陶漢卿，黃　聰

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，柳州　545616)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶漢卿，黃聰

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，柳州545616)

摘要：文章針對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸存在的問(wèn)題，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的工作原理，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)，并對(duì)貨物的承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)、運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)、卸載交付環(huán)節(jié)和追溯查詢管理環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)；鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)；環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)流程

0引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和對(duì)外開(kāi)放的擴(kuò)大，特別是加入世貿(mào)組織后對(duì)外貿(mào)易的增加，我國(guó)鐵路貨物的運(yùn)輸?shù)玫搅搜该偷陌l(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)一直在我國(guó)交通運(yùn)輸體系中作為主力和骨干，但是我國(guó)建立宏觀調(diào)控的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制以來(lái)，物流市場(chǎng)中大宗貨物不斷減少、高附加值、小批量運(yùn)輸不斷增加，要求在貨運(yùn)運(yùn)輸過(guò)程中提供快捷、機(jī)動(dòng)、準(zhǔn)確、安全的服務(wù)，對(duì)貨物運(yùn)輸品質(zhì)的要求越來(lái)越高，鐵路運(yùn)輸對(duì)這些新的貨物運(yùn)輸要求不能適應(yīng)，特別是鐵路運(yùn)輸時(shí)貨損貨差比較嚴(yán)重，影響了貨主對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)男湃纬潭龋瑢?dǎo)致部分貨源的貨主選擇其它的運(yùn)輸方式[1]。在中國(guó)鐵路跨越式發(fā)展的政策要求下，加快鐵路貨物運(yùn)輸裝備資源優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)技術(shù)裝備的現(xiàn)代化已勢(shì)在必行。

要提升我國(guó)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)力，增加貨運(yùn)市場(chǎng)中的份額，引進(jìn)先進(jìn)的貨運(yùn)技術(shù)、提升信息化程度是有效的途徑之一。普及技術(shù)含量較高的貨運(yùn)設(shè)備，充分挖掘這些設(shè)備的潛力，特別對(duì)超限貨物、闊大貨物運(yùn)輸要引入高科技檢測(cè)手段，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)對(duì)貨運(yùn)規(guī)章管理、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)安全信息等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源共享、實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)[2]，這樣有利于貨主及時(shí)掌握鐵路貨物運(yùn)輸能力的信息，及時(shí)選擇和組織運(yùn)輸，減少貨物存庫(kù)時(shí)間，降低運(yùn)輸成本，且可以隨時(shí)隨地查詢貨物運(yùn)輸過(guò)程中流動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)鐵路運(yùn)輸部門(mén)的服務(wù)進(jìn)行監(jiān)督，大大提高了鐵路貨物運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制[2]，適用于鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用到了智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智能電網(wǎng)、智能家居、智能物流、智能安防、智能環(huán)保、智能交通、智能醫(yī)療等行業(yè)，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，是國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國(guó)之一，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和完善為鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐平臺(tái)。

1鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.1物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)是融合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、智能處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)物與物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由三個(gè)層次組成：用于感知數(shù)據(jù)的感知層，以二維碼、RFID、傳感器技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)物體標(biāo)識(shí)和感知，處于最底層；用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)現(xiàn)有的因特網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等接入到物聯(lián)通信網(wǎng)上去，實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的傳輸和處理，處于第二層；用于內(nèi)容應(yīng)用的應(yīng)用層，使用輸入輸出控制終端，包括電腦、服務(wù)器、工作站等終端以及手機(jī)、PDA等移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、融合、處理和應(yīng)用，解決信息處理和人機(jī)界面的交互問(wèn)題，處于最上層[3]。

1.2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

ZigBee技術(shù)、二維碼編碼技術(shù)和RFID射頻識(shí)別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的三大關(guān)鍵技術(shù)[3]，本文結(jié)合鐵路貨物運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和過(guò)程，研究了鐵路貨物運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量追溯系統(tǒng)，應(yīng)用這三大關(guān)鍵技術(shù)總體設(shè)計(jì)了鐵路貨物運(yùn)輸?shù)淖匪菹到y(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在整個(gè)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)過(guò)程，融入到貨物運(yùn)輸?shù)难b載、運(yùn)輸、卸載和查詢等鐵路貨物運(yùn)輸流通的每一環(huán)節(jié)。

