鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

劉啟鋼，匡代軒，王東君，李 想，孫文橋

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸部，廣西 南寧 530029；3.中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 柳州南站，廣西 柳州 545007)

在國家“公轉(zhuǎn)鐵”政策背景下，鐵路運(yùn)量接近歷史最高水平，鐵路運(yùn)輸能力日趨緊張。作為整個(gè)鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，鐵路編組站、區(qū)段站等車站的運(yùn)營管理水平，將成為鐵路運(yùn)輸能力提升的重要制約因素。傳統(tǒng)車站運(yùn)營管理主要依靠人盯人，屬于粗放式管理模式。管理粗放的根本原因是由于車站生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)鏈不完整，導(dǎo)致車站管理層與作業(yè)層之間信息不對稱。打破這種信息不對稱的被動(dòng)局面，需要以依靠智能化技術(shù)為支撐、以作業(yè)人員時(shí)空位置監(jiān)控為主線，構(gòu)建全面支撐“人員設(shè)備管理、作業(yè)過程管理、生產(chǎn)安全防護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析管理”業(yè)務(wù)的完整數(shù)據(jù)鏈。車務(wù)場站智能化是指利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，能動(dòng)地滿足車站運(yùn)營管理的各種需求，其核心特征在于信息主動(dòng)感知、生產(chǎn)自動(dòng)組織、管理數(shù)據(jù)決策三大特征。目前關(guān)于車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化領(lǐng)域的研究主要在車站管理信息系統(tǒng)、安全管理評價(jià)、智能技術(shù)應(yīng)用等方面[1-8］。為此，在分析現(xiàn)有車務(wù)場站運(yùn)營管理問題的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)信息主動(dòng)感知、生產(chǎn)自動(dòng)組織、管理數(shù)據(jù)決策為導(dǎo)向，進(jìn)一步探討鐵路車站運(yùn)營管理智能化技術(shù)。

1 鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化分析

1.1 車站現(xiàn)狀分析

我國有鐵路車站數(shù)千個(gè)，其中編組站69個(gè)、區(qū)段站278個(gè)，構(gòu)成了鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的樞紐節(jié)點(diǎn)體系，保障鐵路運(yùn)輸組織暢通。編組站尤其是路網(wǎng)性編組站技術(shù)水平較高，區(qū)段站次之，其他中間站比較落后。以路網(wǎng)性編組站為例，主要配備了編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(SAM)或編組站綜合集成自動(dòng)化系統(tǒng)(CIPS)，實(shí)現(xiàn)車站解編作業(yè)自動(dòng)化管理；配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對車站作業(yè)的全面監(jiān)控；部分配備了平面調(diào)車系統(tǒng)、無線調(diào)車系統(tǒng)、貨檢系統(tǒng)、作業(yè)視頻記錄儀系統(tǒng)、列尾管理系統(tǒng)、智能鐵鞋管理系統(tǒng)等。這些技術(shù)裝備系統(tǒng)的應(yīng)用，不斷提高了車站的安全管理及效率水平。其中，路網(wǎng)性編組站具有車務(wù)系統(tǒng)場站最高的管理水平，但依然存在著以下方面的問題：①車站信息系統(tǒng)缺乏頂層設(shè)計(jì)，各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，無法支撐數(shù)據(jù)集中管理和共享的需要；②不能實(shí)現(xiàn)對車站作業(yè)人員、裝備、設(shè)備等主要生產(chǎn)要素的全過程監(jiān)控，從根本上不能支撐構(gòu)建完整數(shù)據(jù)鏈的目標(biāo)；③安全防護(hù)技術(shù)水平有待提高，在平面調(diào)車、長距離頂送、防溜等方面，還主要以人控為主；④車站精細(xì)化管理手段有待優(yōu)化，還不能基于歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題、分類施策。

1.2 車站運(yùn)營管理分析

車站運(yùn)營管理，是通過收集各類生產(chǎn)要素信息，編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，合理調(diào)配車站作業(yè)人員和設(shè)施設(shè)備，為提高車站作業(yè)安全和運(yùn)輸生產(chǎn)效率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度指揮，實(shí)現(xiàn)車站的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。可以看出，各類生產(chǎn)要素的狀態(tài)信息，是車站運(yùn)營管理的基礎(chǔ)。車站生產(chǎn)組織具有典型的集中統(tǒng)一指揮特性，要求生產(chǎn)指揮中樞能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地掌握全站作業(yè)人員、技術(shù)裝備、基礎(chǔ)設(shè)施情況，這就需要有強(qiáng)大的信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)有車站相關(guān)管理系統(tǒng)還沒有形成車站運(yùn)營管理的主數(shù)據(jù)鏈，難以支撐業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)信息主動(dòng)感知、生產(chǎn)自動(dòng)組織、管理數(shù)據(jù)決策。

