CN108267742B - 一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统 - Google Patents

一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统。该系统包括：超声波监测单元、无线传输单元和接收终端，超声波监测单元和无线传输单元电路连接，无线传输单元和接收终端通过无线网络连接。超声波监测单元通过发射超声波探测出监测单元与车辆载运货物之间的距离信息，将距离信息传输给无线传输单元；无线传输单元通过无线网络将距离信息传输给接收终端；接收终端，设置在驾驶室内，通过终端的显示屏实时显示距离信息,根据事先设定的报警距离阈值判断货物的偏移状态。本发明的装置可对公路、铁路货运途中货物的位移进行实时监测与报警，能够帮助司机及时发现货物的移动、偏载、偏重，减少相关事故的发生，保障货物的安全运输。

Description

一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统
技术领域
本发明涉及货物运输安全监控技术领域，尤其涉及一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统。
背景技术
阔大货物是超限货物、超长货物和集重货物的总称。由于货物外形特殊，受途中天气、地理环境、线路条件等外部因素的影响，阔大货物在运输过程中容易发生偏移、窜动，可能引发车辆偏载、脱轨、倾覆等行车事故，在损坏承运货物的同时，还可能对铁路沿线设备造成严重损害，影响铁路运转工作的正常进行，甚至造成严重的路外伤亡事故。因此，对阔大货物运输偏移情况进行实时监测与报警，可及时发现并排除安全隐患，减少事故的发生，从而保证阔大货物安全送达目的地，保障运输安全。
目前国内、外对铁路阔大货物安全监控的研究集中于超限自动识别、超限实时监测、装载加固方案的综合安全评价，运行安全监测等，少有对货物的偏移情况装载加固状态进行实时监测的研究。
铁路阔大货物运输安全监测的研究主要有铁路货物列车装载运行安全监测系统，其可实现货物装载状态的动态监测，实现车辆在运输中的超重、偏载、超限状态的识别。但是这种动态监测只是限于监控区域中，当列车运行速度达60公里/小时左右，则无法实现高速运行中的列车和货物的实时监测。
超限实时监测的研究主要是通过数据采集系统例如VXI，IMC数据采集系统，测试车体关键部位的动应力、车体小底架心盘加速度、弹簧动挠度、承载结构的动应力，确认这些参数是否超过安全限度，并提供及时的数据和监测结论，但是该数据系统是依靠有线网络局域网，无法为工作人员提供直接的决策建议，在实际应用中局限性较大。
从国、内外铁路阔大货物安全监测装置的应用情况来看，铁路阔大货物超偏载与超限检测固定于站内进行，多采用摄像技术、图像识别、压力传感器等技术，要求相关车站、货场配备专业的监测设备，例如超偏载仪、安全门、具有超偏载监测能力的轨道衡等。属于静态的定点监测，无法及时发现列车运行途中出现的货物偏移和窜动，无法及时采取应对措施，将承运货物、铁路资产和人员安全置于风险之下。
因此，亟需开发一种实现运输全程中货物偏移状态的实时监测系统。
发明内容
本发明的实施例提供了一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统，以克服现有技术的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统，包括：超声波监测单元、无线传输单元和接收终端，所述超声波监测单元和所述无线传输单元电路连接，所述无线传输单元和所述接收终端通过无线网络连接；
所述超声波监测单元，通过发射超声波探测出监测单元与车辆载运的货物之间的距离信息，并将距离信息传输给无线传输单元；
所述无线传输单元，通过无线网络将所述距离信息传输给所述接收终端，根据所传输信息的传输距离确定其所需数量和安装位置；
所述接收终端，设置在驾驶室内，通过终端的显示屏实时显示距离信息，当根据所述距离信息判断所述货物发生偏移后，通过报警器发送报警信号。
进一步地，所述超声波监测单元包括超声波探测器，所述超声波探测器的测距范围为2mm-400cm，测量精度为0.3mm。
进一步地，所述无线传输单元包括基于ZigBee的无线通信协议的CC2530单片机。
