武漢局集團公司鐵路貨運場站生產智能管控模式探討

于曉東

(中國鐵路武漢局集團有限公司 貨運部，湖北 武漢 430074)

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出加快建設交通強國，構建多層級、一體化綜合交通樞紐體系。《中國國家鐵路集團有限公司“十四五”發展規劃》(鐵發改〔2022〕69號)提出發展高效集約的貨運物流體系，拓展全供應鏈物流服務、打造貨運綜合服務平臺、發展先進貨運組織服務、優化提升貨運服務效能，推進鐵路系統間及與外部環境的全面感知、泛在互聯、協同融合、主動學習和科學決策，構建“智能建造、智能裝備、智能運營”三位一體、系統集成、智慧融合的現代智能鐵路系統。“十四五”時期是鐵路物流向高質量轉型發展的關鍵期，與社會先進物流企業相比，鐵路物流企業整體發展水平仍有一定差距，缺乏智能化發展的頂層設計，尤其是在智能化關鍵技術方面與社會物流標桿企業具有較大差距[1-2]。借鑒社會智慧物流園區先進經驗，探討中國鐵路武漢局集團有限公司(以下簡稱“武漢局集團公司”)貨場智能化生產和智能化管理及智能型貨場綜合管理平臺構建方案，用于指導武漢局集團公司貨運場站智能化轉型，促進武漢局集團公司貨運場站安全管理、作業效率、經營效益、供應鏈管理的全面升級，為推進武漢局集團公司貨運場站高質量發展提供理論和技術支撐。

1 智能型貨場發展現狀及需求分析

目前，荷蘭鹿特丹港、上海洋山港四期、青島港等已構建由岸橋起重機、場橋起重機、自動導向搬運車(AGV)等集裝箱搬運裝卸設備與磁釘、換電站、閘口等基礎設施組成的智能化裝備配置體系，基本實現了港口無人化作業；京東物流集團、菜鳥網絡科技有限公司及傳化物流集團有限公司等社會物流企業，已研發出“立體倉+搬運機器人+分揀機器人+智能倉配系統”智能化物流體系，人均勞動生產率提升了3~5倍，減少了10%的能源消耗及15%的包裝紙箱消耗。

當前，全路貨場規模在2 500個(武漢局集團公司112個)以上，大部分貨場建成時間較早，在逐步發展中形成了現有的貨運組織模式。在鐵路貨運逐步向現代化物流轉型發展的大環境中，其布局、設備、配置等已逐漸難以適應實際需要，尤其是貨場功能，大多以貨物定點到發和車輛集結編組為主，缺少現代物流運輸所涉及的倉儲、配送、打包等服務功能；先進的現代化技術裝備在貨場中使用覆蓋率較低，機械化、智能化設備應用程度不足；貨場整體的服務體驗不佳、安防薄弱、運營效率偏低、管理成本高、業務創新難。

近年來，中國國家鐵路集團有限公司加快貨運信息化建設，推進貨運票據電子化、95306網站、貨運站系統、集裝箱系統等重大信息化項目實施，極大優化了鐵路貨運管理流程和作業強度，為鐵路物流智能化建設打下了良好的基礎。杭州北、義烏西、太原中鼎等鐵路物流基地，在既有貨運站系統、集裝箱系統等貨運管理系統的基礎上，探索鐵路貨運場站智能化管理關鍵技術[3-5]。武漢局集團公司持續深化貨運增量行動、推進貨運高質量發展，但在鐵路貨運場站生產作業、安全防護、經營決策等方面較社會先進物流園區仍有一定差距，貨場生產作業多采用“人工現場作業+手工系統錄入+紙質單據存儲”的方式，存在信息自動采集率較低、作業狀態實時監控情況較差、協同作業難度較高等問題，導致貨場生產成本較高、能耗較大，作業效率和設備整體利用率還有很大提升空間；安全防護多采用“人防為主、物防與技防為輔”的防護方式，過度依賴人員綜合素質，監控圖像智能識別、智能平交道口管理、智能出入管理、風險隱患預防預警等智能化安防手段缺失，難以有效規避安全風險；經營決策及生產優化主要依托經驗判斷，調度指揮、計劃編制、效益效能管理等缺乏有效決策依據和數據支撐，鐵路貨運場站智能物流發展缺乏總體的頂層規劃，發展思路和目標尚不清楚，物流營銷、生產、安防、經營等場景的智慧化建設關鍵技術仍未得到有效解決[6-7]。

