以物聯網打造的鐵路貨車檢修智慧物流系統關鍵技術研究

雷曉麗

（神華鐵路裝備有限責任公司教育培訓中心(技能鑒定站)，內蒙古包頭， 014060）

0 引言

在鐵路貨車車輛檢修中，貨車車型多樣且檢修要求不一，而車輛檢修設備設施相對固定，不能達到自動化的智能維修效果，因此需要一條能滿足不同車型檢修需求的生產線。該生產線需同時考慮物料供應的復雜性、生產線狀態的不斷切換、嚴格的物料需求時限，加之有限、及時的庫存補給，才能保證檢修作業流暢進行。

近年來，隨著鐵路車輛自動化數字化技術的廣泛應用，貨車運行過程中產生大量的安全質量監測數據，這些數據對貨車檢修決策有著重要意義；同時，貨車檢修現場智能化設備的不斷增加，為更好地利用智能化工裝感知貨車檢修現場動態提供了便利條件。

物聯網作為一種新興的集多種先進技術為一體的智能化網絡，它將傳感設備與互聯網建立有效連接，打造信息高速通道，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。將物聯網技術運用于貨車檢修物流系統中，憑借其廣泛的信息采集和分析能力對貨車檢修進行可視化管理，準確掌握貨車部件配送區域、物料配送時機，使得物料配送、供應更加精準，從而使貨車檢修更加高效化、智能化[1]。

1 需求分析和建設目標

隨著科學技術的進步和貨車檢修需求的提高，鐵路相關利益方對鐵路貨車檢修效率有了更高的期待和要求，迫切需要在貨車檢修過程中采取智能化、自動化物流系統，解決傳統的人工作業在運輸效率、經濟效益、安全保障等方面的問題。近幾年，隨著鐵路車輛全生命周期數字化管理的逐步實施，鐵路貨車歷史運行、維修數據實現了可實時查詢，但在貨車檢修過程中，對該數據的智能化利用還存在一些問題，主要是在檢修現場的某些環節和整體規劃上，未實現全過程的數據采集分析和現場狀態的全面感知和管控。貨車檢修智慧物流系統重大需求分析示意圖見圖1。

為了進一步滿足鐵路貨車檢修高效率要求和適應鐵路貨車維修系統自動化智能化快速發展的趨勢，有必要建立以物聯網打造的貨車檢修智慧物流系統，其具體建設目標如下：

圖1 貨車段修智慧物流系統重大需求分析示意圖

（1）將無線射頻讀取識別、圖像識別校對、物聯網等一系列技術應用于貨車檢修過程，實現貨車檢修物流自動化、智能化；

（2）構建覆蓋貨車檢修過程各環節管理的物聯網系統，幫助管理者洞察現場動態，為貨車檢修管理提供新手段；

（3）在智能運輸調度管理系統的合理調度下，實現貨車檢修現場各設備的自動化、智能化統一管理，降低貨車檢修過程中設備對傳統人工管理的依賴；

（4）構建貨車檢修物聯網感知數據資源庫，建立以物聯網為基礎的貨車檢修監控與智能分析系統，實現配件、物料智能運輸調度，打造滿足“智慧工廠”內在需求的貨車檢修智慧物流系統，解決貨車檢修運輸效率、經濟效益、安全保障等方面的問題。

2 系統構架

根據鐵道部發布的《鐵路貨車段修規程》（鐵運〔2012〕202號）,貨車段修需先完成車牌識別，而后基于識別結果，對待修貨車進行拆解、清潔、測量、探傷、維修、組裝等一系列處理，最終通過跑合實驗驗證貨車段修結果，其具體流程示意圖如圖2所示。

