基于物聯(lián)網(wǎng)的貨運(yùn)站列車(chē)探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

趙耘華 上海鐵路局信息技術(shù)所

基于物聯(lián)網(wǎng)的貨運(yùn)站列車(chē)探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

趙耘華 上海鐵路局信息技術(shù)所

列車(chē)探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)研究與建設(shè)以“鐵路貨運(yùn)站管理信息系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，突出自動(dòng)信息采集與處理，主要包括改造和建設(shè)貨運(yùn)站股道列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)和貨場(chǎng)定位系統(tǒng)等，并對(duì)設(shè)備、數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與管理，為貨運(yùn)站列車(chē)管理、裝卸作業(yè)監(jiān)控、人員貨物定位提供有效的信息化管理手段，在貨運(yùn)站管理工作中取得了很好的應(yīng)用效果。

車(chē)號(hào)識(shí)別；列車(chē)探測(cè)；高精定位

1 引言

鐵路貨運(yùn)具有運(yùn)量大、成本底、準(zhǔn)點(diǎn)率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，承載了巨量的大宗貨物運(yùn)輸，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，傳統(tǒng)的鐵路貨運(yùn)理念、辦理方式、運(yùn)輸組織等都已不能很好地適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，鐵路貨運(yùn)技術(shù)改革迫在眉睫。

我國(guó)鐵路貨運(yùn)信息化有一定基礎(chǔ)，但仍面臨眾多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為：不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通不暢，信息各自獨(dú)立，難以共享；現(xiàn)行的貨場(chǎng)管理系統(tǒng)以人工錄入方式采集數(shù)據(jù)或不同系統(tǒng)間傳遞數(shù)據(jù)，信息采集不正確、不完整、不及時(shí)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、運(yùn)營(yíng)平臺(tái)復(fù)雜。因此，鐵路貨場(chǎng)系統(tǒng)的改革十分必要和迫切。

為最大限度滿足現(xiàn)代物流對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)囊螅鉀Q貨運(yùn)站列車(chē)到、發(fā)和裝卸作業(yè)信息錄入量大、時(shí)間滯后的難題，降低人工錄入信息的失準(zhǔn)率，提高鐵路貨物運(yùn)輸組織工作效率，結(jié)合上海鐵路局貨運(yùn)中心面積大、庫(kù)臺(tái)多、裝卸作業(yè)量大的實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)并實(shí)施了貨運(yùn)站列車(chē)探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于鐵路物流領(lǐng)域是今后的發(fā)展趨勢(shì)，本系統(tǒng)嘗試?yán)梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)解決我國(guó)鐵路貨場(chǎng)領(lǐng)域的難題。采用RFID、無(wú)線傳輸?shù)葌鞲屑夹g(shù)，建立基于Web的鐵路貨場(chǎng)系統(tǒng)，以“鐵路貨運(yùn)站管理信息系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)挖掘、智能分析和信息融合等技術(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和整合應(yīng)用，有助于實(shí)現(xiàn)鐵路精細(xì)化管理，推動(dòng)我國(guó)鐵路貨場(chǎng)信息化進(jìn)程，提高鐵路貨物運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量，有效促使鐵路物聯(lián)網(wǎng)有序地建設(shè)發(fā)展。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

本系統(tǒng)遵循“需求牽引、統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、分步實(shí)施、資源共享”的建設(shè)原則，應(yīng)用RFID、無(wú)線傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與視頻智能識(shí)別技術(shù)，并基于股道沿線布設(shè)的磁敏超聲傳感器、攝像機(jī)設(shè)備，通過(guò)協(xié)同感知、智能聯(lián)動(dòng)、融合處理，實(shí)現(xiàn)在貨運(yùn)列車(chē)進(jìn)出股道時(shí)自動(dòng)采集識(shí)別列車(chē)車(chē)號(hào)、自動(dòng)記時(shí)，以及對(duì)?？苛熊?chē)或車(chē)廂、倉(cāng)庫(kù)貨物、裝卸機(jī)械設(shè)備（叉車(chē)等）的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位等功能，以形成完善的現(xiàn)代鐵路智能化貨場(chǎng)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，并為鐵路貨場(chǎng)管理提供有效的技術(shù)支撐。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

列車(chē)探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)由應(yīng)用子系統(tǒng)和貨運(yùn)站監(jiān)控平臺(tái)組成。

