鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系構(gòu)建研究

王丹竹，葉 飛，田宏業(yè)，席江月，于雪嶠

WANG Danzhu1, YE Fei1, TIAN Hongye2, XI Jiangyue1, YU Xueqiao1

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團有限公司 調(diào)度所，北京 100045)

(1.Transportation & Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2.Traffic Control Office, China Railway Beijing Group Co., Ltd., Beijing 100045, China)

1 鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同現(xiàn)狀分析

1.1 現(xiàn)狀

為保障鐵路集裝箱運輸服務(wù)能力，目前全路共規(guī)劃建設(shè)208個一級、二級鐵路物流基地，已建成鐵路貨場約2 180個、鐵路集裝箱中心站18個[1]。絕大多數(shù)鐵路物流基地與鐵路貨場中，均設(shè)置有集裝箱作業(yè)區(qū)，為客戶提供集裝箱的裝卸、存儲、運輸、集散、維修等服務(wù)，部分場站還可以提供掏裝箱服務(wù)。

鐵路集裝箱場站通?？梢苑譃橹髯鳂I(yè)區(qū)、輔助箱區(qū)、掏裝箱區(qū)、箱修區(qū)、集卡停車場、辦公區(qū)和生活服務(wù)區(qū)等功能區(qū)[2]，場站內(nèi)包括門吊、正面吊、集卡、自動引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle，AGV)、鐵路貨車、叉車、廂式貨車、集裝箱和托盤等移動裝備，裝卸線、集裝箱堆場、集卡裝卸停車位、集卡停車場、道路、門閘、汽車衡等固定設(shè)施，以及參與生產(chǎn)的管理人員、內(nèi)外勤作業(yè)人員、門吊司機、集卡司機、叉車司機、廂式貨車司機、門衛(wèi)等工作人員。鐵路集裝箱場站設(shè)施設(shè)備配置示意圖如圖1所示。

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同的核心任務(wù)，是在集裝箱集疏運、公鐵側(cè)裝卸車、集裝箱堆存、掏裝箱等業(yè)務(wù)場景中，實現(xiàn)門吊、正面吊、集卡、AGV、叉車、廂式貨車、門閘和人員的集中調(diào)度、協(xié)同作業(yè)，以提高場站的綜合服務(wù)能力。物流要素間調(diào)度協(xié)同的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)信息的自動化采集和管理，以及基于裝備、人員、堆場等數(shù)據(jù)信息的一體化作業(yè)方案編制，最終通過智能化作業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)要素的智能調(diào)度、協(xié)同作業(yè)。由于當(dāng)前部分鐵路集裝箱場站的信息化、智能化水平還相對較低，對于集裝箱場站內(nèi)資源要素的配置、調(diào)度和使用更多依賴于作業(yè)人員的經(jīng)驗，采用人工方式進行管理和操作。因此，隨著鐵路貨運市場化改革進程的推進，如何實現(xiàn)提質(zhì)增效，提升鐵路貨運場站經(jīng)營能力，更加科學(xué)合理高效地調(diào)配鐵路集裝箱場站各類資源要素，是鐵路物流智能化發(fā)展亟待解決的問題之一。

1.2 存在問題

圖1 鐵路集裝箱場站設(shè)施設(shè)備配置示意圖Fig.1 Facilities and equipment configuration in railway container yard

（1）信息化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集手段有待加強。與社會物流園區(qū)相比，鐵路集裝箱場站信息化發(fā)展相對滯后，設(shè)施設(shè)備配置自動化、智能化水平不足，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)源點系統(tǒng)建設(shè)不完善，對于裝備的時空位置信息、作業(yè)狀態(tài)信息和人員的作業(yè)信息無法實時采集掌握。例如，無法采集門吊、集卡、集裝箱實時位置信息，難以實現(xiàn)三者統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)同作業(yè)；智能門閘普及率低，難以實現(xiàn)車輛預(yù)約管控、集卡智能引導(dǎo)，極易導(dǎo)致繁忙場站集卡司機等待時間過長，加大周邊交通壓力。

（2）信息傳輸鏈路有待完善升級。既有場站無線通信系統(tǒng)仍以2G/3G/4G為主，難以滿足高帶寬、低延遲、高可靠性信息傳輸要求，有線通信系統(tǒng)雖然配備有光纖、光纜傳輸路徑，但在移動裝備的遠(yuǎn)控、調(diào)度作業(yè)中，靈活性不足，對于集卡、正面吊等移動裝備均難以利用。例如，門吊遠(yuǎn)控裝備利用4G以下無線傳輸系統(tǒng)，則延遲過高難以滿足實時控制精度要求，利用有線傳輸系統(tǒng)，則需配備長距離光纖、光纜，靈活性不足且成本較高。

