一种用于快速铁路货运的混合网络监测系统及方法与流程

本发明涉及网络通信技术领域，特别是涉及一种用于快速货运的混合网络监测系统及方法，所述快速铁路货运是指货运列车的速度不低于200km/h，例如动车组或者高铁。

背景技术：

当前小件快递运输一般采用航空或者货运汽车的方式，铁路货物运输一般采用低速列车且整个车厢运送大宗货物，例如煤炭等运输，而作为快速铁路的高铁或者动车组多用于运送乘客。然而随着近年来物流运输经济及高速铁路的不断发展，快速铁路货运逐渐成为社会关注的焦点，并在国家各部门推动下逐步实施。

目前针对小件快递运输的货物比较倾向于采用小型标准快件集装箱的方式，所谓“小型”，是用来区别于利用整个车厢运送大宗货物集装箱例如煤炭等的运输方式，用于快速货运的列车中，各车厢可以装载多个小型标准快件集装箱，每个集装箱中装有多个小型快件；所谓“标准”，指的是这些集装箱采用全铁路统一标准，外形、尺寸相同，有全铁路统一的编号，在各站点之间传送。受到运力限制，每次列车可运送的集装箱数量有限，但各站点待运的集装箱数量很大，因此每条运输线路需要有一个统一配载的服务器设备，用来协调各站点哪些集装箱可以被装载到当前列车车次完成运送。

快速货运配载系统涉及到运行中的列车、各货运站点、各货运站点对应的站场、标准化的集装箱以及负责整个通信调度的服务器，不同类型、不同地点、不同层次的设备需要实现信息交互，包括：1)各货运站点之间以及与服务器的通信：站点上传的信息包括货物集装箱的相关信息，服务器需要根据这些信息将优化后的配载结果发送到各线路站点；2)车地通信：列车运行过程中，车上货物的数据需要和地面服务器进行通信传输；3)站场内货物集装箱与对应站点之间的通信：大量集装箱在发送前需要根据虚拟配载结果完成货物识别，以方便在大范围货场中快速定位待装载的集装箱，帮助工作人员迅速、准确地找到目标集装箱；4)车上载荷检测及信息上传。针对以上的需要解决货运车配载系统内部各设备之间通信涉及到的异构性问题，包括：1)站点之间的通信、车地通信、站场内通信的需求不同，涉及到的信息内容也不同；2)传输媒介的不同，站点之间可以采用有线方式，车地之间必须采用无线方式，站场内部可以采用无线或者有线通信的方式；3)各种通信对实时性的要求不同。因此需要根据需求确定几种场景下各部分切实可行的通信方案，以及各部分子系统之间在设备内部信息的转换。

考虑到运输中的安全问题，需要对车厢内的载重和气体浓度信息进行监测。其中载重信息是超限直接威胁到车辆本身的技术状态，如列车的车轮及轴受力不均匀，处于疲劳状态，就会发生切轴、断轴、爬轨和列车颠覆等事故。另外，虽然列车车站都有严格的安检措施，一般情况下危险品气体无法直接上车，但不排除一些通过非法手段携带上车的危险品气体，同时由于货物采用集装箱密封运输，在列车运行过程中，随着时间、温度、振动等条件变化，可能会出现一些毒害气体、易燃易爆气体，由于在运输过程中车厢、集装箱都属于密闭空间，人工进出受到限制，而且在不清楚内部气体种类、浓度、温度的情况下，进入车厢危险系数比较大，打开车厢、集装箱也比较危险，所以为了列车、货物、人身的安全，需要实时地对车厢内气体进行监测，当检测到有毒、有害气体的浓度超过正常标准时，需要进行必要的报警提示，便于工作人员采取措施及时防止危害的发生。

技术实现要素：

本发明提供一种用于快速货运的混合网络监测系统及方法。

本发明公开了一种用于快速货运的混合网络监测系统，该快速货运包括用于货运的快速列车、列车停靠站点及各站点对应的货运站场、站场内的小型标准快件集装箱，其中用于货运的快速列车与当前客运动车组或者高铁的区别在于车厢内去掉了用于乘客乘坐的座椅，增加了安装、固定小型标准快件集装箱的卡槽，小型标准快件集装箱在发货前存放在各站点对应的货运站场中，发货时由各站点装载到列车上的各个车厢中。

