基于物聯(lián)網(wǎng)的貨運站列車探測識別系統(tǒng)設(shè)計研究

趙耘華 上海鐵路局信息技術(shù)所

基于物聯(lián)網(wǎng)的貨運站列車探測識別系統(tǒng)設(shè)計研究

趙耘華 上海鐵路局信息技術(shù)所

列車探測與識別系統(tǒng)研究與建設(shè)以“鐵路貨運站管理信息系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，突出自動信息采集與處理，主要包括改造和建設(shè)貨運站股道列車車號識別系統(tǒng)、自動探測系統(tǒng)和貨場定位系統(tǒng)等，并對設(shè)備、數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與管理，為貨運站列車管理、裝卸作業(yè)監(jiān)控、人員貨物定位提供有效的信息化管理手段，在貨運站管理工作中取得了很好的應(yīng)用效果。

車號識別；列車探測；高精定位

1 引言

鐵路貨運具有運量大、成本底、準(zhǔn)點率高、速度快等優(yōu)點，承載了巨量的大宗貨物運輸，是國民經(jīng)濟(jì)大動脈。然而，隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，傳統(tǒng)的鐵路貨運理念、辦理方式、運輸組織等都已不能很好地適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，鐵路貨運技術(shù)改革迫在眉睫。

我國鐵路貨運信息化有一定基礎(chǔ)，但仍面臨眾多問題和挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為：不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通不暢，信息各自獨立，難以共享；現(xiàn)行的貨場管理系統(tǒng)以人工錄入方式采集數(shù)據(jù)或不同系統(tǒng)間傳遞數(shù)據(jù)，信息采集不正確、不完整、不及時；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、運營平臺復(fù)雜。因此，鐵路貨場系統(tǒng)的改革十分必要和迫切。

為最大限度滿足現(xiàn)代物流對鐵路貨物運輸?shù)囊螅鉀Q貨運站列車到、發(fā)和裝卸作業(yè)信息錄入量大、時間滯后的難題，降低人工錄入信息的失準(zhǔn)率，提高鐵路貨物運輸組織工作效率，結(jié)合上海鐵路局貨運中心面積大、庫臺多、裝卸作業(yè)量大的實際情況，開發(fā)并實施了貨運站列車探測與識別系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于鐵路物流領(lǐng)域是今后的發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)嘗試?yán)梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)解決我國鐵路貨場領(lǐng)域的難題。采用RFID、無線傳輸?shù)葌鞲屑夹g(shù)，建立基于Web的鐵路貨場系統(tǒng)，以“鐵路貨運站管理信息系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)挖掘、智能分析和信息融合等技術(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和整合應(yīng)用，有助于實現(xiàn)鐵路精細(xì)化管理，推動我國鐵路貨場信息化進(jìn)程，提高鐵路貨物運輸效率和服務(wù)質(zhì)量，有效促使鐵路物聯(lián)網(wǎng)有序地建設(shè)發(fā)展。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

本系統(tǒng)遵循“需求牽引、統(tǒng)籌設(shè)計、分步實施、資源共享”的建設(shè)原則，應(yīng)用RFID、無線傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與視頻智能識別技術(shù)，并基于股道沿線布設(shè)的磁敏超聲傳感器、攝像機(jī)設(shè)備，通過協(xié)同感知、智能聯(lián)動、融合處理，實現(xiàn)在貨運列車進(jìn)出股道時自動采集識別列車車號、自動記時，以及對停靠列車或車廂、倉庫貨物、裝卸機(jī)械設(shè)備（叉車等）的實時精準(zhǔn)定位等功能，以形成完善的現(xiàn)代鐵路智能化貨場系統(tǒng)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，并為鐵路貨場管理提供有效的技術(shù)支撐。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

列車探測與識別系統(tǒng)由應(yīng)用子系統(tǒng)和貨運站監(jiān)控平臺組成。

應(yīng)用子系統(tǒng)由列車自動探測、列車車號識別、貨場定位分系統(tǒng)構(gòu)成，主要實現(xiàn)對前端探測設(shè)備的控制，融合處理后數(shù)據(jù)的存儲、上傳、狀態(tài)管理等操作，設(shè)備管理接入權(quán)限局限于本系統(tǒng)之內(nèi)；應(yīng)用系統(tǒng)需根據(jù)監(jiān)控平臺信息中心業(yè)務(wù)定義，完成原始感知數(shù)據(jù)的采集和本地化協(xié)同處理，并上傳至信息服務(wù)中心，同時需接受監(jiān)控平臺的控制請求。各分系統(tǒng)設(shè)計如下：

