鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統

楊 楠

(中國鐵路蘭州局集團有限公司 科技和信息化部，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來，我國公路冷鏈物流運輸發展已經較為成熟，設施設備也比較完善。但就未來冷鏈運輸的發展模式來看，單一的運輸方式無法更好地滿足人們的需求，需要多種運輸方式相結合[1]。就鐵路冷鏈運輸而言，不僅在運量、運距上比公路冷鏈運輸更具優勢，而且鐵路采用冷藏集裝箱運輸的維護和能耗成本遠低于公路冷鏈運輸，具有非常大的發展潛力[2]。因此，迫切需要不斷促進鐵路相關業務的發展，使鐵路運輸的優勢得以充分發揮。

鐵路運輸的特殊性對鐵路冷鏈運輸智能監測與控制系統的實施造成了一定的影響，目前主要存在的問題如下。

（1）信息化程度不高。發貨方、收貨方及運輸公司無法及時監測獲取貨物的相關信息，如所處環境的溫濕度、地理位置信息、不同種類氣體含量等，從而無法在貨物環境發生異常時及時進行處理。

（2）鐵路冷鏈運輸設備及服務能力不完善，無法及時對一些突發狀況進行處理。

（3）鐵路冷鏈運輸缺乏專業人員進行硬件設備管理，人員對器材設施使用不熟悉，在出現問題時無法及時做出響應[3]。

一旦沒有及時發現車廂環境異常，部分設施設備沒有運行工作，很可能會造成嚴重的貨物損失。因此，需要構建鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統，實現鐵路冷鏈貨物運輸的日常化監測與控制，確保在出現突發情況時能夠及時給車廂工作人員或遠程客服端發出警示，給出具體事故狀況原因及處理方法，盡可能地降低運輸貨物的損失。

對此，鐵路冷鏈物流智能化監測與控制系統的建立，不僅能夠提高冷鏈運輸的信息化程度，實現對車廂環境及貨物狀況的實時監控，達到“透明化”運輸的效果，還能夠通過系統的反饋信息及時調控，最大程度減低運輸貨物的損失，確保貨物運輸質量安全[4]。鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統有利于貨物安全管理能力的全方面提升，為冷鏈貨物的運輸管理提供強有力的手段[5]。

1 鐵路冷鏈物流監控技術現狀

受益于消費者對生鮮物品種類及質量安全需求的快速增長，冷鏈物流已經急速擴大成為一個規模龐大、設備專業性強、涉及行業廣泛、從業人員眾多的產業。但在規范運作、經濟效益、行業管理等方面也出現了諸多亟需解決的問題，原有的監控技術滯后是最大的發展瓶頸。因此，建立一套完整的鐵路冷鏈物流智能監控管理系統成為了行業管理的迫切需求[6-8]。

（1）集中式信號監測體系。鐵路信號集中控制系統(CSM系統)的體系結構包括系統配置的層次結構和數據通信的網絡結構。根據管理需求將其分為三級(中國國家鐵路集團有限公司、鐵路局集團公司以及電務段)四層(中國國家鐵路集團有限公司電務監測子系統、鐵路局集團公司電務監測子系統、電務段監測子系統、車站監測網)。其中，CSM-KA型信號集中監測系統已通過原鐵道部質檢中心組織的軟件功能現場測試，以及硬件系統列控監測分系統的專項測試。

（2）列控監測分系統。該系統實時監測運輸過程中列控車載設備和地面設備信息，將獲取的數據通過鐵路專用網絡或公眾移動網絡實時傳送至數據監控中心，經過分析處理后傳遞給用戶。但是，該系統信號追蹤性不強，限制了列車追蹤間隔。

（3）GSM通信監測技術。該技術一般分為通信網管監測和通信接口監測2種。通信網管監測負責網絡安全控制、故障警告管理等，通信接口監測負責追蹤接口傳輸的數據和指令、實時監控網絡狀態、及時發現網絡故障并發出警告信號等。但是，該技術安全性差、功耗高、頻譜利用效率低、沒有軟切換，而且抗干擾能力較差。在相同信噪比和用戶數量的情況下無論是接通率還是接通速度都不如4G通信。