1.3 車站運(yùn)營管理智能化分析

從車站運(yùn)營管理實(shí)質(zhì)來看，實(shí)現(xiàn)車務(wù)場站智能化的核心，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素時(shí)空位置的實(shí)時(shí)管理，可以概括為：車務(wù)場站運(yùn)營管理=時(shí)間管理+位置管理+事件管理。車站作業(yè)主要包括調(diào)車、貨檢、列檢等作業(yè)，涉及各類作業(yè)人員、移動(dòng)裝備、車務(wù)設(shè)備，因而人員、裝備、設(shè)備等移動(dòng)物作為主要生產(chǎn)要素，其時(shí)空位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控是重點(diǎn)。根據(jù)車站作業(yè)的人機(jī)交互特性，可以以作業(yè)人員監(jiān)控為主線，實(shí)現(xiàn)其他裝備、設(shè)備的時(shí)空位置實(shí)時(shí)監(jiān)控。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)全球組網(wǎng)，具備提供全球精確定位的服務(wù)能力。因此，基于北斗導(dǎo)航，可以實(shí)現(xiàn)車站作業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)源點(diǎn)，打通車站運(yùn)營管理數(shù)據(jù)鏈。

基于以上分析，鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化，是以統(tǒng)一信息源點(diǎn)為基礎(chǔ)、打通數(shù)據(jù)鏈為核心的運(yùn)營管理體系重構(gòu)。因此，針對車務(wù)場站運(yùn)營管理數(shù)據(jù)鏈不完整的問題，以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源點(diǎn)為突破口，提出車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化“三統(tǒng)一”思路，即統(tǒng)一數(shù)據(jù)源點(diǎn)、統(tǒng)一管理平臺(tái)、統(tǒng)一業(yè)務(wù)應(yīng)用。統(tǒng)一數(shù)據(jù)源點(diǎn)是打通數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)，統(tǒng)一管理平臺(tái)是數(shù)據(jù)集成應(yīng)用的關(guān)鍵，統(tǒng)一業(yè)務(wù)應(yīng)用是數(shù)據(jù)共享的目的。在“三統(tǒng)一”核心思路下，探討鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

2 鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

鐵路車務(wù)場站智能化，是對車站運(yùn)營管理數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用，需要通過頂層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、互聯(lián)互通。頂層設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮4個(gè)方面的因素：一是以打通車站運(yùn)營管理主數(shù)據(jù)鏈為目標(biāo)，統(tǒng)一車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)數(shù)據(jù)源點(diǎn)；二是兼顧車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和既有信息系統(tǒng)資源利用的最大化；三是精細(xì)化運(yùn)營管理對于數(shù)據(jù)分析智能化技術(shù)需求；四是安全防護(hù)智能化技術(shù)需求。

基于以上考慮，提出車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)設(shè)計(jì)思路如下：以作業(yè)人員、機(jī)車車輛、小型移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)高精度定位為核心，將智能手持終端作為車站運(yùn)營管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互的惟一入口，集成應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航、電子地圖、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車務(wù)作業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，集成車站車務(wù)作業(yè)相關(guān)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、平面調(diào)車系統(tǒng)、無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)(STP)、編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、作業(yè)記錄儀、長距離調(diào)車頂送防護(hù)等系統(tǒng)或裝備，全面覆蓋車務(wù)場站作業(yè)的人員設(shè)備管理、作業(yè)安全防護(hù)、作業(yè)過程管理、運(yùn)營統(tǒng)計(jì)分析等管理領(lǐng)域，研發(fā)鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車務(wù)作業(yè)可視化、數(shù)字化和精細(xì)化管理，打造車站車務(wù)作業(yè)本質(zhì)安全，提高車站車務(wù)作業(yè)效率。

2.2 功能構(gòu)成

車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航為核心打通運(yùn)營管理數(shù)據(jù)鏈，以車務(wù)場站運(yùn)營管理 “三統(tǒng)一”推動(dòng)安全防護(hù)智能化和運(yùn)營管理精細(xì)化發(fā)展。根據(jù)車站運(yùn)營管理涉及人員設(shè)備管理、作業(yè)安全防護(hù)、作業(yè)過程管理和統(tǒng)計(jì)分析管理4個(gè)領(lǐng)域，圍繞車站運(yùn)營管理實(shí)際需求，車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)功能主要設(shè)計(jì)4大類12項(xiàng)業(yè)務(wù)功能。車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)功能構(gòu)成如圖1所示。

圖1 車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)功能構(gòu)成Fig.1 Function composition of train depot operation management intelligent platform

