铁路智慧物流园信息管理平台物联网技术研究

吴志伟

WU Zhiwei

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081)

(Institute of Computing Technology， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081，China)

铁路物流园是以大型铁路物流枢纽为依托，衔接铁路物流与其他物流方式，集聚众多物流服务企业并提供仓储、信息等综合物流服务的场所[1-2]。作为铁路物流的重要节点，铁路物流园在铁路物流仓储[3-4]、运输方式衔接等方面具有重要作用[5-6]。铁路智慧物流园是以智慧园区的方式升级改造铁路物流园，具备互联互通、开放共享、协同运作、创新发展的新型园区发展模式，是物联网、大数据等新一代信息技术与园区建设、管理深入融合发展的产物[7]。为了充分利用物联网等技术，有效组织园区物流管理，提高园区自动化和智能化水平，实现对铁路智慧物流园的信息管理，提出构建铁路智慧物流园信息管理平台。平台基于物联网技术，可以实现物流管理和追踪、仓储管理、车辆人员管理、物流信息共享、安全管理、集装箱管理、智能监控、大数据分析等功能。物联网是指基于各种有线或无线网络技术[8-9]，将各种信息传感器、射频技术、图像处理技术、定位系统以及信息处理技术等与设备有效结合[10-11]，将设备采集到的信息和数据进行整合、分析、计算和判断，以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护[12-14]。平台利用物联网技术可以解决铁路物流园智能化水平低、物流效率低、无法有效整合物流资源的问题，为铁路物流园改进和铁路智慧物流园建设提供了一个新的选择方案。

1 铁路智慧物流园信息管理平台构建分析

1.1 铁路智慧物流园信息管理需求

铁路智慧物流园信息管理平台需要实现车辆与人员的管理，当运载车辆、一般车辆、工作人员、来访人员来到物流园后，平台应能够提供实现车辆和人员的登记、进出控制、轨迹记录等功能。平台需要实现对集装箱的管理，为园内空箱提供存储和调度功能、为重箱提供运输和跟踪，以及为集装化用具提供存储、使用、回收等功能。平台实现对物流的管理和追踪，不仅要实现物流园内的有效调度，还需要通过运载工具跟踪、RFID 等方式实现物流的监控。平台实现对物流仓库的管理，不仅要实现对仓库信息管理、仓库内运载工具管理，还需要实现仓库货位分配以及仓库径路规划，自动为物品存储提供最优路径。平台要保证园区内安全并在必要时提供报警，可以通过信息监控等方式实现对物流安全、资源安全和人员管理。管理人员可以通过平台实现对数据的深度分析，在物流存量和流转、资源使用效率、成本效益、用户倾向等方面进行分析并获取支持性建议。平台应利用物联网实现对物流园的智能监控。由于物联网感知数据会涉及到企业和个人隐私，因而对访问权限进行严格控制和分级、分类别管理，确保无访问权限的人无法获取相关数据。平台应实现与铁路物流相关系统的通畅沟通，并构建统一规范的数据访问方式，为航空物流、公路物流等提供访问能力。物流园的客户通过平台能够获取需要的物流信息、存储信息、监控信息等。

1.2 平台总体架构

通过对铁路智慧物流园信息管理需求的分析可以发现，对物流自动化管理、追踪以及仓库的自动化管理，是实现物流园区自动化和智慧化最迫切的需求。而结合物联网技术可以通过各种信息采集设备自动化采集数据，并对数据进行整合、分析、计算和判断，从而实现远程监控和控制。为了满足对铁路智慧物流园信息管理的需求，实现对车辆、人员、物流、仓库等的管理和信息自动化采集和智能控制，需要对铁路智慧物流园信息管理平台总体架构进行分析与设计，目标是通过设计好的平台总体架构，清晰刻画出系统应实现的功能，挖掘实现系统的重点、难点，最终支持铁路智慧物流园信息管理系统的设计和实现。铁路智慧物流园信息管理平台由技术层、数据感知层、存储层和应用服务层组成，铁路智慧物流园信息管理平台总体构架如图1 所示。

