鐵路貨運車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

黃子荊，張亞東，馬 亮

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

隨著鐵路貨運體制不斷改革，鐵路貨運業(yè)務(wù)量不斷增長[1]，對運輸安全保障和運輸管理透明度的要求越來越高[2]。目前，車務(wù)段安全生產(chǎn)指揮中心與轄區(qū)內(nèi)各貨運站之間多使用電話溝通、人工下達任務(wù)、人工收集數(shù)據(jù)等方式進行生產(chǎn)作業(yè)指揮[3]，車站作業(yè)人員難以及時獲取生產(chǎn)作業(yè)計劃并反饋作業(yè)進度和生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，無法直觀掌握車站現(xiàn)車的分布與作業(yè)狀態(tài)，造成生產(chǎn)作業(yè)的組織管理效率較低。作為生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，貨運作業(yè)、運轉(zhuǎn)作業(yè)的執(zhí)行和管理效率直接影響到貨運車站的作業(yè)效率和經(jīng)濟效益[4]。

基于以上原因，本文利用計算機和通信等技術(shù)手段[5]，設(shè)計研發(fā)了具有貨運作業(yè)管理和運轉(zhuǎn)作業(yè)管理等功能的鐵路貨運車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)（簡稱：車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)），可實現(xiàn)貨運車站生產(chǎn)作業(yè)管理的電子化、信息化[6]，從而提高貨運車站運輸管理與生產(chǎn)作業(yè)的效率[7]。

1 需求分析

為實現(xiàn)貨運站生產(chǎn)作業(yè)管理的信息化，車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能。

（1）圖形化站場界面：提供一種圖形化界面，能夠直觀、合理地顯示本車站的站場實際布局、站內(nèi)的現(xiàn)車分布情況、接收到的生產(chǎn)作業(yè)計劃、安防設(shè)備及裝卸器具等信息。

（2）計劃接收和生產(chǎn)實績反饋：可遠程接收生產(chǎn)作業(yè)計劃，并結(jié)合圖形化界面顯示相關(guān)作業(yè)計劃，記錄并反饋作業(yè)實際開始時間和結(jié)束時間，同時自動匯總并上傳作業(yè)產(chǎn)生的實際數(shù)據(jù)。

（3）運轉(zhuǎn)作業(yè)的集中管理：基于圖形化站場界面，提供接發(fā)列車作業(yè)、調(diào)車作業(yè)、施工維修作業(yè)及調(diào)車機車的管理功能，并及時更新作業(yè)計劃的執(zhí)行狀態(tài)及車輛的位置分布。

（4）貨運作業(yè)的集中管理：基于圖形化站場界面，提供裝車作業(yè)、卸車作業(yè)、安防設(shè)備、裝卸器具的管理功能，并及時更新作業(yè)計劃的執(zhí)行狀態(tài)及車輛的裝卸作業(yè)狀態(tài)。

（5）操作流程安全卡控：檢查操作的合法性、合理性，在不滿足限制條件時禁止操作，從而避免安全問題及數(shù)據(jù)錯誤問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 邏輯架構(gòu)

車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)劃分為5 個層次，如圖1所示。

圖1 車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

（1）物理層：提供必要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及系統(tǒng)運行所需要的客戶終端，顯示系統(tǒng)的圖形化界面，提供交互操作，保障系統(tǒng)流暢、穩(wěn)定運行。

（2）數(shù)據(jù)層：包括站場股道坐標數(shù)據(jù)、安防設(shè)備信息等基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)及車站生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的調(diào)車、裝卸等實時作業(yè)數(shù)據(jù)，結(jié)合SQL Server 數(shù)據(jù)庫進行存儲和管理。

（3）通信層：基于多點組播、請求應(yīng)答、TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)通信功能，完成作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)反饋；同時，通過時鐘同步服務(wù)，保證系統(tǒng)內(nèi)部的時間始終一致。

（4）業(yè)務(wù)層：獲取作業(yè)計劃、反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在卡控操作流程安全的同時，完成車站的運轉(zhuǎn)及貨運作業(yè)管理，保證操作規(guī)范性及數(shù)據(jù)準確性。

（5）用戶層：包括貨運站運轉(zhuǎn)值班員及貨運值班員，根據(jù)用戶權(quán)限分配不同的功能。其中，運轉(zhuǎn)值班員負責接車作業(yè)、發(fā)車作業(yè)、調(diào)車作業(yè)及施工維修；貨運值班員負責裝車作業(yè)、卸車作業(yè)及裝卸器具與安防設(shè)備的管理。

