基于物联网的货运站列车探测识别系统设计研究

2016-03-28赵耘华上海铁路局信息技术所

上海铁道增刊 2016年4期

赵耘华上海铁路局信息技术所

赵耘华上海铁路局信息技术所

列车探测与识别系统研究与建设以“铁路货运站管理信息系统”为基础，融合物联网技术，突出自动信息采集与处理，主要包括改造和建设货运站股道列车车号识别系统、自动探测系统和货场定位系统等，并对设备、数据进行监控与管理，为货运站列车管理、装卸作业监控、人员货物定位提供有效的信息化管理手段，在货运站管理工作中取得了很好的应用效果。

车号识别；列车探测；高精定位

1 引言

铁路货运具有运量大、成本底、准点率高、速度快等优点，承载了巨量的大宗货物运输，是国民经济大动脉。然而，随着我国经济结构的调整，产业结构的变化，传统的铁路货运理念、办理方式、运输组织等都已不能很好地适应社会经济的发展需要，铁路货运技术改革迫在眉睫。

我国铁路货运信息化有一定基础，但仍面临众多问题和挑战，具体表现为：不同业务系统间的互联互通不畅，信息各自独立，难以共享；现行的货场管理系统以人工录入方式采集数据或不同系统间传递数据，信息采集不正确、不完整、不及时；网络架构、运营平台复杂。因此，铁路货场系统的改革十分必要和迫切。

为最大限度满足现代物流对铁路货物运输的要求，解决货运站列车到、发和装卸作业信息录入量大、时间滞后的难题，降低人工录入信息的失准率，提高铁路货物运输组织工作效率，结合上海铁路局货运中心面积大、库台多、装卸作业量大的实际情况，开发并实施了货运站列车探测与识别系统。

物联网技术应用于铁路物流领域是今后的发展趋势，本系统尝试利用物联网技术解决我国铁路货场领域的难题。采用RFID、无线传输等传感技术，建立基于Web的铁路货场系统，以“铁路货运站管理信息系统”为基础，采用数据挖掘、智能分析和信息融合等技术，进一步进行数据集成和整合应用，有助于实现铁路精细化管理，推动我国铁路货场信息化进程，提高铁路货物运输效率和服务质量，有效促使铁路物联网有序地建设发展。

2 系统目标

本系统遵循“需求牵引、统筹设计、分步实施、资源共享”的建设原则，应用RFID、无线传输等物联网技术与视频智能识别技术，并基于股道沿线布设的磁敏超声传感器、摄像机设备，通过协同感知、智能联动、融合处理，实现在货运列车进出股道时自动采集识别列车车号、自动记时，以及对停靠列车或车厢、仓库货物、装卸机械设备（叉车等）的实时精准定位等功能，以形成完善的现代铁路智能化货场系统，进一步提高生产效率，并为铁路货场管理提供有效的技术支撑。

3 系统功能设计

列车探测与识别系统由应用子系统和货运站监控平台组成。

应用子系统由列车自动探测、列车车号识别、货场定位分系统构成，主要实现对前端探测设备的控制，融合处理后数据的存储、上传、状态管理等操作，设备管理接入权限局限于本系统之内；应用系统需根据监控平台信息中心业务定义，完成原始感知数据的采集和本地化协同处理，并上传至信息服务中心，同时需接受监控平台的控制请求。各分系统设计如下：

3.1 列车自动探测分系统

列车自动探测分系统主要采用磁敏检测技术技术原理，利用列车车厢的金属材料对地球磁场引起的扰动，通过磁敏检测技术感知扰动的存在并转化为数字信号输出。磁敏传感器设备由检测单元、数据处理器、无线发射机、电池及密封壳体等组成，其内部的数据处理模块可对列车通过信号进行分析，实现对列车的自动探测。

本系统基于货运站库台实际环境和安装条件，在轨道平台侧面布设多个磁敏传感器组成检测阵列，对列车行进位置进行自动识别。当有列车进入和离开时，探测器上方有金属切割磁力线，使磁场信号发生扰动变化，磁敏传感器即能自动探测并识别出列车进入和离开。探测的信息采用无线传输方式将数据传输到网关基站，进行汇总后经中继传输到后台。并将检测结果通过架设在轨道附近的数据基站接收、转发至后台数据中心。结合车号识别系统，可以根据车号在监控平台分系统上标记出列车所在货场的实时位置。

列车自动探测系统的安装包括磁敏传感器安装和基站安装。基站负责接收并处理控制区域内每个磁敏传感器的检测数据，并将数据转发至后台控制中心。基站和磁敏传感器之间通过无线传感器网络组网通信，和后台之间通过现场的局域网通信。考虑到取电和链接通信网络的方便性，基站的安装位置选择了磁敏传感器阵列安装位置附近的立杆支架。

3.2 列车车号识别分系统

列车车号识别分系统结合了图像处理和模式识别技术，在库台入口股道处放置一个CCD摄像机，实时采集车号图像，对采集的图像进行处理与识别。在摄像机旁边安装有控制箱，用于对摄像机进行供电和图像数据传输。在机房安装有一台工控机，用于对车号进行智能识别处理。本项目车号自动识别过程如图1所示。

