基于5G技術(shù)的鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

李林俊,張 歡,厲 偉,李宏林

（1.國能鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100048; 2.南京斯?fàn)柲姎庥邢薰?江蘇 南京 211161）

0 引言

在“聚焦交通強(qiáng)國、鐵路先行”的背景下，鐵路運輸正向著調(diào)度集中化、高速化、重載化、區(qū)間多業(yè)務(wù)的方向發(fā)展，同時對鐵路安全、質(zhì)量、效率等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的貨檢作業(yè)模式難以滿足高速發(fā)展的需求。近些年持續(xù)利用先進(jìn)技術(shù)賦能鐵路高質(zhì)量發(fā)展的實踐，為鐵路智能化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的鐵路通信系統(tǒng)的鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）主要承載語音調(diào)度、列控、調(diào)度命令、無線車次號校核等窄帶業(yè)務(wù)，已無法滿足業(yè)務(wù)智能化發(fā)展的需求[1]。作為新一代寬帶移動通信技術(shù)的 5G 技術(shù)具有高速率、低時延、大連接等特點，使得5G成為智慧鐵路體系建設(shè)的信息交換樞紐和基礎(chǔ)支撐條件[2]。鐵路作為最大的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，采用5G技術(shù)是鐵路行業(yè)從傳統(tǒng)基建向“新基建”實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。同時《國鐵集團(tuán)關(guān)于加快推進(jìn) 5G 技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實施意見》指出，加快推進(jìn)第 5 代移動通信技術(shù)（5G）應(yīng)用，是推進(jìn)新時代鐵路高質(zhì)量發(fā)展、實現(xiàn)交通強(qiáng)國、鐵路先行的重要領(lǐng)域和重要基礎(chǔ)，有利于提升鐵路服務(wù)品質(zhì)和效率效益[3]。

隨著鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展，對安全、質(zhì)量、效率等方面的要求不斷提高，使貨運安全面臨前所未有的壓力，傳統(tǒng)的貨檢作業(yè)模式難以滿足高速發(fā)展的需求。智能裝備、新技術(shù)、新裝備、新工藝的不斷投入使用，不斷推進(jìn)列檢作業(yè)模式由“人檢”向“機(jī)檢”模式的轉(zhuǎn)變。

該文結(jié)合鐵路貨車列檢作業(yè)的需求，采用 5G 技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計算等新興技術(shù)，研究并設(shè)計一套鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)，使之成為鐵路貨運安全保障體系的重要組成部分，極大地提升列檢作業(yè)的工作效率和質(zhì)量，推進(jìn)貨檢作業(yè)模式由“人檢” 向“機(jī)檢”的轉(zhuǎn)變，為提高鐵路貨車安全保障提供技術(shù)支撐，對鐵路貨車安全管理具有重大意義。

1 鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)設(shè)計

鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合列檢機(jī)器人、攝像頭以及傳感器等多種設(shè)備，實現(xiàn)5G技術(shù)與列檢作業(yè)的融合[1]。具體包括終端設(shè)備的海量數(shù)據(jù)傳輸、終端數(shù)據(jù)的匯聚以及海量機(jī)器通信等功能應(yīng)用，為列檢作業(yè)移動作業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1.1 架構(gòu)設(shè)計

鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，開發(fā)框架平臺基于SOA服務(wù)架構(gòu)提供多層的分布式應(yīng)用模型，層與層之間通過接口或服務(wù)調(diào)用?？傮w架構(gòu)分為感知層、傳輸層、平臺應(yīng)用層和用戶層四層，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

（1）感知層處于系統(tǒng)的最底層，負(fù)責(zé)采集貨車、車號、車型以及車速等信息，該層由圖像采集模組、車輪傳感器、電子車號識別設(shè)備、視頻采集終端以及5G移動終端等設(shè)備組成。

（2）傳輸層位于中間，負(fù)責(zé)傳輸和處理感知層獲取的信息，主要由傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，具體包括運營商5G、鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)、5G局域網(wǎng)以及Wi-Fi等。

（3）平臺應(yīng)用層位于系統(tǒng)的中心，該層結(jié)合鐵路貨車智能檢測的需求，在傳輸層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)鐵路貨車智能檢測及應(yīng)用，具體包括即時通信、AI智能檢測、異常報警、案情回放及統(tǒng)計分析等平臺服務(wù)功能。

