基于物联网技术的船舶危险品运输监控系统设计

舒 松，戴 晖

(1.长江职业学院，湖北 武汉430074;2.湖北大学，湖北 武汉430062)

0 引 言

随着我国工业经济的快速发展，对于能源以及相关化工原料的需求也越来越大。水运是我国运输体系的重要组成，并且承担着很多工业原料运输的任务，并且具有污染小、运输能力强以及能耗低等优点，是众多运输方式中最为有效的手段之一。危险品运输是一种特殊的运输，是使用船舶对一些非常规物品进行运输，对这些非常规物品进行运输需要经过严格审核的设备、车辆船只以及相关人员才能进行［1］。同一般物品运输所不同，进行危险品的运输需要更加全面和准确的信息控制，同时它也是整个物流系统中非常特殊的组成部分。一般来说，目前最常见的船舶危险品运输包括了化学品船运输和油船(含沥青船)运输和液化气体船运输。

近年来，在我国船舶危险品运输中已经发生了非常多的运输事故，给人民财产造成了非常大的损失及人员伤亡。同时，由于危险品在水面发生爆炸以及泄露，造成附近水域的污染，在很长一段时间内对沿岸的城市造成不良影响，如2006年在京杭运河上发生的一次事故，起因为1艘运载硫酸的货船因为船体发生损坏，进而造成运输的硫酸罐体发生破损，造成严重的硫酸泄露，影响附近水域的渔业养殖，经济损失达几百万元。另外，在水运航线上，普通货船和运输危险品船只经常会发生碰撞等事故，因而这些都会影响到危险品船舶运输的安全。

本文针对我国境内船舶危险品运输中所存在的实际情况，研究船舶在进行危险品运输中所需要涉及到的关键监控技术，即构建一个基于物联网技术的船舶危险品运输监控系统，使得危险品在运输过程中实现数字信息化监控，并且使得船舶、码头以及相关的管理部门之间能够实现对船舶危险品信息的实时共享，这样就可以实现对危险品的全程跟踪和监控，在最大程度上降低危险品运输的风险，并且可以在事故发生后以最快的速度发出报警信息，使得相关部门可以从速对事故的情况进行了解和处理。本文提出的系统对于提高船舶危险品运输具有非常重要的现实意义。

1 船舶危险品运输管理特点

我国拥有广阔的海域，并且内河众多，河道的船舶输送量大，对于当前快速发展的经济发展形势而言，河道对于货物的运输已经非常拥挤，因而在危险品进行运输时缺乏专门的区域进行抢险，因而一旦发生危险品泄漏或者爆炸时，由于船只数量多，因而在船只的人员疏散以及救援上都会出现很多问题，而且事故往往难以控制。通过查阅相关资料可以得知，国内现有的专门用于危险品货物作业的码头状况也较差，并且有很多的船只在主航道两岸直接进行危险品的装载和卸载作业，非常容易发生事故［4］。

不同于其他运输物品，船舶危险品运输具有同其他物品运输所不同的特点，主要包括:

1)危险品种类多样，性质差距大

当前登记入册的危险品已经接近3 000 种，而这些危险品的性质完全不相同，并且随着现代化工业的快速发展，每年都会出现很多新危险品，这些危险品的物理性质有非常大的差异，很多相同类别的危险品如果混装的话就会出现爆炸或者其他问题，如二级氧化剂同一级氧化剂就要严格的区分开，炸弹和一些易燃易爆物质也不能混合装运。在防护问题上，有些危险物品在着火时需要用水来灭火，而另外一些危险物品在遇到水时甚至会发生爆炸，因而当同时运输这2 种物品时，就不能直接用水来进行灭火。

2)易燃易爆

很多危险品都具有易燃易爆的性质，因而在运输过程中具有非常高的危险性，非常容易造成相关的事故。近年来发生的很多危险品运输事故很大一部分都和易燃易爆的危险品有关，并且造成了非常大的危害。

