貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)研究

周志龍

(中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司 運(yùn)輸管理部，陜西 榆林 719316)

1 貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)現(xiàn)狀

貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)在鐵路貨物運(yùn)輸中占有舉足輕重的地位，貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)是鐵路貨運(yùn)安全管理的薄弱環(huán)節(jié)。貨運(yùn)站裝卸設(shè)備規(guī)模大、作業(yè)人員多、物流流向復(fù)雜，導(dǎo)致貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)危險(xiǎn)性較高。貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)主要包括：接發(fā)列車、傳遞票據(jù)、檢查關(guān)門車、列車試風(fēng)檢查、檢查車號(hào)、現(xiàn)車確認(rèn)及貨物裝載檢查等工作。近年來，隨著鐵路開行重載列車、擴(kuò)能改造等一系列措施的實(shí)施，列車運(yùn)行速度提高、密度增加，重載列車數(shù)量增多，給鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全帶來考驗(yàn)，提高了貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)人員接發(fā)列車、監(jiān)視列車作業(yè)及運(yùn)行、車站現(xiàn)在車管理等作業(yè)的工作難度[1]。目前，貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)主要存在以下問題。

（1）作業(yè)人員素質(zhì)有待提高。如果作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)欠缺或作業(yè)時(shí)精神狀態(tài)不佳、注意力不集中，都會(huì)造成事故隱患。在接發(fā)列車作業(yè)中，助理值班員接到值班員現(xiàn)場接車的指令后存在不出場作業(yè)的情況，或即使出場也沒有嚴(yán)格按“三面六看”(三面為面對車頭、正面列車、面對車位，六看為遠(yuǎn)看裝載、近看走行、棚車看車門車窗、敞車看裝載篷布、罐車看排油孔罐蓋、守車看標(biāo)志) 要求作業(yè)。同時(shí)，當(dāng)有隱患的車輛發(fā)生事故時(shí)很難追責(zé)查清事故發(fā)生的具體位置和時(shí)間，無法確認(rèn)是否因?yàn)樵撝碇蛋鄦T的疏忽引起的事故。

（2）作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)難以避免。當(dāng)貨運(yùn)站列車頻繁交會(huì)時(shí)，作業(yè)人員接發(fā)列車需要經(jīng)常穿越線路，有時(shí)還需翻越車輛，部分人員甚至存在鉆車現(xiàn)象，對作業(yè)人員的人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。

（3）作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控效果不佳。當(dāng)助理值班員在站臺(tái)上接發(fā)列車、監(jiān)視列車運(yùn)行時(shí)，只能看到列車的一側(cè)，如果列車另一側(cè)發(fā)生問題就不易被發(fā)現(xiàn)；當(dāng) 2列車在站內(nèi)會(huì)車時(shí)，助理值班員無法監(jiān)視另一側(cè)列車的運(yùn)行狀態(tài)。另外，助理值班員還會(huì)由于列車運(yùn)行速度提高，有些安全隱患不易發(fā)現(xiàn)。

隨著列車開行密度加大、重載列車數(shù)量增加，人工現(xiàn)場作業(yè)可靠性降低。近年來，無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，采用無人機(jī)系統(tǒng)代替鐵路貨運(yùn)站部分現(xiàn)場作業(yè)的可能性越來越高[3]。

2 貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)分析

2.1 無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)作業(yè)內(nèi)容

（1）接發(fā)列車作業(yè)。助理值班員在接發(fā)列車時(shí)需“三面六看”[4]，確保通過列車裝載加固、車輛狀態(tài)無異常。另外，在觀察走行部時(shí)還需配合聽覺檢查制動(dòng)閘瓦有無抱閘現(xiàn)象。而無人機(jī)只需要加裝視頻及音頻傳輸系統(tǒng)，即可將現(xiàn)場列車運(yùn)行情況及聲音實(shí)時(shí)傳送回室內(nèi)系統(tǒng)中并保存，室內(nèi)人員對傳輸回的音視頻信息進(jìn)行人工分析，同時(shí)根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的非正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析。

（2）辦理交接手續(xù)?，F(xiàn)場需要向司機(jī)交接貨票、列車編組順序表、調(diào)度命令、制動(dòng)效能證明書及行車憑證等，一般由助理值班員、貨運(yùn)員與司機(jī)辦理交接手續(xù)，由于票據(jù)一般較輕，完全可以由無人機(jī)攜帶交付。對無人機(jī)加裝票據(jù)盒，將需要交付的票據(jù)放入盒中，加鎖后控制無人機(jī)飛往交付對象即可，接收者按下票據(jù)盒上的確認(rèn)按鈕后票據(jù)盒開啟，同時(shí)確認(rèn)信息通過無線傳輸回控制室并保存。

