徐永梅,余 淮,王 晶
XU Yongmei, YU Huai, WANG Jing
(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所,北京 100081)
(Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)
編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(Synthetic Automation of Marshalling Yard,SAM)是指將列車到達(dá)、解體、編組、出發(fā)、調(diào)度指揮和計(jì)劃管理等全部活動(dòng)作為一個(gè)不可分割的整體,組合形成管控一體的智能閉環(huán)系統(tǒng)[1],實(shí)現(xiàn)行車、調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行的自動(dòng)化?!惰F路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出加強(qiáng)鐵路行業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)、加大數(shù)據(jù)分析和研發(fā)力度,大力推進(jìn)數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用,提升決策的科學(xué)性,促進(jìn)資源優(yōu)化配置[2]。因此,建立SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái),深入挖掘、利用海量數(shù)據(jù)中潛藏的價(jià)值信息,全面發(fā)揮海量數(shù)據(jù)在作業(yè)智能評(píng)價(jià)、智能執(zhí)行及運(yùn)輸指揮決策支持方面的作用,為推進(jìn)鐵路編組站運(yùn)輸指揮的決策智能化發(fā)展、提升編組站運(yùn)輸效力提供更加有力的技術(shù)支撐。
隨著鐵路信息化發(fā)展和運(yùn)輸組織需求的不斷提升,更加安全高效的自動(dòng)化、智能化發(fā)展是編組站自動(dòng)化系統(tǒng)不斷追求的發(fā)展方向。SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)是在SAM系統(tǒng)基礎(chǔ)上重新整合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源,旨在實(shí)現(xiàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)總體、強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化資源配置。
(1)規(guī)劃數(shù)據(jù)總體。既有SAM系統(tǒng)不同層級(jí)的作業(yè)數(shù)據(jù)存留在各自的子系統(tǒng),彼此交互共享的數(shù)據(jù)有限。SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)立足整個(gè)編組站運(yùn)輸組織,整合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源,構(gòu)建運(yùn)輸作業(yè)信息共享平臺(tái),從宏觀角度梳理數(shù)據(jù)流程,規(guī)劃數(shù)據(jù)分類、用途,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與應(yīng)用共享。
(2)強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析。目前作業(yè)過程數(shù)據(jù)的利用更多展現(xiàn)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面,數(shù)據(jù)價(jià)值利用率低。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車到達(dá)、解體、編組和出發(fā)等過程數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與計(jì)算,深化分析運(yùn)輸組織、作業(yè)過程與運(yùn)輸資源間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,分析各環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量與制約因素,為調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行決策提供科學(xué)的指導(dǎo)建議。
(3)優(yōu)化資源配置。既有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)多采用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,難以從多主題角度對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行科學(xué)全面地分析與評(píng)價(jià)。依托智能化的運(yùn)維管理模式,借助智能分析手段,統(tǒng)籌規(guī)劃調(diào)度計(jì)劃、作業(yè)執(zhí)行與運(yùn)輸資源間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮與作業(yè)過程的精細(xì)化管理以及科學(xué)量化的評(píng)價(jià)體系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)編組站資源的優(yōu)化配置。
SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)依托集中控制網(wǎng)和綜合信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)的采集,采用分布式集群服務(wù)架構(gòu)體系,研究面向調(diào)度決策、作業(yè)過程執(zhí)行、作業(yè)評(píng)價(jià)分析和運(yùn)維管理等方向的應(yīng)用服務(wù)。SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。
