Research and development of regional freight traffic centralized management decision support system
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摘要:
区域货物运输集中管理的决策支持系统在实现货物运输组织全流程数据的集中管理和共享的基础上，基于算法模型实现装车站空车配送需求、可用空车资源、货物预装车方案、技术站列车编组方案等自动推算工具；面向各层级用户提供综合信息查询，支持区域内和局站间班/阶段计划协同编制，以提高运输组织效率；统筹区域内货运需求和运力资源，实现局管内快速精准调配空车至装车站、重车合理均衡输送至卸车站；辅助技术站实现高质量列车编组，支持中间站分方向、按分界口成组装车方案及优化列车开行方案，达到技术站服务中间站、中间站反哺技术站的目标；支持基于量化指标的绩效考核，实现区域内运输组织闭环管理。自2023在济南局推广使用，在提高作业效率、作业安全和货物运输组织水平的同时，有助于缩短交货时间、降低物流成本、提升客户满意度。
Abstract:Based on centralized data management and sharing of freight traffic organization, regional freight traffic centralized management decision support system realizes automatic calculation tools such as empty car delivery demand at loading station, available empty cars, cargo pre-loading plan and train formation plan at technical station based on algorithms. The system provide comprehensive information query for users at all levels, support collaborative preparation of intra-regional and bureau-station shift/stage plans, and improve overall efficiency of regional freight traffic organization. Through pooling regional freight traffic demand and transportation capacity as a whole, it realize rapid and accurate delivery of empty cars to loading stations and reasonable and balanced delivery of loaded cars to unloading stations. It can assist technical station dispatchers to prepare high quality train formation plan, geprovide intermediate station car loading plan according direction and boundary station and optimize intermediate station train operation plan, so as to achieve the goal of mutual-serving of technical station and intermediate station. It also support performance appraisal based on quantitative indicators to achieve closed-loop management of freight traffic organizations in the region. It has been used in Jinan Railway Bureau since 2023, which can help shorten delivery time, reduce logistics costs and improve customer satisfaction while improving operation efficiency, operation safety and freight traffic organization.
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作为铁路货运的发展方向，重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低等优点，受到世界各国的重视，成为铁路发展的重要趋势[1]。经过多年发展，国家能源集团重载铁路网运营里程达到
