基于IOT的鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測跟蹤方法

文∕陳文瑞

1 前言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things， IOT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，它利用各種智能傳感技術(shù)和設(shè)備來感知物理世界。IOT 技術(shù)對(duì)我國智能鐵路的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。許多學(xué)者對(duì)IOT 在鐵路行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，馬小寧分析了IOT 在中國鐵路領(lǐng)域的典型應(yīng)用形式。孫鵬提出了基于IOT 的動(dòng)車組檢修設(shè)計(jì)方法，并闡述了總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。此外，周澤言設(shè)計(jì)了一套基于IOT 三層架構(gòu)的鐵路客票系統(tǒng)，可以有效提高系統(tǒng)處理質(zhì)量，提高客運(yùn)效率。通過分析鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)需求，本文分析了開發(fā)鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測IOT 架構(gòu)的研究。

2 基于IOT 的鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測

2.1 IOT 建構(gòu)模型

IOT 的系統(tǒng)架構(gòu)模型一般分為3 層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是IOT 架構(gòu)的基礎(chǔ)，主要利用射頻識(shí)別、傳感技術(shù)、控制技術(shù)和GPRS，包括各種類型的傳感器、RFID 標(biāo)簽和閱讀器、IC 卡讀卡器、移動(dòng)終端、智能手持機(jī)，主要用于鐵路數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和接收、自動(dòng)控制以及移動(dòng)數(shù)據(jù)處理和控制。網(wǎng)絡(luò)層包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(MCN)和廣域遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)(WARN)兩部分，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，它可以實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)上的信息傳輸和交換。應(yīng)用層將IOT 技術(shù)與特定技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用服務(wù)的接口，完成感知數(shù)據(jù)的分析、信息共享和智能處理。通過應(yīng)用層信息系統(tǒng)的實(shí)施和整合，可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建“安全鐵路”的目標(biāo)，建立自誘導(dǎo)安全路網(wǎng)。此外，它還將提供通用或定制的應(yīng)用服務(wù)。

2.2 鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

中國高度重視鐵路安全監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用，已經(jīng)開發(fā)并推廣了使用自動(dòng)火車停站裝置，火車速度監(jiān)測裝置，公交車紅外熱像檢測儀，鐵路探傷儀，軌道動(dòng)態(tài)檢測車等。通過科技手段，有效改善了我國鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩珷顩r。

為了保證鐵路運(yùn)輸質(zhì)量，建立長效的安全機(jī)制，中國鐵路總公司提出了建立貨運(yùn)安全保障體系的構(gòu)想，加快了鐵路貨運(yùn)安全檢測設(shè)備和系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用。主要設(shè)備包括不平衡負(fù)載檢測設(shè)備，重量橋，閾值檢測設(shè)備，視頻設(shè)備，手持設(shè)備等。其中，重量橋，用于裝載的視頻設(shè)備，用于裝載的手持設(shè)備主要用于始發(fā)站和終端站。鐵路貨運(yùn)檢查站（即貨運(yùn)中間站）主要使用不平衡的載荷檢測設(shè)備，閾值檢測設(shè)備，用于安全檢查的手持設(shè)備。所有設(shè)備都可以自動(dòng)識(shí)別并獲取貨運(yùn)狀態(tài)信息。這些檢測設(shè)備極大地促進(jìn)了鐵路貨運(yùn)安全物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，并將有助于補(bǔ)充鐵路貨運(yùn)裝載狀態(tài)的檢測和監(jiān)測。

考慮到鐵路貨運(yùn)裝載狀態(tài)管理的業(yè)務(wù)需求，根據(jù)上述架構(gòu)概念模型提出了鐵路貨運(yùn)安全物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)。

（1）感知層：主要包括各種帶有FRID 標(biāo)簽或傳感器的貨運(yùn)安檢設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)關(guān)。分別負(fù)責(zé)貨運(yùn)安全與作業(yè)信息采集、短距離無線通信與組網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入、終端設(shè)備管理。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：主要包括各種核心托管網(wǎng)、接入網(wǎng)等。例如有線互聯(lián)網(wǎng)、無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(2G、3G 和4G)和專用鐵路網(wǎng)絡(luò)。他們負(fù)責(zé)IOT 鐵路貨運(yùn)安全的長途信息傳輸和短途網(wǎng)絡(luò)接入。

（3）應(yīng)用層：可分為應(yīng)用支持層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用表示層。應(yīng)用支持層主要提供物理網(wǎng)絡(luò)所需的軟件和硬件支持。支持包括各種服務(wù)器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及相關(guān)軟件。應(yīng)用服務(wù)層負(fù)責(zé)根據(jù)需求提供應(yīng)用支持，如虛擬化管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理(如模糊識(shí)別、智能控制、搜索引擎等)。信息安全管理和數(shù)據(jù)挖掘分析等等。應(yīng)用表示層主要包括各種應(yīng)用子系統(tǒng)、門戶。該層負(fù)責(zé)提供基于IOT 的各種鐵路貨運(yùn)應(yīng)用服務(wù)。這些服務(wù)可以幫助完成鐵路貨運(yùn)內(nèi)部管理和外部信息共享。

2.3 鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測信息集成

IOT 鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測的主要信息源是貨運(yùn)安全監(jiān)控與管理子系統(tǒng)，可提供貨運(yùn)運(yùn)行信息、安全檢測與報(bào)警信息、報(bào)警處理與反饋信息。IOT 貨運(yùn)安全綜合檢測將通過鐵路貨運(yùn)安全檢測信息的有效整合，滿足貨運(yùn)全過程監(jiān)控的需求。

