典型危險貨物罐式箱鐵路運輸安全監(jiān)控技術(shù)研究

楊文韜，張義川，姚振坤，張 輝

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司 貨運部，北京 100844)

1 典型危險貨物罐式箱安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀

罐式集裝箱(以下簡稱“罐式箱”)是專為裝運液體貨物而設(shè)計的，具有成本適中、運輸方式靈活性強、可以實現(xiàn)“門到門”多式聯(lián)運等特點[1]。以典型危險貨物——液化天然氣(LNG)罐式箱為研究對象，對罐式箱鐵路運輸監(jiān)控技術(shù)進行研究，可以為同類危險貨物運輸提供借鑒。

受霧霾治理、煤改氣、經(jīng)濟社會發(fā)展的推動，天然氣已經(jīng)成為我國能源消費的重要組成部分，社會需求逐年遞增。LNG主要成分是甲烷，是氣態(tài)天然氣降溫至-162℃以下形成的深冷液體，屬于易燃易爆危險化學品，存在著火災(zāi)、爆炸、人體健康危害等危險性[2]。LNG罐式箱應(yīng)用場景為在管道未覆蓋的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、小型企業(yè)、LNG車船加注站提供LNG。目前LNG罐式箱公路運輸已經(jīng)基本放開，水路運輸處于試點階段。

近年來，全球范圍內(nèi)LNG的燃爆事故時有發(fā)生，從事故的原因來看，LNG狀態(tài)異常如過熱、高壓、沖擊等是事故的重要原因[3]。在鐵路運輸安全方面，LNG罐式箱特別是遇到長大隧道、涵洞時氣體揮發(fā)排放等需要著重考慮[4]。在LNG罐式箱在途狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警方面，有學者提出基于LoRa無線通信技術(shù)的LNG罐式箱遠程監(jiān)控方案，監(jiān)控方案由罐式箱檢測儀表、押運車車載集中監(jiān)控平臺及遠程監(jiān)控云平臺組成，其監(jiān)測的LNG狀態(tài)包括壓力、液位、溫度、位置、電池電量等參數(shù)[5]；有企業(yè)提出基于衛(wèi)星定位的智能罐式箱解決方案[6]；有企業(yè)在40 ft國際聯(lián)運罐式箱上采用信息化遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測罐式箱的壓力、液位、溫度、位置等參數(shù)[7]；有企業(yè)已在LNG罐式箱公路運輸開展了遠程安全監(jiān)測裝置試驗試用。

目前，鐵路危險貨物罐式箱運輸安全的控制手段主要依靠發(fā)到站人工檢查和途中人工押運，只能盯控相關(guān)受理、裝車、運輸、卸車重點環(huán)節(jié)的進度，缺乏實時監(jiān)測的技防手段。因此，應(yīng)開展罐式箱監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)報警信息處理技術(shù)研究，對危險貨物運輸全過程的位置信息、狀態(tài)參數(shù)(壓力、液位、溫度、加速度和蒸發(fā)率等)進行實時監(jiān)控，對異常事件發(fā)生前的狀態(tài)進行分析及預(yù)測，并將產(chǎn)生的預(yù)報警信息反饋給作業(yè)現(xiàn)場進行處置，以提高鐵路危險貨物運輸安全水平[8]。

1.2 監(jiān)控技術(shù)選型

罐式箱安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)從邏輯上涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和控制全過程，可以劃分為傳感感知技術(shù)、無線通信技術(shù)、低功耗控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.1 傳感感知技術(shù)

傳感感知即將待研究對象的物理化學特性轉(zhuǎn)換為電特性的一個過程。貨物介質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集準確性是采集罐式箱運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。結(jié)合介質(zhì)運輸?shù)奶攸c，對液位、溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)采集進行研究設(shè)計。

液位測量方法有多種，目前LNG液位測量方法主要有差壓式、電容式、導(dǎo)波雷達式和磁性伺服式[9]。差壓式作為液位采集方式，具有普及范圍廣、容易校準的特點，即在罐式箱的液相引壓管連接差壓傳感器的高壓側(cè)，氣相引壓管連接差壓傳感器的低壓側(cè)。LNG液位測量方式建議采用差壓式。鑒于LNG屬于低溫介質(zhì)，傳統(tǒng)壓力傳感器無法直接測量液態(tài)的LNG，通常采用測量其氣相壓力來實現(xiàn)其液相壓力的測量。溫度感知單元一般包括溫度傳感器、溫度變送器及接收單元。常見的用于石油化工、特種工業(yè)、易燃易爆等行業(yè)的溫度傳感器包括熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻等方式。由于鉑電阻方式具有寬溫度范圍、高精度及可重復(fù)性等特點，LNG溫度測量方法建議采用鉑電阻方式。