（3）智能化數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)建設(shè)水平有待提升。傳統(tǒng)鐵路集裝箱場站以設(shè)施設(shè)備獨立調(diào)度為主，缺乏智能調(diào)度決策管理系統(tǒng)，方案編制及資源調(diào)度完全依托作業(yè)人員經(jīng)驗，手動編制、人工作業(yè)，作業(yè)調(diào)度的全局最優(yōu)性、系統(tǒng)科學(xué)性、快速響應(yīng)能力不足。例如，在編制門吊、正面吊、集卡裝卸作業(yè)計劃時，是獨立編制各類裝備的作業(yè)計劃，依托貨運員手動編制，難以實現(xiàn)不同裝備間的協(xié)同作業(yè)、統(tǒng)一調(diào)度，易導(dǎo)致裝備間利用率不均衡、相互等待時間長，不利于總作業(yè)時長和運營成本的降低。

（4）自動化作業(yè)管理信息平臺研發(fā)有待推進。受到信息化、智能化技術(shù)水平限制，鐵路集裝箱場站現(xiàn)代化、自動化的智能作業(yè)系統(tǒng)配置不足，不利于“公鐵側(cè)裝卸車”與“集裝箱堆存管理”的聯(lián)合調(diào)度，難以實現(xiàn)場站內(nèi)各類作業(yè)資源的“一張圖”全局調(diào)度協(xié)同優(yōu)化，突發(fā)事件響應(yīng)較慢。例如，依托人工調(diào)度管理，為充分保證作業(yè)安全，通常需要在完成鐵路貨車裝卸作業(yè)后，再進行集卡裝卸作業(yè)，鐵路貨車與集卡直裝直卸比率低、作業(yè)協(xié)調(diào)難度大，對于提升集卡利用效率、提升箱區(qū)箱位周轉(zhuǎn)效率、減少門吊走行距離、降低集卡司機等待時間成本等非常不利[3]。

2 鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系框架

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

調(diào)度協(xié)同優(yōu)化是指依托信息化、智能化技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集源點布設(shè)、智能裝備配置、智能優(yōu)化模型構(gòu)建、信息系統(tǒng)建設(shè)等手段，實現(xiàn)物流系統(tǒng)中不同要素之間的協(xié)同運作、集中調(diào)度和全局優(yōu)化，以達(dá)到整個物流系統(tǒng)的全局最優(yōu)，充分提升資源利用效率，降低運營成本，提高服務(wù)質(zhì)量。鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的目標(biāo)是實現(xiàn)作業(yè)效率的最大化和作業(yè)成本的最小化，通過實現(xiàn)門吊、正面吊、叉車等裝卸設(shè)備，集卡、AGV、廂式貨車等運輸設(shè)備，箱區(qū)箱位、停車位等空間設(shè)施，門閘等輔助設(shè)施之間的統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)鐵路集裝箱場站裝卸系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)間的協(xié)同優(yōu)化，達(dá)到整個場站資源利用的整體最優(yōu)，以及裝備走行路徑、能源消耗、等待時間的綜合最優(yōu)。

與傳統(tǒng)鐵路集裝箱場站設(shè)施設(shè)備調(diào)度相比，調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的優(yōu)勢在于，可以利用信息化、智能化手段，實時采集監(jiān)測設(shè)施設(shè)備時間、空間、作業(yè)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)及能耗等信息，實現(xiàn)不同類型裝備間作業(yè)計劃的協(xié)同化編制、場站全流程作業(yè)環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計、客戶物流服務(wù)感受的人性化提升和場站資源要素綜合運用的智能化管理。推進鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化，應(yīng)遵循“以信息手段為基礎(chǔ)、以智能技術(shù)為支撐、以流程再造為途徑、以制度優(yōu)化為保障、以管理升級為核心、以提質(zhì)增效為目標(biāo)”的基本思路，綜合統(tǒng)籌信息采集設(shè)備配置、生產(chǎn)裝備智能改造、智能優(yōu)化模型建設(shè)、作業(yè)系統(tǒng)研發(fā)升級、數(shù)據(jù)分析決策支持等多方資源，建立集科學(xué)性、系統(tǒng)性、實用性、有效性于一體的鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系。