（3）非正常行車信號(hào)顯示及引導(dǎo)接車。非正常行車種類較多，最常見的現(xiàn)場作業(yè)有：現(xiàn)場確認(rèn)進(jìn)路是否空閑，道岔開通位置是否正確，顯示引導(dǎo)信號(hào)及手信號(hào)。由于現(xiàn)場進(jìn)路的確認(rèn)需要雙人檢查、雙人確認(rèn)，信號(hào)的顯示需要由助理值班員在指定位置用信號(hào)旗 (信號(hào)燈) 顯示，行車憑證需要由助理值班員親自交給司機(jī)。通過無人機(jī)的視頻傳輸系統(tǒng)，由室內(nèi)操作人員確認(rèn)進(jìn)路情況；需要顯示信號(hào)時(shí)，通過無人機(jī)的視覺信號(hào)和聽覺信號(hào)顯示裝置，由操作人員控制無人機(jī)在合適位置顯示需要的信號(hào)；需要向司機(jī)交付行車憑證時(shí)，由操作人員控制無人機(jī)向司機(jī)交付憑證。

（4）檢查“關(guān)門車”?！?關(guān)門車”是指關(guān)閉制動(dòng)支管上的截?cái)嗳T，車輛能通風(fēng)，但本身不起制動(dòng)作用。編入列車的關(guān)門車數(shù)不超過現(xiàn)車總輛數(shù)的6%，超過 6% 時(shí)，按規(guī)定計(jì)算閘瓦壓力，并填發(fā)制動(dòng)效能證明書交與司機(jī)。為確保列車在緊急制動(dòng)時(shí)能及時(shí)緊急制動(dòng)，貨物列車對關(guān)門車編掛位置應(yīng)嚴(yán)格限制：關(guān)門車不得掛于機(jī)車后部 3 輛車之內(nèi)；列車中連續(xù)連掛不得超過 2 輛；列車最后一輛不得為關(guān)門車；列車最后第 2、第 3 輛不得連續(xù)關(guān)門[4]。為確認(rèn)列車中關(guān)門車的數(shù)量及位置，目前一般由助理值班員現(xiàn)場檢查確認(rèn)。通過無人機(jī)視頻傳輸系統(tǒng)，由操作人員控制無人機(jī)沿列車逐輛檢查，需要填發(fā)制動(dòng)效能證明書時(shí)也可由無人機(jī)交接。

（5）列車簡略試驗(yàn)。為確保列車自制動(dòng)機(jī)正常工作，在列車停留超過 20 min 或更換機(jī)車等情況下需要進(jìn)行簡略試驗(yàn)。在簡略試驗(yàn)時(shí)，作業(yè)人員需要到列車的最后一輛車通知司機(jī)制動(dòng)，然后觀察車輛的制動(dòng)缸鞲鞴桿處于推出狀態(tài)以及閘瓦處于抱緊車輪狀態(tài)；再通知司機(jī)緩解，觀察制動(dòng)缸鞲鞴桿處于縮回狀態(tài)以及閘瓦處于脫離車輪狀態(tài)。通過無人機(jī)視頻傳輸系統(tǒng)，由操作人員控制無人機(jī)在規(guī)定位置檢查，并將信息傳輸回系統(tǒng)保存。

（6）確認(rèn)現(xiàn)車、檢查車號(hào)及車底、檢查貨物裝載狀態(tài)。列車到達(dá)貨運(yùn)站裝車前，需要確認(rèn)現(xiàn)車、車號(hào)，并檢查車底，裝車后由工作人員檢查貨物裝載加固狀態(tài)。目前雖然有現(xiàn)車管理系統(tǒng)和車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，但仍然存在個(gè)別車號(hào)無法識(shí)別的現(xiàn)象，這種情況下一般需要由貨運(yùn)員現(xiàn)場檢查車號(hào)。通過無人機(jī)視頻傳輸系統(tǒng)，由操作人員控制無人機(jī)到現(xiàn)場檢查無法識(shí)別的車號(hào)、檢查車底和貨物裝載加固狀態(tài)，并將信息傳輸回系統(tǒng)保存。

2.2 無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)可以提高作業(yè)的安全性，實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)進(jìn)程，提高作業(yè)效率，對貨運(yùn)站作業(yè)管理水平提升具有重要意義。采用無人機(jī)代替貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）減少作業(yè)人員現(xiàn)場作業(yè)，確保作業(yè)人員安全。鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中安全第一，采用無人機(jī)代替部分現(xiàn)場作業(yè)，可以減少作業(yè)人員在站場作業(yè)頻率和作業(yè)時(shí)間，極大地消除了現(xiàn)場作業(yè)的安全隱患。以橫越線路為例，很多作業(yè)人員為了方便會(huì)違章作業(yè)鉆車底橫越線路，存在人員安全隱患。而由無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)，可以避免人身傷亡事故發(fā)生。