（4）裝備監測技術。鐵路冷鏈車輛裝備檢測主要包括制冷機組性能檢測、空調裝置性能檢測、溫控器與顯示器檢測、管路導流系統檢測、綜合儀表檢測等。制冷機組性能檢測通過傳感器等技術手段監測制冷機組的工作參數，如制冷劑流量、壓力、溫度等，分析其工作性能是否正常，同時檢測機組的機械運行狀態，如壓縮機振動、軸承溫度等，以判斷機組各個部件是否存在故障；空調裝置性能檢測通過安裝在空調裝置中的各種傳感器，監測換熱器內外溫差、風速、風量等數據，判斷空調制冷與送風功能是否正常，檢測空調其他部件的工作情況，如風扇、空氣過濾器等，以判斷裝置是否全面處于正常工作狀態；溫控器與顯示器檢測通過設置定期自檢程序，判斷其采集、處理和輸出溫度控制信號的功能是否準確可靠，避免由顯示誤差引起的溫控失誤[9]；管路導流系統檢測通過檢測冷媒管路、空調導流管路等是否存在破損或漏氣等故障，確保管道導流功能正常；綜合儀表檢測通過對車廂監控系統中的各類傳感器、儀表進行定期檢測與校驗，確認各設備檢測數據的準確性和一致性，保證監控系統可以提供可靠的環境監測結果，為溫控器與裝置正常工作提供準確參考。

（5）多模態傳感器技術。多模態傳感器技術可以有效提高目標檢測的能力和控制手段的異構性，減少單一傳感器存在的不足，達到更加準確、全面與可靠的監測效果。在鐵路冷鏈車輛監控系統中，多模態傳感器技術可以實現車廂內多參數環境監測、車輛動靜態狀態檢測、貨物狀況監視及智能化人機交互，為冷鏈物流的安全運營提供有力支撐。

2 鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統技術方案

2.1 硬件技術方案

鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統涉及的硬件設備眾多，主要包括溫濕度傳感器、氣體傳感器(氧氣、二氧化碳、苯胺類等)、定位模塊、射頻標簽卡等，這些硬件設備能夠對冷鏈貨物相關數據進行實時采集，有效起到對車廂環境狀況的感知作用。本系統硬件連接體系采用通用的串聯方式，只需要同一數據傳輸主線即可。其中，硬件設備具有一致的電氣特性，傳輸均采用RS485接口，數據通信運用標準的ModBus通信協議，硬件連接體系結構如圖1所示。

圖1 硬件連接體系結構Fig.1 Hardware connectivity architecture

鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統的具體實施體系結構主要分為以下3層。

（1）基礎層。通過實現硬件層連接和通信，在邊緣服務器中收集和初步處理各類數據，與遠程服務器建立連接，進行分類數據上傳。

（2）中間層。對收集數據進行詳細處理和儲存，按照應用主題進行數據加載、數據分類、主題抽取等分類處理，將處理數據按照系統需要設計接口，提高客戶端功能響應的效率。

（3）表示層。客戶端通過小程序訪問Nginx服務器，對車內信息進行實時監控，或通過藍牙連接，運用藍牙通信直接讀取相關數據。

根據鐵路冷鏈物流業務的特殊性，該系統主要以報表形式展示在途貨物運輸的相關信息，通過顯示在運輸過程中貨物存儲環境的變化情況，全面了解貨物運輸的狀況，實現在突發情況下給予及時的決策支持，系統實時體系結構如圖2所示。

圖2 系統實時體系結構圖Fig.2 Real-time system architecture

鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統在硬件技術方案設計中，最為關鍵的技術是確定傳感器數據采集方案和數據傳輸策略。

（1）傳感器數據采集與傳輸方案。鐵路冷鏈物流運輸中主要通過各類傳感器進行數據采集，通過數據分析、處理，得到數據報告，數據報告示例如表1所示。

表1 數據報告示例Tab.1 Data report examples

在硬件設備數據采集時，硬件系統采用ModBus協議，實現設備與車載終端間的通信聯絡。需要的數據先由串接的硬件進行采集，再調用ModBus讀取工具通過端口讀寫硬件數據，將數據讀寫后轉化為標準數據類型，并存儲在本地文件中，由于實際數據量并不是很大，只需按照每趟的貨物行程進行存儲，在新的列車行程開始前及時清除之前的數據即可。

