集裝箱作業流程智能化控制系統設計與研究

鐘彥鵬

(中國鐵路蘭州局集團有限公司 貨運部，甘肅 蘭州 730000)

1 鐵路集裝箱運輸管理現狀分析

隨著市場需求變化以及貨物運輸方式的多樣化，集裝箱運輸由于其貨物裝卸方便、運輸過程安全性高、損耗小、便于“門到門”服務等特點，在近幾年發展迅猛。2023 年上半年，中歐班列累計開行8 624 列、發送93.6 萬TEU，同比分別增長15%和29%；西部陸海新通道班列累計發送貨物42.4 萬TEU，同比增長10.4%。作為現代運輸行業的一種重要方式，目前對集裝箱運輸在客戶服務、裝卸車安全卡控、信息共享等管理方面提出了更高的要求[1]。

通過對北京、上海、廣州、成都、重慶、西安、鄭州、武漢、昆明、烏魯木齊、蘭州等10 個城市的鐵路集裝箱中心站進行的調研，發現目前我國集裝箱管理手段還不能完全適應鐵路現代化的發展，主要問題表現在以下方面。

（1）缺乏相關信息展示平臺。客戶通過鐵路95306 平臺辦理集裝箱運輸業務，客戶進站提空箱還是辦理到達重箱交付手續，車站只能通過電話聯系客戶，安排進出站。而且客戶需到營業廳辦理取送箱手續，辦理流程繁瑣復雜且不能及時掌握貨與車的作業進度。

（2）裝卸作業過程存在安全隱患。目前在鐵路貨場集裝箱裝卸過程主要通過人工識別箱號，通過對講機溝通裝卸質量，在裝卸作業過程中存在裝錯車、吊錯箱等問題，導致超偏載問題的發生，影響鐵路運輸安全。

（3）生產作業管理手段有待加強。集裝箱作業過程管理相關規章制度多且繁瑣，在生產過程中監管力度較小，考核難度大。為了方便管理，應在增加作業過程全程自動錄像的同時，將各種規章制度卡控融合到系統管理中，在系統操作流程上按規章制度流程進行嚴格卡控，將安全落實到作業過程中。

（4）作業效率有待提高。車站為了方便管理，一般貨場將集裝箱堆放區域劃分為空箱堆放區和重箱堆放區，當一個區域集裝箱堆放上千個箱后，需要手工登記每個箱區箱位的集裝箱與箱中貨物信息，尋箱找貨時通過人工查閱手工登記的臺賬或現場清點，工作量大、效率低下且準確率不高。

綜上所述，為了強化集裝箱作業流程管理，提高作業質量和作業效率，加強安全卡控，充分發揮新技術和新型設備優勢，研發一套集裝箱作業流程智能化控制系統是非常必要的。

2 鐵路集裝箱作業智能化控制系統設計

集裝箱堆場大規模的裝卸作業是緊密聯系在一起的生產線，周而復始，因此該流程的每個環節都含有隨機因素。流程中每個隨機因素的改變都會影響到作業速度、效率及安全。因此，按照管理創新、流程優化、信息共享、系統集成的思路，從鐵路集裝箱堆場業務的實際情況出發，對集裝箱作業流程控制管理進行全面規劃。以安全卡控為主導，配合現代智能化設備，對堆場進行合理化管理，對堆場作業過程進行全方位多節點的卡控，排除空重箱混排等安全隱患，從而保障作業安全、提高作業效率。

2.1 系統功能需求分析

結合國內集裝箱運輸管理現狀，對全路集裝箱作業流程管理中存在的共性問題進行分析，以安全卡控為基礎，結合既有的設施設備，建立一套完整的集裝箱作業流程智能化控制系統，滿足現場作業需要。

（1）建立集裝箱作業進度網上辦理進出門預約及作業進度反饋功能。建立“鐵路貨運”微信公眾號辦理軟件，提取鐵路95306 裝箱需求信息，客戶通過公眾號預約進門集卡車牌、集裝箱箱號，客戶可以實時掌握審核批準進度，了解集裝箱運輸辦理進程的同時，及時掌握集卡及集裝箱運輸軌跡。