所述的一种用于快速货运的混合网络监测系统，包括若干个车载载重监测系统、若干个车载气体浓度监测终端、车载扫码设备、车厢网关设备、2个整车信息交互终端、服务器设备、各站点的客户端设备和若干个箱载无线设备，其中车载载重监测系统安装在列车车厢的转向架上，车载气体浓度监测终端、车载扫码设备和车厢网关设备安装在列车车厢内，2个整车信息交互终端安装在列车两端的司机室，服务器设备、各站点的客户端设备和箱载无线设备均为非安装在列车上的地面设备，也即不安装在列车上，其中各站点的客户端设备安装在列车运行线路的各个站点，箱载无线设备安装在各站点对应货运站场内的小型标准快件集装箱上。

所述车载载重监测系统包括气压传感器、位移传感器、载重数据采集设备；

所述气压传感器安装在列车上各车厢转向架的空气弹簧内部，用于获取空气弹簧内部气压，位移传感器安装在列车中转向架的空气弹簧一侧，用于获取空气弹簧的压缩量；

所述载重数据采集设备带有超宽带uwb无线网卡，载重数据采集设备安装在车箱内靠近空气弹簧的位置，用于接收气压传感器输出的气压数据和位移传感器输出的压缩量数据，并将这些数据信息通过超宽带uwb无线网卡发送到当前车厢的车厢网关设备；

每节列车车厢内顶部均安装有车载气体浓度监测终端，车载气体浓度监测终端包括气体浓度传感器、气体浓度采集装置；

所述气体浓度传感器用于获取车厢内气体浓度信息；

所述气体浓度采集装置带有超宽带uwb无线网卡，气体浓度采集装置用于获取气体浓度传感器所提供的气体浓度数据，并将气体浓度信息通过超宽带uwb无线网卡发送到当前车厢的车厢网关设备；

在每个车厢的进门处安装一个车载扫码设备，在各站点装卸小型标准快件集装箱过程中用来扫描装载或者卸载的每个小型标准快件集装箱上的箱载无线设备中的条形码，获取其中的小型标准快件集装箱id信息，并将当前车厢内现存的小型标准快件集装箱id信息通过超宽带uwb无线网卡发送到当前车厢的车厢网关设备；

车厢网关设备在每个车厢安装一个，带有超宽带uwb无线网卡和以太网卡，通过超宽带uwb无线网卡分别接收本车厢车载载重监测系统、车载气体浓度监测终端传来的气体浓度信息和车载扫码设备传来的信息，然后将这些信息通过以太网卡经以太网传至2个整车信息交互终端；

2个整车信息交互终端分别安装在列车两端的司机室，每个司机室安装1个，包括以太网卡、gprs无线网卡、显示屏和人机接口，通过以太网卡经以太网接收各车厢的车载网关设备传来的信息，将这些信息进行显示，并由位于列车行进方向尾部的整车信息交互终端将这些信息通过gprs无线网卡经gprs无线网络上传至服务器设备，同时判断信息是否存在超限，如果超限则采用声音和图像的方式对工作人员进行报警提示；

所述整车信息交互终端判断信息是否存在超限，包括两部分内容，第一是通过各车厢空气弹簧气压和压缩量来判断各车厢载重量是否超限，利用之前存储在整车信息交互终端的该列车各车厢空气弹簧气压与车厢载重量的静态试验拟合曲线、各车厢空气弹簧压缩量与车厢载重量的静态试验拟合曲线，设定空气弹簧气压值和压缩量的权重分别为0.8和0.2，来获取每个车厢与当前发送的空气弹簧气压、压缩量相对应的车厢载重量，并将该车厢载重量与预先设定的阈值进行对比，如果超过阈值则判断为该车厢载重量超限；第二是通过每个车厢的气体浓度信息与预先设定的该类气体浓度阈值对比，如果超过阈值则判断为该车厢气体浓度超限；

服务器设备放置在铁路货运管理人员便于操作的办公空间，通过计算机网络接收各站点的客户端设备发来的小型标准快件集装箱信息，并根据这些信息计算得到配载结果，将配载结果通过计算机网络发送给各站点的客户端设备，另外服务器设备还通过gprs无线网络接收整车信息交互终端发来的信息并进行显示；

