冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐文榮，石 嶺，黃敏珍，田漢宇，李曉明

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級及生鮮電商的崛起，食品藥品安全問題引起了大家的廣泛重視。冷鏈物流需求在未來3～5 年內(nèi)將迅速放量，2019 年我國鐵路冷鏈運量僅占總運量的0.92%[1]，而美國鐵路冷鏈?zhǔn)袌龇蓊~在2016 年已達(dá)到11%[2]。由此可見，我國鐵路冷鏈物流市場很有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

冷鏈運輸是鐵路貨運的重要分支，我國鐵路開展冷藏運輸業(yè)務(wù)相對較早，發(fā)展卻相對滯后，場站配套基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，運輸組織條件和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不完善。我國使用較為普遍的是機械冷藏車和加冰冷藏車[3]，但這些傳統(tǒng)的冷藏運輸工具已經(jīng)難以滿足市場需要。冷藏集裝箱是國際標(biāo)準(zhǔn)運輸單元，具有全程控溫、方便靈活、適應(yīng)性強、能整箱倒裝等優(yōu)點和多式聯(lián)運、門到門的綜合優(yōu)勢，在全程冷鏈多式聯(lián)運中發(fā)展迅猛，是鐵路冷藏運輸裝備的發(fā)展方向。推廣標(biāo)準(zhǔn)冷藏集裝箱，促進(jìn)冷鏈物流各作業(yè)環(huán)節(jié)及不同交通方式間的有序銜接是國家冷鏈物流發(fā)展的總體要求[4]。

為此，本文針對冷藏集裝箱運輸業(yè)務(wù)的設(shè)備信息管理和監(jiān)控、實時追蹤的需求，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控，綜合應(yīng)用全球衛(wèi)星定位、移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)，對冷藏集裝箱位置、溫度、濕度、電池狀態(tài)等信息的接入、回傳及運用情況進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，實現(xiàn)冷藏集裝箱資產(chǎn)管理、場地管理及位置追蹤。

1 需求分析

1.1 業(yè)務(wù)需求

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)依托多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺，應(yīng)滿足以下業(yè)務(wù)需求。

（1）將互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備采集的信息傳輸?shù)皆品?wù)器，并通過安全平臺傳輸?shù)絻?nèi)部服務(wù)網(wǎng)。

（2）實現(xiàn)預(yù)警信息從內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)到監(jiān)測設(shè)備或云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸 。

（3）實現(xiàn)對冷藏集裝箱的資產(chǎn)管理和場地管理，掌握冷藏集裝箱及箱體傳感配套設(shè)備信息和場地的使用情況。

（4）實現(xiàn)對冷藏集裝箱設(shè)備的狀態(tài)、位置、主要信息和相關(guān)參數(shù)的查詢。

（5）實現(xiàn)冷藏集裝箱位置追蹤功能，對冷藏集裝箱位置分布、在站停時、在途位置等信息進(jìn)行管理。

（6）根據(jù)冷藏集裝箱信息和運行狀態(tài)提供各類統(tǒng)計報表，報表可按字段進(jìn)行分類查詢、排序和統(tǒng)計。

1.2 數(shù)據(jù)需求

1.2.1 設(shè)備信息數(shù)據(jù)

冷藏集裝箱設(shè)備信息分為箱體信息、制冷機組信息、鋰電池信息。箱體信息包括箱號、生產(chǎn)廠家、出廠日期、箱門開關(guān)狀態(tài)、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)濕度、箱外溫度、箱體運行位置和運行速度、監(jiān)控電池電量等。制冷機組信息包括制冷機組型號、生產(chǎn)廠家、開關(guān)機狀態(tài)、監(jiān)控電池電量、開機后的出風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度等。鋰電池信息包括鋰電池型號、產(chǎn)品編號、生產(chǎn)廠家、開機后的供電電壓、電流、電量、電池溫度等。

冷藏集裝箱設(shè)備信息需由冷藏集裝箱管理系統(tǒng)集中統(tǒng)一管理，并能實時查詢，查詢方式簡單且多樣，查詢結(jié)果直觀、一目了然。

1.2.2 運用信息數(shù)據(jù)需求

冷藏集裝箱運用信息分為載貨信息、遠(yuǎn)程監(jiān)視信息、遠(yuǎn)程控制信息。載貨信息包括貨物種類、控溫要求、發(fā)站、到站、裝箱時間、掏箱時間等。遠(yuǎn)程監(jiān)視信息包括集裝箱運行位置、運行速度、冷機出風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、鋰電池供電電壓、電流、鋰電池電量、電池艙溫度、故障報警等。遠(yuǎn)程控制信息包括遠(yuǎn)程開/關(guān)機、遠(yuǎn)程溫度設(shè)置、故障報警時間、故障代碼消除等。