进一步地，所述CC2530单片机包括CC2530F256芯片。
进一步地，所述接收终端包括：无线通信单元、CPU和显示器，所述CPU与所述无线通信单元、显示器电路连接；
所述无线通信单元，通过无线网络接收所述无线传输单元传输过来的所述距离信息，将所述距离信息传输给所述CPU；
所述CPU，将所述距离信息进行存储，并将所述距离信息传输给所述显示器；
所述显示器，将所述距离信息进行显示。
进一步地，所述接收终端还包括：报警器，该报警器与所述CPU电路连接；
所述CPU，判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述报警器发送报警信号；
所述报警器，接收到所述报警信号后，发送报警信息。
进一步地，所述接收终端还包括：定位单元，该定位单元与所述CPU电路连接；
所述CPU，判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述定位单元发送定位信号；
所述定位单元，接收到所述定位信号后，对车辆当前位置进行定位，将获取的当前车辆位置信息和当前时间信息发送给所述CPU。
进一步地，所述接收终端还包括：
人机交互单元，该人机交互单元与所述CPU电路连接，具有按键功能，通过货物运输中装载加固材料的弹性形变程度设置货物对应的报警距离阈值，并根据不同场景的装载加固材料选择不同的按键功能。
进一步地，所述超声波监测单元还包括蜂鸣器；
所述CPU，判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述无线通信单元发送报警信号；
所述无线通信单元，将所述报警信号发送给所述蜂鸣器；
所述蜂鸣器，接收到所述报警信号后发出报警信息。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的运输途中货物装载加固状态实时监测系统可对货物运行途中的偏移状态进行实时监测与报警，能够帮助司机及时发现并排除安全隐患，减少事故发生，保障货物的安全运输。此外本装置具有一定的普适性，能在公路普通货物运输、公路阔大货物运输、铁路普通货物运输、国际铁路货物联运等进行扩展应用。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统的工作原理图；
图2为本发明实施例提供的一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统的结构图；
图3(a)为本发明实施例提供的一种运输途中货物纵向倾覆的趋势示意图；
图3(b)为本发明实施例提供的一种运输途中货物横向倾覆的趋势示意图；
图4为本发明实施例提供的一种运输途中货物拉牵加固示意图；
图5、图6为将监测装置和货物固定好后，让车辆和货物均保持静止时，两测试点的数据变化情况示意图；
图7为车辆冲击实验时车体纵向监测点所采集动态数据的变化情况示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非如此处定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
相较于红外探测，超声波探测具有指向性强、探测距离远、成本低、受天气扰动小等优点；相较于红外、蓝牙和无线局域网传输，ZigBee具有功耗低、成本低、抗干扰能力强、可靠性高等特点，因此，可采用基于超声波探测和ZigBee无线通信技术搭建运输途中货物装载加固状态实时监测系统，实现对货物在全程运行途中偏移的实时监测，保障铁路、公路货物运输安全。
超声波在介质中传播的过程中能量消耗缓慢，传播距离较远。超声波探测器常用于物体的测距，往往能在恶劣天气下正常工作。探测器通过发射超声波并接收经货物反弹回的超声波，计算发射与接收超声波的时间差，结合声波的传播速度，来确定监测器与货物之间的距离，其测距原理的数学表达式如下：
d＝340·t/2
其中，t为声波从声源到达目标物体之后的返回时间(单位：s)；d为声源距目标物体的距离(单位：m)。
