鐵路智慧物流園信息管理平臺物聯(lián)網(wǎng)技術研究

吳志偉

WU Zhiwei

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081)

(Institute of Computing Technology， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081，China)

鐵路物流園是以大型鐵路物流樞紐為依托，銜接鐵路物流與其他物流方式，集聚眾多物流服務企業(yè)并提供倉儲、信息等綜合物流服務的場所[1-2]。作為鐵路物流的重要節(jié)點，鐵路物流園在鐵路物流倉儲[3-4]、運輸方式銜接等方面具有重要作用[5-6]。鐵路智慧物流園是以智慧園區(qū)的方式升級改造鐵路物流園，具備互聯(lián)互通、開放共享、協(xié)同運作、創(chuàng)新發(fā)展的新型園區(qū)發(fā)展模式，是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術與園區(qū)建設、管理深入融合發(fā)展的產(chǎn)物[7]。為了充分利用物聯(lián)網(wǎng)等技術，有效組織園區(qū)物流管理，提高園區(qū)自動化和智能化水平，實現(xiàn)對鐵路智慧物流園的信息管理，提出構建鐵路智慧物流園信息管理平臺。平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術，可以實現(xiàn)物流管理和追蹤、倉儲管理、車輛人員管理、物流信息共享、安全管理、集裝箱管理、智能監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析等功能。物聯(lián)網(wǎng)是指基于各種有線或無線網(wǎng)絡技術[8-9]，將各種信息傳感器、射頻技術、圖像處理技術、定位系統(tǒng)以及信息處理技術等與設備有效結合[10-11]，將設備采集到的信息和數(shù)據(jù)進行整合、分析、計算和判斷，以實現(xiàn)遠程監(jiān)視、自動報警、控制、診斷和維護[12-14]。平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術可以解決鐵路物流園智能化水平低、物流效率低、無法有效整合物流資源的問題，為鐵路物流園改進和鐵路智慧物流園建設提供了一個新的選擇方案。

1 鐵路智慧物流園信息管理平臺構建分析

1.1 鐵路智慧物流園信息管理需求

鐵路智慧物流園信息管理平臺需要實現(xiàn)車輛與人員的管理，當運載車輛、一般車輛、工作人員、來訪人員來到物流園后，平臺應能夠提供實現(xiàn)車輛和人員的登記、進出控制、軌跡記錄等功能。平臺需要實現(xiàn)對集裝箱的管理，為園內(nèi)空箱提供存儲和調(diào)度功能、為重箱提供運輸和跟蹤，以及為集裝化用具提供存儲、使用、回收等功能。平臺實現(xiàn)對物流的管理和追蹤，不僅要實現(xiàn)物流園內(nèi)的有效調(diào)度，還需要通過運載工具跟蹤、RFID 等方式實現(xiàn)物流的監(jiān)控。平臺實現(xiàn)對物流倉庫的管理，不僅要實現(xiàn)對倉庫信息管理、倉庫內(nèi)運載工具管理，還需要實現(xiàn)倉庫貨位分配以及倉庫徑路規(guī)劃，自動為物品存儲提供最優(yōu)路徑。平臺要保證園區(qū)內(nèi)安全并在必要時提供報警，可以通過信息監(jiān)控等方式實現(xiàn)對物流安全、資源安全和人員管理。管理人員可以通過平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的深度分析，在物流存量和流轉(zhuǎn)、資源使用效率、成本效益、用戶傾向等方面進行分析并獲取支持性建議。平臺應利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對物流園的智能監(jiān)控。由于物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)會涉及到企業(yè)和個人隱私，因而對訪問權限進行嚴格控制和分級、分類別管理，確保無訪問權限的人無法獲取相關數(shù)據(jù)。平臺應實現(xiàn)與鐵路物流相關系統(tǒng)的通暢溝通，并構建統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問方式，為航空物流、公路物流等提供訪問能力。物流園的客戶通過平臺能夠獲取需要的物流信息、存儲信息、監(jiān)控信息等。

1.2 平臺總體架構

通過對鐵路智慧物流園信息管理需求的分析可以發(fā)現(xiàn)，對物流自動化管理、追蹤以及倉庫的自動化管理，是實現(xiàn)物流園區(qū)自動化和智慧化最迫切的需求。而結合物聯(lián)網(wǎng)技術可以通過各種信息采集設備自動化采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行整合、分析、計算和判斷，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。為了滿足對鐵路智慧物流園信息管理的需求，實現(xiàn)對車輛、人員、物流、倉庫等的管理和信息自動化采集和智能控制，需要對鐵路智慧物流園信息管理平臺總體架構進行分析與設計，目標是通過設計好的平臺總體架構，清晰刻畫出系統(tǒng)應實現(xiàn)的功能，挖掘?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的重點、難點，最終支持鐵路智慧物流園信息管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。鐵路智慧物流園信息管理平臺由技術層、數(shù)據(jù)感知層、存儲層和應用服務層組成，鐵路智慧物流園信息管理平臺總體構架如圖1 所示。