所述服务器设备根据各站点的客户端设备发来的小型标准快件集装箱信息计算得到配载结果是指：一是根据各小型标准快件集装箱始发站、终到站信息，以本次列车能够承运的小型标准快件集装箱数量最多为目标，计算选出本次运输可以装载的小型标准快件集装箱，二是给出这些小型标准快件集装箱放置在本次列车上的具体位置信息，从而使得装卸过程中各小型标准快件集装箱互不阻挡，达到快速装卸、减少各站点停靠时间的目的；

各站点的客户端设备放置在铁路沿线各站点，通过扫描小型标准快件集装箱上的条形码或者工作人员手工录入条形码数字的的方式获取本站点范围内小型标准快件集装箱的相关信息，并将信息通过计算机网络发送至服务器设备，并接收服务器设备返回的配载结果，根据配载结果选定本站点对应站场内、本次运输能够装载上车的集装箱，并通过zigbee无线网络将配载结果发送至站场内各小型标准快件集装箱的箱载无线设备；

箱载无线设备安装在各站点对应货运站场内各个小型标准快件集装箱上，包括zigbee无线网卡、处理器、声光提示元件、条形码和供电电池，其中zigbee无线网卡用于接收本站点客户端设备发送来的配载结果并交给处理器，如果配载结果中显示当前小型标准快件集装箱被选定本次运输能够装载上车，则由处理器控制声光提示元件发出声、光提示以便工作人员在集装箱数量多、物理范围广的站场中快速找到该小型标准快件集装箱，供电电池用来给箱载无线设备供电，条形码用来存储本集装箱的信息，其中需要包括小型标准快件集装箱全国统一编码的id信息、本次运输的始发站和目的站、重量信息；

列车上的工作人员可以通过整车信息交互终端来监测列车货运相关信息，地面工作人员可以通过服务器设备来监测列车货运相关信息。

本发明的一种基于混合网络的快速货运配载监测方法，其步骤如下：

(1)准备各站点对应货运站场内各小型标准快件集装箱上箱载无线设备的条形码，包括确定小型标准快件集装箱的始发站、终到站，通过称量装置得到小型标准快件集装箱的重量信息，将上述信息以及小型标准快件集装箱自己的id信息，形成条形码，打印后贴在对应的小型标准快件集装箱上；

(2)服务器设备通过gprs无线网络与列车上位于列车行进方向尾部的整车信息交互终端完成握手，通过计算机网络与各站点的客户端设备完成握手，各站点的客户端设备通过zigbee无线网络与对应货运站场内各小型标准快件集装箱上箱载无线设备完成握手，2个整车信息交互终端通过以太网与本次列车上各车厢的车厢网关设备完成握手；

(3)沿线各站点的客户端设备通过扫描小型标准快件集装箱上的条形码或者由工作人员手工录入的方式获取本站点对应货运站场内各小型标准快件集装箱的相关信息，包括全国统一编码的id信息、本次运输的始发站和目的站、重量信息，并将获取的上述信息通过计算机网络发送至服务器设备；

(4)服务器设备根据各站点的客户端设备发来的信息计算得到配载结果，包括根据各小型标准快件集装箱始发站、终到站信息，以本次列车能够承运的小型标准快件集装箱数量最多为目标，计算选出本次运输各站点可以被装载上车的小型标准快件集装箱，并给出这些小型标准快件集装箱放置在本次列车上的具体位置信息，并将该配载结果通过计算机网络分发至本次列车沿线各站点的客户端设备；

(5)各站点的客户端设备对配载结果进行显示，并根据配载结果将本站点对应货运站场内、本次运输能够装载上车的小型标准快件集装箱进行标识，并将标识结果通过zigbee无线网络发送至站场内各小型标准快件集装箱的箱载无线设备；

(6)各箱载无线设备收到本站点客户端设备发来的标识结果后，判断如果自身所在的小型标准快件集装箱能够装载上车，则发出声光提示，以帮助站场工作人员在集装箱数量多、物理范围广的站场中快速找到本次列车运输待装载上车的小型标准快件集装箱并将其放置在列车停靠站台附近；

