貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李化林，楊 偉，茆忠華

（1.江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424；2.合肥工大高科信息科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)、快速發(fā)展，汽車工業(yè)、公路運輸、民航運輸?shù)陌l(fā)展也非常迅猛，鐵路作為污染小、運量大的陸上交通工具而日益得到社會的認可［1］。對于貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）這樣的大型廠礦企業(yè)來說，因鐵路運輸方式具有運輸能力大、效率高、成本低、受自然環(huán)境影響小且連續(xù)性好的特點而倍受青睞。

2015-2017年，工信部連續(xù)三年印發(fā)《關(guān)于開展2015年智能制造試點示范專項行動的通知》，共有198個智能制造試點示范項目，涉及流程型智能制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個性化定制等智能制造新模式［2］，江西銅業(yè)股份有限公司申報的“銅冶煉智能工廠試點示范”項目被工信部確定為2016年度銅冶煉智能工廠試點示范建設(shè)項目，貴溪冶煉廠也因此成為銅冶煉行業(yè)唯一家智能工廠試點示范工廠，按照智能工廠建設(shè)的相關(guān)要求和規(guī)范，貴冶開展了智能工廠建設(shè)。

貴冶地處江西東北部地區(qū)德興銅礦、永平銅礦、東鄉(xiāng)銅礦等幾大銅礦之間且貴溪地區(qū)并沒有大型礦山，生產(chǎn)原材料和產(chǎn)成品都不得不依靠其配套的供應(yīng)鏈物流體系來實現(xiàn)流轉(zhuǎn)，85%以上都是通過鐵路運輸實現(xiàn)，對鐵路運輸依存度非常高。受多方面因素影響，貴冶現(xiàn)有鐵路運輸裝備的信息化、自動化和智能化水平都很落后，在用的鐵運物流系統(tǒng)還是由貴冶2002年自行開發(fā)的物料管理系統(tǒng)，僅實現(xiàn)了部分作業(yè)信息化，自動化和智能化較低。鐵路運輸環(huán)節(jié)作為供應(yīng)鏈上一個最重要的流程結(jié)點，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息化、運輸生產(chǎn)過程自動化、運輸生產(chǎn)指揮智能化是實現(xiàn)高效供應(yīng)鏈管理的重要保障。要建設(shè)好貴冶智能工廠，首先要做好鐵運智能化系統(tǒng)建設(shè)。

2 貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)的需求分析

2.1 貴冶鐵路運輸現(xiàn)狀

（1） 鐵路信號設(shè)備技術(shù)落后、功能薄弱、維護困難、兼容性差。

（2） 鐵路行車作業(yè)異地調(diào)度仍主要靠人工協(xié)作，信息不共享，溝通方式原始，工作強度大，安全可靠性難以持續(xù)保證。

（3）鐵運作業(yè)計劃全部依靠人工編排，工作量大，計劃合理性不夠、變更不靈活，易引發(fā)貨車延時，受人為干擾因素大。

（4）作業(yè)執(zhí)行依靠人工記錄信息，數(shù)據(jù)滯后，錯誤率高，存在安全隱患。

（5）鐵路車號全部采用人工識別和校對，工作量大，錯誤率高。

（6）機車無線作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)落后，穩(wěn)定可靠性差。貴冶現(xiàn)有5臺GKD2內(nèi)燃機車和2臺軌道車，分別安裝了模擬平面調(diào)車指揮系統(tǒng)，5臺機車還分別安裝了LKJ-2000列車監(jiān)控裝置，規(guī)范了機車乘務(wù)員操作行為，對機車安全運行起到很好的作用。但由于平面調(diào)車指揮系統(tǒng)是模擬機，易混頻，受干擾，有時會發(fā)生錯誤指令。而乘務(wù)員接受的仍然是紙質(zhì)作業(yè)計劃單，遇現(xiàn)場變更計劃，則由值班員口頭傳達，易發(fā)生聽覺錯誤，計劃不清。

