黃敏珍,林曉蕾,李國華,李 楠
(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所,北京 100081)
近年來,5G移動通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用方興未艾。全球移動供應(yīng)商協(xié)會(GSA)報告顯示,全球超過150家移動通信運營商正在開展5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)試驗與探索[1],5G移動通信網(wǎng)絡(luò)正在成為各國重要的通信基礎(chǔ)設(shè)施,并與物聯(lián)網(wǎng)(IoT,Internet of Things)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)融合發(fā)展,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、港口、工業(yè)等行業(yè)和領(lǐng)域[2-10],推動各行業(yè)的業(yè)務(wù)模式變革與創(chuàng)新。
目前,5G移動通信技術(shù)應(yīng)用也是我國鐵路運輸領(lǐng)域的一個研究熱點。王莉[11]等人將5G移動通信技術(shù)應(yīng)用到站房安全系統(tǒng),以提升旅客出行體驗和鐵路客運站綜合管理水平;柴琳琳[12]將5G移動通信技術(shù)應(yīng)用于鐵路危險貨物運輸,提高鐵路危險貨物運輸?shù)陌踩芾硭健?/p>
數(shù)字化是我國鐵路貨運場站發(fā)展的必然趨勢,通過鐵路貨運場站數(shù)字化建設(shè),提升鐵路貨運場站運營效率,提高客戶對鐵路物流服務(wù)的滿意度。數(shù)字化貨運場站具有裝備智能化、泛在互聯(lián)、作業(yè)高度協(xié)同等特點,現(xiàn)有4G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已不能滿足現(xiàn)實要求。為此,探討5G移動通信技術(shù)在數(shù)字化鐵路貨運站的應(yīng)用場景,借助5G移動通信技術(shù)的優(yōu)勢,加快推進(jìn)數(shù)字化鐵路貨運場站的建設(shè)。
我國鐵路貨運場站的信息化建設(shè)目前主要聚焦于貨運站、貨檢站等信息系統(tǒng)建設(shè),同時開展了鐵路貨運綜合生產(chǎn)管理與應(yīng)用、貨運與物聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新應(yīng)用、貨運與區(qū)塊鏈融合創(chuàng)新應(yīng)用的研究[13-15],以不斷拓展延伸服務(wù),提升鐵路貨運場站總體服務(wù)水平。
鐵路貨運場站在向一體化現(xiàn)代物流服務(wù)延伸發(fā)展、促進(jìn)鐵路多式聯(lián)運業(yè)務(wù)發(fā)展的過程中面臨著以下問題。
參照現(xiàn)代物流的全程服務(wù)要求,鐵路物流門到門運輸、智能化倉儲、接取送達(dá)、加工等服務(wù)水平不高,物流鏈中因物流信息服務(wù)不完善,導(dǎo)致信息流不通暢、不及時,出現(xiàn)物流各環(huán)節(jié)相互脫節(jié)的現(xiàn)象。
目前,隨著數(shù)字化貨運場站建設(shè)的日益深化,貨運場站大量應(yīng)用視頻監(jiān)控、IoT等信息化技術(shù),由于既有移動通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸帶寬、速率、時延和安全性等方面的限制,在技術(shù)應(yīng)用融合創(chuàng)新時遇到數(shù)據(jù)通信瓶頸,新技術(shù)與貨運站業(yè)務(wù)融合應(yīng)用推進(jìn)受阻,減緩了鐵路貨運場站數(shù)字化發(fā)展步伐。
貨運站的裝卸、貨檢等作業(yè)過多依賴現(xiàn)場人員,裝備智能化水平不高,尚不能實現(xiàn)物與物、人與物、人與人之間及時、順暢的信息交換,造成作業(yè)和管理效率不高,安全卡控效果不理想。為加快新技術(shù)的應(yīng)用,物流技術(shù)裝備的現(xiàn)代化水平應(yīng)與之匹配,通過泛在互聯(lián),增強(qiáng)各作業(yè)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)協(xié)同能力。而傳統(tǒng)的4G移動通信技術(shù)已無法滿足貨運站場技術(shù)裝備泛在互聯(lián)與智能化的發(fā)展要求。
5G移動通信技術(shù)具有高速度、低功耗、低時延、重構(gòu)安全等特點,為解決鐵路貨運場站信息化所面臨的問題提供了可能。
