李林俊,張 歡,厲 偉,李宏林

（1.國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100048; 2.南京斯?fàn)柲姎庥邢薰?江蘇 南京 211161）

0 引言

在“聚焦交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的背景下，鐵路運(yùn)輸正向著調(diào)度集中化、高速化、重載化、區(qū)間多業(yè)務(wù)的方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)鐵路安全、質(zhì)量、效率等方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的貨檢作業(yè)模式難以滿足高速發(fā)展的需求。近些年持續(xù)利用先進(jìn)技術(shù)賦能鐵路高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)踐，為鐵路智能化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的鐵路通信系統(tǒng)的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）主要承載語(yǔ)音調(diào)度、列控、調(diào)度命令、無(wú)線車次號(hào)校核等窄帶業(yè)務(wù)，已無(wú)法滿足業(yè)務(wù)智能化發(fā)展的需求[1]。作為新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)的 5G 技術(shù)具有高速率、低時(shí)延、大連接等特點(diǎn)，使得5G成為智慧鐵路體系建設(shè)的信息交換樞紐和基礎(chǔ)支撐條件[2]。鐵路作為最大的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，采用5G技術(shù)是鐵路行業(yè)從傳統(tǒng)基建向“新基建”實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇。同時(shí)《國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于加快推進(jìn) 5G 技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》指出，加快推進(jìn)第 5 代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）應(yīng)用，是推進(jìn)新時(shí)代鐵路高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行的重要領(lǐng)域和重要基礎(chǔ)，有利于提升鐵路服務(wù)品質(zhì)和效率效益[3]。

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，對(duì)安全、質(zhì)量、效率等方面的要求不斷提高，使貨運(yùn)安全面臨前所未有的壓力，傳統(tǒng)的貨檢作業(yè)模式難以滿足高速發(fā)展的需求。智能裝備、新技術(shù)、新裝備、新工藝的不斷投入使用，不斷推進(jìn)列檢作業(yè)模式由“人檢”向“機(jī)檢”模式的轉(zhuǎn)變。

該文結(jié)合鐵路貨車列檢作業(yè)的需求，采用 5G 技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計(jì)算等新興技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)一套鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)，使之成為鐵路貨運(yùn)安全保障體系的重要組成部分，極大地提升列檢作業(yè)的工作效率和質(zhì)量，推進(jìn)貨檢作業(yè)模式由“人檢” 向“機(jī)檢”的轉(zhuǎn)變，為提高鐵路貨車安全保障提供技術(shù)支撐，對(duì)鐵路貨車安全管理具有重大意義。

1 鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合列檢機(jī)器人、攝像頭以及傳感器等多種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)與列檢作業(yè)的融合[1]。具體包括終端設(shè)備的海量數(shù)據(jù)傳輸、終端數(shù)據(jù)的匯聚以及海量機(jī)器通信等功能應(yīng)用，為列檢作業(yè)移動(dòng)作業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)框架平臺(tái)基于SOA服務(wù)架構(gòu)提供多層的分布式應(yīng)用模型，層與層之間通過(guò)接口或服務(wù)調(diào)用。總體架構(gòu)分為感知層、傳輸層、平臺(tái)應(yīng)用層和用戶層四層，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

（1）感知層處于系統(tǒng)的最底層，負(fù)責(zé)采集貨車、車號(hào)、車型以及車速等信息，該層由圖像采集模組、車輪傳感器、電子車號(hào)識(shí)別設(shè)備、視頻采集終端以及5G移動(dòng)終端等設(shè)備組成。

（2）傳輸層位于中間，負(fù)責(zé)傳輸和處理感知層獲取的信息，主要由傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，具體包括運(yùn)營(yíng)商5G、鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)、5G局域網(wǎng)以及Wi-Fi等。

（3）平臺(tái)應(yīng)用層位于系統(tǒng)的中心，該層結(jié)合鐵路貨車智能檢測(cè)的需求，在傳輸層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鐵路貨車智能檢測(cè)及應(yīng)用，具體包括即時(shí)通信、AI智能檢測(cè)、異常報(bào)警、案情回放及統(tǒng)計(jì)分析等平臺(tái)服務(wù)功能。

（4）用戶層利用智能終端、移動(dòng)終端等多種方式向集團(tuán)用戶、分公司以及貨站監(jiān)管人員提供不同維度的服務(wù)。

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的信息采集、整合和共享技術(shù)，對(duì)鐵路貨車列檢工作進(jìn)行全方位、全過(guò)程的管理，主要由圖像采集器、車輛傳感器、車號(hào)智能識(shí)別裝置等前端設(shè)備、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)以及鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能前端采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄軝z測(cè)服務(wù)器，在智能檢測(cè)服務(wù)器上通過(guò)部署訓(xùn)練模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，并將識(shí)別結(jié)果以桌面終端、移動(dòng)終端等方式反饋給列檢作業(yè)人員進(jìn)行復(fù)核和確認(rèn)。

