物联网技术在铁路集装箱运输中的应用研究

张义川，杨文韬，陈 迎，马玉坤

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；2.中铁集装箱运输有限责任公司国际联运部，北京 100055)

1 概述

1.1 集装箱国际联运概况

集装箱作为先进的运输方式，在促进国际联运、多式联运和现代物流发展中发挥着重要作用。特别是作为往来于我国与欧洲以及“一带一路”沿线各国的国际铁路集装箱联运班列[1]，中欧班列是深化我国与沿线国家经贸合作的重要载体和推进“一带一路”建设的重要抓手。中欧班列国际业务发展迅速，辐射范围逐渐扩大，货物品类逐渐拓展，贸易通道和贸易方式不断丰富和完善，为中欧班列高质量发展打下良好基础。截至2021年5月，中欧班列历年累计开行约3.9万列(354万TEU)，其中，去程2.3万列(207万TEU)，回程1.6万列(147万TEU)。历年累计开行超过百列的国内城市31个，通达欧洲22个国家约160个城市。

物联网、北斗卫星导航、5G通信、大数据等新技术的应用完善，为集装箱信息化发展提供了可靠的技术保障。例如，将北斗定位技术结合物联网技术应用于集装箱定位追踪中，提供了国产自主可控的卫星导航追踪定位手段。5G通信技术的大带宽、高可靠、低时延、广连接的特点，提高了铁路沿线、站场物联网设备的大规模接入[2]，为集装箱物联网应用的快速发展提供技术支撑。低轨卫星通信技术则提供了终端设备在全球通信覆盖的可能性，能够解决集装箱终端设备在远海区域、偏远地区中的通信问题。

1.2 物联网技术特点

物联网技术涉及多个领域，这些技术在不同的行业往往具有不同的应用需求和技术形态[3]。物联网的技术构成主要包括了感知与标识技术、网络与通信技术、计算与服务技术以及管理与支撑技术等。

感知与标识技术中包括了射频识别、传感器以及二维码等技术范畴，其中射频识别技术(Radio frequency identification，RFID)应用最为广泛和成熟，这与RFID技术的扫描识别准确灵活、数据容量庞大、抗污染强耐久、可重复使用、体积小形状多等一系列特性有关。RFID多采用有源标签，除了简单读取标签信息的应用外，可以实现节点式追踪定位功能。2011年国际标准化组织(ISO)发布了由我国起草和主导的国际标准《ISO 18186：2011 集装箱-RFID货运标签系统》，规范了集装箱相关物流数据的自动识别采用有源RFID技术来实现。二维码技术近年来逐步在铁路箱上试用，在集装箱的资产管理、自动识别等方面发挥越来越多的作用。无线传感网络(Wireless Sensor Networks，WSN)的应用同样是国内外研究热点。WSN具有低成本、低功耗、自组织、自修复等优点。张凌寒等[4]研究了用于船载危险品集装箱监测的WSN节点设计。Ruckebusch等[5]提出了一种跟踪和监控船舶集装箱的原型解决方案，其认为在实际应用条件下部署WSN是一项艰巨的任务，特别是场站内堆叠在一起的集装箱的无线信号连接问题；同时提出了多介质访问控制(MAC)的框架和完善的网关选择算法等创新型WSN 解决方案。与蜂窝移动通信的方式相比，WSN在功耗上优势明显。

2 物联网技术在集装箱的应用分析

集装箱状态包含了集装箱运行状态、集装箱完整性和箱内环境等。其中，在具体体现形式上，集装箱运行状态包括位置追踪、运行速度、箱体倾斜、加减速等；集装箱完整性包括箱门开闭、箱体结构破损；箱内环境包括温度、湿度、烟雾、气体浓度以及特有状态参数等。从中欧班列集装箱运输应用的物联网设备功能和形式上，有追踪定位类、箱门状态监测类、箱内货物监测类3种。