图1 货车车厢车号自动识别简要过程

当CCD摄像机采集到一组列车进入股道的视频后，对动态采集到的视频图像和静态图片进行滤波、边界增强等处理，在机车的相应位置没有采集并识别出车号图像，将第一节车的车号标记为0，用于标识机车，与车厢进行区分。当车厢间隙出现时，算法识别出间隙，判断下一节车厢已进入图像采集与识别范围，生成静态图像，在采集到的图像中自动找到车号的位置，直至最后一节车厢完成图像采集。在车号图像采集完毕后，需对车号进行图像灰度化，图像平滑，车号区域定位，图像二值化，倾斜校正等处理，为下一步的工作做好准备。接着，将车号区域分割成单个的字符区域，并解决数字图像模糊、字符断裂等问题，为字符识别做准备。最后，在每个字符图像中运用多种方法进行综合处理，识别出字符文字。

车号识别分系统的设备管理和数据传输需要适应不同的户外环境，本系统能够全天候进行车号采集作业，且在运动和静止状态下都能对车号进行采集和自动识别。

3.3 货场定位分系统

货场定位系统建设的目的是将仓库货物、装卸作业车等进行高精度定位，可以实现对进出场货物进行出入库管理、停留时间记录、货物反向查找等功能，货场定位分系统示意图如图2所示。

图2 定位分系统示意图

本分系统所采用的定位技术是一种基于极窄脉冲的无线技术，具有发射功率低、传输速率高、穿透能力强、无载波、抗干扰效果好等特点。系统主要由高精度定位标签、高精度定位基站、通讯接入点（AP）和定位服务器组成，可用于货场内静止或移动物体和人员的定位、跟踪。根据使用环境和算法的不同，精度可保持在（10~30）cm。

将定位基站布设于货场内部，将货场分为4个子区域，每个子区域分别进行高精度定位；将定位标签固定于人员、装卸车辆、重要物品上，并周期性地发送无线脉冲，基站接收到信号后，通过自带的 Wi-Fi模块将数据回传至通讯 AP，各个基站接收到的信号最终经由通讯 AP汇集至定位服务器。定位服务器对实时数据进行分析处理，根据无线脉冲在空间中的传播时间，计算出标签与基站之间的绝对距离，通过空间解算获得标签的实时位置。通过电子地图可以监视并实时显示各现场标签的位置，监控人员可通过计算机或其他个人终端访问定位服务器，查询人、车、物的实时位置信息，对于叉车超速、碰撞，人员违规作业进行告警，同时减少货物丢失，既可保障作业现场人车安全，又可提高仓库运营效率及信息化水平，降低企业成本。

3.4 货运站监控平台

货运站监控平台由信息服务中心和指挥控制中心构成。

信息服务中心，主要完成与信息安全、信息联合挖掘、业务响应、事务流程管理等自动化处理任务，具体包括铁路监控车牌识别数据平台、列车探测系统数据平台、电子地图与货场定位数据平台、数据交换与资源前置处理中间件模块、运行维护模块和咨询管理模块六部分，对经过前端探测设备融合处理后的有效信息数据进行缓存；同时前端探测设备在安装完成后，需经过应用子系统与信息服务中心进行交互，完成设备注册业务流程，上报信息服务中心；信息服务中心以电子地图为基础，建立部件和事件管理机制，部件主要指铁路监控设施，事件主要指铁路监控信息，结合数据交换机制实现与应用子系统的数据共享，通过资讯管理模块实现信息的发布，用户和业务的管理等。

指挥控制中心主要包括应用管理模块、数据管理模块、运行维护模块和信息发布模块。通过浏览器等终端接入设备，使用Http报文对信息中心中资讯管理与发布模块中的内容进行交互访问。同时指挥控制中心可对各应用监控处理的设备和信息服务中心的数据进行实时查看和操作，以集中管理为目的，具有对所有应用子系统的接入权限，具有数据分析、报表展示、信息发布和集中管理等功能。

数据库及数据流转关系设计如图3所示。

图3 数据库及数据流转关系图

数据库说明如下：

应用数据库：存放各应用监控子系统专用的数据信息；系统设施数据库：存放应用子系统相关的铁路监控设施信息；

监控信息数据库：存放进出入车牌号、车速、事件发生时间等信息；

地理信息数据库：存放与货物位置、设施安装位置相关的地理位置；

指挥控制中心管理数据库：存放指挥控制中心专用的数据信息。

货运站监控系统需支持多系统设备之间的协调处理工作，所以设计稳定、高效、方便的数据交换接口非常重要。从系统性能和系统的扩展性出发，整套数据监控系统的数据交换接口主要分为三种：远程数据交换接口、本地数据交换接口和直接数据共享接口。远程数据交换接口通过数据管理子系统提供统一的编码标准以及数据传输接口来实现以及管理。通过松散耦合的数据交换接口，基于XML、JSON报文等描述方式实现与远程系统、异构系统之间进行数据交换。本地数据交换接口采用原生接口进行交互。直接数据共享接口则通过服务器之间的千兆光纤网络进行实时同步管理；系统业务流采用SOA（Service-Oriented Architecture）面向服务的体系结构进行构架。通过SOA面向服务体系结构可以在标准的数据交换接口上建立松散耦合的业务应用，为今后资源的整合、重组以及系统的复用提供基础。在面向服务体系构架中，为各个业务子系统提供基于Restful WebService的标准访问接口，并采用面向对象的MVC程序设计架构，构建基于B/S访问架构的用户访问和信息发布机制，在中心完成数据存储、分类、抽取、挖掘和融合等处理的同时，根据不同用户主体的信息需求情况制定发布机制，将相关的信息按照规范的协议发布给相应用户，或者提供静态和动态铁路监控信息查询接口，满足用户的交互信息需求。