吳 奎，周 樂，范繼斌，郭建寧，劉 嶠

（（1 中鐵物貿(mào)集團有限公司成都分公司科技和信息化部 副總經(jīng)理，成都 610015；2 電子科技大學計算機科學與工程學院 碩士研究生，成都 610054；3 中國鐵道科學研究院科學技術信息研究所 工程師，北京 100081；4 中鐵二院工程集團有限責任公司工經(jīng)院 工程師，北京 100048；5 電子科技大學計算機科學與工程學院 教授，成都 610054）

0 引言

西南地區(qū)鐵路施工建設具有工程環(huán)境復雜、重難點工程多、建設管理難度大等特點[1]。地質(zhì)條件的復雜艱險為工程保障帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)，如何提高工程建設物資供應保障，是擺在西南地區(qū)鐵路建設組織管理者面前的重大課題，亦是實現(xiàn)高起點、高標準、高質(zhì)量建設西南地區(qū)鐵路的關鍵環(huán)節(jié)之一[2,3]。

中鐵物貿(mào)集團有限公司（以下簡稱中鐵物貿(mào)）是中國中鐵股份有限公司唯一指定從事物資貿(mào)易和集中采購的企業(yè)，在全國各主要城市及區(qū)域設有子分公司和物供中心，組建了北京、上海、成都、西安等八大集采中心[4]。開展區(qū)域集采，有助于提高企業(yè)的采購議價能力，實現(xiàn)鐵路建設的降本增效[5]。其中，成都分公司主要承擔著中國中鐵股份有限公司在四川、新疆、西藏等區(qū)域投融資直管項目的物資集中采購供應工作，因其位居西南地區(qū)鐵路建設一線，肩負著特殊的歷史使命，責任重大且光榮[6]。

西南地區(qū)鐵路建設中的物流組織系統(tǒng)是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及分級倉儲的基地建設規(guī)劃、施工道路分級規(guī)劃以及與地方道路的結(jié)合、大型工程設備（如盾構機）進場路徑的設計規(guī)劃、以及物資進場物流組織等多方面因素[7,8]。為更好地開展物資設備集采和物流運輸工作，為西南地區(qū)鐵路建設提供安全可靠的物資供應保障，本項目在構建智能化物流組織系統(tǒng)方面進行了積極探索，結(jié)合西南地區(qū)鐵路建設實際，總結(jié)提煉出三類制約物資供應保障和安全的關鍵問題和技術瓶頸問題，并組織力量進行科研攻關，通過產(chǎn)學研合作，在實際工作中取得積極應用成果。

1 西南地區(qū)鐵路建設物流組織系統(tǒng)智能化需求分析

1.1 需求分析

西南地區(qū)鐵路建設地質(zhì)條件復雜，包含四川盆地、高山峽谷區(qū)、高山原區(qū)、橫斷山區(qū)、藏南谷地等多種地貌單元[1]，典型工程如“八縱八橫”高速鐵路主通道包（銀）海通道重要組成部分的渝貴鐵路，線路全長約345 km，橋隧比高達75.4%。除地貌復雜、地質(zhì)及氣候災害多發(fā)之外，施工地點多位于偏遠山區(qū)，有效施工工期長，人員機械降效大等不利因素，都對物資材料的采購和進場帶來了極大的挑戰(zhàn)，也對物流組織系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化提出了更高的要求[9]。

1.2 主要問題

當前中鐵物貿(mào)成都分公司的物資采購管理信息化技術服務主要依托集團公司自主研發(fā)的魯班采購電子商務平臺。然而在面對西南地區(qū)鐵路這種復雜工程時，該系統(tǒng)的靈活性、智能性和適用性還存在一些局限[10,11]。歸納起來，現(xiàn)有物流組織系統(tǒng)存在的主要問題包含三個方面。

1）資源配置管理能力不足。山區(qū)工程物資采購周期長，消耗不均衡，而且地材產(chǎn)量小、質(zhì)量難保障，不能滿足工程建設需要[1]。為確保西南地區(qū)鐵路建設的順利進行，需要建立分級倉儲基地，并通過各種靈活的方式提高庫存保障能力和地材利用能力。例如，在設備備品管理中可以與供應商協(xié)商采取“寄售制”，即將備件寄存在我方倉庫，待備件使用后再結(jié)算。為適應這種靈活的資源配置需求，需要物流組織信息系統(tǒng)具備高度的彈性和可擴展性，不僅能夠快速接入或部署新業(yè)務，而且要具備良好的數(shù)據(jù)分析和預測能力，能夠為資源配置提供決策支持[12]。

