基于多源傳感技術(shù)的鐵路貨運(yùn)智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：在“新工科”教育背景下，為進(jìn)一步豐富和優(yōu)化鐵路貨運(yùn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了基于多源傳感技術(shù)的鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即使用多源傳感信息技術(shù)對(duì)貨物運(yùn)輸環(huán)境和貨物運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及預(yù)警。結(jié)合OBE教育理念開(kāi)展教學(xué)改革實(shí)踐，提出提高學(xué)生綜合能力的教學(xué)和評(píng)價(jià)方法。學(xué)生能對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)娜^(guò)程有更為深刻的認(rèn)識(shí)，提升對(duì)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)的操作能力，為今后從事鐵路貨運(yùn)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

" 關(guān)鍵詞：鐵路貨運(yùn)；多源傳感技術(shù)；智慧監(jiān)控；教學(xué)改革；模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

" 中圖分類號(hào)：F253.9" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.15.012

Abstract： Under the background of \"new engineering\" education， a simulation experiment system of railway freight transportation intelligent monitoring based on multi-source sensing technology is designed in order to further enrich and optimize the content of railway freight experiment teaching. The system can monitor and warn the freight transportation environment and freight transportation state by using multi-source sensing information technology. Combining with OBE education concept， the teaching reform practice is carried out. The teaching methods and evaluation methods to improve students' comprehensive ability are put forward. Students can have a deeper understanding of the whole process of railway freight transportation， and improve their operational capabilities of freight transportation systems can， so that a solid foundation for future work in railway freight transportation can be laid.

Key words： railway freight transportation; multi-source sensor technology; intelligent monitor; teaching reform; simulation experimental system

0" 引" 言

" 隨著鐵路貨物列車(chē)速度的大幅提升，以及承運(yùn)貨物種類、運(yùn)量的增長(zhǎng)，鐵路貨物運(yùn)輸安全保障成為鐵路貨運(yùn)質(zhì)量的核心問(wèn)題[1]。在我國(guó)鐵路貨運(yùn)組織改革的不斷深入下，鐵路貨運(yùn)服務(wù)水平在一定程度上得到了提升，但是與其發(fā)展目標(biāo)以及客戶預(yù)期，仍然存在不小差距?，F(xiàn)階段我國(guó)鐵路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)貨車(chē)的追蹤查詢和預(yù)測(cè)到達(dá)等功能，然而對(duì)于一些貨物在車(chē)輛內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警、控制并給出輔助決策方案還有待進(jìn)一步解決[2]。鐵路部門(mén)必須不斷提高信息服務(wù)水平，將最全面的貨物跟蹤信息服務(wù)提供給客戶，使客戶能夠及時(shí)地了解貨物動(dòng)向。

" 對(duì)于工程實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的交通運(yùn)輸專業(yè)來(lái)講，純粹的理論教學(xué)無(wú)法提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和理論課程相結(jié)合的教學(xué)模式改革非常重要[3]。為了提高鐵路貨運(yùn)組織教學(xué)質(zhì)量，本科教學(xué)應(yīng)遵循成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，OBE）的教學(xué)理念。根據(jù)《鐵路貨運(yùn)組織》課程以及交通運(yùn)輸專業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)定位和現(xiàn)有教學(xué)條件，以O(shè)BE教育理念作為引導(dǎo)，本課程的教學(xué)不僅能增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展，培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)、能夠解決鐵路貨運(yùn)問(wèn)題的應(yīng)用型人才[4-5]。

" 因此，針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本文圍繞OBE教育理念，并結(jié)合新工科背景下的應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案，設(shè)計(jì)了一種具有便攜、讀取方便、多種模塊集成，且具有自動(dòng)警示、北斗定位、藍(lán)牙信號(hào)傳輸?shù)裙δ艿呢浳镞\(yùn)輸車(chē)廂監(jiān)測(cè)設(shè)備，并基于此開(kāi)發(fā)鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有效解決了對(duì)于車(chē)廂內(nèi)貨物運(yùn)輸過(guò)程中的貨物狀態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，同時(shí)也可提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及對(duì)鐵路貨主服務(wù)的意識(shí)。

