基于物聯網技術的船舶危險品運輸監控系統設計

舒 松，戴 暉

(1.長江職業學院，湖北 武漢430074;2.湖北大學，湖北 武漢430062)

0 引 言

隨著我國工業經濟的快速發展，對于能源以及相關化工原料的需求也越來越大。水運是我國運輸體系的重要組成，并且承擔著很多工業原料運輸的任務，并且具有污染小、運輸能力強以及能耗低等優點，是眾多運輸方式中最為有效的手段之一。危險品運輸是一種特殊的運輸，是使用船舶對一些非常規物品進行運輸，對這些非常規物品進行運輸需要經過嚴格審核的設備、車輛船只以及相關人員才能進行［1］。同一般物品運輸所不同，進行危險品的運輸需要更加全面和準確的信息控制，同時它也是整個物流系統中非常特殊的組成部分。一般來說，目前最常見的船舶危險品運輸包括了化學品船運輸和油船(含瀝青船)運輸和液化氣體船運輸。

近年來，在我國船舶危險品運輸中已經發生了非常多的運輸事故，給人民財產造成了非常大的損失及人員傷亡。同時，由于危險品在水面發生爆炸以及泄露，造成附近水域的污染，在很長一段時間內對沿岸的城市造成不良影響，如2006年在京杭運河上發生的一次事故，起因為1艘運載硫酸的貨船因為船體發生損壞，進而造成運輸的硫酸罐體發生破損，造成嚴重的硫酸泄露，影響附近水域的漁業養殖，經濟損失達幾百萬元。另外，在水運航線上，普通貨船和運輸危險品船只經常會發生碰撞等事故，因而這些都會影響到危險品船舶運輸的安全。

本文針對我國境內船舶危險品運輸中所存在的實際情況，研究船舶在進行危險品運輸中所需要涉及到的關鍵監控技術，即構建一個基于物聯網技術的船舶危險品運輸監控系統，使得危險品在運輸過程中實現數字信息化監控，并且使得船舶、碼頭以及相關的管理部門之間能夠實現對船舶危險品信息的實時共享，這樣就可以實現對危險品的全程跟蹤和監控，在最大程度上降低危險品運輸的風險，并且可以在事故發生后以最快的速度發出報警信息，使得相關部門可以從速對事故的情況進行了解和處理。本文提出的系統對于提高船舶危險品運輸具有非常重要的現實意義。

1 船舶危險品運輸管理特點

我國擁有廣闊的海域，并且內河眾多，河道的船舶輸送量大，對于當前快速發展的經濟發展形勢而言，河道對于貨物的運輸已經非常擁擠，因而在危險品進行運輸時缺乏專門的區域進行搶險，因而一旦發生危險品泄漏或者爆炸時，由于船只數量多，因而在船只的人員疏散以及救援上都會出現很多問題，而且事故往往難以控制。通過查閱相關資料可以得知，國內現有的專門用于危險品貨物作業的碼頭狀況也較差，并且有很多的船只在主航道兩岸直接進行危險品的裝載和卸載作業，非常容易發生事故［4］。

不同于其他運輸物品，船舶危險品運輸具有同其他物品運輸所不同的特點，主要包括:

1)危險品種類多樣，性質差距大

當前登記入冊的危險品已經接近3 000 種，而這些危險品的性質完全不相同，并且隨著現代化工業的快速發展，每年都會出現很多新危險品，這些危險品的物理性質有非常大的差異，很多相同類別的危險品如果混裝的話就會出現爆炸或者其他問題，如二級氧化劑同一級氧化劑就要嚴格的區分開，炸彈和一些易燃易爆物質也不能混合裝運。在防護問題上，有些危險物品在著火時需要用水來滅火，而另外一些危險物品在遇到水時甚至會發生爆炸，因而當同時運輸這2 種物品時，就不能直接用水來進行滅火。

2)易燃易爆

很多危險品都具有易燃易爆的性質，因而在運輸過程中具有非常高的危險性，非常容易造成相關的事故。近年來發生的很多危險品運輸事故很大一部分都和易燃易爆的危險品有關，并且造成了非常大的危害。

