編組站綜合自動(dòng)化計(jì)劃協(xié)同管理的研究

吳惠娜

（中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸處，廣東 廣州 510088）

編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，由計(jì)劃管理信息子系統(tǒng)、集中控制子系統(tǒng)和作業(yè)過(guò)程控制子系統(tǒng)構(gòu)成[1]。編組站計(jì)劃協(xié)同管理是在編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)劃管理信息子系統(tǒng)和集中控制子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立局－站運(yùn)輸調(diào)度數(shù)據(jù)智能共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度計(jì)劃與作業(yè)執(zhí)行信息深度融合以及局－站計(jì)劃協(xié)調(diào)管理和自動(dòng)調(diào)整[2]。

1 編組站作業(yè)過(guò)程分析

1.1 技術(shù)作業(yè)過(guò)程

編組站的技術(shù)作業(yè)是非常繁雜的過(guò)程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化、影響因素很多的隨機(jī)運(yùn)輸調(diào)度服務(wù)系統(tǒng)，技術(shù)作業(yè)可分為到達(dá)作業(yè)、解體作業(yè)、編組作業(yè)、出發(fā)作業(yè)4個(gè)過(guò)程。在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，這4個(gè)作業(yè)過(guò)程均包含管理信息處理、集中控制、作業(yè)過(guò)程控制3個(gè)層次。編組站技術(shù)作業(yè)過(guò)程如圖1所示。

（1）到達(dá)和解體作業(yè)過(guò)程。列車到達(dá)前，到達(dá)車流詳細(xì)信息已存于確報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)中，車站根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司日班計(jì)劃編制本站班計(jì)劃和階段計(jì)劃。列車到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)采集列車到達(dá)時(shí)刻，通過(guò)車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)核對(duì)確報(bào)。貨檢、列檢、機(jī)車入庫(kù)、列尾等相關(guān)作業(yè)按程序進(jìn)行，作業(yè)通知信息由系統(tǒng)應(yīng)用程序處理，并將列車到達(dá)信息和鉤計(jì)劃信息傳至過(guò)程控制子系統(tǒng)[3]，過(guò)程控制子系統(tǒng)根據(jù)列車到達(dá)計(jì)劃和控制表，自動(dòng)排列列車到達(dá)進(jìn)路，駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)調(diào)車鉤計(jì)劃分解轉(zhuǎn)換后的指令序列執(zhí)行駝峰調(diào)車，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)解體，解體作業(yè)結(jié)束信息反饋給信息處理系統(tǒng)。

（2）列車編組和出發(fā)作業(yè)過(guò)程。車站根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司計(jì)劃編制本站班計(jì)劃和階段計(jì)劃。站調(diào)根據(jù)階段計(jì)劃和控制子系統(tǒng)反饋的實(shí)際股道、機(jī)車等信息編制調(diào)車計(jì)劃和編組計(jì)劃，系統(tǒng)自動(dòng)把編組計(jì)劃信息匹配貨票信息，在預(yù)確報(bào)中形成完整的機(jī)－車－貨關(guān)聯(lián)信息。

圖1 編組站技術(shù)作業(yè)過(guò)程Fig.1 Marshalling yard operation process

2 編組站計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化研究

編組站綜合自動(dòng)化計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化基于“局－站運(yùn)輸調(diào)度數(shù)據(jù)智能共享平臺(tái)”。數(shù)據(jù)共享平臺(tái)應(yīng)包括鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度計(jì)劃、現(xiàn)車管理、貨運(yùn)管理、機(jī)車應(yīng)用計(jì)劃、車輛扣檢修計(jì)劃、TDCS/CTC、STP、駝峰等相關(guān)系統(tǒng)信息。計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化包括鐵路局集團(tuán)公司和車站班計(jì)劃和階段計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化和自動(dòng)調(diào)整、車站調(diào)車作業(yè)計(jì)劃輔助自動(dòng)調(diào)整，編組站計(jì)劃協(xié)調(diào)優(yōu)化是提供調(diào)度計(jì)劃質(zhì)量和管控智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。

2.1 計(jì)劃的內(nèi)容和依據(jù)

