警倪錦 徐文其 沈建

摘要：冷藏車溫度監(jiān)控是保證水產(chǎn)品運輸過程中質(zhì)量安全、減少經(jīng)濟損耗的關(guān)鍵，當前冷藏車溫度監(jiān)控在智能控制方面缺乏較好的方法，常規(guī)的冷藏車溫度監(jiān)測采用傳統(tǒng)傳感器，根據(jù)單一閾值的控制方法，缺乏足夠可靠性和動態(tài)預警手段。本研究分析了熒光光纖測溫技術(shù)原理，建立了基于熒光光纖技術(shù)的冷藏溫度監(jiān)測方案，形成了冷藏車溫度動態(tài)預警模型。驗證結(jié)果表明，采用均值預測算法能夠較好地預估冷藏車溫度變化趨勢，預測溫度與實測溫度最大偏差為0.27 ℃，冷藏車溫度預測模型中的預警域能夠根據(jù)溫度變化，動態(tài)調(diào)節(jié)預警值，實現(xiàn)動態(tài)預警，為冷藏車溫度監(jiān)測提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞：冷藏車;熒光光纖;溫度監(jiān)測;動態(tài)預警;傳感器

中圖分類號：TP277文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0157-05

收稿日期：2020-05-08

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2018YFD0701005）。

作者簡介：倪錦（1985—），男，江蘇海門人，碩士，助理研究員，主要從事水產(chǎn)品加工裝備技術(shù)研究。E-mail：nijin@fmiri.ac.cn。

通信作者：沈建，碩士，研究員，主要從事水產(chǎn)品加工裝備技術(shù)研究。E-mail：shenjian@fmiri.ac.cn。

隨著社會的進步和人民生活水平的提高，人們對水產(chǎn)品保鮮要求越來越高，水產(chǎn)品冷鏈物流便應運而生，水產(chǎn)品冷鏈物流是指冷藏冷凍類水產(chǎn)品在生產(chǎn)、運輸、銷售到消費的各個供應鏈環(huán)節(jié)中始終處于特定的低溫環(huán)境下，以保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全、保鮮，減少資源損耗的一項系統(tǒng)工程[1]。我國冷鏈物流系統(tǒng)的發(fā)展水平尚處于初級階段，相關(guān)設(shè)施以及管理體系還不完善，水產(chǎn)品流通損耗率遠高于發(fā)達國家的5%的平均水平[2]。水產(chǎn)品冷藏車在水產(chǎn)品冷鏈物流中起到非常重要的作用，是冷鏈物流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]，對于一般的溫度不敏感的水產(chǎn)品，當測量的溫度超過一定閾值時會發(fā)出警報從而采取應急措施，然而對于某些高價值且對溫度敏感的水產(chǎn)制品等一旦溫度超過一定的閾值將會造成其品質(zhì)降低[4]。

近年來，國內(nèi)外學者在冷藏車環(huán)境溫度監(jiān)測、熒光光纖測溫領(lǐng)域開展了相關(guān)研究，李錦等基于動態(tài)熱平衡方程，對影響車廂內(nèi)溫度的條件進行了分析，并建立了冷藏車車廂開門時，車廂內(nèi)溫度的數(shù)學模型，對不同參數(shù)調(diào)解下的溫濕度變化情況開展了仿真驗證[5]。孫桂初介紹了易腐貨物對溫度條件的要求、恒溫控制的基本方式、恒溫與檢溫的配合等問題，并提出冷藏車應選擇的最優(yōu)檢溫儀表[6]。楊潔等以Atmega16單片機為控制核心的冷藏車空調(diào)控制器的原理、功能和設(shè)計方案，詳細描述了軟件開發(fā)與實現(xiàn)流程，分析了系統(tǒng)的可靠性，該款空調(diào)控制器在功能上較普通冷藏車空調(diào)控制器有了較大改進[7]。張載龍等針對逆向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在的收斂速度慢的問題，提出了一種自適應的學習速率的新方法，并將其應用于冷藏車溫度預測中，通過Matlab仿真表明該算法具有很好的預測效果[8]。彭靈利等利用熒光光纖檢測法監(jiān)測環(huán)網(wǎng)柜電纜接口溫度，具有高精度，可以滿足環(huán)網(wǎng)柜在線監(jiān)測實際需求[9]。

綜上所述，冷藏車的溫度監(jiān)測是保證冷藏貨物品質(zhì)的重要手段，現(xiàn)有冷藏車的溫度監(jiān)測采用傳統(tǒng)傳感器根據(jù)單一臨界點溫度確定冷藏車溫度的波動情況，缺乏動態(tài)預警手段。為此，本研究擬建立基于熒光光纖測溫技術(shù)的冷藏溫度監(jiān)測方法，形成冷藏車溫度動態(tài)預警模型，并開展試驗驗證動態(tài)預警的可行性。

1熒光光纖測溫的原理

某些特定稀土元素的熒光物質(zhì)，其熒光壽命與溫度有著固定的關(guān)系。從圖1可以看出，熒光壽命從熒光信號Io衰減到Io/e的時間，熒光壽命與溫度存在確定的函數(shù)關(guān)系，只要獲得熒光壽命與溫度的函數(shù)，就可以根據(jù)熒光壽命確定溫度的值[10]。

