基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)設(shè)計

陶漢卿，黃　聰

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，柳州　545616)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)設(shè)計

陶漢卿，黃聰

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，柳州545616)

摘要：文章針對鐵路貨物運輸存在的問題，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的工作原理，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)，并對貨物的承運裝載環(huán)節(jié)、運輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)、卸載交付環(huán)節(jié)和追溯查詢管理環(huán)節(jié)進行了詳細(xì)的設(shè)計說明。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)；鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)；環(huán)節(jié)設(shè)計；設(shè)計流程

0引言

隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和對外開放的擴大，特別是加入世貿(mào)組織后對外貿(mào)易的增加，我國鐵路貨物的運輸?shù)玫搅搜该偷陌l(fā)展，長期以來一直在我國交通運輸體系中作為主力和骨干，但是我國建立宏觀調(diào)控的市場經(jīng)濟體制以來，物流市場中大宗貨物不斷減少、高附加值、小批量運輸不斷增加，要求在貨運運輸過程中提供快捷、機動、準(zhǔn)確、安全的服務(wù)，對貨物運輸品質(zhì)的要求越來越高，鐵路運輸對這些新的貨物運輸要求不能適應(yīng)，特別是鐵路運輸時貨損貨差比較嚴(yán)重，影響了貨主對鐵路運輸?shù)男湃纬潭?，?dǎo)致部分貨源的貨主選擇其它的運輸方式[1]。在中國鐵路跨越式發(fā)展的政策要求下，加快鐵路貨物運輸裝備資源優(yōu)化，實現(xiàn)技術(shù)裝備的現(xiàn)代化已勢在必行。

要提升我國鐵路貨物運輸?shù)母偁幜?，增加貨運市場中的份額，引進先進的貨運技術(shù)、提升信息化程度是有效的途徑之一。普及技術(shù)含量較高的貨運設(shè)備，充分挖掘這些設(shè)備的潛力，特別對超限貨物、闊大貨物運輸要引入高科技檢測手段，運用計算機和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)對貨運規(guī)章管理、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、動態(tài)安全信息等數(shù)據(jù)實現(xiàn)資源共享、實時監(jiān)控，建立鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)[2]，這樣有利于貨主及時掌握鐵路貨物運輸能力的信息，及時選擇和組織運輸，減少貨物存庫時間，降低運輸成本，且可以隨時隨地查詢貨物運輸過程中流動的狀態(tài)，對鐵路運輸部門的服務(wù)進行監(jiān)督，大大提高了鐵路貨物運輸?shù)馁|(zhì)量和效率。

物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制[2]，適用于鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)。我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用到了智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智能電網(wǎng)、智能家居、智能物流、智能安防、智能環(huán)保、智能交通、智能醫(yī)療等行業(yè)，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，是國際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國之一，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和完善為鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐平臺。

1鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.1物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)是融合了傳感器技術(shù)、計算機通信技術(shù)、智能處理技術(shù)實現(xiàn)物與物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由三個層次組成：用于感知數(shù)據(jù)的感知層，以二維碼、RFID、傳感器技術(shù)為支撐，實現(xiàn)監(jiān)測物體標(biāo)識和感知，處于最底層；用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，通過現(xiàn)有的因特網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等接入到物聯(lián)通信網(wǎng)上去，實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的傳輸和處理，處于第二層；用于內(nèi)容應(yīng)用的應(yīng)用層，使用輸入輸出控制終端，包括電腦、服務(wù)器、工作站等終端以及手機、PDA等移動終端，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲、融合、處理和應(yīng)用，解決信息處理和人機界面的交互問題，處于最上層[3]。

1.2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

ZigBee技術(shù)、二維碼編碼技術(shù)和RFID射頻識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的三大關(guān)鍵技術(shù)[3]，本文結(jié)合鐵路貨物運輸?shù)奶攸c和過程，研究了鐵路貨物運輸?shù)馁|(zhì)量追溯系統(tǒng)，應(yīng)用這三大關(guān)鍵技術(shù)總體設(shè)計了鐵路貨物運輸?shù)淖匪菹到y(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用在整個鐵路貨物運輸?shù)母鱾€過程，融入到貨物運輸?shù)难b載、運輸、卸載和查詢等鐵路貨物運輸流通的每一環(huán)節(jié)。

物聯(lián)網(wǎng)三大關(guān)鍵技術(shù)能有效滿足鐵路貨運追溯系統(tǒng)對運輸全程追蹤的要求，由于二維碼具有防水和耐高溫的特點，適用于在惡劣環(huán)境中使用，所以可將二維碼嵌印在鐵路運輸?shù)呢浳锷?，用于對運輸貨物的信息記錄和全程跟蹤。RFID由電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理模塊組成，該技術(shù)可以反復(fù)讀寫數(shù)據(jù)，鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)可用于在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和錄入。ZigBee是一種數(shù)據(jù)傳輸速率較高、功耗低、成本低、短距離的無線技術(shù)，通常被用來監(jiān)測和控制在不同地點的物理或者環(huán)境參量，該技術(shù)可以用于監(jiān)測和控制鐵路貨物運輸車廂中的環(huán)境參數(shù)，且通過協(xié)調(diào)器和無線通信網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)傳輸?shù)綉?yīng)用層的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫和工作站。

