鐵路集裝箱場(chǎng)站智能系統(tǒng)研究

童鵬程 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部

1 背景及概述

當(dāng)前國(guó)內(nèi)物流市場(chǎng)正發(fā)生深刻變革，“小快零”需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)物流組織提出了更高要求。鐵路集裝箱運(yùn)輸呈現(xiàn)以下五個(gè)方面：一是集裝箱運(yùn)量快速增長(zhǎng)；二是集裝箱辦理站網(wǎng)絡(luò)化布局不斷優(yōu)化、日趨完善；三是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備設(shè)施為信息化建設(shè)提供支撐；四是裝箱辦理站信息服務(wù)穩(wěn)步提升；五是國(guó)鐵集團(tuán)將提升集裝箱場(chǎng)站智能化水平納入鐵路集裝箱運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃。

為此，上海局根據(jù)自上而下的規(guī)劃和自下而上的技術(shù)創(chuàng)新，向國(guó)鐵集團(tuán)提出“鐵路集裝箱智能場(chǎng)站關(guān)鍵技術(shù)研究”的科研項(xiàng)目，開(kāi)展鐵路集裝箱智能場(chǎng)站系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，以有效提升集裝箱業(yè)務(wù)運(yùn)作效率和管理水平，提升鐵路經(jīng)營(yíng)效益、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面為目標(biāo)，構(gòu)建自動(dòng)化、智能化的鐵路集裝箱場(chǎng)站管理系統(tǒng)。課題研究已在義烏西、金華南示范應(yīng)用。

2 集裝箱場(chǎng)站信息化管理

2.1 智能定位

（1）集裝箱定位。采用GNSS-RTK定位、UWB定位技術(shù)，構(gòu)建多級(jí)定位系統(tǒng)，結(jié)合TOA/TDOA 等算法，全面解決場(chǎng)站內(nèi)集裝箱的時(shí)空定位。采用馴服時(shí)鐘等技術(shù)提高定位精度。

（2）集裝箱號(hào)智能獲取?；诩b箱左右兩側(cè)、頂端使用字母加數(shù)字標(biāo)識(shí)，采用視頻圖像采集、OCR 識(shí)別技術(shù)，識(shí)別出集裝箱箱號(hào)；利用集裝箱編號(hào)校驗(yàn)規(guī)則、集裝箱系統(tǒng)中的箱號(hào)數(shù)據(jù)，輔助矯正集裝箱箱號(hào)，提升集裝箱號(hào)識(shí)別正確率。

（3）集卡車輛的作業(yè)定位。采用RFID 技術(shù)獲取集卡汽車車板號(hào)，綜合OCR 識(shí)別技術(shù)識(shí)別集卡汽車車號(hào)，通過(guò)門式起重機(jī)定位信息完成集卡汽車整體作業(yè)的定位。

（4）裝卸作業(yè)智能化接車對(duì)位。采用雷達(dá)檢測(cè)等技術(shù)，結(jié)合軌道式集裝箱門式起重機(jī)位置綜合定位貨車位置、車型、車號(hào)；裝卸作業(yè)中，對(duì)堆場(chǎng)貨車車板和貨車位置信息進(jìn)行自動(dòng)采集；模擬接車對(duì)位等作業(yè)，使得系統(tǒng)自動(dòng)模擬推算、產(chǎn)生較優(yōu)效率的裝卸作業(yè)指令。

（5）在正面吊運(yùn)起重機(jī)、集裝箱空箱堆垛機(jī)移動(dòng)作業(yè)中實(shí)現(xiàn)集裝箱定位。通過(guò)OCR 識(shí)別和GNSS-RTK 定位實(shí)現(xiàn)箱位精準(zhǔn)管理。

2.2 智能感知

（1）AI智能感知識(shí)別門式起重機(jī)吊具狀態(tài)。采用圖像處理和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)識(shí)別視頻，后臺(tái)進(jìn)行逐層表征圖像抽象特征、端到端訓(xùn)練等。

（2）動(dòng)態(tài)感知門式起重機(jī)區(qū)域人員定位。利用毫米波雷達(dá)（波長(zhǎng)1 mm-10 mm，頻率30 GHz-300 GHz 的毫米波），通過(guò)測(cè)量回波的時(shí)間差算出動(dòng)態(tài)物體距離，分析得到作業(yè)人員處于高風(fēng)險(xiǎn)位置，進(jìn)行提示報(bào)警。

（3）激光測(cè)距尺輔助門式起重機(jī)快速解FTR 鎖。通過(guò)相位法測(cè)距和脈沖法測(cè)距，計(jì)算出相位差或發(fā)送接收信號(hào)的時(shí)間差，獲得目標(biāo)距離，門吊小車上的旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)角度調(diào)整，使吊具與集裝箱快速實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)鐵路貨車上的FTR 鎖，輔助優(yōu)化吊裝作業(yè)。相位法測(cè)距和脈沖法測(cè)距法計(jì)算相位差或發(fā)送接收信號(hào)的時(shí)間差，獲得距離。