應(yīng)用子系統(tǒng)由列車(chē)自動(dòng)探測(cè)、列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別、貨場(chǎng)定位分系統(tǒng)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)前端探測(cè)設(shè)備的控制，融合處理后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、上傳、狀態(tài)管理等操作，設(shè)備管理接入權(quán)限局限于本系統(tǒng)之內(nèi)；應(yīng)用系統(tǒng)需根據(jù)監(jiān)控平臺(tái)信息中心業(yè)務(wù)定義，完成原始感知數(shù)據(jù)的采集和本地化協(xié)同處理，并上傳至信息服務(wù)中心，同時(shí)需接受監(jiān)控平臺(tái)的控制請(qǐng)求。各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

3.1 列車(chē)自動(dòng)探測(cè)分系統(tǒng)

列車(chē)自動(dòng)探測(cè)分系統(tǒng)主要采用磁敏檢測(cè)技術(shù)技術(shù)原理，利用列車(chē)車(chē)廂的金屬材料對(duì)地球磁場(chǎng)引起的擾動(dòng)，通過(guò)磁敏檢測(cè)技術(shù)感知擾動(dòng)的存在并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。磁敏傳感器設(shè)備由檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理器、無(wú)線發(fā)射機(jī)、電池及密封殼體等組成，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊可對(duì)列車(chē)通過(guò)信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的自動(dòng)探測(cè)。

本系統(tǒng)基于貨運(yùn)站庫(kù)臺(tái)實(shí)際環(huán)境和安裝條件，在軌道平臺(tái)側(cè)面布設(shè)多個(gè)磁敏傳感器組成檢測(cè)陣列，對(duì)列車(chē)行進(jìn)位置進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)有列車(chē)進(jìn)入和離開(kāi)時(shí)，探測(cè)器上方有金屬切割磁力線，使磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)生擾動(dòng)變化，磁敏傳感器即能自動(dòng)探測(cè)并識(shí)別出列車(chē)進(jìn)入和離開(kāi)。探測(cè)的信息采用無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)基站，進(jìn)行匯總后經(jīng)中繼傳輸?shù)胶笈_(tái)。并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)架設(shè)在軌道附近的數(shù)據(jù)基站接收、轉(zhuǎn)發(fā)至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心。結(jié)合車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，可以根據(jù)車(chē)號(hào)在監(jiān)控平臺(tái)分系統(tǒng)上標(biāo)記出列車(chē)所在貨場(chǎng)的實(shí)時(shí)位置。

列車(chē)自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的安裝包括磁敏傳感器安裝和基站安裝?；矩?fù)責(zé)接收并處理控制區(qū)域內(nèi)每個(gè)磁敏傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺(tái)控制中心。基站和磁敏傳感器之間通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信，和后臺(tái)之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的局域網(wǎng)通信?？紤]到取電和鏈接通信網(wǎng)絡(luò)的方便性，基站的安裝位置選擇了磁敏傳感器陣列安裝位置附近的立桿支架。

3.2 列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別分系統(tǒng)

列車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別分系統(tǒng)結(jié)合了圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)，在庫(kù)臺(tái)入口股道處放置一個(gè)CCD攝像機(jī)，實(shí)時(shí)采集車(chē)號(hào)圖像，對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理與識(shí)別。在攝像機(jī)旁邊安裝有控制箱，用于對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行供電和圖像數(shù)據(jù)傳輸。在機(jī)房安裝有一臺(tái)工控機(jī)，用于對(duì)車(chē)號(hào)進(jìn)行智能識(shí)別處理。本項(xiàng)目車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別過(guò)程如圖1所示。

圖1 貨車(chē)車(chē)廂車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別簡(jiǎn)要過(guò)程

當(dāng)CCD攝像機(jī)采集到一組列車(chē)進(jìn)入股道的視頻后，對(duì)動(dòng)態(tài)采集到的視頻圖像和靜態(tài)圖片進(jìn)行濾波、邊界增強(qiáng)等處理，在機(jī)車(chē)的相應(yīng)位置沒(méi)有采集并識(shí)別出車(chē)號(hào)圖像，將第一節(jié)車(chē)的車(chē)號(hào)標(biāo)記為0，用于標(biāo)識(shí)機(jī)車(chē)，與車(chē)廂進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)車(chē)廂間隙出現(xiàn)時(shí)，算法識(shí)別出間隙，判斷下一節(jié)車(chē)廂已進(jìn)入圖像采集與識(shí)別范圍，生成靜態(tài)圖像，在采集到的圖像中自動(dòng)找到車(chē)號(hào)的位置，直至最后一節(jié)車(chē)廂完成圖像采集。在車(chē)號(hào)圖像采集完畢后，需對(duì)車(chē)號(hào)進(jìn)行圖像灰度化，圖像平滑，車(chē)號(hào)區(qū)域定位，圖像二值化，傾斜校正等處理，為下一步的工作做好準(zhǔn)備。接著，將車(chē)號(hào)區(qū)域分割成單個(gè)的字符區(qū)域，并解決數(shù)字圖像模糊、字符斷裂等問(wèn)題，為字符識(shí)別做準(zhǔn)備。最后，在每個(gè)字符圖像中運(yùn)用多種方法進(jìn)行綜合處理，識(shí)別出字符文字。

