西南地区铁路建设中的智能化物流组织系统设计研究*

吴 奎，周 乐，范继斌，郭建宁，刘 峤

（（1 中铁物贸集团有限公司成都分公司科技和信息化部 副总经理，成都 610015；2 电子科技大学计算机科学与工程学院 硕士研究生，成都 610054；3 中国铁道科学研究院科学技术信息研究所 工程师，北京 100081；4 中铁二院工程集团有限责任公司工经院 工程师，北京 100048；5 电子科技大学计算机科学与工程学院 教授，成都 610054）

0 引言

西南地区铁路施工建设具有工程环境复杂、重难点工程多、建设管理难度大等特点[1]。地质条件的复杂艰险为工程保障带来了极大的困难和挑战，如何提高工程建设物资供应保障，是摆在西南地区铁路建设组织管理者面前的重大课题，亦是实现高起点、高标准、高质量建设西南地区铁路的关键环节之一[2,3]。

中铁物贸集团有限公司（以下简称中铁物贸）是中国中铁股份有限公司唯一指定从事物资贸易和集中采购的企业，在全国各主要城市及区域设有子分公司和物供中心，组建了北京、上海、成都、西安等八大集采中心[4]。开展区域集采，有助于提高企业的采购议价能力，实现铁路建设的降本增效[5]。其中，成都分公司主要承担着中国中铁股份有限公司在四川、新疆、西藏等区域投融资直管项目的物资集中采购供应工作，因其位居西南地区铁路建设一线，肩负着特殊的历史使命，责任重大且光荣[6]。

西南地区铁路建设中的物流组织系统是一项复杂的系统工程，涉及分级仓储的基地建设规划、施工道路分级规划以及与地方道路的结合、大型工程设备（如盾构机）进场路径的设计规划、以及物资进场物流组织等多方面因素[7,8]。为更好地开展物资设备集采和物流运输工作，为西南地区铁路建设提供安全可靠的物资供应保障，本项目在构建智能化物流组织系统方面进行了积极探索，结合西南地区铁路建设实际，总结提炼出三类制约物资供应保障和安全的关键问题和技术瓶颈问题，并组织力量进行科研攻关，通过产学研合作，在实际工作中取得积极应用成果。

1 西南地区铁路建设物流组织系统智能化需求分析

1.1 需求分析

西南地区铁路建设地质条件复杂，包含四川盆地、高山峡谷区、高山原区、横断山区、藏南谷地等多种地貌单元[1]，典型工程如“八纵八横”高速铁路主通道包（银）海通道重要组成部分的渝贵铁路，线路全长约345 km，桥隧比高达75.4%。除地貌复杂、地质及气候灾害多发之外，施工地点多位于偏远山区，有效施工工期长，人员机械降效大等不利因素，都对物资材料的采购和进场带来了极大的挑战，也对物流组织系统的数字化和智能化提出了更高的要求[9]。

1.2 主要问题

当前中铁物贸成都分公司的物资采购管理信息化技术服务主要依托集团公司自主研发的鲁班采购电子商务平台。然而在面对西南地区铁路这种复杂工程时，该系统的灵活性、智能性和适用性还存在一些局限[10,11]。归纳起来，现有物流组织系统存在的主要问题包含三个方面。

1）资源配置管理能力不足。山区工程物资采购周期长，消耗不均衡，而且地材产量小、质量难保障，不能满足工程建设需要[1]。为确保西南地区铁路建设的顺利进行，需要建立分级仓储基地，并通过各种灵活的方式提高库存保障能力和地材利用能力。例如，在设备备品管理中可以与供应商协商采取“寄售制”，即将备件寄存在我方仓库，待备件使用后再结算。为适应这种灵活的资源配置需求，需要物流组织信息系统具备高度的弹性和可扩展性，不仅能够快速接入或部署新业务，而且要具备良好的数据分析和预测能力，能够为资源配置提供决策支持[12]。

2）在途监管技术手段不足。一方面，西南地区铁路工程施工条件艰苦，有效施工期短。而且工程地处沟谷地形，坡陡谷深，运输道路及施工场地狭窄，大型构件多，这些不利因素都容易导致物流运输安全隐患[7]。另一方面，铁路建设物资一旦进入物流状态后常出现信息展示不透明的问题，难以掌握货物运输状况，不利于生产方与用料方的沟通。因此如何保证火工品的安全运输、防止高附加值物资（如改性沥青）在运输过程中的偷换货，都对现有物流组织系统的在途监管技术能力提出了挑战[13]。

