Overall scheme and key technologies for railway freight digitization-intelligent station
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摘要:
基于铁路货运场站数字化与智能化（简称：数智化）发展和现代物流体系建设实际需求，针对当前货运场站的现状和存在的差距，提出了铁路货运数智场站总体方案。文章阐述了铁路货运数智场站的总体架构，按照货运场站作业和安全需求，从管理决策中心、业务应用、数智化支撑微应用等方面对铁路货运数智场站功能进行设计，并详细介绍了该总体方案中采用的全要素物联感知、数字孪生、智能分析和设备数智化改造等关键技术。现场试用表明，该总体方案运用效果良好，其功能满足设计要求和用户期望，可为铁路货运场站数智化建设提供参考。
Abstract:Based on the development of digitization and intelligence in railway freight stations and the actual needs of modern logistics system construction, this paper proposed an overall scheme for railway freight digitization-intelligence stations in response to the current situation and existing gaps of freight stations, and elaborated on the overall architecture of the railway freight digitization-intelligent station. Based on the operational and safety requirements of the freight station, the paper designed the functions of the railway freight digitization-intelligent station from the aspects of management decision center, business application, and digitization-intelligent support micro application. It also detailed the key technologies used in the overall scheme, such as all element IoT perception, digital twin, intelligent analysis, and equipment digitization-intelligent transformation. On site trials have shown that the overall scheme has a good application effect, and its functions meet the design requirements and user expectations. It can provide reference for the digitization-intelligent construction of railway freight stations.
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为满足铁路货运场站数字化与智能化（简称：数智化）发展需求，通过将新型基础设施和云计算、物联网、大数据、人工智能、移动应用等现代信息技术赋能铁路货运场站，构建一个集生产作业、场站管理、安全监控、运营分析于一体的铁路货运数智场站，将有助于提高铁路生产作业效率、产品服务质量、运输安全水平和经营管理水平，从而全面满足铁路货运场站综合化、数智化管理的需要[1-3]。
我国铁路货运场站智能化研究方面，王宴平等人[4]提出了包括铁路货场门禁、铁路货运站股道列车自动识别定位、视频监控等系统的铁路货场数字化技术方案；刘启钢等人[5]开展了铁路物流基地智能化平台的设计；吴志伟[6]开展了物联网技术在物流园系统中应用研究；唐浩[7]结合社会物流企业的需求和特征，从平台建设、系统开发、交互接口、终端感知与设备创新等方面设计智能化运营管理体系架构；李文晖等人[8]分析了智慧箱管信息采集、传输、分析、预测等关键技术，将二维码、射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、卫星定位、图像识别等物联网技术应用在集装箱信息采集、在站停留、站外滞留、预计到达等生产实际中。