（1）班計(jì)劃。編組站班計(jì)劃包括列車到達(dá)計(jì)劃、列車出發(fā)計(jì)劃、直通列車計(jì)劃、卸車計(jì)劃、裝車計(jì)劃、各車場(chǎng)解編任務(wù)、貨物作業(yè)車、場(chǎng)間交換車等[5]。

（2）階段計(jì)劃。編制內(nèi)容包括本階段列車運(yùn)行計(jì)劃、到發(fā)線運(yùn)用安排、解編作業(yè)要求，車流接續(xù)和交換、交遞取送、作業(yè)車上線要求，機(jī)車交路、施工（維修）計(jì)劃和本階段工作關(guān)鍵及措施。

（3）調(diào)車計(jì)劃。根據(jù)列車日班工作計(jì)劃和階段計(jì)劃，本務(wù)機(jī)返段、調(diào)車機(jī)車動(dòng)態(tài)、股道應(yīng)用、現(xiàn)車分布、預(yù)確報(bào)、車流接續(xù)、等信息，系統(tǒng)自動(dòng)形成車站的到達(dá)解體計(jì)劃和出發(fā)編組計(jì)劃，股道應(yīng)用計(jì)劃、調(diào)機(jī)和駝峰計(jì)劃、解體編組順序以及取送車時(shí)機(jī)，同時(shí)形成準(zhǔn)確的列車接入和出發(fā)信息，并通過(guò)集中控制子系統(tǒng)分解處理后傳至作業(yè)過(guò)程控制子系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

2.2 局-站計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化

編組站作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，調(diào)度所難以實(shí)時(shí)掌握編組站內(nèi)股道及各種設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化和編制計(jì)劃輪廓信息。車站根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司計(jì)劃內(nèi)容，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整計(jì)劃。因此，調(diào)度所、編組站在同一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)中協(xié)同編制日班計(jì)劃、階段計(jì)劃，調(diào)度所編制班計(jì)劃下達(dá)至車站，車站確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況后反饋至調(diào)度所，調(diào)度所對(duì)班計(jì)劃進(jìn)行分解為階段計(jì)劃并下達(dá)至車站。車站根據(jù)作業(yè)控制系統(tǒng)反饋的股道應(yīng)用、駝峰、機(jī)車等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，結(jié)合最近區(qū)域車流情況、運(yùn)輸重點(diǎn)事項(xiàng)、現(xiàn)在車結(jié)存、接車和解體的順序及時(shí)間、出發(fā)列車的編制內(nèi)容和車流等信息，由集中控制子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)算法模型處理，自動(dòng)提供階段計(jì)劃調(diào)整的方案，由車站確認(rèn)后信息反饋至調(diào)度所，如此循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)局－站計(jì)劃協(xié)同編制。

2.3 階段計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整

編組站階段計(jì)劃是班計(jì)劃的具體工作安排，是編組站作業(yè)計(jì)劃的主體，是細(xì)化的班計(jì)劃。通常一個(gè)班計(jì)劃分為各階段計(jì)劃，階段計(jì)劃對(duì)車站的技術(shù)作業(yè)正常進(jìn)行起著重要的作用，對(duì)車站的全局工作具有指導(dǎo)作用。階段計(jì)劃的兌現(xiàn)率的高低直接體現(xiàn)編組站運(yùn)輸組織的水平。階段計(jì)劃優(yōu)化在局－站和站區(qū)作業(yè)管理信息、管-控信息充分共享的前提下，需考慮動(dòng)態(tài)影響因素。影響階段計(jì)劃變化的因素有很多，最常見(jiàn)的具體影響因素為車流接續(xù)、到發(fā)線使用、調(diào)機(jī)安排3個(gè)方面。由于這3個(gè)方面之間互相作用，相互相成，因此，在設(shè)計(jì)模型算法中，一般采用分解和迭代的方式。