3）社会运力掌控能力不足。西南地区铁路工程建设工期长，部分铁路建设工期超10 年以上，由于地处高海拔地区，人员机械降效大，施工人员生活物资及健康保障困难，因此不能仅依靠自有运力，需要动员大量社会运力参与运输[14]。如何发现、引导并沉淀优质运力，是现有信息化系统中缺失的一项关键能力[15]。

1.3 实现路径

为解决上述关键问题，项目组结合中铁物贸成都分公司物流组织管理实际需求，以完善数字化供应链，实现商流、物流、信息流、资金流统一为主线，以研发人工智能软硬件一体化平台为抓手，探索先进智能技术集成应用，实现了提升铁路基建物流组织效率和经营效益。

西南地区铁路智能化物流组织系统平台的总体设计以主要生产要素时空定位为核心构建主数据链，整合鲁班网与铁路内部生产系统，并通过数据交换平台实现内部系统与外部系统的信息交互融合，按照“数据采集、数据分析、数据应用”的数据流向，融合商流、物流、信息流、资金流数据，构建物流管理平台与数字洞察引擎，支撑中铁物贸在西南地区的细分市场服务链条纵向延伸、业务领域横向拓展，通过物流组织系统的智能化，推动物资设备供应保障水平提升。

2 西南地区铁路建设智能化物流组织系统架构设计

西南地区铁路建设智能化物流组织系统的目标是覆盖铁路工程建设物资设备管理全过程，灵活应对西南地区复杂多变的铁路建设环境。系统架构设计分为总体结构设计、物理架构设计、智能计算架构设计。

2.1 总体架构设计

在构建西南地区铁路建设智能化物流组织系统的过程中，项目组基于中铁物贸成都分公司既有的信息化平台和鲁班网业务协同平台及财务共享系统，以高技术智能手段协调物流过程资源配置，提高物流配送效率和物流运输安全性，采用分层架构降低系统耦合度，提高系统的可扩展性和容错能力。整个系统自底向上可以划分为三层，分别是数据平台层、智能分析层和应用服务层。

1）数据平台层主要由数据收集处理中间件、数据仓库组成，主要为该平台提供数据来源。其中，数据收集处理中间件通过数据采集器获取司机评价的文本数据、车货匹配的订单数据、车辆行驶的轨迹数据等，并将经过数据清洗后的多模态数据存储在数据仓库中。数据仓库采用分布式存储系统，将输入数据分别存储在运力池、货源池、企业数据库中，保障其可用性、安全性和读写性能。

2）智慧分析层主要借助人工智能技术构建了智能计算引擎，通过软硬件结合的方式，为大宗商品物流过程的智能运作提供强劲的技术支撑。硬件上，通过构建GPU 和CPU 集群，使平台的智能化水平随数据增加和提升，且计算速度和计算效率不受数据体量与时空限制，使平台的智能分析具有可行性、高效性和动态性。软件上，通过引入先进高效的机器学习算法，为特定任务训练合适的模型，包括：情感分析、货源预测、车辆推荐、语音增强、车辆状态判断等，从而实现安全隐患智能化规避。

3）应用服务层立足于数据平台的高效数据管理与智能分析层的软硬件基础，集成了铁路建设供应链上所有环节的物流功能，包括货源管理、司机管理、车货匹配、在途管理、自动结算等，对物流配送进行全过程的控制、管理和记录分析。铁路建设施工单位、物资提供方、运输方等均可使用智能终端对系统进行访问，在用户的使用过程中，通过单点登录、统一权限认证、强制鉴权、会话管理全局留痕以及加密防泄等方式为系统数据安全提供保障。

2.2 物理架构设计

西南地区铁路智能化物流组织系统以完善数字化供应链，实现商流、物流、信息流、资金流统一为物理架构的总体设计思想，目标是实现采购需求、运输需求、物流保障等信息的实时汇聚和智能监管，支撑铁路建设物资区域集采的生产指挥、仓储管理和商务活动等业务的高质量运转。系统平台物理架构如图1 所示。