（2）利用集裝箱門禁及汽車衡稱重對進出門集卡及集裝箱進行卡控。進門自動識別集卡號、箱號并稱重，根據公眾號預約信息進行匹配，自動放行，同時將過車信息及時反饋到“鐵路貨運”微信公眾號，讓客戶及時了解進門信息。

（3）結合規章制度通過智能分析對吊箱作業過程進行監控。一是在正面吊和龍門吊立柱及吊具上安裝智能識別攝像機，在吊箱過程中通過視頻流自動識別箱號[2]，將識別出的集裝箱與作業信息進行對比，核驗一致時自動記錄作業過程。二是獲取吊鉤秤重量與作業信息進行檢驗，判斷空重狀態。當二者其中之一檢驗不通過時，系統自動報警，不能進入下一步操作，直到檢驗通過可進入下一步作業，避免吊錯箱、裝錯車，造成“重當空排，空當重排”等問題。

（4）建立圖型化集裝箱堆場模型便于尋箱找貨。搭建圖型化集裝箱堆場，龍門吊完成裝卸作業后，按箱區箱位實際狀態自動生成圖型化堆場圖，尋箱找貨時可通過集卡車牌、箱號、車號等查找集裝箱，并可導出臺賬。

（5）作業過程完成后自動生成統計報表。作業完成后可自動生成裝卸車臺賬、裝卸作業單、日況表，可按日、旬、月、季、年等統計查詢，并建立相應數據庫，方便各類條件查詢檢索和數據長期保存。

（6）建立標準接口，實現作業信息共享。自動獲取鐵路95306需求信息、現車系統股道現車信息、箱管系統裝載清單信息，為作業提供支撐。當完成作業后，自動將車信息、卸空信息反饋到鐵路95306、現車系統、箱管系統、貨票系統，形成完整作業鏈，同時通過“鐵路貨運”微信公眾號向客戶反饋作業軌跡。

2.2 系統邏輯架構

集裝箱作業流程智能化控制系統架構采用業務層、邏輯層、數據層3 層模式結構，從可靠性、擴展性、實用性、完整性和管理性考慮實現3 層之間的數據連接和指令傳達。業務層實現數據的傳輸，將用戶的需求傳達和反饋，保證用戶體驗；邏輯層是業務層與數據層的橋梁，實現3 層之間的數據連接和指令傳達，對接收數據進行邏輯處理；數據層包含數據庫、存儲、公共數據訪問等。系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture

（1）業務層。采用人機信息交互(UI)界面方式，將空重箱移箱、空重箱堆放、重箱不壓空箱等吊箱程序展示給用戶，箱調員可通過界面發送集裝箱作業指令，正面吊、門吊司機通過專用移動終端接收指令，完成后自動反饋作業狀態。

（2）邏輯層。通過數據采集組件、數據分析組件，將鐵路95306 電商系統需求信息、現車系統股道現車信息、貨票系統貨票信息、箱管系統集裝箱信息、門禁系統進出門車牌信息及箱號信息、吊勾秤重量及偏載信息，通過檢索完成信息整合及入庫。在作業過程中，向正面吊、門吊司機移動終端下達指令，對安全進行卡控。完成作業后，將生產過程數據遞交鐵路95306 電商系統、現車系統、貨票系統、箱管系統，使作業過程形成閉環，作業信息利用最大化。

（3）數據層。對各環節數據進行存儲、整合，為邏輯層提供數據過濾、運算、及時響應。對重要級數據進行加密存儲，通過口令匹配進行解密及輸出，確保數據安全。

2.3 系統功能結構

集裝箱作業流程智能控制系統功能采用的技術和設備建立在我國現有成熟技術和裝備的基礎上，充分考慮集裝箱安全管理和作業需要，以及信息通道能力、信息技術發展的前瞻性等，適度超前規劃設計。綜合考慮既有設備設施、信息等資源的整合和共享，按照先進、成熟、經濟、適用、可靠的原則統一規范，進行工程設計。系統功能結構圖如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖Fig.2 System functional structure