基于該流程，對貨車檢修物流系統自動化、智能化關鍵技術進行研究，并引入物聯網技術，提出以物聯網為基礎打造的貨車檢修智慧物流系統。

以物聯網為基礎構建貨車檢修智慧物流系統的關鍵包括云、管、端3個部分。云是物聯網的大腦，是物聯網數據處理的核心，利用云計算平臺為物聯網提供數據分析、存儲、計算，甚至是遠程控制和決策；管是聯系終端與云端的重要通道，目前有無線射頻識別、圖像識別與校對、MEMS感知技術、信息智能處理技術、互聯網等接入方式；端是物聯網的感知觸角，是物聯網的主要數據來源，根據現場應用場景的不同，終端形態也各不相同，為降低終端入云的門檻，通過提供SDK等方式屏蔽底層物聯網終端的多樣性。

圖2 貨車段修車間區域劃分及段修流程示意圖

以物聯網為基礎打造的貨車檢修智慧物流系統的技術架構分為感知層、網絡層和應用層，具體如圖3所示。

圖3 系統架構

感知層即各種終端設備層，通過無線射頻傳感器、圖像識別傳感器、激光位移傳感器等智能終端設備采集各類信息，并通過內置MCU處理信息，儲存在本地數據庫。

網絡層負責數據解析，實現數據云存儲、流式計算、信息分發和規則處理，形成數據匯集資源庫。

在對數據采集、處理的基礎上，形成應用層。根據功能劃分，貨車檢修智慧物流系統的應用層包括貨車信息智能調取系統、智能運輸調度管理系統、更換件智能校對系統和配件尺寸智能測量系統，并可通過移動監控終端與主控制臺進行訪問。

3 貨車檢修智慧物流系統感知層設計

在貨車檢修過程中，感知層是啟動智慧物流系統運行的關鍵所在。本文所提出的以物聯網打造的貨車檢修智慧物流系統的感知層主要承擔車牌識別、配件運送、尺寸測量、零件校對與補給的功能。

■3.1 基于無線射頻技術的車牌識別

不同貨車車型所對應的拆解方式不同，而且貨車零部件維修環節還要綜合考慮修程修規、歷史開行情況等因素，因此，首先需要使用無線射頻技術對貨車車牌進行識別，掌握待修貨車車型及其歷史開行情況，為后續段修環節提供數據基礎。

無線射頻識別(Radio Frcyuency Identification，RFID)也稱為射頻識別技術，這是一種利用電磁波的反射能量進行通信的新興自動識別技術。該技術可歸入短距離無線通信技術，與其他短距離無線通信技術（如WLAN、藍牙及ZigBee）相比最大的區別在于無線射頻識別的被動工作模式，即利用反射能量進行通信。

射頻識別技術采用大規模集成電路計算、電子識別、計算機通信等技術，由RFID標簽、讀寫器、天線、數據傳輸及處理系統組成，通過讀寫器和安裝于載體上的RFID標簽，實現對載體的非接觸識別和數據信息交換。具有方便快捷、識別速度快、數據容量大、使用壽命長、標簽數據可動態更改等特點，且具有更好的安全性和動態實時通信能力。

貨車檢修車牌識別中，使用被動射頻RFID系統，其原理如圖4所示。

圖4 車牌識別RFID工作原理

當貨車的RFID電子標簽接近讀寫器模塊時，讀寫器將發射微波查詢信號，電子標簽收到讀寫器的查詢信號后，會將此信號與標簽中的數據信息合為一體反射回讀寫器，反射回的微波合成信號，已帶有電子標簽上的貨車相關數據信息，讀寫器接收到標簽返回的微波信號，經讀寫器內部微處理器處理后可將標簽內儲存的貨車車型、歷史開行情況等信息讀取出來。

■3.2 基于AGV自動運輸系統的物料運輸

在貨車檢修過程中，對智能化搬運需求不斷增加，除了檢修各環節的部件運送外，還需承擔倉儲中心與維修區域的零件補給。通過對AGV自動運輸系統的使用，能夠達到無人化、自動化搬運的效果，提高相應的工作效率[2]。