本发明实施例提供的一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统的工作原理设计图如图1所示。该系统具备铁路、公路普通货物及阔大货物运输途中偏移情况实时监测与报警的功能。货物完成装载加固作业后，作业人员可根据货物的外形结构特点，将超声波探测器安装于车体的适当位置上，例如车地板、柱槽、挡板等。在打开超声波探测器的电源开关后，超声波探测器便开始向接收终端实时发送货物与超声波探测器之间的距离信息。当货物发生偏移时，货物与超声波探测器之间距离信息发生改变，驾驶室内的接收终端在判定货物的位置信息发生变化后，激发报警装置和GPS模块，记录下该时刻的距离信息、地理位置信息和时间信息。
本发明实施例提供的运输途中货物装载加固状态实时监测系统的结构图如图2所示，由超声波监测单元、无线传输单元和接收终端三部分组成。所述超声波监测单元和所述无线传输单元电路连接，所述无线传输单元和所述接收终端通过无线网络连接。
1、超声波监测单元。
所述超声波监测单元，包括超声波探测器和蜂鸣器。通过超声波探测器发射超声波探测出超声波监测单元与车体上装运的货物之间的距离信息，将所述距离信息传输给所述无线传输单元。
超声波监测单元的工作原理包括：
(1)超声波探测器具有超声波发射和接收功能，采用IO(Input/Output，输入/输出)触发测距，给至少10us的高电平信号；
(2)将所述超声波探测器的探头中心对准目标货物，超声波探测器自动发送8个40kHz的方波，该方波将传输到货物上，超声波收发装置自动检测货物是否有信号返回；
(3)有信号返回，超声波探测器通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间t.超声波监测单元到货物的实际距离d的计算公式如下：
d＝340·t/2
上述距离信息d可以包括货物在纵方向、横方向上的偏移距离，此处声速会根据超声波监测单元内部的温度补偿部件进行校正。
其中超声波监测单元是以超声波探测器为核心部件，以货物的偏移量为指标，监测货物易活动部件或货物整体偏移的模块。当货物发生偏移时，超声波监测单元将接收到接收终端发送过来的报警信号，蜂鸣器响应报警信号发出报警信息，便于快速定位货物发生偏移的位置。
超声波监测单元安装于货物所在车辆或者货物的适当位置，既要实现距离信息的准确实时监测，又要避免当货物发生偏移时损坏装置。
若承运货物为刚体，即自身不能发生相对转动时，可根据实际装载加固方案，将检测系统安装在车辆的端面、挡板、地板等；当物体自身可发生相对转动时，可用强磁或可清除胶等将系统固定于货物上，用于易活动部位的实时监测，以及车辆端面、挡板、地板等，用于货物整体的实时监测。
超声波探测器安装在车辆上，用于测量货物与探测器间的距离信息，将距离信息传输给无线传输单元。本系统采用了HC-SR04超声波测距探测器，该探测器的测距范围为2mm-400cm，通过使用高精度超声波探测器，系统测量精度可达0.3mm。此外，整个系统采用5V供电，使用三节普通5号干电池即可满足整个系统的供电功能，续航时间可达10天以上。
系统安装完毕后，在接收终端通过按键进行初始化，屏幕上会显示当前探测器与货物之间的基准距离以及此后运输过程中的实际距离。并通过按键设置各处监测单元的报警距离阈值。运输过程中，接收终端根据监测单元所传回的距离信息不断与初始距离信息进行比对，若其差值持续超出阈值，即满足报警条件，进行报警。
不同货物的阈值根据其装载加固材料的弹性形变程度和基本的阈值(即系统的精度)来共同确定，并根据不同装载加固材料对接收终端进行按键选择，选择不同阈值。
2、无线传输单元
所述无线传输单元，通过无线网络将距离信息传输给所述接收终端，通过无线网络将接收终端返回的报警信号传输给超声波监测单元。根据无线传输单元所传输信息的传输距离确定无线传输单元所需数量和安装位置。当检测系统安装于铁路大编组列车的尾部车辆时，若接收系统超出一个无线传输单元的通信范围，可在列车中间车辆车体上安装中转无线传输单元，便于所述位置信息向机车驾驶室的传递。
无线传输单元包括基于ZigBee的无线通信协议的CC2530单片机。接收终端由GPS模块、LCD显示模块、语音报警模块组成，可以接受、分析与处理货物的偏移信息，具备语音报警、记录时间、地理位置信息的功能。
无线传输单元通过ZigBee及时向接收终端传输货物的距离数据信息，CC2530单片机包括CC2530F256芯片，CC2530F256包括2.4GHz、IEEE892.15.4兼容无线收发器，增强型工业标准8051MCU，8KB的RAM，256kb系统内可编程flash，同时拥有5通道DMA，3个通用定时器(1个16位、2个8位)，8路输入并可配置的12位ADC，2个支持多种串行通信协议的USART等强大的外围设备。无线收发电路实现简单，CC2530射频收发端外加匹配网络和SMA天线即可实现ZigBee收发硬件电路。因此采用CC2530作为主控芯片，来实现对外围设备的控制。