（7）道口控制依靠人工現(xiàn)場控制，效率低。

（8）視頻與信息監(jiān)控分散，影響集中調(diào)度效率。

2.2 貴冶鐵路智能化系統(tǒng)的建設(shè)需求分析

智能工廠離不開基礎(chǔ)設(shè)施信息化、信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)化、設(shè)備運轉(zhuǎn)自動化和決策智能化等技術(shù)。智能工廠的建設(shè)需要實現(xiàn)IT系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)的信息集成；處理來源多樣的異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括各種來自設(shè)備、產(chǎn)品、社交網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)，確?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性；應(yīng)當進行科學的廠房布局規(guī)劃，在滿足生產(chǎn)要求，流程合理的同時，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度［3］。

就現(xiàn)階段而言，鐵路智能運輸調(diào)度系統(tǒng)的需求主要包括信息預(yù)報、車輛追蹤、物流追蹤、物流信息設(shè)備管理、物流計劃傳輸以及物流信息的統(tǒng)計、查詢等［4］。鑒于貴冶鐵路的現(xiàn)有運輸生產(chǎn)現(xiàn)狀，要建立適應(yīng)貴冶智能工廠建設(shè)的配套鐵路運輸智能化系統(tǒng)，只有對現(xiàn)有運輸基礎(chǔ)設(shè)施進行全面升級，運用先進的IT技術(shù)，建立以物流信息管理和運輸生產(chǎn)過程管控為核心的鐵路運輸智能調(diào)度綜合管理信息平臺。將具備互聯(lián)互通的鐵運智能化及自動化設(shè)施與貴冶智能工廠應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)項目中供應(yīng)鏈部分的新建鐵運物流管理系統(tǒng)進行無縫對接，并使其在一個統(tǒng)一的平臺下協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)對鐵路運輸業(yè)務(wù)全過程監(jiān)控，滿足貴冶鐵路運輸生產(chǎn)作業(yè)過程的鐵路運輸調(diào)度信息化、運輸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匹配自動化、作業(yè)計劃編排智能化和鐵路信號開放自動化，為各級管理人員決策和運輸調(diào)度指揮提供準確、及時的數(shù)據(jù)信息，提升鐵路運輸管理水平、提高鐵路運輸生產(chǎn)作業(yè)效率。

基于上述目的，鐵路運輸智能化系統(tǒng)的主要需求包括：全電子計算機聯(lián)鎖、現(xiàn)車跟蹤與物流管理、數(shù)字化平面調(diào)車、計劃智能編排、信號集中控制、道口智能集控。

首先，將站區(qū)原6502電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)進行全面升級，采用系統(tǒng)高度集成化、互聯(lián)化和信息化的全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，提高設(shè)備安全等級，減輕維護人員工作量。

其次，要全面實現(xiàn)作業(yè)指令流轉(zhuǎn)信息化和電子化，通過引進數(shù)字化平面調(diào)車系統(tǒng)，通過無線傳輸實現(xiàn)電子計劃傳送，系統(tǒng)還需要提供信號上車功能并對機車位置進行精準定位，在自然環(huán)境條件惡劣的情況下，司機可根據(jù)機車上顯示的信號輔助行車，提高作業(yè)安全性。

再次，計劃智能編排要實現(xiàn)調(diào)車計劃的輔助編排、自動編排，減輕計劃值班員的勞動強度，實現(xiàn)作業(yè)標準化；現(xiàn)車跟蹤與物流管理要通過車號識別與公司ERP接口自動完成車輛、貨票匹配后進出廠管理、裝卸車管理、設(shè)備管理等功能。

最后，信號集中控制、道口智能控制要實現(xiàn)信號的集中管控，將現(xiàn)有多個聯(lián)鎖站場集中控制，同時通過與物流、計算機聯(lián)鎖接口實現(xiàn)進路自動預(yù)排，減輕信號開放工作人員的工作強度，通過道口遠程智能控制逐步實現(xiàn)過車自動報警、道口欄桿自動起落，實現(xiàn)道口遠程集控，撤銷道口現(xiàn)場看守人員。

