趙 杰，黃 歡，呂迎娣，凌淑英

（云南財(cái)經(jīng)大學(xué) a.物流學(xué)院；b.現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)院，昆明 650221）

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基于RFID和WSN的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 杰a，黃 歡a，呂迎娣b，凌淑英a

（云南財(cái)經(jīng)大學(xué) a.物流學(xué)院；b.現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)院，昆明 650221）

［摘 要］本文針對鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸過程中存在的問題，提出構(gòu)建基于RFID（無線射頻識(shí)別）和WSN（無線傳感網(wǎng)）技術(shù)的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，確保在運(yùn)輸中，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并有效解決，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)品在運(yùn)輸過程中的智能化、全程化、及時(shí)化監(jiān)控。

［關(guān)鍵詞］無線射頻識(shí)別；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；危險(xiǎn)品；鐵路運(yùn)輸

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽油、強(qiáng)酸等危險(xiǎn)品的需求量也日益增長。在鐵路運(yùn)輸過程中，溫度、天氣等環(huán)境因素的變化會(huì)直接影響到危險(xiǎn)品貨物的性質(zhì)變化。由于缺乏智能化、全程化、及時(shí)化的監(jiān)控和管理，不能對危險(xiǎn)品的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使運(yùn)輸事故頻發(fā)。因此，本文充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對運(yùn)輸全過程中車輛、人員、環(huán)境及危險(xiǎn)品的安全具有重要意義。

1　RFID和WSN技術(shù)及二者結(jié)合特點(diǎn)

無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）主要是由智能標(biāo)簽、閱讀器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)三大部分組成，其基本工作原理是在安裝了該技術(shù)的物體進(jìn)入磁場后，RFID標(biāo)簽被喚醒并發(fā)出無線射頻信號，同時(shí)，閱讀器接收來自RFID標(biāo)簽發(fā)出的射頻信號，閱讀器憑借電流感應(yīng)將接收到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到芯片中，并傳送給應(yīng)用軟件系統(tǒng)的監(jiān)控終端進(jìn)行信息處理。系統(tǒng)監(jiān)控終端根據(jù)監(jiān)控人員提前輸入的計(jì)算機(jī)指令判別貨物狀態(tài)是否符合要求，如果貨物狀態(tài)不符合計(jì)算機(jī)指令，則監(jiān)控系統(tǒng)自行警報(bào)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由傳感器、感知對象和觀察者三個(gè)要素組成，基本工作原理是通過部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

將WSN與RFID技術(shù)結(jié)合后，首先，WSN可檢測四方信息，進(jìn)一步獲取各方環(huán)境信息，確保數(shù)據(jù)的完整性，增強(qiáng)二者的互補(bǔ)性，彌補(bǔ)RFID高投資成本及須依靠讀取器才能搜集數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。其次，可彌補(bǔ)RFID讀寫距離小和應(yīng)用范圍小的缺點(diǎn)，利用WSN將近100 m的有效讀寫半徑，形成WSID網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大RFID的使用范圍。再次，RFID技術(shù)可使WSN節(jié)點(diǎn)更精確地識(shí)別物體。最后，WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)價(jià)格便宜，但匯聚結(jié)點(diǎn)價(jià)格貴，而在RFID中，閱讀器價(jià)格貴，但標(biāo)簽價(jià)格便宜，這兩者技術(shù)的結(jié)合可降低使用成本，提高技術(shù)利用率。

2　基于RFID和WSN混合式的鐵路適時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1危險(xiǎn)品信息的收集

危險(xiǎn)品自裝車起，為該車編訂一個(gè)身份信息，并永久存入RFID電子標(biāo)簽或WSN中，成為該車輛在運(yùn)輸此危險(xiǎn)品全程中的暫定且唯一的標(biāo)簽，同時(shí)將該危險(xiǎn)品標(biāo)簽信息記錄在本單位系統(tǒng)中。當(dāng)車輛離站后，間隔一定距離點(diǎn)設(shè)定一個(gè)基站，根據(jù)RFID和WSN聯(lián)合發(fā)出的無線射頻信號并測定基站的車廂編號，以確定每輛載有危險(xiǎn)品的車輛是否在其相應(yīng)的狀態(tài)上。

2.2監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的核心部分。監(jiān)控中心的配置應(yīng)包括各類服務(wù)器（如Web服務(wù)器、電子地圖服務(wù)器等）、中央數(shù)據(jù)信息處理主機(jī)、應(yīng)用終端設(shè)備和緊急報(bào)警裝置等基本設(shè)備。

采用BDS定位系統(tǒng)。在運(yùn)輸中可通過BDS獲得電子地圖并在最短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出車輛的最優(yōu)路徑，同時(shí)為監(jiān)控中心提供車輛行駛狀態(tài)等信息，并根據(jù)貨物的RFID和WSN傳遞的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)對車輛安全、運(yùn)行最佳路線和最佳行駛速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

