基于前端檢測(cè)策略的集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：該文針對(duì)目前以龍門架和軌道衡進(jìn)行超偏載檢測(cè)的現(xiàn)狀及其在檢測(cè)過程中暴露的問題，將集裝箱的超偏載檢測(cè)流程前移，提出一種基于前端檢測(cè)策略的集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于半掛車的超偏載檢測(cè)儀作為集裝箱超偏載數(shù)據(jù)的采集器并實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)至云端數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。半掛車司機(jī)通過手機(jī)APP端查看集裝箱的超偏載信息，從而達(dá)到對(duì)集裝箱超偏載狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；貨場(chǎng)調(diào)度中心通過Web應(yīng)用端查看集裝箱的超偏載信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱超偏載狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)串聯(lián)起來(lái)貨場(chǎng)調(diào)度中心、貨場(chǎng)調(diào)度員、半掛車、集裝箱以及半掛車司機(jī)，形成一個(gè)完整的基于前端檢測(cè)策略的公鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱超偏載檢測(cè)的閉環(huán)，推進(jìn)集裝箱超偏載檢測(cè)的智能化。

關(guān)鍵詞：前端檢測(cè)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；集裝箱超偏載檢測(cè)；Web應(yīng)用；手機(jī)APP

中圖分類號(hào)：U294.1+7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0050-05

Abstract： Aiming at the present situation of overload detection with gantry and track scale and the problems exposed in the inspection process， this paper moves the container overload detection process forward， and puts forward a container overload detection system based on front-end detection strategy. The system uses the over-partial load detector based on container transport semi-trailer as the collector of container over-partial load data and sends the data to the cloud database server in real time. Semi-trailer drivers check the container overload information through the mobile APP， so as to achieve real-time monitoring of the container overload; freight yard dispatching center through the Web application terminal to view the container overload information to achieve real-time monitoring of the container overload. The system connects the freight yard dispatching center， freight yard dispatcher， semi-trailer， container and semi-trailer driver in series to form a complete closed loop of container overload detection based on front-end detection strategy. It promotes the intelligence of container overload detection.

Keywords： front-end detection; real-time monitoring; container overload detection; Web application; mobile phone APP

21世紀(jì)運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展離不開集裝箱運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)，近幾年，集裝箱公路鐵道運(yùn)輸業(yè)發(fā)展十分迅猛，集裝箱運(yùn)輸占我國(guó)的公路鐵路貨運(yùn)的比重每年攀升。集裝箱運(yùn)輸之所以在鐵道運(yùn)輸之中占有很大比重，是因?yàn)槠渚哂兄T多優(yōu)點(diǎn)，比如其運(yùn)輸安全性能高、易于工人管理分類、免除了貨物多余的外部包裹、縮短了運(yùn)輸周期、能夠滿足貨主門到門運(yùn)輸?shù)囊蟮萚1]。

但是集裝箱運(yùn)輸業(yè)在發(fā)展的同時(shí)也出現(xiàn)了安全隱患問題，例如集裝箱的超載、偏載和偏重現(xiàn)象都會(huì)對(duì)集裝箱的安全運(yùn)輸帶來(lái)嚴(yán)重的影響。由于公路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸相較于海運(yùn)對(duì)于集裝箱的超偏載情況更加敏感，所以這些情況會(huì)對(duì)集裝箱的公路運(yùn)輸和鐵道運(yùn)輸?shù)陌踩珮?gòu)成直接威脅。萬(wàn)一集裝箱出現(xiàn)超偏載，但在裝上列車前沒有檢測(cè)出來(lái)，載有該貨物的列車重心的偏移超過了限定值，可能會(huì)造成列車脫軌或貨車翻車的嚴(yán)重事故[2]。

因此，為了確保列車的安全運(yùn)輸，一定要對(duì)每個(gè)集裝箱進(jìn)行嚴(yán)格的超偏載檢測(cè)。

1 集裝箱超偏載檢測(cè)的現(xiàn)狀

對(duì)于集裝箱的檢測(cè)，鐵路軌道衡雖然能檢測(cè)貨運(yùn)車輛的超偏載，但是屬于“后端”檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)偏載后會(huì)在鐵道系統(tǒng)內(nèi)通報(bào)，并把偏載的列車退回發(fā)運(yùn)站處理。這樣處理起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力耗費(fèi)寶貴的線路資源[3]。所以目前超偏載檢測(cè)已經(jīng)前移至貨運(yùn)站，貨運(yùn)站對(duì)于集裝箱超偏載的檢測(cè)方式主要是通過在站臺(tái)集裝箱作業(yè)線上的專用門吊的吊架上，安裝一套專門的稱重裝置，然后利用該稱重裝置判斷所稱集裝箱是否存在超偏載現(xiàn)象[4]。但該檢測(cè)方式屬于“中端”檢測(cè)，仍存在成本高、效率低及數(shù)據(jù)不符合要求則需要拆箱重裝的問題。