3)需要专业的储存装置

由于危险品的性质差异很大，而且很多的危险品具有腐蚀性，还有的具有易燃易爆的性质，因而其在运输过程中需要设计专业的储存装置，并且在设计上必须要满足特定要求，如在船只运输过程中危险品存储位置的通风设计以及防火设计等，并且在船只上相关的灯具必须要和危险品保持足够的距离，并且采用防爆的灯具，其通电线路应当做安全处理，这样在发生紧急情况时，就会减少火势或者爆炸的蔓延。

2 关键技术

2.1 RFID 技术

RFID 技术(Radio Frequency Identification)，即射频识别技术或者电子标签技术，自从这种技术被提出以来就在物流运输、门禁控制、动物管理识别以及道路自动收费等领域得到了广泛应用

RFID的基本工作原理为:当标签进入目标区域磁场后会主动发送出一个固定频率的信号，解读器在收到这个信号后会送至相关的信息系统进行处理，从而对标签的信息进行识别。一个最简单的RFID系统包括了2个部分，分别是阅读器和标签。RFID按照能源的供给方式分为有源RFID，无源RFID 以及半有源RFID。

在危险品的运输过程中，可以将不同的危险品使用不同的RFID 标签，这样每一种危险品就有一个唯一的身份标记，并且这个身份标记可以在信息处理系统中进行查阅。当危险品从仓库中发货，然后装载到船舶上，通过相关的读卡器就可以获取这些危险品所对应的信息，如何时出库，何时上船，某种危险品所在船只的相关信息［2-3］。并且在发生事故时，可以获取这些危险品的种类、重量、性质、温度等，这样对于事故的救援具有非常重要的意义。

2.2 GPS

GPS的基本原理是通过巡航在地球12 000 km高空的卫星来获取某个目标的经纬度，其最大的优势在于不需要安装任何巡检点，直接就可以从卫星获取信号。GPS 技术在车辆导航以及跟踪、森林防火等都具有非常广泛的应用。GPS 技术在船舶的危险品运输上具有非常独到的优势，由于船舶运输危险品一般都在空旷的河道上，因而在通信上非常便捷，当前我国船舶危险品运输已经被强制安装GPS 设置，并且可以实现不同船舶之间的数据通信。

3 基于物联网技术的监控系统设计

3.1 功能设计

通过对当前危险品船舶运输的现状进行调查和分析，并且充分借鉴现有的设计经验和相关的资源，本文设计了基于物联网技术的船舶危险品监控系统。本文主要研究实现物联网传感器系统、视频语音监控、人员之间的可靠通信和控制。图1 是基于物联网技术的船舶危险品运输监控系统。危险品传感器，包括压力液位计、压力传感器等可以获取各危险品的压力、温度以及泄漏量等关键参数值，将其传输到控制中心，船员通过视频监控以及语音监听等可以判断存放危险品处的情况，当发生危险品泄漏或者其他问题时，控制中心可以通过危险品传感器或者船员的反馈信号来做出反应，首先控制中心会通过相关的RFID 标签来获取发生泄漏处的危险品的相关信息，如重量、类别等，然后通过GPS 技术来获取船舶此时的经纬度信息，并将这些信息发送给岸基监控中心，同时启动报警子系统，进行相关处理。

图1 基于物联网技术的船舶危险品运输监控系统Fig.1 The ship monitoring system for dangerous goods transportation based on internet of things

3.2 详细设计

本节对船舶危险品监控系统中的危险品传感器、RFID 标签进行详细设计。

3.2.1 危险品监测

在船舶危险品运输监控系统中，危险品传感器起着非常重要的作用，这些传感器可以实时的将危险品的实时状态检出来，然后转化成数据传输到控制中心。危险品传感器包括了液位传感器、压力传感器以及气体传感器等，这些传感器实现对船舶上危险品的状态进行监测。其原理如图2所示。传感器采集的压力值、液位高度值以及气体的浓度值等都是比较小的电流或者电压信号，必须压经过相应的信号处理装置进行信号放大以及滤波等处理，最后转化为数字信号，传输到控制中心进行显示。