2.2 部署方案

車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)與車務(wù)段生產(chǎn)指揮集中管理系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)共同構(gòu)成鐵路車務(wù)段運輸生產(chǎn)指揮管理平臺，利用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（簡稱：內(nèi)網(wǎng)）安全策略、防火墻、用戶加密驗證、權(quán)限驗證等技術(shù)保障系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全[8]，為車務(wù)段集中指揮、車站生產(chǎn)作業(yè)管理和數(shù)據(jù)服務(wù)等功能需求提供整體解決方案。系統(tǒng)部署方案如圖2所示。

圖2 車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)部署方案

車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)置運轉(zhuǎn)崗位和貨運崗位，部署在車務(wù)段轄區(qū)內(nèi)的各個貨運站，接收來自車務(wù)段生產(chǎn)指揮集中管理系統(tǒng)下達的各項計劃，并在執(zhí)行相關(guān)計劃后通過應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)反饋狀態(tài)及作業(yè)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能

車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.1 圖形化界面

（1）圖形化站場：股道、道岔等以實際車站布局為基準，按比例縮放后顯示在界面上，根據(jù)股道的到發(fā)、調(diào)車、裝卸屬性，提供對應(yīng)的接發(fā)車、調(diào)車、裝卸功能。

（2）圖形化車輛：車輛以矩形圖標的方式放置在股道上，通過不同的背景色及文字標識來表明車輛的種類、貨物信息及作業(yè)狀態(tài)。此外，依據(jù)實際使用的調(diào)車機車，設(shè)計不同樣式的圖標來區(qū)分國鐵調(diào)機和本務(wù)機車。

（3）圖形化安防設(shè)備：根據(jù)車站現(xiàn)場使用的安防設(shè)備實物設(shè)計相應(yīng)的圖標，可通過鼠標拖拽的方式放置在股道及車輛上，如帶防護信號的脫軌器、人力制動機等。

（4）圖形化裝卸器具：在股道一側(cè)使用圖標顯示裝卸器具信息，直觀地展示當前股道已經(jīng)啟用的裝卸器具種類及數(shù)量。

3.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸

（1）作業(yè)計劃遠程接收：通過網(wǎng)絡(luò)通道接收來自車務(wù)段生產(chǎn)指揮集中管理系統(tǒng)下達的接車計劃、發(fā)車計劃、調(diào)車計劃、施工維修計劃、裝車作業(yè)計劃及卸車作業(yè)計劃，同時在圖形化界面上以列表的形式按照時間順序列出。

（2）作業(yè)狀態(tài)自動反饋：在結(jié)合圖形化界面完成運轉(zhuǎn)、貨運作業(yè)過程管理的同時，記錄作業(yè)的執(zhí)行狀態(tài)、作業(yè)實際開始時間及作業(yè)實際結(jié)束時間，生成作業(yè)報點信息，并用不同的背景色來表示當前計劃處于未執(zhí)行、正在執(zhí)行或執(zhí)行完畢的狀態(tài)，同時通過網(wǎng)絡(luò)通道傳遞給應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，從而反饋到車務(wù)段生產(chǎn)指揮集中管理信息系統(tǒng)。

（3）作業(yè)數(shù)據(jù)匯總上傳：結(jié)合運轉(zhuǎn)、貨運作業(yè)操作，實時統(tǒng)計作業(yè)數(shù)據(jù)，包括裝車數(shù)量、卸車數(shù)量等信息及涉及到的貨物品類、車輛種類信息，通過網(wǎng)絡(luò)通道上傳到應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

3.3 運轉(zhuǎn)作業(yè)集中管理

運轉(zhuǎn)值班員可以結(jié)合圖形化站場界面，集中完成運轉(zhuǎn)作業(yè)各個流程的執(zhí)行和管理，車輛分布情況及車輛狀態(tài)隨作業(yè)操作實時變化。

（1）接車作業(yè)管理：記錄接車作業(yè)的車次號、司機號、接車股道、接車方向及接車作業(yè)的開始、結(jié)束時間等基本信息，同時可記錄接車作業(yè)的車輛編組內(nèi)容信息。接車作業(yè)完成后，在圖形化界面上實時更新顯示新增的車輛信息。

