铁路冷链物流智能监测与控制系统

杨 楠

(中国铁路兰州局集团有限公司 科技和信息化部，甘肃 兰州 730070)

0 引言

近年来，我国公路冷链物流运输发展已经较为成熟，设施设备也比较完善。但就未来冷链运输的发展模式来看，单一的运输方式无法更好地满足人们的需求，需要多种运输方式相结合[1]。就铁路冷链运输而言，不仅在运量、运距上比公路冷链运输更具优势，而且铁路采用冷藏集装箱运输的维护和能耗成本远低于公路冷链运输，具有非常大的发展潜力[2]。因此，迫切需要不断促进铁路相关业务的发展，使铁路运输的优势得以充分发挥。

铁路运输的特殊性对铁路冷链运输智能监测与控制系统的实施造成了一定的影响，目前主要存在的问题如下。

（1）信息化程度不高。发货方、收货方及运输公司无法及时监测获取货物的相关信息，如所处环境的温湿度、地理位置信息、不同种类气体含量等，从而无法在货物环境发生异常时及时进行处理。

（2）铁路冷链运输设备及服务能力不完善，无法及时对一些突发状况进行处理。

（3）铁路冷链运输缺乏专业人员进行硬件设备管理，人员对器材设施使用不熟悉，在出现问题时无法及时做出响应[3]。

一旦没有及时发现车厢环境异常，部分设施设备没有运行工作，很可能会造成严重的货物损失。因此，需要构建铁路冷链物流智能监测与控制系统，实现铁路冷链货物运输的日常化监测与控制，确保在出现突发情况时能够及时给车厢工作人员或远程客服端发出警示，给出具体事故状况原因及处理方法，尽可能地降低运输货物的损失。

对此，铁路冷链物流智能化监测与控制系统的建立，不仅能够提高冷链运输的信息化程度，实现对车厢环境及货物状况的实时监控，达到“透明化”运输的效果，还能够通过系统的反馈信息及时调控，最大程度减低运输货物的损失，确保货物运输质量安全[4]。铁路冷链物流智能监测与控制系统有利于货物安全管理能力的全方面提升，为冷链货物的运输管理提供强有力的手段[5]。

1 铁路冷链物流监控技术现状

受益于消费者对生鲜物品种类及质量安全需求的快速增长，冷链物流已经急速扩大成为一个规模庞大、设备专业性强、涉及行业广泛、从业人员众多的产业。但在规范运作、经济效益、行业管理等方面也出现了诸多亟需解决的问题，原有的监控技术滞后是最大的发展瓶颈。因此，建立一套完整的铁路冷链物流智能监控管理系统成为了行业管理的迫切需求[6-8]。

（1）集中式信号监测体系。铁路信号集中控制系统(CSM系统)的体系结构包括系统配置的层次结构和数据通信的网络结构。根据管理需求将其分为三级(中国国家铁路集团有限公司、铁路局集团公司以及电务段)四层(中国国家铁路集团有限公司电务监测子系统、铁路局集团公司电务监测子系统、电务段监测子系统、车站监测网)。其中，CSM-KA型信号集中监测系统已通过原铁道部质检中心组织的软件功能现场测试，以及硬件系统列控监测分系统的专项测试。

（2）列控监测分系统。该系统实时监测运输过程中列控车载设备和地面设备信息，将获取的数据通过铁路专用网络或公众移动网络实时传送至数据监控中心，经过分析处理后传递给用户。但是，该系统信号追踪性不强，限制了列车追踪间隔。

（3）GSM通信监测技术。该技术一般分为通信网管监测和通信接口监测2种。通信网管监测负责网络安全控制、故障警告管理等，通信接口监测负责追踪接口传输的数据和指令、实时监控网络状态、及时发现网络故障并发出警告信号等。但是，该技术安全性差、功耗高、频谱利用效率低、没有软切换，而且抗干扰能力较差。在相同信噪比和用户数量的情况下无论是接通率还是接通速度都不如4G通信。