物聯(lián)網(wǎng)三大關(guān)鍵技術(shù)能有效滿足鐵路貨運(yùn)追溯系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸全程追蹤的要求，由于二維碼具有防水和耐高溫的特點(diǎn)，適用于在惡劣環(huán)境中使用，所以可將二維碼嵌印在鐵路運(yùn)輸?shù)呢浳锷?，用于?duì)運(yùn)輸貨物的信息記錄和全程跟蹤。RFID由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和信息處理模塊組成，該技術(shù)可以反復(fù)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)可用于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和錄入。ZigBee是一種數(shù)據(jù)傳輸速率較高、功耗低、成本低、短距離的無(wú)線技術(shù)，通常被用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制在不同地點(diǎn)的物理或者環(huán)境參量，該技術(shù)可以用于監(jiān)測(cè)和控制鐵路貨物運(yùn)輸車(chē)廂中的環(huán)境參數(shù)，且通過(guò)協(xié)調(diào)器和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)傳輸?shù)綉?yīng)用層的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)和工作站。

1.3鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)總體邏輯構(gòu)架設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)的邏輯構(gòu)架可以設(shè)計(jì)為三層：表示層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層(DAL)[4]。表示層為用戶提供交互操作界面，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的處理和數(shù)據(jù)的傳遞，復(fù)雜的邏輯判斷和涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證都需要在此做出處理，根據(jù)傳入的值返回用戶想得到的值，或者處理相關(guān)的邏輯。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，主要為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)，根據(jù)傳入的值來(lái)操作數(shù)據(jù)庫(kù)的增、減、刪、改或者其它操作。鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)總體邏輯構(gòu)架設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖1所示。

圖1　鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)總體邏輯構(gòu)架設(shè)計(jì)圖

2鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將鐵路貨物的承運(yùn)裝載、運(yùn)輸、卸貨交付和追溯查詢的信息相關(guān)聯(lián)，通過(guò)建立鐵路貨物的承運(yùn)裝載、運(yùn)輸和卸載交付到市場(chǎng)監(jiān)督和追溯查詢等子系統(tǒng)，并建立鐵路系統(tǒng)貨物運(yùn)輸質(zhì)量安全信息追溯數(shù)據(jù)中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)貨物運(yùn)輸過(guò)程中的信息，保證貨物運(yùn)輸過(guò)程中的質(zhì)量，便于貨主能及時(shí)地查詢貨物流通的狀態(tài)，提高鐵路貨物運(yùn)輸?shù)姆?wù)質(zhì)量和效率?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)主要分為四個(gè)環(huán)節(jié)，即貨物的承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)、貨物的運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)、貨物的卸載交付環(huán)節(jié)和追溯查詢管理環(huán)節(jié)。鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1貨物的承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)

貨主將所托運(yùn)貨物交給貨運(yùn)員時(shí)，貨運(yùn)員通過(guò)工作站的PC采用GUID生成唯一標(biāo)識(shí)的二維碼，用于識(shí)別貨主承運(yùn)貨物的身份，并將二維碼信息貼到貨物上，同時(shí)采用手持式追溯終端如PDA來(lái)采集貨物信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將貨主托運(yùn)的貨物詳細(xì)信息上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用監(jiān)控?cái)z像機(jī)自動(dòng)拍下現(xiàn)場(chǎng)圖像并上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)作為證明。貨物信息應(yīng)包括貨主、貨物品種、承運(yùn)時(shí)貨物溫度、質(zhì)量和貨物目的地等，用RFID讀寫(xiě)器將這類信息寫(xiě)入IC卡中，交給貨主作為一種憑證。

2.2貨物的運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)