圍繞強(qiáng)化貨運場站安全管控能力、提高貨運場站生產(chǎn)作業(yè)效率、提升客戶服務(wù)水平等目標(biāo),針對鐵路貨運場站各種典型應(yīng)用場景,融合北斗、人工智能、大數(shù)據(jù)、IoT等先進(jìn)技術(shù),提出5G移動通信網(wǎng)絡(luò)+鐵路數(shù)字化貨運場站的總體架構(gòu),推進(jìn)貨運場站安全管控、裝卸作業(yè)、貨檢作業(yè)、資源管理、物流配送和無人駕駛運輸?shù)确矫娴臄?shù)字化和智能化,促進(jìn)鐵路貨運場站朝著一體化現(xiàn)代物流服務(wù)方向發(fā)展,提高鐵路貨運場站的集、疏、運各作業(yè)環(huán)節(jié)的協(xié)同效率,全面提升鐵路貨運場站面向多式聯(lián)運的綜合服務(wù)能力。
5G移動通信網(wǎng)絡(luò)+鐵路數(shù)字化貨運場站的總體架構(gòu)如圖1所示,包括終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層以及標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系。
圖1 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)+鐵路數(shù)字化貨運場站總體架構(gòu)
主要包括通信終端智能采集設(shè)備,支持手持機(jī)、傳感器、機(jī)器人、攝像頭、無人車、無人機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)的接入,主要實現(xiàn)面向貨運場站業(yè)務(wù)的操作控制、感應(yīng)感知和數(shù)據(jù)反饋等功能;貨運場站智能終端支持各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的接入,按照統(tǒng)一信息接口,規(guī)范各類設(shè)施設(shè)備的接入,包括貨運場站計量設(shè)備、電子施封鎖、智能大門、智能貨區(qū)貨位等。
構(gòu)建承載貨運場站業(yè)務(wù)的5G接入網(wǎng),可通過微服務(wù)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)切片,根據(jù)鐵路貨運場站不同業(yè)務(wù)需求,將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邏輯子網(wǎng)絡(luò),以合理利用網(wǎng)絡(luò)資源,提供安全、高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
利用鐵路貨運集成數(shù)據(jù),通過平臺賦能,提供大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等專業(yè)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和分析能力,構(gòu)建開放共享的鐵路貨運場站智能平臺,滿足對定位、視頻回傳及圖像識別等業(yè)務(wù)需求,增強(qiáng)對各類貨運場站業(yè)務(wù)的支撐能力。
主要面向資源精細(xì)化、作業(yè)數(shù)字化、管理智能化,涉及貨運場站智能安全管控、貨運場站智能裝卸作業(yè)、智能貨檢作業(yè)、貨運場站資源管理、物流配送和無人駕駛運輸?shù)葮I(yè)務(wù),實現(xiàn)跨系統(tǒng)信息交互,支持多業(yè)務(wù)全流程協(xié)同,提高作業(yè)效率,提升鐵路貨運場站的管理與服務(wù)水平。
主要包括數(shù)據(jù)采集、集成、共享等相關(guān)規(guī)范,明確貨運場站數(shù)據(jù)安全管理、應(yīng)急處置和備份恢復(fù)等制度,規(guī)范數(shù)據(jù)處理和分析過程,強(qiáng)化系統(tǒng)軟硬件和數(shù)據(jù)安全,實行鐵路貨運場站分級分類風(fēng)險管控,為鐵路貨運平臺應(yīng)用提供完善的安全防護(hù)。