（1）技術層。主要展示了平臺使用的相關技術，以物聯(lián)網(wǎng)技術中的射頻識別技術、傳感技術、網(wǎng)絡通信技術、嵌入式智能技術、物聯(lián)網(wǎng)平臺技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和反饋，以大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，以微服務技術實現(xiàn)平臺應用服務層的構建。射頻識別(RFID)技術主要是指無線射頻識別技術，即通過無線電信號實時動態(tài)地對靜態(tài)或者移動待識別物體進行自動識別，并讀取相關數(shù)據(jù)的一種無線通信技術。通過有源或無源的RFID，獲取到其攜帶的物品信息。信息傳感技術是通過集成的微型傳感器，并將其嵌入到任意物體中，相互配置展開實時動態(tài)監(jiān)測，并將收集到的信息上傳，實現(xiàn)目標感知的技術。

（2）數(shù)據(jù)感知層。主要是對事物進行感知，以獲取需要的數(shù)據(jù)。主要通過射頻識別技術、傳感技術等物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的感知獲取物流數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)等信息，根據(jù)數(shù)據(jù)來源方式不同，可以分為射頻識別數(shù)據(jù)、智能卡數(shù)據(jù)、條形碼數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等。而在物流的不同階段，主要獲取到的數(shù)據(jù)內(nèi)容也都有區(qū)別。鐵路物流園區(qū)中的物流和數(shù)據(jù)采集如圖2 所示。

圖1 鐵路智慧物流園信息管理平臺總體架構Fig.1 Overall architecture of intelligent railway logistics park information management platform

圖2 展示的是鐵路物流園中物流的全過程，以及系統(tǒng)通過多種方式進行數(shù)據(jù)的自動采集和自動化控制的過程。當物品從鐵路、水路、公路等方式運達鐵路物流園前，即通過進行物流數(shù)據(jù)交換的方式獲取物品信息。當獲取到物品到來時間時，就可以規(guī)劃運載、倉儲資源，甚至可以根據(jù)當前物流園需要而調(diào)配物品和運載資源。當物品入園后，通過自動掃描RFID 等方式，獲取物品數(shù)據(jù)。在物品入庫、監(jiān)控、移庫、出庫時自動獲取倉庫存儲數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)等，然后通過指數(shù)調(diào)節(jié)方式，對采集到的數(shù)據(jù)進行加工，并根據(jù)設定進行反饋調(diào)節(jié)的方式來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的自動控制。在監(jiān)控時也會將反饋數(shù)據(jù)進行采集，用于支持反饋方式改進。當出園時，會將必要數(shù)據(jù)寫入RFID，并與其他系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)交換以提供物流數(shù)據(jù)。

圖2 鐵路物流園區(qū)中的物流和數(shù)據(jù)采集Fig.2 Logistics and data collection in railway logistics park

（3）存儲層。主要實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織和存儲。數(shù)據(jù)感知層獲取到的數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)等手段進行傳輸，最終在數(shù)據(jù)存儲層中實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。通過各種途徑獲得到的數(shù)據(jù)結構各不相同，有通過溫度傳感器獲取到的溫度數(shù)據(jù)、通過濕度傳感器獲取到的濕度數(shù)據(jù)、通過RFID 標簽獲取到的不同類型的物品的物流數(shù)據(jù)等，為數(shù)據(jù)的存儲、自動反饋和深度應用造成了一定困擾。因此，數(shù)據(jù)存儲層主要是實現(xiàn)了將這些不同結構、不同來源、不同用處的數(shù)據(jù)通過合理的方式進行存儲，以支持應用服務層的進一步使用。同時，數(shù)據(jù)存儲層還實現(xiàn)與鐵路、水路、公路等物流方式的相關系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的存儲。由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)較多，因而有必要分離生產(chǎn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)不再涉及生產(chǎn)時，即將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到歷史數(shù)據(jù)中，以備有需要的查詢和大數(shù)據(jù)分析使用。