(1)數(shù)據(jù)源。SAM大數(shù)據(jù)來源于列車調(diào)度指揮系統(tǒng) (TDCS)、車站信息管理系統(tǒng)、集中控制子系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、駝峰系統(tǒng)、無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)、停車器系統(tǒng)和車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等諸多系統(tǒng),這些系統(tǒng)數(shù)據(jù)包含車站靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和作業(yè)過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等。其中,靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括運(yùn)輸統(tǒng)一的基礎(chǔ)字典、技術(shù)資料、站場線路資料、運(yùn)輸規(guī)則(編組計(jì)劃、車流徑路、基本運(yùn)行圖和編組隔離要求等);作業(yè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括列車計(jì)劃、解編計(jì)劃、列車和本務(wù)機(jī)的運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)、調(diào)機(jī)走行和作業(yè)數(shù)據(jù)、進(jìn)路占用時(shí)間、技檢作業(yè)時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)等。
圖1 SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of SAM big data platform based
(2)SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)。綜合當(dāng)前主流大數(shù)據(jù)架構(gòu)[3-5],平臺(tái)依托集中控制信息網(wǎng)和綜合信息網(wǎng),搭建分布式集群服務(wù)平臺(tái),利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、過濾后,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、存儲(chǔ)、分析與服務(wù)功能,深層挖掘分析數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性與預(yù)測性等信息,滿足業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求。其中,數(shù)據(jù)整合指借助大數(shù)據(jù)抽取技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的篩選、加工與整合;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指基于數(shù)據(jù)容量及其類型,選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具實(shí)現(xiàn)對(duì)整合后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ);數(shù)據(jù)分析指根據(jù)不同數(shù)據(jù)服務(wù)需求構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型及算法,建立大數(shù)據(jù)分析引擎,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘與利用;數(shù)據(jù)服務(wù)指大數(shù)據(jù)平臺(tái)借助分析引擎為不同崗位、作業(yè)過程提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢、可視化展示和決策支持等服務(wù)接口。
(3)SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用。研究編組站作業(yè)效率影響因素[6],以提高信息和資源共享程度、減輕人員作業(yè)強(qiáng)度以及提升運(yùn)輸效率為目標(biāo),大數(shù)據(jù)平臺(tái)面向計(jì)劃調(diào)度崗位提供到發(fā)線股道自動(dòng)分配、作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)編制、調(diào)機(jī)運(yùn)用規(guī)劃等決策支持服務(wù);面向車站作業(yè)執(zhí)行崗位提供列車接發(fā)車作業(yè)過程自動(dòng)規(guī)劃、行車風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等服務(wù);面向管理崗位提供作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、能力查定和作業(yè)智能評(píng)價(jià)等服務(wù);面向設(shè)備運(yùn)維崗位提供可視化運(yùn)維平臺(tái)、故障診斷與預(yù)測以及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等服務(wù)。
編組站運(yùn)輸生產(chǎn)各環(huán)節(jié)既相互獨(dú)立又相互制約,各作業(yè)環(huán)節(jié)各自產(chǎn)生大量有價(jià)值的作業(yè)數(shù)據(jù)信息,這些信息不僅是其作業(yè)過程的一種記錄,信息之間也體現(xiàn)當(dāng)時(shí)的作業(yè)場景和作業(yè)模式。SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過抽取、過濾、整合等步驟將運(yùn)輸生產(chǎn)過程中各系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)各作業(yè)過程數(shù)據(jù)的全面共享以及縱向價(jià)值挖掘。通過關(guān)聯(lián)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和過程挖掘等技術(shù)分析作業(yè)數(shù)據(jù)關(guān)系、構(gòu)建量化模型,從而向各環(huán)節(jié)作業(yè)系統(tǒng)提供決策支持服務(wù),實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)—價(jià)值—應(yīng)用”的鏈路循環(huán)。SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用路徑如圖2所示。
智能調(diào)度是指大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于實(shí)時(shí)的調(diào)度計(jì)劃、機(jī)車和車輛狀態(tài)、各環(huán)節(jié)作業(yè)進(jìn)度與歷史作業(yè)數(shù)據(jù)等信息智能感知運(yùn)輸資源與調(diào)度需求的整體態(tài)勢,在調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行間建立數(shù)據(jù)共享反饋機(jī)制,實(shí)現(xiàn)編組站作業(yè)調(diào)度方案的智能化調(diào)整。