2.3.1 車流配置

編組站的車流信息是階段計(jì)劃配流的核心問(wèn)題，準(zhǔn)確掌握編組站的車流信息，是提高階段計(jì)劃兌現(xiàn)率的保證，由預(yù)確報(bào)系統(tǒng)中獲取的本階段到達(dá)列車，由于某些原因晚點(diǎn)，或無(wú)法到達(dá)，而該列車的部分車輛正好是等待編組的出發(fā)列車的待編車列。這就造成原車流來(lái)源發(fā)生變動(dòng)，此時(shí)就要對(duì)原階段配流計(jì)劃做出相應(yīng)的調(diào)整。

編制出發(fā)列車的車流來(lái)源的要滿足2個(gè)基本約束條件，一是編組計(jì)劃的約束，二是車流接續(xù)時(shí)間的約束。編發(fā)列車應(yīng)遵循正點(diǎn)、滿軸、不違編的3個(gè)基本原則，在編組列車選擇車流中，當(dāng)出發(fā)列車的列車編組車數(shù)較多，車站的銜接方向較多時(shí)，在配流時(shí)，還應(yīng)同時(shí)考慮接續(xù)車列的解體過(guò)程，使得列車解編協(xié)調(diào)。綜合考慮階段前后編掛的車列，對(duì)本階段計(jì)劃時(shí)間內(nèi)所有的出發(fā)列車的車流來(lái)源都有保證。

編組站的配流方案，是一個(gè)確定合理的列車編組順序，其中又涉及調(diào)機(jī)、到發(fā)線運(yùn)用和取送車問(wèn)題，是一個(gè)多目標(biāo)尋優(yōu)過(guò)程。因此，算法模型以ECGACO算法為基礎(chǔ)，采用多態(tài)蟻群算法的思想[6]，將螞蟻社會(huì)中從事勞動(dòng)的螞蟻分為3類：偵察蟻、搜索蟻和工蟻。把調(diào)機(jī)、到發(fā)線運(yùn)用和取送車因素作為偵察蟻，各自作業(yè)反饋的信息作為搜索蟻，每次算法得出的配流方案作為工蟻，如此經(jīng)過(guò)算法多次循環(huán)，找出最優(yōu)配流方案。

2.3.2 到發(fā)線運(yùn)用

編組站到發(fā)線運(yùn)用計(jì)劃是階段計(jì)劃的核心，對(duì)到發(fā)線的使用需要獲取股道號(hào)和每列車占用時(shí)間2個(gè)方面的動(dòng)態(tài)信息。編組站中所有到發(fā)線均可采用到發(fā)線初始化模型算法進(jìn)行初始化，以得到到發(fā)線運(yùn)用計(jì)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)線初始化模型算法的輸入?yún)?shù)為影響到發(fā)線的基本因素，主要有到發(fā)線有效長(zhǎng)、安全間隔、列車編組計(jì)劃、運(yùn)行圖、車站的咽喉、道岔、機(jī)車等具體的設(shè)備能力。

在取得到發(fā)線初始運(yùn)用計(jì)劃數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮到發(fā)線動(dòng)態(tài)影響因素，主要有階段到發(fā)車流密集程度、列車長(zhǎng)度、在站作業(yè)性質(zhì)、站內(nèi)施工計(jì)劃、機(jī)車動(dòng)態(tài)運(yùn)用情況等。在到發(fā)線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)影響因素確定的情況下，以列車動(dòng)態(tài)占用到發(fā)線時(shí)間最短為目標(biāo)函數(shù)，采用蟻群算法，把到達(dá)某站的所有列車ai放在集合A中，某站所有到發(fā)線dj放進(jìn)集合D中，在D中添加d0表示虛擬到發(fā)線，列車在沒(méi)有滿足約束條件的到發(fā)線時(shí)，可選擇d0。采用偏序集合的傳遞性構(gòu)建了調(diào)機(jī)運(yùn)用的有向圖（傳遞圖）。將調(diào)機(jī)運(yùn)用描述成適合蟻群算法的形式，并初始化變量，結(jié)合滿足車站到發(fā)線使用要求的約束條件，以盡量減少交叉干擾，占有時(shí)間最短為基本目標(biāo)，建立編組站到發(fā)線運(yùn)用自動(dòng)調(diào)整模型，對(duì)交叉干擾進(jìn)行分析，考慮迭代對(duì)信息的影響，定義該問(wèn)題的轉(zhuǎn)移頻率，在蟻群經(jīng)過(guò)的路徑上進(jìn)行信息更新，得到調(diào)機(jī)運(yùn)用的最優(yōu)方案，算法結(jié)束，程序完成，如果無(wú)法選擇到發(fā)線，則轉(zhuǎn)入列車等待狀態(tài)，該情況有可能是參數(shù)不合理導(dǎo)致算法失敗。到發(fā)線運(yùn)用問(wèn)題解構(gòu)造圖如圖2所示。