（4）應用服務層。主要是在數(shù)據(jù)存儲層的基礎上實現(xiàn)平臺需要的功能，通過微服務的形式實現(xiàn)系統(tǒng)，實現(xiàn)對物流管理和追蹤、對倉儲的自動化管理、對物流園內(nèi)車輛和人員的管理，物流信息共享管理，同其他物流系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換以支持多式聯(lián)運等功能。通過車輛與人員管理，實現(xiàn)對園內(nèi)車輛、用戶，園外系統(tǒng)訪問用戶的統(tǒng)一管理。通過物流管理和跟蹤，實現(xiàn)物流的自動化管理。通過倉庫管理，實現(xiàn)對倉庫資源的調(diào)度、倉庫內(nèi)路徑規(guī)劃、貨位安排等。通過大數(shù)據(jù)分析，幫助支持對物流效益、用戶傾向、物流優(yōu)化等的分析和進一步優(yōu)化。通過智能監(jiān)控，實現(xiàn)對物流的遠程監(jiān)視、自動報警、控制、診斷和維護等工作。通過物流信息共享管理，實現(xiàn)不同用戶對物流信息的共享，并通過與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，構建一個互聯(lián)互通、開放共享、協(xié)同運作、創(chuàng)新發(fā)展的信息管理平臺。

2 鐵路智慧物流園信息管理平臺關鍵技術

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的物流監(jiān)控管理和跟蹤溯源技術

物流監(jiān)控管理主要是對物品從進入園區(qū)到離開園區(qū)進行全方位的監(jiān)控管理，而物流跟蹤溯源是在物流園對物品監(jiān)管的基礎上進行的物品來源的追溯。物流監(jiān)管和跟蹤溯源不僅是為了減少人工介入環(huán)節(jié)、提高自動化水平以達到減少人工錯誤、降低人工成本、提高物流效率的目的，還能對物品進行安全、質(zhì)量的監(jiān)管，以達到保護和了解物品的目的。

通過對物流園中物流的分析可以發(fā)現(xiàn)，物品自進入物流園開始，物流園中的整個物流周期是物品信息采集、物品入庫、物品定位、物品調(diào)度、物品出庫。在物流園內(nèi)的物流周期中，對物流監(jiān)管除了基本的物品位置監(jiān)管以外，還需要充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對物品的安全監(jiān)管和質(zhì)量監(jiān)管。物流園區(qū)中倉庫可以大致分為，普通倉庫、專用倉庫、冷藏倉庫、氣調(diào)倉庫、特種倉庫，存放糧食、水果、蔬菜等有時效或溫濕度要求物品的倉庫，存放易燃易爆有毒有腐蝕性物品的倉庫，或者儲存化工危險品、石油等的倉庫。對物流進行安全和質(zhì)量上的監(jiān)管，就需要分析特定品類物品對安全和質(zhì)量的要求，然后制定特定的監(jiān)控方式來實現(xiàn)物流的監(jiān)控管理。

對于大多數(shù)品類的物品，一般只需要監(jiān)控物品的位置即可，采用北斗和園區(qū)定位裝置結合的方式來實現(xiàn)位置監(jiān)控。而對于糧食、水果、蔬菜等溫濕度要求較高的物品，易燃易爆物品和石油等化工危險品，則對特殊要求采用特殊方式進行監(jiān)控，甚至可能需要對特定的氣體監(jiān)控，防止氣體泄露等，可以使用溫度、濕度、煙霧、氣體、畫面、聲音、視頻、紅外傳感器等感知設備。在獲取到物品的感知數(shù)據(jù)后，需要將信息實時傳輸?shù)竭h程的數(shù)據(jù)集中存儲區(qū)。然后可以通過物聯(lián)網(wǎng)來調(diào)節(jié)倉庫溫濕度，指導叉車等搬運物品。

平臺實現(xiàn)智能監(jiān)控，核心在于充分利用物聯(lián)網(wǎng)獲取到的感知數(shù)據(jù)，進行自動化控制，采用的主要方式是構建物品監(jiān)控指數(shù)調(diào)節(jié)服務。物流監(jiān)控管理獲取每一個物品的限制條件，劃定相關屬性閾值，通過光傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紅外傳感器、位置傳感器等對物品進行監(jiān)測，并實時對比物品限制條件，在超出條件后進行自動控制或報警。考慮到不同物流園和物品倉庫保有物品品類和數(shù)量各不相同，以及經(jīng)濟效益，系統(tǒng)采用自動注冊的方式，對物品品類及各品類可監(jiān)控的質(zhì)量范圍和相應應對方式進行裁剪和選擇。由此，構建了一個統(tǒng)一的接口，來進行統(tǒng)一操作，即物品監(jiān)測服務、物品監(jiān)測指數(shù)調(diào)節(jié)服務，物品監(jiān)測反饋服務。各服務監(jiān)測的品種不同，但都可以通過統(tǒng)一的方式進行注冊和調(diào)用。物流監(jiān)控管理模式如圖3 所示。