網(wǎng)絡(luò)切片是借助虛擬化技術(shù)將物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個邏輯上獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò),每個虛擬網(wǎng)絡(luò)稱為一個網(wǎng)絡(luò)切片,擁有獨立的網(wǎng)絡(luò)資源。針對差異化業(yè)務(wù)場景需求,可對每個網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行重新配置,以滿足不同的網(wǎng)絡(luò)切片對各類業(yè)務(wù)場景的承載能力,實現(xiàn)“一網(wǎng)多用”,提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益,滿足低時延需求。貨運場站技術(shù)設(shè)備眾多,聯(lián)網(wǎng)需求多樣。如貨運場站吊車遠(yuǎn)程操控業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性要求較高,對傳輸時延極為敏感,可采用專網(wǎng)專用型切片獨立承載;無人機(jī)監(jiān)控和巡檢業(yè)務(wù)需要大帶寬且對傳輸時延較為敏感,但其對可靠性的要求不如操控類業(yè)務(wù)要求高,可采用公網(wǎng)專用型切片承載。
不同于傳統(tǒng)云計算架構(gòu)中將計算資源部署在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的方式,邊緣計算將部分計算資源部署在靠近人和物的數(shù)據(jù)源側(cè),為車輛、貨物和集裝箱全程監(jiān)控和物流追蹤等實時性要求較高的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供面向網(wǎng)絡(luò)邊緣終端的數(shù)據(jù)存儲、計算和通信服務(wù),有利于本地業(yè)務(wù)的快速處理和響應(yīng)。
D2D通信是指在一定距離范圍內(nèi),用戶通信設(shè)備之間可以直接通信,從而大幅降低通信基站的負(fù)荷。隨著IoT技術(shù)的發(fā)展,越來越多具有IoT特征的設(shè)備通信終端接入網(wǎng)絡(luò),將D2D通信技術(shù)和IoT技術(shù)結(jié)合,構(gòu)建高效安全、泛在互聯(lián)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。
在5G網(wǎng)絡(luò)中,針對不同業(yè)務(wù)的差異化安全需求,提供更加高效且個性化的身份認(rèn)證管理;設(shè)計靈活的面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu),實現(xiàn)端到端安全防護(hù);定期開展安全評估,建立多維度、標(biāo)準(zhǔn)化、可量化的5G網(wǎng)絡(luò)安全評估體系,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢動態(tài)監(jiān)控,可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險預(yù)警,及時調(diào)整安全策略。
利用5G移動通信+云計算+AI等技術(shù),及時發(fā)現(xiàn)各種作業(yè)安全隱患,提升貨運場站自動化監(jiān)控水平和作業(yè)安全管理能力。
(1)通過基于5G的視頻多角度監(jiān)控與分析和邊緣計算等技術(shù),結(jié)合前端攝像機(jī)、攝像頭、傳感器等終端采集設(shè)備,實現(xiàn)對貨運場站大門的實時高清監(jiān)控。
(2)通過人臉識別技術(shù)與5G技術(shù)的融合,實現(xiàn)貨運場站人員過閘、人臉考勤,并將檢查結(jié)果實時反饋到監(jiān)控中心。
(3)實時監(jiān)督和記錄貨運場站作業(yè)人員的活動路線,貨運場站作業(yè)人員的歷史活動軌跡;同時,通過邊緣節(jié)點的計算和分析,檢測和判別貨運場站作業(yè)人員是否按照規(guī)定佩帶安全帽或者穿著反光衣,對其不安全行為進(jìn)行提醒,并記錄違規(guī)行為。
(4)實現(xiàn)堆場的火焰、煙霧、液體泄露等安全隱患的自動檢測和預(yù)警,提升應(yīng)急處置能力。
(5)與智能視頻分析、無人機(jī)巡檢等技術(shù)結(jié)合,實時發(fā)現(xiàn)問題,對異常情況進(jìn)行及時預(yù)警,同時提供作業(yè)環(huán)境、集裝箱號識別、集卡車牌識別等功能,自動判斷箱號與采集數(shù)據(jù)是否一致,及時根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行分析和卡控通過。
利用5G技術(shù),實現(xiàn)貨運作業(yè)自動化,提升裝卸作業(yè)效率和貨運管理水平。
