基于前端檢測策略的集裝箱超偏載檢測系統設計

摘 要：該文針對目前以龍門架和軌道衡進行超偏載檢測的現狀及其在檢測過程中暴露的問題，將集裝箱的超偏載檢測流程前移，提出一種基于前端檢測策略的集裝箱超偏載檢測系統。該系統采用基于半掛車的超偏載檢測儀作為集裝箱超偏載數據的采集器并實時發送數據至云端數據庫服務器。半掛車司機通過手機APP端查看集裝箱的超偏載信息，從而達到對集裝箱超偏載狀況的實時監測；貨場調度中心通過Web應用端查看集裝箱的超偏載信息，實現對集裝箱超偏載狀況的實時監測。該系統串聯起來貨場調度中心、貨場調度員、半掛車、集裝箱以及半掛車司機，形成一個完整的基于前端檢測策略的公鐵聯運集裝箱超偏載檢測的閉環，推進集裝箱超偏載檢測的智能化。

關鍵詞：前端檢測；實時監測；集裝箱超偏載檢測；Web應用；手機APP

中圖分類號：U294.1+7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0050-05

Abstract： Aiming at the present situation of overload detection with gantry and track scale and the problems exposed in the inspection process， this paper moves the container overload detection process forward， and puts forward a container overload detection system based on front-end detection strategy. The system uses the over-partial load detector based on container transport semi-trailer as the collector of container over-partial load data and sends the data to the cloud database server in real time. Semi-trailer drivers check the container overload information through the mobile APP， so as to achieve real-time monitoring of the container overload; freight yard dispatching center through the Web application terminal to view the container overload information to achieve real-time monitoring of the container overload. The system connects the freight yard dispatching center， freight yard dispatcher， semi-trailer， container and semi-trailer driver in series to form a complete closed loop of container overload detection based on front-end detection strategy. It promotes the intelligence of container overload detection.

Keywords： front-end detection; real-time monitoring; container overload detection; Web application; mobile phone APP

21世紀運輸業的發展離不開集裝箱運輸的貢獻，近幾年，集裝箱公路鐵道運輸業發展十分迅猛，集裝箱運輸占我國的公路鐵路貨運的比重每年攀升。集裝箱運輸之所以在鐵道運輸之中占有很大比重，是因為其具有諸多優點，比如其運輸安全性能高、易于工人管理分類、免除了貨物多余的外部包裹、縮短了運輸周期、能夠滿足貨主門到門運輸的要求等[1]。

但是集裝箱運輸業在發展的同時也出現了安全隱患問題，例如集裝箱的超載、偏載和偏重現象都會對集裝箱的安全運輸帶來嚴重的影響。由于公路運輸和鐵路運輸相較于海運對于集裝箱的超偏載情況更加敏感，所以這些情況會對集裝箱的公路運輸和鐵道運輸的安全構成直接威脅。萬一集裝箱出現超偏載，但在裝上列車前沒有檢測出來，載有該貨物的列車重心的偏移超過了限定值，可能會造成列車脫軌或貨車翻車的嚴重事故[2]。

因此，為了確保列車的安全運輸，一定要對每個集裝箱進行嚴格的超偏載檢測。

1 集裝箱超偏載檢測的現狀

對于集裝箱的檢測，鐵路軌道衡雖然能檢測貨運車輛的超偏載，但是屬于“后端”檢測，發現偏載后會在鐵道系統內通報，并把偏載的列車退回發運站處理。這樣處理起來費時費力耗費寶貴的線路資源[3]。所以目前超偏載檢測已經前移至貨運站，貨運站對于集裝箱超偏載的檢測方式主要是通過在站臺集裝箱作業線上的專用門吊的吊架上，安裝一套專門的稱重裝置，然后利用該稱重裝置判斷所稱集裝箱是否存在超偏載現象[4]。但該檢測方式屬于“中端”檢測，仍存在成本高、效率低及數據不符合要求則需要拆箱重裝的問題。

因此，本文將針對這一現象，重新優化了集裝箱運輸的工作流程如圖1所示，再次將集裝箱偏載檢測的步驟前移，以實現前端檢測的目的，并在貨運站進行復檢，提高集裝箱運輸的安全性。同時設計了一套基于前端檢測策略的集裝箱超偏載檢測系統，從集裝箱裝貨開始到裝貨結束封門為止，所有超偏載數據做到實時檢測，并實現與貨運站數據共享，貨運站調度中心（貨場調度員）在受理集裝箱計劃時就能掌握全部集裝箱的貨物重量及超偏載信息，不再由貨運站站內檢測從而來決定集裝箱的放行或不放行，同時也避免了退回的集裝箱所帶來的一系列極其麻煩的手續。