2.4 系統網絡結構

為了確保鐵路網絡安全，將網絡劃分為局域網及鐵路網兩大部分，集裝箱作業流程智能化控制系統在局域網內運行，在移動裝卸設備上安裝移動終端實現移動通信。與鐵路網絡上運行的信息通信時，建立專用應用接口服務器，接入VPN 專網，通過安全平臺實現VPN 專網及鐵路網之間數據交換，達到兩網數據交換的同時，又確保網絡安全的效果[3]。系統網絡結構圖如圖3所示。

圖3 系統網絡結構圖Fig.3 System network structure

2.5 系統功能模塊

（1）網上辦理。客戶通過微信關注微信公眾號后，系統自動將鐵路運輸信息推送給客戶。集裝箱在堆場作業完畢后，系統將集裝箱箱區箱位信息自動推送給客戶。客戶預約進門信息可自動生成，客戶隨時隨地通過手機完成取送貨辦理，方便快捷。

（2）取送貨卡控。客戶通過微信公眾號辦理完進站預約后，將取送箱信息、箱區箱位箱號等信息轉發給集卡司機，進門時通過門禁系統自動識別集卡車牌，通過箱號識別模塊自動識別箱號，與微信公眾號的預約信息進行核對，核對成功自動放行。核對失敗分2 種情況處理，一是通過掃描現場二維碼快速預約，成功放行；二是對于無辦理車輛勸返，避免造成堆場交通堵塞，避免安全事故發生。取送貨卡控業務邏輯圖如圖4所示。

圖4 取送貨卡控業務邏輯圖Fig.4 Logic diagram of take delivery card control business

（3）稱重檢斤。集卡進入秤臺后，自動識別車牌號，取出進門自動識別的箱號，同時多次獲取集卡穩定的重量的平均值，當該車以前有過空車過車重量時，系統自動將空車重量提取出來進行去皮，核驗集裝箱重量，對于超重自動警示提醒，對正常車輛自動放行。

（4）裝卸作業過程卡控。

①裝集卡。集卡空車進入集裝箱堆場后，根據裝箱品類選取堆場內空箱，值班員通過系統向門吊、正面吊司機下發吊箱計劃，門吊、正面吊司機接收到計劃后通過系統引導到選定的集裝箱位置，吊箱時通過攝像機自動識別集裝箱箱號，與吊箱計劃中的箱號進行核驗，箱號不一致時，系統自動預警，不可正常進入下一環節操作。正常操作完成后，集卡離開堆場，出門驗證集卡車牌及箱號，形成作業報表。

②卸集卡。集卡進入集裝箱堆場后，空箱回送時，值班員通過系統向門吊、正面吊司機下發吊箱計劃，門吊、正面吊司機接收到計劃后通過系統引導將空箱放到指定的箱位。重箱回送，值班員通過系統向門吊、正面吊司機下發吊箱計劃，門吊、正面吊司機接收到計劃后通過系統引導將重箱放到指定的箱位，吊箱時通過攝像機自動識別集裝箱箱號，與吊箱計劃中的箱號進行核驗，箱號不一致時，系統自動預警，不可正常進入下一環節操作。正常操作完成后，集卡離開堆場，出門驗證集卡車牌，形成作業報表。

③裝火車。值班員通過系統向門吊、正面吊司機下發吊箱計劃，門吊、正面吊司機吊箱時通過攝像機自動識別集裝箱箱號，獲取吊鉤秤重量，箱號與吊箱計劃中的箱號不一致或重量不一致時，系統自動預警，不可正常進入下一環節操作，防止吊錯箱、同一車裝入2個20 ft的一空一重集裝箱偏載情況。

④卸火車。值班員通過到達集裝箱情況向門吊、正面吊司機下發吊箱計劃，門吊、正面吊司機吊箱時通過攝像機自動識別集裝箱箱號，獲取吊鉤秤重量，箱號與吊箱計劃中的箱號不一致，系統自動預警，不可正常進入下一環節操作，防止吊錯箱，同時記錄存放的箱區箱位。