（2）輔助計(jì)算機(jī)分析，提高列車可靠性。以接發(fā)列車為例，根據(jù)實(shí)際情況對列車可能出現(xiàn)的各種非正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，包括列車車門開關(guān)狀態(tài)、列車車輛外觀狀態(tài)、制動(dòng)閘瓦狀態(tài)等情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，采集各種非正常運(yùn)行狀態(tài)的圖像及音頻數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)智能算法，輔助計(jì)算機(jī)分析，提高現(xiàn)場作業(yè)可靠性[3]。

（3）加強(qiáng)無人機(jī)作業(yè)記錄，實(shí)現(xiàn)作業(yè)全過程追溯查詢。傳統(tǒng)的人工作業(yè)不具備可追溯性，無法監(jiān)測現(xiàn)場是否作業(yè)，發(fā)生事故也很難追責(zé)。無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)可以將貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)全過程記錄，保證記錄的追溯查詢。

（4）優(yōu)化作業(yè)流程管理，節(jié)約人員成本。貨運(yùn)站外勤作業(yè)種類多，需要設(shè)置助理值班員、貨運(yùn)員、車號(hào)員等諸多崗位，站場規(guī)模較大的貨運(yùn)站還要分區(qū)域配備各崗位人員。無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)可以將部分工種合并、作業(yè)地點(diǎn)統(tǒng)一，優(yōu)化貨運(yùn)站作業(yè)管理，同時(shí)還能減少崗位人員的配備，節(jié)約成本。

3 貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能設(shè)計(jì)

貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于接發(fā)列車作業(yè)及運(yùn)行監(jiān)控、信號(hào)顯示、列車簡略試驗(yàn)和文件交接等方面，根據(jù)無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)在貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)的應(yīng)用，提出貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)功能。包括：監(jiān)控模塊、信號(hào)顯示模塊、文件交接模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)庫模塊等 5 個(gè)模塊。

（1）監(jiān)控模塊。該模塊主要包括列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、現(xiàn)車管理、裝車檢查等。根據(jù)實(shí)際情況對列車可能出現(xiàn)的各種非正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，包括列車裝載加固狀態(tài)、列車走形情況、列車車廂走形、列車鋼軌是否有異物進(jìn)行重點(diǎn)分析，采集各種非正常運(yùn)行狀態(tài)的音視頻數(shù)據(jù)[5]。研發(fā)“鐵路列車無人監(jiān)控系統(tǒng)”智能算法，采用智能視覺和深度學(xué)習(xí)算法對采集到的樣本圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真分析，通過仿真計(jì)算獲取合理的邊界條件，根據(jù)得出的邊界條件判斷列車是否正常運(yùn)行，對不正常運(yùn)行的列車給出狀態(tài)告警。

（2）信號(hào)顯示模塊。該模塊主要顯示視覺信號(hào)和聽覺信號(hào)。視覺信號(hào)包括地面信號(hào)機(jī)顯示的紅色、黃色、綠色、白色等基本顏色。聽覺信號(hào)應(yīng)能夠模仿口笛、號(hào)角鳴示方式，根據(jù)長聲、短聲及音響間隔顯示不同信號(hào)。

（3）文件交接模塊。文件交接模塊包括文件容納、交接確認(rèn)和遙控?zé)o人機(jī)。文件容納應(yīng)能容納鐵路行車中各種常見的文件，如貨票、調(diào)度命令、行車憑證等且保證密閉不遺漏。交接確認(rèn)應(yīng)保證相關(guān)文件被接收者接收后確認(rèn)信息及時(shí)回傳至系統(tǒng)。

（4）通信模塊。通信模塊是以完整作業(yè)過程為對象，通過構(gòu)建貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)傳輸貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)信息的功能。無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸可采用 2.4GHz 無線 WiFi 或無人機(jī)測控鏈路，實(shí)現(xiàn)人工對無人機(jī)的操控，以及無人機(jī)采集到數(shù)據(jù)與系統(tǒng)之間的交流[6]。