2）在途監(jiān)管技術手段不足。一方面，西南地區(qū)鐵路工程施工條件艱苦，有效施工期短。而且工程地處溝谷地形，坡陡谷深，運輸?shù)缆芳笆┕龅鬲M窄，大型構件多，這些不利因素都容易導致物流運輸安全隱患[7]。另一方面，鐵路建設物資一旦進入物流狀態(tài)后常出現(xiàn)信息展示不透明的問題，難以掌握貨物運輸狀況，不利于生產(chǎn)方與用料方的溝通。因此如何保證火工品的安全運輸、防止高附加值物資（如改性瀝青）在運輸過程中的偷換貨，都對現(xiàn)有物流組織系統(tǒng)的在途監(jiān)管技術能力提出了挑戰(zhàn)[13]。

3）社會運力掌控能力不足。西南地區(qū)鐵路工程建設工期長，部分鐵路建設工期超10 年以上，由于地處高海拔地區(qū)，人員機械降效大，施工人員生活物資及健康保障困難，因此不能僅依靠自有運力，需要動員大量社會運力參與運輸[14]。如何發(fā)現(xiàn)、引導并沉淀優(yōu)質(zhì)運力，是現(xiàn)有信息化系統(tǒng)中缺失的一項關鍵能力[15]。

1.3 實現(xiàn)路徑

為解決上述關鍵問題，項目組結(jié)合中鐵物貿(mào)成都分公司物流組織管理實際需求，以完善數(shù)字化供應鏈，實現(xiàn)商流、物流、信息流、資金流統(tǒng)一為主線，以研發(fā)人工智能軟硬件一體化平臺為抓手，探索先進智能技術集成應用，實現(xiàn)了提升鐵路基建物流組織效率和經(jīng)營效益。

西南地區(qū)鐵路智能化物流組織系統(tǒng)平臺的總體設計以主要生產(chǎn)要素時空定位為核心構建主數(shù)據(jù)鏈，整合魯班網(wǎng)與鐵路內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)交換平臺實現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的信息交互融合，按照“數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應用”的數(shù)據(jù)流向，融合商流、物流、信息流、資金流數(shù)據(jù)，構建物流管理平臺與數(shù)字洞察引擎，支撐中鐵物貿(mào)在西南地區(qū)的細分市場服務鏈條縱向延伸、業(yè)務領域橫向拓展，通過物流組織系統(tǒng)的智能化，推動物資設備供應保障水平提升。

2 西南地區(qū)鐵路建設智能化物流組織系統(tǒng)架構設計

西南地區(qū)鐵路建設智能化物流組織系統(tǒng)的目標是覆蓋鐵路工程建設物資設備管理全過程，靈活應對西南地區(qū)復雜多變的鐵路建設環(huán)境。系統(tǒng)架構設計分為總體結(jié)構設計、物理架構設計、智能計算架構設計。

2.1 總體架構設計

在構建西南地區(qū)鐵路建設智能化物流組織系統(tǒng)的過程中，項目組基于中鐵物貿(mào)成都分公司既有的信息化平臺和魯班網(wǎng)業(yè)務協(xié)同平臺及財務共享系統(tǒng)，以高技術智能手段協(xié)調(diào)物流過程資源配置，提高物流配送效率和物流運輸安全性，采用分層架構降低系統(tǒng)耦合度，提高系統(tǒng)的可擴展性和容錯能力。整個系統(tǒng)自底向上可以劃分為三層，分別是數(shù)據(jù)平臺層、智能分析層和應用服務層。

1）數(shù)據(jù)平臺層主要由數(shù)據(jù)收集處理中間件、數(shù)據(jù)倉庫組成，主要為該平臺提供數(shù)據(jù)來源。其中，數(shù)據(jù)收集處理中間件通過數(shù)據(jù)采集器獲取司機評價的文本數(shù)據(jù)、車貨匹配的訂單數(shù)據(jù)、車輛行駛的軌跡數(shù)據(jù)等，并將經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗后的多模態(tài)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)倉庫中。數(shù)據(jù)倉庫采用分布式存儲系統(tǒng)，將輸入數(shù)據(jù)分別存儲在運力池、貨源池、企業(yè)數(shù)據(jù)庫中，保障其可用性、安全性和讀寫性能。