圖3 物流監(jiān)控管理模式Fig.3 Logistics monitoring management mode

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的倉儲模型

通過對物流園區(qū)中物流全過程分析可以發(fā)現(xiàn)，物品倉庫中存儲了物流園中的所有物資。為了更充分地利用物聯(lián)網(wǎng)，提高物流效率，減少人工成本，支持以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的物流園物流跟蹤監(jiān)管，并對物聯(lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)進行結構化存儲，以利于數(shù)據(jù)分析和智能優(yōu)化，對物品倉儲進行建模工作。

物品倉庫是為了存儲物品而修建，就結構上來區(qū)分，一般包括單層倉庫、多層倉庫、立體倉庫、罐式倉庫和露天倉庫。罐式倉庫存儲液體或氣體，一般無法同時存儲多種物品。單層倉庫、多層倉庫和露天倉庫在存儲結構上可以認為是立體倉庫的簡化形式。因此，建模將立體倉庫作為主要研究類型。

為了充分利用物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)物流監(jiān)控和自動化控制，將倉庫在3 個維度上劃分貨位，然后映射到一維空間并用編號來描述貨位位置。由此，提出了倉庫貨位—物品—操作的物品倉庫模型。模型以倉庫貨位、物品、操作為3 要素。通過描述3要素來構建物品倉庫模型。

式中：G為物品或商品；m為物品編號；C為物品約束，即描述物品存儲需要監(jiān)控的類型；P為物品性質(zhì)，包括物品質(zhì)量、體積等；C+為所有物品約束C的集合；N為自然數(shù)集；P+為物品性質(zhì)的集合。S為貨位；n為貨位編號；A為可監(jiān)控類型；A未來狀態(tài)標志；B為貨位約束，匹配G中物品性質(zhì)；A+為可監(jiān)控類型的集合；R+為未來狀態(tài)標志的集合；B+為貨位約束的集合。O為操作集合；o為操作集合中的元素，總共有入庫(I)、出庫(E)、移位(T)、監(jiān)控(M)、報警(W)和反饋(F) 6 種操作。

模型中，G，S，O都只是描述了某一個時刻的狀態(tài)，G描述了在確定時刻的倉庫中物品情況，S描述了在確定時刻倉庫中貨位的狀態(tài)情況，O在確定時刻倉庫中執(zhí)行操作情況。由于倉庫中所有狀態(tài)變化都是由操作引起的，因此在模型中隱去時間變量，使用操作作為模型中狀態(tài)變化節(jié)點。倉庫由物品情況組成。設倉庫為M，得出以下公式。

模型倉庫狀態(tài)變化由操作引起，同時伴隨著貨位狀態(tài)變化，所以有必要描述物品狀態(tài)變化規(guī)律?；谖锫?lián)網(wǎng)監(jiān)控的貨位狀態(tài)如圖4 所示。倉庫貨位包括空置態(tài)、正常態(tài)、監(jiān)測態(tài)、警報態(tài)、反饋態(tài)、故障態(tài)幾種狀態(tài)。倉庫中所有貨位的狀態(tài)集合構成倉庫狀態(tài)。使用三維空間描述一個倉庫，當其內(nèi)部每一個貨位發(fā)生變化時，都會使其狀態(tài)發(fā)生變化。

使用模型實現(xiàn)對倉庫的監(jiān)控和管理，當設備發(fā)生故障而未被系統(tǒng)獲取，此時模型與現(xiàn)實情況將發(fā)生偏離，需要分析模型的有效時長，通過定期巡檢減少由于監(jiān)控或者反饋失效造成的物品損失并保證模型對現(xiàn)實的有效反應?？紤]監(jiān)控設備和反饋控制器的失效是其固有屬性，需要對巡檢時間間隔和物品可接受損失進行衡量。設每次巡檢后，所有設備都會被完全修復，此時模型與現(xiàn)實情況完全符合。設巡檢間隔時間為T，單個貨位上的設備故障概率密度函數(shù)為f(t)，該設備發(fā)生故障的概率為p，則在T時

