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冷链物流公共服务平台中的物联网技术应用

物联网数据采集与管理

发布时间:2018年08月30日 来源:中国自动识别网 作者:张秋霞

在发达国家,易腐产品的冷链物流流通量接近100%,但国内则刚刚起步,果蔬类约5%,肉禽类约15%,水产类约40%,冷链设备的人均占有率差距更大。未来几年将是中国冷链物流发展的最好战略机遇期。
各级政府和相关企业在这方面做出了相当多的努力,基础设施建设是一个重点,冷链服务水平和冷链率有了一定的提高。但是,在全国范围内,对于冷链物流信息的标准化、冷链信息监控与公示、冷链产品的全程追溯等方面还处于各自为政、无章可循的混乱状态。
冷链数据的采集和管理,对于国内大多数企业和政府来说是一个新的亟待解决的问题,包括冷链设备的监控以及冷链数据展示等方面需要和原来的系统进行对接,这都是冷链发展过程当中新的挑战。
冷链物流公共服务平台作为实时数据中心(云平台),是进行数据处理、数据交换的枢纽。接入冷链物流公共服务平台的各级管理平台,传输的数据都是在统一的标准规范约束之下,形成统一规范的数据中心和云平台,可以与多个管理平台相连接,形成全国“一盘棋”。
全程冷链数据采集则依托物联网数据采集与管理平台,作为冷链物流公共服务平台的子平台,主要实现数据的采集、存储、传输、处理、统计、及其展示,因此要求本平台具有很好的数据交换和信息共享的能力。物联网数据采集与管理平台与冷链物流公共服务平台的关系如图1所示。
 
图1  冷链物流公共服务平台架构
 
物联网数据采集与管理平台面向各个应用系统,包括仓储管理系统、运输管理系统、门店管理系统和生产管理系统等,将这些信息系统所关联的温湿度信息、GPS信息、图像信息、自动识别手持设备信息等,实现统一的采集和管理,并通过管理平台进行展示和监控。
 
建设任务及目标
物联网数据采集与管理平台建设的任务是以冷链物流信息服务为出发点,通过对物联网设备的监控和管理,采集与冷链物流相关的位置信息,温湿度信息和图像信息等相关数据,与企业平台和管理平台实现采集数据的交互和监控展示,具体任务包括设备选型、数据采集和数据库的设计和搭建、GIS系统的应用等。
平台的建设目标是: 搭建高可用性的冷链信息采集平台,建设规模根据实际需求可大可小、灵活配置。前端可接驳各种互联网采集设备;后端能与管理平台和企业平台实现灵活便捷的数据交换,能够支持企业级和政府部门级的冷链监控。
物联网数据采集与管理平台借助物联网、大数据、云计算及移动互联网等技术,通过自身的数据采集、数据挖掘以及数据共享等功能,实现从产地到用户、从最先一公里到最后一公里的冷链全过程监控,将低温冷库、大型冷链物流车、商超设备、中小型电动冷藏车、生鲜自提柜和冰柜等制冷产品串联起来,形成一条完整的冷链监控链条,从采购到仓储,从后方储藏到前端展示,从干线运输到城市“最后一公里”配送,做到全过程冷链不断链。
物联网数据采集与管理平台既可通过自身的平台功能独立为用户提供各类业务服务,亦可为冷链物流公共服务平台,以及各级管理平台或各类业务系统提供数据级、功能级支持,形成完整、深入的信息化体系,共同为冷链用户提供信息化服务。
下面具体介绍一下冷链场所监控和冷链运输监控。
冷链场所监控是指对冷链固定场所包括预处理冷库、产品加工场所、冷藏冷库、配送中心、产品销售及使用场所的环境监控。
固定场所通过物联网、互联网技术进行数据采集及数据传输,用户可通过智能APP客户端(手机、电脑、PAD)实现对冷库的位置、温度、湿度、气体成分、故障诊断、远程智能监控和控制。
针对更严格的管理制度,平台可支持对固定场所的保温、密封性能进行检查维护,对电路、水路和制冷设备进行维修保养,对场所内使用的周转箱、包装物、装卸设备进行检修,产品进入固定场所前需要进行的消毒灭菌等。
冷链运输监控包括车辆在行驶过程中,平台可随时调控车厢内的温度,使商品始终处于规定的温度环境中,温度自动记录器会随时记录车厢内的温度,实现全程温度透明监控,确保温度数据全程可视化。建立完整的冷链监测平台,通过约束开门时间和开门次数,减小温度升高带来的货物品质影响。通过温度传感装置实时监测及反馈温度信息。另外,交接过程实时推送,实现电子回单。完成冷链运输任务后,将温度记录数据上传至管理平台或数据中心,可随时查询。冷链运输监控具体目标如图2所示。
 
