物聯網技術在鐵路集裝箱運輸中的應用研究

張義川，楊文韜，陳 迎，馬玉坤

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081；2.中鐵集裝箱運輸有限責任公司國際聯運部，北京 100055)

1 概述

1.1 集裝箱國際聯運概況

集裝箱作為先進的運輸方式，在促進國際聯運、多式聯運和現代物流發展中發揮著重要作用。特別是作為往來于我國與歐洲以及“一帶一路”沿線各國的國際鐵路集裝箱聯運班列[1]，中歐班列是深化我國與沿線國家經貿合作的重要載體和推進“一帶一路”建設的重要抓手。中歐班列國際業務發展迅速，輻射范圍逐漸擴大，貨物品類逐漸拓展，貿易通道和貿易方式不斷豐富和完善，為中歐班列高質量發展打下良好基礎。截至2021年5月，中歐班列歷年累計開行約3.9萬列(354萬TEU)，其中，去程2.3萬列(207萬TEU)，回程1.6萬列(147萬TEU)。歷年累計開行超過百列的國內城市31個，通達歐洲22個國家約160個城市。

物聯網、北斗衛星導航、5G通信、大數據等新技術的應用完善，為集裝箱信息化發展提供了可靠的技術保障。例如，將北斗定位技術結合物聯網技術應用于集裝箱定位追蹤中，提供了國產自主可控的衛星導航追蹤定位手段。5G通信技術的大帶寬、高可靠、低時延、廣連接的特點，提高了鐵路沿線、站場物聯網設備的大規模接入[2]，為集裝箱物聯網應用的快速發展提供技術支撐。低軌衛星通信技術則提供了終端設備在全球通信覆蓋的可能性，能夠解決集裝箱終端設備在遠海區域、偏遠地區中的通信問題。

1.2 物聯網技術特點

物聯網技術涉及多個領域，這些技術在不同的行業往往具有不同的應用需求和技術形態[3]。物聯網的技術構成主要包括了感知與標識技術、網絡與通信技術、計算與服務技術以及管理與支撐技術等。

感知與標識技術中包括了射頻識別、傳感器以及二維碼等技術范疇，其中射頻識別技術(Radio frequency identification，RFID)應用最為廣泛和成熟，這與RFID技術的掃描識別準確靈活、數據容量龐大、抗污染強耐久、可重復使用、體積小形狀多等一系列特性有關。RFID多采用有源標簽，除了簡單讀取標簽信息的應用外，可以實現節點式追蹤定位功能。2011年國際標準化組織(ISO)發布了由我國起草和主導的國際標準《ISO 18186：2011 集裝箱-RFID貨運標簽系統》，規范了集裝箱相關物流數據的自動識別采用有源RFID技術來實現。二維碼技術近年來逐步在鐵路箱上試用，在集裝箱的資產管理、自動識別等方面發揮越來越多的作用。無線傳感網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)的應用同樣是國內外研究熱點。WSN具有低成本、低功耗、自組織、自修復等優點。張凌寒等[4]研究了用于船載危險品集裝箱監測的WSN節點設計。Ruckebusch等[5]提出了一種跟蹤和監控船舶集裝箱的原型解決方案，其認為在實際應用條件下部署WSN是一項艱巨的任務，特別是場站內堆疊在一起的集裝箱的無線信號連接問題；同時提出了多介質訪問控制(MAC)的框架和完善的網關選擇算法等創新型WSN 解決方案。與蜂窩移動通信的方式相比，WSN在功耗上優勢明顯。

2 物聯網技術在集裝箱的應用分析

集裝箱狀態包含了集裝箱運行狀態、集裝箱完整性和箱內環境等。其中，在具體體現形式上，集裝箱運行狀態包括位置追蹤、運行速度、箱體傾斜、加減速等；集裝箱完整性包括箱門開閉、箱體結構破損；箱內環境包括溫度、濕度、煙霧、氣體濃度以及特有狀態參數等。從中歐班列集裝箱運輸應用的物聯網設備功能和形式上，有追蹤定位類、箱門狀態監測類、箱內貨物監測類3種。