1.2.2 無線通信技術(shù)

采用實時穩(wěn)定性高、覆蓋范圍廣、傳輸功耗低的無線通信方式進行數(shù)據(jù)通信十分重要。通過對低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)、遠距離無線電(LoRa)技術(shù)，以及以ZigBee為代表的短距離無線通信技術(shù)和以4G為代表的主流蜂窩移動通信技術(shù)進行研究，各無線通信技術(shù)方案比較分析如下。

（1）NB-IoT技術(shù)方案。NB-IoT作為未來幾年主流的低速率物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)，借助其可以在移動通信基站上的部署，以及低成本、低功耗、高抗干擾性的技術(shù)特點，基本可以實現(xiàn)罐式箱遠程監(jiān)控需求。目前NB-IOT的應(yīng)用場景基本為固定場景，鐵路沿線尚未完成全部部署。

（2）LoRa+蜂窩移動通信技術(shù)方案。即在罐式箱班列的機車或押運車上安裝車載集中監(jiān)控設(shè)備，通過LoRa技術(shù)實現(xiàn)采集各罐式箱上監(jiān)測單元的參數(shù)信息，再通過蜂窩移動通信實現(xiàn)與遠程監(jiān)控平臺的無線數(shù)據(jù)通信。該技術(shù)方案可以實現(xiàn)對罐式箱的遠程安全監(jiān)控。相比較而言，LoRa技術(shù)適用于傳輸數(shù)據(jù)量較少的場景，而罐式箱需要在特定運輸情況下進行頻繁的數(shù)據(jù)采集。

（3）ZigBee+蜂窩移動通信技術(shù)方案。即在罐式箱班列的機車或押運車上安裝車載集中監(jiān)控設(shè)備，ZigBee無線傳感網(wǎng)負責罐式箱數(shù)據(jù)的采集，ZigBee的通信距離可以滿足數(shù)據(jù)的傳輸，蜂窩移動通信負責將各個罐式箱數(shù)據(jù)匯集后傳輸?shù)竭h程監(jiān)控平臺。結(jié)合ZigBee技術(shù)的特點，相比較而言，采用ZigBee技術(shù)的設(shè)備成本較高，抗干擾性差。

（4）蜂窩移動通信技術(shù)方案。蜂窩移動通信相比于其他技術(shù)方式具有高速率、低時延、高可靠、成本低、集成度高等特點，通過在罐式箱安裝帶有移動通信模塊的監(jiān)測裝置，采集罐式箱上的參數(shù)信息后可以直接通過蜂窩通信傳輸至遠端監(jiān)控平臺，實現(xiàn)罐式箱遠程監(jiān)控。該技術(shù)方案避免了在機車或押運車上安裝車載集中監(jiān)控設(shè)備，為日后取消押運車和人員提供了可能性。因此，建議采用蜂窩移動通信技術(shù)方案作為鐵路危險貨物罐式箱遠程監(jiān)控的無線通信方式。

無線通信技術(shù)比較如表1所示。

1.2.3 低功耗控制技術(shù)

在安全監(jiān)控的追蹤定位、狀態(tài)監(jiān)測、遠程控制和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程中，由于監(jiān)測裝置無外接電源，采用自供電方式，需持續(xù)在室外工作，采集監(jiān)測裝置的能耗控制是十分重要的。為此，研究提出間隔休眠喚醒控制策略和超時控制策略低功耗控制技術(shù)。

（1）間隔休眠喚醒控制策略。間隔休眠喚醒控制策略即根據(jù)介質(zhì)實時狀態(tài)及趨勢判斷，智能調(diào)節(jié)裝置的休眠喚醒間隔。對于危險貨物罐式箱運輸過程，可以分為正常監(jiān)測狀態(tài)和預(yù)報警監(jiān)測狀態(tài)。預(yù)報警監(jiān)測狀態(tài)即采集的液位、壓力、溫度等某項指標超出了設(shè)定的閾值，則不管是承運人還是托運人會對此狀態(tài)下的采集定位信息的密度要求較高，采用較短(如5 min/次)的休眠間隔；如果監(jiān)測數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)，會對采集定位信息的密度要求低一些，采用較長(如1～2 h/次)的休眠間隔。間隔休眠喚醒示意圖如圖1所示。通過減少采集次數(shù)，可以減少電能的消耗。