2）智慧分析層主要借助人工智能技術構建了智能計算引擎，通過軟硬件結(jié)合的方式，為大宗商品物流過程的智能運作提供強勁的技術支撐。硬件上，通過構建GPU 和CPU 集群，使平臺的智能化水平隨數(shù)據(jù)增加和提升，且計算速度和計算效率不受數(shù)據(jù)體量與時空限制，使平臺的智能分析具有可行性、高效性和動態(tài)性。軟件上，通過引入先進高效的機器學習算法，為特定任務訓練合適的模型，包括：情感分析、貨源預測、車輛推薦、語音增強、車輛狀態(tài)判斷等，從而實現(xiàn)安全隱患智能化規(guī)避。

3）應用服務層立足于數(shù)據(jù)平臺的高效數(shù)據(jù)管理與智能分析層的軟硬件基礎，集成了鐵路建設供應鏈上所有環(huán)節(jié)的物流功能，包括貨源管理、司機管理、車貨匹配、在途管理、自動結(jié)算等，對物流配送進行全過程的控制、管理和記錄分析。鐵路建設施工單位、物資提供方、運輸方等均可使用智能終端對系統(tǒng)進行訪問，在用戶的使用過程中，通過單點登錄、統(tǒng)一權限認證、強制鑒權、會話管理全局留痕以及加密防泄等方式為系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全提供保障。

2.2 物理架構設計

西南地區(qū)鐵路智能化物流組織系統(tǒng)以完善數(shù)字化供應鏈，實現(xiàn)商流、物流、信息流、資金流統(tǒng)一為物理架構的總體設計思想，目標是實現(xiàn)采購需求、運輸需求、物流保障等信息的實時匯聚和智能監(jiān)管，支撐鐵路建設物資區(qū)域集采的生產(chǎn)指揮、倉儲管理和商務活動等業(yè)務的高質(zhì)量運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)平臺物理架構如圖1 所示。

圖1 西南地區(qū)鐵路建設智能化物流組織系統(tǒng)物理架構圖

1）數(shù)據(jù)采集：通過互聯(lián)網(wǎng)采集各業(yè)務系統(tǒng)產(chǎn)生的商流、信息流和資金流數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)+5G 方式實時采集物流狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)，以訂單、人員、車輛、貨物和設備等物流要素為主要信息采集對象，并且研制了基于北斗定位裝置、射頻識別裝置、圖像采集裝置和多模態(tài)傳感器的智能硬件裝備輔助數(shù)據(jù)采集。

2）消息總線：研發(fā)了基于異步消息總線的外部數(shù)據(jù)接口，能夠處理大規(guī)模并發(fā)服務請求，并滿足海量傳感數(shù)據(jù)采集需求。

3）信息處理：采用分布式計算和存儲架構，對物流業(yè)務系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行加工、清洗和存儲，對于關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)采用本地服務器集群進行存儲，對于公共服務數(shù)據(jù)采用私有云進行存儲。

4）計算引擎：圍繞西南地區(qū)鐵路建設業(yè)務需求，結(jié)合本單位業(yè)務實際，研發(fā)了專門的智能化計算引擎。主要功能圍繞智能化供應鏈和生產(chǎn)調(diào)度的實際需求展開，形成了從生產(chǎn)制造廠商到經(jīng)銷商和倉儲企業(yè)，再到物流公司和終端用戶的全覆蓋，為實現(xiàn)商品交易、物流執(zhí)行、交割結(jié)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調(diào)度。

5）業(yè)務應用：目前該系統(tǒng)已經(jīng)實際部署在生產(chǎn)環(huán)境中，并成為主要的物流組織工具和數(shù)字化供應鏈載體，特別是在社會運力掌控、資源優(yōu)化配置和物流在途監(jiān)管方面發(fā)揮了實際作用。

2.3 智能計算架構設計

項目組基于上述物理架構設計，針對西南地區(qū)鐵路物流組織關鍵業(yè)務的智能化數(shù)據(jù)融合與分析需求進行了專項研發(fā)，提出了基于人工智能算法和全異步微服務的智能計算框架，構建了融合商流、物流、信息流和資金流的數(shù)字化物流組織與監(jiān)管技術體系。該物流組織系統(tǒng)的智能計算架構設計包括：基于全異步微服務的分布式計算框架與人工智能算法引擎。