2.1 追踪定位类

该类以集装箱运行状态追踪为核心功能需求。例如，中欧班列依托西伯利亚大陆桥和新亚欧大陆桥，连通东亚、东南亚、欧洲及沿线国家。在国内铁路段可以依靠铁路线路基于RFID技术的车次号追踪系统被动式追踪定位，但密度仅仅覆盖国内铁路路网，只能实现国内的站到站追踪，无法追踪公铁联运、水铁联运及中欧班列境外集装箱位置信息，对货物全程运输存在追踪定位的盲点。通过在集装箱上安装有源定位设备，采用卫星定位技术、基站定位技术等手段，可以实现对集装箱全球范围内的实时位置掌控，满足货物全程追踪需要。同时可以采集监测集装箱的运行速度、加速度等指标。根据结构形式的不同，安装位置不限于集装箱箱门、前端或箱内货盘上。

2.2 箱门状态监测类

集装箱作为密闭性较好的运载工具，在正常运输过程中箱门应完好关闭，以保证箱内货物完整，但实际中箱门未经授权或非法打开时有发生。箱门状态采集技术在应用中则分为以下几种。

（1）采用激光测距技术。通过红外激光监测到箱门的距离，若箱门打开，则距离变化，可以监测到集装箱箱门的开闭状态。该方式优点是结构简单、精度高；缺点是成本较高，应用不广泛。

（2）采用光传感技术。通过箱内光线强度的变化监测箱门开闭，一般安装在箱内靠近门缝处。该方式优点是成本低、安装方便；不足之处在于开箱时光线不足则无法报警，若箱门缝隙漏光存在误报情况。

（3）采用霍尔感应技术。通过磁场磁感应强度的存在和变化监测箱门开闭。一般由2个模块组成，当箱门打开时，2个模块间磁感应强度发生变化从而立即监测到箱门开启。从结构形式上不限于安装在箱外门锁孔位的电子施封锁、电子关封，以及安装在箱门内侧的门磁感应器等。从管理使用上可分为一次性和重复性2种常见形式。该技术方式优点是精度高、寿命长、功耗小；缺点是采集信号的准确性会受加工精度影响。

2.3 箱内货物监测类

该类以集装箱箱内货物状态监测为核心功能需求。集装箱在国内和国际联运过程中时空跨度大、环境复杂，难以监管，导致货物产品变质、货物损坏等各类问题频发。特别是特种集装箱，如冷藏箱、罐箱监测需求迫切。对于通用箱等常监测采集温度、湿度、空重等箱内货物状态，对于柴电、锂电、蓄冷等不同冷藏集装箱的监测关注箱内剩余油量、剩余电量、剩余冷量、温湿度及设备运行状态的监测，对于罐箱则关注箱内压力、温度、浓度、剩余电量等状态监测。设备主体部分一般需安装在箱内，对各种状态参数进行多点采集。为达到较好的监测效果，需要将通信天线、定位天线等置于箱外。

从上述3种应用分析可以看出，虽然应用多种多样，但设备通信连接稳定性、低功耗控制性以及监测采集准确性是物联网应用于集装箱运输需要关注和解决的问题。

3 物联网设备应用关键技术

物联网设备应用关键技术研究主要从数据通信连接、低功耗控制方法、箱门监测控制优化方法3个方面开展。

3.1 数据通信连接

对于采用蜂窝移动通信连接技术的定位追踪类、箱门状态监测类以及箱内货物监测类的物联网设备，采用蜂窝移动通信方式时，大多数支持2G，3G和4G通信制式。由于国内通信网络建设较完善、覆盖较良好，当物联网设备处于国内时数据通信连接效果较好。但当出境时，虽然设备可以实现数据通信连接进行数据回传，但如何实现稳定的数据通信连接，以及提高通信连接成功率则是亟需优化的问题。因此，需要对中欧沿线通信制式和频段进行梳理与验证，进而在中欧沿线及国内实际运行环境中进行通信测试，最后根据测试结果提出设备通信连接的优化改进方法。

