基于多源傳感技術的鐵路貨運智慧監控模擬實驗系統設計

摘" 要：在“新工科”教育背景下，為進一步豐富和優化鐵路貨運實驗教學內容，設計了基于多源傳感技術的鐵路貨物運輸智慧監控模擬實驗系統，即使用多源傳感信息技術對貨物運輸環境和貨物運輸狀態進行監測以及預警。結合OBE教育理念開展教學改革實踐，提出提高學生綜合能力的教學和評價方法。學生能對鐵路貨物運輸的全過程有更為深刻的認識，提升對貨物運輸系統的操作能力，為今后從事鐵路貨運工作打下堅實的基礎。

" 關鍵詞：鐵路貨運；多源傳感技術；智慧監控；教學改革；模擬實驗系統

" 中圖分類號：F253.9" " 文獻標志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.15.012

Abstract： Under the background of \"new engineering\" education， a simulation experiment system of railway freight transportation intelligent monitoring based on multi-source sensing technology is designed in order to further enrich and optimize the content of railway freight experiment teaching. The system can monitor and warn the freight transportation environment and freight transportation state by using multi-source sensing information technology. Combining with OBE education concept， the teaching reform practice is carried out. The teaching methods and evaluation methods to improve students' comprehensive ability are put forward. Students can have a deeper understanding of the whole process of railway freight transportation， and improve their operational capabilities of freight transportation systems can， so that a solid foundation for future work in railway freight transportation can be laid.

Key words： railway freight transportation; multi-source sensor technology; intelligent monitor; teaching reform; simulation experimental system

0" 引" 言

" 隨著鐵路貨物列車速度的大幅提升，以及承運貨物種類、運量的增長，鐵路貨物運輸安全保障成為鐵路貨運質量的核心問題[1]。在我國鐵路貨運組織改革的不斷深入下，鐵路貨運服務水平在一定程度上得到了提升，但是與其發展目標以及客戶預期，仍然存在不小差距。現階段我國鐵路能夠實現對貨車的追蹤查詢和預測到達等功能，然而對于一些貨物在車輛內部發生異常時及時進行預警、控制并給出輔助決策方案還有待進一步解決[2]。鐵路部門必須不斷提高信息服務水平，將最全面的貨物跟蹤信息服務提供給客戶，使客戶能夠及時地了解貨物動向。

" 對于工程實踐性和應用性較強的交通運輸專業來講，純粹的理論教學無法提高學生工程實踐能力和培養創新型工程人才，開展實驗和理論課程相結合的教學模式改革非常重要[3]。為了提高鐵路貨運組織教學質量，本科教學應遵循成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）的教學理念。根據《鐵路貨運組織》課程以及交通運輸專業的特點，結合專業定位和現有教學條件，以OBE教育理念作為引導，本課程的教學不僅能增強學生自主學習的意識，提高學生創新能力的發展，培養具有扎實專業知識、能夠解決鐵路貨運問題的應用型人才[4-5]。

" 因此，針對現有問題，本文圍繞OBE教育理念，并結合新工科背景下的應用型創新人才培養方案，設計了一種具有便攜、讀取方便、多種模塊集成，且具有自動警示、北斗定位、藍牙信號傳輸等功能的貨物運輸車廂監測設備，并基于此開發鐵路貨物運輸智慧監控模擬實驗系統，有效解決了對于車廂內貨物運輸過程中的貨物狀態監測問題，同時也可提高了學生的實際動手能力及對鐵路貨主服務的意識。

1" 鐵路貨物運輸智慧監控系統整體架構

1.1" 系統構架

" 鐵路貨物運輸智慧監控系統總共由3個層面組成，感知層、傳輸層和控制層，系統總構架如圖1所示。

" （1）感知層：由溫濕度傳感器、氣壓傳感器、光照傳感器、氣體傳感器以及高清攝像頭組成，主要是通過這些高精度傳感儀器對貨物運輸過程中車廂內的各要素進行實時感應、監控和反饋，實現實時性和全局性數據感知。