1）基于全異步微服務的分布式計算框架。西南地區(qū)鐵路物資集采和物流是一項復雜的系統(tǒng)工程，為實現(xiàn)多業(yè)務系統(tǒng)、多種數(shù)據(jù)源的整合，確保不同業(yè)務系統(tǒng)的信息互通和聯(lián)動，提高各方協(xié)作能力，需要高度靈活、可擴展的軟件支撐。難點在于打破企業(yè)信息平臺與魯班網(wǎng)、鐵路內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)以及生產(chǎn)商、經(jīng)銷商、物流公司和終端工地之間的信息壁壘，為此研發(fā)了基于全異步微服務的分布式計算框架，通過引入全異步非阻塞調(diào)用的消息路由機制，實時監(jiān)聽并處理各業(yè)務系統(tǒng)的服務請求，完成對實采數(shù)據(jù)的上云、各業(yè)務系統(tǒng)請求數(shù)據(jù)的下發(fā)。并基于該架構研發(fā)了多種可靈活配置與部署的供應鏈管理軟件，如訂單管理系統(tǒng)（OMS）、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、運輸管理系統(tǒng)（TMS）等，能夠以微服務的方式為企業(yè)或個人提供接入服務。目前系統(tǒng)日處理信息量超過2 億條，為中鐵物貿(mào)成都分公司的智能化物流組織管理提供了有力的技術支撐。

2）人工智能算法引擎。該引擎同樣基于全異步微服務模式進行設計，平臺部署的人工智能算法采用微服務模式，基于業(yè)務知識圖譜進行智能調(diào)度。目前平臺部署的人工智能算法類型包括：圖像識別算法（人臉識別、單據(jù)識別等），自然語言處理算法（信息檢索、語音識別、手寫識別等）、模式識別算法（如基于北斗導航和傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控車輛行駛狀態(tài)和駕駛員行為）和智能優(yōu)化算法（如基于知識圖譜的司機畫像算法，基于多目標優(yōu)化的人車貨優(yōu)化匹配算法等）。通過引入人工智能算法，可有效提高物流組織效率，加快供應鏈資金周轉(zhuǎn)，減少人力資源成本，幫助企業(yè)實現(xiàn)降本增效，帶來實際的直接經(jīng)濟效益。

3 西南地區(qū)鐵路建設智能化物流組織系統(tǒng)功能與應用

3.1 智能化系統(tǒng)功能

西南地區(qū)鐵路智能化物流組織系統(tǒng)平臺的核心功能如圖2 所示。該平臺按照功能可以劃分為四個模塊，分別為：鐵路內(nèi)部應用模塊、魯班電子商務模塊、企業(yè)信息服務模塊、智能化集采與物流組織管理模塊。

圖2 西南地區(qū)鐵路建設智能化物流組織系統(tǒng)功能示意圖

其中，鐵路內(nèi)部應用模塊是以既有的現(xiàn)車管理、集裝箱運輸管理、鐵路快運管理和運輸監(jiān)管系統(tǒng)等為載體，對接中鐵物貿(mào)公司內(nèi)部的物資設備采購、生產(chǎn)運輸、辦公管理和安全管理業(yè)務需求。魯班電子商務模塊主要提供物資采購招標、機械設備租賃和工程招標管理等服務，該平臺提供的業(yè)務協(xié)同平臺和財務共享系統(tǒng)，有助于提高供應鏈的業(yè)、財、資、稅一體化目標。企業(yè)信息服務模塊以本單位自建的企業(yè)門戶網(wǎng)站為主要載體，后臺可提供訂單管理、合同管理、供需匹配和工程管理等服務。智能化集采與物流組織管理模塊是架構核心，一方面，該模塊居于所有四個模塊的中心，能夠通過數(shù)據(jù)接口聯(lián)通各孤立的業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和業(yè)務互通；另一方面，該模塊能夠借助異步消息總線從外部系統(tǒng)實時接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)各種靈活的業(yè)務部署，滿足智能感知和實時管理的業(yè)務需求。

3.2 智能化裝備及其應用

智能化物流組織的實施，需要智能化裝備的支撐。為實現(xiàn)西南地區(qū)鐵路物流組織的全鏈全流程智能化，項目組根據(jù)中鐵物貿(mào)成都分公司在區(qū)域集采、倉儲、物流、交割等環(huán)節(jié)的作業(yè)需求，綜合采用物聯(lián)網(wǎng)、5G 和人工智能技術，研制了基于深度學習和北斗、傳感器、攝像頭和5G 的智能化硬件設備，實現(xiàn)了覆蓋物資設備生產(chǎn)企業(yè)、倉儲、物流和終端用戶的全流程數(shù)字化供應鏈。