图1 西南地区铁路建设智能化物流组织系统物理架构图

1）数据采集：通过互联网采集各业务系统产生的商流、信息流和资金流数据，通过物联网+5G 方式实时采集物流状态传感数据，以订单、人员、车辆、货物和设备等物流要素为主要信息采集对象，并且研制了基于北斗定位装置、射频识别装置、图像采集装置和多模态传感器的智能硬件装备辅助数据采集。

2）消息总线：研发了基于异步消息总线的外部数据接口，能够处理大规模并发服务请求，并满足海量传感数据采集需求。

3）信息处理：采用分布式计算和存储架构，对物流业务系统采集到的数据进行加工、清洗和存储，对于关键业务数据和敏感数据采用本地服务器集群进行存储，对于公共服务数据采用私有云进行存储。

4）计算引擎：围绕西南地区铁路建设业务需求，结合本单位业务实际，研发了专门的智能化计算引擎。主要功能围绕智能化供应链和生产调度的实际需求展开，形成了从生产制造厂商到经销商和仓储企业，再到物流公司和终端用户的全覆盖，为实现商品交易、物流执行、交割结算的全流程智能化提供人工智能算法支持和智能化的算法调度。

5）业务应用：目前该系统已经实际部署在生产环境中，并成为主要的物流组织工具和数字化供应链载体，特别是在社会运力掌控、资源优化配置和物流在途监管方面发挥了实际作用。

2.3 智能计算架构设计

项目组基于上述物理架构设计，针对西南地区铁路物流组织关键业务的智能化数据融合与分析需求进行了专项研发，提出了基于人工智能算法和全异步微服务的智能计算框架，构建了融合商流、物流、信息流和资金流的数字化物流组织与监管技术体系。该物流组织系统的智能计算架构设计包括：基于全异步微服务的分布式计算框架与人工智能算法引擎。

1）基于全异步微服务的分布式计算框架。西南地区铁路物资集采和物流是一项复杂的系统工程，为实现多业务系统、多种数据源的整合，确保不同业务系统的信息互通和联动，提高各方协作能力，需要高度灵活、可扩展的软件支撑。难点在于打破企业信息平台与鲁班网、铁路内部生产系统以及生产商、经销商、物流公司和终端工地之间的信息壁垒，为此研发了基于全异步微服务的分布式计算框架，通过引入全异步非阻塞调用的消息路由机制，实时监听并处理各业务系统的服务请求，完成对实采数据的上云、各业务系统请求数据的下发。并基于该架构研发了多种可灵活配置与部署的供应链管理软件，如订单管理系统（OMS）、仓库管理系统（WMS）、运输管理系统（TMS）等，能够以微服务的方式为企业或个人提供接入服务。目前系统日处理信息量超过2 亿条，为中铁物贸成都分公司的智能化物流组织管理提供了有力的技术支撑。

2）人工智能算法引擎。该引擎同样基于全异步微服务模式进行设计，平台部署的人工智能算法采用微服务模式，基于业务知识图谱进行智能调度。目前平台部署的人工智能算法类型包括：图像识别算法（人脸识别、单据识别等），自然语言处理算法（信息检索、语音识别、手写识别等）、模式识别算法（如基于北斗导航和传感器数据监控车辆行驶状态和驾驶员行为）和智能优化算法（如基于知识图谱的司机画像算法，基于多目标优化的人车货优化匹配算法等）。通过引入人工智能算法，可有效提高物流组织效率，加快供应链资金周转，减少人力资源成本，帮助企业实现降本增效，带来实际的直接经济效益。

3 西南地区铁路建设智能化物流组织系统功能与应用

3.1 智能化系统功能

西南地区铁路智能化物流组织系统平台的核心功能如图2 所示。该平台按照功能可以划分为四个模块，分别为：铁路内部应用模块、鲁班电子商务模块、企业信息服务模块、智能化集采与物流组织管理模块。

