铁路货场数字化技术方案研究

王宴平，浦 丁，葛 锐，王传俭

(中国铁路上海局集团有限公司 合肥货运中心，安徽 合肥 230001)

1 铁路货场信息化现状

随着信息技术在社会生活各个领域的迅猛发展，“智慧物流、数字货运”理念逐步深入人心，而铁路货场是铁路车站的窗口，是车站组织货物运输的重要场所，货场信息化水平高低直接影响铁路货运作业效率和服务质量。近年来，铁路货场相继投入使用了货运站生产管理系统、车流预确报系统、运输调度指挥系统等，信息化水平有了一定提高，但与当前快速发展的物联网技术相比仍有较大差距，主要体现在以下方面。

（1）信息化程度低。现行的货场管理系统，货运各作业环节 (如接车对位、设撤防护、作业前三检、作业后三检、装卸派班等) 信息仍采用现场确认、人工录入方式获取，货运、装卸等各生产岗位间信息传递仍以人工手抄、当面签认为主，车站与客户间信息传递、确认仍未完全实现信息化。一方面，这样容易造成基础数据信息在频繁抄写、转录过程中出错，数据准确性和完整性无法得到保证；另一方面，通过人工方式采集信息并在多个信息系统间频繁手工录入，既增加了人工作业量，又影响了作业效率。

（2）系统间兼容性低。20 世纪 90 年代以来，铁路货运部门相继研发应用了多套信息系统，目前在用的与铁路货运生产及管理相关的信息系统较多，并且是在不同年代、不同技术环境下建立的，不同系统间数据信息不共享，造成原始信息需要在不同系统间重复录入[1]。

（3）信息来源不广泛。目前，铁路货运部门所使用的生产及管理系统，主要与调度指挥、车辆等铁路内部信息联通，而对外尚未与海关、交通运输部门等部门互联互通。因此，造成铁路在国际联运方面仍不能按国际通用的 EDI 标准或国内的电子口岸标准进行货运信息交换，制约了进出口货物运输效率[2]。同时，由于铁路货运没有与生产企业及公路、水路等物流企业建立信息平台，不能与其他运输方式及时传递物流信息，形成了社会大物流背景下的铁路货运盲区。

（4）功能不完善。随着物联网技术在物流领域的广泛应用，顺丰控股 (集团) 股份有限公司、普洛斯物流资产公司等国内外物流企业已实现了对货物运行轨迹的全过程实时跟踪，而铁路货运仅能通过追踪车辆运行轨迹判断货物流动状态，无法实时查询货物运行动态[3]。近年来，青岛港、厦门港、上海洋山港相继开通自动化码头，实现了装卸自动化或远程操控，而铁路装卸机械操作和管理完全依靠人工手动来完成。

（5）集成化程度较低。由于铁路货场尚未实现无线网络全覆盖，既有的货运信息系统分别采用不同制式的有线/无线、公用/专用通信网络分散运行，集成化程度较低。例如，目前货场内仍大量使用有线电话和各种型号的无线对讲机，造成现场信息传递通常需要进行人工转换，并且铁路局域网和外部互联网互相独立，客户信息无法通过远程交互直接反映到现场，同样存在信息二次转换的问题。

2 铁路货场数字化技术方案

2.1 总体方案

铁路货场数字化技术方案的研究与建设，应以“铁路货运站生产管理系统”为基础，以传感技术和 RFID 等物联网技术为支撑，突出智能化信息自动采集与处理，建立基于 Web 的铁路货场数字化技术管理信息系统。铁路货场数字化技术方案示意图如图 1 所示。

图1 铁路货场数字化技术方案示意图Fig.1 Schematic diagram of digital technical scheme for railway freight yard

2.2 技术架构

铁路货场数字化技术管理信息系统的技术架构从系统的可靠性、实用性、便捷性等方面考虑，采用表现层、逻辑层、数据访问层 3 层模式，通过将不同的业务逻辑和应用分离，实现客户应用逻辑，每层之间通过接口访问，避免因为某一层的业务逻辑变动影响其他层次。