（4）装备监测技术。铁路冷链车辆装备检测主要包括制冷机组性能检测、空调装置性能检测、温控器与显示器检测、管路导流系统检测、综合仪表检测等。制冷机组性能检测通过传感器等技术手段监测制冷机组的工作参数，如制冷剂流量、压力、温度等，分析其工作性能是否正常，同时检测机组的机械运行状态，如压缩机振动、轴承温度等，以判断机组各个部件是否存在故障；空调装置性能检测通过安装在空调装置中的各种传感器，监测换热器内外温差、风速、风量等数据，判断空调制冷与送风功能是否正常，检测空调其他部件的工作情况，如风扇、空气过滤器等，以判断装置是否全面处于正常工作状态；温控器与显示器检测通过设置定期自检程序，判断其采集、处理和输出温度控制信号的功能是否准确可靠，避免由显示误差引起的温控失误[9]；管路导流系统检测通过检测冷媒管路、空调导流管路等是否存在破损或漏气等故障，确保管道导流功能正常；综合仪表检测通过对车厢监控系统中的各类传感器、仪表进行定期检测与校验，确认各设备检测数据的准确性和一致性，保证监控系统可以提供可靠的环境监测结果，为温控器与装置正常工作提供准确参考。

（5）多模态传感器技术。多模态传感器技术可以有效提高目标检测的能力和控制手段的异构性，减少单一传感器存在的不足，达到更加准确、全面与可靠的监测效果。在铁路冷链车辆监控系统中，多模态传感器技术可以实现车厢内多参数环境监测、车辆动静态状态检测、货物状况监视及智能化人机交互，为冷链物流的安全运营提供有力支撑。

2 铁路冷链物流智能监测与控制系统技术方案

2.1 硬件技术方案

铁路冷链物流智能监测与控制系统涉及的硬件设备众多，主要包括温湿度传感器、气体传感器(氧气、二氧化碳、苯胺类等)、定位模块、射频标签卡等，这些硬件设备能够对冷链货物相关数据进行实时采集，有效起到对车厢环境状况的感知作用。本系统硬件连接体系采用通用的串联方式，只需要同一数据传输主线即可。其中，硬件设备具有一致的电气特性，传输均采用RS485接口，数据通信运用标准的ModBus通信协议，硬件连接体系结构如图1所示。

图1 硬件连接体系结构Fig.1 Hardware connectivity architecture

铁路冷链物流智能监测与控制系统的具体实施体系结构主要分为以下3层。

（1）基础层。通过实现硬件层连接和通信，在边缘服务器中收集和初步处理各类数据，与远程服务器建立连接，进行分类数据上传。

（2）中间层。对收集数据进行详细处理和储存，按照应用主题进行数据加载、数据分类、主题抽取等分类处理，将处理数据按照系统需要设计接口，提高客户端功能响应的效率。

（3）表示层。客户端通过小程序访问Nginx服务器，对车内信息进行实时监控，或通过蓝牙连接，运用蓝牙通信直接读取相关数据。

根据铁路冷链物流业务的特殊性，该系统主要以报表形式展示在途货物运输的相关信息，通过显示在运输过程中货物存储环境的变化情况，全面了解货物运输的状况，实现在突发情况下给予及时的决策支持，系统实时体系结构如图2所示。

图2 系统实时体系结构图Fig.2 Real-time system architecture

铁路冷链物流智能监测与控制系统在硬件技术方案设计中，最为关键的技术是确定传感器数据采集方案和数据传输策略。

（1）传感器数据采集与传输方案。铁路冷链物流运输中主要通过各类传感器进行数据采集，通过数据分析、处理，得到数据报告，数据报告示例如表1所示。

表1 数据报告示例Tab.1 Data report examples

在硬件设备数据采集时，硬件系统采用ModBus协议，实现设备与车载终端间的通信联络。需要的数据先由串接的硬件进行采集，再调用ModBus读取工具通过端口读写硬件数据，将数据读写后转化为标准数据类型，并存储在本地文件中，由于实际数据量并不是很大，只需按照每趟的货物行程进行存储，在新的列车行程开始前及时清除之前的数据即可。