3 貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

基于上述需求分析，鐵路運輸智能化系統(tǒng)設(shè)計以調(diào)度智能化為核心，通過與公司ERP系統(tǒng)接口，獲取現(xiàn)車、裝卸、生產(chǎn)計劃等各種作業(yè)實績數(shù)據(jù)，為調(diào)車計劃智能編排提供依據(jù)，通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)實時獲取站場設(shè)備狀態(tài)、機車位置信息，為最優(yōu)化計劃生成提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；通過信號集中控制、道口遠程控制、機車自動跟蹤實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的自動化、無人化控制；通過有線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建安全、可靠的信息傳輸通道。系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計包括兩個層次、8個子系統(tǒng)，分別為：智能管理層的計劃智能編排子系統(tǒng)、鐵運物流子系統(tǒng)，自動控制層的調(diào)度集中控制子系統(tǒng)、全電子計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)、道口集中控制子系統(tǒng)、車號識別子系統(tǒng)、機車無線作業(yè)子系統(tǒng)。整體架構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分析

鐵路運輸智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流以計劃智能編排子系統(tǒng)、調(diào)度集中控制子系統(tǒng)為核心實現(xiàn)了智能調(diào)度和自動控制，下面對智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)流做進一步分析：

（1）系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)流為：生產(chǎn)計劃、階段計劃→調(diào)車作業(yè)計劃→進路信息→信號設(shè)備控制命令→設(shè)備實時狀態(tài)→清鉤執(zhí)行信息→現(xiàn)場跟蹤變化信息；

（2）計劃智能編排系統(tǒng)數(shù)據(jù)流包括：從外部系統(tǒng)公司ERP獲取生產(chǎn)計劃、階段系統(tǒng)信息，通過智能編排算法生成調(diào)車計劃并傳輸給調(diào)度集中控制子系統(tǒng)、機車無線作業(yè)子系統(tǒng)、鐵路物流子系統(tǒng)，從機車無線作業(yè)子系統(tǒng)獲取機車實時位置數(shù)據(jù)、從調(diào)度集中控制子系統(tǒng)獲取清鉤時間和清鉤命令，從鐵路物流子系統(tǒng)獲取現(xiàn)車、裝卸數(shù)據(jù)，為計劃智能編排提供依據(jù)和觸發(fā)時機；

（3）調(diào)度集中子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流包括：從計劃智能編排子系統(tǒng)獲取調(diào)車計劃，從全電子計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)獲取設(shè)備狀態(tài)信息，根據(jù)鉤計劃信息和聯(lián)鎖區(qū)段占用、空閑順序完成機車位置跟蹤、進路自動預(yù)排和自動清鉤，將清鉤命令和清鉤時間發(fā)送給計劃智能編排子系統(tǒng)，將自動開放的進路信息發(fā)送給全電子計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)，將全廠設(shè)備狀態(tài)信息整體發(fā)送給調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)；

（4）鐵路物流子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流包括：從車號識別子系統(tǒng)讀取進出廠的車號、車型與換長信息，從公司ERP讀取對應(yīng)車號的貨物品名、重量信息，完成路局車輛進廠匹配與出廠銷車，從計劃智能編排子系統(tǒng)獲取調(diào)車計劃和清鉤命令，根據(jù)現(xiàn)車跟蹤算法自動更新車輛位置和狀態(tài)信息，并將結(jié)果反饋給計劃智能編排子系統(tǒng)，同時所有信息存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；

（5）機車無線作業(yè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流包括：從計劃智能編排子系統(tǒng)獲取調(diào)車計劃，從調(diào)度集中控制子系統(tǒng)獲取信號、道岔和軌道狀態(tài)，結(jié)合自身GPS跟蹤定位信息與軌道狀態(tài)變化信息，通過跟蹤定位復(fù)核算法計算出機車的實時、準確位置信息，并將此信息提供給調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)、計劃智能編排子系統(tǒng)；

