危險貨物集裝箱溫度監控系統設計

黃誠 張水華 徐建華 楊振

集裝箱裝運危險貨物能在一定程度上降低危險貨物貨損率;但由于危險貨物具有易燃、易爆、腐蝕、放射等特性，危險貨物集裝箱作業面臨巨大潛在風險。影響危險貨物集裝箱堆場安全的因素有很多，其中最主要的是溫度。溫度是反映危險貨物集裝箱內部情況的重要指標，建立危險貨物集裝箱溫度監控系統十分必要。危險貨物集裝箱分為冷藏箱和非冷藏箱，本文研究的是冷藏箱溫度監控系統。用數據挖掘技術分析數據庫中的溫度值，可以推算出危險貨物溫度變化的安全范圍，同時還可以進行故障診斷，減少對電壓、電流、壓縮機工作狀態等次要指標的監測，簡化系統數據信息，從而縮短系統對堆場危險貨物集裝箱的輪巡周期，提高監控效能。

1 危險貨物集裝箱溫度監控現狀

目前，大多數集裝箱碼頭仍采用傳統的人工抄錄溫度的方式來監控危險貨物集裝箱溫度，該人工監控模式存在以下缺點。

（1）管理流程繁雜。在危險貨物集裝箱卸船前，作業人員檢查制冷溫度和箱體狀況，若發現異常情況，立即向操作室匯報;集裝箱進入堆場前接通電源，堆存期間設雙人24 h值班，每隔2 h巡檢一次，并且須將集裝箱溫度等數據信息輸入操作系統。

（2）監控周期長。碼頭堆場面積大，危險貨物集裝箱數量多，人工抄錄集裝箱溫度信息耗時長且工作量大。

（3）人工成本高。由于作業人員巡檢抄錄危險貨物集裝箱溫度耗時太長，需要安排專人從事此項工作，從而產生高昂的人工成本。

（4）實時性差。人工抄錄危險貨物集裝箱溫度信息的實時性差，若不能及時發現并處理異常集裝箱，可能導致安全事故。

（5）安全隱患大。人工監控模式使得作業人員需要長時間在有插座的堆場中行走，存在較大的安全隱患。

在人工監控模式下，為了保證碼頭危險貨物集裝箱堆場的安全，需要強化危險貨物集裝箱監控，尤其是對集裝箱內部溫度進行24 h監測，以便及時發現存在異常情況的集裝箱并報警。

2 危險貨物集裝箱溫度監控系統設計

2.1 系統功能

危險貨物集裝箱溫度監控系統需要實現以下功能：24 h實時監控堆場內危險貨物集裝箱的溫度;確保傳輸數據信息的準確性、穩定性和可靠性;符合碼頭生產作業需求，能與碼頭操作系統無縫集成。

2.2 系統優勢

（1）開放的軟件結構和數據庫使得碼頭操作系統可以調取、記錄、處理其需要的信息，彌補了碼頭在危險貨物集裝箱溫度監控方面的缺口。

（2）在自動化碼頭管理中，系統信息的數字化記錄具有可靠性和可追溯性。

（3）系統采用自動錄入數據信息與手動錄入數據信息相結合的方式，使得危險貨物集裝箱堆場監控覆蓋率達到100%。

（4）系統利用全球定位技術限定作業人員操作范圍，可以隱藏集裝箱的設定溫度，從而大大提高數據信息的可靠性。

（5）集卡上的移動監控信息可以快速編入堆場監控系統。

（6）系統符合新老碼頭生產作業需求，能與碼頭原有的操作系統無縫集成。

2.3 系統架構

針對碼頭集裝箱裝卸作業的特點，設計危險貨物集裝箱溫度監控系統，系統主體架構。危險貨物集裝箱溫度監控系統由溫度采集設備、采集服務器、數據存儲服務器和數據呈現系統構成。溫度采集卡實時監測集裝箱溫度數據;采集服務器系統輪巡溫度采集卡，并通過集裝箱的串行接口和4G網絡將采集到的數據存入數據庫，傳輸的信息包括集裝箱的送風溫度、回風溫度、箱號以及堆場位置等;軟件系統調取數據庫信息并以網頁、手機終端、三維虛擬現實監控系統等方式呈現，呈現內容包含集裝箱的設定溫度（數據庫中原有數據）、送風溫度、箱號、堆場位置、數據更新時間和報警時間等。溫度采集卡選用防爆外殼，采用STM32單片機、RS232芯片以及LORA無線通信模塊。單個溫度采集設備可接入2個集裝箱，安裝簡單，可由堆場使用的220 V電源直接供電。