2.3.3 機(jī)車安排

編組站作業(yè)中，機(jī)車的日常調(diào)度計(jì)劃管理工作由調(diào)度所和機(jī)務(wù)段負(fù)責(zé)，當(dāng)機(jī)車計(jì)劃與實(shí)際不一致時(shí)，由車站值班員修改計(jì)劃確認(rèn)實(shí)際機(jī)車號(hào)。一般每臺(tái)機(jī)車都有相對(duì)固定的作業(yè)范圍，但是受動(dòng)態(tài)運(yùn)輸組織變化的影響，需要優(yōu)化配置機(jī)車運(yùn)用階段計(jì)劃。例如，當(dāng)編組站列車到發(fā)車流不均衡時(shí)，會(huì)影響到發(fā)場(chǎng)及編組場(chǎng)股道應(yīng)用，同時(shí)也影響調(diào)機(jī)運(yùn)用，導(dǎo)致上行機(jī)車運(yùn)用緊張，下行機(jī)車空閑等待，或者反之。

圖2 到發(fā)線運(yùn)用問(wèn)題解構(gòu)造圖Fig.2 Structural map on line of arrive-start of explain

2.4 調(diào)車計(jì)劃輔助自動(dòng)方案

調(diào)車作業(yè)輔助自動(dòng)方案，是指由系統(tǒng)自動(dòng)提供車站各股道的調(diào)車作業(yè)單的最優(yōu)方案供站調(diào)或者區(qū)長(zhǎng)確認(rèn)。階段計(jì)劃的精準(zhǔn)度決定調(diào)車作業(yè)計(jì)劃智能編制實(shí)現(xiàn)的概率。在按運(yùn)行圖行車的正常情況下，編組站的到達(dá)解體調(diào)車作業(yè)計(jì)劃不難實(shí)現(xiàn)智能編制，但是對(duì)于出發(fā)列車的編組作業(yè)計(jì)劃單智能編制，需要在信息管理子系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，擴(kuò)展集中控制子系統(tǒng)中的管控接口內(nèi)容，用作業(yè)過(guò)程控制子系統(tǒng)反饋的現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備狀態(tài)和作業(yè)進(jìn)度等實(shí)際信息，結(jié)合智能算法模型，在合理的約束條件下不斷自動(dòng)調(diào)整階段計(jì)劃并更新調(diào)車作業(yè)計(jì)劃，從而形成調(diào)度作業(yè)單輔助自動(dòng)編制方案。

2.5 站區(qū)作業(yè)計(jì)劃一體化管理

車務(wù)、機(jī)務(wù)、車輛是站區(qū)日常調(diào)度指揮工作的3個(gè)不同專業(yè)，但都是圍繞車站運(yùn)輸組織和調(diào)度指揮開展日常工作，彼此的作業(yè)通知必須是實(shí)時(shí)的。因此，計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化，需要在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)上設(shè)計(jì)算法模型并開發(fā)應(yīng)用軟件，或者采用SOA架構(gòu)建立各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)且雙向的數(shù)據(jù)交換接口。

