楊興磊，魯玉龍，張俊堯，李春紅，陳雨超

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.北京時(shí)代橋企業(yè)管理顧問有限公司，北京 100081）

隨著鐵路工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為落實(shí)鐵路信息化發(fā)展戰(zhàn)略要求，王同軍[1]在智能高鐵戰(zhàn)略研究中提出，利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術(shù)，融合先進(jìn)管理理念，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)期間各生產(chǎn)場景信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理和決策分析。容建華等人[2-3]提出“智慧工地”的概念，通過鐵路工地“人、機(jī)、料、法、環(huán)”諸要素的信息化，實(shí)現(xiàn)鐵路施工過程的有效監(jiān)管。

2013年以來，基于云計(jì)算架構(gòu)的鐵路工程管理平臺(tái)在全路推廣應(yīng)用，經(jīng)過幾年的發(fā)展，在現(xiàn)場設(shè)備接入、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、過程管理控制等方面已取得長足的發(fā)展，但也面臨著如下問題和挑戰(zhàn)：

（1）工地網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集上傳不及時(shí)；

（2）數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，終端應(yīng)用多源異構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理；

（3）專業(yè)間難以共享和集成數(shù)據(jù)，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)不能被有效挖掘和利用；

（4）存在大量冗余數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)利用率低，占用大量云端資源和傳輸帶寬[4]。

為此，針對云計(jì)算架構(gòu)下海量數(shù)據(jù)的分析與儲(chǔ)存對網(wǎng)絡(luò)帶寬帶來的挑戰(zhàn)，提出基于邊緣計(jì)算的智慧鐵路工地生產(chǎn)管理系統(tǒng)，并結(jié)合混凝土拌和站生產(chǎn)自動(dòng)化、鐵路工地現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道工程圍巖變形監(jiān)測3 類場景開展應(yīng)用探索，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)就近高效處理分析、超差實(shí)時(shí)報(bào)警、變化趨勢自動(dòng)評判等邊緣側(cè)智能應(yīng)用，解決“云-端”交互時(shí)異構(gòu)接入和傳輸時(shí)延等問題。

1 邊緣計(jì)算概念及特點(diǎn)

1.1 邊緣計(jì)算的概念

邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求[5]。

1.2 邊緣計(jì)算的特點(diǎn)

基于邊緣計(jì)算的應(yīng)用場景具有以下特點(diǎn)。

（1）異構(gòu)聯(lián)接：支持多種不同類型終端與邊緣側(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)連接，同時(shí)保證連接適配的可靠性和安全性。

（2）智能分析：邊緣側(cè)設(shè)備具備數(shù)據(jù)分析能力，能通過多種類型得終端采集數(shù)據(jù)，并自動(dòng)執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。

（3）高度自治：利用人工智能、深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)，邊緣側(cè)設(shè)備更加智能化，可獨(dú)自完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，形成區(qū)域自治節(jié)點(diǎn)。

2 智慧鐵路工地生產(chǎn)管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)部署架構(gòu)

基于邊緣計(jì)算的智慧鐵路工地生產(chǎn)管理系統(tǒng)的部署可劃分為現(xiàn)場層、邊緣層和云平臺(tái)層，如圖1所示。

2.1.1 現(xiàn)場層

現(xiàn)場層主要指工地施工作業(yè)現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)采集、控制終端節(jié)點(diǎn)；這些節(jié)點(diǎn)通過總線、藍(lán)牙或以太網(wǎng)等通信方式，與邊緣側(cè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層和邊緣層之間數(shù)據(jù)流和控制信息的連通。

2.1.2 邊緣層

邊緣層是系統(tǒng)核心，主要包含邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣服務(wù)器等邊緣側(cè)設(shè)備，負(fù)責(zé)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)來自現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)流，提供終端節(jié)點(diǎn)接入、數(shù)據(jù)篩查、數(shù)據(jù)分析和傳輸優(yōu)化等邊緣服務(wù)，同時(shí)還可根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯編排，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場工控設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

2.1.3 云平臺(tái)層

云平臺(tái)層提供集中管控、決策支持等上層服務(wù)，通過獲取邊緣層數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)對工地現(xiàn)場各類作業(yè)機(jī)械設(shè)備施工作業(yè)數(shù)據(jù)的整合，構(gòu)建面向各類用戶的綜合應(yīng)用服務(wù)，對工地現(xiàn)場生產(chǎn)管理進(jìn)行全局調(diào)度和指揮決策。