图2  冷链运输监控目标
 
用户还可以通过手机客户端对冷藏车GPS实时定位、在途物品温湿度控制、在途紧急情况报警、速度、故障诊断的远程智能监控和控制等,轻松实现对冷链运输存储环境的全面监测,及库存管理、订单管理、智能配货、能耗管理等,实时掌控在途物品数量变化。
 
整体架构设计
物联网数据采集与管理平台建设将借鉴各行业的物联网创新示范技术,引入大数据、云计算等最新理念,参考国内外冷链信息化建设的优选经验,以标准化、体系化、开放性为技术实现准则,推动冷链监控、追溯、控制及信息共享等全环节信息化建设水平实现质的飞跃。物联网数据采集与管理平台的网络拓扑,如图3所示。
 
图3  数据采集网络拓扑
 
物联网数据采集与管理平台可为企业自身提供数据采集与管理服务,企业可通过平台达到自身监控与管理;同时平台亦可满足各级监管单位对企业的监管,可通过平台将企业数据进行采集、存储、监控及管理,平台支持多级平台的数据配置,例如监控数据可划分为企业级->地市级->省级->国家级:所有原始数据在企业级处进行保存;地市级平台与企业级平台对接,获取企业数据,对于重点关注部分可直连企业进行原始数据查看;省级平台与地市级平台对接,获取各地市数据,对于重点关注部分可直连企业进行原始数据查看;国家级平台与省级平台对接,获取各省数据,对于重点关注部分可直连企业进行原始数据查看。
 
数据统计与展示
冷链资源
冷链资源的位置展示用地图标示的方法,冷链资源的状态可以在其基础上进一步展示:
在地图上分别标注冷库、冷车、冷柜及其物联网设备的位置,方法是设计四个选择键(如冷库、冷车、冷柜和物联网设备);
标注所有物联网设备的在线状态:在选择了物联网设备展示时,用不同颜色或图标标注设备的在线状态(如在线、离线、故障等)。
温度与报警
能够展示产品全程可追溯的温湿度信息;展示某一个或者某一组(某个企业的)温湿度的历史数据;用曲线图的形式表现和展示;
温湿度超过阈值的报警:在选择物联网设备展示时,用红色或图标醒目地标注设备检测到超出规定阈值的状态;
监控设备
采用通常监控系统的展示方法,在管理平台上可以调看各个企业安装的不同位置的实时图像。
采集设备的状态展示有两种方式:一个是拓扑图形式;另一个是地图形式。
设备状态用拓扑图形式表示:指的是用树形结构表示所有的物联网采集设备的状态。
用地图形式的表示方法见“冷链资源的位置及状态展示”。
预警报警
检测数值超限预警和报警分为两种展现形式:中断方式和查询方式。
中断方式:是在检测到告警后,在屏幕上弹出一个对话框:告知某个设备的温湿度已经告警,点击“查看”后,可跳转到查询方式;
查询方式:跳转到冷链资源的位置及状态展示。分别以白色、绿色、黄色、红色来表示该点的状态为:离线、正常、预警、报警。
为更加有效及时地应对紧急情况,平台同时将支持短信告警、电话告警等告警形式。
数据统计
冷链数据展示中包含企业数据,产品数据,单据数据,温湿度数据,车辆数据,冷库冷柜数据,视频监控七类数据。数据统计则是数据展示的基础。
将鼠标移动至地图展示页面上的任何一个省市后,点击该省市,会在右侧显示出该地区所有企业总数量,以及四种企业类型数量,企业类型为销售企业总数量、生产企业总数量、运输企业总数量、仓储企业总数量。也可以统计并显示出当前冷车、冷库、冷柜、温湿度探头、监控摄像头总数量。
温度达标率
在特定的时间段内,产品在流通环节中冷库/冷车/冷柜存储的环境温度在其要求温度范围内运营的时长与冷库/冷车/冷柜总运营时长的比值。例如,某冷库,一个月时间里,在-18℃(为正常运行温度)以下的时间为28.5天,高于-18℃的时间为2.5天。那么该冷库的此段时间的温度达标率为:28.5÷31=91.9%。
监控率
监控的冷库/冷藏车/冷柜的数量与所有运营的冷库/冷车/冷柜的数量的比值。
在线率
被监控的冷库/冷车/冷柜在运营数与被监控冷库/冷车/冷柜的总数量的比值。
 
