基于VSI EWMA控制圖的冷鏈溫度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

□ 尤子辰，馬馳遠(yuǎn)，林菲菲

(武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

為了實(shí)現(xiàn)在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中有效的使用全程密閉冷藏法來(lái)提高冷鏈運(yùn)輸質(zhì)量，現(xiàn)市面中已出現(xiàn)了服務(wù)于冷鏈物流的車載可充電冷藏箱，實(shí)現(xiàn)了不同貨物間的隔離運(yùn)輸，確保了全程密閉的低溫環(huán)境。

冷藏箱主要制冷及調(diào)控功能是由制冷元件模塊，信息模塊，控制調(diào)整模塊所完成。實(shí)際使用時(shí)，需工作人員手動(dòng)輸入預(yù)設(shè)溫度，由監(jiān)控組件對(duì)溫度進(jìn)行控制。當(dāng)溫度上升時(shí)，加大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，使壓縮機(jī)停止工作。

但這種方法對(duì)箱內(nèi)溫度的變化不敏感，忽略了在檢測(cè)與調(diào)整過(guò)程中溫度的變化。在實(shí)際的使用過(guò)程中，采用上述監(jiān)控方法的情況下，依舊經(jīng)常導(dǎo)致貨物發(fā)生變質(zhì)。故而本文針對(duì)冷藏箱及其運(yùn)輸貨物的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套運(yùn)用非正態(tài)狀態(tài)下變抽樣區(qū)間EWMA控制圖的，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控同時(shí)可以做到人機(jī)有效交互的溫度監(jiān)控程序，提升運(yùn)輸質(zhì)量。

現(xiàn)階段就普通控制圖及EWMA控制圖的研究較多，而如何構(gòu)建基于性能更加優(yōu)秀，更適合冷鏈物流特點(diǎn)的VSI EWMA控制圖的監(jiān)控系統(tǒng)卻鮮有研究，本文以此作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的探索。

1 非正態(tài)情況下可變抽樣區(qū)間的EWMA均值控制圖理論

隨機(jī)變量X分布未知，X在受控狀態(tài)下的均值為μ，標(biāo)準(zhǔn)差為σ，當(dāng)過(guò)程不處于受控狀態(tài)時(shí)，其均值將會(huì)漂移到+t,其標(biāo)準(zhǔn)差不發(fā)生改變。

在同一時(shí)刻，抽取X1,X2,X3,……Xn作為樣本，且之間相互獨(dú)立，其容量為n，則可設(shè)其統(tǒng)計(jì)量為

(1)

將其帶入Z的標(biāo)準(zhǔn)差，可得

(2)

在變抽樣區(qū)間的EWMA控制圖中，我們?nèi)藶榈乜蓪⒖刂茍D分為四個(gè)區(qū)域，分別為警戒限Q1和控制限Q2，而在這兩種不同的區(qū)間內(nèi)，我們采用兩種不同的抽樣間隔d1,d2.其中d1

我們將其控制線設(shè)計(jì)為如下形式，其中LCL是控制下限，UCL是控制上限

(3)

(4)

將Z的標(biāo)準(zhǔn)差代入，并取其漸近線形式[2]，則有，

(5)

(6)

其中a為控制線參數(shù)。

同理，令b為警戒限參數(shù)，則可設(shè)定警戒上限UWL與警戒下線LWL為

(7)

(8)

2 針對(duì)車載冷藏箱的非正態(tài)控制圖溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體方法及預(yù)期效果

系統(tǒng)采用matlab作為核心進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)與箱體內(nèi)部元器件，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)線通訊組件相互配合，制作出有查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、多個(gè)被監(jiān)控箱體運(yùn)行情況、按照非正態(tài)過(guò)程下變抽樣區(qū)間EWMA控制圖對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并顯示出控制圖、在出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出警報(bào)、查詢歷史問(wèn)題數(shù)據(jù)等多種功能集一身的綜合溫度控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

matlab溫控系統(tǒng)由內(nèi)部處理程序，被箱體總體情況GUI界面，控制圖顯示GUI界面，歷史數(shù)據(jù)GUI界面構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 matlab監(jiān)控程序組件

