吳志偉,高 達(dá)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所, 北京 100081）

鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)是辦理貨運(yùn)業(yè)務(wù)的主要場(chǎng)所[1-2],具有資源占用規(guī)模大、配置設(shè)備多、調(diào)度作業(yè)頻繁復(fù)雜等特點(diǎn)。當(dāng)前,我國(guó)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源按照分散式管理模式,作業(yè)狀態(tài)分散盯控、內(nèi)部物流業(yè)務(wù)分散組織、站場(chǎng)資源分散運(yùn)用,站場(chǎng)內(nèi)部調(diào)度指揮主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn),作業(yè)效率有待提高[3]。此外,貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)部的貨區(qū)貨位和箱區(qū)箱位還處于粗放式管理階段,站場(chǎng)系統(tǒng)無法快速準(zhǔn)確地對(duì)所需要的貨物進(jìn)行定位,極大地影響了站場(chǎng)的作業(yè)效率和精細(xì)化管理水平。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,不少學(xué)者對(duì)鐵路站場(chǎng)的管理方法展開了研究。李成宏等人[4]依靠車輛定位追蹤技術(shù),研發(fā)了可視化的鐵路生產(chǎn)調(diào)度信息管理系統(tǒng),提高了鐵路站場(chǎng)的作業(yè)效率；邱慧等人[5]針對(duì)鐵路站場(chǎng)設(shè)備種類多、數(shù)量大、能耗數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)控制難的問題,提出了鐵路站場(chǎng)能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。這些研究在一定程度上提高了站場(chǎng)的管理水平,然而在站場(chǎng)各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性、信息感知及數(shù)據(jù)共享方面還存在不足,專業(yè)應(yīng)用分析決策和整體安全防護(hù)問題日益突出。

數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,可反映對(duì)應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程[6],已被廣泛應(yīng)用于航空航天、固定資產(chǎn)監(jiān)控、智能安全制造及設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域[7-9]。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到站場(chǎng)管理中,發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁紐帶作用,能夠?yàn)殍F路站場(chǎng)的智能化管理提供更加實(shí)時(shí)、高效的服務(wù)[10-11]。本文根據(jù)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的實(shí)際需求,從數(shù)字孿生模型構(gòu)建出發(fā),設(shè)計(jì)了鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng),提升了鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的作業(yè)效率和精細(xì)化管理水平。

1 鐵路站場(chǎng)資源數(shù)字孿生構(gòu)建

1.1 數(shù)字孿生應(yīng)用原理

基于數(shù)字孿生的鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)）以站場(chǎng)資源智能決策平臺(tái)、鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)、可視化仿真平臺(tái)為支撐,以孿生數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng),將仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)融合,通過各個(gè)主體之間的實(shí)時(shí)交互和映射,加強(qiáng)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的共享聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源的高效率、精細(xì)化管理。數(shù)字孿生技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用原理,如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生應(yīng)用原理

1.2 數(shù)字孿生架構(gòu)

鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化模型的數(shù)字孿生架構(gòu),如圖2 所示,其核心在于實(shí)現(xiàn)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)（研究主體）到用戶（決策主體）的準(zhǔn)確映射。

1.2.1 物理實(shí)體層

物理實(shí)體信息監(jiān)測(cè)及定位的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到映射的準(zhǔn)確性,進(jìn)而對(duì)整體模型的魯棒性與實(shí)用性產(chǎn)生影響。物理實(shí)體層負(fù)責(zé)明確并匯總鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)貨運(yùn)工作業(yè)務(wù)的所有物理實(shí)體信息,包括鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)設(shè)施設(shè)備[12]。通過獲取傳感器和監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),確認(rèn)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)股道、停車區(qū)、貨區(qū)貨位、箱區(qū)箱位、車輛、倉(cāng)儲(chǔ)、裝卸工具、貨物清單等設(shè)施設(shè)備的實(shí)時(shí)位置,為感知與處理層提供支撐。

1.2.2 感知與處理層

通過將采集到的物理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行感知整合,對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)施設(shè)備的實(shí)時(shí)定位實(shí)現(xiàn)對(duì)象控制,可將物理實(shí)體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效地傳遞到數(shù)字孿生體模塊；通過把感知到的信息進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施設(shè)備的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控等智能化管理。