冷藏集裝箱運用信息需由冷藏集裝箱管理系統(tǒng)實時、安全地傳輸?shù)絻?nèi)部服務(wù)器并能回傳，進(jìn)行監(jiān)控，同時，對監(jiān)控信息和設(shè)備信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，查詢結(jié)果顯示在一個界面。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)能夠?qū)﹁F路貨物冷藏運輸過程中的冷藏集裝箱進(jìn)行全過程定位和實時追蹤，達(dá)到米級車輛定位精度，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度，加快冷鏈物流服務(wù)資源整合，實現(xiàn)運輸一體化和多式聯(lián)運，有效提高鐵路冷鏈運輸?shù)臅r效性，縮短運輸周期，提高運輸組織效率，降低運營成本。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖1 所示。從圖1 中可以看出，冷藏集裝箱配有監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)洳丶b箱進(jìn)行實時監(jiān)控和信息采集。這些采集到的信息通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸，其中，監(jiān)控數(shù)據(jù)、監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)、監(jiān)測共享數(shù)據(jù)、電池監(jiān)測數(shù)據(jù)等先傳輸?shù)蕉嗍铰?lián)運數(shù)據(jù)交換平臺，再通過中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）安全平臺傳輸?shù)借F路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

（1）通過多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺，冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)交換進(jìn)行管理和監(jiān)控，并進(jìn)行統(tǒng)計、分析、展示等數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用。

（2）通過安全防護(hù)邊界——安全平臺，為冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)保護(hù)，避免黑客攻擊，防止數(shù)據(jù)丟失。

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，打通全過程物流信息鏈，優(yōu)化整體作業(yè)，加速信息流轉(zhuǎn)。同時，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的實時傳輸，顯著提高物流運輸效率，降低物流運輸成本，促進(jìn)“節(jié)支降耗”。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備預(yù)警和綜合應(yīng)用這4 個功能模塊組成，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控

數(shù)據(jù)傳輸：提供可視化管理界面，對外部用戶、數(shù)據(jù)交換、傳輸頻率、用戶認(rèn)證等進(jìn)行管理。

數(shù)據(jù)監(jiān)控：提供可視化數(shù)據(jù)交換監(jiān)控界面，監(jiān)控交換報文的生成、解析、推送、流量等信息。

（2）設(shè)備管理

設(shè)備信息：管理冷藏集裝箱數(shù)據(jù)，具體有設(shè)備號、箱體信息、制冷機組信息、鋰電池信息等。

設(shè)備實時狀態(tài)信息查詢：管理通過多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺的冷藏集裝箱所有設(shè)備實時狀態(tài)信息，具體有設(shè)備號、運行狀態(tài)、回風(fēng)溫度、除霜溫度、電池倉溫度、速度、電池容量、開關(guān)機狀態(tài)、蓄電池電壓、門開關(guān)狀態(tài)等。

位置追蹤查詢：查詢冷藏集裝箱所有設(shè)備在某個時間段的軌跡，并在電子地圖上標(biāo)注其軌跡。

位置分布查詢：查詢冷藏集裝箱所有設(shè)備的位置，并在電子地圖上加以標(biāo)注。支持單獨查詢某個冷藏集裝箱，也支持批量查詢冷藏集裝箱。

場地管理：查詢冷藏集裝箱的所有設(shè)備在某個時間段的在站位置和空重狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)等，以表的形式進(jìn)行展示。

（3）設(shè)備預(yù)警

設(shè)備預(yù)警對冷藏集裝箱運用情況進(jìn)行監(jiān)控，對監(jiān)控數(shù)據(jù)超過閾值的設(shè)備報警提示。

（4）綜合應(yīng)用

根據(jù)冷藏集裝箱設(shè)備信息和運行狀態(tài)提供各類統(tǒng)計報表，報表可按字段進(jìn)行分類查詢、排序和統(tǒng)計。

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用界面如圖3 所示。冷藏集裝箱電池電壓、電池電量、電池電流等信息以表盤的形式進(jìn)行展示。冷藏集裝箱開關(guān)門狀態(tài)、箱內(nèi)和箱尾溫度、電池溫度、制冷機組狀態(tài)、電池狀態(tài)等信息以圖的形式進(jìn)行綜合展示。設(shè)備告警情況以表的形式進(jìn)行展示。冷藏集裝箱的實時軌跡和歷史軌跡以電子地圖的形式進(jìn)行直觀顯示。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用界面