（1）人員設(shè)備管理主要包括人員管理、設(shè)備管理。結(jié)合車站電子地圖、電子標(biāo)簽，以衛(wèi)星定位為主，輔以其他定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備在車站全過程、全天候的可視化管理。人員管理主要實(shí)現(xiàn)車站行車、調(diào)車、貨運(yùn)、列檢等各類作業(yè)人員管理，運(yùn)用衛(wèi)星定位實(shí)現(xiàn)人員時(shí)空位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)用作業(yè)記錄儀實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程全程留痕。設(shè)備管理主要實(shí)現(xiàn)鐵鞋、防護(hù)信號(hào)、手閘等設(shè)備的領(lǐng)取、安裝、拆除、回庫的全過程管理。

（2）作業(yè)安全防護(hù)主要包括平調(diào)安全防護(hù)、長距離頂送安全防護(hù)和非集中區(qū)安全防護(hù)。根據(jù)車站主要安全防護(hù)業(yè)務(wù)場景需求，采用不同的技術(shù)或裝備化解作業(yè)安全隱患。平調(diào)安全防護(hù)利用衛(wèi)星高精度定位，化解平面調(diào)車超速連掛的問題。長距離頂送安全防護(hù)主要利用圖像壓縮和高速對傳技術(shù)，解決頂送作業(yè)前方瞭望問題。非集中區(qū)安全防護(hù)主要采用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，解決非集中區(qū)安全防護(hù)的建設(shè)成本、運(yùn)維成本高的問題。

（3）作業(yè)過程管理主要包括異常視頻聯(lián)動(dòng)、貨檢作業(yè)監(jiān)控、人員健康監(jiān)測、峰頂提鉤提示和列尾運(yùn)用監(jiān)控。作業(yè)過程管理，是利用衛(wèi)星定位技術(shù)，結(jié)合視頻技術(shù)、電子標(biāo)簽、健康監(jiān)測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)的全過程管理。異常視頻聯(lián)動(dòng)，是通過作業(yè)人員軌跡確定人員的作業(yè)異常事件，聯(lián)動(dòng)視頻數(shù)據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場情況。貨檢作業(yè)監(jiān)控，是運(yùn)用定位技術(shù)和沉浸式視頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)貨檢作業(yè)過程留痕和重點(diǎn)車輛提示，解決作業(yè)人員檢查不到位的問題。人員健康監(jiān)測，是結(jié)合體征監(jiān)測技術(shù)和人員定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人員健康監(jiān)測和突發(fā)情況處置。峰頂提鉤提示，是利用定位技術(shù)解決提鉤車輛和地點(diǎn)的提示。列尾運(yùn)用監(jiān)控，是利用定位技術(shù)和電子標(biāo)簽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列尾臺(tái)賬規(guī)范管理、安裝質(zhì)量監(jiān)控。

（4）統(tǒng)計(jì)分析管理主要包括效率考核分析和安全考核分析。統(tǒng)計(jì)分析管理是通過車站運(yùn)營管理數(shù)據(jù)的挖掘分析，實(shí)現(xiàn)車站作業(yè)的精細(xì)化管理。效率考核分析主要針對各類作業(yè)人員、調(diào)車機(jī)車，進(jìn)行工作量分析和考核。作業(yè)人員考核分析，主要通過工作時(shí)間、任務(wù)量、工作質(zhì)量等方面的統(tǒng)計(jì)分析，評估人員績效，計(jì)算人員工資，同時(shí)為人員調(diào)配管理提供量化依據(jù)。調(diào)車機(jī)車考核分析，主要對調(diào)車機(jī)作業(yè)時(shí)間、輔助作業(yè)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為優(yōu)化調(diào)車機(jī)運(yùn)用、結(jié)算提供量化依據(jù)。安全考核分析主要通過數(shù)據(jù)挖掘，分析車站安全隱患，給出重點(diǎn)人員、重點(diǎn)區(qū)段、重點(diǎn)時(shí)段的安全預(yù)警提示。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化平臺(tái)是基于“三統(tǒng)一”設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)管理層和作業(yè)層的信息對稱。技術(shù)難點(diǎn)主要集中在打通數(shù)據(jù)鏈、安全智能防護(hù)和數(shù)據(jù)挖掘分析3個(gè)方面。打通數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菢?gòu)建以人員定位核心的主數(shù)據(jù)鏈，難點(diǎn)在于，一是從底層統(tǒng)一數(shù)據(jù)源點(diǎn)，需要通過研發(fā)智能手持終端解決；二是信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，需要通過圖像識(shí)別技術(shù)解決。安全智能防護(hù)的難點(diǎn)在于開發(fā)適用于平調(diào)、長距離頂送等場景的安全防護(hù)模型。數(shù)據(jù)挖掘分析的難點(diǎn)在于構(gòu)建效率、安全考核評價(jià)的數(shù)據(jù)模型。因此，著重探討智能手持終端開發(fā)、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取、安全防護(hù)模型開發(fā)和數(shù)據(jù)挖掘模型開發(fā)4個(gè)方面。

