格式化为IP业务，并使用可用的DSRC服务信道进行传播。路边单元（RSU）被认为是固定基础设施和车辆之间的通道。RSUs包括DSRC收发器、GPS定位系统、应用处理器和连接到固定网络的路由器。RSUs包括道路、收费、停车管理和商用车辆检查。RSU在其无线电传输范围内定期广播广告信息，使邻近车辆知道它的存在。消息交换机的功能是处理和解析要到达任何网络元素的所有数据。它还根据消息的优先级执行消息管理和订阅操作，以实现高效的带宽分配。
目前DSRC技术已商业化应用于电子收费（ETC）应用（Cai和Lin，2008）。DSRC技术的另一个用途包括建立无缝的路边通信系统，因为它可以用于移动信息传输（Cai和Lin，2008）。道路安全一直被视为DSRC的主要用途。欧盟（EU）制定了一个雄心勃勃的减少交通死亡人数的目标。根据Alexander和Ippoliti（2007）的研究，如果欧盟认为DSRC技术可以为实现这一目标做出重大贡献，那么很可能会出台财政或立法激励措施来部署必要的基础设施。在各国政府的赞助下，DSRC可以成为下一个通过车辆和道路基础设施之间的信息交换实现ITS的平台。
考虑到ITS的广泛影响，近年来，研究人员和从业者已经开始研究ITS和无线车载网络的经济影响和效益。Kim和Kang（2007）指出，提供实时交通信息是有效实施ITS的关键。因此，他们专注于对韩国城市公交信息系统（CBIS）和ETC系统中ITS应用DSRC的近期技术趋势进行经济评估。
关于ITS的社会经济影响的研究，Juan等人（2006）在成本效益分析是评估智能交通运输系统和其他运输工程项目的主要方法的情况下，介绍了一个案例研究，以演示如何使用数据包络分析来分析车队驾驶系统的社会经济影响。
采用车载远程信息处理和通信解决方案的持续增长，可能是扩大采用基于DSRC无线车载网络技术的ITS服务的主要催化剂。目前，欧洲约有70万商业远程信息处理用户，到2012年，这一数字可能会超过170万（Marousek等人， 2008）。预计商业远程信息服务的收入将从2006年的4.12亿美元上升到到2012年的9亿美元（Practel，2008）。
在考虑在港口等位置部署无线车载网络时，安全性也是一个需要评估的因素。Coronado Mondragon等人（2009）在研究在多式联运物流环境中使用无线车载网络作为提供增强可见性和连通性的手段的可行性时，提出了安全接入架构的建模。这一点非常重要，因为下一代无线车载网络的部署需要安全的接入架构来提供高度的安全性。
海港代表着场地，当海港进行复杂的物流作业时，这些场地会受到无线车载网络的重大影响。现代海港可能包括几千平方米的区域，泊位长度足以容纳运载各种货物的大型船舶。例如，香港葵青货柜码头的泊位长度为5000米，可
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