2 智能型物流體系架構頂層設計

2.1 發展定位

圍繞湖北省努力開創“建成支點、走在前列、譜寫新篇”新局面，努力建設全國構建新發展格局先行區，踐行交通強國鐵路先行歷史使命，充分發揮華中地區承接東西、聯通南北的地理優勢和長江經濟帶鐵水聯運的交通優勢，著力建設服務國家戰略的支點、筑牢服務區域發展的基點、打造全國路網樞紐的節點。以“統籌規劃、集中研發、智能引領、逐步推廣”為思路，以系統建設、裝備創新、信息融合、標準規范為重點，以滿足現場需求為宗旨，集成運用5G、人工智能、大數據等新興技術，實現生產數字化、經營智能化、管理可視化、信息集成化，建設“便捷、暢通、綠色、集約、智慧、安全”的現代化鐵路物流體系，助力鐵路在綜合交通運輸體系現代化建設中發揮重要作用。

2.2 研究意義

依托武漢局集團公司貨運場站區位優勢和政策優勢，以現場需求為導向，以集成創新為驅動，統籌規劃智能型貨場建設，實現場站內一鍵式生產作業、一站式物流服務、一體化經營決策、一張圖安全防護，打造少人化、無人化、自動化的鐵路物流作業場所，是武漢局集團公司貨場轉型升級、驅動武漢局集團公司貨運高質量發展、深化供給側結構性改革、助力社會物流降本增效的必然要求。通過研究明確鐵路貨場智能化建設需求，研究貨場智能化發展戰略定位、布局方案和推進路徑，搭建貨場智能化物流體系架構，攻克貨場智能化生產和智能化管理關鍵技術，研究智能型貨場綜合管理平臺構建方案，研究典型貨場智能化建設解決方案，為武漢局集團公司貨運場站智能化轉型升級和高質量發展提供理論和技術支撐。

2.3 基本原則

為充分發揮各樞紐貨場功能優勢，協同推進智能化建設與貨場設備設施改造工程，應按照優先規劃、分步實施、緊盯需求、融合發展、創新建設、先進實用、分場定策、重點突破的原則，開展武漢局集團公司貨場智能化規劃建設。

（1）優先規劃，分步實施。武漢局集團公司智能型貨場需要滿足區域產業發展規劃的物流需求，按照物流需求規劃貨場的功能布局和設備配置，采用統一的方式進行數據采集，對通信傳輸系統的使用情況進行規范，為智能化貨場建設工作筑牢基礎。同時需要按貨場類別分步實施智能化貨場建設工作，選取試點逐步推廣，健全完善智能化貨場體系，逐步深化智能化功能在日常貨運作業中的運用，不斷提升貨場智能化水平。

（2）緊盯需求，融合發展。武漢局集團公司貨場樞紐的智能化建設需要立足于內部的專業運作管理要求和外部的物流市場需求這2個方面，以生產作業、物流服務、經營管理、安全防護等方面的實際需求為導向，充分考慮現場層面的可操作性，推進智能化貨場規劃與建設扎實落地。同時需要打破鐵路貨運信息化建設目前存在的信息不暢瓶頸，對信息暢通方面的需求予以充分重視，與貨主企業、海關港口、地方政府等主體進行充分的信息溝通與交互，針對不同類型客戶存在的不同需求，提供具有差異性、獨特性的服務，形成云端智能型貨場樞紐平臺。