（2）發(fā)車作業(yè)管理：記錄發(fā)車作業(yè)的車次號、司機號、發(fā)車股道、發(fā)車方向及發(fā)車作業(yè)的開始、結(jié)束時間等基本信息。發(fā)車作業(yè)完成后，圖形化界面實時刪除發(fā)走的車輛信息。

（3）調(diào)車機車管理：結(jié)合圖形化界面，能夠?qū)⒈拒囌镜恼{(diào)車機車發(fā)到其他車站，或者將其他車站發(fā)到本站的調(diào)車機車接入到本站中，從而在車站與車站之間管理調(diào)車機車。

（4）調(diào)車作業(yè)管理：結(jié)合圖形化界面，完成車輛的調(diào)移工作。在存在調(diào)車機車的情況下，使用鼠標拖拽選中的單個或者多個車輛圖標，從源股道移動到目的股道。在確定結(jié)束調(diào)車作業(yè)前，車輛在圖形化界面上的移動是臨時的，可以通過取消調(diào)車來撤銷更改。

（5）施工維修作業(yè)管理：當車站因停電、維修、施工等原因需要禁用全站所有股道、某股道或股道某方向時，圖形化界面通過對受影響的股道進行特殊標記來表明其處于施工維修狀態(tài)，同時在功能上進行限制。

3.4 貨運作業(yè)集中管理

貨運值班員可以結(jié)合圖形化站場界面，集中完成貨運作業(yè)各個流程的執(zhí)行和管理，界面中的車輛狀態(tài)隨作業(yè)操作實時變化。

（1）安防設(shè)備管理：實現(xiàn)了安防設(shè)備的使用與統(tǒng)計功能，每個車站客戶端均配置了專用線安防設(shè)備和非專用線安防設(shè)備，通過鼠標拖拽來使用、撤除安防設(shè)備。

（2）裝卸器具管理：可以按類型、按狀態(tài)查詢裝卸器具狀態(tài)，同時還可以撤除器具、設(shè)置器具故障及器具故障恢復(fù)。

（3）裝車作業(yè)管理：記錄使用的裝卸器具種類數(shù)量、裝車的貨物種類、裝車作業(yè)開始時間及目的車站名稱等數(shù)據(jù)，同時通過車輛圖標顯示的動態(tài)變化表明車輛處于裝車作業(yè)狀態(tài)。

（4）卸車作業(yè)管理：記錄使用的裝卸器具種類及數(shù)量、卸車貨物種類及卸車作業(yè)開始時間等數(shù)據(jù)，同時通過車輛圖標顯示的動態(tài)變化表明車輛處于卸車作業(yè)狀態(tài)。

（5）作業(yè)進度實時監(jiān)督：通過實時比較當前裝卸作業(yè)已經(jīng)持續(xù)的時間與當前裝卸作業(yè)的標準作業(yè)時間，從而對裝卸作業(yè)進度進行監(jiān)督，在作業(yè)超時之后預(yù)警提醒。

3.5 操作流程安全卡控

結(jié)合貨運站現(xiàn)場實際作業(yè)流程及操作安全規(guī)范，通過軟件邏輯對生產(chǎn)作業(yè)的操作進行嚴格的安全卡控，滿足所有限制條件時，才允許執(zhí)行操作。以發(fā)車作業(yè)操作卡控過程為例，發(fā)車股道需同時滿足不存在使用中的安防設(shè)備、股道發(fā)車側(cè)沒有正在進行的施工維修作業(yè)、所選擇發(fā)出的車輛不處于作業(yè)狀態(tài)這3 個條件，發(fā)車作業(yè)操作才能執(zhí)行成功。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)通信

（1）多點組播通信：在實際的使用場景中，車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)覆蓋多個車站，同一車站運行多個圖形化終端，同時在線的設(shè)備較多，接收來自應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)推送的數(shù)據(jù)量較大，給通信網(wǎng)絡(luò)帶來壓力。由于每個車站的各個圖形化終端接收到的大量數(shù)據(jù)是一致的，并且不要求高時效性，如生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、裝卸器具使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，為減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，采用組播通信方式，將同一車站的所有終端加入到同一個組播域中，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸時的數(shù)據(jù)重復(fù)拷貝及對網(wǎng)絡(luò)帶寬的重復(fù)占用[9]，從而減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，提升系統(tǒng)運行效率。