內(nèi)部處理程序直接與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，按照非正態(tài)過(guò)程下變抽樣區(qū)間EWMA控制圖方法，在內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)其超出控制限情況對(duì)單片機(jī)中溫度收集程序進(jìn)行修改，改變其抽樣區(qū)間。該組件用戶不可見(jiàn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)生成溫度時(shí)間的txt格式報(bào)表，供系統(tǒng)內(nèi)GUI功能使用。箱體總體運(yùn)行情況界面可以顯示所監(jiān)控的多個(gè)箱體的溫度狀態(tài)以及出現(xiàn)異常情況的時(shí)間，通過(guò)該界面可以進(jìn)入某個(gè)箱體的控制圖界面。控制圖界面通過(guò)用戶輸入特定的箱體編號(hào)，可以生成該箱體的非正態(tài)過(guò)程下變抽樣區(qū)間EWMA控制圖，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)該界面可以進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)界面。歷史數(shù)據(jù)界面可以通過(guò)輸入箱體編號(hào)，查詢?cè)撓潴w的異常歷史記錄，方便用戶了解冷藏箱存在的問(wèn)題。

2.3 重點(diǎn)GUI設(shè)計(jì)

控制圖界面GUI是本系統(tǒng)的GUI中的核心，代碼編寫(xiě)于查詢按鈕內(nèi),用戶可以通過(guò)輸入箱體的編號(hào)查詢對(duì)應(yīng)箱體控制圖狀態(tài)，后臺(tái)數(shù)據(jù)以txt格式存儲(chǔ)，將其命名為1.txt，通過(guò)。

f1=str2double(get(handles.edit1,′String′));

bianhao=csvread(′D:1.txt′,f1-1,0);

將按照編號(hào)順序的數(shù)據(jù)以單行矩陣形式讀入，并通過(guò)下列語(yǔ)句將其按照樣本容量轉(zhuǎn)換為多維矩陣。

[r,c]=size(bianhao)

s=c/n

DATA = reshape(bianhao,[s,v])

隨后，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)設(shè)的控制線以及平滑系數(shù)參數(shù)，求取樣本均值，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的值并計(jì)算控制線。

for i= 1:s

B(i,1)=sum(DATA(i,:))/5;

End

for i=2∶3

Z(i)=lambda*B(i,1)+(1-lambda)*Z(i-1);

End

for i=1:s

UCL(i)=B(i,1)+a*(sqrt(lambda/(2-lambda)))*std(DATA(i,:))/sqrt(n);

LCL(i)=B(i,1)-a*(sqrt(lambda/(2-lambda)))*std(DATA(i,:))/sqrt(n);

UWL(i)=B(i,1)+b*(sqrt(lambda/(2-lambda)))*std(DATA(i,:))/sqrt(n);

LWL(i)=B(i,1)-b*(sqrt(lambda/(2-lambda)))*std(DATA(i,:))/sqrt(n);

最后，對(duì)點(diǎn)的位置進(jìn)行檢測(cè)，如果點(diǎn)落入警戒限與控制限之間，則將抽樣區(qū)間轉(zhuǎn)換為預(yù)設(shè)的較短抽樣區(qū)間，若點(diǎn)超出了控制限，則程序運(yùn)行停止。通過(guò)plot語(yǔ)句將其在坐標(biāo)系中畫(huà)出，且當(dāng)數(shù)據(jù)超出警戒限時(shí)將其變?yōu)榧t色并彈窗警告。

for j=1:s

if Z(j)>UWL(j)|Z(j)

plot(x(j),Z(j),‘*r’);

MessageBox.Show (‘出現(xiàn)異常點(diǎn)，其編號(hào)為’,j)

n=n2

else

plot(x(j),Z(j),‘*k’);

end

hold on

end

2.4 其他GUI設(shè)計(jì)

箱體總體運(yùn)行情況預(yù)期界面通過(guò)內(nèi)部處理程序?qū)λO(jiān)控的各個(gè)箱體進(jìn)行運(yùn)算后，判斷出出現(xiàn)異常的箱體，并將結(jié)果生成txt報(bào)表，箱體總體運(yùn)行情況GUI通過(guò)調(diào)用報(bào)表中的內(nèi)容，將其顯示于固定文本框中，供使用人員快速查找出現(xiàn)問(wèn)題箱體的編號(hào)，并進(jìn)行后續(xù)工作。