（3）創新建設，先進實用。武漢局集團公司貨場樞紐向智能型貨場轉型升級，需要在安全、效益、效率、服務等方面進行高標準、高質量發展，在方式和技術上對鐵路貨場現有的生產作業、運輸組織、經營管理、安全防護等方面進行優化與升級，構建鐵路智能化貨場技術新體系。系統規劃、協同推進，完成智能化貨場的軟件研發與硬件配置，是關鍵技術方案在業務操作方面實用性的體現。

（4）分場定策，重點突破。需要結合武漢局集團公司各個貨場樞紐節點不同的功能定位和目前的發展環境，充分考慮貨場作業標準落實情況、作業環景復雜程度、智能技術成熟程度等多方面因素，綜合研究智能化建設在安全、效益、效率、服務等方面能夠發揮的作用，結合實際情況形成優化策略，分級分類定制設計智能化建設方案，按照實施難易程度循序漸進地做好試點及推廣，分步有序地推進樞紐智能化建設。

2.4 組織架構

為提供高質量專業物流服務，實現物流組織一體化、現場作業少人化、安全防護可視化、客戶服務便捷化作業模式，提出基于數字化的鐵路貨運場站物流設備設施集中管理模式。其設計思路是以鐵路貨運生產作業與管控平臺為載體，實現貨運場站要素狀態信息數據采集、分析、共享功能，完成設備設施作業情況、貨場環境狀態的數字化，并以此為基礎，按照集中信息、集中崗位、集中管理的思路，推進鐵路貨場生產作業集成管控模式，促進貨場作業各環節狀態信息匯集聯動，推進鐵路貨運場站物流組織一體化、現場作業少人化、安全防護可視化、客戶服務便捷化，實現鐵路貨運場站服務質量、運營效益、作業效率、安全水平的提升。武漢局集團公司智能型鐵路貨運場站生產集成管控模式設計思路如圖1所示。

圖1 武漢局集團公司智能型鐵路貨運場站生產集成管控模式設計思路Fig.1 Design concept of integrated management and control mode for intelligent railway freight yards in Wuhan Railway Group Company

信息方面，基于物聯網實現物流狀態信息及時、準確采集，武漢局集團公司智能型鐵路貨運場站生產集成管控模式能夠暢通物流信息交互渠道，實現物流信息共享，對物流設備設施的運作情況進行全過程、全方位監督盯控，重點解決由于物流信息采集不完整、傳輸不暢通導致在決策上出現失誤。崗位方面，武漢局集團公司智能型鐵路貨運場站生產集成管控模式能夠解決各崗位現場作業勞動力配置不均勻問題，積極推動貨運崗位“一崗多能”應用推廣。管理方面，武漢局集團公司智能型鐵路貨運場站生產集成管控模式能夠有效推動貨場內倉儲、裝卸、分撥、配送等作業環節無縫銜接，降低生產作業成本。

（1）設備設施配置。傳統貨運作業常用的設備設施包括起重裝載機具、站臺叉車類小型運輸機具、倉庫雨棚類固定設施、安檢查危檢測設備等；現代化鐵路物流設備設施包括單元化集裝設備、自動化裝卸設備、智能化分撥設備、中小型智能機器人等。

（2）信息采集匯總。通過各類傳感器設備，充分利用物聯網優勢，對貨場人員作業情況、裝卸設備運行情況、貨場環境狀態情況等進行全過程、全方位的信息采集與匯總。一是通過對溫濕度、風速風向、降雨情況、霧天情況、高溫情況、大氣壓強等外部自然環境情況進行智能采集并匯總分析，實現對不良天氣、危險環境等情況進行智能告警；二是通過對貨場中設備設施所產生的作業位置變化、裝載質量變化、人員走行距離變化、貨物吊裝高度變化、車輛碰撞情況等內部作業行為與狀態信息進行智能采集并匯總分析，實現對作業狀態的全過程、全方位實時監控。