在无线传输单元上采用了ZigBee技术实现无线传输。ZigBee是部署无线传感器网络的新技术，是一种基于标准的远程监控、控制和传感器网络应用技术。在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6至24个月；此外，ZigBee网络可容纳65,000个设备，典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，具备网络自组织和自愈能力强、网络容量大、延时短、通信可靠的优点。
3、接收终端
接收终端安装于驾驶室内，通过终端的显示屏实时显示距离信息。
货物的偏移数据通过ZigBee实时传输至接收终端，当CC2530单片机判定货物出现偏移后，将激发GPS地理信息与时间信息的记录功能，达到报警条件时进行语音报警。
所述接收终端包括：无线通信单元、CPU、报警器、定位单元、人机交互单元和显示器，CPU与无线通信单元、显示器、报警器、人机交互单元和定位单元使用电路连接。
人机定位单元，具有按键功能，通过货物运输中装载加固材料的弹性形变程度设置货物对应的报警距离阈值，并根据不同场景的装载加固材料选择不同的按键功能。
所述无线通信单元，通过无线网络接收所述无线传输单元传输过来的所述距离信息，将所述距离信息传输给所述CPU；
所述CPU，将所述距离信息进行存储，并将所述距离信息传输给所述显示器；判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述定位单元发送定位信号，向所述无线通信单元和报警器发送报警信号；所述无线通信单元将所述报警信号发送给所述超声波监测单元，以使得超声波监测单元中的蜂鸣器发出报警。
所述显示器，将所述距离信息进行显示。显示器可以为LCD液晶显示子模块，LCD液晶显示子模块用于采集数据的显示，包括：货物偏移信息、GPS地理位置信息与时间信息。
所述报警器，接收到所述报警信号后，发送报警信息。报警器可以为蜂鸣器，当货物发生偏移后，系统触发蜂鸣器语音报警。
所述定位单元，接收到所述定位信号后，对货物所处的当前位置进行定位，将获取的车体的当前位置和当前时间发送给所述CPU。定位单元可以为GPS子模块，GPS模块用于记录监测系统的时间以及经纬度信息。当货物产生偏移后，监测模块触发GPS模块，记录货物偏移发生时的时间和地理位置信息，并可显示于LCD屏。
下面介绍上述报警距离阈值的计算原理：
在货物正常运输途中，由于不可抗拒因素装载加固材料受到一定作用力而发生弹性形变使货物发生合理安全位移，弹性形变的最大值即为系统的报警距离阈值。由挡木或钢挡加固、掩挡加固和腰箍加固的装载加固原理可知，这些方式下货物不应当出现合理安全位移，所以所述系统的报警距离阈值计算仅限于拉牵加固。
(一)作用力的计算
首先需要计算出运输过程中作用在货物上的力的大小，这会涉及到以下四种作用力的计算：
1、纵向惯性力
列车的纵向运动状态可分为稳态与非稳态两种。稳态运动系指列车在不变的常力或变化极慢的缓变力作用下做等速或等加速运动。在这种条件下，货物会在摩擦力作用下随车辆一起运动，因而其在车辆上的位置不会发生变化。非稳态运动包括列车起动、加速、制动，牵引力骤变，以及调车时车辆之间的相互冲击。当车辆受到的纵向作用力急剧变化时，也就是车钩受冲击时，车辆会产生较大的纵向加速度，引起车辆运行速度急速增大或减小。
2、横向惯性力与垂直惯性力
作用于货物上的横向惯性力及垂直惯性力是由于车辆在运行中的各种振动引起的。在运行中车辆的主要振动形态有沉浮振动、点头振动、侧滚振动、侧摆振动(横向水平振动)及摇头振动等五种。在上述各种振动状态下货物产生的纵向惯性力均很小，可不予考虑。但是由此而产生的横向和垂直加速度却比较大。货物重心距车辆横中心线越远，货物的横向和垂直加速度也越大，因而产生很大的横向惯性力和垂直惯性力。当货物的垂直惯性力向上时，货物与车地板之间的摩擦力将减小，货物的稳定性受到影响，如果横向惯性力同时达到较大值时，可能会使货物产生横向移动。因此，对于上述各种振动引起货物产生横向惯性力及垂直惯性力的情况，必须予以重视。横向惯性力与线路状态、列车运行速度以及货物重心在车辆上的位置有关。垂直惯性力的大小取决于线路状态、列车运行速度、货物重心在车辆长度方向的位置以及车辆的动力性能。