近年来，中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）大力推进货运信息化建设，通过升级建设中国铁路95306货运电子商务系统（简称：95306），创新了铁路货运组织模式和业务办理流程。目前，铁路货运业务已实现全程线上办理，货运票据全面电子化。此外，国铁集团还研发铁路货运生产与管控平台（简称：货运管控平台），该平台整合了既有铁路货运生产信息系统，实现了铁路货运内部运输全程纵向一体化管理和信息贯通。95306和货运管控平台的建设与推广，为铁路货运场站数智化发展奠定了基础。
尽管在铁路货运场站信息化、智能化领域已有一定的研究基础，但在铁路货运场站数据采集应用和生产服务数智化方面还存在较大差距。面向现代物流发展的自动化、无人化、智能化的铁路货运场站整体设计，目前尚未有成熟方案和应用案例。存在问题主要表现在：
（1）缺乏统一的铁路货运场站服务数智化发展顶层体系构架规划；
（2）铁路货运生产服务相关数据采集和融合应用程度不高，缺乏对于铁路货运场站的人、车、货、场站全要素物联感知体系，未能形成覆盖场站完整的物联智联应用；
（3）铁路货运生产作业与运营分析的智能化程度不够，大部分环节主要依赖人工，缺乏客观科学的决策支持；
（4）缺乏体系化的铁路货运场站配套标准和治理体系。
基于上述研究，本文面向现代物流体系建设实际需求，应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人和北斗导航等技术，开展铁路货运数智场站总体方案及关键技术研究。该总体方案的内容包括总体架构设计及功能设计。
1 铁路货运数智场站总体架构设计
1.1 设计目标
以自动化作业、个性化服务、全方位安防、一体化管控为总体目标，引进现代信息技术，配置升级场站设备设施，建设规划合理、设备先进、功能完备、流程创新、标准配套的铁路货运数智场站，促进铁路物流整体效能提升[9]。
1.2 总体架构
结合车站内部安全生产与外部客户服务等需求，将铁路货运数智场站生产作业与安全管控深入融合，采用分层与微服务技术体系实现业务应用。铁路货运数智场站总体架构由2个支撑平台、1个数字服务中台、1个应用中心和1套标准体系构成。在铁路内部，铁路货运数智场站与95306、货运管控平台、调度系统等进行信息交互；在外部，与政府相关系统、海关系统等实现信息共享。铁路货运数智场站总体架构如图1所示。
1.2.1 支撑平台
支撑平台是保障上层应用正常运行的基础，包括设备设施平台和物联网平台。设备设施平台包括高精度定位装置、视频监控、门检设备、装卸设备、计量安全衡器、安全设备、通信设备等设施装备。物联网平台通过制定数据采集规范，实现铁路场站的人、车、货、场站等信息智能化识别、定位、跟踪、监控和管理服务。
1.2.2 数字服务中台
数字服务中台包括数据中台、业务中台与技术中台，负责统一管理数据的存储、处理、治理、安全、运营、共享和分析。数据包括堆场数据、货物数据、集卡数据等场站生产、安全、运营及环境相关的各类数据。通过对数据进行挖掘分析，从而为铁路货运场站经营决策、数字化运营提供支持。
1.2.3 应用中心
应用中心是铁路货运数智场站智能综合应用中心，包括管理决策中心、业务应用、数智化支撑微应用。采用大数据、可视化等信息技术构建人、车、货、场站智能管理微应用，以构建基于物流服务门户、数字孪生车站、自动作业监控、安全监控预警等综合决策类的各维度场站智能综合应用，为生产、安全、管理等提供全方面应用服务。
1.2.4 标准体系
标准体系包括货运场站数字化技术标准规范体系、货运场站评价体系和管理办法。通过标准接口规范与95306、货运管控平台、调度系统等进行数据交互和作业协同，保障货运场站各项工作的安全、稳定、有序进行。
2 铁路货运数智场站功能设计
铁路货运数智场站应用中心可以分为1个管理决策中心、6个板块业务应用、N个数智化支撑微应用，全面支持以铁路为主导的多式联运物流业务，提升铁路货运场站应用效能。铁路货运数智场站功能架构如图2所示。
2.1 管理决策中心功能
管理决策中心是面向企业和用户的数字化场站综合服务门户式网站，基于数字孪生、大数据、可视化等技术提供综合决策类智能综合应用，其功能包括为客户提供物流服务门户、为指挥中心人员提供虚实交互数字孪生车站、自动化作业管控、安全自动化作业监管、安全监控预警、运营分析决策和设备设施运营维护（简称：运维）监控。
2.2 业务应用
业务应用满足铁路货运场站生产作业、安全管控、运营管理等业务需求，支撑铁路货运场站基本和个性化应用服务。主要包括智慧物流服务、自动化生产作业、智能安全保障、设备智能运维、绿色园区管理、智能运营分析等。