（3）貨運場站管控。由信息處理中心對貨運場站設備設施所產生的各類狀態信息進行統一匯總分析，并對采集到的信息進行系統性處理，實現安全防護輔助、遠程作業輔助、管理決策輔助“三大輔助”功能。①安全防護輔助。通過貨運場站信息可視化管理，實現防護信號監控、道口實時防護、沖突提前研判等功能，從而對現場作業安全防護起到輔助作用。②遠程作業輔助。通過遠程操作控制、低延時信息傳輸等技術，實現遠端開展安檢查危、裝卸盯控等，推動傳統貨場作業模式向現代化物流業務一體化方向發展，優化生產作業流程。③管理決策輔助。通過智能編制站內引導、動態管理箱區貨位、系統分派裝卸任務等方式，實現貨場運營管理一體化。

（4）場景應用。以行業物流需求為導向，打造優質現代化物流服務品牌，積極拓展家用電器、化妝品、冷鏈運輸食品、集裝箱鐵水聯運等高端物流運輸市場，提升鐵路貨場現代物流服務能力和綜合保障水平。

2.5 關鍵技術

2.5.1 貨場信息自動采集傳輸技術

智能型貨場要素狀態信息自動采集傳輸技術架構主要包括節點層、設備層、技術層、數據層、應用層5個部分。

（1）節點層指辦理裝卸、貨檢等傳統貨運作業和現代物流業務的重要場所。通過建立貨運節點層平臺，系統化管理鐵路貨運節點資源，實現多節點信息以及各要素狀態的采集共享。

（2）設備層指貨運節點層平臺內配置的作業輔助設備、安全防護設備、信息采集設備和其他功能設備。作業輔助設備包括智能化安檢儀、集裝單元化用具、自動化裝卸設備等。安全防護設備包括智能門禁、超偏載儀、電子圍欄、平交道口等。信息采集設備包括固定通信基站、車載定位裝置、溫濕度傳感器、視頻記錄儀等。其他功能設備包括消防設備、照明設備等。

（3）技術層指對鐵路貨場中各類要素狀態的信息進行采集、傳輸、儲存所依托的技術。采集技術包括實時監控技術、空間定位技術、設備狀態傳感技術、射頻識別技術等。傳輸技術包括5G通信技術、光能通信技術、衛星通信技術等。存儲技術包括數據云存儲技術、數據分布存儲技術、區塊鏈技術等。

（4）數據層指通過技術手段在鐵路貨場采集到的位置、作業、運行、外觀、環境等狀態數據。位置狀態包括各種移動裝備在不同場景中所產生的時空狀態數據。作業狀態包括裝載加固情況、施封完整度、吊裝高度、走行距離、脫軌器狀態等受現場作業人員行為影響所產生的作業情況數據。運行狀態包括速度、能耗、使用記錄等設備移動運行過程中產生的數據。外觀狀態包括車型、車號、箱號等直接觀測運載工具所得到的外部狀態數據。環境狀態包括溫濕度、風速風向、日照強度、降雨量等由設備所處環境產生的數據。

（5）應用層指智能型貨場要素狀態信息自動采集傳輸技術在安全防護一體化、生產作業一體化、經營管理一體化中的應用。安全防護一體化主要應用于貨場進出安全防護、平過道安全防護、防護信號布撤提醒、沖突險情預警、應急處置提示等場景。生產作業一體化主要應用于貨物自動交接、裝卸作業三檢、設備遠程控制、智能貨物分揀、智能場內搬運等場景。經營管理一體化主要應用于智能化人員調度、裝卸計劃編制排班、自動路徑引導、經營效能預警、智能化箱區貨位管理等場景[4]。