鐵路貨運(yùn)安全綜合檢測IOT 平臺(tái)采用兩種信息集成方式——數(shù)據(jù)庫信息集成和應(yīng)用系統(tǒng)信息集成。數(shù)據(jù)庫信息集成，用于貨運(yùn)內(nèi)部信息，如貨運(yùn)運(yùn)營、安全信息等，交流頻繁，業(yè)務(wù)聯(lián)系緊密。應(yīng)用系統(tǒng)信息集成，用于鐵路運(yùn)輸集成平臺(tái)、鐵路貨運(yùn)電子商務(wù)平臺(tái)等。因?yàn)閬碜赃@些系統(tǒng)的信息相對(duì)獨(dú)立。

2.4 貨物裝載狀態(tài)跟蹤方法

2.4.1 貨物裝載狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)分析

事實(shí)上，貨運(yùn)裝載狀態(tài)跟蹤的整個(gè)過程就是收集和查詢裝載狀態(tài)信息。因此，運(yùn)輸過程中的信息采集是實(shí)現(xiàn)貨物裝載狀態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)。貨物裝載狀態(tài)信息根據(jù)變化頻率可分為靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息。靜態(tài)信息一般是運(yùn)輸過程中穩(wěn)定的信息，如貨物重量、貨物名稱、始發(fā)站、起運(yùn)鐵路局、終點(diǎn)站、終點(diǎn)站鐵路局等。動(dòng)態(tài)信息是運(yùn)輸過程中不斷變化的信息，如貨物裝載狀態(tài)檢測信息、位置信息、作業(yè)信息等。

為了實(shí)現(xiàn)鐵路貨物裝載狀態(tài)的全程跟蹤，需要對(duì)從裝載到卸載的所有信息進(jìn)行有效地整合。主要相關(guān)數(shù)據(jù)分析如表1 所示：

2.4.2 基于隸屬度函數(shù)的貨運(yùn)裝載狀態(tài)跟蹤

貨運(yùn)狀態(tài)跟蹤不僅依賴于車輛數(shù)量，還取決于貨運(yùn)信息，運(yùn)輸時(shí)間等。上述信息屬于不同的貨運(yùn)子系統(tǒng)，貨運(yùn)單號(hào)信息僅表示整個(gè)運(yùn)輸過程，反映在貨運(yùn)中信息。因此，我們需要正確地將裝貨狀態(tài)信息與運(yùn)單號(hào)進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)散貨裝貨狀態(tài)信息的融合。這將是實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸過程中貨運(yùn)安全綜合監(jiān)控和跟蹤的關(guān)鍵。

表1 貨物裝載狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)分析表

表2 貨運(yùn)安全檢測和警報(bào)評(píng)估結(jié)果

3 應(yīng)用與實(shí)施

貨運(yùn)站是中國的主要火車站。提高貨運(yùn)站的服務(wù)質(zhì)量，提高貨運(yùn)服務(wù)水平是貨運(yùn)站/編組站信息化建設(shè)的一部分。因此，基于貨運(yùn)安全綜合檢測與跟蹤方法，構(gòu)建了鐵路貨運(yùn)安全綜合監(jiān)測與跟蹤物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。為了促進(jìn)IOT 技術(shù)在貨運(yùn)站的應(yīng)用，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)貨物檢查工作的安全監(jiān)控。通過整合超載不平衡負(fù)荷檢測系統(tǒng)、軌道衡、超限檢測系統(tǒng)、貨車性能檢測系統(tǒng)(TPDS)和鐵路收發(fā)貨車裝載安全監(jiān)控系統(tǒng)，以及正確報(bào)告系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、ATIS 和列車運(yùn)行調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)四個(gè)信息系統(tǒng)，貨運(yùn)站/編組站將實(shí)現(xiàn)無縫連接。地勤人員應(yīng)在貨物檢查中使用貨物檢查手機(jī)，然后將問題列車的記錄上傳到貨物檢查站的安全集中監(jiān)控系統(tǒng)。在一些較小的站點(diǎn)區(qū)域，也可以使用無線網(wǎng)絡(luò)建立無線局域網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。最終，我們將實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物檢查工作全過程的監(jiān)控。

該系統(tǒng)已在一些鐵路局應(yīng)用。表2 顯示了2016年第三季度一些鐵路局的貨運(yùn)安全檢測和警報(bào)評(píng)估結(jié)果（見表2）。

此外，我們選擇了2019年第三季度的太原鐵路局貨運(yùn)信息，以便能夠基于隸屬函數(shù)進(jìn)行信息映射和跟蹤。收集到有效整合有效信息173404 條，有效卸載信息153868 條，成功整合相關(guān)裝載狀態(tài)信息19208848 條，信息匹配率為90.5%。因此，基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了貨運(yùn)狀態(tài)跟蹤的目標(biāo)。

4 結(jié)語

通過分析鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控業(yè)務(wù)需求的情況，提出了物聯(lián)網(wǎng)鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控的體系結(jié)構(gòu)，研究了基于隸屬函數(shù)的貨運(yùn)狀態(tài)跟蹤方法，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)控。該研究將有助于提高貨運(yùn)安全能力，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)管理的長期穩(wěn)定。