3)需要專業的儲存裝置

由于危險品的性質差異很大，而且很多的危險品具有腐蝕性，還有的具有易燃易爆的性質，因而其在運輸過程中需要設計專業的儲存裝置，并且在設計上必須要滿足特定要求，如在船只運輸過程中危險品存儲位置的通風設計以及防火設計等，并且在船只上相關的燈具必須要和危險品保持足夠的距離，并且采用防爆的燈具，其通電線路應當做安全處理，這樣在發生緊急情況時，就會減少火勢或者爆炸的蔓延。

2 關鍵技術

2.1 RFID 技術

RFID 技術(Radio Frequency Identification)，即射頻識別技術或者電子標簽技術，自從這種技術被提出以來就在物流運輸、門禁控制、動物管理識別以及道路自動收費等領域得到了廣泛應用

RFID的基本工作原理為:當標簽進入目標區域磁場后會主動發送出一個固定頻率的信號，解讀器在收到這個信號后會送至相關的信息系統進行處理，從而對標簽的信息進行識別。一個最簡單的RFID系統包括了2個部分，分別是閱讀器和標簽。RFID按照能源的供給方式分為有源RFID，無源RFID 以及半有源RFID。

在危險品的運輸過程中，可以將不同的危險品使用不同的RFID 標簽，這樣每一種危險品就有一個唯一的身份標記，并且這個身份標記可以在信息處理系統中進行查閱。當危險品從倉庫中發貨，然后裝載到船舶上，通過相關的讀卡器就可以獲取這些危險品所對應的信息，如何時出庫，何時上船，某種危險品所在船只的相關信息［2-3］。并且在發生事故時，可以獲取這些危險品的種類、重量、性質、溫度等，這樣對于事故的救援具有非常重要的意義。

2.2 GPS

GPS的基本原理是通過巡航在地球12 000 km高空的衛星來獲取某個目標的經緯度，其最大的優勢在于不需要安裝任何巡檢點，直接就可以從衛星獲取信號。GPS 技術在車輛導航以及跟蹤、森林防火等都具有非常廣泛的應用。GPS 技術在船舶的危險品運輸上具有非常獨到的優勢，由于船舶運輸危險品一般都在空曠的河道上，因而在通信上非常便捷，當前我國船舶危險品運輸已經被強制安裝GPS 設置，并且可以實現不同船舶之間的數據通信。

3 基于物聯網技術的監控系統設計

3.1 功能設計

通過對當前危險品船舶運輸的現狀進行調查和分析，并且充分借鑒現有的設計經驗和相關的資源，本文設計了基于物聯網技術的船舶危險品監控系統。本文主要研究實現物聯網傳感器系統、視頻語音監控、人員之間的可靠通信和控制。圖1 是基于物聯網技術的船舶危險品運輸監控系統。危險品傳感器，包括壓力液位計、壓力傳感器等可以獲取各危險品的壓力、溫度以及泄漏量等關鍵參數值，將其傳輸到控制中心，船員通過視頻監控以及語音監聽等可以判斷存放危險品處的情況，當發生危險品泄漏或者其他問題時，控制中心可以通過危險品傳感器或者船員的反饋信號來做出反應，首先控制中心會通過相關的RFID 標簽來獲取發生泄漏處的危險品的相關信息，如重量、類別等，然后通過GPS 技術來獲取船舶此時的經緯度信息，并將這些信息發送給岸基監控中心，同時啟動報警子系統，進行相關處理。

圖1 基于物聯網技術的船舶危險品運輸監控系統Fig.1 The ship monitoring system for dangerous goods transportation based on internet of things

3.2 詳細設計

本節對船舶危險品監控系統中的危險品傳感器、RFID 標簽進行詳細設計。

3.2.1 危險品監測

在船舶危險品運輸監控系統中，危險品傳感器起著非常重要的作用，這些傳感器可以實時的將危險品的實時狀態檢出來，然后轉化成數據傳輸到控制中心。危險品傳感器包括了液位傳感器、壓力傳感器以及氣體傳感器等，這些傳感器實現對船舶上危險品的狀態進行監測。其原理如圖2所示。傳感器采集的壓力值、液位高度值以及氣體的濃度值等都是比較小的電流或者電壓信號，必須壓經過相應的信號處理裝置進行信號放大以及濾波等處理，最后轉化為數字信號，傳輸到控制中心進行顯示。