（4）用戶層利用智能終端、移動終端等多種方式向集團(tuán)用戶、分公司以及貨站監(jiān)管人員提供不同維度的服務(wù)。

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)采用先進(jìn)的信息采集、整合和共享技術(shù)，對鐵路貨車列檢工作進(jìn)行全方位、全過程的管理，主要由圖像采集器、車輛傳感器、車號智能識別裝置等前端設(shè)備、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)以及鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能前端采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄軝z測服務(wù)器，在智能檢測服務(wù)器上通過部署訓(xùn)練模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，并將識別結(jié)果以桌面終端、移動終端等方式反饋給列檢作業(yè)人員進(jìn)行復(fù)核和確認(rèn)。

圖2 邏輯結(jié)構(gòu)

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 5G通信技術(shù)

利用5G的高速度、低功耗、低時延等優(yōu)勢，能夠改善現(xiàn)有鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的信息實時可靠傳輸率低、信息源點連接數(shù)量受限、信息傳輸量受限等問題[1]，尤其是全雙工技術(shù)、超密集異構(gòu)技術(shù)能夠不斷滿足中國鐵路未來不斷涌現(xiàn)的新功能、新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景需求[2]。

針對貨車檢測系統(tǒng)的大量圖像和視頻數(shù)據(jù)的傳輸需求，利用5G技術(shù)的高帶寬、低延遲等特點組建鐵路專網(wǎng)，實現(xiàn)高速移動、高速率、高可靠、高實時、高安全的通信鏈路，解決遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控受限、圖像和視頻流回傳延遲等問題，實現(xiàn)貨車檢測的全新升級。

1.3.2 人工智能

人工智能作為當(dāng)今世界最為前沿的技術(shù)，在深度學(xué)習(xí)圖形圖像識別處理上具有獨特優(yōu)勢[4]，在鐵路貨車檢測中利用深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)對形狀、字符模型以及圖形圖像實現(xiàn)自動識別、評價的過程[5]，既減少了人工勞動力，還能夠存儲原始數(shù)值，便于檢查和運用，有著很大的優(yōu)勢。

1.3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)憑借強(qiáng)大的信息感知與采集能力完成信息的傳遞與共享，從而實現(xiàn)對物的控制?；贘ava 的開源的物聯(lián)網(wǎng)框架實現(xiàn)多種類型感知設(shè)備適配接入，兼容現(xiàn)有各類傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供靈活的應(yīng)用服務(wù)部署和業(yè)務(wù)交互共享模式，并可根據(jù)用戶需求在平臺上動態(tài)添加新的應(yīng)用，顯著降低鐵路物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)成本、服務(wù)運營成本及維護(hù)成本。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將會為鐵路貨車檢測提供實時信息感知手段，同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將海量信息資源有效傳遞給相關(guān)業(yè)務(wù)端口，并完成集中整合和有效處理，最終構(gòu)建鐵路貨運智能化檢測系統(tǒng)，促進(jìn)鐵路信息資源在廣度和深度上的共享，全面提升鐵路貨車檢測的智能化程度。

1.3.4 邊緣計算技術(shù)

邊緣計算是一種分散式運算的架構(gòu)，將應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)資料與服務(wù)的運算，由網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點移往網(wǎng)絡(luò)邏輯上的邊緣節(jié)點來處理[6]，讓海量的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行實時和快速的處理，以減少時延。

邊緣計算技術(shù)作為解決5G場景下不同應(yīng)用帶來的多樣化需求的核心技術(shù)，具有低時延、高效率、安全性、智能化的優(yōu)勢。在鐵路貨車智能檢測系統(tǒng)中，每天處理的數(shù)據(jù)高達(dá)TB級的數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)的云計算架構(gòu)無法處理。邊緣計算將邏輯和數(shù)據(jù)處理從集中的服務(wù)器轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)的最遠(yuǎn)點（或邊緣）。在邊緣計算模型中，數(shù)據(jù)在最接近其原點的點進(jìn)行收集、處理和分析，然后將結(jié)果傳輸?shù)皆贫艘怨┎榭础蟾婧凸蚕?。利用邊緣的大量?jié)余計算能力，顯著改善了網(wǎng)絡(luò)的固有延遲，并降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠛凸摹?/p>

2 業(yè)務(wù)功能設(shè)計

2.1 即時通信

系統(tǒng)支持列檢管理員與現(xiàn)場列檢作業(yè)人員的即時通信，支持音視頻單呼、組呼、會議、集群對講、即時消息、高清視頻回傳等功能；支持語音識別呼叫功能，可通過語音控制呼叫任意用戶。