圖5 以輪對運輸為例的AGV自動運輸工作流程

AGV自動運輸系統主要利用機械原理以及機械設計的專業知識研制AGV小車，取代傳統人工運輸物料的方式，從而實現物料的無人搬運。AGV小車一般由底盤、車身、動力裝置、控制系統等組成。在車體前后還裝有急停按鈕，車體四周均布置有接觸式安全傳感器，通過導電橡膠形變，產生通斷信號，從而控制車體，車體對角上裝有兩個激光區域掃描安全傳感器，三級預警輸出，且安全區域可任意設置。

以輪對運輸為例，AGV自動運輸系統工作流程如圖5所示。

首先，將拆卸下來的待檢測輪對滾動至“待檢修輪對儲放位”；在軌道側面安裝一攝像頭，用于監測輪對側面文字來判斷輪對朝向，并上傳系統；基于系統識別結果自動調整輪對方向，由AGV小車運輸至目的地；AGV將測試OK品運抵“檢修OK品卸載位”后，再返回 “待檢修輪對儲放位”搬運其它組輪對。

■3.3 基于激光傳感器的尺寸測量

尺寸測量是貨車檢修過程中必不可少的一個環節，其測量結果直接影響著維修環節相關決策的實施。使用激光位移傳感器對貨車配件尺寸進行測量，可準確高效的獲取貨車磨耗件的磨損情況，實現貨車配件尺寸測量的自動化與智能化。

激光位移傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表。能夠精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化。

按照測量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法。激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量。在貨車段修過程中，尺寸測量環節對配件測量精度有較高要求，激光三角測量法更能滿足貨車段修測量需求。

■3.4 基于圖像識別的更換件校對

在貨車配件進行維修時，基于貨車規程修規、損傷情況等因素，需對貨車某些零部件進行更換，此時需AGV小車從倉儲中心調取所需配件，為了防止配件拿取時出現錯漏情況，在配件出庫時可采用圖像識別技術對更換件進行識別校對[3]。

圖像識別包括圖像獲取、圖像預處理、特征提取和目標識別。在獲取圖像后，可先對圖像噪聲、對比度等進行預處理，而后提取圖像相關特征，并根據提取的特征完成識別。目標識別常用的方法有模板匹配、基于遺傳算法方法和基于神經網絡方法。

在貨車檢修過程中，更換零配件的種類、類型固定，可實現貨車檢修更換件圖像數據庫的構建，進而滿足基于模板匹配的圖像識別和基于神經網絡的圖像識別的技術需求。但考慮到調取更換件時，配件在AGV小車上放置的位置是隨機的，為了解決特征提取與匹配的適應性問題，基于神經網絡的圖像識別技術更滿足貨車段修更換件校對需求。

4 貨車檢修智慧物流系統網絡層設計

貨車檢修智慧物流系統的網絡層是連接感知層和應用層的紐帶環節，實現遠程監控和分析，保證數據的安全性和易用性，通過應用層的靈活組織，使各級管理者實時掌握現場動態，提高貨車檢修項目管理能力和信息共享能力。

圖6 網絡系統部署

以物聯網打造的貨車檢修智慧物流系統的網絡系統部署包括加密傳輸、鑒權驗證、流式處理、隊列緩沖、數據存儲、數據服務等。感知層采集存儲的數據經本地數據庫服務器傳輸至局域網時，進行接口的認證檢驗和數據的安全校驗，然后按照平臺內置規則進行流式計算和數據判識處理，經計算后將數據放置于消息隊列中進行后續的數據存儲，并將數據類型通過元數據進行統一規范，確保數據的共享和聯合分析。后續應用層的監控、運輸系統可通過網絡數據接口對該數據進行訪問，獲取所需信息。

5 貨車檢修智慧物流系統應用層設計

在貨車檢修智慧物流系統中，基于感知層與網絡層對數據獲取與處理后，再綜合考慮貨車檢修流程，最終根據功能所需構建貨車信息智能調取系統、智能運輸調度管理系統、更換件智能校對系統和配件尺寸智能測量系統，完成貨車檢修智慧物流系統應用層的設計搭建，具體流程如圖7所示，并可通過移動監控終端與主控制臺對各個系統進行訪問。

