冷藏集裝箱管理信息系統設計與實現

徐文榮，石 嶺，黃敏珍，田漢宇，李曉明

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著我國產業結構的優化升級及生鮮電商的崛起，食品藥品安全問題引起了大家的廣泛重視。冷鏈物流需求在未來3～5 年內將迅速放量，2019 年我國鐵路冷鏈運量僅占總運量的0.92%[1]，而美國鐵路冷鏈市場份額在2016 年已達到11%[2]。由此可見，我國鐵路冷鏈物流市場很有發展潛力。

冷鏈運輸是鐵路貨運的重要分支，我國鐵路開展冷藏運輸業務相對較早，發展卻相對滯后，場站配套基礎設施缺乏，運輸組織條件和相應的標準不完善。我國使用較為普遍的是機械冷藏車和加冰冷藏車[3]，但這些傳統的冷藏運輸工具已經難以滿足市場需要。冷藏集裝箱是國際標準運輸單元，具有全程控溫、方便靈活、適應性強、能整箱倒裝等優點和多式聯運、門到門的綜合優勢，在全程冷鏈多式聯運中發展迅猛，是鐵路冷藏運輸裝備的發展方向。推廣標準冷藏集裝箱，促進冷鏈物流各作業環節及不同交通方式間的有序銜接是國家冷鏈物流發展的總體要求[4]。

為此，本文針對冷藏集裝箱運輸業務的設備信息管理和監控、實時追蹤的需求，采用遠程監控，綜合應用全球衛星定位、移動通信網絡、物聯網等技術，設計并實現了冷藏集裝箱管理信息系統，對冷藏集裝箱位置、溫度、濕度、電池狀態等信息的接入、回傳及運用情況進行監控和預警，實現冷藏集裝箱資產管理、場地管理及位置追蹤。

1 需求分析

1.1 業務需求

冷藏集裝箱管理信息系統依托多式聯運數據交換平臺，應滿足以下業務需求。

（1）將互聯網監測設備采集的信息傳輸到云服務器，并通過安全平臺傳輸到內部服務網。

（2）實現預警信息從內部服務網到監測設備或云服務器的數據傳輸 。

（3）實現對冷藏集裝箱的資產管理和場地管理，掌握冷藏集裝箱及箱體傳感配套設備信息和場地的使用情況。

（4）實現對冷藏集裝箱設備的狀態、位置、主要信息和相關參數的查詢。

（5）實現冷藏集裝箱位置追蹤功能，對冷藏集裝箱位置分布、在站停時、在途位置等信息進行管理。

（6）根據冷藏集裝箱信息和運行狀態提供各類統計報表，報表可按字段進行分類查詢、排序和統計。

1.2 數據需求

1.2.1 設備信息數據

冷藏集裝箱設備信息分為箱體信息、制冷機組信息、鋰電池信息。箱體信息包括箱號、生產廠家、出廠日期、箱門開關狀態、箱內溫度、箱內濕度、箱外溫度、箱體運行位置和運行速度、監控電池電量等。制冷機組信息包括制冷機組型號、生產廠家、開關機狀態、監控電池電量、開機后的出風溫度、回風溫度等。鋰電池信息包括鋰電池型號、產品編號、生產廠家、開機后的供電電壓、電流、電量、電池溫度等。

冷藏集裝箱設備信息需由冷藏集裝箱管理系統集中統一管理，并能實時查詢，查詢方式簡單且多樣，查詢結果直觀、一目了然。

1.2.2 運用信息數據需求

冷藏集裝箱運用信息分為載貨信息、遠程監視信息、遠程控制信息。載貨信息包括貨物種類、控溫要求、發站、到站、裝箱時間、掏箱時間等。遠程監視信息包括集裝箱運行位置、運行速度、冷機出風溫度、回風溫度、鋰電池供電電壓、電流、鋰電池電量、電池艙溫度、故障報警等。遠程控制信息包括遠程開/關機、遠程溫度設置、故障報警時間、故障代碼消除等。