(1)將5G技術(shù)應(yīng)用于集裝箱箱區(qū)和箱位管理,利用虛擬現(xiàn)實(VR,Virtual Reality)、現(xiàn)實增強(qiáng)(AR,Augmented Reality)和混合現(xiàn)實(MR,Mixed Reality)等技術(shù),在貨運場站實景顯示上疊加虛擬景象,模擬貨物交接、裝卸過程,并結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃和啟發(fā)式算法等多種優(yōu)化引擎,自動生成高效、低成本的裝箱方案,提升集裝箱裝卸作業(yè)的自動化水平。
(2)基于5G通信對吊機(jī)實施遠(yuǎn)程控制,實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)無人化,既可降低人力成本,也有利于消除作業(yè)安全隱患。
通過5G技術(shù)與云計算、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合應(yīng)用,提升貨檢作業(yè)和限界管理的智能化水平。
(1)改變依靠現(xiàn)場貨運檢查員拍照后上傳系統(tǒng)的傳統(tǒng)貨檢作業(yè)模式,結(jié)合VR、AR技術(shù)、高清智能識別和智能分析技術(shù),將貨檢作業(yè)過程的高清視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)傳送到貨運場站調(diào)度中心,實現(xiàn)貨檢作業(yè)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。
(2)通過貨檢作業(yè)全過程的高清視頻實時采集和智能分析,可自動識別貨物裝載加固、篷布遮蓋、門窗蓋閥等不良情況以及超限、偏載等常見貨檢安全問題并告警,減輕貨檢員勞動強(qiáng)度,保證貨檢作業(yè)質(zhì)量。
結(jié)合IoT數(shù)據(jù)采集、圖像識別處理、北斗定位等技術(shù),將鐵路線路、車輛、箱區(qū)箱位、堆箱以及場站資源等數(shù)字化,實現(xiàn)鐵路貨運資源IoT應(yīng)用。
(1)結(jié)合GIS、VR、AR和3D全息投影技術(shù),提供清晰明了的圖形化展示,便于相關(guān)人員掌握貨運場站資源的配置與布局。
(2)利用RFID等IoT技術(shù),可跟蹤貨運場站資源的位置和運動軌跡,方便相關(guān)人員掌握貨運場站移動資源使用情況。
(3)結(jié)合AI技術(shù),由系統(tǒng)智能推薦裝卸作業(yè)方案,減輕貨運場站調(diào)度人員工作強(qiáng)度。
通過5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、GPS北斗定位、無人自動駕駛技術(shù)的結(jié)合,在提升貨運場站作業(yè)自動化水平和物流全程配送服務(wù)水平。
(1)利用射頻識別、條形碼掃描、車載GPS定位和可視化手段實現(xiàn)物流智能配送;通過對車載GPS定位,在電子地圖上顯示車輛位置和運行軌跡,根據(jù)終端設(shè)備采集的定位數(shù)據(jù),對物流過程的貨物進(jìn)行監(jiān)控和跟蹤。
(2)在貨運場站集卡上加裝5G終端和無人自動駕駛系統(tǒng),使其自主完成正常駕駛和避障行駛,實現(xiàn)集裝箱在貨運場站內(nèi)的無人化自主運輸,節(jié)約人工成本,提升貨運場站內(nèi)貨物運輸自動化水平。
(3)在貨車運行過程中,在車輛進(jìn)行調(diào)車、減速等作業(yè)時,可通過D2D通信方式,對附近其它車輛的駕駛員予以警示;在緊急情況下,系統(tǒng)可自主控車,以縮短駕駛員面對緊急狀況的反應(yīng)時間,降低事故的發(fā)生率,減小事故傷害。
5G技術(shù)有助于解決鐵路貨運場站信息化建設(shè)所面臨的諸多難題,是突破數(shù)字化鐵路貨運場站當(dāng)前發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對5G通信技術(shù)在鐵路數(shù)字化貨運場站的融合應(yīng)用,提出5G移動通信網(wǎng)絡(luò)+鐵路數(shù)字化貨運場站的總體架構(gòu),對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論,重點探討貨運場站智能安全管控、貨運場站智能裝卸作業(yè)、智能貨檢作業(yè)、貨運場站資源管理、物流配送和無人駕駛運輸5類典型應(yīng)用場景,以提高貨運場站作業(yè)效率和管理水平,加快推進(jìn)鐵路數(shù)字化貨運場站的建設(shè)。
下一步將結(jié)合上述應(yīng)用場景,開展具體應(yīng)用方案研究與開發(fā),緊跟鐵路5G移動通信設(shè)施的建設(shè)步伐,早日實現(xiàn)應(yīng)用的落地實施。