基于前端检测策略的集装箱超偏载检测系统设计

摘 要：该文针对目前以龙门架和轨道衡进行超偏载检测的现状及其在检测过程中暴露的问题，将集装箱的超偏载检测流程前移，提出一种基于前端检测策略的集装箱超偏载检测系统。该系统采用基于半挂车的超偏载检测仪作为集装箱超偏载数据的采集器并实时发送数据至云端数据库服务器。半挂车司机通过手机APP端查看集装箱的超偏载信息，从而达到对集装箱超偏载状况的实时监测；货场调度中心通过Web应用端查看集装箱的超偏载信息，实现对集装箱超偏载状况的实时监测。该系统串联起来货场调度中心、货场调度员、半挂车、集装箱以及半挂车司机，形成一个完整的基于前端检测策略的公铁联运集装箱超偏载检测的闭环，推进集装箱超偏载检测的智能化。

关键词：前端检测；实时监测；集装箱超偏载检测；Web应用；手机APP

中图分类号：U294.1+7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0050-05

Abstract： Aiming at the present situation of overload detection with gantry and track scale and the problems exposed in the inspection process， this paper moves the container overload detection process forward， and puts forward a container overload detection system based on front-end detection strategy. The system uses the over-partial load detector based on container transport semi-trailer as the collector of container over-partial load data and sends the data to the cloud database server in real time. Semi-trailer drivers check the container overload information through the mobile APP， so as to achieve real-time monitoring of the container overload; freight yard dispatching center through the Web application terminal to view the container overload information to achieve real-time monitoring of the container overload. The system connects the freight yard dispatching center， freight yard dispatcher， semi-trailer， container and semi-trailer driver in series to form a complete closed loop of container overload detection based on front-end detection strategy. It promotes the intelligence of container overload detection.

Keywords： front-end detection; real-time monitoring; container overload detection; Web application; mobile phone APP

21世纪运输业的发展离不开集装箱运输的贡献，近几年，集装箱公路铁道运输业发展十分迅猛，集装箱运输占我国的公路铁路货运的比重每年攀升。集装箱运输之所以在铁道运输之中占有很大比重，是因为其具有诸多优点，比如其运输安全性能高、易于工人管理分类、免除了货物多余的外部包裹、缩短了运输周期、能够满足货主门到门运输的要求等[1]。

但是集装箱运输业在发展的同时也出现了安全隐患问题，例如集装箱的超载、偏载和偏重现象都会对集装箱的安全运输带来严重的影响。由于公路运输和铁路运输相较于海运对于集装箱的超偏载情况更加敏感，所以这些情况会对集装箱的公路运输和铁道运输的安全构成直接威胁。万一集装箱出现超偏载，但在装上列车前没有检测出来，载有该货物的列车重心的偏移超过了限定值，可能会造成列车脱轨或货车翻车的严重事故[2]。

因此，为了确保列车的安全运输，一定要对每个集装箱进行严格的超偏载检测。

1 集装箱超偏载检测的现状

对于集装箱的检测，铁路轨道衡虽然能检测货运车辆的超偏载，但是属于“后端”检测，发现偏载后会在铁道系统内通报，并把偏载的列车退回发运站处理。这样处理起来费时费力耗费宝贵的线路资源[3]。所以目前超偏载检测已经前移至货运站，货运站对于集装箱超偏载的检测方式主要是通过在站台集装箱作业线上的专用门吊的吊架上，安装一套专门的称重装置，然后利用该称重装置判断所称集装箱是否存在超偏载现象[4]。但该检测方式属于“中端”检测，仍存在成本高、效率低及数据不符合要求则需要拆箱重装的问题。

因此，本文将针对这一现象，重新优化了集装箱运输的工作流程如图1所示，再次将集装箱偏载检测的步骤前移，以实现前端检测的目的，并在货运站进行复检，提高集装箱运输的安全性。同时设计了一套基于前端检测策略的集装箱超偏载检测系统，从集装箱装货开始到装货结束封门为止，所有超偏载数据做到实时检测，并实现与货运站数据共享，货运站调度中心（货场调度员）在受理集装箱计划时就能掌握全部集装箱的货物重量及超偏载信息，不再由货运站站内检测从而来决定集装箱的放行或不放行，同时也避免了退回的集装箱所带来的一系列极其麻烦的手续。