車(chē)號(hào)識(shí)別分系統(tǒng)的設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳輸需要適應(yīng)不同的戶外環(huán)境，本系統(tǒng)能夠全天候進(jìn)行車(chē)號(hào)采集作業(yè)，且在運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)下都能對(duì)車(chē)號(hào)進(jìn)行采集和自動(dòng)識(shí)別。

3.3 貨場(chǎng)定位分系統(tǒng)

貨場(chǎng)定位系統(tǒng)建設(shè)的目的是將倉(cāng)庫(kù)貨物、裝卸作業(yè)車(chē)等進(jìn)行高精度定位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出場(chǎng)貨物進(jìn)行出入庫(kù)管理、停留時(shí)間記錄、貨物反向查找等功能，貨場(chǎng)定位分系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 定位分系統(tǒng)示意圖

本分系統(tǒng)所采用的定位技術(shù)是一種基于極窄脈沖的無(wú)線技術(shù)，具有發(fā)射功率低、傳輸速率高、穿透能力強(qiáng)、無(wú)載波、抗干擾效果好等特點(diǎn)。系統(tǒng)主要由高精度定位標(biāo)簽、高精度定位基站、通訊接入點(diǎn)（AP）和定位服務(wù)器組成，可用于貨場(chǎng)內(nèi)靜止或移動(dòng)物體和人員的定位、跟蹤。根據(jù)使用環(huán)境和算法的不同，精度可保持在（10~30）cm。

將定位基站布設(shè)于貨場(chǎng)內(nèi)部，將貨場(chǎng)分為4個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域分別進(jìn)行高精度定位；將定位標(biāo)簽固定于人員、裝卸車(chē)輛、重要物品上，并周期性地發(fā)送無(wú)線脈沖，基站接收到信號(hào)后，通過(guò)自帶的 Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)回傳至通訊 AP，各個(gè)基站接收到的信號(hào)最終經(jīng)由通訊 AP匯集至定位服務(wù)器。定位服務(wù)器對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)無(wú)線脈沖在空間中的傳播時(shí)間，計(jì)算出標(biāo)簽與基站之間的絕對(duì)距離，通過(guò)空間解算獲得標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置。通過(guò)電子地圖可以監(jiān)視并實(shí)時(shí)顯示各現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)簽的位置，監(jiān)控人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他個(gè)人終端訪問(wèn)定位服務(wù)器，查詢?nèi)?、?chē)、物的實(shí)時(shí)位置信息，對(duì)于叉車(chē)超速、碰撞，人員違規(guī)作業(yè)進(jìn)行告警，同時(shí)減少貨物丟失，既可保障作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人車(chē)安全，又可提高倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)效率及信息化水平，降低企業(yè)成本。

3.4 貨運(yùn)站監(jiān)控平臺(tái)

貨運(yùn)站監(jiān)控平臺(tái)由信息服務(wù)中心和指揮控制中心構(gòu)成。

信息服務(wù)中心，主要完成與信息安全、信息聯(lián)合挖掘、業(yè)務(wù)響應(yīng)、事務(wù)流程管理等自動(dòng)化處理任務(wù)，具體包括鐵路監(jiān)控車(chē)牌識(shí)別數(shù)據(jù)平臺(tái)、列車(chē)探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)、電子地圖與貨場(chǎng)定位數(shù)據(jù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)交換與資源前置處理中間件模塊、運(yùn)行維護(hù)模塊和咨詢管理模塊六部分，對(duì)經(jīng)過(guò)前端探測(cè)設(shè)備融合處理后的有效信息數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；同時(shí)前端探測(cè)設(shè)備在安裝完成后，需經(jīng)過(guò)應(yīng)用子系統(tǒng)與信息服務(wù)中心進(jìn)行交互，完成設(shè)備注冊(cè)業(yè)務(wù)流程，上報(bào)信息服務(wù)中心；信息服務(wù)中心以電子地圖為基礎(chǔ)，建立部件和事件管理機(jī)制，部件主要指鐵路監(jiān)控設(shè)施，事件主要指鐵路監(jiān)控信息，結(jié)合數(shù)據(jù)交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，通過(guò)資訊管理模塊實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)布，用戶和業(yè)務(wù)的管理等。