報(bào)警處置和應(yīng)急救援。在列車上安裝報(bào)警裝置，發(fā)生緊急事故將自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)并向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號，監(jiān)控中心根據(jù)中心數(shù)據(jù)庫獲取貨物運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)信息對報(bào)警信號進(jìn)行緊急處理，若監(jiān)控中心無法接收報(bào)警信號，駕駛員可手動(dòng)啟動(dòng)列車報(bào)警開關(guān)，向監(jiān)控中心傳遞信號，使車輛進(jìn)入緊急狀態(tài)。

2.3車載終端

車載終端子系統(tǒng)由BDS接收機(jī)、BDS通訊模塊、監(jiān)控顯示屏、車載電話手柄、內(nèi)置閃存、報(bào)警按鈕、警示喇叭、各類危險(xiǎn)貨物安全狀態(tài)監(jiān)視傳感器、攝像頭、麥克風(fēng)、車輛防盜設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備等組成。

車載終端具有定時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送車輛位置、速度等信息、監(jiān)控危險(xiǎn)品狀態(tài)和聯(lián)系監(jiān)控中心，并在發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)信號等功能。危險(xiǎn)品在運(yùn)輸中，車載終端的監(jiān)控顯示屏處于動(dòng)態(tài)顯示狀態(tài)，并將通過RFID和WSN采集到的危險(xiǎn)品數(shù)量、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)和車輛的行駛速度、位置、方向、車廂內(nèi)外環(huán)境溫度參數(shù)變化等實(shí)時(shí)信息發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也可向車載終端獲取信息。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控中心根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的信息第一時(shí)間進(jìn)行緊急處理，確保車輛行駛安全。

2.4監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

本文構(gòu)建的系統(tǒng)主要包括監(jiān)控終端、中間服務(wù)、監(jiān)控中心和信息訪問四個(gè)部分：①監(jiān)控終端，一方面通過WSN實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)品狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、傳輸，另一方面通過RFID進(jìn)行貨物實(shí)時(shí)狀態(tài)更新，最后將兩類數(shù)據(jù)信息通過智能基點(diǎn)共同發(fā)送到監(jiān)控終端的業(yè)務(wù)處理主機(jī)上進(jìn)行處理；②中間服務(wù)，主要是實(shí)現(xiàn)通過無線通信方式接收來自智能基點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息打包文件的傳輸；③監(jiān)控中心，根據(jù)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)傳來的收集RFID和WSN的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)信息打包文件的接收、解碼、分析處理及調(diào)度指揮等功能；④信息訪問，工作人員根據(jù)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸監(jiān)控中心傳來的RFID和WSN系統(tǒng)混合傳輸?shù)男畔ⅲ瑢⑵浼皶r(shí)上傳到網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)在線查詢。二者混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是將電子標(biāo)簽和傳感器節(jié)點(diǎn)混雜的部署在列車監(jiān)測區(qū)域當(dāng)中，利用智能基點(diǎn)對RFID閱讀器和傳統(tǒng)的WSN基站功能進(jìn)行整合，RFID和WSN采集的信息能在這里進(jìn)行整合，并收集來自標(biāo)簽和傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，然后通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將信息發(fā)射給列車監(jiān)控終端（如圖1）。

圖1　RFID和WSN混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.5系統(tǒng)工作流程

通過在危險(xiǎn)品上布設(shè)RFID和WSN以及運(yùn)輸車廂安裝各類傳感器，監(jiān)控終端對危險(xiǎn)品進(jìn)行溫度、濕度、壓力、放射性強(qiáng)度等各種數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集，在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)、編碼、打包等分析處理之后，一方面通過BDS、3G等無線鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的快速傳輸，鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸監(jiān)控中心通過接收裝置進(jìn)行接收，并對其進(jìn)行解碼，根據(jù)調(diào)度指揮、視頻展現(xiàn)等應(yīng)用功能的需要進(jìn)行處理，并將相關(guān)狀態(tài)信息上傳至網(wǎng)絡(luò)。另一方面將數(shù)據(jù)信息傳輸至列車控制中心的主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示、信息展現(xiàn)等功能。根據(jù)鐵路貨運(yùn)列車運(yùn)行時(shí)刻表實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)品位置信息進(jìn)行獲取。用戶終端通過有線或無線的方式訪問運(yùn)輸專網(wǎng)，獲取運(yùn)輸位置、狀態(tài)等信息。利用WSN將理療單位、環(huán)境單位、消防機(jī)構(gòu)、公安部門、鐵路調(diào)度管理部門聯(lián)系起來，一旦有事故發(fā)生可迅速采取相應(yīng)措施。

3　結(jié) 語

基于RFID和WSN的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)品狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決線纜限制和移動(dòng)終端的通信問題，并通過車載終端有效預(yù)防事故發(fā)生。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于危險(xiǎn)品狀態(tài)信息的采集及和控的實(shí)現(xiàn)。為此，系統(tǒng)采用RFID和WSN技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和傳輸，從而全面、快速地實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控。

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［收稿日期］2015-12-04

［中圖分類號］TP212.9；TP274

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號］1673-0194(2016)02-0165-02

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.02.127