1）基于北斗定位的行車狀態(tài)監(jiān)控裝置。該裝置可以根據(jù)車載北斗定位系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)，采用人工智能算法實時計算出載貨車輛的裝載和行駛狀態(tài)。目前已有超過6 000 臺社會車輛安裝了該裝置，實現(xiàn)了對社會運力的7×24 h 監(jiān)控。通過該設備，不僅能夠?qū)崟r掌握物流狀態(tài)，而且可有效杜絕串貨和偷換貨等安全隱患。例如，如果接單和交貨的車輛不一致，平臺的數(shù)字洞察系統(tǒng)將發(fā)出異常告警；如果司機試圖拆換行車狀態(tài)監(jiān)控裝置，同樣會引發(fā)告警；如果司機的異常行為被確認，則其信用等級會降低，影響其平臺接單量，直至其進入黑名單。

2）基于5G 無線通信的云上計量裝置。該裝置具有免布線安裝、數(shù)據(jù)采集全面快捷準確等優(yōu)點，通過無線通信技術將無人計量電子磅秤、電子閘門以及監(jiān)控攝像頭集成起來，適用于各種倉庫和終端施工工地。借助該設備，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)源頭治超以及快速發(fā)貨和交割，而且可以獲得真實的第一手數(shù)據(jù)，借助云端數(shù)據(jù)對碰等技術手段，可支持財務部門實現(xiàn)快速交割，大幅提高資金周轉(zhuǎn)率。

3）基于電子圍欄的自動派接單裝置。該裝置將規(guī)范化的流程與電子圍欄技術相結(jié)合，可以實現(xiàn)對倉庫入場車輛的自動感知、車牌自動識別和自動引導停車，提高車輛的進出場管理效率；通過場內(nèi)人臉識別、身份證匹配、智能化派單和微信通知裝貨，可以提高裝卸和搬運環(huán)節(jié)效率；通過出廠查驗和自動拍照上傳云端等技術，保證運輸源頭可溯源。該裝置消除了傳統(tǒng)模式下倉庫車輛管理混亂、派單時間成本高的弊端，將車隊的平均排隊時間從15 h 降低為2 h 之內(nèi)，有效降低管理成本，同時消除司機疲勞駕駛的安全隱患。值得一提的是，疫情期間，四川物供中心借助該裝置實現(xiàn)了倉庫的無接觸式發(fā)貨。

4）智能終端應用軟件。研發(fā)了基于企業(yè)公眾號的微信小程序和基于安卓的智能手持終端系統(tǒng)。前者支持各種系統(tǒng)用戶采用智能手機下單并管理訂單，實時查看物流狀態(tài)，當商品物流狀態(tài)出現(xiàn)異常時，平臺的數(shù)字洞察子系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)異常并通過微信小程序向用戶及時告警。后者主要用于倉庫和終端工地，采用5G 技術、射頻識別技術與云端相連，能夠幫助用戶提高信息處理效率，提高物流收發(fā)貨環(huán)境的工作效率。通過開發(fā)智能終端應用軟件，大幅降低了業(yè)務系統(tǒng)的使用門檻，并因此節(jié)省了用戶培訓成本，提高了用戶使用該平臺意愿。

4 結(jié)束語

西南地區(qū)鐵路工程建設是一項復雜艱巨的系統(tǒng)工程，施工建設難度極大，物資供應和物流保障任務十分重要而且困難。為更好地服務西南地區(qū)鐵路建設，項目組綜合分析了西南地區(qū)鐵路物流組織系統(tǒng)的智能化需求和傳統(tǒng)物流組織系統(tǒng)存在的主要問題，提出了相應的軟硬件一體化解決方案，同時探討了包括系統(tǒng)總體架構和物理架構設計，人工智能算法與軟件技術支撐，智能裝備技術研發(fā)等關鍵技術問題。目前，該系統(tǒng)已實際部署運行一年，通過該平臺組織實施的物流總量超過200 萬t，為進一步開展西南地區(qū)鐵路物資集采和物流組織積累了經(jīng)驗，準備了基礎支撐條件。