2.5 內(nèi)部處理程序設(shè)計(jì)

內(nèi)部處理程序與數(shù)據(jù)庫(kù)直接相連，并通過(guò)下列代碼直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用多個(gè)數(shù)據(jù)。

conn=database(‘wendu’,‘root’,″,‘com.mysql.jdbc.Driver’,‘jdbc:mysql://localhost:3306/wendu’)

wendus = exec(conn,‘select* from wendu’

wendus=fetch(wendus)

wendu=wendus.Data

隨后，將收集到的數(shù)據(jù)依次使用類似控制圖GUI中的判斷方法，判斷數(shù)據(jù)是否超出了警戒限或控制線，同時(shí)，使用csvwrite函數(shù)將未出現(xiàn)超出控制線情況的編號(hào)后加入yes，在出現(xiàn)控制線情況的編號(hào)后加入no，以便后續(xù)GUI中調(diào)用。

3 針對(duì)車載冷藏箱的非正態(tài)控制圖溫度監(jiān)控系統(tǒng)使用實(shí)例

在本次試驗(yàn)中，設(shè)置平滑系數(shù)為0.2，警戒限參數(shù)a為1.2，控制限參數(shù)b為1.5。

表1為某時(shí)段對(duì)冷藏箱內(nèi)實(shí)時(shí)溫度的監(jiān)控結(jié)果。其中，由于箱體體積較大，且壓縮機(jī)工作時(shí)會(huì)對(duì)箱內(nèi)溫度產(chǎn)生影響，故而每一行為某一時(shí)刻箱體內(nèi)部五個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度。

表1 1.txt存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出，并導(dǎo)入存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)的txt報(bào)表1.txt中，同時(shí)將其箱體編號(hào)命名為001。

在輸入欄中輸入箱體編號(hào)001，樣本容量欄內(nèi)輸入5，點(diǎn)擊查詢按鈕，其結(jié)果如圖2：

圖2 1.txt下控制圖顯示GUI界面運(yùn)行結(jié)果

發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中2號(hào)點(diǎn)落入警戒線與控制線之間，程序報(bào)警。隨后，點(diǎn)擊查看歷史數(shù)據(jù)界面，調(diào)查具體情況及相應(yīng)處理辦法。

關(guān)閉控制圖界面，打開(kāi)箱體總體運(yùn)行情況界面。為了驗(yàn)證冷藏箱總體運(yùn)行界面是否能及時(shí)反映不受控制的數(shù)據(jù)組，需使用一組明顯不受控制的數(shù)據(jù)。故而進(jìn)行第二次測(cè)量，并在時(shí)刻5和時(shí)刻6打開(kāi)箱門(mén)并放入溫水袋。測(cè)量其數(shù)據(jù)并將其命名為2.txt。具體數(shù)據(jù)值如表2。

表2 2.txt存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

其運(yùn)行結(jié)果如圖3：

圖3 1.txt和2.txt下冷藏箱總體運(yùn)行情況GUI效果

說(shuō)明第一組數(shù)據(jù)未出現(xiàn)超出控制限情況，第二組數(shù)據(jù)出現(xiàn)超出數(shù)據(jù)限情況，符合預(yù)期。

4 總結(jié)

本文針對(duì)可充電式車載冷藏箱，針對(duì)其溫度不一定符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的情況，設(shè)計(jì)了一套使用正態(tài)過(guò)程下變抽樣區(qū)間EWMA控制圖對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控的方法，同時(shí)使用matlab進(jìn)行開(kāi)發(fā)。使用戶可以方便快捷的通過(guò)程序查詢到箱體內(nèi)部的異常情況，同時(shí)可以通過(guò)其歷史數(shù)據(jù)及控制圖走向進(jìn)行分析。同時(shí)本系統(tǒng)可以根據(jù)點(diǎn)不同的位置自動(dòng)采用不同的抽樣區(qū)間，提高了監(jiān)控效率。本程序使用簡(jiǎn)單，有較好的交互性及可擴(kuò)展性，亦可應(yīng)用于其他領(lǐng)域?qū)Ψ钦龖B(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)控之中。