3、风力
侧向风力有可能引起货物在车辆上横移，特别是当风力与货物横向惯性力方向一致，且货物重量又较小，而迎风面积又比较大时，风力对货物在车辆上的稳定性威胁较大。因而在加固计算时需要考虑风力。
4、摩擦力
货物与车地板间的摩擦力起阻止货物移动的作用，是一个稳定因素。
(二)加固材料所需承受力计算
对于拉牵加固的情况，需要考虑防止货物水平移动和倾覆时加固材料需要的力，两者取其大值，两部分的具体计算方式如下：
1、防止货物水平移动时，需要加固材料或装置承受的力
对货物进行加固后，加固材料或装置应足以防止货物发生纵向或横向移动。设车辆受到冲击时，加固材料或装置对货物施加的纵向水平力为ΔT，则ΔT及货物的纵向摩擦力应能够平衡货物的纵向惯性力T，即/>由此可知，为防止货物在车辆上发生纵向水平移动，需要加固材料或装置承受的纵向水平力为：
式中T——货物的纵向惯性力，kN；
——货物的纵向摩擦力，kN。
设加固材料或装置应承受的横向水平力为ΔN，为防止货物发生横向水平移动，起码应要求：由于在运行过程中货物在货车上一旦发生横向移动，很容易导致重车脱轨，为确保列车运行安全，应适当提高加固强度，要求/>因而，为防止货物横向移动，需要加固材料或装置承受的横向水平力为：
式中N——货物的横向惯性力，kN；
W——作用于货物上的风力，kN；
——货物的横向摩擦力，kN。
如果ΔT或ΔN为负值或零，表明仅靠摩擦力就足以阻止货物纵向或横向水平移动。
2、防止货物倾覆时，需要加固材料或装置形成的稳定力矩
对于支重面为平面的货物，货物的纵向惯性力、横向惯性力与风力，会形成货物的纵向倾覆力矩Th及横向倾覆力矩Nh+Wh风，有可能引起货物纵向或横向倾覆，图3(a)为本发明实施例提供的一种运输途中货物纵向倾覆的趋势示意图,图3(b)为运输途中货物横向倾覆的趋势示意图；
货物的重力能够形成纵向或横向稳定力矩9.8Qa和9.8Qb，在不采取加固措施时，货物免于倾覆的条件是：
在纵向：
在横向：
式中η——货物的倾覆稳定系数；
Q——货物重量，t；
a——货物重心所在横向垂直平面至货物倾覆点之间的距离，mm；
b——货物重心所在纵向垂直平面至货物倾覆点之间的距离，mm；
h——货物重心自倾覆点所在水平面起算的高度，mm；
W——作用于货物上的风力，kN；
h风——风力合力作用点自倾覆点所在水平面起算的高度，mm。
当货物的倾覆稳定系数η≥1.25时，表明即使不采取防止货物倾覆的加固措施，货物也不会倾覆，因而没有必要采取防止货物倾覆的加固措施。
当货物的倾覆稳定系数η﹤1.25时，则必须采取防止货物倾覆的加固措施。设对货物采取加固措施后，加固材料或装置能够形成的纵向和横向稳定力矩为和/>则有：
在纵向：
在横向：
如果或/>等于或小于零时，说明货物重力形成的稳定力矩已足以防止货物纵向或横向倾覆，无须再采取防止货物倾覆的加固措施。
(三)拉牵加固下货物正常移动范围最大值的计算
拉牵加固系指用拉牵绳(如多股盘条、钢丝绳或拉杆、链条等)把货物拴固在车辆上，利用拉牵绳拉力的纵向和横向水平分力来平衡货物的纵、横向惯性力，从而防止货物移动和倾覆。
图4为本发明实施例提供的一种运输途中货物拉牵加固示意图，图中：
O——拉牵绳在货物上的拴结点；
B——O点在车地板上的投影；
BC——O点所在纵向垂直平面至车边的距离；
A——拉牵绳在车辆上的拴结点。
图4中所示O点、A点以及AC、BC、BO、AO均为铁路货物拉牵加固所用的术语，其所代表的含义是不变的。
首先需要考虑防止货物水平移动和倾覆所需的力，两者取其中较大的值，然后再考虑各种加固材料在不同的材质和半径等条件下的许用应力(见表1至表3)，选取相应的加固装置，并确定出所需的股数和具体的加固方案。
表1常用镀锌铁线的破断拉力和许用拉力
表2常用盘条的破断拉力和许用拉力
直径(mm) 5.5 6 6.5
破断拉力kN) 7.96 9.47 11.12
许用拉力kN) 3.98 4.73 5.56
表3公称抗拉强度1670N/mm2规格6×19(b)钢丝绳的最小破断拉力和许用拉力
最后可以计算出分摊到每根拉牵绳上的力为F0，该材质的拉牵绳的杨氏模量为Y，Y的定义如下：
式中F——作用在材料上的拉伸力，N
S——材料的横截面积，m2
ΔL——材料的形变量，m