2.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由外部終端接入、外部服務(wù)網(wǎng)和內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)3層組成。其中，外部終端接入層包括監(jiān)測傳感裝置；外部服務(wù)網(wǎng)包括云服務(wù)器、多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺；內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)包括接口服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）外部終端接入層

冷藏集裝箱車體配備遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置，基于GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，箱內(nèi)溫度、濕度、電池狀態(tài)、制冷機組門開關(guān)等多項監(jiān)控信息通過互聯(lián)網(wǎng)實時上傳到云服務(wù)器。

（2）外部服務(wù)網(wǎng)

外部服務(wù)網(wǎng)包括云服務(wù)器和多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺。冷藏集裝箱的監(jiān)控數(shù)據(jù)由云服務(wù)器傳輸?shù)蕉嗍铰?lián)運數(shù)據(jù)交換平臺，實現(xiàn)冷藏集裝箱監(jiān)控信息的接入。

（3）內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)

內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)包括接口服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺將冷藏集裝箱監(jiān)控信息通過國鐵集團安全平臺傳輸?shù)絻?nèi)部服務(wù)網(wǎng)，實現(xiàn)鐵路內(nèi)外網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)的安全。

3 功能實現(xiàn)

3.1 冷藏集裝箱監(jiān)控信息接入

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)依托多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺，實現(xiàn)了冷藏集裝箱監(jiān)控信息接入。通過多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺打通了鐵路、公路、港口之間的信息壁壘，實現(xiàn)了鐵水聯(lián)運、公鐵聯(lián)運等信息的共享與交換[5]，信息的及時傳輸顯著提高了物流運輸效率，降低了物流運輸成本。

3.2 冷藏集裝箱追蹤

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)利用地理信息技術(shù)，實現(xiàn)冷藏集裝箱追蹤。利用射頻識別、條形碼掃描、車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)和可視化手段實現(xiàn)物流智能配送[6]，通過車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對鐵路貨物運輸過程中的冷藏集裝箱全程定位和實時追蹤，并在電子地圖上直觀顯示冷藏集裝箱運行軌跡，實現(xiàn)米級定位精度和精準(zhǔn)調(diào)度，方便用戶及時、準(zhǔn)確地掌握貨物運輸信息，提高冷藏運輸時效性與管理效率，提升服務(wù)品質(zhì)和鐵路物流的服務(wù)競爭力，推動鐵路貨運加快向現(xiàn)代物流轉(zhuǎn)變。

3.3 可視化展示

冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)采用規(guī)范接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)多種可視化展示技術(shù)應(yīng)用；制訂了冷藏集裝箱箱體、電池、制冷機組等設(shè)備信息、冷藏集裝箱載貨信息、遠(yuǎn)程監(jiān)視信息和遠(yuǎn)程控制信息的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，以及報文傳輸格式，將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接入多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺，實現(xiàn)冷藏集裝箱資產(chǎn)管理和場地管理及位置追蹤；采用表盤、圖形、表格、電子地圖等可視化展示技術(shù)，對冷藏集裝箱內(nèi)電池狀態(tài)、開關(guān)門狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和實時軌跡等進(jìn)行直觀展示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

課題在研究階段，選取45 英尺、20 英尺、40英尺鐵路鋰電池冷藏集裝箱各2 臺、40 英尺鐵路蓄冷型冷藏集裝箱1 臺，將冷藏集裝箱系統(tǒng)試用于所選集裝箱上，考核系統(tǒng)運用效果，考核時間為1 年。持續(xù)1 年的試用考核中，系統(tǒng)運用情況良好，實現(xiàn)了箱內(nèi)溫度、濕度、電池狀態(tài)等信息的接入和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并能實時追蹤冷藏箱的位置，提升了冷藏箱市場競爭力。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了冷藏集裝箱管理信息系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了冷藏集裝箱的信息管理、實時追蹤、監(jiān)控和預(yù)警等功能。所設(shè)計系統(tǒng)試用于鋰電池冷藏集裝箱和蓄冷型冷藏集裝箱的管理，運用效果良好。隨著冷藏集裝箱的批量生產(chǎn)和投入應(yīng)用，將進(jìn)一步研究系統(tǒng)的性能，以使其具有更好的普適性。