2 集装箱超偏载检测系统的设计

2.1 集装箱超偏载检测系统的组成

《铁路货物装载加固规则》规定：货物装车后，货物总重心的投影应位于货车地板的纵、横中心线的交叉点上，必须偏离时，横向偏离量不得超过100 mm。纵向偏离时，每个车辆转向架所承受的货物重量不得超过货车容许载重量的二分之一，且两转向架承受重量之差不得大于10 t [5]。为此，本文设计的集装箱超偏载检测系统的硬件部分配置了4个称重传感器模块，用于测量集装箱4个角的重量数据，从而计算出集装箱的超偏载数据。同时，为了实现远距离的无线数据传输，设置了4G无线传输模块。集装箱超偏载检测系统的系统架构如图2所示。

集装箱超偏载检测系统由检测端、处理器端、用户端和服务器端组成，并通过Internet网络紧密相连。

检测端和处理器端共同构成了集装箱超偏载检测仪（以下简称“检测仪”），检测仪的具体组成如图3所示，检测仪硬件PCB原理图如图4所示。检测仪采用基于ARMCortexM3内核的STM32F103C8T6微控制器作为核心处理器，还包含了4个称重传感器模块、4G无线传输模块和电源模块。检测仪采集到的原始重量数据不上传至云端服务器进行计算，而是采用边缘计算的方式，在检测端通过超载检测算法、偏重检测算法和偏载检测算法直接进行本地数据计算处理，实现数据的本地采集、本地分析、本地处理。然后本地处理完成的数据通过4G无线传输模块，实现集装箱超偏载数据的采集和上传[6]。

用户端由手机APP端和Web应用端构成。并且不同的用户端有着不同的功能，各自负责各自的工作，具体功能如下。

1）手机APP端主要实现供集装箱运输半挂车（以下简称“半挂车”）司机查看集装箱超偏载数据和相关信息录入的功能。半挂车司机需要在每次集装箱运输作业前，通过手机APP录入半挂车车板的车板号信息和集装箱的编号信息，并且为了提高信息录入的效率及信息录入的准确率，在手机端录入车板号信息和集装箱编号信息时，设置有拍照识别功能[7]。半挂车司机可以选择查看具体车板所对应集装箱的超偏载数据，当数据超过标准阈值时，手机APP端会进行报警从而提醒司机进行处理[8]。

2）Web端主要实现供货场调度员查看全部数据和用户管理的功能。Web端的用户分为管理员和普通用户，其中普通用户可以查看半挂车司机信息、半挂车信息、集装箱信息和超偏载信息；管理员是系统的最高权限使用者，不仅可以查看半挂车司机信息、半挂车信息、集装箱信息和超偏载信息，还可以对其中的数据进行添加、删除和修改。

服务器端包括应用服务器和数据库服务器。检测仪将检测结果通过4G模块上传至服务器，服务器接收并保存全部数据，并在手机APP端和Web应用端发送调用请求时，提供数据。

2.2 集装箱超偏载检测系统的功能与原理

集装箱超偏载检测系统通过在集装箱封箱前检测的方式，实现了集装箱超偏载的前端检测；通过检测仪实时采集计算集装箱超偏载数据的方式对集装箱超偏载情况进行实时监测。解决了传统货站起吊检测模式成本高、效率低、不能实时监管的问题，避免了退回集装箱所带来的一系列极其麻烦的手续问题。加强了各半挂车司机和货场调度中心之间的信息流动，形成了一个集装箱超偏载信息管理流程的闭环。其主要功能由超偏载信息管理、多端报警功能和多信息管理功能三部分组成，系统的整体工作流程如图5所示。

2.2.1 超偏载信息管理

检测仪可以实现超偏载检测和远距离无线数据传输的功能。

1）超偏载检测功能。检测仪使用HX711模拟-数字转换器作为称重模块，用于称重传感器的信号采集和放大。通过结合铁路轨道衡检测的超偏载计算方式进行集装箱超偏载数据的计算。HX711能够实现24位的精度，可以满足对应用的需求。并且HX711可以在较低的电压下工作，适合于电池供电或由半挂车供电。

