Method of constructing task ontology for railway duty
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摘要:
为全面提升铁路值班值守工作效率，规范作业运行机制，加强值班数字化体系建设，针对铁路机关值班过程中出现的信息过载、重要信息被忽视、无法快速索引目标内容等问题，设计面向值班值守的任务本体架构，实现值班值守任务的高效组织与重构；综合分析多值班任务场景，利用Protégé本体半自动化构建工具，实现铁路值班值守任务本体构建；对本体进行实例映射，验证了本体构建方法的可行性和科学性。该成果有助于推动铁路值班工作的标准化和规范化，提高事务处置响应速度，丰富值班值守知识体系，为开展值班值守领域知识图谱应用及辅助决策等提供了重要基础支撑。
Abstract:In order to comprehensively improve the efficiency of railway duty work, standardize the operation mechanism of operations, and strengthen the construction of digital duty system, this paper designed a task ontology architecture for duty in response to problems such as information overload, important information being ignored, and inability to quickly index target content that occur during the duty process of railway authorities, implemented efficient organization and reconstruction of duty tasks. The paper comprehensively analyzed the scenario of multiple duty tasks and used the Protégé semi-automatic ontology construction tool to implement the task ontology construction of the railway duty. The instance mapping of the ontology verified the feasibility and scientificity of the ontology construction method. This achievement helps to promote the standardization and normalization of railway duty work, improve the response speed of transaction handling, enrich the knowledge system of duty, and provide important basic support for the application of knowledge graphs in the field of duty and decision-making assistance.
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Keywords:
- railway /
- duty /
- task ontology /
- Protégé /
- knowledge graph
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随着我国产业结构的优化升级及生鲜电商的崛起，食品药品安全问题引起了大家的广泛重视。冷链物流需求在未来3~5年内将迅速放量，2019年我国铁路冷链运量仅占总运量的0.92%[1]，而美国铁路冷链市场份额在2016年已达到11%[2]。由此可见，我国铁路冷链物流市场很有发展潜力。