2 集裝箱超偏載檢測系統的設計

2.1 集裝箱超偏載檢測系統的組成

《鐵路貨物裝載加固規則》規定：貨物裝車后，貨物總重心的投影應位于貨車地板的縱、橫中心線的交叉點上，必須偏離時，橫向偏離量不得超過100 mm?？v向偏離時，每個車輛轉向架所承受的貨物重量不得超過貨車容許載重量的二分之一，且兩轉向架承受重量之差不得大于10 t [5]。為此，本文設計的集裝箱超偏載檢測系統的硬件部分配置了4個稱重傳感器模塊，用于測量集裝箱4個角的重量數據，從而計算出集裝箱的超偏載數據。同時，為了實現遠距離的無線數據傳輸，設置了4G無線傳輸模塊。集裝箱超偏載檢測系統的系統架構如圖2所示。

集裝箱超偏載檢測系統由檢測端、處理器端、用戶端和服務器端組成，并通過Internet網絡緊密相連。

檢測端和處理器端共同構成了集裝箱超偏載檢測儀（以下簡稱“檢測儀”），檢測儀的具體組成如圖3所示，檢測儀硬件PCB原理圖如圖4所示。檢測儀采用基于ARMCortexM3內核的STM32F103C8T6微控制器作為核心處理器，還包含了4個稱重傳感器模塊、4G無線傳輸模塊和電源模塊。檢測儀采集到的原始重量數據不上傳至云端服務器進行計算，而是采用邊緣計算的方式，在檢測端通過超載檢測算法、偏重檢測算法和偏載檢測算法直接進行本地數據計算處理，實現數據的本地采集、本地分析、本地處理。然后本地處理完成的數據通過4G無線傳輸模塊，實現集裝箱超偏載數據的采集和上傳[6]。

用戶端由手機APP端和Web應用端構成。并且不同的用戶端有著不同的功能，各自負責各自的工作，具體功能如下。

1）手機APP端主要實現供集裝箱運輸半掛車（以下簡稱“半掛車”）司機查看集裝箱超偏載數據和相關信息錄入的功能。半掛車司機需要在每次集裝箱運輸作業前，通過手機APP錄入半掛車車板的車板號信息和集裝箱的編號信息，并且為了提高信息錄入的效率及信息錄入的準確率，在手機端錄入車板號信息和集裝箱編號信息時，設置有拍照識別功能[7]。半掛車司機可以選擇查看具體車板所對應集裝箱的超偏載數據，當數據超過標準閾值時，手機APP端會進行報警從而提醒司機進行處理[8]。

2）Web端主要實現供貨場調度員查看全部數據和用戶管理的功能。Web端的用戶分為管理員和普通用戶，其中普通用戶可以查看半掛車司機信息、半掛車信息、集裝箱信息和超偏載信息；管理員是系統的最高權限使用者，不僅可以查看半掛車司機信息、半掛車信息、集裝箱信息和超偏載信息，還可以對其中的數據進行添加、刪除和修改。

服務器端包括應用服務器和數據庫服務器。檢測儀將檢測結果通過4G模塊上傳至服務器，服務器接收并保存全部數據，并在手機APP端和Web應用端發送調用請求時，提供數據。

2.2 集裝箱超偏載檢測系統的功能與原理

集裝箱超偏載檢測系統通過在集裝箱封箱前檢測的方式，實現了集裝箱超偏載的前端檢測；通過檢測儀實時采集計算集裝箱超偏載數據的方式對集裝箱超偏載情況進行實時監測。解決了傳統貨站起吊檢測模式成本高、效率低、不能實時監管的問題，避免了退回集裝箱所帶來的一系列極其麻煩的手續問題。加強了各半掛車司機和貨場調度中心之間的信息流動，形成了一個集裝箱超偏載信息管理流程的閉環。其主要功能由超偏載信息管理、多端報警功能和多信息管理功能三部分組成，系統的整體工作流程如圖5所示。

2.2.1 超偏載信息管理

檢測儀可以實現超偏載檢測和遠距離無線數據傳輸的功能。

1）超偏載檢測功能。檢測儀使用HX711模擬-數字轉換器作為稱重模塊，用于稱重傳感器的信號采集和放大。通過結合鐵路軌道衡檢測的超偏載計算方式進行集裝箱超偏載數據的計算。HX711能夠實現24位的精度，可以滿足對應用的需求。并且HX711可以在較低的電壓下工作，適合于電池供電或由半掛車供電。