（1）表现层。表现层以 WEB、客户端及手持机等方式对业务服务器进行访问。

（2）逻辑层。逻辑层的主要作用在于与表现层进行交互。针对不同访问方式和技术，以基础类库为基础，定义用户实体业务类库、数据交换类库、图像处理类库等实现访问、分发及视频信息的发布。采用数据交换类库实现站间数据交换和电报收发，通过多种不同的组合和灵活的设置，完成定制、修改、管理各种货运业务流程。

（3）数据访问层。通过数据访问层，创建对象和数据库之间的映射，实现事务服务、查询服务、数据并发控制，完成数据的增删改和查询。

铁路货场数字化技术方案的技术架构示意图如图 2 所示。

2.3 系统构成及功能

铁路货场数字化技术管理信息系统主要包括货场门禁管理系统、多媒体调度指挥系统、货运站股道车辆自动识别定位系统、装卸派班与统计系统、流动装卸机械定位监控系统、起重机安全视频监控系统、集装箱作业管理系统、货场无线网络传输系统等。

2.3.1 货场门禁管理系统

由于进出铁路货场的汽车种类繁多且身份复杂，传统的采用人工门卫管理难度大，差错率高[4]。铁路货场门禁系统，采用视频图像采集与预置信息比较相结合的方式进行管理，即通过货场出入口安装的车牌识别装置对车牌进行识别，并与其存储的车辆身份信息相比对，信息吻合的即抬杆放行，信息不一致的不予放行。为提高识别效果，根据货场门卫工况合理设计车辆识别装置的技术指标，如在汽车车牌无遮挡、清洁情况下，字母和数字识别率 99% 以上，通过有针对性地增强模块，可实现整牌识别率 (含车牌汉字)达到 98% 以上 (整牌识别率 = 完全正确号牌数/车流量)，单号牌识别时间＜0.02 s，号牌检测率＞99% ，车辆行驶速度在 0～100 km/ h 之间 (防止汽车恶意或失控冲卡)，输出图像分辨率 ≥720×288，输出信息包括车辆全貌、号牌小图、号牌识别号码、号牌颜色等数据信息。铁路货场门禁系统自动记录车辆、货物、人员进出货场时间，自动识别车辆所属企业、运送货物信息，通过与“铁路货运站生产管理系统”连接，对进入货场的车辆、货物、人员等进行跟踪和追溯，方便货物进出站管理[5]。货场门禁系统还与汽车衡计量称重系统联网，可以准确计量货物重量，从源头上掌控货物重量。

图2 铁路货场数字化技术方案的技术架构示意图Fig.2 The schematic diagram of the technical framework of the digital technical scheme for the railway freight yard

2.3.2 多媒体调度指挥系统

多媒体调度指挥系统主要由中心层、网络层、接入层、指挥控制层 4 层架构组成。中心层是根据用户所需功能要求，在用户机房部署相关服务器构成的。网络层是指各种能够提供 IP 网络的有线或无线通信网络，如以太网、无线局域网、移动公网、卫星通信等网络。接入层是指根据用户的需求，将所需的终端设备接入系统，并可通过系统进行调度管理，如在道路、仓库、车位或设备上部署 IP 话机，安装 IP 广播，可进行语音、视频信息传输等操作，形成音视频联动系统，可以对货场内的运营情况进行实时动态监控，对于安全险情、违章作业等行为及时警告或制止。将货运员手持机接入系统，利用手持机的便捷性、灵活性和移动性，提供跨网络、跨区域、跨终端的集群业务功能，包括音视频通话、语音对讲、呼叫抢占、群组对讲/广播、文本/图片/视频消息、视频回传、GPS 定位、GIS 调度等，并能与 PDT/Tetra/MPTdeng 等数字集群系统、常规集群对讲系统、有线通信系统无缝融合。指挥控制层是指在调度指挥中心进行调度指挥操作的平台，可接大屏的指挥调度台，其中调度指挥主机主要提供 SIP 终端的注册，通信路由能够配合调度指挥软件进行终端状态监控，终端分组点击呼叫，群呼、组呼、强插、监听、转接、等待、会议、TTS 文本转语音拨号、视频 (图片) 回传、视频 (图片) 转发、短信收发、视频联动等功能。