(1)到發(fā)線股道自動(dòng)分配與調(diào)整。通過分析到發(fā)線運(yùn)用原則建立到發(fā)線股道分配模型[7],結(jié)合歷史作業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。將計(jì)劃到發(fā)列車的基礎(chǔ)信息(到發(fā)方向、到發(fā)類型和車輛信息等)、當(dāng)前站場資源使用情況、計(jì)劃數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)節(jié)作業(yè)進(jìn)度等因素作為模型輸入,實(shí)現(xiàn)到發(fā)線的自動(dòng)分配與調(diào)整。
(2)鉤計(jì)劃自動(dòng)編制與調(diào)整。鉤計(jì)劃編制過程需要綜合考量車輛狀態(tài)、車流到達(dá)、集結(jié)情況以及站場資源使用情況等諸多因素,過程復(fù)雜且動(dòng)態(tài)調(diào)整頻繁。通過過程挖掘發(fā)現(xiàn)鉤計(jì)劃調(diào)整軌跡與階段計(jì)劃、以及其他資源間的關(guān)系規(guī)律,以此為基礎(chǔ)搭建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自身的強(qiáng)化學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí),引導(dǎo)系統(tǒng)模仿人腦工作模式實(shí)現(xiàn)鉤計(jì)劃的自動(dòng)編制。
圖2 SAM大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用路徑Fig.2 Application path of SAM big data platform
(3)調(diào)機(jī)運(yùn)用規(guī)劃。在滿足調(diào)機(jī)作業(yè)分配的約束條件下,以調(diào)機(jī)接續(xù)任務(wù)時(shí)轉(zhuǎn)線時(shí)間最短為目標(biāo)[7],將調(diào)機(jī)作業(yè)固定區(qū)域、當(dāng)前作業(yè)進(jìn)度、走形路徑和對(duì)其他作業(yè)干擾等因素進(jìn)行量化處理,并賦予各因素不同的權(quán)重因子。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算出合理的調(diào)機(jī)分配計(jì)劃,減少調(diào)機(jī)不必要的轉(zhuǎn)線時(shí)間,提高調(diào)機(jī)運(yùn)用效率和作業(yè)質(zhì)量。
智能執(zhí)行是指大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于歷史作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)分析,結(jié)合調(diào)度計(jì)劃、作業(yè)實(shí)績數(shù)據(jù)和站場設(shè)備狀態(tài)等信息,自動(dòng)識(shí)別與調(diào)整編組站接發(fā)列車過程中的進(jìn)路執(zhí)行方案,提升編組站作業(yè)過程管理及控制的智能化水平。
(1)進(jìn)路開放時(shí)機(jī)判斷。目前列車進(jìn)路開放時(shí)機(jī)按照系統(tǒng)特定規(guī)則進(jìn)行設(shè)定[8],沒有考慮列車實(shí)際運(yùn)行情況和未來可能的調(diào)車作業(yè)計(jì)劃要求等,存在進(jìn)路開放時(shí)機(jī)過早或過晚問題。對(duì)此在接發(fā)列車計(jì)劃、列車運(yùn)行狀態(tài)與調(diào)機(jī)作業(yè)計(jì)劃間建立關(guān)聯(lián)分析模型,當(dāng)空間上存在進(jìn)路沖突時(shí),以列車進(jìn)路最晚開放時(shí)間為原則,綜合考慮歷史沖突進(jìn)路占用時(shí)間等因素,實(shí)現(xiàn)進(jìn)路開放時(shí)機(jī)的智能判斷。
(2)作業(yè)進(jìn)路智能調(diào)整。受作業(yè)計(jì)劃調(diào)整和線路狀況等因素的影響,接發(fā)車作業(yè)進(jìn)路走行也需要配合動(dòng)態(tài)調(diào)整。建立列車走行路徑的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,在大?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析關(guān)鍵道岔組、區(qū)段等設(shè)備的占用時(shí)間的基礎(chǔ)上,以路徑可達(dá)并綜合考慮走行耗時(shí)、緩急程度等因素為設(shè)計(jì)目標(biāo)建立機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫。在進(jìn)路計(jì)劃指令無法執(zhí)行時(shí),智能變更列車走行進(jìn)路,減少人工干預(yù)的工作量。
(3)接發(fā)車順序自動(dòng)調(diào)整。目前系統(tǒng)以辦理同意接車或鄰站同意發(fā)車的順序進(jìn)行進(jìn)路指令的下達(dá),當(dāng)不符合實(shí)際作業(yè)順序時(shí)需要人工干預(yù)。在考慮指令下達(dá)條件時(shí)附加歷史接發(fā)車順序?qū)W習(xí)因子,完善接發(fā)車進(jìn)路指令下達(dá)序列動(dòng)態(tài)調(diào)整算法,解決空間上進(jìn)路存在沖突但時(shí)間間隔相差較大的情況下列車進(jìn)路下達(dá)指令順序與實(shí)際接發(fā)列車順序不一致的問題。
(4)行車風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取線路周邊異常告警信息,解析調(diào)度命令中列車運(yùn)行方向、限速或超限等內(nèi)容,綜合考慮股道屬性、固定進(jìn)路、接觸網(wǎng)和施工區(qū)域等參數(shù),實(shí)現(xiàn)行車作業(yè)的安全防護(hù)機(jī)制。研究車站和機(jī)車的無線通信聯(lián)控系統(tǒng),自動(dòng)將行車安全信息、確認(rèn)行車要求等內(nèi)容傳送到機(jī)車上,無需人工聯(lián)絡(luò)呼叫。建立行車事故風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)信息庫,針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,加強(qiáng)管理人員對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)源的管控。
智能分析是指大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于列車到達(dá)、解體、編組和出發(fā)等全過程數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、寫實(shí)、分類與計(jì)算,自動(dòng)綜合計(jì)算編組站作業(yè)能力與量化評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量,多角度聯(lián)動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)作業(yè)瓶頸,為調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行工作的調(diào)整優(yōu)化提供更加科學(xué)合理的指導(dǎo)方向。