" （2）傳輸層：由于鐵路運輸的貨物種類不同，所監測的環境參數也不相同，采集到的數據具有多源性、多尺度、高噪聲等特點。為確保數據的真實可靠，在這一層需要對監測到的數據進行整理、計算、分析及存儲。樹莓派4B不僅能對收集到的數據進行融合處理，還能進行數據分析。

" 信息傳輸和處理的延時也需要較高的要求，外界環境對傳感器精度的影響、數據傳輸過程的數據丟失等都會造成數據獲取的誤差。因此該層主要是由5G高速網絡、Wifi等接受信息和匯聚數據。

" （3）應用層：應用層能夠實現精細化和智能化控制，向貨物運輸系統提供使用、監控、預警和維護需求等功能。并且用戶能通過PC端或手機端網頁完成對氣象監測數據的可視化展示，實時查詢到貨物信息。

1.2" 功能介紹

系統的功能主要包括信息監測、信息分析處理和智能預警三部分。

1.2.1" 信息監測

系統可通過硬件設備監測車廂的地理位置、溫濕度、氣壓等信息，并進行可視化處理，以圖形、圖像、視頻等形式輸出數據。對于貨物所在的車廂信息，可通過電子貨票系統自動從數據庫中讀取對應的票據信息，電子貨票系統可對貨物類型、數量、重量以及所在車次、車廂號、集裝箱編號自動檢索。

1.2.2" 信息分析處理

傳感器采集到的數據，經由樹莓派分析，根據不同類型貨物的監測數據判斷其安全狀態，并做出處理。最后將數據和處理信息存儲于存儲卡中，可通過客戶端調取數據查看相關信息，便于工作人員和貨主對貨物狀態進一步分析和處理。

1.2.3" 智能預警

" 不同類型的貨物有著不同的預警標準，經過信息分析處理后，若貨物狀態異常，則會根據風險情況進行不同程度預警，同時預警信息自動上傳至服務器，工作人員和貨主可通過客戶端查看。

2" 鐵路貨物運輸智慧監控系統設計

2.1" 系統硬件設計

" 系統的硬件部分主要由傳感監測模塊、數據傳輸模塊、微處理器模塊、電源電路模塊、視頻信號模塊、北斗定位模塊和預警模塊組成。

2.1.1" 核心控制板樹莓派

" 在該監控系統中，樹莓派4B型微處理器板是整個系統的核心部分，外觀如圖2所示。

樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，體積雖小，但具有計算機的所有基本功能，表1展示了樹莓派4B板載的硬件參數以及各個配置在該系統中的優勢。

2.1.2" 傳感監測模塊

傳感監測模塊包括溫濕度傳感器、氣壓傳感器、光照度傳感器以及多種氣體傳感器。

（1）溫濕度傳感器

" 溫濕度傳感器采用的是DHT22模塊，如圖3所示。這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，其傳感器精度高，在環境溫度和濕度測量要求比較高的情況下使用，具有極高的可靠性和出色的穩定性，其性能參數如表2所示。

（2）氣壓傳感器

氣壓傳感器采用BMP180模塊，測量的壓力范圍為300～1 100hpa，精度可以達到0.03hpa，且耗電極低，只有3uA，如圖4所示。選擇合適的氣壓傳感器能夠實時監測到車廂內的氣壓變化，可避免一些危險貨物因為氣壓的微小變化而發生意外。

（3）光照度傳感器

一些危險貨物中的爆炸品對于光照強度有著極高的要求，傳感器的精度越高，發生事故的可能性越小。BH1750FVI數字光照傳感器模塊的分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，接近于視覺靈敏度的分光特性可對廣泛的廣度進行1勒克斯的高精度測定，如圖5所示。