（6）其它相關(guān)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流包括：全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)從調(diào)度集中系統(tǒng)獲取進路控制命令，驅(qū)動信號開放、道岔轉(zhuǎn)換和道口開放，并采集它們的狀態(tài)信息上報給調(diào)度集中控制子系統(tǒng)，道口智能控制子系統(tǒng)負責根據(jù)全電子計算機聯(lián)鎖命令，智能化、無人化的自動開關(guān)道口，調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)將從其它子系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)信息在人機界面上以鐵路信號平面圖形式綜合展示，包括機車和車輛位置、貨物及狀態(tài)、各種設(shè)備實時狀態(tài)信息、各種報警信息等。

系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

5 貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)的核心技術(shù)處理及功能實現(xiàn)

（1）貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)以Java和.NET技術(shù)為基礎(chǔ)，采用B/S和C/S混合模式為總體設(shè)計，并通過Socket通信實現(xiàn)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，通過Web Service實現(xiàn)與公司ERP系統(tǒng)間的消息傳遞；

（2）系統(tǒng)設(shè)計采用統(tǒng)一的通信服務(wù)器來完成有線與無線的多客戶端數(shù)據(jù)互傳，設(shè)計統(tǒng)一的鏈路層通信協(xié)議，在此基礎(chǔ)上設(shè)計不同的應(yīng)用層通信協(xié)議，鏈路層協(xié)議完成了數(shù)據(jù)尋址、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)分包、數(shù)據(jù)重發(fā)等功能，應(yīng)用子系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用協(xié)議與統(tǒng)一的通信服務(wù)器交互數(shù)據(jù)即可。

（3）系統(tǒng)各子系統(tǒng)均采用程序、數(shù)據(jù)分離的設(shè)計思想，系統(tǒng)通過圖形化的工具軟件生成站場組態(tài)通用靜態(tài)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可供各子系統(tǒng)使用，站場設(shè)備增減變化時，只需要通過工具軟件修改并更新靜態(tài)數(shù)據(jù)即可，各客戶端程序、配置信息均無需更新。

（4）采用人工智能技術(shù)完成計劃智能編排，包括：

①采用結(jié)構(gòu)化描述語言，將生產(chǎn)計劃信息描述為系統(tǒng)理解和識別的規(guī)則語言、表達式；

②針對貴冶鐵路編組站的鐵路運輸特點，建立計劃運行規(guī)則、調(diào)車時間模型，比如：以尾礦庫作業(yè)建立基準的股道、車輛與時間模型；

③建立數(shù)據(jù)倉庫，收集存儲接口數(shù)據(jù)、站場狀態(tài)數(shù)據(jù)、現(xiàn)車數(shù)據(jù)、機車位置數(shù)據(jù)等；

④智能推理模塊采用蟻群算法、最短路徑算法等逐條分析計劃任務(wù)表達式，求解出最優(yōu)的調(diào)度方案；

⑤計劃解析器將調(diào)度方案解析為符合貴冶標準作業(yè)格式的行車調(diào)車作業(yè)計劃；

⑥仿真執(zhí)行模塊對編制后的計劃進行仿真執(zhí)行，驗證計劃的合理性和執(zhí)行效率；

⑦專家系統(tǒng)模塊收集用戶對自動編制計劃的手工調(diào)整數(shù)據(jù)，自動補充、完善調(diào)度規(guī)則，并應(yīng)用于新計劃的編制。

⑧涉及安全的關(guān)鍵設(shè)備和軟件均采用雙機熱備方式，包括：全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖機、通信機、控顯機，調(diào)度集中控制子系統(tǒng)的主控機，鐵路物流子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，道口智能控制子系統(tǒng)的主控PLC，機車無線作業(yè)子系統(tǒng)的通信服務(wù)器軟件。