数据采集与存储
数据采集和存储的对象包括:温湿度信息的采集、位置信息采集(GPS)、图像信息采集。因牵扯追溯,大多企业的原始数据将要求在本地留有备份,且至少需要保存半年,数据上传将有下述几点要求:
温湿度等监测数据需实时上传至服务器,可灵活配置上传时间间隔/频率;针对视频数据:海量的原始数据首选将留存至本地,监管平台可远程接入本地数据进行实时查看,同时支持回看;平台对于关键事件、关键时间点的视频数据,支持上传并保存至监控中心平台;针对网络中断情况,平台支持网络恢复后,自动同步未上传部分数据。
每一个物联网设备都有全生命周期的数据采集和存储。一个设备接入到平台并开始工作以后,该设备所有采集的数据都会被记录下来,以便在后来的产品追溯或安全追溯的过程中查询。采集数据的存储需要两个维度:采集的数据和时间轴。需要建立所有采集数据的数据库(称之为物联网数据资源池),统一管理采集到的数据。在进行回溯查询时,提供设备号(单个资产项目代码)和时间即可准确读取。
数据结构
一定要遵循《供应链企业基础信息规范》中规定的企业基础信息,冷库、冷藏车、冷柜的基础信息是企业信息的子集,每个互联网设备都有一组连续的历史数据和实时数据。这些信息都在管理平台上登记注册和管理。
企业基础信息和冷链资源基础信息均由管理平台统一管理,信息的输入由各个企业通过注册和登记来完成。
一个管理平台可以管理若干多个企业,本平台需要和管理平台进行冷链资源信息的交互(如上报和展示)。
无固定IP数据采集方案
为解决实际操作过程中,需要访问企业的网络并采集数据,特别是对于个别企业数据点的网络环境没有固定IP地址的情况,仍然需要连续不断地采集相关的温湿度和图像数据,以保证数据能做被连续不断地采集。数据资源池部署的外网,在数据采集过程中要考虑到不同网络环境的采集数据的上传,比如遇到没有固定IP地址的局域网环境。
动态域名解析方案
实现动态域名解析有两个关键步骤:第一步是获取当前本地网络的IP地址,第二步是在DDNS服务器端将域名和IP地址进行关联。
动态域名解析需要购买第三方服务,例如花生壳、NAT123、DNSPOD。
动态域名解析在动态IP绑定的技术实现上有两种方式:一种是内网客户端安装第三方提供的客户端,IP绑定工作交由客户端来完成;另一种是无需安装第三方客户端,以DNSPOD为代表的域名解析服务商,提供域名记录修改API,将API嵌入程序代码,按需向域名服务商修改域名记录,实现动态域名解析。
反向代理
平台方搭建反向代理服务器,用来管理企业动态IP关联关系,如图4所示。  
图4  正向代理、反向代理示意图
云平台