圖2 危險品狀態監測原理Fig.2 A state monitoring principle of dangerous goods

同時，危險品傳感器監測數據采集時間是數據的重要參數之一，因而保證本地時間的準確性尤為重要。采用網絡校時和本地時間保持2 種模式來保證采集時間的準確性。

3.2.2 RFID 標簽信息讀取

在船舶運輸危險品過程中需要對貨倉中的危險品進行信息獲取，使用RFID 技術可以減少原有人工登記及讀取方式中存在的諸多問題，如錯漏、繁瑣等。在本文設計中使用GSM/GPRS 模塊來傳輸RFID的標簽信息，具體工作原理如圖3所示。通過高增益天線來獲取船舶各處危險品的RFID 標簽信息，船載RFID 讀寫器會讀取當前標簽的信息并通過GPRS 連接無線網絡，將各個危險品信息傳輸給控制中心和岸基監控中心。GPRS 模塊采用SIM Com 推出的四頻段GPRS 模塊SIM900，它采用ARM926EJ - S 核心，功能強大，岸基監控中心可以讀取固定端口號來讀取并更新數據。

在RFID 數據讀取時，考慮到實際船舶運輸過程中會出現信號微弱的情況，這樣可能會造成部分數據無法及時傳送和更新，為保證數據的完整性，在設計上采用重發機制，首先將讀取的數據存儲在本地存儲器中，經過延時后再從本地存儲中讀取數據進行發送，這樣就可以充分保證數據的完整性。

圖3 RFID信息讀取Fig.3 The reading process of RFID information

3.2.3 控制中心

控制中心是船舶危險品運輸監控的核心，負責將各危險品傳感器采集信號進行分析、匯總以及顯示，同時還需要將RFID的標簽信息進行讀取、顯示以及查詢等。在收集到相關的危險品信息后，控制中心會結合視頻以及音頻的監控數據，判斷是否出現險情，一旦出現險情，則及時開啟自動報警系統，并發送本地坐標到岸基監控中心，以便第一時間展開救援。在控制中心進行顯示的包括地理信息數據、實時監控數據等。

1)地理信息數據

使用GIS 獲取基本的地理信息，包括經緯度信息等，并且可以在電子地圖上實時顯示船舶所在位置。

2)實時數據信息

在屏幕上顯示船舶各處存放危險品的監控畫面，可以進行畫面切換和放大，并且可以設置畫面切換的時間。顯示各處危險品的實時信息數據，如液面高度、溫度以及壓力值等，可以通過讀取RFID 標簽來獲取危險品的相關參數。

4 結 語

本文圍繞船舶危險品運輸所存在的問題，提出了基于物聯網技術的船舶危險品監控系統，對監管系統中所涉及的RFID 技術、GPS 等進行介紹，最后對系統中的重要模塊進行設計。本文提出的船舶危險品運輸監控系統可以有效降低船舶危險品在運輸過程中的風險，并在最大程度上避免事故的發生，因而具有非常重要的實際意義。

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［2］王開樂，鐘慧玲，張智勇.基于RFID/GPS/GPRS 危險品運輸管理系統的研究［J］.物流技術，2009(4):133-135.WANG Kai-le，ZHONG Hui-ling，ZHANG Zhi-yong.Research on dangerous articles transportation system based on RFID/GPS/GPRS［J］.Logistics Technology，2009(4):133 -135.

［3］郭冬梅.歐洲危險品運輸管理經驗借鑒［J］.運輸經理世界，2009(7):48 -49.

［4］李啟然，李強.危險品運輸企業如何做好車輛運輸安全管理［J］.物流工程與管理，2009，31(7):119 -120.LI Qi-ran，LI Qiang.The transport enterprise of dangerous chemicals how to do a good job in the management of vehicle transportation safety［J］.Logistics Engineering and Management［J］，2009，31(7):119 -120.