（1）技术层。主要展示了平台使用的相关技术，以物联网技术中的射频识别技术、传感技术、网络通信技术、嵌入式智能技术、物联网平台技术来实现数据的获取、传输和反馈，以大数据技术实现大数据分析，以微服务技术实现平台应用服务层的构建。射频识别(RFID)技术主要是指无线射频识别技术，即通过无线电信号实时动态地对静态或者移动待识别物体进行自动识别，并读取相关数据的一种无线通信技术。通过有源或无源的RFID，获取到其携带的物品信息。信息传感技术是通过集成的微型传感器，并将其嵌入到任意物体中，相互配置展开实时动态监测，并将收集到的信息上传，实现目标感知的技术。

（2）数据感知层。主要是对事物进行感知，以获取需要的数据。主要通过射频识别技术、传感技术等物联网技术实现数据的感知获取物流数据、监控数据、位置数据等信息，根据数据来源方式不同，可以分为射频识别数据、智能卡数据、条形码数据、位置数据、传感器数据等。而在物流的不同阶段，主要获取到的数据内容也都有区别。铁路物流园区中的物流和数据采集如图2 所示。

图1 铁路智慧物流园信息管理平台总体架构Fig.1 Overall architecture of intelligent railway logistics park information management platform

图2 展示的是铁路物流园中物流的全过程，以及系统通过多种方式进行数据的自动采集和自动化控制的过程。当物品从铁路、水路、公路等方式运达铁路物流园前，即通过进行物流数据交换的方式获取物品信息。当获取到物品到来时间时，就可以规划运载、仓储资源，甚至可以根据当前物流园需要而调配物品和运载资源。当物品入园后，通过自动扫描RFID 等方式，获取物品数据。在物品入库、监控、移库、出库时自动获取仓库存储数据、监控数据、调度数据、物流数据等，然后通过指数调节方式，对采集到的数据进行加工，并根据设定进行反馈调节的方式来实现物联网的自动控制。在监控时也会将反馈数据进行采集，用于支持反馈方式改进。当出园时，会将必要数据写入RFID，并与其他系统通过数据交换以提供物流数据。

图2 铁路物流园区中的物流和数据采集Fig.2 Logistics and data collection in railway logistics park

（3）存储层。主要实现异构数据的统一组织和存储。数据感知层获取到的数据，通过互联网等手段进行传输，最终在数据存储层中实现数据存储。通过各种途径获得到的数据结构各不相同，有通过温度传感器获取到的温度数据、通过湿度传感器获取到的湿度数据、通过RFID 标签获取到的不同类型的物品的物流数据等，为数据的存储、自动反馈和深度应用造成了一定困扰。因此，数据存储层主要是实现了将这些不同结构、不同来源、不同用处的数据通过合理的方式进行存储，以支持应用服务层的进一步使用。同时，数据存储层还实现与铁路、水路、公路等物流方式的相关系统交换数据的存储。由于生产数据较多，因而有必要分离生产数据和历史数据，当数据不再涉及生产时，即将该数据转移到历史数据中，以备有需要的查询和大数据分析使用。

（4）应用服务层。主要是在数据存储层的基础上实现平台需要的功能，通过微服务的形式实现系统，实现对物流管理和追踪、对仓储的自动化管理、对物流园内车辆和人员的管理，物流信息共享管理，同其他物流系统进行数据交换以支持多式联运等功能。通过车辆与人员管理，实现对园内车辆、用户，园外系统访问用户的统一管理。通过物流管理和跟踪，实现物流的自动化管理。通过仓库管理，实现对仓库资源的调度、仓库内路径规划、货位安排等。通过大数据分析，帮助支持对物流效益、用户倾向、物流优化等的分析和进一步优化。通过智能监控，实现对物流的远程监视、自动报警、控制、诊断和维护等工作。通过物流信息共享管理，实现不同用户对物流信息的共享，并通过与其他系统的数据交换，构建一个互联互通、开放共享、协同运作、创新发展的信息管理平台。

2 铁路智慧物流园信息管理平台关键技术

2.1 基于物联网的物流监控管理和跟踪溯源技术

物流监控管理主要是对物品从进入园区到离开园区进行全方位的监控管理，而物流跟踪溯源是在物流园对物品监管的基础上进行的物品来源的追溯。物流监管和跟踪溯源不仅是为了减少人工介入环节、提高自动化水平以达到减少人工错误、降低人工成本、提高物流效率的目的，还能对物品进行安全、质量的监管，以达到保护和了解物品的目的。