建设冷链物流云平台,由云平台为企业分配管理账户,每个企业都有自己的管理PORTAL,企业所有数据将会同步至云平台,为企业管理层提供企业数据仪表盘。
温湿度数据采集与存储
移动温湿度信息
存储所有车载温度和湿度传感器的信息:记录平台上所有车辆的所有时间段的温湿度信息,时间间隔为一分钟。
冷藏车在非工作时间内,由于受到外界温度的影响,温度会变化,甚至会超出阈值。因此在记录冷藏车温度的时候,非工作时间给定一个特定值(比如设定为零度),温湿度传感器的状态为非工作状态或离线状态。
固定温湿度信息
固定点温湿度信息指的是安装在冷藏库或冷柜等固定位置的温湿度传感器信息,该信息的采集和存储,比动态信息要简单得多。只需要存储所有现场温度和湿度传感器的信息即可。记录所有时间段的温湿度信息,时间间隔为一分钟。
温湿度预警和报警
温湿度的采样值如果超限需要预警和报警。
温湿度阈值的设定属于相对静态的信息,每一个温湿度传感器的度量值均设有上限和下限,超出上下限时为报警;接近上下限时为预警。因此每个温湿度传感器有两对阈值,可以在管理平台上设定。
位置信息的采集与存储
动态位置信息
主要指的是车辆动态。采集车辆的位置信息,存储所有车辆的所有历史时刻的位置:对于市内短途运输,每隔两分钟记录一次地理位置;对于长途运输,每隔十分钟记录一次地理位置。
记录的时间间隔,可以被设置。
静态位置信息
静态位置包括企业位置及其冷链资源的位置(冷库、冷车、冷柜等)。
静态位置信息(如企业的位置)的采集和存储分为两个步骤:首先取得企业的物理地址,比如某省某市某区某街道,门牌号(这个动作不属于开发内容,属于数据准备);然后通过相关地理信息技术取得该企业的经纬度信息,然后在地图上标注出来。这个可能需要设计一个专门的程序。
异常位置信息
平台可根据位置基础数据进行分析与解读,针对运输安全进行管理:超速报警、拐弯车速报警、加速度报警;紧急报警、车辆设备故障报警;疲劳驾驶报警、偏离路线报警、作业超时报警。
图像信息的采集与存储
图像信息用于监视和记录冷链物流现场操作的实况。方法是实时采集图像并存储。滚动存储的时间周期可以设定,比如一个月。
应用及显示的要求分成两种情况:一个是实时显示操作现场的图像,作为监控图像展示,具体要求参见章节“监控图像的展示”;另一个是追溯过去的图像信息,由管理平台给出时间和设备号,通过接口获取该时间点的30秒钟(时间长度可设定)的图像记录。展示的方式是弹出一个窗口,播放录像,然后可以被关闭。这个动作需求会在产品追溯的时候发生。
固定点视频采集
固定冷链资源因工作温度等条件约束,需要配备专门的视频监控设备,避免设备无法正常工作、玻璃结霜等情况。固定点视频采集如图5所示。
 