冷链运输是铁路货运的重要分支，我国铁路开展冷藏运输业务相对较早，发展却相对滞后，场站配套基础设施缺乏，运输组织条件和相应的标准不完善。我国使用较为普遍的是机械冷藏车和加冰冷藏车[3]，但这些传统的冷藏运输工具已经难以满足市场需要。冷藏集装箱是国际标准运输单元，具有全程控温、方便灵活、适应性强、能整箱倒装等优点和多式联运、门到门的综合优势，在全程冷链多式联运中发展迅猛，是铁路冷藏运输装备的发展方向。推广标准冷藏集装箱，促进冷链物流各作业环节及不同交通方式间的有序衔接是国家冷链物流发展的总体要求[4]。
为此，本文针对冷藏集装箱运输业务的设备信息管理和监控、实时追踪的需求，采用远程监控，综合应用全球卫星定位、移动通信网络、物联网等技术，设计并实现了冷藏集装箱管理信息系统，对冷藏集装箱位置、温度、湿度、电池状态等信息的接入、回传及运用情况进行监控和预警，实现冷藏集装箱资产管理、场地管理及位置追踪。
1 需求分析
1.1 业务需求
冷藏集装箱管理信息系统依托多式联运数据交换平台，应满足以下业务需求。
（1）将互联网监测设备采集的信息传输到云服务器，并通过安全平台传输到内部服务网。
（2）实现预警信息从内部服务网到监测设备或云服务器的数据传输 。
（3）实现对冷藏集装箱的资产管理和场地管理，掌握冷藏集装箱及箱体传感配套设备信息和场地的使用情况。
（4）实现对冷藏集装箱设备的状态、位置、主要信息和相关参数的查询。
（5）实现冷藏集装箱位置追踪功能，对冷藏集装箱位置分布、在站停时、在途位置等信息进行管理。
（6）根据冷藏集装箱信息和运行状态提供各类统计报表，报表可按字段进行分类查询、排序和统计。
1.2 数据需求
1.2.1 设备信息数据
冷藏集装箱设备信息分为箱体信息、制冷机组信息、锂电池信息。箱体信息包括箱号、生产厂家、出厂日期、箱门开关状态、箱内温度、箱内湿度、箱外温度、箱体运行位置和运行速度、监控电池电量等。制冷机组信息包括制冷机组型号、生产厂家、开关机状态、监控电池电量、开机后的出风温度、回风温度等。锂电池信息包括锂电池型号、产品编号、生产厂家、开机后的供电电压、电流、电量、电池温度等。
冷藏集装箱设备信息需由冷藏集装箱管理系统集中统一管理，并能实时查询，查询方式简单且多样，查询结果直观、一目了然。
1.2.2 运用信息数据需求
冷藏集装箱运用信息分为载货信息、远程监视信息、远程控制信息。载货信息包括货物种类、控温要求、发站、到站、装箱时间、掏箱时间等。远程监视信息包括集装箱运行位置、运行速度、冷机出风温度、回风温度、锂电池供电电压、电流、锂电池电量、电池舱温度、故障报警等。远程控制信息包括远程开/关机、远程温度设置、故障报警时间、故障代码消除等。
冷藏集装箱运用信息需由冷藏集装箱管理系统实时、安全地传输到内部服务器并能回传，进行监控，同时，对监控信息和设备信息进行关联查询，查询结果显示在一个界面。
2 系统设计
2.1 设计目标
冷藏集装箱管理信息系统能够对铁路货物冷藏运输过程中的冷藏集装箱进行全过程定位和实时追踪，达到米级车辆定位精度，实现精准调度，加快冷链物流服务资源整合，实现运输一体化和多式联运，有效提高铁路冷链运输的时效性，缩短运输周期，提高运输组织效率，降低运营成本。
2.2 系统数据架构
冷藏集装箱管理信息系统的数据架构如图1所示。从图1中可以看出，冷藏集装箱配有监测设备，能够对冷藏集装箱进行实时监控和信息采集。这些采集到的信息通过互联网实时传输，其中，监控数据、监测装置数据、监测共享数据、电池监测数据等先传输到多式联运数据交换平台，再通过中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）安全平台传输到铁路内部服务网。
（1）通过多式联运数据交换平台，冷藏集装箱管理信息系统可以对数据交换进行管理和监控，并进行统计、分析、展示等数据可视化应用。
（2）通过安全防护边界——安全平台，为冷藏集装箱管理信息系统提供数据保护，避免黑客攻击，防止数据丢失。
冷藏集装箱管理信息系统的数据架构能够实现数据共享和交换，打通全过程物流信息链，优化整体作业，加速信息流转。同时，该系统能够实现信息的实时传输，显著提高物流运输效率，降低物流运输成本，促进“节支降耗”。
2.3 系统功能设计
冷藏集装箱管理信息系统由数据传输与监控、设备管理、设备预警和综合应用这4个功能模块组成，如图2所示。
（1）数据传输与监控
数据传输：提供可视化管理界面，对外部用户、数据交换、传输频率、用户认证等进行管理。
数据监控：提供可视化数据交换监控界面，监控交换报文的生成、解析、推送、流量等信息。
（2）设备管理