指揮控制中心主要包括應(yīng)用管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、運(yùn)行維護(hù)模塊和信息發(fā)布模塊。通過(guò)瀏覽器等終端接入設(shè)備，使用Http報(bào)文對(duì)信息中心中資訊管理與發(fā)布模塊中的內(nèi)容進(jìn)行交互訪問(wèn)。同時(shí)指揮控制中心可對(duì)各應(yīng)用監(jiān)控處理的設(shè)備和信息服務(wù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和操作，以集中管理為目的，具有對(duì)所有應(yīng)用子系統(tǒng)的接入權(quán)限，具有數(shù)據(jù)分析、報(bào)表展示、信息發(fā)布和集中管理等功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系圖

數(shù)據(jù)庫(kù)說(shuō)明如下：

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)：存放各應(yīng)用監(jiān)控子系統(tǒng)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)信息；系統(tǒng)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)：存放應(yīng)用子系統(tǒng)相關(guān)的鐵路監(jiān)控設(shè)施信息；

監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫(kù)：存放進(jìn)出入車(chē)牌號(hào)、車(chē)速、事件發(fā)生時(shí)間等信息；

地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)：存放與貨物位置、設(shè)施安裝位置相關(guān)的地理位置；

指揮控制中心管理數(shù)據(jù)庫(kù)：存放指揮控制中心專(zhuān)用的數(shù)據(jù)信息。

貨運(yùn)站監(jiān)控系統(tǒng)需支持多系統(tǒng)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)處理工作，所以設(shè)計(jì)穩(wěn)定、高效、方便的數(shù)據(jù)交換接口非常重要。從系統(tǒng)性能和系統(tǒng)的擴(kuò)展性出發(fā)，整套數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口主要分為三種：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換接口、本地?cái)?shù)據(jù)交換接口和直接數(shù)據(jù)共享接口。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換接口通過(guò)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)傳輸接口來(lái)實(shí)現(xiàn)以及管理。通過(guò)松散耦合的數(shù)據(jù)交換接口，基于XML、JSON報(bào)文等描述方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)、異構(gòu)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本地?cái)?shù)據(jù)交換接口采用原生接口進(jìn)行交互。直接數(shù)據(jù)共享接口則通過(guò)服務(wù)器之間的千兆光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步管理；系統(tǒng)業(yè)務(wù)流采用SOA（Service-Oriented Architecture）面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)架。通過(guò)SOA面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)可以在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口上建立松散耦合的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為今后資源的整合、重組以及系統(tǒng)的復(fù)用提供基礎(chǔ)。在面向服務(wù)體系構(gòu)架中，為各個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)提供基于Restful WebService的標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)接口，并采用面向?qū)ο蟮腗VC程序設(shè)計(jì)架構(gòu)，構(gòu)建基于B/S訪問(wèn)架構(gòu)的用戶訪問(wèn)和信息發(fā)布機(jī)制，在中心完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分類(lèi)、抽取、挖掘和融合等處理的同時(shí)，根據(jù)不同用戶主體的信息需求情況制定發(fā)布機(jī)制，將相關(guān)的信息按照規(guī)范的協(xié)議發(fā)布給相應(yīng)用戶，或者提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)鐵路監(jiān)控信息查詢接口，滿足用戶的交互信息需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨場(chǎng)是鐵路車(chē)站的組成部分，是鐵路組織貨物運(yùn)輸?shù)幕鶎由a(chǎn)單位，同時(shí)鐵路貨場(chǎng)作為鐵路貨運(yùn)面向市場(chǎng)的窗口，它直接與客戶聯(lián)系，主要辦理貨物的承運(yùn)、保管、裝卸和交付等作業(yè)?？茖W(xué)的貨場(chǎng)作業(yè)方式是保證鐵路貨運(yùn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

貨運(yùn)站列車(chē)探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷完善優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了上海北郊站的試點(diǎn)應(yīng)用，將原來(lái)對(duì)貨車(chē)運(yùn)輸狀態(tài)、裝卸作業(yè)數(shù)據(jù)的錄入方式由人工錄入提升為自動(dòng)采集的方式，簡(jiǎn)化了中間過(guò)程，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)難度，有效提高了生產(chǎn)管理能力，并能量化工作質(zhì)量，為貨運(yùn)站績(jī)效考核提供參考依據(jù)。

[1]張晨明.鐵路貨場(chǎng)信息化及其安全性研究[D].西南交通大學(xué),2008.

[2]楊大治.基于圖像處理的鐵路貨車(chē)車(chē)號(hào)識(shí)別及其應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué).2010.

[3]安平.基于BPR的鐵路貨場(chǎng)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué).2012.

責(zé)任編輯：王華 胡雄偉

來(lái)稿日期：2016-11-22