2408 km，年运输能力5.3亿t，重载铁路技术创新和安全保障能力不断提高，已形成以“朔黄（朔州—黄骅）模式”为显著特征的重载运输技术体系[2]。近年来，为保障重载铁路列车运行安全，国家能源集团重载铁路部分线路先后建设了视频监控、防灾/防洪监测、列车接近防护预警、异物侵限监测、钢轨断轨监测等系统。然而上述监测系统各自独立运行，尚未实现数据的互联互通，视频监控和安全监测报警信息不能第一时间推送至机车司机室，重载列车运行前方若发生周界入侵、基础设施结构异常等影响行车安全的突发险情，仍须通过行车调度通知机车司机实施紧急处置。因此，重载列车应对特殊自然环境和线路设备故障条件下的主动安全防范能力有待进一步提升。丁茂廷[3]提出要推动重载运输技术智能化发展，需要加大“北斗+”、5G移动通信、大数据、人工智能等新技术应用，以自动驾驶为核心，推进智能装备、智能运维、智能运营、智能安全管理等领域技术研究应用；陈建译[4]、宁和平[5]、赵颖[6]、罗浩[7]在高速铁路列车超视距行车辅助技术方面，分别开展了车地灾害协同监控、系统架构设计、车地信息推送策略等相关研究和实践。
综上，本文结合重载铁路运输现状，以列车运行安全主动防控为导向，对重载铁路机车远程监视系统关键技术开展研究，设计了重载铁路机车远程监视系统，实现重载列车运行前方环境视频与列车位置、报警信息与视频准确关联匹配。基于移动公网，将重点线路区段实时视频和报警信息传送至机车司机室，延伸司机目视范围，辅助司机提前发现险情，提升危情处置效率。
1 系统设计
1.1 总体架构
重载铁路机车远程监视系统（简称：本文系统）总体架构如图1所示。其中，地面数据处理子系统部署于朔黄铁路公司信息中心综合信息网（办公网），车载监视终端安装在机车操作台位置，车地间通过移动运营商4G/5G网络进行数据传输，内外网边界部署网络安全隔离设备，实现车地间数据的安全传输。
1.1.1 数据源
朔黄铁路视频监控系统为本文系统提供视频数据来源，列车运行净空安全感知系统、列车接近防护预警系统和钢轨断轨监测系统等安全监测报警系统作为监测报警数据的来源，通过地面数据处理子系统的接口服务器推送监测报警信息。
1.1.2 地面数据处理子系统
地面数据处理子系统主要包括数据处理中心和系统运行维护（简称：运维）终端两部分。数据处理中心主要实现视频信息和危及行车安全的监测报警数据接入、重载列车与视频和监测信息的关联，以及视频和监测报警信息的车地传输；按照GB28181标准，从视频监控系统中获取机车行驶前方相机的原始视频流，并在地面视频服务器中对原始视频流进行编码、解码、压缩等二次封装。系统运维终端提供机车定位可视化展示、设备运行状态展示、视频服务、报警查询、统计分析等功能，以满足地面调度和运维等人员的业务需求。
1.1.3 车载监视终端
车载监视终端装载在重载机车上，通过机车LKJ TSC2装置获取机车实时位置信息，从地面数据处理中心获取视频码流和监测报警信息，并提供实时播放、报警声光提醒、视频点播等功能。
1.2 技术架构
本文系统基于B/S架构，技术架构如图2所示。
1.2.1 资源层
朔黄铁路信息中心为本文系统提供服务器、存储设施、网络设施、安全防护设施等基础资源，承载数据处理和存储等任务。
1.2.2 接口层
接口层使用API接口、消息队列、GB28181协议等技术实现安全监测信息和视频监控信息的接入。
1.2.3 存储层
存储层综合运用关系型数据库、缓存数据库和对象存储技术实现结构化数据和非结构化数据的高效存储与应用。
1.2.4 服务层
服务层采用Spring Boot技术框架构建后端服务，基于Spring Security框架提供数据接口鉴权机制，实现按钮操作粒度级别访问控制。
1.2.5 表示层
表示层使用VUE、Element UI等技术框架实现前端开发，前后端之间使用RESTful API接口实现业务数据的交互[8]，使用Echarts等可视化图表和地理信息系统（GIS，Geographic Information System）技术实现前端页面渲染。
1.2.6 软负载
使用Nginx+Keepalived中间件搭建负载均衡环境，关键节点冗余配置，提高系统稳定性，避免单节点故障导致系统不可用。
2 系统功能
2.1 系统概览
主要展示线路实况和设备状态。该模块接入了GIS地图，可以准确地描绘朔黄线路和各个站点的位置，实时显示当前运行的机车，并可根据机车运行情况在GIS地图中实时变化位置。在地图上点击机车图标可查看当前机车行驶前方的实时视频。如果铁路沿线出现报警，在GIS地图显示报警位置附近的相机，点击相机可以查看当前报警的实时视频。同时，可展示接入相机和车载监视终端的总数量及在线离线状态。
2.2 视频服务
实现对铁路沿线相机的实时点播功能，可选择相机查看其实时监测视频和回放视频，并支持1分屏和4分屏观看。
2.3 监测报警信息管理
展示安全监测报警系统推送的监测报警详细信息，包括报警时间、报警来源、报警类型、报警位置、报警内容、本次报警推送车次、报警解除状态、解除时间等字段，并可对报警位置、报警解除状态、报警时间和报警类型进行筛选查看，以精确匹配指定报警信息。
2.4 台账管理