3.1 列車自動探測分系統(tǒng)

列車自動探測分系統(tǒng)主要采用磁敏檢測技術(shù)技術(shù)原理，利用列車車廂的金屬材料對地球磁場引起的擾動，通過磁敏檢測技術(shù)感知擾動的存在并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。磁敏傳感器設(shè)備由檢測單元、數(shù)據(jù)處理器、無線發(fā)射機(jī)、電池及密封殼體等組成，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理模塊可對列車通過信號進(jìn)行分析，實現(xiàn)對列車的自動探測。

本系統(tǒng)基于貨運站庫臺實際環(huán)境和安裝條件，在軌道平臺側(cè)面布設(shè)多個磁敏傳感器組成檢測陣列，對列車行進(jìn)位置進(jìn)行自動識別。當(dāng)有列車進(jìn)入和離開時，探測器上方有金屬切割磁力線，使磁場信號發(fā)生擾動變化，磁敏傳感器即能自動探測并識別出列車進(jìn)入和離開。探測的信息采用無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)基站，進(jìn)行匯總后經(jīng)中繼傳輸?shù)胶笈_。并將檢測結(jié)果通過架設(shè)在軌道附近的數(shù)據(jù)基站接收、轉(zhuǎn)發(fā)至后臺數(shù)據(jù)中心。結(jié)合車號識別系統(tǒng)，可以根據(jù)車號在監(jiān)控平臺分系統(tǒng)上標(biāo)記出列車所在貨場的實時位置。

列車自動探測系統(tǒng)的安裝包括磁敏傳感器安裝和基站安裝。基站負(fù)責(zé)接收并處理控制區(qū)域內(nèi)每個磁敏傳感器的檢測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺控制中心。基站和磁敏傳感器之間通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信，和后臺之間通過現(xiàn)場的局域網(wǎng)通信。考慮到取電和鏈接通信網(wǎng)絡(luò)的方便性，基站的安裝位置選擇了磁敏傳感器陣列安裝位置附近的立桿支架。

3.2 列車車號識別分系統(tǒng)

列車車號識別分系統(tǒng)結(jié)合了圖像處理和模式識別技術(shù)，在庫臺入口股道處放置一個CCD攝像機(jī)，實時采集車號圖像，對采集的圖像進(jìn)行處理與識別。在攝像機(jī)旁邊安裝有控制箱，用于對攝像機(jī)進(jìn)行供電和圖像數(shù)據(jù)傳輸。在機(jī)房安裝有一臺工控機(jī)，用于對車號進(jìn)行智能識別處理。本項目車號自動識別過程如圖1所示。

圖1 貨車車廂車號自動識別簡要過程

當(dāng)CCD攝像機(jī)采集到一組列車進(jìn)入股道的視頻后，對動態(tài)采集到的視頻圖像和靜態(tài)圖片進(jìn)行濾波、邊界增強(qiáng)等處理，在機(jī)車的相應(yīng)位置沒有采集并識別出車號圖像，將第一節(jié)車的車號標(biāo)記為0，用于標(biāo)識機(jī)車，與車廂進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)車廂間隙出現(xiàn)時，算法識別出間隙，判斷下一節(jié)車廂已進(jìn)入圖像采集與識別范圍，生成靜態(tài)圖像，在采集到的圖像中自動找到車號的位置，直至最后一節(jié)車廂完成圖像采集。在車號圖像采集完畢后，需對車號進(jìn)行圖像灰度化，圖像平滑，車號區(qū)域定位，圖像二值化，傾斜校正等處理，為下一步的工作做好準(zhǔn)備。接著，將車號區(qū)域分割成單個的字符區(qū)域，并解決數(shù)字圖像模糊、字符斷裂等問題，為字符識別做準(zhǔn)備。最后，在每個字符圖像中運用多種方法進(jìn)行綜合處理，識別出字符文字。