设备信息：管理冷藏集装箱数据，具体有设备号、箱体信息、制冷机组信息、锂电池信息等。
设备实时状态信息查询：管理通过多式联运数据交换平台的冷藏集装箱所有设备实时状态信息，具体有设备号、运行状态、回风温度、除霜温度、电池仓温度、速度、电池容量、开关机状态、蓄电池电压、门开关状态等。
位置追踪查询：查询冷藏集装箱所有设备在某个时间段的轨迹，并在电子地图上标注其轨迹。
位置分布查询：查询冷藏集装箱所有设备的位置，并在电子地图上加以标注。支持单独查询某个冷藏集装箱，也支持批量查询冷藏集装箱。
场地管理：查询冷藏集装箱的所有设备在某个时间段的在站位置和空重状态、作业状态等，以表的形式进行展示。
（3）设备预警
设备预警对冷藏集装箱运用情况进行监控，对监控数据超过阈值的设备报警提示。
（4）综合应用
根据冷藏集装箱设备信息和运行状态提供各类统计报表，报表可按字段进行分类查询、排序和统计。
冷藏集装箱管理信息系统的应用界面如图3所示。冷藏集装箱电池电压、电池电量、电池电流等信息以表盘的形式进行展示。冷藏集装箱开关门状态、箱内和箱尾温度、电池温度、制冷机组状态、电池状态等信息以图的形式进行综合展示。设备告警情况以表的形式进行展示。冷藏集装箱的实时轨迹和历史轨迹以电子地图的形式进行直观显示。
2.4 网络设计
冷藏集装箱管理信息系统的网络结构如图4所示，由外部终端接入、外部服务网和内部服务网3层组成。其中，外部终端接入层包括监测传感装置；外部服务网包括云服务器、多式联运数据交换平台；内部服务网包括接口服务器、应用服务器、数据库服务器等。
（1）外部终端接入层
冷藏集装箱车体配备远程监测装置，基于GSM/GPRS 网络和卫星定位系统实现精准定位，箱内温度、湿度、电池状态、制冷机组门开关等多项监控信息通过互联网实时上传到云服务器。
（2）外部服务网
外部服务网包括云服务器和多式联运数据交换平台。冷藏集装箱的监控数据由云服务器传输到多式联运数据交换平台，实现冷藏集装箱监控信息的接入。
（3）内部服务网
内部服务网包括接口服务器、应用服务器、数据库服务器等。多式联运数据交换平台将冷藏集装箱监控信息通过国铁集团安全平台传输到内部服务网，实现铁路内外网间的数据传输，保证数据的安全。
3 功能实现
3.1 冷藏集装箱监控信息接入
冷藏集装箱管理信息系统依托多式联运数据交换平台，实现了冷藏集装箱监控信息接入。通过多式联运数据交换平台打通了铁路、公路、港口之间的信息壁垒，实现了铁水联运、公铁联运等信息的共享与交换 [5]，信息的及时传输显著提高了物流运输效率，降低了物流运输成本。
3.2 冷藏集装箱追踪
冷藏集装箱管理信息系统利用地理信息技术，实现冷藏集装箱追踪。利用射频识别、条形码扫描、车载卫星定位系统和可视化手段实现物流智能配送 [6]，通过车载卫星定位系统，对铁路货物运输过程中的冷藏集装箱全程定位和实时追踪，并在电子地图上直观显示冷藏集装箱运行轨迹，实现米级定位精度和精准调度，方便用户及时、准确地掌握货物运输信息，提高冷藏运输时效性与管理效率，提升服务品质和铁路物流的服务竞争力，推动铁路货运加快向现代物流转变。
3.3 可视化展示
冷藏集装箱管理信息系统采用规范接口标准，实现多种可视化展示技术应用；制订了冷藏集装箱箱体、电池、制冷机组等设备信息、冷藏集装箱载货信息、远程监视信息和远程控制信息的标准数据格式，以及报文传输格式，将标准数据接入多式联运数据交换平台，实现冷藏集装箱资产管理和场地管理及位置追踪；采用表盘、图形、表格、电子地图等可视化展示技术，对冷藏集装箱内电池状态、开关门状态、设备状态和实时轨迹等进行直观展示。
4 系统应用
课题在研究阶段，选取45英尺、20英尺、40英尺铁路锂电池冷藏集装箱各2台、40英尺铁路蓄冷型冷藏集装箱1台，将冷藏集装箱系统试用于所选集装箱上，考核系统运用效果，考核时间为1年。持续1年的试用考核中，系统运用情况良好，实现了箱内温度、湿度、电池状态等信息的接入和远程监控，并能实时追踪冷藏箱的位置，提升了冷藏箱市场竞争力。
5 结束语
本文设计并实现了冷藏集装箱管理信息系统，介绍了系统的数据架构、功能结构和网络结构，实现了冷藏集装箱的信息管理、实时追踪、监控和预警等功能。所设计系统试用于锂电池冷藏集装箱和蓄冷型冷藏集装箱的管理，运用效果良好。随着冷藏集装箱的批量生产和投入应用，将进一步研究系统的性能，以使其具有更好的普适性。
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