对相机台账、线路台账、机车信息台账、车载监视终端台账和安全监测报警系统管理台账等基本台账信息的管理。
2.5 系统监控
监控并展示车载监视终端、安全监测报警系统和沿线相机的运行状态，供地面人员随时掌握现场设备运行情况。
2.6 系统管理
主要包含用户管理、角色管理和部门管理等3个主要功能，记录本文系统的基本信息并进行相关权限控制。
3 关键技术研究
3.1 关联匹配方法
机车定位信息、视频监控信息、监测报警信息的关联匹配，精准定位监控相机并将其视频码流推送至车载监视终端，是本文系统的核心功能。为提高本文系统运行效率，在地面数据处理子系统设置缓存队列，用于保存关联匹配结果，供车载监视终端调用。本文使用多线程和并行计算技术，实现了多元数据在分布式环境下的高效流转，关联匹配业务逻辑如图3所示。
（1）车载监视终端定期发送心跳请求至地面数据处理子系统应用服务器（简称：应用服务器），包括终端编码、机车实时里程、经纬度、预设的目视距离和信号强度等信息。
（2）应用服务器收到车载监视终端心跳请求后，根据机车实时里程判断机车前方10 km范围内是否有报警信息；若有，则获取覆盖报警位置处的监控相机编码，否则，获取里程位置+目视距离范围外的最近1路相机编码。
（3）应用服务器根据相机编码请求缓存队列，如缓存队列中存在该相机的视频码流信息及其附属信息，返回至车载监视终端，完成此次心跳请求生命周期；如缓存队列不存在该相机信息，则启动异步线程，执行拉流操作。
（4）异步线程传输相机编码至视频服务器，通过GB28181协议连接视频监控系统，预先提取并传输（简称：预拉）该相机及其后3路相机的视频码流信息，视频服务器同步进行视频转码、压缩等操作，每路相机均生成全码率和低码率两种视频码流，并将码流地址和相关危情信息缓存至队列中，供车载监视终端下一次心跳请求调用。
3.2 视频接入与处理
本文的视频接入与处理服务在开源流媒体服务框架基础上进行二次开发，部署在视频服务器上，基于GB28181协议与视频监控系统连接，实现视频信息的接入，视频流支持H.264/H.265（HEVC）视频编码格式，音频流支持AAC/G711音频编码格式。视频服务器以RTSP、HTTP-FLV等协议输出视频码流，兼容车载监视终端、系统运维终端等各类终端的视频播放能力；基于视频服务器GPU算力提供视频点播、历史回放、视频压缩、编解码、分转发等功能。视频接入与处理技术架构如图4所示。
视频服务器对接入的监控视频信息进行编解码，生成全码率和低码率两种视频码流，根据车载监视终端无线通信信号强度自动选择返回相应码率的视频流，自适应码率技术兼顾了车载监视终端视频播放的清晰度和流畅度，提升了终端软件使用体验。
3.3 监测信息接入
地面数据处理子系统提供标准的数据接口和完备的鉴权机制，实现机车心跳信息和安全监测报警信息的可信有效传输。监测信息传输流程如图5所示。
（1）获取认证：依照OAuth 2.0标准，车载监视终端、安全监测报警系统从地面数据处理子系统接口服务器上取得认证并获得可使用的访问令牌。如果访问令牌已失去时效，须重新获取新的访问令牌。
（2）数据加密：采用国产密码SM4算法的ECB模式，对关键信息加密后进行传输，加密所需要的key由地面数据处理子系统接口服务器提供。
（3）数据传输：调用数据接口，实现业务数据加密传输。调用接口时，请求参数的消息头需要添加第一步获取到的访问令牌，消息体的请求参数字段使用JSON字符串通过HTTPS协议的GET/POST方式提交数据。
4 系统应用
4.1 系统部署
本文系统中的地面数据处理子系统部署于朔黄公司信息中心内网区，通过安全隔离设备与部署在专网区的视频监控系统实现视频信息交互；在外部发布区配置1台虚拟机作为接口服务器，负责业务数据内外网转发，实现车载监视终端与地面数据处理子系统的信息交互；车载监视终端请求互联网出口区固定公网IP地址，向地面下发机车定位、设备心跳等信息，经外部发布区接口服务器转发至内网区的接口服务器；地面数据处理子系统完成信息关联匹配后，向车载监视终端返回相应的视频信息和报警信息。本文系统部署方案如图6所示。
4.2 应用情况
本文系统于2023年11月，在朔黄铁路上线运行。运行过程中，本文系统实时接入机车定位信息、安全监测报警信息和视频监控信息；其中，安全监测报警信息主要包括异物侵限、钢轨断轨、列车接近预警等，接入监控相机共计421路，涵盖朔黄铁路区间防洪重点区域、高路堑护坡、落石监测、桥头桥尾、小半径曲线处、上跨下穿处、隧道口、隧道内打冰等重点区段，并综合应用上述数据，提供机车定位可视化展示、设备运行状态、视频服务、报警查询等功能，其中，视频服务功能界面如图7所示。
5 结束语
本文对重载铁路机车远程监视系统进行系统总体架构、技术架构和功能架构的设计，并对车地信息关联匹配方法、视频信息接入与处理技术、安全监测信息接入等关键技术开展研究，提出了适用于重载铁路机车定位、视频监控、安全监测报警等信息的关联匹配方法，在朔黄铁路进行示范应用，实现了朔黄铁路沿线监控相机视频信息和安全监测报警信息的实时接入，辅助机车司机及时掌握重载铁路线路环境情况，为保障重载铁路运输安全提供了技防手段。下一步，应结合示范应用情况，在规范报警响应机制、视频并发处理能力、车载监视终端人机界面友好度等方面进行完善和优化，进一步提升系统应用效果。