車號識別分系統(tǒng)的設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳輸需要適應(yīng)不同的戶外環(huán)境，本系統(tǒng)能夠全天候進(jìn)行車號采集作業(yè)，且在運動和靜止?fàn)顟B(tài)下都能對車號進(jìn)行采集和自動識別。

3.3 貨場定位分系統(tǒng)

貨場定位系統(tǒng)建設(shè)的目的是將倉庫貨物、裝卸作業(yè)車等進(jìn)行高精度定位，可以實現(xiàn)對進(jìn)出場貨物進(jìn)行出入庫管理、停留時間記錄、貨物反向查找等功能，貨場定位分系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 定位分系統(tǒng)示意圖

本分系統(tǒng)所采用的定位技術(shù)是一種基于極窄脈沖的無線技術(shù)，具有發(fā)射功率低、傳輸速率高、穿透能力強(qiáng)、無載波、抗干擾效果好等特點。系統(tǒng)主要由高精度定位標(biāo)簽、高精度定位基站、通訊接入點（AP）和定位服務(wù)器組成，可用于貨場內(nèi)靜止或移動物體和人員的定位、跟蹤。根據(jù)使用環(huán)境和算法的不同，精度可保持在（10~30）cm。

將定位基站布設(shè)于貨場內(nèi)部，將貨場分為4個子區(qū)域，每個子區(qū)域分別進(jìn)行高精度定位；將定位標(biāo)簽固定于人員、裝卸車輛、重要物品上，并周期性地發(fā)送無線脈沖，基站接收到信號后，通過自帶的 Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)回傳至通訊 AP，各個基站接收到的信號最終經(jīng)由通訊 AP匯集至定位服務(wù)器。定位服務(wù)器對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)無線脈沖在空間中的傳播時間，計算出標(biāo)簽與基站之間的絕對距離，通過空間解算獲得標(biāo)簽的實時位置。通過電子地圖可以監(jiān)視并實時顯示各現(xiàn)場標(biāo)簽的位置，監(jiān)控人員可通過計算機(jī)或其他個人終端訪問定位服務(wù)器，查詢?nèi)恕④嚒⑽锏膶崟r位置信息，對于叉車超速、碰撞，人員違規(guī)作業(yè)進(jìn)行告警，同時減少貨物丟失，既可保障作業(yè)現(xiàn)場人車安全，又可提高倉庫運營效率及信息化水平，降低企業(yè)成本。

3.4 貨運站監(jiān)控平臺

貨運站監(jiān)控平臺由信息服務(wù)中心和指揮控制中心構(gòu)成。

信息服務(wù)中心，主要完成與信息安全、信息聯(lián)合挖掘、業(yè)務(wù)響應(yīng)、事務(wù)流程管理等自動化處理任務(wù)，具體包括鐵路監(jiān)控車牌識別數(shù)據(jù)平臺、列車探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺、電子地圖與貨場定位數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)交換與資源前置處理中間件模塊、運行維護(hù)模塊和咨詢管理模塊六部分，對經(jīng)過前端探測設(shè)備融合處理后的有效信息數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；同時前端探測設(shè)備在安裝完成后，需經(jīng)過應(yīng)用子系統(tǒng)與信息服務(wù)中心進(jìn)行交互，完成設(shè)備注冊業(yè)務(wù)流程，上報信息服務(wù)中心；信息服務(wù)中心以電子地圖為基礎(chǔ)，建立部件和事件管理機(jī)制，部件主要指鐵路監(jiān)控設(shè)施，事件主要指鐵路監(jiān)控信息，結(jié)合數(shù)據(jù)交換機(jī)制實現(xiàn)與應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，通過資訊管理模塊實現(xiàn)信息的發(fā)布，用戶和業(yè)務(wù)的管理等。

指揮控制中心主要包括應(yīng)用管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、運行維護(hù)模塊和信息發(fā)布模塊。通過瀏覽器等終端接入設(shè)備，使用Http報文對信息中心中資訊管理與發(fā)布模塊中的內(nèi)容進(jìn)行交互訪問。同時指揮控制中心可對各應(yīng)用監(jiān)控處理的設(shè)備和信息服務(wù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查看和操作，以集中管理為目的，具有對所有應(yīng)用子系統(tǒng)的接入權(quán)限，具有數(shù)據(jù)分析、報表展示、信息發(fā)布和集中管理等功能。