圖2 邏輯結(jié)構(gòu)

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 5G通信技術(shù)

利用5G的高速度、低功耗、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，能夠改善現(xiàn)有鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的信息實(shí)時(shí)可靠傳輸率低、信息源點(diǎn)連接數(shù)量受限、信息傳輸量受限等問(wèn)題[1]，尤其是全雙工技術(shù)、超密集異構(gòu)技術(shù)能夠不斷滿足中國(guó)鐵路未來(lái)不斷涌現(xiàn)的新功能、新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景需求[2]。

針對(duì)貨車檢測(cè)系統(tǒng)的大量圖像和視頻數(shù)據(jù)的傳輸需求，利用5G技術(shù)的高帶寬、低延遲等特點(diǎn)組建鐵路專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)、高速率、高可靠、高實(shí)時(shí)、高安全的通信鏈路，解決遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控受限、圖像和視頻流回傳延遲等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)貨車檢測(cè)的全新升級(jí)。

1.3.2 人工智能

人工智能作為當(dāng)今世界最為前沿的技術(shù)，在深度學(xué)習(xí)圖形圖像識(shí)別處理上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[4]，在鐵路貨車檢測(cè)中利用深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)形狀、字符模型以及圖形圖像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、評(píng)價(jià)的過(guò)程[5]，既減少了人工勞動(dòng)力，還能夠存儲(chǔ)原始數(shù)值，便于檢查和運(yùn)用，有著很大的優(yōu)勢(shì)。

1.3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)憑借強(qiáng)大的信息感知與采集能力完成信息的傳遞與共享，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物的控制。基于Java 的開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)框架實(shí)現(xiàn)多種類型感知設(shè)備適配接入，兼容現(xiàn)有各類傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供靈活的應(yīng)用服務(wù)部署和業(yè)務(wù)交互共享模式，并可根據(jù)用戶需求在平臺(tái)上動(dòng)態(tài)添加新的應(yīng)用，顯著降低鐵路物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)成本、服務(wù)運(yùn)營(yíng)成本及維護(hù)成本。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)為鐵路貨車檢測(cè)提供實(shí)時(shí)信息感知手段，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將海量信息資源有效傳遞給相關(guān)業(yè)務(wù)端口，并完成集中整合和有效處理，最終構(gòu)建鐵路貨運(yùn)智能化檢測(cè)系統(tǒng)，促進(jìn)鐵路信息資源在廣度和深度上的共享，全面提升鐵路貨車檢測(cè)的智能化程度。

1.3.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算是一種分散式運(yùn)算的架構(gòu)，將應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)資料與服務(wù)的運(yùn)算，由網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)移往網(wǎng)絡(luò)邏輯上的邊緣節(jié)點(diǎn)來(lái)處理[6]，讓海量的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)和快速的處理，以減少時(shí)延。

邊緣計(jì)算技術(shù)作為解決5G場(chǎng)景下不同應(yīng)用帶來(lái)的多樣化需求的核心技術(shù)，具有低時(shí)延、高效率、安全性、智能化的優(yōu)勢(shì)。在鐵路貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)中，每天處理的數(shù)據(jù)高達(dá)TB級(jí)的數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)的云計(jì)算架構(gòu)無(wú)法處理。邊緣計(jì)算將邏輯和數(shù)據(jù)處理從集中的服務(wù)器轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)的最遠(yuǎn)點(diǎn)（或邊緣）。在邊緣計(jì)算模型中，數(shù)據(jù)在最接近其原點(diǎn)的點(diǎn)進(jìn)行收集、處理和分析，然后將結(jié)果傳輸?shù)皆贫艘怨┎榭?、?bào)告和共享。利用邊緣的大量節(jié)余計(jì)算能力，顯著改善了網(wǎng)絡(luò)的固有延遲，并降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠛凸摹?/p>

2 業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)

2.1 即時(shí)通信

系統(tǒng)支持列檢管理員與現(xiàn)場(chǎng)列檢作業(yè)人員的即時(shí)通信，支持音視頻單呼、組呼、會(huì)議、集群對(duì)講、即時(shí)消息、高清視頻回傳等功能；支持語(yǔ)音識(shí)別呼叫功能，可通過(guò)語(yǔ)音控制呼叫任意用戶。

2.2 AI智能檢測(cè)

在裝卸點(diǎn)咽喉處部署安裝圖像采集終端，快速、全天候?qū)π羞M(jìn)中的貨車進(jìn)行掃描，并進(jìn)行圖像重構(gòu)。通過(guò)圖像預(yù)處理、配準(zhǔn)以及比對(duì)等算法模型對(duì)圖像進(jìn)行處理，通過(guò)逐像素對(duì)比及閾值區(qū)域劃分，自動(dòng)檢測(cè)搭扣是否落槽、折頁(yè)是否折斷、車體及小門(mén)是否存在外脹等缺陷，提高列檢作業(yè)質(zhì)量和工作效率，保障貨車安全運(yùn)行。