1" 鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1" 系統(tǒng)構(gòu)架

" 鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控系統(tǒng)總共由3個(gè)層面組成，感知層、傳輸層和控制層，系統(tǒng)總構(gòu)架如圖1所示。

" （1）感知層：由溫濕度傳感器、氣壓傳感器、光照傳感器、氣體傳感器以及高清攝像頭組成，主要是通過(guò)這些高精度傳感儀器對(duì)貨物運(yùn)輸過(guò)程中車(chē)廂內(nèi)的各要素進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)、監(jiān)控和反饋，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和全局性數(shù)據(jù)感知。

" （2）傳輸層：由于鐵路運(yùn)輸?shù)呢浳锓N類不同，所監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)也不相同，采集到的數(shù)據(jù)具有多源性、多尺度、高噪聲等特點(diǎn)。為確保數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，在這一層需要對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算、分析及存儲(chǔ)。樹(shù)莓派4B不僅能對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

" 信息傳輸和處理的延時(shí)也需要較高的要求，外界環(huán)境對(duì)傳感器精度的影響、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的數(shù)據(jù)丟失等都會(huì)造成數(shù)據(jù)獲取的誤差。因此該層主要是由5G高速網(wǎng)絡(luò)、Wifi等接受信息和匯聚數(shù)據(jù)。

" （3）應(yīng)用層：應(yīng)用層能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化和智能化控制，向貨物運(yùn)輸系統(tǒng)提供使用、監(jiān)控、預(yù)警和維護(hù)需求等功能。并且用戶能通過(guò)PC端或手機(jī)端網(wǎng)頁(yè)完成對(duì)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化展示，實(shí)時(shí)查詢到貨物信息。

1.2" 功能介紹

系統(tǒng)的功能主要包括信息監(jiān)測(cè)、信息分析處理和智能預(yù)警三部分。

1.2.1" 信息監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)可通過(guò)硬件設(shè)備監(jiān)測(cè)車(chē)廂的地理位置、溫濕度、氣壓等信息，并進(jìn)行可視化處理，以圖形、圖像、視頻等形式輸出數(shù)據(jù)。對(duì)于貨物所在的車(chē)廂信息，可通過(guò)電子貨票系統(tǒng)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取對(duì)應(yīng)的票據(jù)信息，電子貨票系統(tǒng)可對(duì)貨物類型、數(shù)量、重量以及所在車(chē)次、車(chē)廂號(hào)、集裝箱編號(hào)自動(dòng)檢索。

1.2.2" 信息分析處理

傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)由樹(shù)莓派分析，根據(jù)不同類型貨物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷其安全狀態(tài)，并做出處理。最后將數(shù)據(jù)和處理信息存儲(chǔ)于存儲(chǔ)卡中，可通過(guò)客戶端調(diào)取數(shù)據(jù)查看相關(guān)信息，便于工作人員和貨主對(duì)貨物狀態(tài)進(jìn)一步分析和處理。

1.2.3" 智能預(yù)警

" 不同類型的貨物有著不同的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)信息分析處理后，若貨物狀態(tài)異常，則會(huì)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行不同程度預(yù)警，同時(shí)預(yù)警信息自動(dòng)上傳至服務(wù)器，工作人員和貨主可通過(guò)客戶端查看。

2" 鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

" 系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、微處理器模塊、電源電路模塊、視頻信號(hào)模塊、北斗定位模塊和預(yù)警模塊組成。

2.1.1" 核心控制板樹(shù)莓派

" 在該監(jiān)控系統(tǒng)中，樹(shù)莓派4B型微處理器板是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，外觀如圖2所示。

樹(shù)莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，體積雖小，但具有計(jì)算機(jī)的所有基本功能，表1展示了樹(shù)莓派4B板載的硬件參數(shù)以及各個(gè)配置在該系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。