裝卸作業過程卡控邏輯圖如圖5所示。

圖5 裝卸作業過程卡控邏輯圖Fig.5 Card control logic diagram of loading and unloading process

（5）堆場3D 展示。裝汽車和裝火車完成作業后，堆場展示自動將取走箱在3D界面取消，取走的箱可通過箱號或車號對取走集卡車牌、使用單位等詳細信息進行軌跡查詢，卸汽車和卸火車完成作業后，堆場展示自動將存放后的箱區、箱號、收貨人、預約狀態等詳細信息自動展示出來。系統支持尋箱、理箱等功能，通過作業過程產生的信息，自動形成堆場展示圖。

（6）智能視頻監控。智能視頻監控系統整合貨場既有視頻監控，自動分析和AI 深度學習作業場景中發生的行為或事件[4]，通過對現場集裝箱作業行為進行識別、分析和AI 深度學習，實現安全事件抓拍、違章行為識別、風險隱患分析等功能，及時發現問題、分析問題、處理問題，消除安全隱患[5]。

（7）統計報表。裝卸作業完成后，系統自動生成裝車臺賬、裝車日況表、卸車日況表、裝載清單等車站所需的各項報表，替代手工登記、統計報表，且可按日、月、旬、季、年統計查詢，可長時間保存、方便查閱。

3 鐵路集裝箱作業流程智能化控制系統關鍵技術

（1）基于深度學習的集裝箱箱號識別。

①基于深度學習的集裝箱箱號定位。首先選用基于邊緣與滑動窗定位，邊緣檢測算子檢測出圖像字符邊緣，再找高區分度的字符特征實現集裝箱編號區域定位，但受太陽強光照射或對應拍攝背景較為復雜，集裝箱堆放較多時，會造成定位失敗，從而影響識別正確率，故需要在傳統的定位基礎上增加定位模型，通過人工標注樣本圖像，將英文字符和數字分開標注，英文字符標識為EngTag，數字字符標識為NumTag。將集裝箱圖像分為19×19、38×38、76×76的網格，得到準確的定位區域[6]。

②集裝箱箱號字符分割。先采用直方圖分割法，通過圖像的投影將清晰的圖像進行第一次分割，對于有傾斜的圖像，采用連通域分割法[7]，基于8連通域對二值化后的集裝箱箱號圖像進行嘗試遍歷，對不合理的分割位置進行篩選，得到單個字符圖像，判斷是否為11個字符較低，選取正確的圖像，提高分割的準確度。

③集裝箱箱號字符識別。由于深度學習對集裝箱箱號定位、集裝箱箱號字符的準確分割，字符識別時，采用模板匹配方法比較圖像，兩者匹配程度越高，相同的準確性越大，計算的結果就越準確。

綜上，采用前端植入算法方式實施采集分析，減少服務器總體識別并發堵塞、識別率低、錯誤率高等問題。當門吊、正面吊在吊箱過程中，通過固定安裝點位的攝像機實時采集作業視頻，傳入箱號分析模塊，通過集裝箱箱號識別算法，自動將箱號信息及時分析識別出來并推向上位機[8]，當發現問題時及時反饋和糾正操作，避免安全事故發生，從而達到作業過程實時卡控的目的。

（2）互聯網與鐵路網互通。微信公眾號通過安全平臺實現互聯網與鐵路網互通，利用手機號、需求單信息實現車與貨關聯，貨物車輛狀態信息及時通知貨主。

（3）數據存儲管理。采用Oracle 11g 64位數據庫管理和處理數據[9]，互聯網數據通過鐵路數據安全平臺與鐵路網數據互通，對傳輸信息實行雙向加密，實現數據安全。

（4）空箱位自動分配設計。通過品名品類、箱區預設堆放品類范圍自動分配空重箱位。

（5）物聯網與智能分析結合。通過進出門箱號、車牌信息、稱重檢斤采集、傳輸、清洗、分析、處理、控制，實現作業過程智能化卡控。

（6）視頻智能分析。基于大數據和深度學習技術，面向鐵路安全系統提供人物識別、車輛識別、物體檢測、入侵檢測、異常行為識別檢測等準識別和快報警能力與服務[10]。

4 結束語

結合鐵路集裝箱作業過程的實際需求，設計了集裝箱作業流程智能化控制系統。系統實現后，有利于解決目前鐵路集裝箱作業流程上安全卡控存在的難點和重點，充分利用技防手段，提升集裝箱作業安全防護等級，提高作業效率，提升服務質量。