（4）氣體傳感器

在運輸貨物中，尤其對于危險貨物和易腐貨物而言，對氣體濃度都有著不同的要求。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想，如圖6所示。

2.1.3" 其他模塊

包括數據傳輸模塊、電源電路模塊、視頻信號模塊、定位模塊和預警模塊，各個模塊的具體作用如表3所示。

2.1.4" 模塊連接

由于樹莓派有40個擴展引腳實現多信號傳輸，這也是樹莓派支持多種擴展設備的基礎[6]。根據各個硬件模塊在樹莓派4B板載上引腳的連接，可得到圖7的整體硬件框圖。

2.2" 系統軟件設計

" 系統軟件部分分為軟件平臺和數據采集服務。軟件平臺負責用戶與數據庫之間的交互，而數據采集服務用于硬件與數據庫之間的交互，系統軟件流程圖如圖8所示。

" 其中軟件平臺是在B/S構架下進行系統開發，主要用于監測預警數據可視化、提供系統管理、數據處理分析等；數據采集服務則主要是在樹莓派上完成的，在樹莓派上移植完操作系統、配置好4G網絡連接后，可在Python環境下編寫應用程序，Python使用GPIO庫讀取各個引腳的輸入數據，通過修改配置文件信息來讀取硬件實時監測的數據，并將其格式化存儲至樹莓派數據庫中[7]。

在統計各項數據后，對監測貨物、監測設備、預警結果、預警地點以折線圖、餅狀圖、柱狀圖等形式可視化，如圖9所示，以便用戶直觀了解監測信息、預警信息，對貨物運輸車廂進行快速空間定位。

2.3" 整體外觀設計

根據貨物監測的需求，結合系統內各模塊的功能設計列車貨物監測設備的外觀如圖10所示，設備為長方體結構，長14cm，寬14cm，高18cm，體積較小，便于攜帶，方便對車廂內環境以及貨物狀態的監測。

監測設備內部主要包含三大模塊，傳感監測模塊、微處理器模塊和電源電路模塊。如圖11所示的內部結構圖中，左側為傳感監測模塊，分布多種不同的傳感器，有溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣壓傳感器等。右側為微處理器模塊，微處理器模塊下方為電源電路模塊，為整個裝置持續供電。

此外，當設備需要進行檢查維修時，可通過下端的螺絲孔拆卸，設備充分利用內部結構并將其固定，保證其在使用過程中內部構件不會發生滑動，最大限度減少外部環境對該設備使用時的影響。

3" 鐵路貨物運輸智慧監控系統的實驗教學應用

3.1" 實驗教學中的應用

" 樹莓派具有靈活多樣和易于直接控制的電路接口，可以搭載多種不同類型的傳感器模塊，通過適當的硬件配置和軟件開發，可構建出具體的傳感器應用實驗，進而應用在貨物運輸監測中。此外，樹莓派還具有強大的數據處理能力，引入傳感器實驗，實現對貨物運輸過程中安全狀態的智能監測，能充分結合數據處理等方法減小傳感器測量誤差，提高實驗精度。以樹莓派為主體，開發基于多源傳感信息的鐵路貨物運輸智慧監控模擬實驗系統，實驗系統兼具實時監控、信息采集、分析預警等一系列功能，具體設計如圖12所示。

3.2" 實驗教學對學生能力的培養

" 在“以學生為主體”理念的引導下，對鐵路貨運組織課程教學改革，可提升學生綜合應用能力，有助于對交通運輸應用型人才的培養[8]。將現代化技術和設備融入到實驗教學中，不僅能培養學生對常用傳感器軟硬件協同開發應用的能力，而且還能與高級語言編程、信號處理與數據分析等課程有機結合，可有效解決理論教學中存在的不足[9]。主要體現在以下幾方面：

" （1）增強學生對鐵路貨物運輸全過程的理解

利用該鐵路貨物運輸智慧監控模擬實驗系統輔助課堂教學，在課堂上可通過實時演示幫助學生加深對鐵路貨物運輸全過程的理解，準確把握運輸過程中存在的風險，同時也豐富了教學方式。

