基于邊緣計算的智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)

楊興磊，魯玉龍，張俊堯，李春紅，陳雨超

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.北京時代橋企業(yè)管理顧問有限公司，北京 100081）

隨著鐵路工程建設規(guī)模的不斷擴大，為落實鐵路信息化發(fā)展戰(zhàn)略要求，王同軍[1]在智能高鐵戰(zhàn)略研究中提出，利用云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術，融合先進管理理念，實現(xiàn)鐵路工程建設期間各生產場景信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理和決策分析。容建華等人[2-3]提出“智慧工地”的概念，通過鐵路工地“人、機、料、法、環(huán)”諸要素的信息化，實現(xiàn)鐵路施工過程的有效監(jiān)管。

2013年以來，基于云計算架構的鐵路工程管理平臺在全路推廣應用，經過幾年的發(fā)展，在現(xiàn)場設備接入、生產數(shù)據采集、過程管理控制等方面已取得長足的發(fā)展，但也面臨著如下問題和挑戰(zhàn)：

（1）工地網絡覆蓋較差，生產數(shù)據采集上傳不及時；

（2）數(shù)據接口不統(tǒng)一，終端應用多源異構，難以實現(xiàn)統(tǒng)一管理；

（3）專業(yè)間難以共享和集成數(shù)據，現(xiàn)場采集的數(shù)據不能被有效挖掘和利用；

（4）存在大量冗余數(shù)據，數(shù)據利用率低，占用大量云端資源和傳輸帶寬[4]。

為此，針對云計算架構下海量數(shù)據的分析與儲存對網絡帶寬帶來的挑戰(zhàn)，提出基于邊緣計算的智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)，并結合混凝土拌和站生產自動化、鐵路工地現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道工程圍巖變形監(jiān)測3 類場景開展應用探索，實現(xiàn)生產數(shù)據就近高效處理分析、超差實時報警、變化趨勢自動評判等邊緣側智能應用，解決“云-端”交互時異構接入和傳輸時延等問題。

1 邊緣計算概念及特點

1.1 邊緣計算的概念

邊緣計算是在靠近物或數(shù)據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務、數(shù)據優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求[5]。

1.2 邊緣計算的特點

基于邊緣計算的應用場景具有以下特點。

（1）異構聯(lián)接：支持多種不同類型終端與邊緣側設備的實時連接，同時保證連接適配的可靠性和安全性。

（2）智能分析：邊緣側設備具備數(shù)據分析能力，能通過多種類型得終端采集數(shù)據，并自動執(zhí)行業(yè)務邏輯。

（3）高度自治：利用人工智能、深度學習等新技術，邊緣側設備更加智能化，可獨自完成業(yè)務數(shù)據的計算和分析，形成區(qū)域自治節(jié)點。

2 智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)的架構設計

2.1 系統(tǒng)部署架構

基于邊緣計算的智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)的部署可劃分為現(xiàn)場層、邊緣層和云平臺層，如圖1所示。

2.1.1 現(xiàn)場層

現(xiàn)場層主要指工地施工作業(yè)現(xiàn)場的各類數(shù)據采集、控制終端節(jié)點；這些節(jié)點通過總線、藍牙或以太網等通信方式，與邊緣側設備節(jié)點連接，實現(xiàn)現(xiàn)場層和邊緣層之間數(shù)據流和控制信息的連通。

2.1.2 邊緣層

邊緣層是系統(tǒng)核心，主要包含邊緣網關、邊緣服務器等邊緣側設備，負責接收、處理和轉發(fā)來自現(xiàn)場層的數(shù)據流，提供終端節(jié)點接入、數(shù)據篩查、數(shù)據分析和傳輸優(yōu)化等邊緣服務，同時還可根據業(yè)務邏輯編排，實現(xiàn)對現(xiàn)場工控設備的實時控制。

2.1.3 云平臺層

云平臺層提供集中管控、決策支持等上層服務，通過獲取邊緣層數(shù)據流，實現(xiàn)對工地現(xiàn)場各類作業(yè)機械設備施工作業(yè)數(shù)據的整合，構建面向各類用戶的綜合應用服務，對工地現(xiàn)場生產管理進行全局調度和指揮決策。