图2 西南地区铁路建设智能化物流组织系统功能示意图

其中，铁路内部应用模块是以既有的现车管理、集装箱运输管理、铁路快运管理和运输监管系统等为载体，对接中铁物贸公司内部的物资设备采购、生产运输、办公管理和安全管理业务需求。鲁班电子商务模块主要提供物资采购招标、机械设备租赁和工程招标管理等服务，该平台提供的业务协同平台和财务共享系统，有助于提高供应链的业、财、资、税一体化目标。企业信息服务模块以本单位自建的企业门户网站为主要载体，后台可提供订单管理、合同管理、供需匹配和工程管理等服务。智能化集采与物流组织管理模块是架构核心，一方面，该模块居于所有四个模块的中心，能够通过数据接口联通各孤立的业务系统，实现数据汇聚和业务互通；另一方面，该模块能够借助异步消息总线从外部系统实时接收数据，从而实现各种灵活的业务部署，满足智能感知和实时管理的业务需求。

3.2 智能化装备及其应用

智能化物流组织的实施，需要智能化装备的支撑。为实现西南地区铁路物流组织的全链全流程智能化，项目组根据中铁物贸成都分公司在区域集采、仓储、物流、交割等环节的作业需求，综合采用物联网、5G 和人工智能技术，研制了基于深度学习和北斗、传感器、摄像头和5G 的智能化硬件设备，实现了覆盖物资设备生产企业、仓储、物流和终端用户的全流程数字化供应链。

1）基于北斗定位的行车状态监控装置。该装置可以根据车载北斗定位系统和传感器数据，采用人工智能算法实时计算出载货车辆的装载和行驶状态。目前已有超过6 000 台社会车辆安装了该装置，实现了对社会运力的7×24 h 监控。通过该设备，不仅能够实时掌握物流状态，而且可有效杜绝串货和偷换货等安全隐患。例如，如果接单和交货的车辆不一致，平台的数字洞察系统将发出异常告警；如果司机试图拆换行车状态监控装置，同样会引发告警；如果司机的异常行为被确认，则其信用等级会降低，影响其平台接单量，直至其进入黑名单。

2）基于5G 无线通信的云上计量装置。该装置具有免布线安装、数据采集全面快捷准确等优点，通过无线通信技术将无人计量电子磅秤、电子闸门以及监控摄像头集成起来，适用于各种仓库和终端施工工地。借助该设备，不仅能够实现源头治超以及快速发货和交割，而且可以获得真实的第一手数据，借助云端数据对碰等技术手段，可支持财务部门实现快速交割，大幅提高资金周转率。

3）基于电子围栏的自动派接单装置。该装置将规范化的流程与电子围栏技术相结合，可以实现对仓库入场车辆的自动感知、车牌自动识别和自动引导停车，提高车辆的进出场管理效率；通过场内人脸识别、身份证匹配、智能化派单和微信通知装货，可以提高装卸和搬运环节效率；通过出厂查验和自动拍照上传云端等技术，保证运输源头可溯源。该装置消除了传统模式下仓库车辆管理混乱、派单时间成本高的弊端，将车队的平均排队时间从15 h 降低为2 h 之内，有效降低管理成本，同时消除司机疲劳驾驶的安全隐患。值得一提的是，疫情期间，四川物供中心借助该装置实现了仓库的无接触式发货。

4）智能终端应用软件。研发了基于企业公众号的微信小程序和基于安卓的智能手持终端系统。前者支持各种系统用户采用智能手机下单并管理订单，实时查看物流状态，当商品物流状态出现异常时，平台的数字洞察子系统能够及时发现异常并通过微信小程序向用户及时告警。后者主要用于仓库和终端工地，采用5G 技术、射频识别技术与云端相连，能够帮助用户提高信息处理效率，提高物流收发货环境的工作效率。通过开发智能终端应用软件，大幅降低了业务系统的使用门槛，并因此节省了用户培训成本，提高了用户使用该平台意愿。

4 结束语

西南地区铁路工程建设是一项复杂艰巨的系统工程，施工建设难度极大，物资供应和物流保障任务十分重要而且困难。为更好地服务西南地区铁路建设，项目组综合分析了西南地区铁路物流组织系统的智能化需求和传统物流组织系统存在的主要问题，提出了相应的软硬件一体化解决方案，同时探讨了包括系统总体架构和物理架构设计，人工智能算法与软件技术支撑，智能装备技术研发等关键技术问题。目前，该系统已实际部署运行一年，通过该平台组织实施的物流总量超过200 万t，为进一步开展西南地区铁路物资集采和物流组织积累了经验，准备了基础支撑条件。