2.3.3 货运站股道车辆自动识别定位系统

利用在货物线上布设的磁敏传感器、各股道入口处安装的摄像头，通过传感器网络与智能视频技术相结合，完成货车进出股道的自动探测、自动记时、车号自动识别及货车停留定位等功能。该系统由列车自动检测、货车车号识别、货车定位 3 个子系统构成，用于对前端探测设备的控制，进行原始检测数据的采集和本地协同化处理，最后对处理后数据进行存储、传输和管理[6]。列车自动检测系统主要采用既有的成熟磁缸技术，利用磁缸对线路上列车的进出进行判断，通过与现车系统的匹配校对列车信息，转化为数字信号输出；货车车号识别系统不再使用传统的车底板安装的编号处理，而是直接使用视频图像截取和识别技术对可见车号进行采集和转化，再次与现车系统匹配校对货车信息；货车定位系统则是通过预置线路长度和各型货车长度信息，对线路和货车进行数字化管理，实现装卸线路上货车的精确定位，最终转化为生产指挥系统中作业组织的原始依据。

2.3.4 装卸派班与统计系统

装卸派班与统计系统主要改变了装卸派班方式，由以前的装卸派班人员填写纸质装卸工作单，货运员和装卸工组签认，计工员人工校对统计的模式，改为由货调 (或货运员) 通过局域网派班。外勤货运员、装卸值班员、装卸工组、计工员之间关于生产任务的流转及统计不再以手工、纸质工作单为载体，而是通过数字化派班来实现工作量分配和统计。该系统按照装卸生产组织流程设计，具有派班、作业单审核、作业单验收、作业单查询统计等基本功能和菜单字典、用户注册、权限配置等辅助功能。铁路装卸派班与统计系统流程图如图 3 所示。

图3 铁路装卸派班与统计系统流程图Fig.3 Railway handling scheduling and statistics system flow chart

装卸派班功能数据源分为整车、集装箱、批量零散 (含入箱、非入箱)、零散 4 种类型，以货票系统、运单系统、集装箱管理系统、零散快运系统的数据为基础，根据不同类型的作业调取相应信息，按任务时间、重要性优先级安排相应的装卸设备和装卸工组，同时结合客户需求分配作业任务，提高了装卸生产指挥效能和装卸业务统计的正确率，减轻了统计人员的工作强度。

2.3.5 流动装卸机械定位监控系统

流动装卸机械定位监控系统是利用安装于叉车、装载机、正面吊、抓料机等移动式装卸机械上的UWB 定位装置、无线传输装置等，对机械设备进行实时定位和跟踪；利用安装于机械设备的微型化摄像头监控设备，对移动式装卸机械现场作业情况进行实时监控，及时预防和处理突发事件，还可通过倒查视频对作业进度和操作行为进行追溯和还原，为突发事件的取证及处理提供依据。装卸机械上安装的监控装置通过货场无线网络将画面实时传输到后端管理软件中，管理人员可通过控制主机查看录像，从而掌握现场作业情况，实现不在本地也能够通过远程访问的方式查看监控图像，及时掌握现场作业情况，对相应问题作出指示和处理，以保证现场作业安全。以叉车为例，在叉车上安装 1 台 720 P 的网络半球摄像机，用以实时查看司机操作情况，并察看通道及货物堆码状态，视频数据由叉车到监控中心机房 (由控制主机、阵列柜、交换机等组成) 采用无线传输的方式，由安装的控制系统 1 套、NVR 1 台，控制主机及磁盘阵列1 套对前端监控数据进行转存、存储、控制和管理，便于后端人员的管理及远程访问。

2.3.6 起重机安全视频监控系统

起重机安全视频监控系统通过采集、传输、控制、管理等手段，实现门式起重机作业过程中的作业环境安全状态联动、设备危险临界报警、操作过程全面记录、现场实时显示和数据记录保存、与现有视频监控系统联动、本地/远程查询起重机历史及实时作业数据等功能。该系统需在起重机上安装 7 台网络摄像机。在起重机司机室内安装 1 台 720 P 的高清网络半球摄像机，用以查看司机作业标准化情况；在起重机小车上安装 1 台 720 P 高清网络枪机，用以监控起重工作业状态；在走行轨道上方垂直于股道的两侧主梁上安装 2 台 720 P 高清网络枪机，用以查看股道及股道上货车停放位置及装载情况；在起重机平行于股道的两侧主梁上安装 2 台 720P 高清网络枪机，用以监控装卸作业区的整体情况；在起重机动力机室安装 1 台 720 P 的高清网络半球摄像机，用以查看动力机室的情况。在起重机司机室内安装控制系统 1 套、NVR1 台、显示器 1 台，用于查看作业动态；后端采用控制主机对前端监控数据进行存储、控制和管理，便于后端人员的管理及远程访问。中心机房由控制主机、交换机等组成，数据由起重机传输到接入点，采用高增益天线 (高增益天线比普通无线产品具有更大的带宽、更高的传输速度、更好的稳定性、更强的加密技术，支持高达 300 Mbps 最大传输速率，保障高码流数据传输)。起重机安全视频监控系统示意图如图 4 所示。

