文∕陳文瑞
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IOT)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,它利用各種智能傳感技術(shù)和設(shè)備來感知物理世界。IOT 技術(shù)對我國智能鐵路的發(fā)展起到了重要的推動作用。許多學(xué)者對IOT 在鐵路行業(yè)的應(yīng)用進行了研究,馬小寧分析了IOT 在中國鐵路領(lǐng)域的典型應(yīng)用形式。孫鵬提出了基于IOT 的動車組檢修設(shè)計方法,并闡述了總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。此外,周澤言設(shè)計了一套基于IOT 三層架構(gòu)的鐵路客票系統(tǒng),可以有效提高系統(tǒng)處理質(zhì)量,提高客運效率。通過分析鐵路貨運安全監(jiān)控現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)需求,本文分析了開發(fā)鐵路貨運安全綜合檢測IOT 架構(gòu)的研究。
IOT 的系統(tǒng)架構(gòu)模型一般分為3 層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是IOT 架構(gòu)的基礎(chǔ),主要利用射頻識別、傳感技術(shù)、控制技術(shù)和GPRS,包括各種類型的傳感器、RFID 標簽和閱讀器、IC 卡讀卡器、移動終端、智能手持機,主要用于鐵路數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和接收、自動控制以及移動數(shù)據(jù)處理和控制。網(wǎng)絡(luò)層包括移動通信網(wǎng)絡(luò)(MCN)和廣域遠程網(wǎng)絡(luò)(WARN)兩部分,是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ),它可以實現(xiàn)專網(wǎng)、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)上的信息傳輸和交換。應(yīng)用層將IOT 技術(shù)與特定技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用服務(wù)的接口,完成感知數(shù)據(jù)的分析、信息共享和智能處理。通過應(yīng)用層信息系統(tǒng)的實施和整合,可以實現(xiàn)創(chuàng)建“安全鐵路”的目標,建立自誘導(dǎo)安全路網(wǎng)。此外,它還將提供通用或定制的應(yīng)用服務(wù)。
中國高度重視鐵路安全監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用,已經(jīng)開發(fā)并推廣了使用自動火車停站裝置,火車速度監(jiān)測裝置,公交車紅外熱像檢測儀,鐵路探傷儀,軌道動態(tài)檢測車等。通過科技手段,有效改善了我國鐵路運輸?shù)陌踩珷顩r。
為了保證鐵路運輸質(zhì)量,建立長效的安全機制,中國鐵路總公司提出了建立貨運安全保障體系的構(gòu)想,加快了鐵路貨運安全檢測設(shè)備和系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用。主要設(shè)備包括不平衡負載檢測設(shè)備,重量橋,閾值檢測設(shè)備,視頻設(shè)備,手持設(shè)備等。其中,重量橋,用于裝載的視頻設(shè)備,用于裝載的手持設(shè)備主要用于始發(fā)站和終端站。鐵路貨運檢查站(即貨運中間站)主要使用不平衡的載荷檢測設(shè)備,閾值檢測設(shè)備,用于安全檢查的手持設(shè)備。所有設(shè)備都可以自動識別并獲取貨運狀態(tài)信息。這些檢測設(shè)備極大地促進了鐵路貨運安全物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),并將有助于補充鐵路貨運裝載狀態(tài)的檢測和監(jiān)測。
考慮到鐵路貨運裝載狀態(tài)管理的業(yè)務(wù)需求,根據(jù)上述架構(gòu)概念模型提出了鐵路貨運安全物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)。
(1)感知層:主要包括各種帶有FRID 標簽或傳感器的貨運安檢設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)關(guān)。分別負責貨運安全與作業(yè)信息采集、短距離無線通信與組網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入、終端設(shè)備管理。
(2)網(wǎng)絡(luò)層:主要包括各種核心托管網(wǎng)、接入網(wǎng)等。例如有線互聯(lián)網(wǎng)、無線移動通信網(wǎng)絡(luò)(2G、3G 和4G)和專用鐵路網(wǎng)絡(luò)。他們負責IOT 鐵路貨運安全的長途信息傳輸和短途網(wǎng)絡(luò)接入。