在鐵路冷鏈運輸中主要涉及的數據信息有：溫濕度、二氧化碳濃度、北斗定位數據以及紅外圖像等。首先通過溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、北斗定位模塊、紅外攝像儀在車廂內進行數據采集，傳輸至車載終端進行數據存儲；再通過通信基站將數據傳輸到服務器；最后由服務器分別傳送到遠程控制中心或客服端，進行實時監測與控制。鐵路冷鏈信息傳輸如圖3所示。

圖3 鐵路冷鏈信息傳輸Fig.3 Information transmission of railway cold chain

（2）數據傳輸策略。鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統在硬件數據傳輸過程中，最可能出現以下幾種問題。①在貨物運輸過程中存在通信延遲或斷網現象；②同時獲取多類數據時，可能會出現數據異常；③設備損壞、突發斷電或設備電量耗光，無法進行數據采集與傳輸。

對此，本系統采用藍牙通信進行數據傳輸，從而無需考慮上述問題中的斷網情況。同時，也可以在網絡傳輸模塊留有其他通信接口，后續可以通過4G或5G模塊，為該系統的通信升級改造提供接口支持。針對上述后2個問題，在數據交互時就需要采取一套高效、有針對性的數據傳輸策略，保證數據實時、高效傳輸。

①高效通信策略。在通信時利用程序的多線程能力進行多信道訪問數據，有效提升信道通信能力的利用率。在一個標準時段內，由服務器向前端發一個數據包，數據包到達前端后發送接收信息給服務器，服務器接收到數據查驗后再發送第二個數據包，以此推進數據傳輸[10]。數據傳輸過程示意圖如圖4所示。

圖4 數據傳輸過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of data transmission process

②加權訪問策略。對實時性需求不同的設備進行不同時間間隔的多次訪問，在最小化浪費信道通信能力的情況下最大化滿足設備的實時性需求[11]。對于數據進行頻次分類后，按照數據的使用頻率賦權重。在一個交互周期內，對于重要數據進行高頻率訪問，一般重要數據訪問頻率較低，非重要數據訪問頻率低。這種策略使得在一個交互周期內始終保持訪問獲取數據狀態，有利于本系統的數據訪問需求。數據加權訪問策略如圖5所示。

圖5 數據加權訪問策略Fig.5 Data weighted access policy

2.2 軟件技術方案

鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統軟件由2部分組成，這2部分獨立運行，通過藍牙通信模塊來完成數據傳輸。

（1）控制板上運行的本地環境監測軟件，該軟件不用接入網絡，只需要不斷通過端口讀取各個傳感器的數據，并進行數據存儲。同時，在用戶需求響應下通過連接藍牙，獲取冷鏈貨物運輸的數據報告。

（2）在移動端上運行的遠程小程序，該軟件實現冷鏈貨物運輸數據報告的可視化分析，為相關管理人員提供決策支持。

2.3 軟硬件交互架構方案

根據上述硬件和軟件相關技術方案分析研究，鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統軟硬件交互架構方案共分為5層，由底向上分別為：硬件層、數據鏈路層、網絡層、業務層及表示層。

（1）硬件層。該層由溫濕度傳感器、定位模塊、氣體傳感器(氧氣、二氧化碳、苯胺類氣體等)等多類傳感器融合構成，多模態傳感器硬件實時監測回路電信號的變化情況，再根據電流電壓的變化產生模擬信號，傳輸至數據鏈路層。

（2）數據鏈路層。通過數據采集器和回路監測儀硬件設備將在硬件層收集到的模擬信號進行處理，轉化為數字信號傳輸至網絡層。

（3）網絡層。通過服務器對接收到的數據信號進行匯總，再利用藍牙、NFC或4G模塊進行數據信息傳遞。

（4）業務層。收集到網絡層傳輸的數字信號后，再根據不同的硬件設備分別對所得到的傳感器數據、射頻標簽卡數據進行數據解析編譯，轉化為標準數據類型；根據實際數據(溫度、濕度、氧氣含量、二氧化碳含量、地位位置信息等)對數據進行計算和轉化，最終得到可傳輸至表示層的用戶可讀數據。

（5）表示層。根據用戶功能需求，對服務器響應的數據進行篩選，輸出至信息總覽模塊、車廂內物理信息模塊、列車定位模塊、運輸環境信息分析模塊及警報模塊，實現數據可視化。

2.4 設備控制方案

實際中鐵路冷鏈物流車廂內硬件設備環境差異較大，存在不同硬件適配與控制問題，考慮到不同設備的控制在實際中的差異性，本系統提出以下2套方案，可按照實際設備條件進行選擇。