2.1 追蹤定位類

該類以集裝箱運行狀態追蹤為核心功能需求。例如，中歐班列依托西伯利亞大陸橋和新亞歐大陸橋，連通東亞、東南亞、歐洲及沿線國家。在國內鐵路段可以依靠鐵路線路基于RFID技術的車次號追蹤系統被動式追蹤定位，但密度僅僅覆蓋國內鐵路路網，只能實現國內的站到站追蹤，無法追蹤公鐵聯運、水鐵聯運及中歐班列境外集裝箱位置信息，對貨物全程運輸存在追蹤定位的盲點。通過在集裝箱上安裝有源定位設備，采用衛星定位技術、基站定位技術等手段，可以實現對集裝箱全球范圍內的實時位置掌控，滿足貨物全程追蹤需要。同時可以采集監測集裝箱的運行速度、加速度等指標。根據結構形式的不同，安裝位置不限于集裝箱箱門、前端或箱內貨盤上。

2.2 箱門狀態監測類

集裝箱作為密閉性較好的運載工具，在正常運輸過程中箱門應完好關閉，以保證箱內貨物完整，但實際中箱門未經授權或非法打開時有發生。箱門狀態采集技術在應用中則分為以下幾種。

（1）采用激光測距技術。通過紅外激光監測到箱門的距離，若箱門打開，則距離變化，可以監測到集裝箱箱門的開閉狀態。該方式優點是結構簡單、精度高；缺點是成本較高，應用不廣泛。

（2）采用光傳感技術。通過箱內光線強度的變化監測箱門開閉，一般安裝在箱內靠近門縫處。該方式優點是成本低、安裝方便；不足之處在于開箱時光線不足則無法報警，若箱門縫隙漏光存在誤報情況。

（3）采用霍爾感應技術。通過磁場磁感應強度的存在和變化監測箱門開閉。一般由2個模塊組成，當箱門打開時，2個模塊間磁感應強度發生變化從而立即監測到箱門開啟。從結構形式上不限于安裝在箱外門鎖孔位的電子施封鎖、電子關封，以及安裝在箱門內側的門磁感應器等。從管理使用上可分為一次性和重復性2種常見形式。該技術方式優點是精度高、壽命長、功耗小；缺點是采集信號的準確性會受加工精度影響。

2.3 箱內貨物監測類

該類以集裝箱箱內貨物狀態監測為核心功能需求。集裝箱在國內和國際聯運過程中時空跨度大、環境復雜，難以監管，導致貨物產品變質、貨物損壞等各類問題頻發。特別是特種集裝箱，如冷藏箱、罐箱監測需求迫切。對于通用箱等常監測采集溫度、濕度、空重等箱內貨物狀態，對于柴電、鋰電、蓄冷等不同冷藏集裝箱的監測關注箱內剩余油量、剩余電量、剩余冷量、溫濕度及設備運行狀態的監測，對于罐箱則關注箱內壓力、溫度、濃度、剩余電量等狀態監測。設備主體部分一般需安裝在箱內，對各種狀態參數進行多點采集。為達到較好的監測效果，需要將通信天線、定位天線等置于箱外。

從上述3種應用分析可以看出，雖然應用多種多樣，但設備通信連接穩定性、低功耗控制性以及監測采集準確性是物聯網應用于集裝箱運輸需要關注和解決的問題。

3 物聯網設備應用關鍵技術

物聯網設備應用關鍵技術研究主要從數據通信連接、低功耗控制方法、箱門監測控制優化方法3個方面開展。

3.1 數據通信連接

對于采用蜂窩移動通信連接技術的定位追蹤類、箱門狀態監測類以及箱內貨物監測類的物聯網設備，采用蜂窩移動通信方式時，大多數支持2G，3G和4G通信制式。由于國內通信網絡建設較完善、覆蓋較良好，當物聯網設備處于國內時數據通信連接效果較好。但當出境時，雖然設備可以實現數據通信連接進行數據回傳，但如何實現穩定的數據通信連接，以及提高通信連接成功率則是亟需優化的問題。因此，需要對中歐沿線通信制式和頻段進行梳理與驗證，進而在中歐沿線及國內實際運行環境中進行通信測試，最后根據測試結果提出設備通信連接的優化改進方法。