图4 起重机安全视频监控系统示意图Fig.4 Schematic diagram of a crane safety video surveillance system

通过该系统可实时掌握起重机现场作业情况，及时预防和处理突发事件。前端监控点位通过网线汇总在司机室内、司机可通过监控画面对现场状况有更全面、更细致的了解，增强了作业的准确性及安全性；数据由起重机到监控中心采用无线传输的方式，后端管理人员可通过无线网络对前端监控设备进行实时查看，实时掌握现场作业情况；可以通过查看录像，为突发事件的取证及处理提供依据；管理人员可通过远程访问的方式查看监控图像，及时掌握现场作业情况，同时预留数据上传接口条件，满足多级联网需求[7]。该系统体现了现代物联网信息管理技术在起重机械上的具体运用，并在规范大型起重机械安全管理和控制、促进现场作业标准化、预防安全事故发生等方面发挥重要作用。

2.3.7 集装箱作业管理系统

集装箱作业管理系统通过货场门禁管理系统识别汽车车牌、门架式箱号识别装置自动识别集装箱箱号、网络实时传输数据和图像、货运外勤人员用智能手持机进行作业及管理等手段，对铁路集装箱进出门、装卸汽车、装卸货车、集装箱码放在箱区箱位等作业流程进行信息处理、数据流转、实时监控，减少人工作业量，提高作业准确度，提升货场利用效率，全面提高铁路集装箱作业质量[8]。该系统主要解决集装箱进出铁路货场无法有效追踪和在货场内搬运轨迹和位置也无法准确定位的问题。该系统通过预先规划集装箱堆场内二维堆场，使用网格化管理，对每个箱位进行编码。货运员对装卸集装箱使用可视化图形界面和数字化编码等方式，根据汽车和货车停靠位置的变化，结合箱场情况按照一定算法给出最优化的装卸作业方案，对需要装卸的集装箱通过上位机系统发出指令，下位机系统通过内部无线网络进行传输和接收，装卸人员根据分配的任务进行作业。系统还可以根据进出和搬运轨迹自动读写集装箱信息，配以时间维度作为数据项，实现集装箱作业全流程追溯，具有性能可靠、操作简便、成本低等特点。

2.3.8 货场无线网络传输系统

无线网络是保障各类数据、信息在各个系统间实时传输的关键。无线网络传输系统通过在货场设置若干无线基站，在手持机、起重机、叉车等移动装置上安装通信终端，实现各子系统正常运行及各子系统间视频、文本、语音、图像信息实时传输，同时也能满足现场作业人员随机接入网络需求[9]，方便作业人员及时收发信息及指令，方便管理人员更新各项记录、监控信息或实时进行语音通信。无线传输技术，容易与以太网进行整合，网络部署简单，具有较高的稳定性和可靠性。

3 结束语

铁路货场数字化技术方案在合肥北铁路货场应用以来，通过数字化管理和作业方式提高了信息的准确性和及时性，降低了货运和装卸人员的劳动强度，以技术手段保证了运输组织的安全稳定，提高了铁路货运作业质量和运输效率，促进了营销任务的完成，客户服务满意度大幅度提升。在标准化现场会等多次全局性活动中作为示范单位进行展示，同时吸引了各铁路局集团公司及所属单位前往参观交流。展望未来，铁路货场应借鉴智能化码头的技术及经验，深入推进货物及车辆自动识别、全程追踪、装卸机械自动驾驶、远程控制等技术，不断深化铁路货场的数字化建设[10-13]。

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