(7)列车到达沿线各站点后，工作人员根据客户端设备显示的配载结果，先卸载列车上本站点为终到站的小型标准快件集装箱，然后将放置在列车停靠站台附近的、本次运输待装载上车的小型标准快件集装箱装载上车，集装箱在装载上车、卸载下车的过程中，由位于车厢进门处的车载扫码设备箱载无线设备中的条形码，将目前位于本车厢的集装箱信息通过超宽带uwb无线网卡发送到车厢网关设备；

(8)集装箱在某站点装载完成后，每个车厢的各车载载重监测系统将对应的空气弹簧气压和压缩量信息通过超宽带uwb无线网卡发送到车厢网关设备，同时车载气体浓度监测终端将气体浓度信息通过超宽带uwb无线网卡发送到车厢网关设备；

(9)每个车厢的车厢网关设备将接收到的上述本车厢集装箱信息、空气弹簧气压和压缩量信息、气体浓度信息，通过以太网卡经以太网传至列车两端司机室的整车信息交互终端；

(10)整车信息交互终端显示接收到的每个车厢的车厢网关设备发来的信息，判断信息是否存在超限，如果超限则采用声音和图像的方式对工作人员进行报警提示并交由工作人员处理，否则列车可以正常发车，同时由位于列车行进方向尾部的整车信息交互终端将这些信息通过上传至服务器设备。

有益效果

本发明在目前快速铁路货运没有实际运行的情况下，提出了一套针对主流设计思路的铁路快速货运配载方式的混合网络监测系统及方法，可以解决货运车配载系统内部各设备之间的通信问题，同时可以实现车厢内货物信息监测，为即将推广的铁路快速货运提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种用于快速货运的混合网络监测系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

实施例中动车组采用8编组，每个车厢有两个转向架，每个车厢有8个小型标准货运集装箱的卡槽(也即可以同时承载8个集装箱)，运行的当前线路仿照当前的客运线路g5，从北京南发车，途径天津南、济南西、南京南，终到站为上海，为了简化说明，假定北京南、天津南、济南西和南京南各有200个集装箱需要运输；

应用于上述实施例的一种用于快速货运的混合网络监测系统，如图1所示，包括16个车载载重监测系统、8个车载气体浓度监测终端、8个车载扫码设备、8个车厢网关设备、两个整车信息交互终端、1个服务器设备、5个站点的客户端设备和800个箱载无线设备；

每节列车车厢内的每个转向架各安装一个车载载重监测系统；

每节列车车厢内均安装有一个车载气体浓度监测终端、车载扫码设备和车厢网关设备；

每个小型标准快件集装箱的箱体上均安装有箱载无线设备；

所述的一个整车信息交互终端安装在列车一端的司机室，另一个整车信息交互终端安装在列车另一端的司机室；

北京南、天津南、济南西、南京南和上海五个站点均安装有客户端设备；

所述的箱载无线设备上有条形码，条形码信息中包括其所在的小型标准快件集装箱的全国统一编码的id信息、本次运输的始发站、本次运输的目的站和重量信息；

所述的车载载重监测系统包括气压传感器、位移传感器和载重数据采集设备；

所述的气压传感器安装在列车上各车厢转向架的空气弹簧内部，用于获取空气弹簧内部气压，位移传感器安装在列车中转向架的空气弹簧一侧，用于获取空气弹簧的压缩量；

所述的载重数据采集设备用于接收气压传感器输出的气压数据和位移传感器输出的压缩量数据，并将气压数据和压缩量数据发送到当前车厢的车厢网关设备；

所述的车载气体浓度监测终端包括气体浓度传感器和气体浓度采集装置，在每个车厢顶部均均匀分布有4个气体浓度传感器用于获取车厢内自己所覆盖区域的气体浓度，该气体浓度信息通过气体浓度采集装置发送到当前车厢的车厢网关设备；

所述的车载扫码设备安装在每个车厢的进门处，车载扫码设备在装载或者卸载各小型标准快件集装箱时扫描箱载无线设备的条形码，获取其中小型标准快件集装箱的全国统一编码的id信息并发送到当前车厢的车厢网关设备；

所述的车厢网关设备用于接收本车厢车载载重监测系统发送的气压数据和压缩量数据，还用于接收车载气体浓度监测终端发送的气体浓度信息，还用于接收车载扫码设备发送的小型标准快件集装箱id信息，并将所接收到的气压数据、压缩量数据、气体浓度信息和小型标准快件集装箱id信息通过以太网发送给两个整车信息交互终端；