2.1.2" 傳感監(jiān)測(cè)模塊

傳感監(jiān)測(cè)模塊包括溫濕度傳感器、氣壓傳感器、光照度傳感器以及多種氣體傳感器。

（1）溫濕度傳感器

" 溫濕度傳感器采用的是DHT22模塊，如圖3所示。這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，其傳感器精度高，在環(huán)境溫度和濕度測(cè)量要求比較高的情況下使用，具有極高的可靠性和出色的穩(wěn)定性，其性能參數(shù)如表2所示。

（2）氣壓傳感器

氣壓傳感器采用BMP180模塊，測(cè)量的壓力范圍為300～1 100hpa，精度可以達(dá)到0.03hpa，且耗電極低，只有3uA，如圖4所示。選擇合適的氣壓傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到車(chē)廂內(nèi)的氣壓變化，可避免一些危險(xiǎn)貨物因?yàn)闅鈮旱奈⑿∽兓l(fā)生意外。

（3）光照度傳感器

一些危險(xiǎn)貨物中的爆炸品對(duì)于光照強(qiáng)度有著極高的要求，傳感器的精度越高，發(fā)生事故的可能性越小。BH1750FVI數(shù)字光照傳感器模塊的分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化，接近于視覺(jué)靈敏度的分光特性可對(duì)廣泛的廣度進(jìn)行1勒克斯的高精度測(cè)定，如圖5所示。

（4）氣體傳感器

在運(yùn)輸貨物中，尤其對(duì)于危險(xiǎn)貨物和易腐貨物而言，對(duì)氣體濃度都有著不同的要求。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想，如圖6所示。

2.1.3" 其他模塊

包括數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源電路模塊、視頻信號(hào)模塊、定位模塊和預(yù)警模塊，各個(gè)模塊的具體作用如表3所示。

2.1.4" 模塊連接

由于樹(shù)莓派有40個(gè)擴(kuò)展引腳實(shí)現(xiàn)多信號(hào)傳輸，這也是樹(shù)莓派支持多種擴(kuò)展設(shè)備的基礎(chǔ)[6]。根據(jù)各個(gè)硬件模塊在樹(shù)莓派4B板載上引腳的連接，可得到圖7的整體硬件框圖。

2.2" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

" 系統(tǒng)軟件部分分為軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集服務(wù)。軟件平臺(tái)負(fù)責(zé)用戶與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互，而數(shù)據(jù)采集服務(wù)用于硬件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互，系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

" 其中軟件平臺(tái)是在B/S構(gòu)架下進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，主要用于監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)可視化、提供系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理分析等；數(shù)據(jù)采集服務(wù)則主要是在樹(shù)莓派上完成的，在樹(shù)莓派上移植完操作系統(tǒng)、配置好4G網(wǎng)絡(luò)連接后，可在Python環(huán)境下編寫(xiě)應(yīng)用程序，Python使用GPIO庫(kù)讀取各個(gè)引腳的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)修改配置文件信息來(lái)讀取硬件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并將其格式化存儲(chǔ)至樹(shù)莓派數(shù)據(jù)庫(kù)中[7]。

在統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，對(duì)監(jiān)測(cè)貨物、監(jiān)測(cè)設(shè)備、預(yù)警結(jié)果、預(yù)警地點(diǎn)以折線圖、餅狀圖、柱狀圖等形式可視化，如圖9所示，以便用戶直觀了解監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息，對(duì)貨物運(yùn)輸車(chē)廂進(jìn)行快速空間定位。

2.3" 整體外觀設(shè)計(jì)

根據(jù)貨物監(jiān)測(cè)的需求，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)各模塊的功能設(shè)計(jì)列車(chē)貨物監(jiān)測(cè)設(shè)備的外觀如圖10所示，設(shè)備為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)14cm，寬14cm，高18cm，體積較小，便于攜帶，方便對(duì)車(chē)廂內(nèi)環(huán)境以及貨物狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部主要包含三大模塊，傳感監(jiān)測(cè)模塊、微處理器模塊和電源電路模塊。如圖11所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中，左側(cè)為傳感監(jiān)測(cè)模塊，分布多種不同的傳感器，有溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣壓傳感器等。右側(cè)為微處理器模塊，微處理器模塊下方為電源電路模塊，為整個(gè)裝置持續(xù)供電。