熒光型光纖傳感器在使用的過程中，被測目標的溫度是熒光光纖材料發(fā)出熒光壽命的單值函數(shù)，與系統(tǒng)的其他變量無關(guān)，即不受光纖的微彎曲、耦合、散射、背反射等影響，相對于其他測溫方法具有明顯的優(yōu)勢[11]。（1）熒光光纖溫度傳感探頭采用全光纖微小探頭，無金屬材料，具有完全的電絕緣性、可耐受化學腐蝕、高壓、強電磁場等;（2）熒光光纖溫度傳感器的測溫探頭尺寸小，柔韌性好，耐高溫，可實現(xiàn)探頭直徑0.2～3.0 mm，彎曲半徑最小到5 mm以下，可以應用在微小功能系統(tǒng);（3）測溫探頭可以互換，測溫探頭替換后不須要校正，可采用直接接觸式實時溫度監(jiān)測，性能可靠穩(wěn)定。

熒光光纖測溫裝置原理見圖2，熒光光纖傳感器的溫度測量方法為熒光物質(zhì)的分子外層電子受到激發(fā)光照射后，出現(xiàn)電子吸收能量躍遷，當激發(fā)光照射結(jié)束后，電子重新返回基態(tài)的過程有能量輻射，產(chǎn)生熒光。其物質(zhì)表面溫度與熒光余輝衰減存在關(guān)聯(lián)，關(guān)系如下：

I（t）=AIp（T）e1τ（T）（1）

式中：A為常系數(shù);t為余輝衰減時間;τ（T）為熒光壽命;T為溫度;AIp為熒光峰值強度。

2冷藏車內(nèi)溫度監(jiān)測方法

2.1冷藏車內(nèi)的傳感器布置

熒光光纖傳感器布置在冷藏車中回風口區(qū)域，以懸掛的方式固定傳感器，用來監(jiān)測回風氣流溫度，在冷藏車靠近箱柜門的貨物堆放區(qū)和冷藏車幾何中心位置分別設(shè)置傳感器，在車廂頂部設(shè)置傳感器。在冷藏車內(nèi)布置的傳感器見圖3。

2.2冷藏車溫度監(jiān)測方案

冷藏車的溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括熒光光纖探頭、光纖溫度變送器、光電轉(zhuǎn)換模塊以及采集軟件等。熒光傳感器參數(shù)見表1，熒光光纖探頭由ST接頭、光纖光纜、末端感溫端等3部分組成，熒光光纖探頭整體耐200 ℃高溫，外表直徑為3 mm，長期彎曲半徑為13.2 cm，短期彎曲半徑為4.4 cm。光纖引出線對地距離為0.4 m的情況下，耐受工頻電壓100 kV，持續(xù)時間為5 min。光纖溫度變送器擁有標準的通信接口，可將溫度信息遠傳至后臺。通信方式包括RS485、Modbus和模擬信號燈。測量精度為±1% ℃，分辨率為0.1 ℃。光電轉(zhuǎn)換模塊負責發(fā)送、接收并解析熒光光纖傳回的含有溫度信息的光信號。

3冷藏車溫度動態(tài)預警模型

3.1冷藏車溫度均值預測算法

冷藏車溫度特指冷藏車車廂內(nèi)部的環(huán)境溫度。假設(shè)冷藏車內(nèi)的溫度時間矩陣為[Tt，Tt-Δt，…，T1]，冷藏車溫度變化是一個連續(xù)過程，距離當前時刻越近的溫度數(shù)據(jù)對此刻溫度的影響越大。給不同的歷史數(shù)據(jù)分配不同的權(quán)值。設(shè)t時刻的權(quán)重為n2，則t-Δt時刻的權(quán)重為（n-1）2，依此類推。計算 t+Δt 時刻的預測溫度Tt+Δt為

Tt+Δt=n2Tt+（n-1）2Tt-Δt+…+T1n2+（n-1）2+…+1。（1）

n為自然數(shù)序列，根據(jù)采樣次數(shù)動態(tài)調(diào)整。采樣間隔時間Δt預先設(shè)定。

計算t+Δt時刻的溫度改變速率（α）：

α=Tt+Δt-Tt|Tt+Δt-Tt|×2Tt+Δt-TtΔt。（2）

式中：Δt為溫度采樣間隔時間。

溫度動態(tài)臨界點的初始值由經(jīng)驗值HT給定，記作ini=HT，溫度動態(tài)臨界點的下限值為min，上限值為max，根據(jù)α的數(shù)值調(diào)整臨界點值*t+Δt：