1.2.3 數(shù)字孿生體層

主要包括建模管理、仿真服務(wù)及孿生共智等功能。通過計(jì)算機(jī)建模實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的映射、迭代及優(yōu)化,使虛擬模型與物理實(shí)體的相符程度不斷提高；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和大數(shù)據(jù)分析等方式對(duì)模型進(jìn)行分析診斷,在確定模型可行性的基礎(chǔ)上利用機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)預(yù)測(cè),同時(shí),以模型仿真為基礎(chǔ),基于模型的預(yù)測(cè)結(jié)果生成報(bào)告并提供分析服務(wù)；通過資源接口及互操作實(shí)現(xiàn)孿生共智。

1.2.4 用戶層

主要包括人、應(yīng)用軟件及其他相關(guān)共智孿生體等,綜合云計(jì)算及區(qū)塊鏈等方式協(xié)助用戶主體進(jìn)行決策,利用應(yīng)用軟件將模型結(jié)果可視化,為用戶最優(yōu)決策提供支撐。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

基于鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)管理的實(shí)際需求,構(gòu)建鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng),總體架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1.1 物理層

通過高精度傳感器、高清攝像頭、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備,從股道、車輛、倉(cāng)庫、箱位、貨位、裝卸設(shè)備等多個(gè)維度,準(zhǔn)確快速地采集鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),同時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算等預(yù)處理,提高數(shù)據(jù)的有效性。

2.1.2 數(shù)據(jù)層

包括鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)間的融合,構(gòu)建形成鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的孿生數(shù)據(jù)庫,為分析決策層提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.1.3 分析決策層

包括智能決策及可視化仿真。其中,智能決策通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、孿生推演等技術(shù),為站場(chǎng)資源管理決策提供保障；可視化仿真主要通過視頻、跟蹤定位、仿真建模、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）等多種可視化手段,對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)信息進(jìn)行多維度的監(jiān)管。

2.1.4 應(yīng)用層

直接面向用戶,圍繞鐵路貨運(yùn)業(yè)務(wù),將應(yīng)用層分為推演應(yīng)用、站場(chǎng)管理與維護(hù)應(yīng)用、精準(zhǔn)號(hào)碼識(shí)別應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用及可視化應(yīng)用等,全面提升鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)可視化管理水平。

推演應(yīng)用主要是模擬推演相關(guān)場(chǎng)景,包括安防推演、便捷通行推演、風(fēng)險(xiǎn)推演、調(diào)度推演等；站場(chǎng)管理與維護(hù)應(yīng)用主要是對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)進(jìn)行管理作業(yè),包括鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控、場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、設(shè)備監(jiān)控、人車監(jiān)控、能效監(jiān)控、安防監(jiān)控、事件報(bào)警、消防監(jiān)控等；精準(zhǔn)號(hào)碼識(shí)別應(yīng)用主要是將貨車、集裝箱和汽車的精準(zhǔn)號(hào)碼識(shí)別在系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用,包括號(hào)碼管理、識(shí)別設(shè)備管理、圖片分揀、識(shí)別管理、標(biāo)簽管理、視頻分揀等；數(shù)據(jù)分析應(yīng)用主要是基于分析決策層功能,實(shí)現(xiàn)人員、車輛、運(yùn)力分析；可視化應(yīng)用主要是對(duì)當(dāng)前鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源進(jìn)行可視化展示,包括指揮中心、可視化大屏、AR、VR 等。

2.2 系統(tǒng)功能

鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)功能架構(gòu),如圖4所示。

圖4 鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2.1 箱區(qū)箱位管理

主要通過智能感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)箱區(qū)內(nèi)箱位的監(jiān)控、識(shí)別、統(tǒng)計(jì)和智能調(diào)配,提高站場(chǎng)內(nèi)集裝箱定位的準(zhǔn)確性和箱位的利用率。

2.2.2 貨區(qū)貨位管理

基于智能感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)貨區(qū)內(nèi)貨位的監(jiān)控、識(shí)別、統(tǒng)計(jì)及分配,加強(qiáng)站場(chǎng)內(nèi)貨物位置的管理,提高人力資源及設(shè)備的利用率。

2.2.3 倉(cāng)儲(chǔ)管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫的出入庫、庫存等信息的統(tǒng)計(jì)和管理。通過對(duì)倉(cāng)庫內(nèi)的智能搬運(yùn)、裝卸設(shè)備進(jìn)行管理和控制,實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫的智能化、精細(xì)化管理。

2.2.4 車輛管理

通過感知設(shè)備和車輛識(shí)別技術(shù),對(duì)站場(chǎng)內(nèi)的車輛信息、車位信息進(jìn)行整合和分析,實(shí)現(xiàn)車位匹配、車輛控制及車輛引導(dǎo)等功能。