2.2 系統(tǒng)業(yè)務邏輯架構

結合鐵路工地生產管理現(xiàn)狀，從信息化發(fā)展及現(xiàn)場實際管理需求出發(fā)，在信息安全保障體系支撐下，基于邊緣計算的智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)的業(yè)務邏輯架構分為3個層次：現(xiàn)場接入層，邊緣使能層和平臺應用層，如圖2 所示。

2.2.1 現(xiàn)場接入層

現(xiàn)場接入層主要是鐵路工地現(xiàn)場各種生產場景中的信息終端節(jié)點以不同接入方式，實現(xiàn)與邊緣側設備的泛在互聯(lián)。

2.2.2 邊緣使能層

邊緣使能層通過在工地現(xiàn)場部署邊緣設備，集成計算、存儲、網絡和通信接口等硬件資源，提供面向現(xiàn)場實時應用的虛擬機、容器等系統(tǒng)資源，實現(xiàn)對現(xiàn)場終端節(jié)點的接入和控制；同時，根據業(yè)務邏輯編排規(guī)則，對采集到的生產數(shù)據進行篩查、分析和優(yōu)化，并上傳至云平臺。

2.2.3 平臺應用層

平臺應用層主要通過云計算平臺，向用戶提供諸如拌和站生產自動化、工地現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道圍巖變形監(jiān)測等應用，使管理人員能夠即時掌控鐵路工地的生產作業(yè)過程、現(xiàn)場施工動態(tài)及環(huán)境狀況。

2.3 系統(tǒng)網絡架構

基于邊緣計算的智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)的網絡架構可劃分為3 層：邊緣側、網絡側和平臺側，如圖3 所示。

2.3.1 邊緣側

邊緣側主要是工地作業(yè)現(xiàn)場的節(jié)點設備，如拌和站工控設備、圍巖量測測繪設備、橋梁在線監(jiān)測設備、路基沉降監(jiān)測設備和工地視頻監(jiān)控設備等數(shù)據采集終端，以及部署在工地現(xiàn)場的邊緣網關或邊緣服務器；這些設備完成生產作業(yè)數(shù)據的采集、邊緣側數(shù)據融合、數(shù)據分析以及業(yè)務邏輯編排等。

2.3.2 網絡側

網絡側主要承擔邊緣側與平臺側數(shù)據之間的傳輸，可采用互聯(lián)網、專網、VPN 或移動網絡等多種傳輸方式。

2.3.3 平臺側

平臺側通過部署虛擬化計算節(jié)點，搭建云計算服務平臺，構建上層應用，提供面向多用戶的數(shù)據分析、個性化應用、智能評判和決策指揮；管理節(jié)點可對云端節(jié)點進行管理，也可向邊緣側節(jié)點下達指令，實現(xiàn)資源全局調整與優(yōu)化。

3 應用探索

3.1 基于邊緣計算的混凝土拌和站生產自動化

混凝土拌和站生產管理是工程建設期中一個重要環(huán)節(jié)，混凝土拌和站的產能和生產質量關乎線路工程實體的進度和品質。

利用邊緣設備強大的數(shù)據計算、存儲和分析能力，通過互聯(lián)網、總線技術以及精確的控制邏輯，構建混凝土拌和站生產自動化系統(tǒng)[6]，業(yè)務邏輯關系如圖4 所示。

在原材料進場階段，采集磅房數(shù)據，包括進場原材料的類型、數(shù)量、運輸車次等，生成原材料進場批次記錄；記錄原材料的送檢取樣和檢驗結果，并將進場原材料記錄與檢驗結果相關聯(lián)。

在混凝土拌和站生產過程中，邊緣設備通過分析原材料配料單，與混凝土拌和站工控設備實現(xiàn)聯(lián)動，精準控制各種原材料的投料數(shù)量、攪拌時間等[7]，實現(xiàn)混凝土生產質量的高效可控，確保生產數(shù)據真實有效。