*t+Δt=*t-μα;（3）

其中初始時：

*t=*1=*ini=HT。（4）

其中，μ為調(diào)整系數(shù)，μ為自然數(shù)。

溫度動態(tài)臨界點上限值和下限值的計算公式為

min=e1*t+Δt;（5）

max=e2*t+Δt。（6）

其中：e1、e2為調(diào)節(jié)系數(shù)，由工藝試驗決定。

以冷藏車溫度為評價指標，將冷藏車溫度的專家預警域T設(shè)為[Tmin、Tmax]（單位： ℃），預警專家域T是動態(tài)預測算法的補充。根據(jù)冷藏車的溫度情況，預警專家域中的Tmin，Tmax根據(jù)專家經(jīng)驗設(shè)定，跟前述的動態(tài)臨界點上限值min和下限值max比較，動態(tài)更新動態(tài)溫度臨界點上限值和下限值：

若min≥Tmax或max≤Tmin，則min=Tmin，max=Tmax;若Tmin≤min≤max≤Tmax，則min=min，max=max;若min

按照冷藏車溫度T變化情況將人們對溫度的反應大致分為溫度過高、溫度正常、溫度過低。分別用VHT、MT和VLT來表示。

確定冷藏車溫度的動態(tài)預警域VHT、MT和VLT分別如下：

VHT的區(qū)域為[max，max+α2];

VLT的區(qū)域為[min-α1，min];

MT的區(qū)域為（min，max）。

其中，α1、α2為正數(shù)，其數(shù)值由專家經(jīng)驗值決定。

3.2動態(tài)預警的模糊推理決策機制

利用模糊推理算法進行智能決策。以Tt+Δt、Tt、Tt-Δt等3個時刻的溫度進行模糊推理判斷預警信息發(fā)送時機，綜合溫度變化趨勢，按照人類推理的思維方式對冷藏車溫度監(jiān)控進行智能化處理。模糊推理的預警決策規(guī)則如下;

若溫度Tt-Δt、Tt、Tt+Δt中任意一個值在動態(tài)預警域VHT、MT和VLT區(qū)域外，那么屬于溫度異常，發(fā)出溫度異常報警;若Tt∈VHT，Tt+Δt∈VHT，溫度過高，發(fā)出高溫報警;若Tt∈MT，Tt+Δt∈VHT，溫度過高，發(fā)出高溫報警;若Tt∈VLT，Tt+Δt∈VHT，溫度過高，發(fā)出高溫報警;若Tt∈VLT，Tt+Δt∈VLT，溫度過低，發(fā)出低溫報警;若 Tt∈MT，Tt+Δt∈VLT，溫度過低，發(fā)出低溫報警;若Tt∈VHT，Tt+Δt∈VLT，溫度過低，發(fā)出低溫報警;其余情況，不發(fā)出溫度異常預警。

4監(jiān)測實況與預警效果判別

測試的冷藏車為單溫區(qū)冷凍車，車廂尺寸為 5 040 mm×2 240 mm×2 140 mm，凍結(jié)預設(shè)溫度為-20 ℃，設(shè)定控制精度為±1 ℃。制冷機組的單蒸發(fā)器固定在車廂冷凍區(qū)處，車廂內(nèi)的氣流循環(huán)主要通過蒸發(fā)器的出風和回風來實現(xiàn)。采用熒光光纖傳感器測量冷藏車內(nèi)溫度，開展冷藏車溫度監(jiān)測與預警效果分析研究，穩(wěn)定狀態(tài)下冷藏車內(nèi)溫度與預測值對比情況見圖4。從圖4可以看出，采用均值預測算法能夠較好地預估冷藏車溫度變化趨勢，預測溫度與實測溫度最大偏差為0.27 ℃，測試結(jié)果驗證了前述預測溫度模型的準確性。

從圖5可以看出，本研究設(shè)計的冷藏車溫度預測模型中的溫度預警域的上限值與下限值是動態(tài)變化的，當實測溫度偏高時，溫度預警域的上限值向下逼近;當實測溫度偏低時，溫度預警域的下限值向上逼近。冷藏車溫度預測模型中的預警域能夠根據(jù)溫度的變化，動態(tài)調(diào)節(jié)預警值，實現(xiàn)動態(tài)預警。

從圖6可以看出，冷藏車溫度預警的動態(tài)上限值和下限值屬于專家預警的上限和下限之間，預測溫度位于動態(tài)上限和動態(tài)下限之間，通過使用動態(tài)預警域能夠較好地實現(xiàn)冷藏車溫度的動態(tài)預警。

5結(jié)論

熒光光纖測溫技術(shù)相對于傳統(tǒng)測溫優(yōu)勢明顯，可靠性高，維護成本低。本研究建立了基于熒光光纖傳感器的冷藏車溫度監(jiān)測方案，建立了冷藏車溫度動態(tài)預警模型，開展了試驗驗證，主要結(jié)論如下：（1）利用均值預測法實現(xiàn)了冷藏車溫度動態(tài)預測，利用模糊推理決策機制建立了冷藏車溫度預警的動態(tài)預警機制，為冷藏車溫度動態(tài)預警提供了理論依據(jù)。（2）冷藏車溫度監(jiān)測試驗驗證了冷藏溫度動態(tài)預警模型的可行性，為冷藏車溫度監(jiān)測提供了嶄新的方法。參考文獻：

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