6 貴冶鐵路運輸智能化系統(tǒng)應(yīng)用效果

通過全電子計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)能夠自動記錄各種站場數(shù)據(jù)、電務(wù)機軌道電路自動采集、系統(tǒng)設(shè)置遠程診斷功能，并提供完善的故障定位與故障診斷，為行車管理人員提供便利的可視化監(jiān)控條件。將其與鐵運物流應(yīng)用系統(tǒng)及ERP進行集成和無縫對接，將物流系統(tǒng)中的物流信息（車輛、貨物、機車等信息）進行動態(tài)整合后形成系統(tǒng)全景圖在在調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)大屏上進行展示，可實現(xiàn)“信息流”、“物資流”和“資金流”的三流合一。利用聯(lián)鎖系統(tǒng)提供的標準網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，將運輸過程中所采集到各作業(yè)環(huán)節(jié)的實際作業(yè)節(jié)點時間、傳遞到物流應(yīng)用系統(tǒng)可形成電子作業(yè)大表；將聯(lián)鎖數(shù)據(jù)單向傳輸至設(shè)備管理系統(tǒng)可供設(shè)備管理人員查看，同時維修人員和設(shè)計人員可遠程或異地對系統(tǒng)進行故障診斷維護和室內(nèi)外設(shè)備的故障排除。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)作為鐵路信息化和自動化改造建設(shè)項目的最基礎(chǔ)設(shè)施，其互聯(lián)互通和可擴展性也非常優(yōu)秀，該系統(tǒng)能夠與機車安控系統(tǒng)、鐵路運輸信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)緊密融合［5］，在機車上安裝車載RTK和北斗差分設(shè)備可實現(xiàn)對機車進行股道精準定位和作業(yè)狀態(tài)實時監(jiān)督。

通過調(diào)度集中系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)等其它設(shè)施，利用計算機、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)倉庫、人工智能與智能信息處理等技術(shù)，根據(jù)鐵運生產(chǎn)作業(yè)計劃需求并結(jié)合鐵路站場、相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)所反饋的實時信息，完成鐵路運輸調(diào)度作業(yè)計劃的智能分析和自動編排。全面實現(xiàn)作業(yè)基礎(chǔ)信息自動采集、鐵路作業(yè)計劃智能編排、鐵路信號自動預(yù)排及行車作業(yè)計劃自動清鉤執(zhí)行。其中，車號識別系統(tǒng)的有效應(yīng)用，可代替人工記錄貨車車號和進出站點時間的工作方式，保證數(shù)據(jù)及時性、準確性和連貫性，并提高貨車交接作業(yè)效率，減輕作業(yè)人員勞動強度，提升鐵路運輸信息化、管理智能化水平［6］。

鐵運智能化改造項目完成并全面投入運行后，有效提高了機車、線路的利用率、加快車輛周轉(zhuǎn)、降低鐵路貨車延時和鐵路貨車延時費，進一步規(guī)范現(xiàn)場操作人員的標準化作業(yè)，減輕各類調(diào)度人員的工作強度，有利于企業(yè)增收節(jié)支、減員增效。

7 結(jié)論

文中依托貴冶原鐵路運輸基礎(chǔ)設(shè)施改造升級項目，研究了信息化、自動化和智能化技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)路線和模型，通過研究和成果的應(yīng)用，得到了以下成果和結(jié)論：

（1）通過鐵路物流運輸應(yīng)用系統(tǒng)、鐵路信號聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)、鐵路車號自動識別系統(tǒng)、道口控制系統(tǒng)及機車無線作業(yè)系統(tǒng)與平面調(diào)車系統(tǒng)的互聯(lián)互通和信息共享，消除了原作業(yè)方式條件下的信息孤島，為行車作業(yè)計劃的智能編排和運輸調(diào)度管理正確決策提供了科學可靠的參考數(shù)據(jù)依據(jù)。

（2）鐵路智能運輸調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用方便了全面、動態(tài)、準確地掌握當前運輸生產(chǎn)信息，實現(xiàn)了對調(diào)度工作質(zhì)量綜合評價和人員資源管理的數(shù)據(jù)化［7］，減少了行車作業(yè)人員的工作量，降低了勞動強度。

下一步研究中，應(yīng)當針對各種復(fù)雜苛刻條件對該技術(shù)進行重點專項研究，特別是偏遠山區(qū)、隧道、橋架及高大建筑物遮擋區(qū)域等特殊環(huán)境的通訊問題以及衛(wèi)星失鎖問題，這也是目前研究和部署過程中遇到的主要問題。