2.2.5 股道管理

實(shí)現(xiàn)道岔和隔離開關(guān)的集中控制及股道作業(yè)圖像監(jiān)控,監(jiān)視關(guān)鍵地段機(jī)車移動(dòng)情況,保障段內(nèi)機(jī)車運(yùn)行及作業(yè)安全,提高作業(yè)效率。

2.2.6 裝卸設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)裝卸設(shè)備的調(diào)度、控制、維護(hù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)的管理,提高裝卸機(jī)械化水平,保證裝卸機(jī)械質(zhì)量和安全,從而提高運(yùn)輸質(zhì)量和效率。

2.2.7 能源管理

包括能源控制和能源預(yù)警。其中,能源控制實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)內(nèi)的水、電、照明等能源的集中化、智能化、節(jié)約化管理,從而有效地降低能耗；能源預(yù)警對(duì)可能危害能源安全的危險(xiǎn)因素提出預(yù)警,提醒相關(guān)人員采取措施、消除危險(xiǎn)。

2.2.8 安防管理

對(duì)出入車輛及出入人員進(jìn)行記錄、識(shí)別和管理；基于監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)異常事件、設(shè)備事件、能源事件進(jìn)行報(bào)警,從而實(shí)時(shí)掌握站場(chǎng)安全情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源精細(xì)化建模與仿真

鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)基于三維建模、邏輯建模、自動(dòng)模型生成及數(shù)字孿生建模方法,從幾何、功能和性能等方面對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)的物理實(shí)體進(jìn)行精細(xì)化建模與耦合仿真,從而精確地模擬股道、停車區(qū)、貨區(qū)貨位、箱區(qū)箱位、車輛、裝卸工具等物理實(shí)體的形狀、行為和性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)物理實(shí)體的高保真模擬和實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

3.2 交互與協(xié)同

鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)基于VR、AR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與站場(chǎng)內(nèi)物理實(shí)體的交互與協(xié)同。通過視覺、聲覺等傳遞方式對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)的物理實(shí)體進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)、評(píng)估,從而達(dá)到對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)的資源進(jìn)行指導(dǎo)和優(yōu)化的目的。

3.3 數(shù)據(jù)融合和分析

通過深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析方法,對(duì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行高度集成和共享,同時(shí)對(duì)多領(lǐng)域異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新、修正、優(yōu)化和動(dòng)態(tài)評(píng)估,完善孿生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)算法結(jié)構(gòu),從而提高鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)的計(jì)算性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)效性。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前,已有部分鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)開發(fā)實(shí)施了相對(duì)完善的管理信息系統(tǒng),可完成貨運(yùn)生產(chǎn)作業(yè)全流程管理,但其站場(chǎng)內(nèi)部各類設(shè)施設(shè)備的精細(xì)化管理程度還不夠。本文設(shè)計(jì)的鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)已在中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司兗州北站進(jìn)行試用,能夠完善現(xiàn)有的鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)管理信息系統(tǒng),提升鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的精細(xì)化管理水平,具體效果如下。

（1）通過虛擬仿真和物理場(chǎng)景的高度融合,構(gòu)建了完整的鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)貨場(chǎng)各類設(shè)施設(shè)備、移動(dòng)裝備的統(tǒng)一編碼、識(shí)別、展示,提升鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行管理維護(hù)效率。鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng)對(duì)集裝箱的管理效果如圖5 所示。

圖5 集裝箱管理效果

（2）通過孿生推演、智能分析及智能決策,實(shí)現(xiàn)了鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)各類設(shè)施設(shè)備、資源之間的高度協(xié)調(diào)和控制,提升了鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)作業(yè)效率和資源利用率。

5 結(jié)束語

本文基于數(shù)字孿生技術(shù),設(shè)計(jì)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)資源可視化系統(tǒng),利用站場(chǎng)資源精細(xì)化建模與仿真技術(shù),將虛擬仿真環(huán)境與鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合。依靠數(shù)據(jù)融合和分析技術(shù)增強(qiáng)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性和數(shù)據(jù)共享水平,通過交互與協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)內(nèi)股道、車輛、箱區(qū)、貨位、倉(cāng)庫、裝卸等資源的協(xié)同作業(yè)和精細(xì)化管理,有效提高了鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的信息化管理水平。未來將研究提升資源可視化展示的精度、擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景,將研究成果應(yīng)用到更多實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中,進(jìn)一步提升鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)的資源管理水平。