（1）實驗室環境測試。首先在實驗室環境中利用綜測儀等試驗設備驗證所選通信芯片是否可以滿足梳理出的中歐沿線通信制式和頻段要求。以芯訊通公司的4G通信模組芯片開展試驗驗證，通信制式驗證結果如表1所示。

通過表1可以看出，除4G制式中接入方式為TDD的B34，B39頻段無法注冊以外，其他制式的頻段均可注冊成功，基本可以滿足通信連接要求。另一方面從注冊時間的統計分析上可以得知，4G注冊時間最短，2G注冊時間最長。

表1?通信制式驗證結果Tab.1 Verification results of mobile communication system

（2）實際運行環境測試。中歐沿線各國蜂窩移動網絡運營商不同，且每個國家存在多個運營商，每個運營商連接不同制式頻段。在實驗室測試的基礎上，物聯網設備能否在實際環境通信連接需要測試。通過研發相關測試設備，選取俄羅斯、白俄羅斯和波蘭3個代表性鐵路沿線國家進行了通信測試，通信測試數據如表2所示。

設備與蜂窩移動網絡信令交互的次序一般為鑒權、加密、位置更新、建立會話連接以及上傳數據等步驟。由表2可知，在俄羅斯、白俄羅斯、波蘭3個國家的網絡下，網絡側從鑒權、位置更新和建立會話等過程均有與測試設備保持信令交互的記錄，說明蜂窩移動網絡能夠支撐數據上傳。另一方面，由于采用移動物聯網卡，因而測試設備會優先選擇TD-SCDMA及TDD-LTE制式的網絡。在國外WCDMA及FDD-LTE的網絡環境下，其設備較難選上3G及4G網絡，而2G網絡時延較長，未必能保證完全選網成功。

表2?通信測試數據Tab.2 Test data of mobile communication

（3）通信網絡注冊優化方法。經過實際運行環境的測試，數據通信連接可以實現，但通信連接成功率的提高則需不斷嘗試改進和優化。結合試驗設備的歷史測試數據，提出設備通信網絡注冊優化方法。①制定不同制式間優先級。考慮到國外4G網絡主要布設于城市中，鐵路沿線較少，當切換國家或地區進行網絡注冊時，可以增加3G/2G選網次數及優先性，增加注冊的成功率。②制定歷史頻段選擇。當國家或地區位置不變進行網絡注冊時，可以嘗試采用掃描上次連接的頻段和頻點策略方法。③控制網絡自動模式的注冊時間。當網絡注冊自動模式不成功時，可以轉為手動注冊模式，通信模組掃描出所有可注冊的運營商嘗試手動注冊，在保證通信的同時也能兼顧功耗。④云端收集可用運營商信息。通過服務器云端存儲歷史收集的可用運營商，當設備進入某國家進行通信注冊時，服務器端向設備推送可用運營商，減少嘗試連接運營商次數以減少設備功耗。

3.2 低功耗控制方法

對于有源監測裝置，特別是以不可充電鋰電池供電的設備，設備的低功耗控制方法顯得尤為重要。設備低功耗控制優化方法自下而上分別為電路級、邏輯級、行為級、算法級和系統級等[6]。電路級和邏輯級的優化方法已經比較成熟，只是在實現方法上還有待改進[7]。研究在電路級、算法級以及系統級提出了相關低功耗控制方法。

（1）電路級。①采用低功耗芯片。在物聯網設備中，硬件組成均包含主控制模塊、電源模塊、通信模塊以及其他模塊。針對主控制模塊可以采用藍牙功能的芯片，常用的芯片大多沒有進行功耗優化，節能性能欠佳，而專門進行低功耗優化后的芯片節能性能優越。對于電源模塊，則需要根據效率指標確定芯片選型。芯片的效率值越高則越省電。對于通信模塊例如4G通信芯片，在滿足功能要求的情況下，可以選用Cat.1類型的4G芯片。Cat.1下行峰值速率可達10 Mbps，上行峰值速率可達5 Mbps，在物聯網應用中，按照高中低速率劃分屬于中速率范圍，可以以更低的成本和功耗滿足大部分場景需求。②采用低電壓供電。設備功耗與供電電壓關系密切，從邏輯上成正比關系，采用低電壓供電有利于設備功耗的降低。③采用不同的工作模式。一般設備的各功能模塊存在運行、休眠、空閑等不同狀態，可以合理切換各功能模塊的狀態，降低設備功耗。