2.2.1 智能物流服务
构建数智场站对外物流信息服务门户，基于95306平台，强化对接市场、满足客户的主动意识，面向网络货运、物流金融、供应链服务、综合信息查询等方向提供智能物流服务功能，创新物流新模式、新业态。包括物流信息、智能配送、车辆调度、智能仓储、物流增值服务等。
2.2.2 自动化生产作业
基于数字化安全生产设备、手持终端实现铁路货运场站作业信息的采集集成，与货运管控平台深度融合，提升作业效率。对铁路货运场站进行监控全覆盖，利用视频智能识别技术，对作业全流程进行可视化追踪，对货区货位、箱区箱位、堆场状态进行智能监测，实现自动化作业。包括智能门检、堆场管理、自动吊装、智慧型引导运输车（IGV，Intelligent Guided Vehicle）作业、联运作业、一体化通关等。
2.2.3 智能安全保障
利用计算机视觉、物联网等技术，全面感知和集成铁路货运场站安全态势，既包括对园区场站安防、装卸周界周边、货区货位环境安全的智能感知，也包括装卸运输过程中的超偏载问题车的智能分析、装载状态不良问题图像智能识别等，推动安全检查由人检向机检发展，构建铁路货运场站智能安全保障体系。包括作业监控、人员安全、场区安全、全程安全追踪、应急管理等。
2.2.4 设备智能运维
按照全寿命周期管理理念，对场站设施设备建立数字化履历档案，实现投产、运用、检修、保养、报废等全过程的精细化管理和智能监控运维，对其状态、报警信息、保障信息进行可视化展示。包括电子履历、设备布局、状态监控、点检管理、定位管理、监控评价等。
2.2.5 绿色园区管理
对铁路货运场站内生产与办公区域的生产设施、水、电、气、暖等能耗控制设备进行物联网感知连接，满足人、机、料、法、环的综合管理要求，实现生产设施智能运维、能耗设施集约化控制，进一步实现节支降耗、绿色环保目标，包括人员管理、门禁管理、水电油耗监测和机房动环监控等。
2.2.6 智能运营分析
根据铁路货运场站生产作业及运营需求，对相关数据进行统计，基于大数据，利用图表等形式，全面分析生产作业及运营情况，展示生产作业、资源概况、经营指标、客户画像等相关信息，为管理人员提供决策支撑，包括运量分析、装卸车分析、完成情况分析、重点客户分析、重点车分析等。
2.3 数字化支撑微应用
数字化支撑微应用将数字化设备与系统应用紧密结合，综合运用云计算、人工智能、北斗定位、5G、自动驾驶技术等，支撑铁路货运场站设备的数智化升级应用。包括数字进出门控应用、IGV应用、数字化正面吊应用、自动门吊应用、智能仓储应用、智能堆场应用、智能视频应用、轨道衡应用、装载状态识别应用、自动化道口防护应用等。
3 关键技术
3.1 全要素物联网感知技术
主要围绕异构物联网数据规范存储、多源物联网设备扩展接入、海量物联网数据存储、复杂数据研判支持、各种物联网协议的接入等问题，采用插件化架构，通过软、硬件配合的方式完成复杂多源设备接入，构建物联网平台。通过LAN、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、GPRS等传输方式，利用HTTP、COAP、MQTT、MODBUS-RTU和TCP/IP等协议实现门检设备、视频监控设备、轨道衡、超偏载检测装置等设备的接入，实现人、车、货、场站数据的全面感知，实现设备的即插即用，通过核心引擎服务实现数据的统一采集管理。基于物联网的铁路货运场站数据感知技术架构如图3所示。
3.2 实时数据驱动的数字孪生技术
以物理空间为基础，采集作业、物流、安全等多源多模全量数据，构建与真实铁路货运车站相映射的数字孪生车站。该数字孪生车站能够真实反映站内物理空间的实体对象，并进行描述与行为刻画。建立分析、预测、仿真及优化模型，实现铁路货运场站智能化决策和运营状态未来发展趋势的推理。数字孪生场站虚实映射和业务逻辑如图4所示。
3.3 基于机器学习的智能分析技术
以站内多源异构数据为基础，基于机器学习的智能分析技术提供数据处理、模型管理、预测推理服务管理、全服务监控等人工智能（AI，Artificial Intelligence）全工作周期的服务能力，根据不同类型的结构化数据、视频/图像、文本和语音等，建立相应的预测预警、机器视觉和语音语义模型等，为装卸机具作业自动化识别、堆场箱区箱位智能管理、安全行为识别、货运设备全生命周期管理和调令解析等场站作业和安全等提供支持。铁路货运数智场站人工智能服务构成如图5所示。
3.4 设备设施数智化改造技术
铁路货运数智场站建设是一项复杂的系统性工程，有别于传统的信息系统建设，需要大量的设施设备数字化改造，来提供坚实的数智化基础。因此，需要基于物联网、北斗定位和视觉识别等技术，分类别研究数智化设备改造技术，铁路货运数智场站数智化设备分类如表1所示。