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表 1 推行区域货物运输集中管理涉及的相关既有信息系统资源状况
系统名称 主要功能 提供信息 存在问题 中国铁路95306货运电子商务
系统（95306系统）线上装车需求办理 货主装车需求信息 铁路安全生产网内应用无法直接获取互联网应用数据 货运调度管理系统 装车需求审批、货运装卸作业计划和进度管理 货调批准车信息 不提供装车方案，不支持日历装车应用 货运管控平台
（货运站管理系统、集装箱箱管系统）货物装卸作业管理、车辆取送管理 货运装卸报告信息、取送车要求信息 不支持车辆预计出车时间提报应用 货运票据管理信息系统 整车/零担/集装箱货票制票，货物运单号-集装箱箱号-车号关联 货物装车制票信息 已有货票和车辆绑定信息没有上传至运输信息集成平台，需要从源头获取 铁路运输调度管理系统
（TDMS）V5.0班/阶段计划编制铺画，施工维修日计划编制 班/阶段计划、施工维修计划 班/阶段计划、施工维修日计划数据没有直接传递给区域调度员 车站管理信息系统
（SMIS）V2.9确报接发 车站到发确报信息 不能支持区域层面出车计划编制和编组方案生成 铁路货车管理信息系统
（ HMIS）铁路货车技术状态、维修、运用管理，货车车辆扣车管理 货车车辆定检信息 货装值班员、区域调度员、计划调度员无法掌握车辆定检信息 铁路机务运用安全管理系统 实现机车的运用、乘务员管理 机车机班运用计划 机务信息没有与车务信息系统结合，区域调度员无法掌握机车运用情况 车流径路系统 发站到站货物品类列车运行径路预测 发站至到站运行径路信息 现有径路预测服务应用不能提供所需的数据处理 卸车预警与辅助管理系统 济南局管内重车预计到达与预警 管内重车预计到达与预警信息 需要进行进一步数据融合处理 国铁检修车辅助管理系统 济南局管内国铁货车扣车管理 国铁货车扣车计划 需要进行进一步数据融合处理 铁路运输信息集成查询平台 现在车、列车到发确报、列车运行信息查询 在站车、在途车信息、列车运行信息 数据以单一车站为载体，缺少区域间、局站间信息集成 
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表 2 推行区域货物运输集中管理相关业务信息集成与共享需求
信息集成与共享需求 数据来源 共享内容 整合区域间、技术站与中间站间运输相关信息，使区域间作业协调程度提高 货运调度管理系统、货运管控平台系统
（货运站管理系统、集装箱箱管系统）、铁路运输调度管理系统、车站管理信息系统、卸车预警与辅助管理系统货主装车需求信息、装卸进度信息、技术站辐射区域内的在站车、在途车信息、列车运行信息、重车到达预计信息 整合装车站与卸车站间相关信息，使装车站与卸车站业务关联更加密切 货运调度管理系统、货运管控平台系统
（货运站管理系统、集装箱箱管系统）、卸车预警与辅助管理系统、卸车能力、装卸车进度信息、装车需求信息、重车预计到达信息 整合物流中心与车务段间运输信息，使货运与车务作业联系增强 货运管控平台系统
（货运站管理系统、集装箱箱管系统）、车站管理信息系统、卸车预警与辅助管理系统货物装卸进度信息、在站车、在途车信息、管内重车预计到达与预警信息 整合车务段与局调度间运输信息，使区域与局站间班/阶计划协同编制程度提高 铁路运输信息集成平台、铁路运输调度管理系统、国铁检修车辅助管理
系统、铁路货车管理信息系统、铁路机务运用安全管理系统在站车信息、在途车信息、列车运行信息、班/阶段计划、施工维修计划、定检货车扣车计划信息、机车运用信息 绩效指标统计 铁路运输调度管理系统、车站管理信息系统、货运票据管理信息系统、
铁路运输信息集成平台班/阶段计划、实际列车开行信息、车站到发报信息、货物装车制票信息
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表 3 出车计划示例
线路别 站序 发站 预计出车
时间到站 车流方向 技术站 分界口 换长 总重 X1 I1 S1 T1 R1 D1 J1,J2,J4 P1,P2,P3 H1 N1 X1 I2 S2 T2 R2 D1 J1,J2,J3 P1,P2 H2 N2 X1 I3 S3 T3 R1 D1 J1,J2,J3 P2 H3 N3 X1 I4 S4 T4 R3 D1 J1,J2,J4 P3 H4 N4 X2 I5 S5 T5 R4 D2 J5,J6 P1,P4 H5 N5
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表 4 高质量列车星级评定标准
星级 判定依据 五星级 80≤Pgtl <100 ∪ 80≤Pgtc <100 四星级 60≤Pgtl <80 ∪ 60≤Pgtc <80 三星级 40≤Pgtl <60 ∪ 40≤Pgtc <80 二星级 20≤Pgtl <40 ∪ 20≤Pgtc <40 一星级 0≤Pgtl <20 ∪ 0≤Pgtc <20
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