1.3鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)總體邏輯構(gòu)架設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)的邏輯構(gòu)架可以設(shè)計為三層：表示層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)和數(shù)據(jù)訪問層(DAL)[4]。表示層為用戶提供交互操作界面，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的處理和數(shù)據(jù)的傳遞，復(fù)雜的邏輯判斷和涉及到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)驗證都需要在此做出處理，根據(jù)傳入的值返回用戶想得到的值，或者處理相關(guān)的邏輯。數(shù)據(jù)訪問層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問，主要為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)，根據(jù)傳入的值來操作數(shù)據(jù)庫的增、減、刪、改或者其它操作。鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)總體邏輯構(gòu)架設(shè)計如下頁圖1所示。

圖1　鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)總體邏輯構(gòu)架設(shè)計圖

2鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)設(shè)計

鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將鐵路貨物的承運裝載、運輸、卸貨交付和追溯查詢的信息相關(guān)聯(lián)，通過建立鐵路貨物的承運裝載、運輸和卸載交付到市場監(jiān)督和追溯查詢等子系統(tǒng)，并建立鐵路系統(tǒng)貨物運輸質(zhì)量安全信息追溯數(shù)據(jù)中心，實時監(jiān)測和存儲貨物運輸過程中的信息，保證貨物運輸過程中的質(zhì)量，便于貨主能及時地查詢貨物流通的狀態(tài)，提高鐵路貨物運輸?shù)姆?wù)質(zhì)量和效率?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)主要分為四個環(huán)節(jié)，即貨物的承運裝載環(huán)節(jié)、貨物的運輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)、貨物的卸載交付環(huán)節(jié)和追溯查詢管理環(huán)節(jié)。鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1貨物的承運裝載環(huán)節(jié)

貨主將所托運貨物交給貨運員時，貨運員通過工作站的PC采用GUID生成唯一標(biāo)識的二維碼，用于識別貨主承運貨物的身份，并將二維碼信息貼到貨物上，同時采用手持式追溯終端如PDA來采集貨物信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)將貨主托運的貨物詳細(xì)信息上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，用監(jiān)控攝像機自動拍下現(xiàn)場圖像并上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫作為證明。貨物信息應(yīng)包括貨主、貨物品種、承運時貨物溫度、質(zhì)量和貨物目的地等，用RFID讀寫器將這類信息寫入IC卡中，交給貨主作為一種憑證。

2.2貨物的運輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)

貨物的運輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)的是對運輸過程中車廂環(huán)境的監(jiān)測、控制和相應(yīng)數(shù)據(jù)的記錄。通過車廂監(jiān)測、控制模塊的傳感器和繼電器進行感知、控制和數(shù)據(jù)的保存，保障貨物在合適的環(huán)境條件下運輸。此環(huán)節(jié)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層對環(huán)境信息進行采集和控制，環(huán)境信息包括車廂的溫度、濕度、可燃?xì)怏w、二氧化碳和火焰等，且通過控制模塊和繼電器控制環(huán)境參數(shù)，保證貨物在合適的環(huán)境下運輸，然后利用zigbee無線通信方式通過協(xié)調(diào)器將獲取的環(huán)境信息傳送到PC主控端，主控端對感知層獲取的環(huán)境信息進行閉環(huán)控制[5]，將實際獲取的環(huán)境信息和系統(tǒng)設(shè)置的環(huán)境信息參數(shù)進行比較，當(dāng)實際的環(huán)境信息與設(shè)置的環(huán)境信息參數(shù)不符合時，PC主控端發(fā)出聲光報警，且通過zigbee無線通信方式將控制信息發(fā)送到車廂主控模塊，通過繼電器控制開關(guān)使相對應(yīng)的環(huán)境控制模塊啟動，使車廂保持合適的環(huán)境。

2.3貨物的卸載交付環(huán)節(jié)

貨物的卸載交付環(huán)節(jié)主要是貨運交付員通過手持終端PDA對貨物標(biāo)識的二維碼信息進行校驗，通過對貨物身份標(biāo)識的二維碼信息查閱貨物承運時的初始信息包括貨主、承運重量、貨物質(zhì)量和卸載交付時的信息，并對貨物承運裝載環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)與當(dāng)前環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行比較，得出此次貨物運輸中的質(zhì)量信息，確保貨物的可靠交付，同時將用RFID讀寫器獲取IC卡信息傳輸?shù)焦ぷ髡綪C，然后回收貨主的IC卡，交付成功后貨主將得到一張附有追溯碼的交易小票。

2.4追溯查詢管理環(huán)節(jié)