表 1 铁路货运数智场站数智化设备分类设备类别 设备数智化配套改造 自动化生产作业 车牌识别设备 箱号识别设备 汽车衡 数字化门检 数智化正面吊（定位、箱号识别、装载检测） 门吊（远控）（定位、箱号识别、装载检测） 轨道衡数字化 超偏载检测装置 装载状态智能识别 IGV 智能物流服务 FRID识读设备 托盘（RFID标签） 智能仓储服务装置 智能安全保障 安防视频监控设备 集装箱超偏载装置 电子式防护信号装置 平过道智能道闸机 北斗定位导航装置 AI分析计算器 视频雷达测速装置 装载状态视频设备 超偏载检测装置 人机作业安全监测设备 设备智能运维 电子标签 定位装置 数据采集传输装置 工况信息采集装置 绿色园区管理 能耗监测装置 人员门检设备 周界监测设备 智能引导设备 智能照明 发电充电装置 3.4.1 装卸设备数字化改造及门吊远程操控技术
实时采集装卸设备作业位置、设备工况、作业状态等信息，拓展装卸设备对车辆、集装箱、汽车、集装化用具、货区货位、货物重量及超偏载状态等的智能识别检测功能。以门吊为例，通过改造实现集装箱定位、箱号识别、安全防撞预警等，提高场站作业效率和安全性，门吊设备数字化局部改造技术如图6所示。
3.4.2 货运检测监控设备数字化改造
基于人工智能，运用机器视觉、深度学习和增强现实(AR，Augmented Reality)等技术，研究多目标跟踪算法，对货车装载视频监控设备和铁路货运场站视频监控设备进行数字化改造，可实现铁路货运作业目标区域入侵、越界、进入区域、离开区域等行为的检测。
3.4.3 场站门检设备数字化改造
结合车牌号识别设备、箱号识别设备、来车感应设备、闸机、汽车衡等设备，运用机器视觉等技术，自动采集识别车牌号、箱号、汽车重量、箱体状态等信息，配合进站预约和预约受理服务，识别车牌号、箱号等信息后与预约信息进行比对，并智能提示司机要到达的园区股道、箱区/货区位置，实现场站进出车辆的自动卡控，提高进出门效率。
3.4.4 场站安全防护设备数字化改造
基于人工智能及多源信息融合技术，结合自动栏杆、PLC控制器、信号灯、扬声器等装置对场站平过道防护装置进行升级改造，通过数字化高清视频监控技术对每条股道防护信号状态、来车状态、作业场概况进行监控，防止车辆和行人违章通过。从列车进入股道，至道口放行结束，通过自动化道口设备实现列车通过道口自动化控制，联网接入数智场站系统，提高场站安全保障能力。
4 应用情况
铁路货运数智场站总体方案先后在中国铁路呼和局集团有限公司和中国铁路西安局集团有限公司试点运用，运用效果良好，其功能满足设计要求和用户期望。门检设备车牌号识别率达到99.5%，识别信息与受理信息及时匹配，自动抬杠放行，提高了进/出门效率，降低了人员工作量；装卸作业无须人工录入数据，实现设备自动采集，大幅提升了生产作业效率；通过智能视频识别技术，实现园区和生产作业的安全监控，发现异常及时报警，全方位提升了场站安全保障能力；基于数字孪生技术构建的铁路货运数智场站管理决策中心，基于Web浏览器提供轻量级三维可视化功能，支持上万个监控对象实时运行状态变化的秒级刷新。基于数字孪生技术的货运场站应用如图7所示。
5 结束语
本文围绕铁路货运场站信息化、智能化建设现状，针对数据采集应用和生产服务数智化存在的差距，面向现代物流体系建设实际需求，应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人、北斗导航等技术，开展铁路货运数智场站总体方案设计，有助于构建货运场站数智化应用系统，形成物流场站的智能感知、智能监控、智能分析、智能决策能力，对于货运场站生产效率、安全保障、服务品质的提升具有重要意义。后续将进一步对于多场景多环节数字化贯通应用进行研究。
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表 1 铁路货运数智场站数智化设备分类
设备类别 设备数智化配套改造 自动化生产作业 车牌识别设备 箱号识别设备 汽车衡 数字化门检 数智化正面吊（定位、箱号识别、装载检测） 门吊（远控）（定位、箱号识别、装载检测） 轨道衡数字化 超偏载检测装置 装载状态智能识别 IGV 智能物流服务 FRID识读设备 托盘（RFID标签） 智能仓储服务装置 智能安全保障 安防视频监控设备 集装箱超偏载装置 电子式防护信号装置 平过道智能道闸机 北斗定位导航装置 AI分析计算器 视频雷达测速装置 装载状态视频设备 超偏载检测装置 人机作业安全监测设备 设备智能运维 电子标签 定位装置 数据采集传输装置 工况信息采集装置 绿色园区管理 能耗监测装置 人员门检设备 周界监测设备 智能引导设备 智能照明 发电充电装置 
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