此外，當(dāng)設(shè)備需要進(jìn)行檢查維修時(shí)，可通過(guò)下端的螺絲孔拆卸，設(shè)備充分利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)并將其固定，保證其在使用過(guò)程中內(nèi)部構(gòu)件不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，最大限度減少外部環(huán)境對(duì)該設(shè)備使用時(shí)的影響。

3" 鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

3.1" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

" 樹(shù)莓派具有靈活多樣和易于直接控制的電路接口，可以搭載多種不同類型的傳感器模塊，通過(guò)適當(dāng)?shù)挠布渲煤蛙浖_(kāi)發(fā)，可構(gòu)建出具體的傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而應(yīng)用在貨物運(yùn)輸監(jiān)測(cè)中。此外，樹(shù)莓派還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，引入傳感器實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物運(yùn)輸過(guò)程中安全狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)，能充分結(jié)合數(shù)據(jù)處理等方法減小傳感器測(cè)量誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度。以樹(shù)莓派為主體，開(kāi)發(fā)基于多源傳感信息的鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兼具實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息采集、分析預(yù)警等一系列功能，具體設(shè)計(jì)如圖12所示。

3.2" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)

" 在“以學(xué)生為主體”理念的引導(dǎo)下，對(duì)鐵路貨運(yùn)組織課程教學(xué)改革，可提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力，有助于對(duì)交通運(yùn)輸應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[8]。將現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)常用傳感器軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)應(yīng)用的能力，而且還能與高級(jí)語(yǔ)言編程、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)分析等課程有機(jī)結(jié)合，可有效解決理論教學(xué)中存在的不足[9]。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

" （1）增強(qiáng)學(xué)生對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸全過(guò)程的理解

利用該鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輔助課堂教學(xué)，在課堂上可通過(guò)實(shí)時(shí)演示幫助學(xué)生加深對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸全過(guò)程的理解，準(zhǔn)確把握運(yùn)輸過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也豐富了教學(xué)方式。

（2）補(bǔ)充學(xué)生對(duì)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不足

采用先進(jìn)的技術(shù)手段支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)可深入了解傳感監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)過(guò)程以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和預(yù)警過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控預(yù)警環(huán)節(jié)的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生對(duì)貨運(yùn)系統(tǒng)的操作運(yùn)用能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼近實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。

（3）提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新力

以學(xué)生為主導(dǎo)，通過(guò)課堂實(shí)驗(yàn)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性，提升學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的思考認(rèn)識(shí)和解決能力，促進(jìn)學(xué)生多方面綜合協(xié)調(diào)發(fā)展。

4" 結(jié)" 論

" 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)融合起來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，是新工科教育下的一種新趨勢(shì)。以學(xué)生為中心，開(kāi)發(fā)鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸中貨物實(shí)時(shí)定位和信息狀態(tài)反饋等功能的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)信息綜合預(yù)警條件快速做出預(yù)警。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際相結(jié)合，可提升學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力，也是OBE教學(xué)理念下的新要求。將課程教學(xué)落實(shí)到實(shí)際中，可深入了解和分析問(wèn)題，有助于應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，精準(zhǔn)導(dǎo)向滿足崗位要求的專業(yè)素質(zhì)能力，為交通運(yùn)輸行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和新時(shí)代國(guó)家的創(chuàng)新發(fā)展、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)有力的人才保障。

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收稿日期：2023-08-07

基金項(xiàng)目：中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究計(jì)劃重大課題項(xiàng)目（P2021S012）；甘肅省教育廳雙一流重大科研項(xiàng)目（GSSYLXM-04）；蘭州交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目“基于多源傳感信息的鐵路貨物運(yùn)輸智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（2022016）

作者簡(jiǎn)介：張玉召（1981—），男，安徽碭山人，蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，教授，工學(xué)博士，研究方向：軌道交通運(yùn)輸組織與優(yōu)化、客貨運(yùn)技術(shù)與管理。

引文格式：張玉召，石古樂(lè)，常全盛，等. 基于多源傳感技術(shù)的鐵路貨運(yùn)智慧監(jiān)控模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 物流科技，2024，47（15）：43-47.