在铁路冷链运输中主要涉及的数据信息有：温湿度、二氧化碳浓度、北斗定位数据以及红外图像等。首先通过温湿度传感器、二氧化碳传感器、北斗定位模块、红外摄像仪在车厢内进行数据采集，传输至车载终端进行数据存储；再通过通信基站将数据传输到服务器；最后由服务器分别传送到远程控制中心或客服端，进行实时监测与控制。铁路冷链信息传输如图3所示。

图3 铁路冷链信息传输Fig.3 Information transmission of railway cold chain

（2）数据传输策略。铁路冷链物流智能监测与控制系统在硬件数据传输过程中，最可能出现以下几种问题。①在货物运输过程中存在通信延迟或断网现象；②同时获取多类数据时，可能会出现数据异常；③设备损坏、突发断电或设备电量耗光，无法进行数据采集与传输。

对此，本系统采用蓝牙通信进行数据传输，从而无需考虑上述问题中的断网情况。同时，也可以在网络传输模块留有其他通信接口，后续可以通过4G或5G模块，为该系统的通信升级改造提供接口支持。针对上述后2个问题，在数据交互时就需要采取一套高效、有针对性的数据传输策略，保证数据实时、高效传输。

①高效通信策略。在通信时利用程序的多线程能力进行多信道访问数据，有效提升信道通信能力的利用率。在一个标准时段内，由服务器向前端发一个数据包，数据包到达前端后发送接收信息给服务器，服务器接收到数据查验后再发送第二个数据包，以此推进数据传输[10]。数据传输过程示意图如图4所示。

图4 数据传输过程示意图Fig.4 Schematic diagram of data transmission process

②加权访问策略。对实时性需求不同的设备进行不同时间间隔的多次访问，在最小化浪费信道通信能力的情况下最大化满足设备的实时性需求[11]。对于数据进行频次分类后，按照数据的使用频率赋权重。在一个交互周期内，对于重要数据进行高频率访问，一般重要数据访问频率较低，非重要数据访问频率低。这种策略使得在一个交互周期内始终保持访问获取数据状态，有利于本系统的数据访问需求。数据加权访问策略如图5所示。

图5 数据加权访问策略Fig.5 Data weighted access policy

2.2 软件技术方案

铁路冷链物流智能监测与控制系统软件由2部分组成，这2部分独立运行，通过蓝牙通信模块来完成数据传输。

（1）控制板上运行的本地环境监测软件，该软件不用接入网络，只需要不断通过端口读取各个传感器的数据，并进行数据存储。同时，在用户需求响应下通过连接蓝牙，获取冷链货物运输的数据报告。

（2）在移动端上运行的远程小程序，该软件实现冷链货物运输数据报告的可视化分析，为相关管理人员提供决策支持。

2.3 软硬件交互架构方案

根据上述硬件和软件相关技术方案分析研究，铁路冷链物流智能监测与控制系统软硬件交互架构方案共分为5层，由底向上分别为：硬件层、数据链路层、网络层、业务层及表示层。

（1）硬件层。该层由温湿度传感器、定位模块、气体传感器(氧气、二氧化碳、苯胺类气体等)等多类传感器融合构成，多模态传感器硬件实时监测回路电信号的变化情况，再根据电流电压的变化产生模拟信号，传输至数据链路层。

（2）数据链路层。通过数据采集器和回路监测仪硬件设备将在硬件层收集到的模拟信号进行处理，转化为数字信号传输至网络层。

（3）网络层。通过服务器对接收到的数据信号进行汇总，再利用蓝牙、NFC或4G模块进行数据信息传递。

（4）业务层。收集到网络层传输的数字信号后，再根据不同的硬件设备分别对所得到的传感器数据、射频标签卡数据进行数据解析编译，转化为标准数据类型；根据实际数据(温度、湿度、氧气含量、二氧化碳含量、地位位置信息等)对数据进行计算和转化，最终得到可传输至表示层的用户可读数据。

（5）表示层。根据用户功能需求，对服务器响应的数据进行筛选，输出至信息总览模块、车厢内物理信息模块、列车定位模块、运输环境信息分析模块及警报模块，实现数据可视化。