2.2 總體框架

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系建設(shè)，是面向鐵路集裝箱場站資源管理割裂、協(xié)同調(diào)度不足的突出問題，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、云計算、人工智能等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，通過建立覆蓋全面、交互實時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息采集源點系統(tǒng)，建立穩(wěn)定性強、高帶寬、高速度的信息傳輸通道，構(gòu)建數(shù)據(jù)處理能力強、智能計算性能高的智能調(diào)度中心，最終打造集信息化、自動化、智能化于一體的調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系，實現(xiàn)鐵路集裝箱場站內(nèi)各類要素的一體化、協(xié)同、高效、集中調(diào)度，提升資源利用效率，降低綜合運營成本。

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系包含數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、智能處理、作業(yè)應(yīng)用和決策支持5個子系統(tǒng)。其中，集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的主要內(nèi)容，是通過實現(xiàn)門吊、正面吊、集卡、智能門閘、AGV間的協(xié)同集群作業(yè)，提升主作業(yè)區(qū)集裝箱公鐵側(cè)裝卸效率，降低設(shè)備能耗及集卡等待時間，提高直裝直卸比率和集卡停車場利用率；通過實現(xiàn)正面吊、集卡、AGV、廂式貨車、叉車間的協(xié)同集群作業(yè)，提升集裝箱掏裝箱作業(yè)效率，提高服務(wù)質(zhì)量，保障作業(yè)安全；通過實現(xiàn)正面吊、集卡、AGV間的協(xié)同集中調(diào)度，提升輔助箱區(qū)、箱修區(qū)作業(yè)效率，提高集裝箱流轉(zhuǎn)效率和集裝箱堆場利用率。鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系總體框架如圖2所示。

2.3 子系統(tǒng)分析

圖2 鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系總體框架Fig.2 Framework of collaborative optimization system for railway container yard scheduling

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息采集，核心內(nèi)容包括對門吊、正面吊、集卡、AGV、鐵路貨車、叉車、廂式貨車、集裝箱、停車位、集裝箱堆場等設(shè)施設(shè)備以及作業(yè)人員基礎(chǔ)信息的采集，涉及時間信息、空間信息、作業(yè)狀態(tài)信息、設(shè)備狀態(tài)信息和能耗信息等。移動裝備及人員的時空信息采集主要依托車載定位裝備、定位芯片磁卡、手機、手持終端、視頻采集設(shè)備、磁釘系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等；作業(yè)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)信息主要通過傳感器、紅外設(shè)備、視頻采集設(shè)備、電磁系統(tǒng)、智能遠(yuǎn)控設(shè)備等進行采集；能耗信息通過在設(shè)備上安裝智能電表進行采集。采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)采集管理信息系統(tǒng)予以收集、處理、存儲，通過信息傳輸子系統(tǒng)進行傳遞。

（2）信息傳輸子系統(tǒng)。信息傳輸子系統(tǒng)是不同終端、設(shè)備、系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)臉蛄?，伴隨我國5G移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，在既有的光纖有線通信、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、2G/3G/4G無線通信系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于5G的無線信息傳輸通道具備更高的傳輸速度、穩(wěn)定性、帶寬以及更強的多終端接入能力。依托自建5G基站，鐵路集裝箱場站能夠建立傳輸速度更快、穩(wěn)定性更強的信息傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)源點采集到的視頻、音頻、圖像、文本等多類型數(shù)據(jù)信息在不同系統(tǒng)間實時無損傳輸。

（3）智能處理子系統(tǒng)。智能處理子系統(tǒng)是鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系的“大腦”，也是實現(xiàn)資源協(xié)同、集中調(diào)度的智能指揮中心。該子系統(tǒng)由智能優(yōu)化模型庫、人工智能算法庫、大數(shù)據(jù)分析處理算法庫、資源協(xié)同調(diào)度機制、數(shù)據(jù)處理軟硬件設(shè)備和作業(yè)規(guī)范及規(guī)章制度保障體系組成。其中，模型庫中以總作業(yè)時間最短、總經(jīng)濟成本最低和總等待時間最短為目標(biāo)，構(gòu)建整個系統(tǒng)的總體多目標(biāo)優(yōu)化模型，并配套門閘智能管控、車輛路徑優(yōu)化、掏裝箱作業(yè)優(yōu)化、箱修區(qū)作業(yè)優(yōu)化等若干子模型[4-5]。智能算法庫包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火、k-Means聚類、支撐向量機等監(jiān)督式、非監(jiān)督式和半監(jiān)督式機器學(xué)習(xí)算法，以及回歸分析、聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則、Web數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)分析算法[6-7]。