L——材料的最初长度，m
利用下面的公式计算出拉牵绳的最大合理形变：
式中F——作用在材料上的拉伸力，N
S——材料的横截面积，m2
F0——每根拉牵绳承担的最大合理力，N
L——材料的最初长度，m
货物在纵方向上的最大合理位移为：
Δxmax1＝AC/OA·ΔLmax
货物在横方向上的最大合理位移为：
Δxmax2＝BC/OA·ΔLmax
上述Δxmax1为货物在纵方向上的报警距离阈值，上述Δxmax2为货物在横方向上的报警距离阈值。
应急处置方案设计：在发现系统报警时，应及时采取区间停车措施，避免事故的扩大，在第一时间联系列车调度员后，根据货物不同的偏移情况采取不同的处置方法。若货物偏移超出机车车辆限界或建筑限界，会对沿途车站设备、车列、周围建筑物造成安全威胁，应保持区间停车等待救援；若货物偏移情况较小，可减速慢行至前方站并在站内采取装载加固措施。
货物安全抵达终到站后，装卸人员在拆除了安装于车体上的监测系统后，便可进行正常的货物卸车作业。至此，本系统结束铁路货物运输全过程的偏移实时监测与报警工作。
实施例二
所述的超声波监测单元，采集各种场景下的超声波监测单元与车辆承运货物之间的距离信息，将所述距离信息通过所述无线传输单元传输给所述接收终端，所述各种场景包括公路场景测试中的车体处于静止状态、车体行驶于平坦路段、车体行驶于颠簸路段和货物出现偏移情况。
所述接收终端，还可采用切比雪夫不等式，对各种场景下的距离信息进行异常数值的判定与剔除，以及对各种场景下的距离信息进行正态分布检验、独立样本的方差检验和t检验和/或采用切比雪夫不等式进行异常点的判定。
1、公路场景测试
为了检验监测与报警装置在公路弯道、颠簸路段和恶劣天气影响下的工作情况，于三级风的雨天在公路国道上进行不同场景下的系统测试。具体方案如下：雨天大风天气下，使用小型卡车运输装满货物的瓦楞纸箱，完成纸箱加固后，将两个超声波监测单元分别固定在车体的横、纵挡板上，进行偏移量实时监测。其中纵向模块探头标记为探头a，横向模块探头标记为探头b。
此后分别采集静止状态，车辆行驶于平坦路段、颠簸路段，以及货物出现偏移四种情景下的数据，并进行相关的数据分析及处理。
2、静态监测过程
将监测系统和货物固定好后，让车辆和货物均保持静止时，两测试点的数据变化情况如图5、图6所示，其中单位为mm，从中可以看出静态数据在一定范围内上下波动。利用SPSS22.0软件对数据的统计量进行统计学分析与处理，结果如表4所示，可以发现95％的数据的置信区间范围大约在2mm的范围内，所以系统的数据波动范围较小，测距数据相对稳定。
表4：静态监测过程中统计量与标准误差对比
接着，对上述静态数据进行正态分布检验，发现监测数据的显著性Sig＜0.05，拒绝原假设，则数据总体不服从正态分布，如表5所示。数据分布结果与随机理论不符，推测若更换为精度与造价更高的超声波探测装置可进一步提高监测的准确性，使监测数据呈正态分布。在不更换器件的情况下，为了保证测量的准确性，后续试验均需采集大容量样本数据，即至少采集30个数据。
表5 a、b监测点数据正态分布检验
3、车辆行驶于平坦路段
当小型卡车处于静止状态时，打开系统电源开始数据采集，之后在平坦的公路上驾驶小型卡车，对比静止与行驶情况下监测数据的不同。可以看出，静止状态与行驶情况下数据无明显差异。
此外，因为数据总体不严格符合正态分布，对于异常点的判定采用切比雪夫不等式，如下所示：
D(X)表示方差，E(X)表示数学期望，k表示任意正数。
由下表6、7可看出，探头a采集的88个数据中，第1、10和23个数据超出3σ，占总数的3.4％；探头b采集的85个数据中，仅第54个数据超出3σ，占总数的1.2％。由此可知，车辆正常行驶于普通道路时，车辆底架弹簧和轻微的道路不平顺不会影响系统的正常工作。
表6监测点a超出3σ的数据点
点的序列 点的异常情况
1 小于-3σ
10 小于-3σ
23 小于-3σ
表7监测点b超出3σ的数据点
点的序列 点的异常情况
4 小于-3σ
4、车辆行驶于颠簸路段
在路面崎岖的道路上驾驶卡车并采集数据。将平坦和颠簸路段的监测数据进行相关性检验，来判定路况对监测数据的波动是否产生影响。
以b监测点的数据为例。假设路况对监测数据的波动没有显著影响，如表8所示，首先利用方差方程的Levene检验确定两个独立样本的方差是否相等，由P值大于0.05得知，可认为两独立样本的方差相等；再进行两独立样本的t检验得知，显著性大于0.05，接受原假设，认为两组数据均值没有显著差别。由此断定：颠簸路况对货物偏移量的监测未产生显著影响。