（2）補充學生對監控預警系統認識的不足

采用先進的技術手段支撐實驗教學平臺，學生通過親自動手實驗可深入了解傳感監測模塊的監測過程以及系統的數據分析和預警過程，增強學生對鐵路貨物運輸過程監控預警環節的認識，提升學生對貨運系統的操作運用能力，使實驗教學更貼近實際現場。

（3）提升學生的實踐動手能力和創新力

以學生為主導，通過課堂實驗調動學生的積極性、主動性和創新性，提升學生對實際問題的思考認識和解決能力，促進學生多方面綜合協調發展。

4" 結" 論

" 基于物聯網技術應用平臺，將數據庫技術、傳感技術、控制技術融合起來進行實驗教學改革，是新工科教育下的一種新趨勢。以學生為中心，開發鐵路貨物運輸智慧監控模擬實驗平臺，能在一定程度上激發學生的學習興趣，學生通過該實驗系統，在實現鐵路運輸中貨物實時定位和信息狀態反饋等功能的基礎上，能夠根據數據庫信息綜合預警條件快速做出預警。實驗教學與實際相結合，可提升學生的實際運用能力，也是OBE教學理念下的新要求。將課程教學落實到實際中，可深入了解和分析問題，有助于應用型創新人才的培養，精準導向滿足崗位要求的專業素質能力，為交通運輸行業的持續發展和新時代國家的創新發展、經濟轉型提供強有力的人才保障。

參考文獻：

[1] 莊河. 鐵路貨運高質量發展策略研究[J]. 鐵道運輸與經濟，2022，44（1）：1-6.

[2] 張鐵鋼. 鐵路貨運安全風險管理體系優化探討[J]. 鐵道貨運，2021，39（3）：1-5.

[3] 崔國印，黃剛，聶小鵬，等. “雙一流”目標下的高校實驗室建設與管理[J]. 實驗技術與管理，2019，36（2）：269-271，276.

[4] 何雅琴，柳祖鵬，邵冬明，等. 基于OBE理念的《交通管理與控制》教學改革與實踐[J]. 物流科技，2023，46（5）：159-162.

[5] 孫慧. 基于OBE理念的“物流設施布置規劃”虛擬仿真實驗探索與實踐[J]. 物流科技，2022，45（1）：162-164，173.

[6] 陳金立，周镕，陳宣，等. 一種基于樹莓派的氣象數據監測教學實驗設計[J]. 實驗技術與管理，2021，38（6）：189-192.

[7] 張玥，張琦，陳夢丹，等. 基于樹莓派的智能監控系統設計與實現[J/OL]. 計算機測量與控制：1-10[2023-07-02].

[8] 王慧文，曹鳳萍，王艷杰. 交通運輸專業應用型本科人才培養研究綜述[J]. 物流科技，2022，45（3）：164-166，170.

[9] 何雅琴，邵冬明，畢紫輝. 面向“新工科”建設的交通工程專業實踐教學模式探索與實踐[J]. 物流科技，2023，46（13）：146-150，155.

收稿日期：2023-08-07

基金項目：中國國家鐵路集團有限公司科技研究計劃重大課題項目（P2021S012）；甘肅省教育廳雙一流重大科研項目（GSSYLXM-04）；蘭州交通大學實驗教改項目“基于多源傳感信息的鐵路貨物運輸智慧監控模擬實驗系統設計”（2022016）

作者簡介：張玉召（1981—），男，安徽碭山人，蘭州交通大學交通運輸學院，教授，工學博士，研究方向：軌道交通運輸組織與優化、客貨運技術與管理。

引文格式：張玉召，石古樂，常全盛，等. 基于多源傳感技術的鐵路貨運智慧監控模擬實驗系統設計[J]. 物流科技，2024，47（15）：43-47.