（4）作業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)。經(jīng)過采集、分析、處理、評價后的資源集群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，需要通過不同的物流作業(yè)管理信息系統(tǒng)予以實現(xiàn)和執(zhí)行，如門吊智能控制模塊、AGV智能管理模塊、智能叉車管理模塊、車輛智能管控模塊、集裝箱智能管理模塊、停車位智能管理模塊等[8]。各類不同的功能模塊，共同組成鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系的作業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)，工作人員依托各信息系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備之間、人員之間的信息指令交互，各設(shè)備在智能作業(yè)系統(tǒng)的控制下協(xié)同完成生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)。

（5）決策支持子系統(tǒng)。決策支持子系統(tǒng)的核心目標(biāo)是更好地服務(wù)于管理者，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路集裝箱場站資源要素的“一張圖”動態(tài)實時可視化監(jiān)控展示，場站運營管理數(shù)據(jù)的圖形化、報表展示，以及關(guān)鍵性經(jīng)營決策的智能推薦分析等功能。通過決策支持子系統(tǒng)，管理者可以更好地對設(shè)備配置、設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)流程、人員監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、管理制度、風(fēng)險防范、安全評估、應(yīng)急響應(yīng)、服務(wù)質(zhì)量、經(jīng)營策略等進行及時調(diào)整完善，提升鐵路集裝箱場站的管理水平和經(jīng)營效益。

3 研究結(jié)論

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系建設(shè)涉及資源要素多、作業(yè)流程及業(yè)務(wù)場景復(fù)雜、安全性要求高，需要投入大量軟硬件資源設(shè)備及經(jīng)濟成本，應(yīng)遵循“系統(tǒng)規(guī)劃、分步實施”的思路，分階段、分步驟建設(shè)實施。

（1）建立鐵路集裝箱場站數(shù)據(jù)采集源點?；A(chǔ)數(shù)據(jù)是鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的基礎(chǔ)和根本，數(shù)據(jù)采集源點建設(shè)可以分為裝備配置和施工改造2項主要內(nèi)容。智能化裝備配置和設(shè)備改造，應(yīng)以“充分利舊、節(jié)支降耗”為基本原則，避免造成資源浪費和不必要的運營成本增加。施工改造包括設(shè)施改造和設(shè)備布設(shè)，改造過程需充分做好項目前期可行性研究，施工過程應(yīng)“節(jié)能環(huán)保、安全可靠”。

（2）建立鐵路集裝箱場站智能管理系統(tǒng)。智能管理系統(tǒng)建設(shè)包括應(yīng)用軟件開發(fā)和硬件設(shè)備配置2項主要內(nèi)容[9]。應(yīng)用軟件開發(fā)需緊密結(jié)合集裝箱場站現(xiàn)場作業(yè)要求，在進行作業(yè)流程優(yōu)化重組的同時，還必須滿足基本作業(yè)規(guī)范，確保生產(chǎn)安全。硬件設(shè)備配置應(yīng)充分考慮設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性和可拓展性，能夠滿足現(xiàn)階段智能管理系統(tǒng)的運行需要，并預(yù)留一定的未來系統(tǒng)升級、拓展的空間，具備一定的前瞻性。

（3）建立鐵路集裝箱場站智能調(diào)度數(shù)據(jù)中心。智能調(diào)度數(shù)據(jù)中心建設(shè)是鐵路集裝箱場站調(diào)度管理由“信息化”向“智能化”升級的根本性轉(zhuǎn)變。作為實現(xiàn)資源集中調(diào)度、協(xié)同作業(yè)、全局優(yōu)化的“大腦”和“引擎”，智能調(diào)度數(shù)據(jù)中心建設(shè)應(yīng)包括模型庫、算法庫、協(xié)同機制和智能平臺建設(shè)等內(nèi)容。其中，模型庫、算法庫和協(xié)同機制用于不同資源要素的協(xié)同調(diào)度處理，自動計算生成最優(yōu)調(diào)度方案，并根據(jù)突發(fā)事件進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整[10]；智能平臺建設(shè)是構(gòu)建基于數(shù)據(jù)資源沉淀的鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化大數(shù)據(jù)信息平臺，充分挖掘數(shù)據(jù)資源價值，提升邊際效益。