(1)作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。按照《鐵路貨車統(tǒng)計(jì)規(guī)則》和《鐵路貨物運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)規(guī)則》中規(guī)定的統(tǒng)計(jì)要求和計(jì)算方法進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的寫實(shí)、篩選,集中整合“到、解、集、編、發(fā)”等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計(jì)劃、執(zhí)行和控制信息,構(gòu)建星型模式的數(shù)據(jù)倉庫、特定主題的數(shù)據(jù)集市,實(shí)現(xiàn)分析對(duì)象在時(shí)間、空間及屬性等不同維度的分析計(jì)算。以列車自動(dòng)化率統(tǒng)計(jì)為例,以自動(dòng)辦理的列車進(jìn)路為中心,按照時(shí)間、班次和列車類型等維度構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫,使用聯(lián)機(jī)分析處理 (OLAP)技術(shù)和商業(yè)智能(BI)技術(shù)讓管理者可以隨時(shí)獲取每班作業(yè)和不同類型列車的進(jìn)路自動(dòng)化使用情況及變化趨勢等。
(2)車站能力查定自動(dòng)化。傳統(tǒng)人工能力查定的方式存在查定周期長、效率低、結(jié)果存在偏差等特點(diǎn)[9]。通過詳實(shí)、準(zhǔn)確的作業(yè)過程數(shù)據(jù)寫實(shí),大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以自動(dòng)、實(shí)時(shí)計(jì)算出車站各方向接發(fā)車列車數(shù)、解編輛數(shù)、技檢作業(yè)時(shí)間、道岔和股道等設(shè)備占用時(shí)間等,自動(dòng)計(jì)算車站能力,并為探索更加精準(zhǔn)合理的能力查定計(jì)算方式提供數(shù)據(jù)支撐。
(3)作業(yè)智能評(píng)價(jià)。作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的高低一定程度上可以反映作業(yè)人員的組織能力,也是作業(yè)決策支持的基礎(chǔ)支撐;大量周期性的作業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果曲線也反映作業(yè)人員能力的成長曲線。通過量化分析鉤計(jì)劃兌現(xiàn)率、調(diào)機(jī)與駝峰資源利用率和車輛停留時(shí)間等實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量的有效評(píng)估,為進(jìn)一步提高編組站作業(yè)效率提供可靠依據(jù)。
智能運(yùn)維是指大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過建立健全設(shè)備運(yùn)維管理模型,借助可視化、智能分析等技術(shù)滿足設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測等運(yùn)維要求,為SAM系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。
(1)可視化運(yùn)維平臺(tái)。通過安全、特定的數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析監(jiān)控設(shè)備的軟硬件運(yùn)行狀態(tài)等信息,建立健全監(jiān)管設(shè)備的全壽命周期履歷表。為用戶提供不同維度的數(shù)據(jù)報(bào)表分析功能,輔助設(shè)備管理者宏觀掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
(2)故障診斷與預(yù)測。建立設(shè)備可靠性和故障分析模型,根據(jù)歷史故障發(fā)生時(shí)間、原因、系統(tǒng)性能等因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)或聚類分析,利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法擬合推算故障發(fā)生趨勢,提前預(yù)警、排查故障發(fā)生時(shí)間和問題,提前防范問題的發(fā)生。
(3)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。健全網(wǎng)絡(luò)安全診斷機(jī)制,通過IP白名單機(jī)制防止?jié)撛陲L(fēng)險(xiǎn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊;基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與分析,當(dāng)監(jiān)測到設(shè)備異?;蜻\(yùn)行數(shù)據(jù)偏離正常值的幅度超過允許范圍時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警提醒。全面監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、告警異常信息。
編組站是鐵路樞紐的核心,是車流集散和列車解編的基地。為保障編組站安全有序的運(yùn)轉(zhuǎn),調(diào)度人員需要綜合考量列車計(jì)劃、站場情況、調(diào)機(jī)作業(yè)進(jìn)度、駝峰和股道等資源運(yùn)力等多種因素。編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)將統(tǒng)籌規(guī)劃各專業(yè)數(shù)據(jù),為編組站資源共享、運(yùn)輸組織及作業(yè)方式的智能化研究提供有力支撐。隨著鐵路信息化以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,編組站大數(shù)據(jù)平臺(tái)未來可以融合無線定位、語音識(shí)別、圖像和視頻識(shí)別及探測感知技術(shù)等,不斷探索新技術(shù)形態(tài)下的編組站智能化發(fā)展方向,如駝峰自動(dòng)摘鉤、平面調(diào)車安全連掛控制等,充分實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮與作業(yè)控制的智能化協(xié)同作業(yè)的新局面。