表8 t检验结果，单位为mm
5、货物出现偏移
在平坦的道路上驾驶卡车，卸下瓦楞纸箱的加固装置，以便于货物在运输途中改变所处位置，采集货物出现偏移时的监测数据。
可以测量出监测数据出现了断层，说明货物发生了明显的窜动后，停在了距离监测模块更近的位置。另需说明的是：由于截取货物偏移后的测试数据较多，且以样本整体均值的3σ为依据判定异常值，导致了货物偏移前的数据反而成为了异常数据。
实施例三
为检验系统在实际铁路车辆上的适用情况，模拟系统在铁路货运中的实际应用，在丰台区中车二七车辆厂进行冲击试验，模拟车辆的连挂过程；并进行货物实际偏移距离与监测系统采集数据的对比，判定监测数据的准确性。
将超声波测距模块钉在车辆木地板上，分别测试集装箱、货物静态和动态过程中监测数据的变化情况，以验证系统的在实际应用中的可行性。a测试点安装于集装箱的纵向，b测试点安装于货物纵向，并用记录货物的初始摆放位置。
由于车辆在连挂时会形成较大的冲击力，即使以较低的速度连挂，车体和承运货物也会在冲击力的作用下产生微小的弹性形变和位移。车辆冲击试验模拟了车辆的连挂过程，通过对车辆冲击过程中货物位移数据的采集、分析与处理，将判定车辆在车站内进行解编、中转作业时，实时监测与报警装置的适用情况。
通过实验，可以测量出被监测物体与车体发生了明显的相对位移。并将数据分为冲击前和冲击后两组，虽然两组样本均不服从正态分布，但是其数据量均大于30组，所以可以对其进行独立样本检验，两组数据的相关统计量如表9所示。
对数据进行独立样本检验，结果如表10所示，结果表明在置信水平95％的情况下，两组样本的均值差在(5.14mm，5.32mm)间，这与表6显示的b测试点动态数据变化情况吻合，说明系统测量的准确性。
表9 b测试点冲击前、后的数据统计量，单位为mm
表10数据的独立样本检验，单位为mm
表11：车体纵向监测点(b点)所采集静态数据的数理统计分析结果表,单位为mm
图7为车辆冲击实验时车体纵向监测点所采集动态数据的变化情况示意图，其中单位为mm。
本发明实施例的系统的试验结果总结如下：
(1)系统集成了偏移监测、无线传输、语音报警及记录时间、位置信息的功能，经实地监测，各模块工作正常，具有良好的应用效果。
(2)经不同工作场景的监测，发现路况、天气等外部因素不会对监测结果产生显著影响，监测结果准确可靠。
(3)通过观察几组监测数据发现，几乎每组数据中均有少量异常值，表现为跳动范围大、不连续出现。因此在设置语音报警时应该首先剔除异常值的干扰，再根据监测数据数值的变动范围来确定报警时机，一旦超出允许范围，立即报警。监测数据的变动范围可根据加固材料的弹性形变程度和统计学规律确定。
本发明实施例的系统的应用推广情况如下：
本系统除可应用于铁路阔大货物偏移量的实时监测外，还可应用于铁路普通货物及公路货物偏移量的实时监测和铁路国际联运中货物损坏、灭失责任的划分。
1、经铁路冲击试验可知，本系统可在铁路正常行驶和摘挂中转作业时，准确测量普通货物的偏移状态并及时报警。例如用敞车运输卷钢时，可将系统安装在敞车侧壁上，当卷钢发生移动时，系统可监测到卷钢的偏移信息并进行报警。或者用棚车运输成件包装货物时，可将系统安装于棚车端面上，用于货物倒垛情况的监测。
2、经公路模拟测试可知，本系统可在风雨恶劣天气下，当车辆行驶于平坦、颠簸路段上时，准确监测公路普通货物的偏移状态并及时报警。
3、在铁路、公路阔大货物运输中，若承运货物为刚体，即自身不能发生相对转动时，可根据实际装载加固方案，将检测系统安装在车辆的端面、挡板、地板等；当物体自身可发生相对转动时，可将用强磁或可清除胶等将系统固定于货物上，用于易活动部位的实时监测，以及车辆端面、挡板、地板等，用于货物整体的实时监测。
4、在国际铁路货物运输中，系统可安装于集装箱门锁或其他易撬部位。当偷窃行为发生时，系统的位置或状态将发生改变，与此同时，系统的地理位置和时间信息将被准确记录，记录的数据可用于货物损坏或灭失责任区段的划分。
综上所述，本发明实施例的运输途中货物装载加固状态实时监测系统可对货物运行途中的偏移状态进行实时监测与报警，能够帮助司机及时发现并排除安全隐患，减少事故发生，保障货物的安全运输。此外本系统具有一定的普适性，能在公路和铁路的阔大货物运输、普通货物运输以及国际铁路货运等进行扩展应用。系统创新点如下：