（5）數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)庫模塊是基于 MongoDB的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)利于進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘分析，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對列車狀態(tài)的有效檢測。數(shù)據(jù)庫模塊主要用于存放列車非正常運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、信號(hào)顯示數(shù)據(jù)、指令及操縱數(shù)據(jù)等。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)基于無人機(jī)巡航，能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵路貨物運(yùn)輸?shù)陌踩O(jiān)控。貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分為硬件層、系統(tǒng)支撐層、應(yīng)用層和用戶訪問層 4 個(gè)層面。貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖 1 所示。

貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)中各層面的組成及功能如下。

（1）硬件層。硬件層由無人機(jī)、高清攝像頭和信號(hào)燈組成，是無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)本系統(tǒng)的功能定性，無人機(jī)需配備高清攝像頭、音頻接收器、信號(hào)燈設(shè)備及文件容納盒。

圖?1 ?貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Unmanned aerial vehicle system functional module diagram

（2）系統(tǒng)支撐層。系統(tǒng)支撐層是由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、軟件工具、開發(fā)/運(yùn)行支撐平臺(tái)構(gòu)成。無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用具有非結(jié)構(gòu)化文檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的 MongoDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺(tái)采用基于C++ 語言的Visio Studio 開發(fā)平臺(tái)。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層是由用戶業(yè)務(wù)處理的各子系統(tǒng)或功能模塊構(gòu)成。整個(gè)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)或功能模塊，充分共享系統(tǒng)支持層的組件和對象，進(jìn)行功能和屬性封裝，實(shí)現(xiàn)自由組合的功能模塊配置。

（4）用戶訪問層。用戶訪問層是工作人員接入界面。工作人員通過賬戶登陸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的操縱及回傳信息的實(shí)時(shí)分析，從而對列車作業(yè)及運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理[7-8]。

3.3 流程設(shè)計(jì)

貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)流程主要包括：通知接發(fā)列車、非正常接發(fā)列車、交接票據(jù)和收回?zé)o人機(jī)等 4 個(gè)方面。貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)流程圖如圖 2 所示。

（1）通知接發(fā)列車。車站值班員通知無人機(jī)操縱人員接發(fā)列車股道和位置，操縱人員控制無人機(jī)飛至作業(yè)地點(diǎn)，當(dāng)列車經(jīng)過無人機(jī)作業(yè)地點(diǎn)時(shí)，操縱人員通過無人機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控判斷列車運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)會(huì)將收集到的音視頻數(shù)據(jù)回傳至后臺(tái)分析，然后判斷列車運(yùn)行狀態(tài)是否正常，當(dāng)有異常情況時(shí)，操縱人員通知車站值班員及時(shí)處理。

（2）非正常接發(fā)列車。非正常接發(fā)列車作業(yè)時(shí)操縱人員控制無人機(jī)飛至作業(yè)地點(diǎn)，通過無人機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控模塊檢查列車進(jìn)路是否空閑，當(dāng)列車進(jìn)路空閑符合信號(hào)開放條件時(shí)，操縱人員根據(jù)晝夜及天氣情況顯示視覺、聽覺信號(hào)，當(dāng)機(jī)車通過信號(hào)機(jī)后信號(hào)顯示完畢。

圖?2 ?貨運(yùn)站無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)流程圖Fig.2 System technical architecture diagram

（3）交接票據(jù)。車站與司機(jī)交接票據(jù)時(shí)，操縱人員將需要交接的票據(jù)放入無人機(jī)票據(jù)容納裝置并采取鎖閉措施后控制無人機(jī)飛至司機(jī)室窗口處，司機(jī)開啟容納裝置取出票據(jù)后點(diǎn)擊無人機(jī)上的確認(rèn)接收按鈕，然后將交接信息回傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

（4）收回?zé)o人機(jī)。操縱人員確認(rèn)通知接發(fā)列車、非正常接發(fā)列車和交接票據(jù)等作業(yè)完成后，控制無人機(jī)沿固定作業(yè)飛行通道飛回操縱室。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,無人機(jī)系統(tǒng)在日常生活生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越廣泛，將無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)應(yīng)用于貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)中，不僅有利于提高貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)安全，而且極大程度提高貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)效率，降低貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)成本。無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)在貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)中的應(yīng)用，在一定程度上有助于優(yōu)化貨運(yùn)站作業(yè)流程，為外勤作業(yè)崗位的精簡合并提供可能。然而，雖然通過無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)可以替代大部分貨運(yùn)站外勤人員的現(xiàn)場作業(yè)，但是仍然有部分現(xiàn)場作業(yè)無法替代，如現(xiàn)場防溜鐵鞋的設(shè)置與撤除。因此，需要進(jìn)一步研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)此類功能的無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)管理系統(tǒng)，預(yù)期可以使貨運(yùn)站現(xiàn)場作業(yè)實(shí)現(xiàn)“無人化”。

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