2.3 異常報(bào)警

異常報(bào)警功能是貨車智能檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)界面顯示內(nèi)容主要包括鐵路貨車視頻實(shí)時(shí)采集畫(huà)面和異常檢測(cè)標(biāo)記。通過(guò)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行對(duì)異常事件的判斷分析，將異常事件結(jié)果以及報(bào)警信息自動(dòng)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)。

支持檢索由智能檢測(cè)算法產(chǎn)生的警告信息，用戶可查看警告詳情并進(jìn)行二次確認(rèn)，審核處理警告信息，并支持將警告結(jié)果導(dǎo)出到Excel中。

2.4 案情回放

通過(guò)損傷報(bào)告或報(bào)警記錄關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，回放瀏覽車輛損壞事故發(fā)生的視頻及警告信息，為車輛貨車損壞索賠、零部件質(zhì)量索賠提供依據(jù)。

2.5 綜合查詢

根據(jù)車號(hào)、類型以及缺陷類型等關(guān)鍵字快速查詢貨車檢測(cè)記錄，支持查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel文件。

2.6 統(tǒng)計(jì)分析

按照貨站、班次、日期（年、季、月、旬、日）、人員等關(guān)鍵組合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析功能包括問(wèn)題分類統(tǒng)計(jì)、問(wèn)題趨勢(shì)分析等內(nèi)容，支持以圖表的形式可視化展示。

3 智能檢測(cè)融合典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 可視化管控全覆蓋

系統(tǒng)通過(guò)GIS全景地圖可視化展示作業(yè)人員、貨車信息以及貨車檢測(cè)結(jié)果等。貨檢管理人員根據(jù)圖像、報(bào)警信息以及視頻監(jiān)控可視化展示列檢作業(yè)人員的信息。列檢管理人員根據(jù)報(bào)警內(nèi)容實(shí)時(shí)下發(fā)作業(yè)指令，并具備音視頻通話等功能。

3.2 基于5G的智能視頻監(jiān)控

5G智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)貨站作業(yè)情況進(jìn)行整體監(jiān)控，針對(duì)鉤機(jī)等作業(yè)車輛的不規(guī)范作業(yè)進(jìn)行邊緣處理，將識(shí)別結(jié)果以及相關(guān)原始記錄通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳中心服務(wù)器，列檢管理人員可實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警或及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

3.3 基于5G的智能列檢機(jī)器人

鐵路列檢機(jī)器人通過(guò)內(nèi)置高速相機(jī)、北斗定位、模塊化圖像分析以及5G通信等模塊完成貨車圖像智能采集、判定、記錄、追溯。通過(guò)5G模塊為機(jī)器人與機(jī)房之間提供通信連接，智能手機(jī)或Pad實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制、檢測(cè)結(jié)果的遠(yuǎn)程查看等功能。智能列檢機(jī)器人未來(lái)將是列檢作業(yè)自動(dòng)化、智能化的主要手段，減少了人員配置，可顯著提高鐵路貨車列檢作業(yè)的效率。

3.4 移動(dòng)作業(yè)可視管控、安全預(yù)警

貨檢管理人員將列檢作業(yè)人員的工作計(jì)劃，利用5G無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸至作業(yè)手持終端，作業(yè)人員進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)時(shí)，將根據(jù)計(jì)劃變化組織作業(yè)，且在作業(yè)過(guò)程中可將作業(yè)可視化通信、人員定位、作業(yè)軌跡、作業(yè)過(guò)程錄音等實(shí)時(shí)傳輸至貨檢值班室。

4 結(jié)束語(yǔ)

在“交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行”政策的引導(dǎo)下，提升鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化水平已經(jīng)成為鐵路發(fā)展的必然選擇。該文利用5G的多連接、低時(shí)延、大帶寬特點(diǎn)進(jìn)一步拓展5G技術(shù)在垂直行業(yè)（貨車檢測(cè)）的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)貨車檢測(cè)作業(yè)智能監(jiān)管，利用人工智能提高列檢作業(yè)效率和質(zhì)量。5G作為智能鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的支撐技術(shù)，不能作為一個(gè)孤立的系統(tǒng)，還需要結(jié)合其他新的技術(shù)組合應(yīng)用（如5G+高清視頻、5G+AI、5G+AR、5G+大數(shù)據(jù)等）[7]，充分發(fā)掘和擴(kuò)展其功能特性，最終實(shí)現(xiàn)鐵路貨車列檢作業(yè)管控的一體化、智慧化發(fā)展。