因此，本文將針對(duì)這一現(xiàn)象，重新優(yōu)化了集裝箱運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁鞒倘鐖D1所示，再次將集裝箱偏載檢測(cè)的步驟前移，以實(shí)現(xiàn)前端檢測(cè)的目的，并在貨運(yùn)站進(jìn)行復(fù)檢，提高集裝箱運(yùn)輸?shù)陌踩?。同時(shí)設(shè)計(jì)了一套基于前端檢測(cè)策略的集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)，從集裝箱裝貨開始到裝貨結(jié)束封門為止，所有超偏載數(shù)據(jù)做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與貨運(yùn)站數(shù)據(jù)共享，貨運(yùn)站調(diào)度中心（貨場(chǎng)調(diào)度員）在受理集裝箱計(jì)劃時(shí)就能掌握全部集裝箱的貨物重量及超偏載信息，不再由貨運(yùn)站站內(nèi)檢測(cè)從而來(lái)決定集裝箱的放行或不放行，同時(shí)也避免了退回的集裝箱所帶來(lái)的一系列極其麻煩的手續(xù)。

2 集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)的組成

《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定：貨物裝車后，貨物總重心的投影應(yīng)位于貨車地板的縱、橫中心線的交叉點(diǎn)上，必須偏離時(shí)，橫向偏離量不得超過100 mm?？v向偏離時(shí)，每個(gè)車輛轉(zhuǎn)向架所承受的貨物重量不得超過貨車容許載重量的二分之一，且兩轉(zhuǎn)向架承受重量之差不得大于10 t [5]。為此，本文設(shè)計(jì)的集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分配置了4個(gè)稱重傳感器模塊，用于測(cè)量集裝箱4個(gè)角的重量數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出集裝箱的超偏載數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置了4G無(wú)線傳輸模塊。集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)端、處理器端、用戶端和服務(wù)器端組成，并通過Internet網(wǎng)絡(luò)緊密相連。

檢測(cè)端和處理器端共同構(gòu)成了集裝箱超偏載檢測(cè)儀（以下簡(jiǎn)稱“檢測(cè)儀”），檢測(cè)儀的具體組成如圖3所示，檢測(cè)儀硬件PCB原理圖如圖4所示。檢測(cè)儀采用基于ARMCortexM3內(nèi)核的STM32F103C8T6微控制器作為核心處理器，還包含了4個(gè)稱重傳感器模塊、4G無(wú)線傳輸模塊和電源模塊。檢測(cè)儀采集到的原始重量數(shù)據(jù)不上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，而是采用邊緣計(jì)算的方式，在檢測(cè)端通過超載檢測(cè)算法、偏重檢測(cè)算法和偏載檢測(cè)算法直接進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地采集、本地分析、本地處理。然后本地處理完成的數(shù)據(jù)通過4G無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)集裝箱超偏載數(shù)據(jù)的采集和上傳[6]。

用戶端由手機(jī)APP端和Web應(yīng)用端構(gòu)成。并且不同的用戶端有著不同的功能，各自負(fù)責(zé)各自的工作，具體功能如下。

1）手機(jī)APP端主要實(shí)現(xiàn)供集裝箱運(yùn)輸半掛車（以下簡(jiǎn)稱“半掛車”）司機(jī)查看集裝箱超偏載數(shù)據(jù)和相關(guān)信息錄入的功能。半掛車司機(jī)需要在每次集裝箱運(yùn)輸作業(yè)前，通過手機(jī)APP錄入半掛車車板的車板號(hào)信息和集裝箱的編號(hào)信息，并且為了提高信息錄入的效率及信息錄入的準(zhǔn)確率，在手機(jī)端錄入車板號(hào)信息和集裝箱編號(hào)信息時(shí)，設(shè)置有拍照識(shí)別功能[7]。半掛車司機(jī)可以選擇查看具體車板所對(duì)應(yīng)集裝箱的超偏載數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過標(biāo)準(zhǔn)閾值時(shí)，手機(jī)APP端會(huì)進(jìn)行報(bào)警從而提醒司機(jī)進(jìn)行處理[8]。

2）Web端主要實(shí)現(xiàn)供貨場(chǎng)調(diào)度員查看全部數(shù)據(jù)和用戶管理的功能。Web端的用戶分為管理員和普通用戶，其中普通用戶可以查看半掛車司機(jī)信息、半掛車信息、集裝箱信息和超偏載信息；管理員是系統(tǒng)的最高權(quán)限使用者，不僅可以查看半掛車司機(jī)信息、半掛車信息、集裝箱信息和超偏載信息，還可以對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除和修改。

服務(wù)器端包括應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。檢測(cè)儀將檢測(cè)結(jié)果通過4G模塊上傳至服務(wù)器，服務(wù)器接收并保存全部數(shù)據(jù)，并在手機(jī)APP端和Web應(yīng)用端發(fā)送調(diào)用請(qǐng)求時(shí)，提供數(shù)據(jù)。