貨物的運(yùn)輸質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中車(chē)廂環(huán)境的監(jiān)測(cè)、控制和相應(yīng)數(shù)據(jù)的記錄。通過(guò)車(chē)廂監(jiān)測(cè)、控制模塊的傳感器和繼電器進(jìn)行感知、控制和數(shù)據(jù)的保存，保障貨物在合適的環(huán)境條件下運(yùn)輸。此環(huán)節(jié)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集和控制，環(huán)境信息包括車(chē)廂的溫度、濕度、可燃?xì)怏w、二氧化碳和火焰等，且通過(guò)控制模塊和繼電器控制環(huán)境參數(shù)，保證貨物在合適的環(huán)境下運(yùn)輸，然后利用zigbee無(wú)線通信方式通過(guò)協(xié)調(diào)器將獲取的環(huán)境信息傳送到PC主控端，主控端對(duì)感知層獲取的環(huán)境信息進(jìn)行閉環(huán)控制[5]，將實(shí)際獲取的環(huán)境信息和系統(tǒng)設(shè)置的環(huán)境信息參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際的環(huán)境信息與設(shè)置的環(huán)境信息參數(shù)不符合時(shí)，PC主控端發(fā)出聲光報(bào)警，且通過(guò)zigbee無(wú)線通信方式將控制信息發(fā)送到車(chē)廂主控模塊，通過(guò)繼電器控制開(kāi)關(guān)使相對(duì)應(yīng)的環(huán)境控制模塊啟動(dòng)，使車(chē)廂保持合適的環(huán)境。

2.3貨物的卸載交付環(huán)節(jié)

貨物的卸載交付環(huán)節(jié)主要是貨運(yùn)交付員通過(guò)手持終端PDA對(duì)貨物標(biāo)識(shí)的二維碼信息進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)對(duì)貨物身份標(biāo)識(shí)的二維碼信息查閱貨物承運(yùn)時(shí)的初始信息包括貨主、承運(yùn)重量、貨物質(zhì)量和卸載交付時(shí)的信息，并對(duì)貨物承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)與當(dāng)前環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出此次貨物運(yùn)輸中的質(zhì)量信息，確保貨物的可靠交付，同時(shí)將用RFID讀寫(xiě)器獲取IC卡信息傳輸?shù)焦ぷ髡綪C，然后回收貨主的IC卡，交付成功后貨主將得到一張附有追溯碼的交易小票。

2.4追溯查詢管理環(huán)節(jié)

在托運(yùn)完成后貨主收貨付款，鐵路貨運(yùn)交付員將收回承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)發(fā)放的IC卡以便于重復(fù)利用，發(fā)給貨主鐵路貨物運(yùn)輸追溯一維碼。貨主可以在鐵路部門(mén)安裝的查詢終端上打開(kāi)追溯管理網(wǎng)站，掃描貨物運(yùn)輸質(zhì)量信息追溯碼，即可查詢出所托運(yùn)貨物的全程運(yùn)輸信息[6]，包括承運(yùn)裝載、運(yùn)輸和卸載交付環(huán)節(jié)的全部數(shù)據(jù)、圖像信息；也可以通過(guò)其它移動(dòng)終端的方式進(jìn)行鐵路貨物運(yùn)輸質(zhì)量信息進(jìn)行查詢，例如：在手機(jī)上輸入或掃描所托運(yùn)貨物條碼編碼，發(fā)送至中心服務(wù)器上，即可查詢出托運(yùn)貨物的質(zhì)量安全信息。鐵路貨物運(yùn)輸追溯管理網(wǎng)站的主要功能是采集、加工和分析貨物運(yùn)輸質(zhì)量安全的各個(gè)環(huán)節(jié)的追溯數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)貨主的托運(yùn)貨物信息，設(shè)置運(yùn)輸環(huán)境的安全告警限值，供貨主和鐵路部門(mén)對(duì)承運(yùn)裝載到卸載交付全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督，為社會(huì)和貨主發(fā)布貨物運(yùn)輸質(zhì)量安全信息。

2.5詳細(xì)設(shè)計(jì)流程

根據(jù)鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)的環(huán)節(jié)功能和要求，詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