第一，可实现货物偏移量的实时监控与报警；
第二，天气、路况等外部环境因素对监测结果的准确性无影响；
第三，系统造价低，系统成本在200元左右，构造简单，安装、拆卸方便，易推广使用；
第四，系统功率小，能耗低，普通干电池能为系统提供长时间供电。整个系统采用5V供电，使用三节普通5号干电池即可满足要求，续航时间可达10天以上。
在未来的研究中，可以重点从实时监测与报警系统的应用推广方面着手，将系统应用于实际的运输业务中，研讨系统的应用与维护成本，构建完整的运用管理体制，在验证技术可行性的同时，获得更好的经济效益。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目标。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统，其特征在于，包括：超声波监测单元、无线传输单元和接收终端，所述超声波监测单元和所述无线传输单元电路连接，所述无线传输单元和所述接收终端通过无线网络连接；
所述超声波监测单元，通过发射超声波探测出监测单元与车辆载运的货物之间的距离信息，并将距离信息传输给无线传输单元；
所述无线传输单元，通过无线网络将所述距离信息传输给所述接收终端，根据所传输信息的传输距离确定其所需数量和安装位置；
所述接收终端，设置在驾驶室内，通过终端的显示屏实时显示距离信息，当根据所述距离信息判断所述货物发生偏移后，通过报警器发送报警信号；
所述超声波监测单元包括超声波探测器，所述超声波探测器的测距范围为2mm-400cm，测量精度为0.3mm；
所述接收终端包括：无线通信单元、CPU和显示器，所述CPU与所述无线通信单元、显示器电路连接；
所述无线通信单元，通过无线网络接收所述无线传输单元传输过来的所述距离信息，将所述距离信息传输给所述CPU；
所述CPU，将所述距离信息进行存储，并将所述距离信息传输给所述显示器；
所述显示器，将所述距离信息进行显示；
所述接收终端还包括：报警器，该报警器与所述CPU电路连接，
所述CPU，判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述报警器发送报警信号；
所述报警器，接收到所述报警信号后，发送报警信息；
所述接收终端还包括：定位单元，该定位单元与所述CPU电路连接；
所述CPU，判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述定位单元发送定位信号；
所述定位单元，接收到所述定位信号后，对车辆当前位置进行定位，将获取的当前车辆位置信息和当前时间信息发送给所述CPU；
所述接收终端还包括：
人机交互单元，该人机交互单元与所述CPU电路连接，具有按键功能，通过货物运输中装载加固材料的弹性形变程度设置货物对应的报警距离阈值，并根据不同场景的装载加固材料选择不同的按键功能；
所述无线传输单元包括基于ZigBee的无线通信协议的CC2530单片机。
2.根据权利要求1所述的一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统，其特征在于，所述CC2530单片机包括CC2530F256芯片。
3.根据权利要求1所述的一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统，其特征在于，所述超声波监测单元还包括蜂鸣器;
所述CPU，判断所述距离超出设定的报警距离阈值后，向所述无线通信单元发送报警信号;
所述无线通信单元，将所述报警信号发送给所述蜂鸣器；
所述蜂鸣器，接收到所述报警信号后发出报警信息。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种运输途中货物装载加固状态实时监测系统，其特征在于：
所述的超声波监测单元，采集各种场景下其与车辆上装载货物之间的距离信息，将所述距离信息通过所述无线传输单元传输给所述接收终端，所述各种场景包括车辆处于静止状态、车辆行驶于平坦路段、车辆行驶于颠簸路段和货物出现偏移情况；
所述接收终端，还采用切比雪夫不等式，对各种场景下的距离信息进行异常数值的判定与剔除，以及独立样本的方差检验和t检验。
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