（1）車廂內使用早期制冷設備(如壓縮機或溫控設備)時，可將控制開關連接到數據采集器，數據采集器通過ModBus協議輸入控制指令，通過系統內對環境條件判斷，智能開啟溫控設備。

（2）車廂內布置較新的智能溫控設備(可進行數據通信)，可以直接連接至數據處理中心，通過設備特定協議進行通信控制，結合溫控算法，智能調節設備運行情況。

當系統具備無線數據連接和信道雙向傳輸能力時，可以將數據與控制指令與遠程服務器同步，從而做到遠程實時對車廂內溫控設備進行控制，具備人工遠程處理突發情況的能力。

3 鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統功能

鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統功能模塊主要分為基礎信息管理模塊、運輸管理模塊、車載終端系統模塊、警報系統模塊、財務管理模塊5個模塊，鐵路冷鏈物流功能模塊如圖6所示。

圖6 鐵路冷鏈物流功能模塊Fig.6 Function modules of railway cold chain logistics

（1）基礎信息管理模塊，主要包含系統管理模塊和資源管理模塊，其中系統管理模塊主要對用戶、組織架構、角色、權限及日志進行管理，資源管理模塊主要對項目客戶、供應商、分配運輸貨物、收貨客戶等進行管理。

（2）運輸管理模塊，主要負責鐵路冷鏈運輸的訂單申請、生成、審核，以及貨物運輸的在途管理和最后的貨物簽收管理等。

（3）車載終端系統模塊，主要包含無線射頻識別模塊(RFID模塊)、定位模塊、溫濕度傳感器、氣體傳感器等各類硬件設備對冷鏈貨物運輸過程中所需要的各類數據進行采集和傳輸。

（4）警報系統模塊，主要對貨物運輸環境進行監測，一旦出現異常，及時發出警示信息給車廂工作人員做出調整；或在設施設備出現問題時，給工作人員發出警示，及時檢查，減少貨損貨差。

（5）財務管理模塊，主要負責結算單據的制作、審核、核銷及相關票據的申請、審核。

4 鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統應用效果分析

此系統可在貨物存儲車廂環境異常和設施設備故障時自動傳輸警示信號至車廂工作人員處，確保能夠及時對該情況進行處理，減少貨物損失。當鐵路冷鏈智能監測與控制系統發出警示信號后，工作人員根據發送的警示信息，針對特定情況分析處理，在最短時間內將貨物存儲環境調整至適宜程度，或者遠程直接通過監測結果對環境進行調控，達到對鐵路冷鏈運輸的全程監控作用。

考察國內外鐵路冷鏈運輸實際情況，首次創新實現了鐵路冷鏈物流的過程監測和控制。運用物聯網和智能設備控制技術，使得鐵路冷鏈運輸業務的運輸能力、開發潛力得到巨大提升。

通過運用物聯網相關技術，提升了鐵路冷鏈物流的智能化水平，達到對冷鏈物流運輸的可知、可視、可控，破除了傳統冷鏈物流中運輸過程黑盒化的情況。通過對運輸過程中車廂內環境信息的把控，有助于對具體運輸物品的環境要求、物品狀況等情況的了解，使得冷鏈運輸針對不同物品智能化提供不同環境控制成為可能，提升了冷鏈運輸能力，拓寬了冷鏈運輸類型，提高了冷鏈運輸質量。

5 結束語

鐵路冷鏈物流智能監測與控制系統綜合運用了多種傳感器和RFID射頻技術，以實時、精確地采集冷鏈貨物運輸環境的數據。這些數據通過藍牙通信進行傳輸，并生成相關數據報表，從而實現鐵路冷鏈物流數據的可視化處理。該系統不僅提供了貨物存儲環境數據信息的查看功能，還能監測并控制各類硬件設備，以及提供警報提醒等功能，這些都極大地增強了鐵路冷鏈物流的運輸效率。同時，該系統可以自動對冷鏈車廂內的各類硬件設備進行故障監測，對于車廂環境的異常情況也能及時反饋，以確保貨物的質量安全。工作人員可以根據系統反饋的信息，及時調整控制措施，最大程度地降低貨物的損失，提升冷鏈貨物運輸的經濟效益。該系統的應用將極大地提升鐵路冷鏈物流的信息化和智能化水平，推動行業的進步和發展。