調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)方案研究

周 進(jìn)，毛萬(wàn)華，毛 瑩

(1.中國(guó)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(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 調(diào)度所，甘肅 蘭州 730000；3. 蘭州交通大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”及“公轉(zhuǎn)鐵”運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整背景下[1]，鐵路貨運(yùn)量自2018 年逐年增加，部分地區(qū)調(diào)車機(jī)運(yùn)用能力日趨緊張，給貨運(yùn)組織帶來新的挑戰(zhàn)。為合理運(yùn)用調(diào)車機(jī)以實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)增量目標(biāo)，需要掌握調(diào)車機(jī)作業(yè)情況，目前，調(diào)車機(jī)作業(yè)效率分析主要通過車站業(yè)務(wù)人員人工匯總并手工填寫文檔的方式完成，存在手段落后、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。因此，研究調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)方案，并指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)對(duì)提升調(diào)車機(jī)運(yùn)用效率具有重要意義。

1 調(diào)車機(jī)作業(yè)運(yùn)用現(xiàn)狀分析

調(diào)車機(jī)是用于車站或者區(qū)域內(nèi)若干車站的列車編組、解體、轉(zhuǎn)線及車輛取送等調(diào)車作業(yè)的機(jī)車[2]。調(diào)車機(jī)一天內(nèi)除正常作業(yè)外，還有整備、等待、作業(yè)人員交接班和用餐等其他情況[3]。目前，調(diào)車機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)主要記錄在鐵路運(yùn)輸綜合信息管理系統(tǒng)

(Synthesize Manage Information System，SMIS)[4]。SMIS 系統(tǒng)在調(diào)車機(jī)管理方面主要記錄勾計(jì)劃編制和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)車作業(yè)通知單打印和傳送數(shù)據(jù)、執(zhí)行狀態(tài)記錄和查詢數(shù)據(jù)，其中產(chǎn)生了大量的調(diào)車機(jī)作業(yè)情況數(shù)據(jù)。

調(diào)車機(jī)定位數(shù)據(jù)分析是調(diào)車機(jī)作業(yè)效率分析的重要內(nèi)容，調(diào)車機(jī)定位可以輔助作業(yè)人員了解調(diào)車機(jī)位置，目前主要是通過無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)(Shunting Train Protection System，STP)[5]進(jìn)行管理。STP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)車和地面間站場(chǎng)信息、調(diào)車機(jī)車狀態(tài)、調(diào)車作業(yè)計(jì)劃等信息的實(shí)時(shí)傳輸和顯示。調(diào)車機(jī)主要是通過車站聯(lián)鎖設(shè)備實(shí)時(shí)占用狀態(tài)進(jìn)行定位，也可選配GPS 定位設(shè)備進(jìn)行定位。但是通過車站聯(lián)鎖設(shè)備定位方式只能顯示調(diào)車機(jī)在區(qū)域的大致位置，不能進(jìn)行精確定位。

調(diào)車機(jī)效率分析工作量大、涉及人員多，目前主要由三級(jí)部門：鐵路局集團(tuán)公司、站段、中間站(或車間)，通過逐級(jí)上報(bào)、統(tǒng)一匯總的方式對(duì)調(diào)車機(jī)每月運(yùn)用情況進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)和分析。調(diào)車機(jī)作業(yè)效率分析的內(nèi)容包括調(diào)車作業(yè)勾數(shù)、調(diào)動(dòng)輛數(shù)、平均運(yùn)用時(shí)間、平均等待時(shí)間、整備時(shí)間、作業(yè)人員用餐時(shí)長(zhǎng)和交接班時(shí)長(zhǎng)等。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)中通過手工統(tǒng)計(jì)和人工匯總進(jìn)行效率分析的方式，不僅容易造成分析結(jié)果偏差，而且管理人員不能及時(shí)掌握和了解實(shí)時(shí)作業(yè)情況，對(duì)于決策的準(zhǔn)確性和時(shí)效性帶來一定影響。

2 調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)方案遵循科學(xué)性、合理性、安全性、可用性、可擴(kuò)展性、先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，首先，確定系統(tǒng)研發(fā)路線；然后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，包括：系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)方案，以此來指導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)工作。

2.1 系統(tǒng)研發(fā)路線

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和專家咨詢獲取調(diào)車機(jī)作業(yè)的實(shí)際需求，歸納總結(jié)既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、信息的流程，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案和研發(fā)功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)高效管理，研發(fā)路線包括需求分析、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能模塊研發(fā)。調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)研發(fā)路線如圖1 所示。

圖1 調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)研發(fā)路線Fig.1 R & D route of the automatic analysis system of shunting locomotive operational efficiency

需求分析是系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)。一是調(diào)研調(diào)車作業(yè)涉及的崗位，包括車站調(diào)度員、調(diào)車區(qū)長(zhǎng)、調(diào)車長(zhǎng)、調(diào)車作業(yè)人員、車站值班員、鐵路局集團(tuán)公司及站段調(diào)車機(jī)作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)員等崗位設(shè)置、人員配置、作業(yè)流程。二是調(diào)研調(diào)車機(jī)作業(yè)流程，包括調(diào)車作業(yè)計(jì)劃編制、執(zhí)行、記錄、統(tǒng)計(jì)、分析等。三是調(diào)研區(qū)域調(diào)車機(jī)作業(yè)情況，包括區(qū)域調(diào)度機(jī)的作業(yè)車站、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、區(qū)域內(nèi)車站作業(yè)情況等。