2.2 集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)的功能與原理

集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)通過在集裝箱封箱前檢測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)了集裝箱超偏載的前端檢測(cè)；通過檢測(cè)儀實(shí)時(shí)采集計(jì)算集裝箱超偏載數(shù)據(jù)的方式對(duì)集裝箱超偏載情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。解決了傳統(tǒng)貨站起吊檢測(cè)模式成本高、效率低、不能實(shí)時(shí)監(jiān)管的問題，避免了退回集裝箱所帶來(lái)的一系列極其麻煩的手續(xù)問題。加強(qiáng)了各半掛車司機(jī)和貨場(chǎng)調(diào)度中心之間的信息流動(dòng)，形成了一個(gè)集裝箱超偏載信息管理流程的閉環(huán)。其主要功能由超偏載信息管理、多端報(bào)警功能和多信息管理功能三部分組成，系統(tǒng)的整體工作流程如圖5所示。

2.2.1 超偏載信息管理

檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)超偏載檢測(cè)和遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1）超偏載檢測(cè)功能。檢測(cè)儀使用HX711模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為稱重模塊，用于稱重傳感器的信號(hào)采集和放大。通過結(jié)合鐵路軌道衡檢測(cè)的超偏載計(jì)算方式進(jìn)行集裝箱超偏載數(shù)據(jù)的計(jì)算。HX711能夠?qū)崿F(xiàn)24位的精度，可以滿足對(duì)應(yīng)用的需求。并且HX711可以在較低的電壓下工作，適合于電池供電或由半掛車供電。

2）遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)使用Air724UG模塊作為遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，它基于4GLTE技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和廣域覆蓋，它還兼容2G和3G網(wǎng)絡(luò)，以確保在不同地區(qū)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的連接穩(wěn)定性[9]。檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至Air724UG模塊，再經(jīng)過Internet網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

2.2.2 多端報(bào)警功能

參考《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，系統(tǒng)將偏重的報(bào)警閾值設(shè)置為10 t，將偏載的報(bào)警閾值設(shè)置為100 mm，將超載的報(bào)警閾值設(shè)置為集裝箱容許載重量。當(dāng)超偏載數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)儀每隔5 min向服務(wù)器發(fā)送1次數(shù)據(jù)。若超偏載數(shù)據(jù)超出閾值范圍的時(shí)間過長(zhǎng)，則向手機(jī)APP端和Web應(yīng)用端發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)，同時(shí)將發(fā)送數(shù)據(jù)頻率改為每分鐘發(fā)送1次[10]。多端報(bào)警工作流程如圖6所示。

2.2.3 多信息管理功能

由于在公路集裝箱運(yùn)輸過程中，除超偏載信息之外，還會(huì)涉及包括半掛車司機(jī)信息、半掛車車板信息、集裝箱信息和Web端用戶信息等眾多數(shù)據(jù)，因此一套合理的多信息管理功能是十分有必要的。同時(shí)出于對(duì)數(shù)據(jù)安全性的考慮，本系統(tǒng)將Web用戶分為管理員用戶和普通用戶，其中普通用戶只可以查看相關(guān)信息；管理員不僅可以查看相關(guān)信息，還可以對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除和修改。本系統(tǒng)的信息管理主要分為司機(jī)信息管理、車板信息管理、集裝箱信息管理和Web端的普通用戶管理。

以司機(jī)信息為例，司機(jī)信息管理的流程如圖7所示，司機(jī)信息主要包括司機(jī)姓名、性別、身份證號(hào)碼、聯(lián)系電話和所屬公司等信息。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

基于本文設(shè)計(jì)的集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試。在一天內(nèi)對(duì)單個(gè)下位機(jī)檢測(cè)儀進(jìn)行不間斷的測(cè)試，結(jié)果表明該檢測(cè)儀能夠連續(xù)地采集重量數(shù)據(jù)并進(jìn)行超偏載計(jì)算。上位機(jī)的手機(jī)APP端和Web應(yīng)用端都能夠接收到下位機(jī)通過4G模塊發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)，并且顯示在手機(jī)APP端和Web應(yīng)用端的界面上，Web應(yīng)用端能有效地對(duì)集裝箱運(yùn)輸過程中所需要的相關(guān)信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集裝箱超偏載狀況的智能化管理，手機(jī)APP端檢測(cè)界面如圖8所示。

拍照識(shí)別功能分別對(duì)500張半掛車車板照片和500張集裝箱照片進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果見表1，結(jié)果表明手機(jī)APP端的拍照識(shí)別功能具有良好的識(shí)別準(zhǔn)確率，可以提高信息錄入的效率和信息錄入的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語(yǔ)

在集裝箱運(yùn)輸流程中的前端進(jìn)行超偏載檢測(cè)可以有效地提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本，基于前端檢測(cè)策略的檢測(cè)方法是未來(lái)集裝箱超偏載檢測(cè)的一個(gè)重要方向。本文設(shè)計(jì)完成的集裝箱超偏載檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)有效地監(jiān)測(cè)集裝箱的超偏載狀態(tài)，并且在傳統(tǒng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)等手段來(lái)優(yōu)化和提高檢測(cè)效率，為實(shí)現(xiàn)集裝箱超偏載檢測(cè)的智能化、高效化和數(shù)字化發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)。

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