2.3 數(shù)據(jù)共享與協(xié)同

（1）集裝箱超偏載裝置測(cè)量信息、汽車衡稱重信息綜合應(yīng)用。可有效、快速判斷集裝箱超重、偏載，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）與鐵路既有集裝箱系統(tǒng)的接口協(xié)議。采用數(shù)據(jù)同步、消息同步、https等技術(shù)，與現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步和交互。

（3）消息處理機(jī)制。集裝箱智能場(chǎng)站系統(tǒng)需要各崗位協(xié)同工作，其工作內(nèi)容、流程和結(jié)果都要及時(shí)交互，并且實(shí)時(shí)與貨運(yùn)其他系統(tǒng)交互，為了保證信息傳遞及時(shí)和增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感，引入redis消息處理機(jī)制。

2.4 圖形化展現(xiàn)和微服務(wù)技術(shù)

（1）圖形化處理機(jī)制。前端采用圖形處理平臺(tái)，針對(duì)鐵路貨場(chǎng)具有貨區(qū)、貨位等業(yè)務(wù)元素及其特定相關(guān)屬性，采取圖形化展示方式，將鐵路線路、車輛等圖形化的展示，具有較強(qiáng)的方便性和直觀性。

（2）微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)。后端基于微服務(wù)架構(gòu)支撐各類數(shù)據(jù)服務(wù)高可用性，將各業(yè)務(wù)模塊發(fā)布為服務(wù)，支持服務(wù)容量線性擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)多個(gè)車站集中部署后，業(yè)務(wù)能力粒度上的重用、組裝、維護(hù)和管理。提供接口級(jí)、方法級(jí)、參數(shù)級(jí)的服務(wù)路由以及服務(wù)歸組、服務(wù)限流、安全控制追蹤等服務(wù)治理能力。

2.5 場(chǎng)外與場(chǎng)內(nèi)協(xié)同作業(yè)

（1）場(chǎng)外預(yù)約功能?？蛻簦ㄋ緳C(jī)）APP（android 版、IOS 版），可線上辦理提重箱委托、送空箱委托、進(jìn)場(chǎng)預(yù)約、裝車照片審核等業(yè)務(wù)，還能實(shí)時(shí)跟蹤集裝箱的作業(yè)動(dòng)態(tài)。

（2）貨運(yùn)員APP（android 版），具有接收吊箱指令、裝卸車、場(chǎng)內(nèi)整理、接收超偏載信息、作業(yè)確認(rèn)等功能。

3 系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

鐵路集裝箱智能場(chǎng)站系統(tǒng)采用上海局云計(jì)算資源搭建，可多個(gè)場(chǎng)站系統(tǒng)集中部署、分布式處理。主要功能有：客戶預(yù)約、圖形化堆場(chǎng)、檢斤驗(yàn)貨、智能作業(yè)指令等業(yè)務(wù)功能。該系統(tǒng)與上海局貨運(yùn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)接口服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的獲取及上報(bào)。圖1為總體架構(gòu)圖。

圖1 總體架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)物理架構(gòu)

采用互聯(lián)網(wǎng)、鐵路辦公網(wǎng)、內(nèi)部資源網(wǎng)等混合組網(wǎng)方式，分布于上海局各地的客戶、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)終端（PC 端或手持機(jī)）、辦公網(wǎng)終端（PC 端或手持機(jī)）接入系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)。

互聯(lián)網(wǎng)、鐵路辦公網(wǎng)、內(nèi)部資源網(wǎng)間通過(guò)防火墻、訪問(wèn)控制（端口、身份鑒別）嚴(yán)格邊界防護(hù)、安全控制。圖2為物理架構(gòu)圖。

圖2 物理架構(gòu)圖

3.3 場(chǎng)站定位識(shí)別原理

（1）圖像自動(dòng)跟蹤技術(shù)。通過(guò)門吊吊具的二級(jí)內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，計(jì)算出吊具的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，結(jié)合視頻跟蹤技術(shù)，調(diào)整圖像采集設(shè)備的角度和焦距，使圖像采集設(shè)備視頻畫面實(shí)時(shí)追蹤工作焦點(diǎn)。

（2）集裝箱自動(dòng)定位技術(shù)。采用多級(jí)定位的方式，一級(jí)定位得到門吊對(duì)站場(chǎng)的坐標(biāo)，二級(jí)定位得到門吊吊具的相對(duì)坐標(biāo)，結(jié)合定位算法計(jì)算出吊具位置，再采集門吊閉鎖、開(kāi)鎖工作狀態(tài)和集裝箱箱號(hào)識(shí)別，利用RTK-GNSS 定位技術(shù)，反向定位計(jì)算出集裝箱最終放置的位置。圖3為場(chǎng)站定位識(shí)別架構(gòu)圖。

圖3 場(chǎng)站定位識(shí)別架構(gòu)圖

4 功能模塊

（1）數(shù)據(jù)集成。集成鐵路現(xiàn)車系統(tǒng)、電商系統(tǒng)、集裝箱系統(tǒng)、貨運(yùn)站系統(tǒng)等，形成場(chǎng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境，集中部署在上海局統(tǒng)一資源平臺(tái)，可與國(guó)鐵集團(tuán)鐵路貨運(yùn)票據(jù)電子化系統(tǒng)平臺(tái)交互。