图2 危险品状态监测原理Fig.2 A state monitoring principle of dangerous goods

同时，危险品传感器监测数据采集时间是数据的重要参数之一，因而保证本地时间的准确性尤为重要。采用网络校时和本地时间保持2 种模式来保证采集时间的准确性。

3.2.2 RFID 标签信息读取

在船舶运输危险品过程中需要对货仓中的危险品进行信息获取，使用RFID 技术可以减少原有人工登记及读取方式中存在的诸多问题，如错漏、繁琐等。在本文设计中使用GSM/GPRS 模块来传输RFID的标签信息，具体工作原理如图3所示。通过高增益天线来获取船舶各处危险品的RFID 标签信息，船载RFID 读写器会读取当前标签的信息并通过GPRS 连接无线网络，将各个危险品信息传输给控制中心和岸基监控中心。GPRS 模块采用SIM Com 推出的四频段GPRS 模块SIM900，它采用ARM926EJ - S 核心，功能强大，岸基监控中心可以读取固定端口号来读取并更新数据。

在RFID 数据读取时，考虑到实际船舶运输过程中会出现信号微弱的情况，这样可能会造成部分数据无法及时传送和更新，为保证数据的完整性，在设计上采用重发机制，首先将读取的数据存储在本地存储器中，经过延时后再从本地存储中读取数据进行发送，这样就可以充分保证数据的完整性。

图3 RFID信息读取Fig.3 The reading process of RFID information

3.2.3 控制中心

控制中心是船舶危险品运输监控的核心，负责将各危险品传感器采集信号进行分析、汇总以及显示，同时还需要将RFID的标签信息进行读取、显示以及查询等。在收集到相关的危险品信息后，控制中心会结合视频以及音频的监控数据，判断是否出现险情，一旦出现险情，则及时开启自动报警系统，并发送本地坐标到岸基监控中心，以便第一时间展开救援。在控制中心进行显示的包括地理信息数据、实时监控数据等。

1)地理信息数据

使用GIS 获取基本的地理信息，包括经纬度信息等，并且可以在电子地图上实时显示船舶所在位置。

2)实时数据信息

在屏幕上显示船舶各处存放危险品的监控画面，可以进行画面切换和放大，并且可以设置画面切换的时间。显示各处危险品的实时信息数据，如液面高度、温度以及压力值等，可以通过读取RFID 标签来获取危险品的相关参数。

4 结 语

本文围绕船舶危险品运输所存在的问题，提出了基于物联网技术的船舶危险品监控系统，对监管系统中所涉及的RFID 技术、GPS 等进行介绍，最后对系统中的重要模块进行设计。本文提出的船舶危险品运输监控系统可以有效降低船舶危险品在运输过程中的风险，并在最大程度上避免事故的发生，因而具有非常重要的实际意义。

［1］汪刚.一种新型无线传感器网络在海洋监控系统中的应用［J］.舰船科学技术，2015，37(1):182 -186.WANG Gang.Application of a novel wireless sensor network in sea surface monitoring system［J］.Ship Science and Technology，2015，37(1):182 -186.

［2］王开乐，钟慧玲，张智勇.基于RFID/GPS/GPRS 危险品运输管理系统的研究［J］.物流技术，2009(4):133-135.WANG Kai-le，ZHONG Hui-ling，ZHANG Zhi-yong.Research on dangerous articles transportation system based on RFID/GPS/GPRS［J］.Logistics Technology，2009(4):133 -135.

［3］郭冬梅.欧洲危险品运输管理经验借鉴［J］.运输经理世界，2009(7):48 -49.

［4］李启然，李强.危险品运输企业如何做好车辆运输安全管理［J］.物流工程与管理，2009，31(7):119 -120.LI Qi-ran，LI Qiang.The transport enterprise of dangerous chemicals how to do a good job in the management of vehicle transportation safety［J］.Logistics Engineering and Management［J］，2009，31(7):119 -120.