（1）智能手持終端開發(fā)。未來車站運(yùn)營管理精細(xì)化，應(yīng)以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為輔。現(xiàn)有視頻監(jiān)控、作業(yè)記錄儀產(chǎn)生的是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)過程和作業(yè)場所的全覆蓋，但是不利于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的深度挖掘和應(yīng)用，不能成為主數(shù)據(jù)鏈。傳統(tǒng)平調(diào)手臺(tái)還未實(shí)現(xiàn)智能化，只能用于平面調(diào)車作業(yè)，承載不了其他業(yè)務(wù)應(yīng)用。同時(shí)，調(diào)車手臺(tái)屬于認(rèn)證產(chǎn)品，是數(shù)據(jù)源點(diǎn)統(tǒng)一的難點(diǎn)。為便于車站運(yùn)營管理智能化，需要考慮開發(fā)智能手持終端，整合平調(diào)手臺(tái)、智能手機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)各類作業(yè)信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一進(jìn)出。

（2）信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取。接發(fā)車、調(diào)車進(jìn)路數(shù)據(jù)是車站運(yùn)輸生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。進(jìn)路數(shù)據(jù)獲取理論上存在接口直連和間接獲取2種方式。接口直連是直接接入信號(hào)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，但是由于信號(hào)系統(tǒng)涉及行車安全，數(shù)據(jù)接口開放的難度極大。間接獲取是在網(wǎng)絡(luò)物理隔離的條件下，采用圖像識(shí)別的方式，利用進(jìn)路辦理顏色變化的特性，開發(fā)圖像識(shí)別軟件，獲取進(jìn)路辦理信息。從目前技術(shù)進(jìn)展來看，利用圖像識(shí)別間接獲取，是比較可行的方案，其核心在于圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性。

（3）安全防護(hù)模型開發(fā)。車站運(yùn)輸生產(chǎn)具有人員多、分布廣、任務(wù)重等特點(diǎn)，安全防護(hù)智能化是難點(diǎn)。盡頭線防護(hù)、平面調(diào)車防護(hù)、非集中區(qū)防護(hù)等，都需要對移動(dòng)設(shè)備的時(shí)空位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的高精度定位數(shù)據(jù)，結(jié)合車站電子地圖數(shù)據(jù)，開發(fā)基于時(shí)空關(guān)系管理的安全防護(hù)模型，研發(fā)適應(yīng)各類作業(yè)場景的安全防護(hù)技術(shù)和裝備，如多組連掛防護(hù)系統(tǒng)、長距離頂送安全防護(hù)系統(tǒng)、非集中區(qū)道岔防護(hù)系統(tǒng)等。

（4）數(shù)據(jù)挖掘模型開發(fā)。車站日常運(yùn)輸生產(chǎn)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘，能夠?yàn)檐囌揪?xì)化管理提供量化支撐。按照數(shù)據(jù)挖掘的目的，可以分為安全數(shù)據(jù)挖掘、效率數(shù)據(jù)挖掘2類。模型構(gòu)建的思路，是基于車站大量運(yùn)營管理數(shù)據(jù)，利用聚類分析、頻次分析等分析工具，構(gòu)建規(guī)律性統(tǒng)計(jì)模型和趨勢性推演模型。在安全方面，實(shí)現(xiàn)對車站重點(diǎn)人員、重點(diǎn)設(shè)備、重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)時(shí)段的識(shí)別，以及安全隱患、事故預(yù)警；在效率方面，實(shí)現(xiàn)對人員、機(jī)車、設(shè)備的效率、能力、態(tài)度等一個(gè)或多個(gè)方面的考核分析，為資源調(diào)配、績效核定提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語

鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化是鐵路挖潛提效、內(nèi)涵發(fā)展的必然方向。目前，全路主要大站還處于前期探索階段，沒有形成系統(tǒng)性解決方案。利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星高精度定位，從技術(shù)上提供了打通車站運(yùn)營管理數(shù)據(jù)鏈的可能，是車站運(yùn)營管理智能化的技術(shù)發(fā)展方向。目前，鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化工作已經(jīng)在柳州南站試點(diǎn)應(yīng)用一期工程，主要實(shí)現(xiàn)了人員定位、設(shè)備管理等功能，在總體規(guī)劃方案下，正在推進(jìn)貨檢作業(yè)監(jiān)控、平面調(diào)車防護(hù)、長距離頂送防護(hù)、非集中區(qū)防護(hù)等開發(fā)工作。相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，還需要進(jìn)一步研究突破，以推動(dòng)我國鐵路車務(wù)場站運(yùn)營管理智能化發(fā)展。