2）遠距離無線數據傳輸功能。系統使用Air724UG模塊作為遠距離無線數據傳輸模塊，它基于4GLTE技術，可以實現高速數據傳輸和廣域覆蓋，它還兼容2G和3G網絡，以確保在不同地區和網絡環境下的連接穩定性[9]。檢測儀采集的數據通過串口發送至Air724UG模塊，再經過Internet網絡轉發至數據庫服務器。

2.2.2 多端報警功能

參考《鐵路貨物裝載加固規則》，系統將偏重的報警閾值設置為10 t，將偏載的報警閾值設置為100 mm，將超載的報警閾值設置為集裝箱容許載重量。當超偏載數據在正常范圍內時，檢測儀每隔5 min向服務器發送1次數據。若超偏載數據超出閾值范圍的時間過長，則向手機APP端和Web應用端發送報警數據，同時將發送數據頻率改為每分鐘發送1次[10]。多端報警工作流程如圖6所示。

2.2.3 多信息管理功能

由于在公路集裝箱運輸過程中，除超偏載信息之外，還會涉及包括半掛車司機信息、半掛車車板信息、集裝箱信息和Web端用戶信息等眾多數據，因此一套合理的多信息管理功能是十分有必要的。同時出于對數據安全性的考慮，本系統將Web用戶分為管理員用戶和普通用戶，其中普通用戶只可以查看相關信息；管理員不僅可以查看相關信息，還可以對其中的數據進行添加、刪除和修改。本系統的信息管理主要分為司機信息管理、車板信息管理、集裝箱信息管理和Web端的普通用戶管理。

以司機信息為例，司機信息管理的流程如圖7所示，司機信息主要包括司機姓名、性別、身份證號碼、聯系電話和所屬公司等信息。

3 系統的實現及驗證

基于本文設計的集裝箱超偏載檢測系統在實驗室條件下進行了簡單的測試。在一天內對單個下位機檢測儀進行不間斷的測試，結果表明該檢測儀能夠連續地采集重量數據并進行超偏載計算。上位機的手機APP端和Web應用端都能夠接收到下位機通過4G模塊發送過來的數據，并且顯示在手機APP端和Web應用端的界面上，Web應用端能有效地對集裝箱運輸過程中所需要的相關信息進行管理，實現了對集裝箱超偏載狀況的智能化管理，手機APP端檢測界面如圖8所示。

拍照識別功能分別對500張半掛車車板照片和500張集裝箱照片進行識別，識別結果見表1，結果表明手機APP端的拍照識別功能具有良好的識別準確率，可以提高信息錄入的效率和信息錄入的準確率。

4 結束語

在集裝箱運輸流程中的前端進行超偏載檢測可以有效地提高檢測效率、降低檢測成本，基于前端檢測策略的檢測方法是未來集裝箱超偏載檢測的一個重要方向。本文設計完成的集裝箱超偏載檢測系統，能夠實時有效地監測集裝箱的超偏載狀態，并且在傳統檢測的基礎上，應用信息基礎、物聯網技術、圖像識別技術等手段來優化和提高檢測效率，為實現集裝箱超偏載檢測的智能化、高效化和數字化發展提供了一定的基礎。

參考文獻：

[1] 邸華成，毛澤南，孫青.一種貨運集裝箱偏載校準的方法：CN110296792A[P].2019-10-01.

[2] 杜建波，易小浪.推動鐵路集裝箱運輸高質量發展的探討[J].鐵道貨運，2023，41（1）：54-58.

[3] 路計哲，崔寶祥，金少月，等.鐵路集裝箱超偏載檢測裝置溯源研究[J].鐵道技術監督，2024，52（1）：15-17，25.

[4] 許如俊.懸吊式集裝箱超偏載檢測裝置：CN207050819U[P].2018-02-27.

[5] 馮樂樂.鐵路貨車超偏載監測系統設計[J].中國新技術新產品，2023（22）：84-86.

[6] 祝海.TCP/IP協議在嵌入式系統中的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2007.

[7] 嚴巍.基于拍照情境識別的推薦算法研究[D].武漢：華中師范大學，2021.

[8] 汪肖杰，駱巖紅.基于STM32的智能安防報警系統設計[J].科技創新與應用，2024，14（6）：49-52.

[9] 楊華宇.4G移動通信傳輸關鍵技術及應用優勢研究[J].現代信息科技，2019，3（17）：73-74.

[10] 袁標，陳天星，楊玉潔，等.一種居家隔離健康監測系統的研究[J].科技創新與應用，2021，11（36）：65-69，74.