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)

結(jié)合鐵路工地生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，從信息化發(fā)展及現(xiàn)場實(shí)際管理需求出發(fā)，在信息安全保障體系支撐下，基于邊緣計(jì)算的智慧鐵路工地生產(chǎn)管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)分為3個(gè)層次：現(xiàn)場接入層，邊緣使能層和平臺(tái)應(yīng)用層，如圖2 所示。

2.2.1 現(xiàn)場接入層

現(xiàn)場接入層主要是鐵路工地現(xiàn)場各種生產(chǎn)場景中的信息終端節(jié)點(diǎn)以不同接入方式，實(shí)現(xiàn)與邊緣側(cè)設(shè)備的泛在互聯(lián)。

2.2.2 邊緣使能層

邊緣使能層通過在工地現(xiàn)場部署邊緣設(shè)備，集成計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和通信接口等硬件資源，提供面向現(xiàn)場實(shí)時(shí)應(yīng)用的虛擬機(jī)、容器等系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場終端節(jié)點(diǎn)的接入和控制；同時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯編排規(guī)則，對采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查、分析和優(yōu)化，并上傳至云平臺(tái)。

2.2.3 平臺(tái)應(yīng)用層

平臺(tái)應(yīng)用層主要通過云計(jì)算平臺(tái)，向用戶提供諸如拌和站生產(chǎn)自動(dòng)化、工地現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道圍巖變形監(jiān)測等應(yīng)用，使管理人員能夠即時(shí)掌控鐵路工地的生產(chǎn)作業(yè)過程、現(xiàn)場施工動(dòng)態(tài)及環(huán)境狀況。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于邊緣計(jì)算的智慧鐵路工地生產(chǎn)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可劃分為3 層：邊緣側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)和平臺(tái)側(cè)，如圖3 所示。

2.3.1 邊緣側(cè)

邊緣側(cè)主要是工地作業(yè)現(xiàn)場的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，如拌和站工控設(shè)備、圍巖量測測繪設(shè)備、橋梁在線監(jiān)測設(shè)備、路基沉降監(jiān)測設(shè)備和工地視頻監(jiān)控設(shè)備等數(shù)據(jù)采集終端，以及部署在工地現(xiàn)場的邊緣網(wǎng)關(guān)或邊緣服務(wù)器；這些設(shè)備完成生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的采集、邊緣側(cè)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析以及業(yè)務(wù)邏輯編排等。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)

網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要承擔(dān)邊緣側(cè)與平臺(tái)側(cè)數(shù)據(jù)之間的傳輸，可采用互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)、VPN 或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等多種傳輸方式。

2.3.3 平臺(tái)側(cè)

平臺(tái)側(cè)通過部署虛擬化計(jì)算節(jié)點(diǎn)，搭建云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建上層應(yīng)用，提供面向多用戶的數(shù)據(jù)分析、個(gè)性化應(yīng)用、智能評判和決策指揮；管理節(jié)點(diǎn)可對云端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，也可向邊緣側(cè)節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)資源全局調(diào)整與優(yōu)化。

3 應(yīng)用探索

3.1 基于邊緣計(jì)算的混凝土拌和站生產(chǎn)自動(dòng)化

混凝土拌和站生產(chǎn)管理是工程建設(shè)期中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，混凝土拌和站的產(chǎn)能和生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)乎線路工程實(shí)體的進(jìn)度和品質(zhì)。

利用邊緣設(shè)備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)和分析能力，通過互聯(lián)網(wǎng)、總線技術(shù)以及精確的控制邏輯，構(gòu)建混凝土拌和站生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)[6]，業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系如圖4 所示。

在原材料進(jìn)場階段，采集磅房數(shù)據(jù)，包括進(jìn)場原材料的類型、數(shù)量、運(yùn)輸車次等，生成原材料進(jìn)場批次記錄；記錄原材料的送檢取樣和檢驗(yàn)結(jié)果，并將進(jìn)場原材料記錄與檢驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。

在混凝土拌和站生產(chǎn)過程中，邊緣設(shè)備通過分析原材料配料單，與混凝土拌和站工控設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，精準(zhǔn)控制各種原材料的投料數(shù)量、攪拌時(shí)間等[7]，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的高效可控，確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