（1）实验室环境测试。首先在实验室环境中利用综测仪等试验设备验证所选通信芯片是否可以满足梳理出的中欧沿线通信制式和频段要求。以芯讯通公司的4G通信模组芯片开展试验验证，通信制式验证结果如表1所示。

通过表1可以看出，除4G制式中接入方式为TDD的B34，B39频段无法注册以外，其他制式的频段均可注册成功，基本可以满足通信连接要求。另一方面从注册时间的统计分析上可以得知，4G注册时间最短，2G注册时间最长。

表1 通信制式验证结果Tab.1 Verification results of mobile communication system

（2）实际运行环境测试。中欧沿线各国蜂窝移动网络运营商不同，且每个国家存在多个运营商，每个运营商连接不同制式频段。在实验室测试的基础上，物联网设备能否在实际环境通信连接需要测试。通过研发相关测试设备，选取俄罗斯、白俄罗斯和波兰3个代表性铁路沿线国家进行了通信测试，通信测试数据如表2所示。

设备与蜂窝移动网络信令交互的次序一般为鉴权、加密、位置更新、建立会话连接以及上传数据等步骤。由表2可知，在俄罗斯、白俄罗斯、波兰3个国家的网络下，网络侧从鉴权、位置更新和建立会话等过程均有与测试设备保持信令交互的记录，说明蜂窝移动网络能够支撑数据上传。另一方面，由于采用移动物联网卡，因而测试设备会优先选择TD-SCDMA及TDD-LTE制式的网络。在国外WCDMA及FDD-LTE的网络环境下，其设备较难选上3G及4G网络，而2G网络时延较长，未必能保证完全选网成功。

表2 通信测试数据Tab.2 Test data of mobile communication

（3）通信网络注册优化方法。经过实际运行环境的测试，数据通信连接可以实现，但通信连接成功率的提高则需不断尝试改进和优化。结合试验设备的历史测试数据，提出设备通信网络注册优化方法。①制定不同制式间优先级。考虑到国外4G网络主要布设于城市中，铁路沿线较少，当切换国家或地区进行网络注册时，可以增加3G/2G选网次数及优先性，增加注册的成功率。②制定历史频段选择。当国家或地区位置不变进行网络注册时，可以尝试采用扫描上次连接的频段和频点策略方法。③控制网络自动模式的注册时间。当网络注册自动模式不成功时，可以转为手动注册模式，通信模组扫描出所有可注册的运营商尝试手动注册，在保证通信的同时也能兼顾功耗。④云端收集可用运营商信息。通过服务器云端存储历史收集的可用运营商，当设备进入某国家进行通信注册时，服务器端向设备推送可用运营商，减少尝试连接运营商次数以减少设备功耗。

3.2 低功耗控制方法

对于有源监测装置，特别是以不可充电锂电池供电的设备，设备的低功耗控制方法显得尤为重要。设备低功耗控制优化方法自下而上分别为电路级、逻辑级、行为级、算法级和系统级等[6]。电路级和逻辑级的优化方法已经比较成熟，只是在实现方法上还有待改进[7]。研究在电路级、算法级以及系统级提出了相关低功耗控制方法。

（1）电路级。①采用低功耗芯片。在物联网设备中，硬件组成均包含主控制模块、电源模块、通信模块以及其他模块。针对主控制模块可以采用蓝牙功能的芯片，常用的芯片大多没有进行功耗优化，节能性能欠佳，而专门进行低功耗优化后的芯片节能性能优越。对于电源模块，则需要根据效率指标确定芯片选型。芯片的效率值越高则越省电。对于通信模块例如4G通信芯片，在满足功能要求的情况下，可以选用Cat.1类型的4G芯片。Cat.1下行峰值速率可达10 Mbps，上行峰值速率可达5 Mbps，在物联网应用中，按照高中低速率划分属于中速率范围，可以以更低的成本和功耗满足大部分场景需求。②采用低电压供电。设备功耗与供电电压关系密切，从逻辑上成正比关系，采用低电压供电有利于设备功耗的降低。③采用不同的工作模式。一般设备的各功能模块存在运行、休眠、空闲等不同状态，可以合理切换各功能模块的状态，降低设备功耗。