2.5.2 智能貨物交接技術

（1）系統功能模塊。為便于客戶遠程提報物品清單，探索鐵路貨物安檢查危作業系統與客戶物流系統(LIS)或客戶資源管理系統(ERP)對接，實現物品清單與客戶物流信息系統的信息化傳遞。以5G網絡通信環境為基礎，與鐵路貨物安檢查危管理監督系統互聯互通，實現物品清單的信息化采集。鐵路貨物安檢查危作業系統以物品清單管理、客戶誠信管理和正負清單數據庫為基礎，建立貨物安檢圖像識別、貨物外包裝識別、貨物質量體積核對、安檢標簽管理、安檢臺賬管理等功能模塊，提升鐵路貨物安檢查危作業信息化水平。

（2）信息流程設計。按照設計的貨物交接環節流程，以鐵路貨物安檢查危作業系統為載體，設計信息流傳遞過程，最終實現物品清單智能核對，為鐵路貨物裝載方案設計提供技術支撐。在保證物品清單采集質量的基礎上，重點嚴防夾帶危險貨物和匿報品名現象，實現質量核對、體積核對、貨物品名核對等功能，為下一步混裝貨物裝車方案優化提供技術與基礎支撐。

2.5.3 智能裝卸搬運技術

軌道式集裝箱門式起重機優勢在于作業能力強，適應集裝箱業務較為繁忙的鐵路集裝箱作業場站，雖然從全路來看，集裝箱正面吊配置數量更多，但業務量較大的鐵路物流基地均配置了軌道式集裝箱門式起重機。此外，軌道式集裝箱門式起重機的大小車運行范圍受走行軌道限制，可以形成立方體作業空間，有利于自動化設備定位。因此，相較于集裝箱正面吊，從技術層面，軌道式集裝箱門式起重機作業及運行范圍有明確界限，走行及作業標準化程度更高，更易于實現智能遠程控制改造；從業務場景層面，軌道式集裝箱門式起重機與智能化改造后的大需求、高效率、高能力的鐵路集裝箱作業場景更加匹配。

軌道式集裝箱門式起重機智能遠程控制核心思路為以攝像頭等傳感器代替司機感官，以自動控制可編輯邏輯控制器(PLC)代替司機大腦，在精準定位大車、小車、集裝箱、鐵路貨車、集卡等作業主體，并充分感知設備自身狀態機周邊作業狀態的前提下，對集裝箱搬運及裝卸作業進行自動化控制及遠程控制，軌道式集裝箱門式起重機智能遠程控制示意圖如圖2所示。其中，軌道式集裝箱門式起重機智能遠程控制主要由自動控制PLC實現，而信息采集主要可以分為對大車、小車、集裝箱、鐵路貨車、集卡等作業主體的相對絕對位置采集，主要用于集裝箱作業控制；對自身及周邊環境的感知技術用于確保作業過程中設備自身及周邊環境的安全；并通過遠程控制手段實現人工對自動作業過程的補充與干預。

圖2 軌道式集裝箱門式起重機智能遠程控制示意圖Fig.2 Intelligent remote control of rail-mounted container gantry crane

2.5.4 智能安檢查危技術

鐵路貨運人工視檢或人工判圖工作強度大、作業人員專業性不強，缺乏有效技術手段支撐，導致夾帶、匿報危險貨物行為的發生。強化貨物安全源頭控制，結合鐵路貨運安全管理實際情況，建立以安檢查危設備為載體、智能識圖技術為輔助的安檢查危智能化管理系統，是滿足客戶對物流效率需求日益提高的必然要求。安檢查危智能化管理系統重點要實現對混裝貨物、零散貨物的安全卡控，建立完善的內部作業制度，健全滿足需求的外部制約條件，將安檢作業貫穿于受理、交接、裝卸等裝車前各項流程之中，充分運用AI智能識圖功能，結合人工檢查作業，建立人機結合的全新安檢查危工作模式，并對鐵路貨物安檢查危管理體系進行健全完善，在鐵路貨物安檢查危作業流程上充分實現智能化作業，從源頭防止夾帶危險貨物、匿報品名等問題的發生。鐵路混裝貨物智能安檢查危管理體系架構如圖3所示。