(3)應(yīng)用層:可分為應(yīng)用支持層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用表示層。應(yīng)用支持層主要提供物理網(wǎng)絡(luò)所需的軟件和硬件支持。支持包括各種服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及相關(guān)軟件。應(yīng)用服務(wù)層負責根據(jù)需求提供應(yīng)用支持,如虛擬化管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理(如模糊識別、智能控制、搜索引擎等)。信息安全管理和數(shù)據(jù)挖掘分析等等。應(yīng)用表示層主要包括各種應(yīng)用子系統(tǒng)、門戶。該層負責提供基于IOT 的各種鐵路貨運應(yīng)用服務(wù)。這些服務(wù)可以幫助完成鐵路貨運內(nèi)部管理和外部信息共享。
IOT 鐵路貨運安全綜合檢測的主要信息源是貨運安全監(jiān)控與管理子系統(tǒng),可提供貨運運行信息、安全檢測與報警信息、報警處理與反饋信息。IOT 貨運安全綜合檢測將通過鐵路貨運安全檢測信息的有效整合,滿足貨運全過程監(jiān)控的需求。
鐵路貨運安全綜合檢測IOT 平臺采用兩種信息集成方式——數(shù)據(jù)庫信息集成和應(yīng)用系統(tǒng)信息集成。數(shù)據(jù)庫信息集成,用于貨運內(nèi)部信息,如貨運運營、安全信息等,交流頻繁,業(yè)務(wù)聯(lián)系緊密。應(yīng)用系統(tǒng)信息集成,用于鐵路運輸集成平臺、鐵路貨運電子商務(wù)平臺等。因為來自這些系統(tǒng)的信息相對獨立。
2.4.1 貨物裝載狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)分析
事實上,貨運裝載狀態(tài)跟蹤的整個過程就是收集和查詢裝載狀態(tài)信息。因此,運輸過程中的信息采集是實現(xiàn)貨物裝載狀態(tài)跟蹤的基礎(chǔ)。貨物裝載狀態(tài)信息根據(jù)變化頻率可分為靜態(tài)信息和動態(tài)信息。靜態(tài)信息一般是運輸過程中穩(wěn)定的信息,如貨物重量、貨物名稱、始發(fā)站、起運鐵路局、終點站、終點站鐵路局等。動態(tài)信息是運輸過程中不斷變化的信息,如貨物裝載狀態(tài)檢測信息、位置信息、作業(yè)信息等。
為了實現(xiàn)鐵路貨物裝載狀態(tài)的全程跟蹤,需要對從裝載到卸載的所有信息進行有效地整合。主要相關(guān)數(shù)據(jù)分析如表1 所示:
2.4.2 基于隸屬度函數(shù)的貨運裝載狀態(tài)跟蹤
貨運狀態(tài)跟蹤不僅依賴于車輛數(shù)量,還取決于貨運信息,運輸時間等。上述信息屬于不同的貨運子系統(tǒng),貨運單號信息僅表示整個運輸過程,反映在貨運中信息。因此,我們需要正確地將裝貨狀態(tài)信息與運單號進行匹配,以實現(xiàn)散貨裝貨狀態(tài)信息的融合。這將是實現(xiàn)整個運輸過程中貨運安全綜合監(jiān)控和跟蹤的關(guān)鍵。
表1 貨物裝載狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)分析表
表2 貨運安全檢測和警報評估結(jié)果
貨運站是中國的主要火車站。提高貨運站的服務(wù)質(zhì)量,提高貨運服務(wù)水平是貨運站/編組站信息化建設(shè)的一部分。因此,基于貨運安全綜合檢測與跟蹤方法,構(gòu)建了鐵路貨運安全綜合監(jiān)測與跟蹤物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。為了促進IOT 技術(shù)在貨運站的應(yīng)用,目標是實現(xiàn)貨物檢查工作的安全監(jiān)控。通過整合超載不平衡負荷檢測系統(tǒng)、軌道衡、超限檢測系統(tǒng)、貨車性能檢測系統(tǒng)(TPDS)和鐵路收發(fā)貨車裝載安全監(jiān)控系統(tǒng),以及正確報告系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、ATIS 和列車運行調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)四個信息系統(tǒng),貨運站/編組站將實現(xiàn)無縫連接。地勤人員應(yīng)在貨物檢查中使用貨物檢查手機,然后將問題列車的記錄上傳到貨物檢查站的安全集中監(jiān)控系統(tǒng)。在一些較小的站點區(qū)域,也可以使用無線網(wǎng)絡(luò)建立無線局域網(wǎng),以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。最終,我們將實現(xiàn)對貨物檢查工作全過程的監(jiān)控。
該系統(tǒng)已在一些鐵路局應(yīng)用。表2 顯示了2016年第三季度一些鐵路局的貨運安全檢測和警報評估結(jié)果(見表2)。
此外,我們選擇了2019年第三季度的太原鐵路局貨運信息,以便能夠基于隸屬函數(shù)進行信息映射和跟蹤。收集到有效整合有效信息173404 條,有效卸載信息153868 條,成功整合相關(guān)裝載狀態(tài)信息19208848 條,信息匹配率為90.5%。因此,基本上已經(jīng)實現(xiàn)了貨運狀態(tài)跟蹤的目標。
通過分析鐵路貨運安全監(jiān)控業(yè)務(wù)需求的情況,提出了物聯(lián)網(wǎng)鐵路貨運安全監(jiān)控的體系結(jié)構(gòu),研究了基于隸屬函數(shù)的貨運狀態(tài)跟蹤方法,從而實現(xiàn)了對物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)控。該研究將有助于提高貨運安全能力,實現(xiàn)貨運管理的長期穩(wěn)定。