所述的整车信息交互终端包括以太网卡、gprs无线网卡、显示屏和信息处理器，通过以太网卡经以太网接收各车厢的车载网关设备发送的气压数据、压缩量数据、气体浓度信息和小型标准快件集装箱id信息，将这些气压数据、压缩量数据、气体浓度信息和小型标准快件集装箱id信息通过显示屏进行显示，并由位于列车行进方向尾部的整车信息交互终端将气压数据、压缩量数据、气体浓度信息和小型标准快件集装箱id信息通过gprs无线网卡经gprs无线网络上传至服务器设备，同时通过信息处理器判断气压数据、压缩量数据、气体浓度信息是否存在超限，如果超限则采用声音和图像的方式对工作人员进行报警提示；

所述的服务器设备通过计算机网络接收各站点的客户端设备发来的800组小型标准快件集装箱信息，并根据这些信息计算得到配载结果，将配载结果通过计算机网络发送给各站点的客户端设备，另外服务器设备还通过gprs无线网络接收整车信息交互终端发来的信息；

所述的各站点的客户端设备(除去终点站上海站外)通过扫描小型标准快件集装箱上的条形码或者工作人员手工录入条形码数字的方式获取本货运站场内小型标准快件集装箱信息，并将小型标准快件集装箱信息通过计算机网络发送至服务器设备，各站点的客户端设备还用于接收服务器设备返回的配载结果，根据配载结果选定本货运站场内、本次运输能够装载上车的小型标准快件集装箱，并通过zigbee无线网络将配载结果发送至本货运站场内各小型标准快件集装箱的箱载无线设备；

所述的小型标准快件集装箱信息包括小型标准快件集装箱的全国统一编码的id信息、本次运输的始发站、本次运输的目的站和重量信息。

所述的箱载无线设备包括zigbee无线网卡、声光提示处理器、声光提示元件、条形码和供电电池，其中zigbee无线网卡用于接收本站点客户端设备发送来的配载结果并交给声光提示处理器，如果配载结果中显示当前小型标准快件集装箱被选定本次运输能够装载上车，则由声光提示处理器控制声光提示元件发出声和光提示以便工作人员找到该小型标准快件集装箱，供电电池用来给箱载无线设备供电，条形码用来存储本集装箱相关信息。

所述的载重数据采集设备带有超宽带uwb无线网卡，气体浓度采集装置带有超宽带uwb无线网卡，车厢网关设备带有超宽带uwb无线网卡；

载重数据采集设备、气体浓度采集装置和车厢网关设备通过超宽带uwb无线网进行信息交互；

所述整车信息交互终端判断信息是否存在超限，包括两部分内容，第一是通过各车厢空气弹簧气压和压缩量来判断各车厢载重量是否超限，利用预先存储在整车信息交互终端的该列车各车厢空气弹簧气压与车厢载重量的静态试验拟合曲线来获取每个车厢与当前发送的空气弹簧气压相对应的车厢载重量1、利用预先存储在整车信息交互终端的该列车各车厢空气弹簧压缩量与车厢载重量的静态试验拟合曲线来获取每个车厢与当前发送的空气弹簧压缩量相对应的车厢载重量2，为车厢载重量1和车厢载重量2分别设定权值为0.8和0.2，综合计算各车厢载重量；将各车厢载重量与预先设定的载重量阈值进行对比，如果超过阈值则判断为该车厢载重量超限；第二是通过各车厢的气体浓度信息与预先设定的该类气体浓度阈值对比，如果超过阈值则判断为该车厢气体浓度超限。

所述服务器设备根据各站点的客户端设备发来的小型标准快件集装箱信息计算得到配载结果是指：一是根据各小型标准快件集装箱始发站、终到站信息，以本次列车能够承运的小型标准快件集装箱数量最多为目标，计算选出本次运输可以装载的小型标准快件集装箱，二是给出这些小型标准快件集装箱放置在本次列车上的具体位置信息，从而使得装卸过程中各小型标准快件集装箱互不阻挡。假定配载结果显示本次运输可以将天津南的57个集装箱装载上车，在天津南有15个集装箱到站被卸载下车。