在混凝土運(yùn)輸階段，記錄混凝土拌和站出料時(shí)罐車車次、混凝土方量以及罐車行進(jìn)路線等信息，生成運(yùn)輸記錄。

借助邊緣設(shè)備的業(yè)務(wù)邏輯分析能力，對生產(chǎn)記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)混凝土拌和站從原材料進(jìn)場、檢驗(yàn)、生產(chǎn)到運(yùn)輸?shù)娜^程自動(dòng)管控。

3.2 基于邊緣計(jì)算的鐵路工地視頻監(jiān)控

鐵路工地地處偏僻，作業(yè)條件環(huán)境惡劣，極易發(fā)生生產(chǎn)安全事故。工地視頻監(jiān)控作為日常生產(chǎn)作業(yè)安全監(jiān)管的輔助設(shè)施，可對施工作業(yè)、人員操作、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)等實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量、違規(guī)操作等安全隱患，提升施工安全管理水平[8]。

鐵路工地現(xiàn)場作業(yè)面廣、監(jiān)控范圍受限、網(wǎng)絡(luò)接入困難，為滿足監(jiān)控需求，傳統(tǒng)的鐵路工地視頻監(jiān)控系統(tǒng)中往往需要設(shè)置多個(gè)不同角度的高清晰度攝像機(jī)。攝像機(jī)清晰度越高，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬越大；而大部分視頻監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)的利用價(jià)值不高，占用大量后端存儲(chǔ)，浪費(fèi)存儲(chǔ)資源。

為此，引入邊緣計(jì)算和視頻壓縮處理技術(shù)[9]，通過邊緣側(cè)設(shè)備對接入的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，去除視頻圖像中冗余信息，減少視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。同時(shí)，邊緣側(cè)設(shè)備還可通過智能分析，自動(dòng)判斷作業(yè)區(qū)內(nèi)安全隱患和違規(guī)作業(yè)事件，實(shí)時(shí)進(jìn)行標(biāo)記，并立即向現(xiàn)場安全管理人員推送報(bào)警信息。

3.3 基于邊緣計(jì)算的鐵路隧道工程圍巖變形監(jiān)測

鐵路隧道施工具有施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)多、地質(zhì)條件復(fù)雜多變等特點(diǎn)，隧道圍巖的變形監(jiān)測對保障施工安全的具有重要影響，同時(shí)，隧道圍巖的監(jiān)測也是衡量施工工藝與設(shè)計(jì)是否相符的重要手段。利用信息化手段對隧道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)測，可為圍巖穩(wěn)定性判別提供直觀、可靠的信息[10]。然而，隧道圍巖變形是一個(gè)復(fù)雜的過程，僅靠直接采集變形數(shù)據(jù)很難判別其變形規(guī)律。

為此，根據(jù)隧道圍巖變形的時(shí)間序列變化特性，建立基于深度學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型[11]，對隧道圍巖變形進(jìn)行預(yù)測。通常，基于深度學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練與推理邏輯部署在云端數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)場監(jiān)測終端設(shè)備將圍巖變形數(shù)據(jù)采集上傳至云端數(shù)據(jù)中心，云端完成處理后，再將結(jié)果推送回用戶終端。在這種信息處理模式下，大量數(shù)據(jù)通過傳輸延時(shí)較大、帶寬波動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)在云端和用戶端之間傳輸，會(huì)造成較大的端到端數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)及報(bào)警滯后。通過在邊緣側(cè)設(shè)備搭載神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的方式，監(jiān)測數(shù)據(jù)無需頻繁在監(jiān)測終端和云端數(shù)據(jù)中心間傳輸數(shù)據(jù)，邊緣設(shè)備既能夠確保監(jiān)測數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)采集上傳，同時(shí)通過本地化處理分析，實(shí)現(xiàn)快速的報(bào)警響應(yīng)。

4 結(jié)束語

鐵路工地生產(chǎn)管理具有作業(yè)面廣、作業(yè)類型多、終端設(shè)備多等特點(diǎn)，智慧鐵路工地的發(fā)展需要不斷引入新技術(shù)?；谶吘売?jì)算的策略，提出智慧鐵路工地生產(chǎn)管理系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，以混凝土拌和站生產(chǎn)自動(dòng)化、工地現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道工程圍巖變形監(jiān)測3 類場景開展應(yīng)用實(shí)踐，支持智慧鐵路工地生產(chǎn)管理終端異構(gòu)連接和相關(guān)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)管控。

隨著鐵路智能建造的發(fā)展，邊緣計(jì)算策略將在更多智慧工地場景中得到應(yīng)用。