設在T時刻設備是否發(fā)生故障的概率為g(T)，其服從兩點分布，有

倉庫中貨位監(jiān)控設備間發(fā)生故障概率相互獨立且認為服從同一概率密度函數(shù)。則可以認為倉庫中所有監(jiān)控設備，其發(fā)生故障概率服從二項分布式中：X為隨機變量，n為倉庫中有監(jiān)控設備的貨位個數(shù)；k為發(fā)生故障設備個數(shù)。

在設備發(fā)生故障條件下，設備發(fā)生故障的時間期望為

設物品監(jiān)控失效后會造成損失，且平均損失為S，物品可接受平均損失為M0，物品平均存儲時長為Tc，當T＞Tc，即物品存儲發(fā)生多次，可得下式

式中：ξ為倉庫的平均滿載率，表示倉庫中存儲物品貨位占所有貨位的比值的統(tǒng)計平均值。

整理可得

當T＜Tc，即物品存儲僅發(fā)生一次，可得下式

整理可得

由公式 ⑻、公式 ⑽ 可知，在模型可正常反應現(xiàn)實情況的約束下，當希望延長巡檢時間間隔時，需要增大物品可接受平均損失，或減小物品監(jiān)控失效后造成的損失。如果兩者無法優(yōu)化，可以考慮通過經(jīng)常替換監(jiān)控設備或者多個設備同時工作來優(yōu)化貨位設備的故障概率密度函數(shù)。

2.3 物流信息共享服務技術

互聯(lián)互通、開放共享、協(xié)同運作的物流園模式，是智慧物流園進一步發(fā)展的方向。當前的物流園的客戶服務只有基于領貨、寄貨等基本服務，沒有深入挖掘潛在服務。因此，需要對物流信息共享進行深入研究，以提高物流信息共享的效率和開放度，構建更廣泛的信息網(wǎng)絡，為客戶和相關人員提供更優(yōu)質(zhì)服務。

通過對物流信息共享分析發(fā)現(xiàn)，物流信息共享服務的作用主要體現(xiàn)在3 個方面。一是作為鐵路運輸與公路運輸、海運的關鍵節(jié)點，加強各運輸方式之間的信息溝通，提高各運輸方式之間的溝通時效性。二是為客戶實時提供物流所處狀態(tài)和整個物品物流運輸存儲信息，從而提高客戶的服務水平。三是對接區(qū)域經(jīng)濟，為客戶進行商業(yè)活動提供商品信息。以上3 個方面相互之間有一定的不同，但是在需要的數(shù)據(jù)上又有很大的重合。

物流信息共享服務如圖5 所示。物流存儲數(shù)據(jù)服務主要通過RFID、條形碼和外部數(shù)據(jù)交換獲取，可提供物流信息；物流監(jiān)控數(shù)據(jù)服務將物聯(lián)網(wǎng)獲取到的當前和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)整合后提供給其他服務；物流統(tǒng)計數(shù)據(jù)服務是對物流存儲數(shù)據(jù)和物流監(jiān)控數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和加工后，向其他服務提供。鐵路運輸交換服務，公路、海路運輸交換服務，調(diào)用物流存儲數(shù)據(jù)服務和物流監(jiān)控數(shù)據(jù)服務，與鐵路、公路、海路運輸進行信息交換。其中鐵路運輸交換服務主要采用與對應的系統(tǒng)，構建相互調(diào)用接口的方式來實現(xiàn)，而對于公路和海路運輸相關系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的多樣性，因而采用由平臺構建統(tǒng)一的訪問接口，然后相關系統(tǒng)對統(tǒng)一訪問接口進行調(diào)用的方式來實現(xiàn)。物流監(jiān)控和物流存儲信息查詢服務用于實時向貨主和客戶提供物流信息，提高客戶服務效率。物流支持服務，用于將物流統(tǒng)計數(shù)據(jù)根據(jù)需要向社會提供，為有需要的企業(yè)提供。

圖5 物流信息共享服務Fig.5 Logistics information sharing service

3 結束語

鐵路智慧物流園是鐵路物流園的發(fā)展方向，通過結合物聯(lián)網(wǎng)技術的相關技術研究，在物流和倉儲管理、物流開放共享等方面做出改進，為構建互聯(lián)互通、開放共享、協(xié)同運作、創(chuàng)新發(fā)展的鐵路智慧物流園建設提供了新的解決方案。進一步將會對物聯(lián)網(wǎng)與鐵路物流園結合的相關技術進行更深入的研究，包括探索物流園與其他物流方式之間銜接的效率提升、集裝箱業(yè)務改進和用戶需求挖掘等方法，以提供更有效、更優(yōu)質(zhì)的服務。