本实施例的一种基于混合网络的快速货运配载监测方法，以天津南站点作为目标(其他站点类似)，该方法的步骤包括：

(1)将天津南站货运站场内200个小型标准快件集装箱的箱载无线设备上粘贴对应于本次运输的条形码；

(2)服务器设备通过gprs无线网络与列车上位于列车行进方向尾部的整车信息交互终端完成握手，通过计算机网络与各站点的客户端设备完成握手，各站点的客户端设备通过zigbee无线网络与对应货运站场内各小型标准快件集装箱上箱载无线设备完成握手，2个整车信息交互终端通过以太网与本次列车上各车厢的车厢网关设备完成握手；

(3)天津南站的客户端设备通过扫描小型标准快件集装箱上的条形码或者由工作人员手工录入的方式获取本站点对应货运站场内200个小型标准快件集装箱信息，并将获取的信息通过计算机网络发送至服务器设备，本次运输前待运输的北京南、天津南、济南西、南京南站全部集装箱共800个；

(4)服务器设备根据各站点的客户端设备发来的信息计算得到配载结果，为了保证装卸过程中不互相阻挡从而节约时间，以及受到运力限制，计算选出本次运输各站点可以被装载上车的小型标准快件集装箱，并给出这些小型标准快件集装箱放置在本次列车上的具体位置信息，并将该配载结果通过计算机网络分发至本次列车沿线各站点的客户端设备，本实施例中假定计算结果为天津南站可以有53个集装箱本次上车，有17个集装箱在天津南站被卸载下车，给出天津南站一个编号为1234567890的集装箱，将在天津南站被装载到列车5号车厢的第3号集装箱卡槽；

(5)天津南站的客户端设备对配载结果进行显示，并根据配载结果将本站点对应货运站场内、本次运输能够装载上车的小型标准快件集装箱进行标识，并将标识结果通过zigbee无线网络发送至站场内各小型标准快件集装箱的箱载无线设备，以天津南站为例，收到配载结果中，发现有53个集装箱从本站上车，17个集装箱从本站下车；

(6)天津南站货运站场内200个箱载无线设备收到客户端设备发来的标识结果后，判断如果自身所在的小型标准快件集装箱能够装载上车，则发出声光提示，以帮助站场工作人员找到本次列车运输待装载上车的小型标准快件集装箱并将其放置在列车停靠站台附近，200个集装箱中有53个发出声光提示，由工作人员将其在发车前放置到列车停靠站台对应车厢门口附近，其中编号为1234567890的集装箱被提前放置在列车5号车厢门口；

(7)列车到达沿线天津南站后，工作人员根据客户端设备提供的配载结果，先卸载列车上本站点为终到站的17个小型标准快件集装箱，然后将放置在列车停靠站台附近的、本次运输待装载上车的53个小型标准快件集装箱装载上车，集装箱在装载上车、卸载下车的过程中，由位于车厢进门处的车载扫码设备扫描箱载无线设备中的条形码，将目前位于本车厢的集装箱信息通过超宽带uwb无线网卡发送到车厢网关设备；

(8)集装箱在天津南站装载完成后，每个车厢的各车载载重监测系统将对应的空气弹簧气压和压缩量信息通过超宽带uwb无线网卡发送到车厢网关设备，同时车载气体浓度监测终端将气体浓度信息通过超宽带uwb无线网卡发送到车厢网关设备；

(9)每个车厢的车厢网关设备将接收到的集装箱id信息、空气弹簧气压和压缩量信息、气体浓度信息，通过以太网传至列车两端司机室的整车信息交互终端；

(10)整车信息交互终端显示接收到的每个车厢的车厢网关设备发来的信息，判断信息是否存在超限，如果超限则采用声音和图像的方式对工作人员进行报警提示并交由工作人员处理，否则列车可以正常从天津南站发车，同时由位于列车行进方向尾部的整车信息交互终端将这些信息通过上传至服务器设备。

列车上的工作人员可以通过整车信息交互终端来监测列车货运相关信息，地面工作人员可以通过服务器设备来监测列车货运相关信息，发现异常情况通知相关工作人员处理，异常情况包括超重、气体浓度超标，还有就是通过对比配载结果中当前应该位于列车上的集装箱id信息与当前整车信息交互终端所发送来的各车厢集装箱id信息不一致。