數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系設(shè)計如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系圖

數(shù)據(jù)庫說明如下：

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫：存放各應(yīng)用監(jiān)控子系統(tǒng)專用的數(shù)據(jù)信息；系統(tǒng)設(shè)施數(shù)據(jù)庫：存放應(yīng)用子系統(tǒng)相關(guān)的鐵路監(jiān)控設(shè)施信息；

監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫：存放進(jìn)出入車牌號、車速、事件發(fā)生時間等信息；

地理信息數(shù)據(jù)庫：存放與貨物位置、設(shè)施安裝位置相關(guān)的地理位置；

指揮控制中心管理數(shù)據(jù)庫：存放指揮控制中心專用的數(shù)據(jù)信息。

貨運站監(jiān)控系統(tǒng)需支持多系統(tǒng)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)處理工作，所以設(shè)計穩(wěn)定、高效、方便的數(shù)據(jù)交換接口非常重要。從系統(tǒng)性能和系統(tǒng)的擴(kuò)展性出發(fā)，整套數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口主要分為三種：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換接口、本地數(shù)據(jù)交換接口和直接數(shù)據(jù)共享接口。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換接口通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)傳輸接口來實現(xiàn)以及管理。通過松散耦合的數(shù)據(jù)交換接口，基于XML、JSON報文等描述方式實現(xiàn)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)、異構(gòu)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本地數(shù)據(jù)交換接口采用原生接口進(jìn)行交互。直接數(shù)據(jù)共享接口則通過服務(wù)器之間的千兆光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時同步管理；系統(tǒng)業(yè)務(wù)流采用SOA（Service-Oriented Architecture）面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)架。通過SOA面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)可以在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口上建立松散耦合的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為今后資源的整合、重組以及系統(tǒng)的復(fù)用提供基礎(chǔ)。在面向服務(wù)體系構(gòu)架中，為各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)提供基于Restful WebService的標(biāo)準(zhǔn)訪問接口，并采用面向?qū)ο蟮腗VC程序設(shè)計架構(gòu)，構(gòu)建基于B/S訪問架構(gòu)的用戶訪問和信息發(fā)布機(jī)制，在中心完成數(shù)據(jù)存儲、分類、抽取、挖掘和融合等處理的同時，根據(jù)不同用戶主體的信息需求情況制定發(fā)布機(jī)制，將相關(guān)的信息按照規(guī)范的協(xié)議發(fā)布給相應(yīng)用戶，或者提供靜態(tài)和動態(tài)鐵路監(jiān)控信息查詢接口，滿足用戶的交互信息需求。

4 結(jié)束語

鐵路貨場是鐵路車站的組成部分，是鐵路組織貨物運輸?shù)幕鶎由a(chǎn)單位，同時鐵路貨場作為鐵路貨運面向市場的窗口，它直接與客戶聯(lián)系，主要辦理貨物的承運、保管、裝卸和交付等作業(yè)。科學(xué)的貨場作業(yè)方式是保證鐵路貨運質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

貨運站列車探測與識別系統(tǒng)經(jīng)過不斷完善優(yōu)化，實現(xiàn)了上海北郊站的試點應(yīng)用，將原來對貨車運輸狀態(tài)、裝卸作業(yè)數(shù)據(jù)的錄入方式由人工錄入提升為自動采集的方式，簡化了中間過程，降低了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度和作業(yè)難度，有效提高了生產(chǎn)管理能力，并能量化工作質(zhì)量，為貨運站績效考核提供參考依據(jù)。

[1]張晨明.鐵路貨場信息化及其安全性研究[D].西南交通大學(xué),2008.

[2]楊大治.基于圖像處理的鐵路貨車車號識別及其應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué).2010.

[3]安平.基于BPR的鐵路貨場管理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海交通大學(xué).2012.

責(zé)任編輯：王華 胡雄偉

來稿日期：2016-11-22