通过对物流园中物流的分析可以发现，物品自进入物流园开始，物流园中的整个物流周期是物品信息采集、物品入库、物品定位、物品调度、物品出库。在物流园内的物流周期中，对物流监管除了基本的物品位置监管以外，还需要充分利用物联网技术，实现对物品的安全监管和质量监管。物流园区中仓库可以大致分为，普通仓库、专用仓库、冷藏仓库、气调仓库、特种仓库，存放粮食、水果、蔬菜等有时效或温湿度要求物品的仓库，存放易燃易爆有毒有腐蚀性物品的仓库，或者储存化工危险品、石油等的仓库。对物流进行安全和质量上的监管，就需要分析特定品类物品对安全和质量的要求，然后制定特定的监控方式来实现物流的监控管理。

对于大多数品类的物品，一般只需要监控物品的位置即可，采用北斗和园区定位装置结合的方式来实现位置监控。而对于粮食、水果、蔬菜等温湿度要求较高的物品，易燃易爆物品和石油等化工危险品，则对特殊要求采用特殊方式进行监控，甚至可能需要对特定的气体监控，防止气体泄露等，可以使用温度、湿度、烟雾、气体、画面、声音、视频、红外传感器等感知设备。在获取到物品的感知数据后，需要将信息实时传输到远程的数据集中存储区。然后可以通过物联网来调节仓库温湿度，指导叉车等搬运物品。

平台实现智能监控，核心在于充分利用物联网获取到的感知数据，进行自动化控制，采用的主要方式是构建物品监控指数调节服务。物流监控管理获取每一个物品的限制条件，划定相关属性阈值，通过光传感器、温度传感器、湿度传感器、红外传感器、位置传感器等对物品进行监测，并实时对比物品限制条件，在超出条件后进行自动控制或报警。考虑到不同物流园和物品仓库保有物品品类和数量各不相同，以及经济效益，系统采用自动注册的方式，对物品品类及各品类可监控的质量范围和相应应对方式进行裁剪和选择。由此，构建了一个统一的接口，来进行统一操作，即物品监测服务、物品监测指数调节服务，物品监测反馈服务。各服务监测的品种不同，但都可以通过统一的方式进行注册和调用。物流监控管理模式如图3 所示。

图3 物流监控管理模式Fig.3 Logistics monitoring management mode

2.2 基于物联网数据的仓储模型

通过对物流园区中物流全过程分析可以发现，物品仓库中存储了物流园中的所有物资。为了更充分地利用物联网，提高物流效率，减少人工成本，支持以物联网为基础的物流园物流跟踪监管，并对物联网提供数据进行结构化存储，以利于数据分析和智能优化，对物品仓储进行建模工作。

物品仓库是为了存储物品而修建，就结构上来区分，一般包括单层仓库、多层仓库、立体仓库、罐式仓库和露天仓库。罐式仓库存储液体或气体，一般无法同时存储多种物品。单层仓库、多层仓库和露天仓库在存储结构上可以认为是立体仓库的简化形式。因此，建模将立体仓库作为主要研究类型。

为了充分利用物联网来实现物流监控和自动化控制，将仓库在3 个维度上划分货位，然后映射到一维空间并用编号来描述货位位置。由此，提出了仓库货位—物品—操作的物品仓库模型。模型以仓库货位、物品、操作为3 要素。通过描述3要素来构建物品仓库模型。

式中：G为物品或商品；m为物品编号；C为物品约束，即描述物品存储需要监控的类型；P为物品性质，包括物品质量、体积等；C+为所有物品约束C的集合；N为自然数集；P+为物品性质的集合。S为货位；n为货位编号；A为可监控类型；A未来状态标志；B为货位约束，匹配G中物品性质；A+为可监控类型的集合；R+为未来状态标志的集合；B+为货位约束的集合。O为操作集合；o为操作集合中的元素，总共有入库(I)、出库(E)、移位(T)、监控(M)、报警(W)和反馈(F) 6 种操作。

模型中，G，S，O都只是描述了某一个时刻的状态，G描述了在确定时刻的仓库中物品情况，S描述了在确定时刻仓库中货位的状态情况，O在确定时刻仓库中执行操作情况。由于仓库中所有状态变化都是由操作引起的，因此在模型中隐去时间变量，使用操作作为模型中状态变化节点。仓库由物品情况组成。设仓库为M，得出以下公式。