(1)承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)，貨主將貨物托運(yùn)給鐵路貨運(yùn)員，打印并貼上二維碼，貨運(yùn)員通過(guò)PDA手持式終端掃描二維碼對(duì)承運(yùn)詳細(xì)信息進(jìn)行錄入，如貨物類型、貨源地、質(zhì)檢員、質(zhì)檢結(jié)果、包裝號(hào)等，然后通過(guò)RFID寫(xiě)入IC卡，并將貨運(yùn)信息上傳至服務(wù)器。

(2)運(yùn)輸環(huán)節(jié)，貨物經(jīng)過(guò)承運(yùn)裝載環(huán)節(jié)后進(jìn)入途中運(yùn)輸，由貨物員對(duì)貨物的部分信息進(jìn)行錄入、上傳，同時(shí)監(jiān)控貨物的運(yùn)輸環(huán)境，如果環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值，進(jìn)行聲光報(bào)警，通過(guò)主控模塊控制，保持適合貨物運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境，且上傳環(huán)境數(shù)據(jù)。

(3)卸貨交付環(huán)節(jié)，托運(yùn)貨物到達(dá)目的地后，由貨運(yùn)員負(fù)責(zé)卸貨交付，并對(duì)貨物的信息進(jìn)行讀取、校核和錄入，包括貨標(biāo)號(hào)、運(yùn)輸質(zhì)檢證號(hào)、貨主、重量、日期、貨物類型、IC卡等，同時(shí)回收IC卡，打印和發(fā)給貨主查詢追溯信息的一維碼，提供數(shù)據(jù)展現(xiàn)、條件組合搜索等功能，且為卸貨后的記錄信息進(jìn)行“新增”“刪除”“編輯”“查看”“查詢”操作。

(4)貨主通過(guò)一維碼查詢追溯信息，如出現(xiàn)貨物運(yùn)輸質(zhì)量問(wèn)題可及時(shí)進(jìn)行處理。

圖3　詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程圖

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的鐵路貨物運(yùn)輸追溯系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，從我國(guó)鐵路貨物運(yùn)輸存在的問(wèn)題出發(fā)，立足于提高鐵路貨物運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率，以追溯為目的，對(duì)鐵路貨物的裝載、運(yùn)輸、交付和查詢等環(huán)節(jié)進(jìn)行了全程追蹤，對(duì)運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、校核和查詢，系統(tǒng)不僅為鐵路貨運(yùn)部門(mén)對(duì)貨物運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)督提供了條件，而且也方便了貨主通過(guò)追溯系統(tǒng)查詢貨物運(yùn)輸過(guò)程中的信息，提高了鐵路貨物運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率，符合貨主和鐵路運(yùn)輸部門(mén)的利益。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步成熟和發(fā)展，鐵路貨物運(yùn)輸追溯的成本也會(huì)進(jìn)一步降低，使追溯系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)且推廣應(yīng)用。

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Railway Freight Transport Tracking System Design Based on IoT Technology

TAO Han-qing，HUANG Cong

(Institute of Electronic Technology，Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou，545616)

Abstract：Aiming at the problems existing in railway freight transport，and according to the IoT frame structure and the work principle of key technologies，this article used the IoT technology to design the railway freight transport tracking system，and made the detailed design description on the cargo carrier loading，transport quality monitoring，unloading delivery，and tracking query management aspects.

Keywords：Internet of things(IoT)frame；Key technology of IoT；Railway freight transport tracking system；Link design；Design procedures

收稿日期：2015-12-07

文章編號(hào)：1673-4874(2016)01-0074-04

中圖分類號(hào)：U283.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.017

基金項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介

陶漢卿(1983—)，碩士研究生，講師，從事智能交通系統(tǒng)方面的教學(xué)科研工作；

黃聰(1982—)，講師，主要研究方向：軌道交通自動(dòng)控制。

2012年度全國(guó)鐵道職業(yè)教育鐵道通信信號(hào)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)立項(xiàng)課題“鐵路車(chē)站自動(dòng)控制系統(tǒng)維護(hù)”課程考試技術(shù)考試方法與手段的改革與實(shí)踐(編號(hào)：2012-04)；2015年度柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)立項(xiàng)課題“城市軌道交通車(chē)載ATO控制器實(shí)驗(yàn)裝置的研制”(編號(hào)：2015-A02)