冷藏集裝箱運用信息需由冷藏集裝箱管理系統實時、安全地傳輸到內部服務器并能回傳，進行監控，同時，對監控信息和設備信息進行關聯查詢，查詢結果顯示在一個界面。

2 系統設計

2.1 設計目標

冷藏集裝箱管理信息系統能夠對鐵路貨物冷藏運輸過程中的冷藏集裝箱進行全過程定位和實時追蹤，達到米級車輛定位精度，實現精準調度，加快冷鏈物流服務資源整合，實現運輸一體化和多式聯運，有效提高鐵路冷鏈運輸的時效性，縮短運輸周期，提高運輸組織效率，降低運營成本。

2.2 系統數據架構

冷藏集裝箱管理信息系統的數據架構如圖1 所示。從圖1 中可以看出，冷藏集裝箱配有監測設備，能夠對冷藏集裝箱進行實時監控和信息采集。這些采集到的信息通過互聯網實時傳輸，其中，監控數據、監測裝置數據、監測共享數據、電池監測數據等先傳輸到多式聯運數據交換平臺，再通過中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）安全平臺傳輸到鐵路內部服務網。

圖1 系統數據架構

（1）通過多式聯運數據交換平臺，冷藏集裝箱管理信息系統可以對數據交換進行管理和監控，并進行統計、分析、展示等數據可視化應用。

（2）通過安全防護邊界——安全平臺，為冷藏集裝箱管理信息系統提供數據保護，避免黑客攻擊，防止數據丟失。

冷藏集裝箱管理信息系統的數據架構能夠實現數據共享和交換，打通全過程物流信息鏈，優化整體作業，加速信息流轉。同時，該系統能夠實現信息的實時傳輸，顯著提高物流運輸效率，降低物流運輸成本，促進“節支降耗”。

2.3 系統功能設計

冷藏集裝箱管理信息系統由數據傳輸與監控、設備管理、設備預警和綜合應用這4 個功能模塊組成，如圖2 所示。

圖2 系統功能結構

（1）數據傳輸與監控

數據傳輸：提供可視化管理界面，對外部用戶、數據交換、傳輸頻率、用戶認證等進行管理。

數據監控：提供可視化數據交換監控界面，監控交換報文的生成、解析、推送、流量等信息。

（2）設備管理

設備信息：管理冷藏集裝箱數據，具體有設備號、箱體信息、制冷機組信息、鋰電池信息等。

設備實時狀態信息查詢：管理通過多式聯運數據交換平臺的冷藏集裝箱所有設備實時狀態信息，具體有設備號、運行狀態、回風溫度、除霜溫度、電池倉溫度、速度、電池容量、開關機狀態、蓄電池電壓、門開關狀態等。

位置追蹤查詢：查詢冷藏集裝箱所有設備在某個時間段的軌跡，并在電子地圖上標注其軌跡。

位置分布查詢：查詢冷藏集裝箱所有設備的位置，并在電子地圖上加以標注。支持單獨查詢某個冷藏集裝箱，也支持批量查詢冷藏集裝箱。

場地管理：查詢冷藏集裝箱的所有設備在某個時間段的在站位置和空重狀態、作業狀態等，以表的形式進行展示。

（3）設備預警

設備預警對冷藏集裝箱運用情況進行監控，對監控數據超過閾值的設備報警提示。

（4）綜合應用

根據冷藏集裝箱設備信息和運行狀態提供各類統計報表，報表可按字段進行分類查詢、排序和統計。

冷藏集裝箱管理信息系統的應用界面如圖3 所示。冷藏集裝箱電池電壓、電池電量、電池電流等信息以表盤的形式進行展示。冷藏集裝箱開關門狀態、箱內和箱尾溫度、電池溫度、制冷機組狀態、電池狀態等信息以圖的形式進行綜合展示。設備告警情況以表的形式進行展示。冷藏集裝箱的實時軌跡和歷史軌跡以電子地圖的形式進行直觀顯示。