（2）算法级。算法级可以制定相关的低功耗控制方法。选择追踪定位类设备作为研究对象，提出采用间隔休眠唤醒控制方法、超时控制方法以及辅助定位方法相结合的算法。低功耗控制逻辑如图1所示。

如图1所示，间隔休眠唤醒控制方法、超时控制方法以及辅助定位方法处在低功耗控制逻辑不同阶段。间隔休眠唤醒控制方法即根据集装箱运输的运动状态自动调节休眠唤醒间隔时间进行工作；超时控制方法可在设备通信连接过程中的搜网注册时间、搜星定位时间、数据传输时间等关键点进行配置，在保证连接成功率的前提下，缩短设备连接过程中的时间达到降低功耗的目的[8]；辅助定位方法即利用卫星定位与网络获取结合方式，从网络端获取卫星定位的星历，缩短设备卫星定位的启动定位时间，提高首次成功率以降低能耗。

根据试验数据显示，同等条件下采用上述3种方法相结合的方式，与正常工作设备功耗相比，至少降低 15% ～ 20%。

（3）系统级。系统级则依据采集的监测数据进行分类分析，结合中欧班列运输的实际业务范畴，以数据分析的结果反馈到物联网设备层面，在能耗方面着重进行优化改进。①集装箱在境内外的时长分析。根据集装箱在境内和境外的时长分析结果可以制定设备在不同环境下的工作方式。在定位方式上，对于追踪类设备在境内采用基站定位方式，在境外采集卫星定位方式，满足功能的同时最大化降低能耗。②集装箱的静止和运动时长分析。根据集装箱的静止和运动时长分析结果，适时精准调整设备静止和运动的间隔时间，结合电源容量精准估算设备使用寿命，有利于设备能耗控制。

图1 低功耗控制逻辑Fig.1 Low power control logic

3.3 箱门监测控制优化方法

集装箱箱门的状态对于保障货物安全至关重要，为提高箱门状态监测的准确性，结合箱内货物监测和箱门状态监测相关技术，提出了箱门监测优化方法。

（1）箱门监测设备组成。箱门监测设备组成如图2所示。箱门监测设备安装在箱门内侧，设备由温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光线传感器等传感采集模块、主控制模块、通信模块、定位模块、蓝牙模块、天线模块以及电源模块组成。主控制模块作为大脑控制各模块协同运行；通信模块实现设备与远端系统通信；定位模块包括卫星定位和基站定位2种方式；天线模块包括通信天线和卫星天线，需要外置以提高信号强度；电源模块进行供电以及电平转换；设备的传感模块根据功能的不同，需要分布在箱内不同位置，两者之间依靠蓝牙模块进行近场无线数据采集传输。

（2）箱门监测控制优化方法。由于单纯靠光线传感器检测箱门光线的强度会存在光线不足无法报警、箱门缝隙漏光误报等情况，因而设计箱门监测控制方法时，采用主从融合处理方式：在检测箱门开关时，实时监测箱内环境变化作为主要监测方法，即当箱门开启时箱内的温度、湿度、气压甚至磁场与箱门关闭时相比会发生明显变化；结合光线传感器采集的箱内亮度变化以综合判定箱门的开启和关闭。

4 结束语

随着物联网技术的不断发展和深入应用，在目前能够满足对集装箱实时监测需求外，更重要的是建立全程实时监测、异常报警、风险预测等机制，形成全流程、全链条、全节点的闭环流程。因此，未来有必要建立统一的集装箱物联网管理与分析平台，提高物联网设备的应用质量。该平台将制定数据接入和共享标准，实现对广泛物联网设备的管理；将深度融合大数据分析技术，充分挖掘数据价值，特别是对中欧班列在各运行节点的效率、能力等分析，对异常情况进行报警和预测，以数据驱动管理与决策，提高运输安全质量和物联网应用水平。

图2 箱门监测设备组成Fig.2 Monitoring device composition of container door