（2）請求應(yīng)答接口：在實際的使用場景中，車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)存在即時獲取數(shù)據(jù)、即時反饋數(shù)據(jù)的需求，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性要求較高，如作業(yè)計劃的執(zhí)行報點、安防設(shè)備的使用數(shù)據(jù)等。因此采用面向連接的TCP 協(xié)議實現(xiàn)請求應(yīng)答接口，利用TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)校驗、到達確認等特性，提供即時獲取、反饋數(shù)據(jù)的功能，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、及時性[10]，與多點組播通信互為補充。

4.2 作業(yè)進度實時監(jiān)督

通過實時比較當前裝卸作業(yè)已經(jīng)持續(xù)的時間和預(yù)警時間，分別對裝卸作業(yè)輕度超時和嚴重超時作出預(yù)警。

（1）單位標準作業(yè)時間計算

根據(jù)車站的裝卸車能力標準，計算單位標準作業(yè)時間t，公式如下

其中，t為單位標準作業(yè)時間（單個裝卸器具裝卸單個車輛貨物的作業(yè)時間）；a為該股道滿負荷作業(yè)（作業(yè)車輛和裝卸器具都達到股道所允許的最大數(shù)目）的耗時；b為該股道使用的最大裝卸器具數(shù)；c為股道所允許作業(yè)的最大車輛數(shù)。a、b、c可通過車站的裝卸能力查標表獲得。

（2）標準作業(yè)時間計算

根據(jù)裝卸器具種類和裝卸貨物的種類，相同種類的裝卸器具可以裝卸多種貨物，相同種類的貨物也可以使用多種裝卸器具來裝卸，因此標準作業(yè)時間的計算存在多種情形。以使用單種裝卸器具對裝卸不同種貨物的多個車輛進行作業(yè)為例，計算標準作業(yè)時間T，公式如下

其中，C為作業(yè)時的車輛數(shù)；m為使用的裝卸器具數(shù)量；n為貨物種類；ti為不同種類貨物的單位標準作業(yè)時間。

（3）預(yù)警時間標準計算

根據(jù)標準作業(yè)時間T，計算輕度超時預(yù)警時間Tl和嚴重超時預(yù)警時間Ts，公式如下

其中，α為輕度超時系數(shù)，α＞ 0；β為嚴重超時系數(shù)，β＞ 0。α、β可以根據(jù)實際情況靈活設(shè)置。

（4）作業(yè)進度實時監(jiān)督流程

設(shè)置當前作業(yè)已經(jīng)進行的時間為T0，結(jié)合輕度超時預(yù)警時間Tl及嚴重超時預(yù)警時間Ts，裝卸作業(yè)進度監(jiān)督流程如圖4所示。

圖4 裝卸作業(yè)進度監(jiān)督流程

4.3 時鐘同步

實際運行環(huán)境中，每個設(shè)備的硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)設(shè)置并不一致，導(dǎo)致各設(shè)備的本地時鐘存在誤差。此外，設(shè)備的本地時鐘信息易被修改，時間信息的錯亂會導(dǎo)致生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、作業(yè)報點信息等依賴于時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)不準確。因此，生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)利用Web 時間服務(wù)器，基于Web Service 技術(shù)實現(xiàn)時鐘同步[11]。系統(tǒng)從時間服務(wù)器獲取統(tǒng)一的時間，從而保證系統(tǒng)內(nèi)部使用的時間不受終端的本地時間影響。此外，得益于Web Service 技術(shù)跨平臺的特性，時間服務(wù)器的部署不受軟件平臺的限制，降低了后續(xù)的維護難度。

5 結(jié)束語

車站生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)已經(jīng)在某鐵路局車務(wù)段的多個貨運車站部署使用，系統(tǒng)持續(xù)運行穩(wěn)定，提高了車務(wù)段管轄范圍貨運車站作業(yè)管理的直觀性、透明度和效率。利用圖形化界面進行生產(chǎn)作業(yè)全過程的輔助操作與管理，實現(xiàn)了現(xiàn)車分布與狀態(tài)的直觀展示、作業(yè)數(shù)據(jù)自動記錄、作業(yè)超時自動預(yù)警及作業(yè)流程安全卡控，擺脫了通過電話和人工方式下達任務(wù)、反饋數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，提高了貨運作業(yè)組織管理的效率，提升了當前車務(wù)段安全生產(chǎn)指揮中心在生產(chǎn)作業(yè)管理方面的作用。后續(xù)將會繼續(xù)完善本系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的接口，以進一步提高作業(yè)管理的自動化程度并降低作業(yè)人員的操作強度。