2.4 系統監控流程

危險貨物集裝箱溫度監控系統流程。

（1）集卡司機進入堆場卸下危險貨物集裝箱后，連接集裝箱串行接口和溫度采集設備。

（2）危險貨物集裝箱數據信息通過4G網絡和LORA模塊自動傳輸至數據庫，系統從數據庫調取集裝箱溫度信息。

（3）對于無法遠程監控的危險貨物集裝箱，系統采取故障實時報警模式，將其相關信息發送至作業人員的手機終端、操作室及中控室。通信協議不統一、串行接口損壞或沒有串行接口、數據傳輸線長度不夠等均可能導致無法實現危險貨物集裝箱遠程監控。

（4）作業人員根據遠程監控系統顯示的箱號和位置信息找到異常危險貨物集裝箱，現場抄錄溫度數據并發送至遠程監控系統。系統利用全球定位系統技術對作業人員錄入信息的位置進行監控：作業人員必須在異常集裝箱附近的一定范圍內錄入信息，否則系統報錯并無法傳輸有效信息至數據庫。數據庫儲存不同危險貨物集裝箱的設定溫度，作業人員的手機終端軟件界面上不顯示設定溫度;若作業人員手動錄入的溫度數據與設定溫度相差較大，則系統報錯且無法傳輸有效信息至數據庫。

2.5 系統通信方式

（1）串行接口 常見的通信方式有電力載波、四芯監測和串行接口等，其中：電力載波通過冷藏箱插頭的輸電電纜傳輸數據，受電網干擾大，穩定性差;四芯監測方式無法準確傳輸集裝箱溫度數據信息，達不到智能監控的要求;串行接口（RS-232-C）是冷藏箱壓縮機組的基本配置，可通過該接口下載查詢集裝箱溫度等信息，其特點是通信線路簡單且成本低，可實現集裝箱溫度與機組數據的穩定傳輸，特別適用于遠距離通信。通過比較以上3種通信方式可見，串行接口通信方式最為穩定可靠，并具有監控效率高、傳輸距離遠的優點，可滿足自動化碼頭需求。

（2） LORA無線數據傳輸模塊 危險貨物集裝箱溫度監控系統采用“串行接口+無線數據傳輸”的方式實時監控集裝箱溫度。無線數據傳輸可有效解決集裝箱碼頭電纜布局困難，降低經濟成本和人工管理成本。無線數據傳輸可使用Wi-Fi、Zigbee和LORA等技術。Wi-Fi技術傳輸數據速率高，但其功耗高，可靠性低，受信號干擾大;Zigbee技術具有功耗低、可靠性高、抗干擾性強等優點，但具有成本較高、穿透性差等缺點;LORA技術是由美國Semtech公司推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，在同樣的功耗條件下其比其他無線方式傳輸距離更遠（比傳統無線射頻通信距離遠3～5倍），具有遠距離、低功耗、多節點、低成本等優點。

2.6 故障實時報警機制

對于當前溫度異常的集裝箱或者沒有數據傳輸至遠程監控系統的異常集裝箱，系統采取故障實時報警機制。報警方式如下：系統向作業人員手機終端發出報警提醒信息，提醒作業人員前往現場檢查異常集裝箱;作業人員通過手動錄入方式將正確信息傳送至遠程監控系統，并備注異常原因;若一段時間后該集裝箱仍處于異常狀態，則系統向操作室發出報警提醒;若操作室仍未處理該集裝箱，則系統向中控室發出報警提醒，由中控室及時處理異常集裝箱。

3 結束語

本文設計的危險貨物集裝箱溫度監控系統能夠對危險貨物集裝箱溫度實施24 h不間斷監控，采取自動與手動傳輸數據信息相結合的方式，實現對危險貨物集裝箱溫度100%的監控覆蓋率。該系統能夠確保監控信息傳輸的準確性、穩定性和可靠性，從而有效提高碼頭對危險貨物集裝箱的監控效能，在現代物流過程監控中擁有廣泛的應用前景。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-01-15）