在混凝土運輸階段，記錄混凝土拌和站出料時罐車車次、混凝土方量以及罐車行進路線等信息，生成運輸記錄。

借助邊緣設備的業(yè)務邏輯分析能力，對生產記錄進行關聯(lián)分析，實現(xiàn)混凝土拌和站從原材料進場、檢驗、生產到運輸?shù)娜^程自動管控。

3.2 基于邊緣計算的鐵路工地視頻監(jiān)控

鐵路工地地處偏僻，作業(yè)條件環(huán)境惡劣，極易發(fā)生生產安全事故。工地視頻監(jiān)控作為日常生產作業(yè)安全監(jiān)管的輔助設施，可對施工作業(yè)、人員操作、機械運轉等實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)施工質量、違規(guī)操作等安全隱患，提升施工安全管理水平[8]。

鐵路工地現(xiàn)場作業(yè)面廣、監(jiān)控范圍受限、網絡接入困難，為滿足監(jiān)控需求，傳統(tǒng)的鐵路工地視頻監(jiān)控系統(tǒng)中往往需要設置多個不同角度的高清晰度攝像機。攝像機清晰度越高，占用網絡帶寬越大；而大部分視頻監(jiān)控畫面數(shù)據的利用價值不高，占用大量后端存儲，浪費存儲資源。

為此，引入邊緣計算和視頻壓縮處理技術[9]，通過邊緣側設備對接入的視頻監(jiān)控數(shù)據進行壓縮處理，去除視頻圖像中冗余信息，減少視頻數(shù)據存儲量。同時，邊緣側設備還可通過智能分析，自動判斷作業(yè)區(qū)內安全隱患和違規(guī)作業(yè)事件，實時進行標記，并立即向現(xiàn)場安全管理人員推送報警信息。

3.3 基于邊緣計算的鐵路隧道工程圍巖變形監(jiān)測

鐵路隧道施工具有施工技術復雜、不可預見風險多、地質條件復雜多變等特點，隧道圍巖的變形監(jiān)測對保障施工安全的具有重要影響，同時，隧道圍巖的監(jiān)測也是衡量施工工藝與設計是否相符的重要手段。利用信息化手段對隧道圍巖變形進行監(jiān)控和預測，可為圍巖穩(wěn)定性判別提供直觀、可靠的信息[10]。然而，隧道圍巖變形是一個復雜的過程，僅靠直接采集變形數(shù)據很難判別其變形規(guī)律。

為此，根據隧道圍巖變形的時間序列變化特性，建立基于深度學習的人工神經網絡預測模型[11]，對隧道圍巖變形進行預測。通常，基于深度學習的模型訓練與推理邏輯部署在云端數(shù)據中心，現(xiàn)場監(jiān)測終端設備將圍巖變形數(shù)據采集上傳至云端數(shù)據中心，云端完成處理后，再將結果推送回用戶終端。在這種信息處理模式下，大量數(shù)據通過傳輸延時較大、帶寬波動的互聯(lián)網在云端和用戶端之間傳輸，會造成較大的端到端數(shù)據傳輸延時及報警滯后。通過在邊緣側設備搭載神經網絡算法的方式，監(jiān)測數(shù)據無需頻繁在監(jiān)測終端和云端數(shù)據中心間傳輸數(shù)據，邊緣設備既能夠確保監(jiān)測數(shù)據快速實時采集上傳，同時通過本地化處理分析，實現(xiàn)快速的報警響應。

4 結束語

鐵路工地生產管理具有作業(yè)面廣、作業(yè)類型多、終端設備多等特點，智慧鐵路工地的發(fā)展需要不斷引入新技術?；谶吘売嬎愕牟呗?，提出智慧鐵路工地生產管理系統(tǒng)的架構設計，以混凝土拌和站生產自動化、工地現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道工程圍巖變形監(jiān)測3 類場景開展應用實踐，支持智慧鐵路工地生產管理終端異構連接和相關業(yè)務實時管控。

隨著鐵路智能建造的發(fā)展，邊緣計算策略將在更多智慧工地場景中得到應用。