（2）算法級。算法級可以制定相關的低功耗控制方法。選擇追蹤定位類設備作為研究對象，提出采用間隔休眠喚醒控制方法、超時控制方法以及輔助定位方法相結合的算法。低功耗控制邏輯如圖1所示。

如圖1所示，間隔休眠喚醒控制方法、超時控制方法以及輔助定位方法處在低功耗控制邏輯不同階段。間隔休眠喚醒控制方法即根據集裝箱運輸的運動狀態自動調節休眠喚醒間隔時間進行工作；超時控制方法可在設備通信連接過程中的搜網注冊時間、搜星定位時間、數據傳輸時間等關鍵點進行配置，在保證連接成功率的前提下，縮短設備連接過程中的時間達到降低功耗的目的[8]；輔助定位方法即利用衛星定位與網絡獲取結合方式，從網絡端獲取衛星定位的星歷，縮短設備衛星定位的啟動定位時間，提高首次成功率以降低能耗。

根據試驗數據顯示，同等條件下采用上述3種方法相結合的方式，與正常工作設備功耗相比，至少降低 15% ～ 20%。

（3）系統級。系統級則依據采集的監測數據進行分類分析，結合中歐班列運輸的實際業務范疇，以數據分析的結果反饋到物聯網設備層面，在能耗方面著重進行優化改進。①集裝箱在境內外的時長分析。根據集裝箱在境內和境外的時長分析結果可以制定設備在不同環境下的工作方式。在定位方式上，對于追蹤類設備在境內采用基站定位方式，在境外采集衛星定位方式，滿足功能的同時最大化降低能耗。②集裝箱的靜止和運動時長分析。根據集裝箱的靜止和運動時長分析結果，適時精準調整設備靜止和運動的間隔時間，結合電源容量精準估算設備使用壽命，有利于設備能耗控制。

圖1?低功耗控制邏輯Fig.1 Low power control logic

3.3 箱門監測控制優化方法

集裝箱箱門的狀態對于保障貨物安全至關重要，為提高箱門狀態監測的準確性，結合箱內貨物監測和箱門狀態監測相關技術，提出了箱門監測優化方法。

（1）箱門監測設備組成。箱門監測設備組成如圖2所示。箱門監測設備安裝在箱門內側，設備由溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、光線傳感器等傳感采集模塊、主控制模塊、通信模塊、定位模塊、藍牙模塊、天線模塊以及電源模塊組成。主控制模塊作為大腦控制各模塊協同運行；通信模塊實現設備與遠端系統通信；定位模塊包括衛星定位和基站定位2種方式；天線模塊包括通信天線和衛星天線，需要外置以提高信號強度；電源模塊進行供電以及電平轉換；設備的傳感模塊根據功能的不同，需要分布在箱內不同位置，兩者之間依靠藍牙模塊進行近場無線數據采集傳輸。

（2）箱門監測控制優化方法。由于單純靠光線傳感器檢測箱門光線的強度會存在光線不足無法報警、箱門縫隙漏光誤報等情況，因而設計箱門監測控制方法時，采用主從融合處理方式：在檢測箱門開關時，實時監測箱內環境變化作為主要監測方法，即當箱門開啟時箱內的溫度、濕度、氣壓甚至磁場與箱門關閉時相比會發生明顯變化；結合光線傳感器采集的箱內亮度變化以綜合判定箱門的開啟和關閉。

4 結束語

隨著物聯網技術的不斷發展和深入應用，在目前能夠滿足對集裝箱實時監測需求外，更重要的是建立全程實時監測、異常報警、風險預測等機制，形成全流程、全鏈條、全節點的閉環流程。因此，未來有必要建立統一的集裝箱物聯網管理與分析平臺，提高物聯網設備的應用質量。該平臺將制定數據接入和共享標準，實現對廣泛物聯網設備的管理；將深度融合大數據分析技術，充分挖掘數據價值，特別是對中歐班列在各運行節點的效率、能力等分析，對異常情況進行報警和預測，以數據驅動管理與決策，提高運輸安全質量和物聯網應用水平。

圖2?箱門監測設備組成Fig.2 Monitoring device composition of container door