（2）超時控制策略。有源監(jiān)測裝置的通信傳輸過程的流程是先連接公眾網(wǎng)絡(luò)進行注冊，然后嘗試進行衛(wèi)星定位，定位后將采集的狀態(tài)信息、經(jīng)度、緯度、時間及電量信息回傳至遠端監(jiān)控平臺，數(shù)據(jù)傳送完成后，有源監(jiān)測裝置進入休眠。但是，在實際運輸過程中有源監(jiān)測裝置經(jīng)常會遇到如無法找到通信網(wǎng)絡(luò)進行注冊、因遮蔽搜不到衛(wèi)星信號無法進行定位、在數(shù)據(jù)回傳時通信異常而無法回傳數(shù)據(jù)等情況。這就需要對此類異常情況進行處理和控制。對有源監(jiān)測裝置建立各個環(huán)節(jié)的超時控制，一旦超過相關(guān)限制時間則中斷當前連接或工作，強制進入下一環(huán)節(jié)，這樣就可以避免硬件程序陷入僵死狀態(tài)，減少不必要的能量消耗。超時控制可以在搜網(wǎng)注冊時間、搜星定位時間、數(shù)據(jù)傳輸時間等關(guān)鍵點設(shè)置，達到降低功耗的目的。

2 典型危險貨物罐式箱鐵路運輸安全監(jiān)控信息處理技術(shù)

通過采取物聯(lián)網(wǎng)手段實現(xiàn)對罐式箱安全狀態(tài)的前端數(shù)據(jù)采集后，更重要的是對采集的數(shù)據(jù)信息進行處理分析，涉及到多維度數(shù)據(jù)融合、判斷、預(yù)測及預(yù)警。因此，根據(jù)LNG罐式箱運輸?shù)奶攸c，按照箱體狀態(tài)可以分為空載過程、充裝過程、滿載過程、卸液過程4個狀態(tài)。按照運動、靜止狀態(tài)，可以細分為空載靜止、空載運動(運輸)、充裝靜止、滿載靜止、滿載運動(運輸)、卸液靜止共6個狀態(tài)。罐式箱鐵路運輸范圍包括空載靜止、空載運動(運輸)、滿載靜止、滿載運動(運輸)4個狀態(tài)，結(jié)合鐵路既有危險貨物運輸管理規(guī)定，罐式箱鐵路運輸安全監(jiān)控信息處理技術(shù)應(yīng)建立多目標閾值條件下預(yù)報警判斷及預(yù)測預(yù)報警信息。

表1?無線通信技術(shù)比較Tab.1 Comparison of wireless communication technologies

圖1?間隔休眠喚醒示意圖Fig.1 Diagram of interval sleep wake-up

2.1 多目標閾值條件下預(yù)報警判斷

預(yù)報警數(shù)據(jù)的產(chǎn)生基于危險貨物罐式箱監(jiān)測裝置采集的實時數(shù)據(jù)，由遠端監(jiān)控平臺后臺進行分析計算，給出針對某項指標的評判。預(yù)報警信息產(chǎn)生邏輯圖如圖2所示。

圖2?預(yù)報警信息產(chǎn)生邏輯圖Fig.2 Logic diagram of warning information

預(yù)報警信息產(chǎn)生邏輯具體步驟如下。

（1）首先需要獲取到當前罐式箱的相關(guān)信息，其罐式箱各項參數(shù)和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值根據(jù)罐式箱類型和尺寸參數(shù)均不同。

（2）判斷實時數(shù)據(jù)的狀態(tài)。如果是壓力達到預(yù)報警值，則繼續(xù)區(qū)分預(yù)警還是報警；如果是溫度達到預(yù)報警值，則繼續(xù)區(qū)分預(yù)警還是報警；如果是充裝率達到預(yù)報警值，則需要根據(jù)空箱、重箱狀態(tài)或者裝車、卸車數(shù)據(jù)判斷，如果是空箱，則判斷是否處于下限值和上限值之間，如果是重箱，則判斷介質(zhì)質(zhì)量；如果是電量低于預(yù)警閾值，則置為電量預(yù)警；如果是加速度達到預(yù)警值，則置為加速度預(yù)警。