在托運完成后貨主收貨付款，鐵路貨運交付員將收回承運裝載環(huán)節(jié)發(fā)放的IC卡以便于重復(fù)利用，發(fā)給貨主鐵路貨物運輸追溯一維碼。貨主可以在鐵路部門安裝的查詢終端上打開追溯管理網(wǎng)站，掃描貨物運輸質(zhì)量信息追溯碼，即可查詢出所托運貨物的全程運輸信息[6]，包括承運裝載、運輸和卸載交付環(huán)節(jié)的全部數(shù)據(jù)、圖像信息；也可以通過其它移動終端的方式進行鐵路貨物運輸質(zhì)量信息進行查詢，例如：在手機上輸入或掃描所托運貨物條碼編碼，發(fā)送至中心服務(wù)器上，即可查詢出托運貨物的質(zhì)量安全信息。鐵路貨物運輸追溯管理網(wǎng)站的主要功能是采集、加工和分析貨物運輸質(zhì)量安全的各個環(huán)節(jié)的追溯數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各個貨主的托運貨物信息，設(shè)置運輸環(huán)境的安全告警限值，供貨主和鐵路部門對承運裝載到卸載交付全過程進行監(jiān)督，為社會和貨主發(fā)布貨物運輸質(zhì)量安全信息。

2.5詳細(xì)設(shè)計流程

根據(jù)鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)的環(huán)節(jié)功能和要求，詳細(xì)的設(shè)計流程如圖3所示。

(1)承運裝載環(huán)節(jié)，貨主將貨物托運給鐵路貨運員，打印并貼上二維碼，貨運員通過PDA手持式終端掃描二維碼對承運詳細(xì)信息進行錄入，如貨物類型、貨源地、質(zhì)檢員、質(zhì)檢結(jié)果、包裝號等，然后通過RFID寫入IC卡，并將貨運信息上傳至服務(wù)器。

(2)運輸環(huán)節(jié)，貨物經(jīng)過承運裝載環(huán)節(jié)后進入途中運輸，由貨物員對貨物的部分信息進行錄入、上傳，同時監(jiān)控貨物的運輸環(huán)境，如果環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定值，進行聲光報警，通過主控模塊控制，保持適合貨物運輸?shù)沫h(huán)境，且上傳環(huán)境數(shù)據(jù)。

(3)卸貨交付環(huán)節(jié)，托運貨物到達目的地后，由貨運員負(fù)責(zé)卸貨交付，并對貨物的信息進行讀取、校核和錄入，包括貨標(biāo)號、運輸質(zhì)檢證號、貨主、重量、日期、貨物類型、IC卡等，同時回收IC卡，打印和發(fā)給貨主查詢追溯信息的一維碼，提供數(shù)據(jù)展現(xiàn)、條件組合搜索等功能，且為卸貨后的記錄信息進行“新增”“刪除”“編輯”“查看”“查詢”操作。

(4)貨主通過一維碼查詢追溯信息，如出現(xiàn)貨物運輸質(zhì)量問題可及時進行處理。

圖3　詳細(xì)的設(shè)計流程圖

4結(jié)語

本文設(shè)計的鐵路貨物運輸追溯系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，從我國鐵路貨物運輸存在的問題出發(fā)，立足于提高鐵路貨物運輸?shù)馁|(zhì)量和效率，以追溯為目的，對鐵路貨物的裝載、運輸、交付和查詢等環(huán)節(jié)進行了全程追蹤，對運輸環(huán)境進行監(jiān)控，并進行數(shù)據(jù)的采集、存儲、校核和查詢，系統(tǒng)不僅為鐵路貨運部門對貨物運輸?shù)谋O(jiān)督提供了條件，而且也方便了貨主通過追溯系統(tǒng)查詢貨物運輸過程中的信息，提高了鐵路貨物運輸?shù)馁|(zhì)量和效率，符合貨主和鐵路運輸部門的利益。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步成熟和發(fā)展，鐵路貨物運輸追溯的成本也會進一步降低，使追溯系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)且推廣應(yīng)用。

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Railway Freight Transport Tracking System Design Based on IoT Technology

TAO Han-qing，HUANG Cong

(Institute of Electronic Technology，Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou，545616)

Abstract：Aiming at the problems existing in railway freight transport，and according to the IoT frame structure and the work principle of key technologies，this article used the IoT technology to design the railway freight transport tracking system，and made the detailed design description on the cargo carrier loading，transport quality monitoring，unloading delivery，and tracking query management aspects.

Keywords：Internet of things(IoT)frame；Key technology of IoT；Railway freight transport tracking system；Link design；Design procedures

收稿日期：2015-12-07

文章編號：1673-4874(2016)01-0074-04

中圖分類號：U283.4

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.017

基金項目

作者簡介

陶漢卿(1983—)，碩士研究生，講師，從事智能交通系統(tǒng)方面的教學(xué)科研工作；

黃聰(1982—)，講師，主要研究方向：軌道交通自動控制。

2012年度全國鐵道職業(yè)教育鐵道通信信號專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會立項課題“鐵路車站自動控制系統(tǒng)維護”課程考試技術(shù)考試方法與手段的改革與實踐(編號：2012-04)；2015年度柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級立項課題“城市軌道交通車載ATO控制器實驗裝置的研制”(編號：2015-A02)