圖3 鐵路混裝貨物智能安檢查危管理體系架構Fig.3 Architecture of intelligent safety inspection and hazard detection system for railway mixed cargo

2.5.5 智能場站管理技術

場站管理包括智能門閘、地理信息電子圍擋、無線射頻識別技術(RFID)射頻識別物體管理、智能攝像頭及動態視頻目標檢測及跟蹤、智能路燈及能耗采集設備與場站三維管理等技術。

（1）智能門閘。智能門閘集車號識別、車型識別、車體外觀狀態識別、人員面部識別、人員身份信息采集、卡車稱重、偏載檢測于一體，嚴格卡控進入車輛及人員。

（2）地理信息電子圍欄。基于地理信息系統的虛擬圍欄管理系統，在規劃階段確定圍欄范圍，采集圍欄范圍頂點坐標，通過GIS算法形成虛擬圍欄空間。將虛擬圍欄空間與車輛進行關聯，通過車輛上傳經緯度實時判斷車輛是否進入圍欄，并進行報警。此外還可以通過電子圍欄記錄車輛進出圍欄時間、停留時間等信息。相較于傳統的圍欄或電子圍欄，基于GIS的電子圍欄具備投資小、能耗低、改變圍欄范圍靈活、信息采集智能等特點。

（3）RFID射頻識別物體管理。在場站管理智能化應用中，RFID主要用于設備及固定設施管理，通過將RFID芯片與設備進行綁定，就可以通過RFID識別，進而讀取設施設備信息及作業記錄。

（4）智能攝像頭及動態視頻目標檢測及跟蹤。智能攝像頭及動態視頻目標檢測及跟蹤技術為場站管理智能化解決方案中重要的信息采集手段，通過搭載環境識別(晝夜、氣候)及場景識別(出入口、作業場、道路)算法的高清攝像頭，采集攝像頭監控范圍內的視頻信息，運用塊匹配法、光流估計法等算法，對目標人臉、車牌號等信息進行檢測識別，并運用相似性度量算法、搜索算法等實現目標跟蹤，以及目標行為檢測，如是否佩戴安全頭盔，記錄目標時空軌跡，并將目標識別結果與歷史數據庫進行分析，可以得到該目標信息，并在監控界面實時展示，實時調出。

（5）智能路燈及能耗采集設備。場站管理系統對每個照明設施進行身份編碼、定位，裝上智能控制終端后，基于地理信息實行統一可視化管理。借助終端集成的多種傳感器，通過窄帶物聯網通信技術，智慧照明云平臺可以依據時間、天氣、人流、車流等條件制定運行方案，在滿足場站正常照明需求的同時，通過降低功率、智能開關等方式實現按需照明。實時監控每一盞燈的工作情況，主動巡測智能路燈是否出現故障，并對故障燈及時進行精準定位，實現定向維修；采用流程化手段，每日由監控中心通過系統生成燈具故障報表下發到運維部門，運維部門根據故障報表進行設施維修養護。

（6）場站三維管理技術。場站三維管理技術包括司機不下車出入場站、基于場站三維布局的APP引導、作業行為監控記錄、設施設備智能管理、場站智能化安防管理、集中監控管理、可視化數據分析等技術。

3 結束語

結合武漢局集團公司貨運發展現狀，統籌分析當前存在的問題，針對性提出武漢局集團公司貨場智能化需求和下一步發展方向。圍繞鐵路貨場智能化需求，根據武漢局集團公司貨場功能定位、交通條件、裝卸作業等特點，架構智能型物流體系，提出智能型貨場生產集成管控模式、智能型貨場設備狀態信息自動采集傳輸、貨場現場生產作業智能化等具體方案，助力貨運場站智能化轉型，促進貨運場站安全管理、作業效率、經營效益、供應鏈管理全面升級，為推進武漢局集團公司貨運場站高質量發展提供理論和技術支撐。