（3）第（2）部分判斷得出的預(yù)報警信息會以組合的方式存儲，然后將計算得出的預(yù)報警信息跟當前罐式箱在遠端監(jiān)控平臺中既有的狀態(tài)進行比對。①計算得出的狀態(tài)為正常，當前系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)為正常，則仍為正常狀態(tài)；②計算得出的狀態(tài)為正常，當前系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)處于預(yù)警或報警狀態(tài)，則更新系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)為正常狀態(tài)；③計算得出的狀態(tài)為預(yù)警或報警狀態(tài)，當前系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)為正常，則更新系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)為預(yù)警或報警狀態(tài)，同時需要將該信息發(fā)送給托運人等第三方平臺；④計算得出的狀態(tài)為預(yù)警狀態(tài)，當前系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)為預(yù)警，則記錄存儲預(yù)警信息，不發(fā)送該預(yù)警信息，系統(tǒng)平臺的罐式箱狀態(tài)仍為預(yù)警；⑤計算得出的狀態(tài)為預(yù)警狀態(tài)，當前系統(tǒng)平臺中的罐式箱狀態(tài)為報警，則需要獲取是否有報警處置信息，如果有則說明在新的預(yù)警產(chǎn)生時現(xiàn)場進行了處置，則更新系統(tǒng)平臺的罐式箱狀態(tài)為正常，如果沒有處置信息，則系統(tǒng)平臺的罐式箱狀態(tài)仍為報警，同時需要將該信息發(fā)送給托運人等第三方平臺。

2.2 預(yù)測預(yù)報警信息

對于罐式箱在途狀態(tài)的監(jiān)測既可以根據(jù)狀態(tài)的閾值判斷預(yù)報警信息，也可以結(jié)合相關(guān)預(yù)測方法對監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的樣本進行深度學習，對LNG罐式箱介質(zhì)的狀態(tài)趨勢進行修正，根據(jù)介質(zhì)的狀態(tài)趨勢提前預(yù)測達到預(yù)報警的目的。

常用的預(yù)測模型包括回歸預(yù)測、時間序列、馬爾科夫預(yù)測、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等。例如，對于LNG罐式箱在途運輸，其壓力的變化趨勢決定了其無損運輸時間的長短。壓力的變化與罐式箱初始充裝率、罐式箱的導(dǎo)熱率、罐式箱夾層真空率、安全閥整定壓力、LNG介質(zhì)的純度、環(huán)境溫度等因素均有相關(guān)性。通過將上述影響因素作為自變量，得出與因變量(LNG壓力)之間存在的因果關(guān)系。根據(jù)LNG罐式箱預(yù)報警狀態(tài)預(yù)測方法的適用條件、預(yù)測時間范圍，可以采用較為簡單且容易操作的回歸預(yù)測法[10]，即根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)求出因果關(guān)系的相關(guān)系數(shù)，再通過相關(guān)系數(shù)確定回歸方程，預(yù)測中短期時間范圍內(nèi)預(yù)報警狀態(tài)的發(fā)展趨勢。壓力監(jiān)測回歸預(yù)測分析流程圖如圖3所示。

圖3?壓力監(jiān)測回歸預(yù)測分析流程圖Fig.3 Process diagram of regression prediction of pressure monitoring

3 結(jié)束語

在強化危險貨物運輸安全管控的背景下，探索通過采用物聯(lián)網(wǎng)、無線通信等信息技術(shù)，對以LNG罐式箱為代表的典型危險貨物安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)進行研究，及時發(fā)現(xiàn)、預(yù)測危險貨物罐式箱在運輸過程中的異常狀態(tài)，能夠進一步強化鐵路危險貨物罐式箱運輸安全。該方式探索了以技防代替人防的作業(yè)新模式，可以實現(xiàn)危險貨物罐式箱運輸全程狀態(tài)監(jiān)管，將以往的問題事后發(fā)現(xiàn)處置轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑帮L險預(yù)判，提升危險貨物的安全風險控制能力。進一步可以對如何提高預(yù)報警信息趨勢預(yù)測的精度進行深化研究。