圖7 應用層系統流程圖

貨車信息智能調取系統是采用無線射頻技術進行車牌識別從而獲取待修貨車信息的系統。該系統通過貨車的RFID電子標簽獲取待修貨車歷史開行情況、歷史維修情況數據、待修貨車車型及對應修程修規數據，而后將獲取的數據進行整理，作為智能運輸調度管理系統的輸入之一，對貨車拆解方式、零部件維修更換有著重要影響[4]。

智能運輸調度管理系統是一個同時對多臺AGV實行中央監管、控制和調度的系統，包括對AGV小車進行任務發布，對AGV小車進行交通管制，對AGV小車運動狀態進行采集等。調度管理系統借助通訊系統把AGV和監控與智能分析系統緊密聯系在一起，實時采集和匯總小車的數據，通過計算分析，以監控與智能分析系統為指導，協調調度輪軸智能輸送AGV，進行運輸線路上的全自動輸送。智能運輸調度管理系統的優化與AGV數量、工作路徑等多方面因素有關，具體的優化方案需要根據現場實際作業情況而定。合理的調度優化設計可以避免AGV小車在運輸線路之間發生碰撞，提高貨車配件、更換件的運輸效率。系統提供工位呼叫功能，通過客戶自有的智能運輸調度管理系統進行物料需求管理，進一步可根據機臺消耗速率進行調度。智能運輸調度管理系統流程具體如圖8所示。

更換件智能校對系統是基于圖像識別技術對貨車更換配件種類和數目進行校對的系統。當貨車某零部件需要更換時，智能運輸調度管理系統將對AGV小車發送從倉儲中心調取更換補給件的命令，為了防止在調取零部件時出現漏取、錯取的情況，需在補給件出庫時對其進行校對。更換件智能校對系統以AGV小車調取的更換件的圖像作為輸入，基于貨車段修更換件圖像數據庫對圖像物品進行識別，若AGV小車所取更換件正確，則出庫運送，否則在倉儲中心返回重新拿取更換件。

圖8 智能運輸調度管理系統流程圖

配件尺寸智能測量系統采用激光位移傳感器對貨車零部件進行尺寸測量，尤其是對貨車磨耗件進行測量。該系統的感知設備布置于尺寸測量區域，其測量結果將伴隨被測部件至維修環節，該結果是此零件在維修環節的更換、維修的依據之一。

6 總結與展望

結合鐵路車輛智能運維的發展趨勢和貨車段修自動化智能化發展需求，開展以物聯網為基礎打造的貨車段修智慧物流系統關鍵技術研究，形成以下結論：

（1）分析國內外發展形勢和貨車檢修自動化智能化發展需求，提出以物聯網為基礎打造的貨車檢修智慧物流系統及其建設目標，實現更便捷的設備接入和更全面的現場感知，為貨車段修管理提供決策依據；；

（2）提出以物聯網為基礎打造的貨車檢修智慧物流系統的整體架構、設備架構和功能架構，詳細描述了系統功能組成；

（3）對以物聯網為基礎打造的貨車檢修智慧物流系統關鍵技術進行分析，建立貨車信息智能調取系統、智能運輸調度管理系統、更換件智能校對系統和配件尺寸智能測量系統，并可通過主控制臺和移動監控終端實現智能運輸調度系統的實時訪問，解決貨車段修運輸效率、經濟效益、安全保障等方面的問題，打造滿足“智慧工廠”內在需求的貨車段修智慧物流系統。

未來，隨著貨車檢修智慧物流系統的更新與成熟，可以遷移到鐵路的其它領域，對這些領域進行移動機器人的研制以及相關智能化系統的開發，替代傳統的天車或人工作業的方式，促進了企業技術進步，提高了企業的形象和自動化生產水平，有效地解放了勞動生產力，對提升機車的專業化檢修水平、促進鐵路裝備制造業的創新發展具有重要意義[5]。