2）远距离无线数据传输功能。系统使用Air724UG模块作为远距离无线数据传输模块，它基于4GLTE技术，可以实现高速数据传输和广域覆盖，它还兼容2G和3G网络，以确保在不同地区和网络环境下的连接稳定性[9]。检测仪采集的数据通过串口发送至Air724UG模块，再经过Internet网络转发至数据库服务器。

2.2.2 多端报警功能

参考《铁路货物装载加固规则》，系统将偏重的报警阈值设置为10 t，将偏载的报警阈值设置为100 mm，将超载的报警阈值设置为集装箱容许载重量。当超偏载数据在正常范围内时，检测仪每隔5 min向服务器发送1次数据。若超偏载数据超出阈值范围的时间过长，则向手机APP端和Web应用端发送报警数据，同时将发送数据频率改为每分钟发送1次[10]。多端报警工作流程如图6所示。

2.2.3 多信息管理功能

由于在公路集装箱运输过程中，除超偏载信息之外，还会涉及包括半挂车司机信息、半挂车车板信息、集装箱信息和Web端用户信息等众多数据，因此一套合理的多信息管理功能是十分有必要的。同时出于对数据安全性的考虑，本系统将Web用户分为管理员用户和普通用户，其中普通用户只可以查看相关信息；管理员不仅可以查看相关信息，还可以对其中的数据进行添加、删除和修改。本系统的信息管理主要分为司机信息管理、车板信息管理、集装箱信息管理和Web端的普通用户管理。

以司机信息为例，司机信息管理的流程如图7所示，司机信息主要包括司机姓名、性别、身份证号码、联系电话和所属公司等信息。

3 系统的实现及验证

基于本文设计的集装箱超偏载检测系统在实验室条件下进行了简单的测试。在一天内对单个下位机检测仪进行不间断的测试，结果表明该检测仪能够连续地采集重量数据并进行超偏载计算。上位机的手机APP端和Web应用端都能够接收到下位机通过4G模块发送过来的数据，并且显示在手机APP端和Web应用端的界面上，Web应用端能有效地对集装箱运输过程中所需要的相关信息进行管理，实现了对集装箱超偏载状况的智能化管理，手机APP端检测界面如图8所示。

拍照识别功能分别对500张半挂车车板照片和500张集装箱照片进行识别，识别结果见表1，结果表明手机APP端的拍照识别功能具有良好的识别准确率，可以提高信息录入的效率和信息录入的准确率。

4 结束语

在集装箱运输流程中的前端进行超偏载检测可以有效地提高检测效率、降低检测成本，基于前端检测策略的检测方法是未来集装箱超偏载检测的一个重要方向。本文设计完成的集装箱超偏载检测系统，能够实时有效地监测集装箱的超偏载状态，并且在传统检测的基础上，应用信息基础、物联网技术、图像识别技术等手段来优化和提高检测效率，为实现集装箱超偏载检测的智能化、高效化和数字化发展提供了一定的基础。

参考文献：

[1] 邸华成，毛泽南，孙青.一种货运集装箱偏载校准的方法：CN110296792A[P].2019-10-01.

[2] 杜建波，易小浪.推动铁路集装箱运输高质量发展的探讨[J].铁道货运，2023，41（1）：54-58.

[3] 路计哲，崔宝祥，金少月，等.铁路集装箱超偏载检测装置溯源研究[J].铁道技术监督，2024，52（1）：15-17，25.

[4] 许如俊.悬吊式集装箱超偏载检测装置：CN207050819U[P].2018-02-27.

[5] 冯乐乐.铁路货车超偏载监测系统设计[J].中国新技术新产品，2023（22）：84-86.

[6] 祝海.TCP/IP协议在嵌入式系统中的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2007.

[7] 严巍.基于拍照情境识别的推荐算法研究[D].武汉：华中师范大学，2021.

[8] 汪肖杰，骆岩红.基于STM32的智能安防报警系统设计[J].科技创新与应用，2024，14（6）：49-52.

[9] 杨华宇.4G移动通信传输关键技术及应用优势研究[J].现代信息科技，2019，3（17）：73-74.

[10] 袁标，陈天星，杨玉洁，等.一种居家隔离健康监测系统的研究[J].科技创新与应用，2021，11（36）：65-69，74.