图5  固定点视频采集
移动端视频采集
车载设备搭载GPRS/3G/4G 网络传输模块,将GPS、温湿度、视频等信息传递至服务器。移动端视频采集如图6所示。
 
图6   移动端视频采集
 
关键视频采集模式
单摄像头单天数据量约为30GB,全年数据量约10TB,如平台采集全量数据将耗费过量资源,故原始视频数据建议保存至企业本地,作为管理平台将保存关键节点的视频数据即可。
平台应支持关键节点的数据采集原则,如物流交接单瞬间相衔接上下游的数据比较重要需保存;异常事件发生时的抓取。
 
数据交互与共享
伴随企业对信息化愈加重视,大多企业已将自身的生产、仓储、运输及销售等环节通过信息化手段(如ERP、追溯系统等)进行管理。平台针对冷链全过程进行了数据采集与监控,此部分数据应与企业各个营运环节相关联记录,原信息化系统与该平台可最终以完整一体化的数据形式进行呈现,为企业管理提供决策支持。
为企业原有信息化系统提供监控数据
平台可通过单点登录的技术手段,提供整体应用(URL链接功能模块)、页面模块(网页iFrame形式)、数据通信接口等方式为已有信息化系统提供对接服务。
某产品在仓库存储的某段时间里,仓库温湿度的变化,如图7所示。
 
 图7  仓库温湿度变化
 
针对市场份额较大的软件厂家,平台将逐步对接其主流产品,实现与主流产品的无缝对接,针对并未有信息化建设的企业,服务人员可针对企业现状为其提供合适的信息化系统进行推荐。
作为独立平台为企业提供监控数据
对于无成型信息化系统的企业,平台也可提供一定的监控追溯功能为客户提供服务。
功能对接场景分析
采用自动化技术、自动识别技术、信息加密技术,赋予每个产品唯一身份识别码并与产品进行绑定,清晰记录产品从生产到仓储到最后物流及分销各个环节的数据信息,使产品的全过程监管成为可能。当产品的质量出现问题时,可通过系统查询到产品的具体批次、生产时间、生产班组、流通区域等信息,以便追查引起的原因,实现快速准确的召回处理。对接场景如图8所示。
 
图8  功能对接
 
编码标准
对平台内的企业、产品、车、库、柜、温度传感器、定位芯片、摄像头等,都赋予一个唯一的标识代码。
支持条码标签、二维码标签及RFID标签,支持扫描枪、数据采集器、手持终端等设备进行识别;产品生成唯一身份识别码,同时该识别码可与企业现有信息化系统识别码相匹配,便于系统间信息交互。
产品入库、出库、退货时对标签进行扫描,并赋予特定信息(操作类型、时间、代理商、产品信息等),最后可通过系统的查询追踪功能进行过程监控。
移动终端数据对接
企业无信息管理系统无需对接,针对有信息管理系统的企业,需按照是否有手持扫码流程情况进行区分:
原系统有手持扫码流程
原系统有手持扫码流程,由平台提供数据接收接口,从原有MIS中获取关键节点数据即可,如图9所示。但获取数据将受限于企业原有系统的数据采集能力。
 
图9  原系统有手持扫码流程
 
原系统无手持扫码流程
原系统无手持扫码流程,则使用平台提供的手持扫码功能,可灵活定制丰富的数据采集内容,将现有MIS所需数据由平台同步即可,如图10所示。
 
图10   原系统无手持扫码流程
 
 
数据采集硬件的选取原则
平台设备选型将优先选择具有良好的互联、互通、互操作能力及升级能力的设备,设备需遵循最新的国际标准、国家标准和行业标准,具有良好的开放性且通用、价格合理,平台将针对不同的使用场景提供个性化的完整解决方案。
平台建成后将开放性支持各类设备,可与各设备厂家合作联调对接。硬件可通过平台注册,入网后给标识统一编号。
目前业内较为通用的协议如下:  传感器与常用的数据采集器通讯:M-bus/Modbus RTU; 传感器与常用的物联网控制器通讯:Modbus RTU、模拟量(4-20mA,0-10V等);常用的物联网控制器与具体控制设备对接:Modbus RTU(RS485)、硬接线;为保证系统兼容性、开放性,视频监控全部采用开放的GB28181标准,支持onvif或psia协议。
 
(作者单位:北京物资学院)
《中国自动识别技术》2018年第4期总第73期

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