2.4 设备控制方案

实际中铁路冷链物流车厢内硬件设备环境差异较大，存在不同硬件适配与控制问题，考虑到不同设备的控制在实际中的差异性，本系统提出以下2套方案，可按照实际设备条件进行选择。

（1）车厢内使用早期制冷设备(如压缩机或温控设备)时，可将控制开关连接到数据采集器，数据采集器通过ModBus协议输入控制指令，通过系统内对环境条件判断，智能开启温控设备。

（2）车厢内布置较新的智能温控设备(可进行数据通信)，可以直接连接至数据处理中心，通过设备特定协议进行通信控制，结合温控算法，智能调节设备运行情况。

当系统具备无线数据连接和信道双向传输能力时，可以将数据与控制指令与远程服务器同步，从而做到远程实时对车厢内温控设备进行控制，具备人工远程处理突发情况的能力。

3 铁路冷链物流智能监测与控制系统功能

铁路冷链物流智能监测与控制系统功能模块主要分为基础信息管理模块、运输管理模块、车载终端系统模块、警报系统模块、财务管理模块5个模块，铁路冷链物流功能模块如图6所示。

图6 铁路冷链物流功能模块Fig.6 Function modules of railway cold chain logistics

（1）基础信息管理模块，主要包含系统管理模块和资源管理模块，其中系统管理模块主要对用户、组织架构、角色、权限及日志进行管理，资源管理模块主要对项目客户、供应商、分配运输货物、收货客户等进行管理。

（2）运输管理模块，主要负责铁路冷链运输的订单申请、生成、审核，以及货物运输的在途管理和最后的货物签收管理等。

（3）车载终端系统模块，主要包含无线射频识别模块(RFID模块)、定位模块、温湿度传感器、气体传感器等各类硬件设备对冷链货物运输过程中所需要的各类数据进行采集和传输。

（4）警报系统模块，主要对货物运输环境进行监测，一旦出现异常，及时发出警示信息给车厢工作人员做出调整；或在设施设备出现问题时，给工作人员发出警示，及时检查，减少货损货差。

（5）财务管理模块，主要负责结算单据的制作、审核、核销及相关票据的申请、审核。

4 铁路冷链物流智能监测与控制系统应用效果分析

此系统可在货物存储车厢环境异常和设施设备故障时自动传输警示信号至车厢工作人员处，确保能够及时对该情况进行处理，减少货物损失。当铁路冷链智能监测与控制系统发出警示信号后，工作人员根据发送的警示信息，针对特定情况分析处理，在最短时间内将货物存储环境调整至适宜程度，或者远程直接通过监测结果对环境进行调控，达到对铁路冷链运输的全程监控作用。

考察国内外铁路冷链运输实际情况，首次创新实现了铁路冷链物流的过程监测和控制。运用物联网和智能设备控制技术，使得铁路冷链运输业务的运输能力、开发潜力得到巨大提升。

通过运用物联网相关技术，提升了铁路冷链物流的智能化水平，达到对冷链物流运输的可知、可视、可控，破除了传统冷链物流中运输过程黑盒化的情况。通过对运输过程中车厢内环境信息的把控，有助于对具体运输物品的环境要求、物品状况等情况的了解，使得冷链运输针对不同物品智能化提供不同环境控制成为可能，提升了冷链运输能力，拓宽了冷链运输类型，提高了冷链运输质量。

5 结束语

铁路冷链物流智能监测与控制系统综合运用了多种传感器和RFID射频技术，以实时、精确地采集冷链货物运输环境的数据。这些数据通过蓝牙通信进行传输，并生成相关数据报表，从而实现铁路冷链物流数据的可视化处理。该系统不仅提供了货物存储环境数据信息的查看功能，还能监测并控制各类硬件设备，以及提供警报提醒等功能，这些都极大地增强了铁路冷链物流的运输效率。同时，该系统可以自动对冷链车厢内的各类硬件设备进行故障监测，对于车厢环境的异常情况也能及时反馈，以确保货物的质量安全。工作人员可以根据系统反馈的信息，及时调整控制措施，最大程度地降低货物的损失，提升冷链货物运输的经济效益。该系统的应用将极大地提升铁路冷链物流的信息化和智能化水平，推动行业的进步和发展。