（2）圖形化集裝箱堆場(chǎng)。根據(jù)不同顏色區(qū)分到達(dá)發(fā)送箱、空重箱、20/40 尺、異常箱等；結(jié)合車種信息提示車輛鎖扣信息，避免空重混裝、吊裝等安全隱患；根據(jù)需要增加標(biāo)識(shí)區(qū)分功能區(qū)，比如到達(dá)箱、出發(fā)箱、海鐵聯(lián)運(yùn)箱、國(guó)際班列等；通過(guò)分析門吊當(dāng)前位置、待作業(yè)的集裝箱分布情況、待作業(yè)的集卡情況等條件參數(shù)，系統(tǒng)能夠計(jì)算出最優(yōu)作業(yè)路線，減少車輛和設(shè)備的無(wú)序走行，使作業(yè)調(diào)度更加科學(xué)，安全管理更加精準(zhǔn)；場(chǎng)內(nèi)外貨運(yùn)作業(yè)流程、設(shè)備采集信息等按業(yè)務(wù)流進(jìn)行管理，集中展示在圖形化堆場(chǎng)上。

（3）外部協(xié)作平臺(tái)模塊?？蛻糇鳂I(yè)預(yù)約、引導(dǎo)（顯示屏、APP 推送）模塊，獲取場(chǎng)內(nèi)堆場(chǎng)信息，內(nèi)外交付信息等；客戶可將集裝箱裝卸信息提前傳輸?shù)綀?chǎng)內(nèi)，將裝卸作業(yè)安全監(jiān)管延伸至場(chǎng)外。

（4）作業(yè)統(tǒng)一調(diào)度。由系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)一下發(fā)智能吊箱指令，作業(yè)人員APP 接收吊箱指令后按計(jì)劃作業(yè)，門吊部位上的數(shù)據(jù)傳感器實(shí)現(xiàn)箱號(hào)信息、超偏載等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前抓取的集裝箱信息不符或超過(guò)超偏載閾值，便會(huì)立即發(fā)出警示，消除隱患作業(yè)。

（5）進(jìn)出門管理電子化。智能閘口管理子系統(tǒng)，可根據(jù)場(chǎng)內(nèi)外作業(yè)內(nèi)容，將集裝箱箱號(hào)與集卡車牌綁定，在閘口處對(duì)集裝箱、車牌、汽車衡等信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)車輛不停留快速過(guò)閘。

（6）作業(yè)安全輔助。集裝箱超偏載裝置采集信息、集裝箱箱號(hào)、箱位等信息被關(guān)聯(lián)，在作業(yè)中警示貨運(yùn)裝卸作業(yè)；系統(tǒng)呈現(xiàn)集裝箱吊裝作業(yè)和吊裝軌跡，形成室外貨裝與室內(nèi)監(jiān)護(hù)間互控；安裝軌道門吊、移動(dòng)式正面吊等裝載機(jī)械設(shè)備上的傳感器可輔助貨車FTR鎖扣解鎖，提升裝載安全。

（7）數(shù)據(jù)交換與分析統(tǒng)計(jì)。大型物流企業(yè)的系統(tǒng)與外部協(xié)作系統(tǒng)互聯(lián)，進(jìn)場(chǎng)信息通過(guò)安全平臺(tái)推送進(jìn)入智能集裝箱系統(tǒng)，實(shí)行企業(yè)間系統(tǒng)互聯(lián)；通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站管理的輔助決策。

（8）故障應(yīng)急處置模塊。電子門禁等相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，改由手工抬桿，可錄入進(jìn)重提空、放行作業(yè)信息；門吊定位設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)故障時(shí)，場(chǎng)站外勤貨運(yùn)員使用作業(yè)APP 進(jìn)行信息確認(rèn)或者人工錄入；互聯(lián)網(wǎng)安全平臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)鐵路內(nèi)網(wǎng)PC終端，進(jìn)行人工錄入進(jìn)場(chǎng)信息和作業(yè)干預(yù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

集裝箱智能場(chǎng)站系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了集裝箱箱位管理信息化、閘口管理智能化和場(chǎng)站作業(yè)全流程管理，改變了以手抄方式進(jìn)行集裝箱信息的采集、傳遞和處理，大大降低了作業(yè)差錯(cuò)率、提升了作業(yè)效率。金華南依托鐵路集裝箱智能場(chǎng)站系統(tǒng)支撐，場(chǎng)站能力提高約40%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年1 至8月，金華南累計(jì)開(kāi)行中歐班列458 列，發(fā)運(yùn)38062 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)箱，同比增長(zhǎng)159%。上海局將繼續(xù)在合肥北、堯化門、常州、蘇州西等鐵路集裝箱場(chǎng)站推廣應(yīng)用。

今后，鐵路集裝箱場(chǎng)站仍需深化與場(chǎng)外單位數(shù)據(jù)共享，圍繞提升客戶服務(wù)、數(shù)據(jù)增值、協(xié)同作業(yè)和管理等做好進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。