模型仓库状态变化由操作引起，同时伴随着货位状态变化，所以有必要描述物品状态变化规律。基于物联网监控的货位状态如图4 所示。仓库货位包括空置态、正常态、监测态、警报态、反馈态、故障态几种状态。仓库中所有货位的状态集合构成仓库状态。使用三维空间描述一个仓库，当其内部每一个货位发生变化时，都会使其状态发生变化。

使用模型实现对仓库的监控和管理，当设备发生故障而未被系统获取，此时模型与现实情况将发生偏离，需要分析模型的有效时长，通过定期巡检减少由于监控或者反馈失效造成的物品损失并保证模型对现实的有效反应。考虑监控设备和反馈控制器的失效是其固有属性，需要对巡检时间间隔和物品可接受损失进行衡量。设每次巡检后，所有设备都会被完全修复，此时模型与现实情况完全符合。设巡检间隔时间为T，单个货位上的设备故障概率密度函数为f(t)，该设备发生故障的概率为p，则在T时

设在T时刻设备是否发生故障的概率为g(T)，其服从两点分布，有

仓库中货位监控设备间发生故障概率相互独立且认为服从同一概率密度函数。则可以认为仓库中所有监控设备，其发生故障概率服从二项分布式中：X为随机变量，n为仓库中有监控设备的货位个数；k为发生故障设备个数。

在设备发生故障条件下，设备发生故障的时间期望为

设物品监控失效后会造成损失，且平均损失为S，物品可接受平均损失为M0，物品平均存储时长为Tc，当T＞Tc，即物品存储发生多次，可得下式

式中：ξ为仓库的平均满载率，表示仓库中存储物品货位占所有货位的比值的统计平均值。

整理可得

当T＜Tc，即物品存储仅发生一次，可得下式

整理可得

由公式 ⑻、公式 ⑽ 可知，在模型可正常反应现实情况的约束下，当希望延长巡检时间间隔时，需要增大物品可接受平均损失，或减小物品监控失效后造成的损失。如果两者无法优化，可以考虑通过经常替换监控设备或者多个设备同时工作来优化货位设备的故障概率密度函数。

2.3 物流信息共享服务技术

互联互通、开放共享、协同运作的物流园模式，是智慧物流园进一步发展的方向。当前的物流园的客户服务只有基于领货、寄货等基本服务，没有深入挖掘潜在服务。因此，需要对物流信息共享进行深入研究，以提高物流信息共享的效率和开放度，构建更广泛的信息网络，为客户和相关人员提供更优质服务。

通过对物流信息共享分析发现，物流信息共享服务的作用主要体现在3 个方面。一是作为铁路运输与公路运输、海运的关键节点，加强各运输方式之间的信息沟通，提高各运输方式之间的沟通时效性。二是为客户实时提供物流所处状态和整个物品物流运输存储信息，从而提高客户的服务水平。三是对接区域经济，为客户进行商业活动提供商品信息。以上3 个方面相互之间有一定的不同，但是在需要的数据上又有很大的重合。

物流信息共享服务如图5 所示。物流存储数据服务主要通过RFID、条形码和外部数据交换获取，可提供物流信息；物流监控数据服务将物联网获取到的当前和历史监测数据整合后提供给其他服务；物流统计数据服务是对物流存储数据和物流监控数据进行统计和加工后，向其他服务提供。铁路运输交换服务，公路、海路运输交换服务，调用物流存储数据服务和物流监控数据服务，与铁路、公路、海路运输进行信息交换。其中铁路运输交换服务主要采用与对应的系统，构建相互调用接口的方式来实现，而对于公路和海路运输相关系统，由于系统的多样性，因而采用由平台构建统一的访问接口，然后相关系统对统一访问接口进行调用的方式来实现。物流监控和物流存储信息查询服务用于实时向货主和客户提供物流信息，提高客户服务效率。物流支持服务，用于将物流统计数据根据需要向社会提供，为有需要的企业提供。

图5 物流信息共享服务Fig.5 Logistics information sharing service

3 结束语

铁路智慧物流园是铁路物流园的发展方向，通过结合物联网技术的相关技术研究，在物流和仓储管理、物流开放共享等方面做出改进，为构建互联互通、开放共享、协同运作、创新发展的铁路智慧物流园建设提供了新的解决方案。进一步将会对物联网与铁路物流园结合的相关技术进行更深入的研究，包括探索物流园与其他物流方式之间衔接的效率提升、集装箱业务改进和用户需求挖掘等方法，以提供更有效、更优质的服务。