2.5.1 車務(wù)－機(jī)務(wù)計(jì)劃一體管理

編組站綜合自動(dòng)化的機(jī)車計(jì)劃管理，是由調(diào)度所和機(jī)務(wù)段負(fù)責(zé)。車務(wù)－機(jī)務(wù)一體化信息包括列車到發(fā)計(jì)劃、列車實(shí)際到發(fā)自動(dòng)報(bào)點(diǎn)、機(jī)車出段與折返計(jì)劃、機(jī)車配置計(jì)劃、機(jī)車交路推算、機(jī)車出段通知、機(jī)車出段順序推算[7]、機(jī)車實(shí)際出段信息等。其中的機(jī)車交路推算需要結(jié)合階段計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整算法，匹配接發(fā)列車計(jì)劃，輸入約束條件參數(shù)，準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)機(jī)車號(hào)等實(shí)際信息。機(jī)車號(hào)的采集，可安裝車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（ATIS），把采集的機(jī)車號(hào)、時(shí)間和采集點(diǎn)與機(jī)車運(yùn)用計(jì)劃和接發(fā)列車計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)匹配，并把匹配結(jié)果提供給鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度、車站值班員、站調(diào)等相關(guān)崗位[8]，確認(rèn)自動(dòng)調(diào)整階段計(jì)劃和調(diào)車作業(yè)計(jì)劃。

2.5.2 車務(wù)－車輛計(jì)劃一體管理

編組站日常運(yùn)輸組織中，車站與車輛段作業(yè)緊密聯(lián)系，車輛段需要預(yù)先從確報(bào)系統(tǒng)中獲取檢修車輛信息，列車到達(dá)后，列檢作業(yè)，在現(xiàn)在車系統(tǒng)通過(guò)票據(jù)電子化接口軟件，車務(wù)電子簽收車輛回送信息，車輛通過(guò)HMIS錄入車統(tǒng)數(shù)據(jù)，車務(wù)實(shí)時(shí)簽收并組織車站作業(yè)。

3 局-站運(yùn)輸調(diào)度數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的構(gòu)建

目前鐵路局集團(tuán)公司生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)只是單一的計(jì)劃編制系統(tǒng)，沒(méi)有與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)執(zhí)行交互，難以提高調(diào)度計(jì)劃質(zhì)量，調(diào)度計(jì)劃編制離不開動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)信息。因此，建立局－站運(yùn)輸調(diào)度數(shù)據(jù)共享平臺(tái)是提供編組站計(jì)劃智能管理的基礎(chǔ)。該“共享平臺(tái)”的信息包括路局班計(jì)劃、階段計(jì)劃調(diào)度命令、施工計(jì)劃等路局調(diào)度計(jì)劃信息；整合電子票據(jù)的現(xiàn)車、確報(bào)信息；站區(qū)車輛和機(jī)車作業(yè)信息；CTC/TDCS交互信息；集中控制子系統(tǒng)的股道運(yùn)用狀態(tài)、信號(hào)機(jī)、道岔狀態(tài)、機(jī)車位置、作業(yè)進(jìn)度、機(jī)車信號(hào)、速度、停車器狀態(tài)、鄰站站場(chǎng)、異常預(yù)警類型等信息?；诠蚕砥脚_(tái)，開發(fā)編制站與鐵路局集團(tuán)公司班計(jì)劃和階段計(jì)劃協(xié)同編制、階段計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整、管控一體化、運(yùn)輸調(diào)度動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)的智能運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)。局－站運(yùn)輸調(diào)度數(shù)據(jù)共享平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 局-站運(yùn)輸調(diào)度數(shù)據(jù)共享平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Bureau-station transport movement control data sharing structure chart

4 結(jié)束語(yǔ)

編組站集中了與運(yùn)輸有關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)設(shè)備，參與運(yùn)輸過(guò)程的主要技術(shù)環(huán)節(jié)。編組站作業(yè)過(guò)程均體現(xiàn)在作業(yè)計(jì)劃中，作業(yè)計(jì)劃質(zhì)量的提高又離不開動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)信息，而現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)控制子系統(tǒng)的自動(dòng)化程度又來(lái)自于作業(yè)計(jì)劃的準(zhǔn)確性，兩者相輔相成。編制站綜合自動(dòng)化的作業(yè)計(jì)劃協(xié)同管理既為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸組織最優(yōu)化、提高運(yùn)輸效率、確保運(yùn)輸安全奠定；堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化管控 、區(qū)域一體、動(dòng)態(tài)分析、精細(xì)考核的車站生產(chǎn)作業(yè)智能系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。