圖3 系統應用界面

2.4 網絡設計

冷藏集裝箱管理信息系統的網絡結構如圖4 所示，由外部終端接入、外部服務網和內部服務網3層組成。其中，外部終端接入層包括監測傳感裝置；外部服務網包括云服務器、多式聯運數據交換平臺；內部服務網包括接口服務器、應用服務器、數據庫服務器等。

圖4 系統網絡結構

（1）外部終端接入層

冷藏集裝箱車體配備遠程監測裝置，基于GSM/GPRS 網絡和衛星定位系統實現精準定位，箱內溫度、濕度、電池狀態、制冷機組門開關等多項監控信息通過互聯網實時上傳到云服務器。

（2）外部服務網

外部服務網包括云服務器和多式聯運數據交換平臺。冷藏集裝箱的監控數據由云服務器傳輸到多式聯運數據交換平臺，實現冷藏集裝箱監控信息的接入。

（3）內部服務網

內部服務網包括接口服務器、應用服務器、數據庫服務器等。多式聯運數據交換平臺將冷藏集裝箱監控信息通過國鐵集團安全平臺傳輸到內部服務網，實現鐵路內外網間的數據傳輸，保證數據的安全。

3 功能實現

3.1 冷藏集裝箱監控信息接入

冷藏集裝箱管理信息系統依托多式聯運數據交換平臺，實現了冷藏集裝箱監控信息接入。通過多式聯運數據交換平臺打通了鐵路、公路、港口之間的信息壁壘，實現了鐵水聯運、公鐵聯運等信息的共享與交換[5]，信息的及時傳輸顯著提高了物流運輸效率，降低了物流運輸成本。

3.2 冷藏集裝箱追蹤

冷藏集裝箱管理信息系統利用地理信息技術，實現冷藏集裝箱追蹤。利用射頻識別、條形碼掃描、車載衛星定位系統和可視化手段實現物流智能配送[6]，通過車載衛星定位系統，對鐵路貨物運輸過程中的冷藏集裝箱全程定位和實時追蹤，并在電子地圖上直觀顯示冷藏集裝箱運行軌跡，實現米級定位精度和精準調度，方便用戶及時、準確地掌握貨物運輸信息，提高冷藏運輸時效性與管理效率，提升服務品質和鐵路物流的服務競爭力，推動鐵路貨運加快向現代物流轉變。

3.3 可視化展示

冷藏集裝箱管理信息系統采用規范接口標準，實現多種可視化展示技術應用；制訂了冷藏集裝箱箱體、電池、制冷機組等設備信息、冷藏集裝箱載貨信息、遠程監視信息和遠程控制信息的標準數據格式，以及報文傳輸格式，將標準數據接入多式聯運數據交換平臺，實現冷藏集裝箱資產管理和場地管理及位置追蹤；采用表盤、圖形、表格、電子地圖等可視化展示技術，對冷藏集裝箱內電池狀態、開關門狀態、設備狀態和實時軌跡等進行直觀展示。

4 系統應用

課題在研究階段，選取45 英尺、20 英尺、40英尺鐵路鋰電池冷藏集裝箱各2 臺、40 英尺鐵路蓄冷型冷藏集裝箱1 臺，將冷藏集裝箱系統試用于所選集裝箱上，考核系統運用效果，考核時間為1 年。持續1 年的試用考核中，系統運用情況良好，實現了箱內溫度、濕度、電池狀態等信息的接入和遠程監控，并能實時追蹤冷藏箱的位置，提升了冷藏箱市場競爭力。

5 結束語

本文設計并實現了冷藏集裝箱管理信息系統，介紹了系統的數據架構、功能結構和網絡結構，實現了冷藏集裝箱的信息管理、實時追蹤、監控和預警等功能。所設計系統試用于鋰電池冷藏集裝箱和蓄冷型冷藏集裝箱的管理，運用效果良好。隨著冷藏集裝箱的批量生產和投入應用，將進一步研究系統的性能，以使其具有更好的普適性。