2.2 AI智能檢測

在裝卸點咽喉處部署安裝圖像采集終端，快速、全天候?qū)π羞M(jìn)中的貨車進(jìn)行掃描，并進(jìn)行圖像重構(gòu)。通過圖像預(yù)處理、配準(zhǔn)以及比對等算法模型對圖像進(jìn)行處理，通過逐像素對比及閾值區(qū)域劃分，自動檢測搭扣是否落槽、折頁是否折斷、車體及小門是否存在外脹等缺陷，提高列檢作業(yè)質(zhì)量和工作效率，保障貨車安全運行。

2.3 異常報警

異常報警功能是貨車智能檢測系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)界面顯示內(nèi)容主要包括鐵路貨車視頻實時采集畫面和異常檢測標(biāo)記。通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行對異常事件的判斷分析，將異常事件結(jié)果以及報警信息自動記錄到數(shù)據(jù)庫。

支持檢索由智能檢測算法產(chǎn)生的警告信息，用戶可查看警告詳情并進(jìn)行二次確認(rèn)，審核處理警告信息，并支持將警告結(jié)果導(dǎo)出到Excel中。

2.4 案情回放

通過損傷報告或報警記錄關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，回放瀏覽車輛損壞事故發(fā)生的視頻及警告信息，為車輛貨車損壞索賠、零部件質(zhì)量索賠提供依據(jù)。

2.5 綜合查詢

根據(jù)車號、類型以及缺陷類型等關(guān)鍵字快速查詢貨車檢測記錄，支持查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel文件。

2.6 統(tǒng)計分析

按照貨站、班次、日期（年、季、月、旬、日）、人員等關(guān)鍵組合進(jìn)行統(tǒng)計，分析功能包括問題分類統(tǒng)計、問題趨勢分析等內(nèi)容，支持以圖表的形式可視化展示。

3 智能檢測融合典型應(yīng)用場景

3.1 可視化管控全覆蓋

系統(tǒng)通過GIS全景地圖可視化展示作業(yè)人員、貨車信息以及貨車檢測結(jié)果等。貨檢管理人員根據(jù)圖像、報警信息以及視頻監(jiān)控可視化展示列檢作業(yè)人員的信息。列檢管理人員根據(jù)報警內(nèi)容實時下發(fā)作業(yè)指令，并具備音視頻通話等功能。

3.2 基于5G的智能視頻監(jiān)控

5G智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)對貨站作業(yè)情況進(jìn)行整體監(jiān)控，針對鉤機(jī)等作業(yè)車輛的不規(guī)范作業(yè)進(jìn)行邊緣處理，將識別結(jié)果以及相關(guān)原始記錄通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳中心服務(wù)器，列檢管理人員可實現(xiàn)快速預(yù)警或及時采取應(yīng)對措施。

3.3 基于5G的智能列檢機(jī)器人

鐵路列檢機(jī)器人通過內(nèi)置高速相機(jī)、北斗定位、模塊化圖像分析以及5G通信等模塊完成貨車圖像智能采集、判定、記錄、追溯。通過5G模塊為機(jī)器人與機(jī)房之間提供通信連接，智能手機(jī)或Pad實現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制、檢測結(jié)果的遠(yuǎn)程查看等功能。智能列檢機(jī)器人未來將是列檢作業(yè)自動化、智能化的主要手段，減少了人員配置，可顯著提高鐵路貨車列檢作業(yè)的效率。

3.4 移動作業(yè)可視管控、安全預(yù)警

貨檢管理人員將列檢作業(yè)人員的工作計劃，利用5G無線實時傳輸至作業(yè)手持終端，作業(yè)人員進(jìn)行移動作業(yè)時，將根據(jù)計劃變化組織作業(yè)，且在作業(yè)過程中可將作業(yè)可視化通信、人員定位、作業(yè)軌跡、作業(yè)過程錄音等實時傳輸至貨檢值班室。

4 結(jié)束語

在“交通強(qiáng)國，鐵路先行”政策的引導(dǎo)下，提升鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化水平已經(jīng)成為鐵路發(fā)展的必然選擇。該文利用5G的多連接、低時延、大帶寬特點進(jìn)一步拓展5G技術(shù)在垂直行業(yè)（貨車檢測）的應(yīng)用，實現(xiàn)貨車檢測作業(yè)智能監(jiān)管，利用人工智能提高列檢作業(yè)效率和質(zhì)量。5G作為智能鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的支撐技術(shù)，不能作為一個孤立的系統(tǒng)，還需要結(jié)合其他新的技術(shù)組合應(yīng)用（如5G+高清視頻、5G+AI、5G+AR、5G+大數(shù)據(jù)等）[7]，充分發(fā)掘和擴(kuò)展其功能特性，最終實現(xiàn)鐵路貨車列檢作業(yè)管控的一體化、智慧化發(fā)展。