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的根源。通過采集涉及調(diào)車機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括從運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)(TDMS)[6]、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)[7]、分散自律式調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)[8]、STP、SMIS、北斗定位系統(tǒng)[9]等系統(tǒng)中獲取所需數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理、規(guī)約、變換，作為系統(tǒng)研發(fā)和技術(shù)研究的數(shù)據(jù)源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，包括業(yè)務(wù)層和基礎(chǔ)信息層的架構(gòu)方案。設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式、接口、鐵路局集團(tuán)公司端和站段端數(shù)據(jù)架構(gòu)。技術(shù)架構(gòu)方面，對(duì)展示層、應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的需要。

功能模塊是系統(tǒng)研發(fā)的核心。對(duì)系統(tǒng)接口及數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行管理。基于北斗定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)調(diào)車機(jī)精準(zhǔn)定位及軌跡管理模塊，實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)定位設(shè)備與地面設(shè)備的高效通信，對(duì)調(diào)車機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)定位的同時(shí)，管理調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡，為調(diào)車機(jī)的大數(shù)據(jù)分析提供技術(shù)支撐。調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析模塊包括作業(yè)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、歷史作業(yè)效率自動(dòng)分析、作業(yè)過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)警、調(diào)車機(jī)作業(yè)效率和運(yùn)行軌跡圖形化展示等功能。

通過上述調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線，對(duì)調(diào)車機(jī)工作量進(jìn)行分析，掌握日常作業(yè)情況，對(duì)工作量超負(fù)荷及不飽滿的調(diào)車機(jī)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)能力運(yùn)用最大化。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)方案

系統(tǒng)采用鐵路局集團(tuán)公司一級(jí)部署，鐵路局集團(tuán)公司、站段二級(jí)應(yīng)用架構(gòu)模式。基礎(chǔ)信息層包含北斗定位、TDCS、CTC、STP、SMIS 等系統(tǒng)，鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和綜合處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)和共享。業(yè)務(wù)層中鐵路局集團(tuán)公司和站段級(jí)用戶實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)定位及軌跡管理、調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析、調(diào)車機(jī)數(shù)據(jù)管理等功能，提供調(diào)車機(jī)作業(yè)效率分析結(jié)果。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

2.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)方案

系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)分為3 層，包括現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)層、鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)層、系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用層。現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)層將所生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)平臺(tái)，SMIS 系統(tǒng)和人工數(shù)據(jù)需上傳現(xiàn)車、用餐、交班、整備、調(diào)車作業(yè)計(jì)劃、調(diào)車作業(yè)實(shí)績(jī)等數(shù)據(jù)；TDCS 和CTC 系統(tǒng)需上傳階段計(jì)劃、行車和調(diào)車、機(jī)車運(yùn)行實(shí)績(jī)等數(shù)據(jù)；STP 和北斗定位系統(tǒng)需上傳機(jī)車站內(nèi)和區(qū)間定位位置。調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口從數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)上采集所需數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和集成，形成分類明確、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資料供系統(tǒng)各模塊使用。數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.3 Data architecture

2.4 技術(shù)架構(gòu)方案

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)包括展示層、應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層。技術(shù)架構(gòu)如圖4 所示。展示層主要是瀏覽器，用戶通過終端遠(yuǎn)程訪問，可以獲取與其身份相應(yīng)的信息與服務(wù)。應(yīng)用層是對(duì)業(yè)務(wù)及功能統(tǒng)一管理，包括系統(tǒng)管理、定位管理、用戶管理、模塊管理、圖形化管理和基礎(chǔ)信息管理等應(yīng)用。支撐層主要是數(shù)據(jù)匯集及技術(shù)支持，包括外部接口、北斗定位、大數(shù)據(jù)技術(shù)等。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，各模塊所需數(shù)據(jù)量大，涉及外部系統(tǒng)較多，其數(shù)據(jù)大部分來自既有系統(tǒng)；在技術(shù)上，由授權(quán)體系控制數(shù)據(jù)維護(hù)的權(quán)限，使無權(quán)限的人員不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)和維護(hù)；在管理上，通過制定相應(yīng)的應(yīng)用規(guī)范使數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和維護(hù)者及時(shí)更新自己負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可跟蹤性。

圖4 技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Technical architecture

2.5 網(wǎng)絡(luò)方案

系統(tǒng)運(yùn)行在既有鐵路信息網(wǎng)絡(luò)上，通過鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的骨干傳輸通道和基層傳輸通道組成調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)在鐵路局集團(tuán)公司集中部署，通過瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，簡(jiǎn)稱B/S)架構(gòu)模式為鐵路局集團(tuán)公司運(yùn)輸處及站段用戶提供應(yīng)用功能服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 Network structure

3 調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體功能

調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)包括系統(tǒng)接口和數(shù)據(jù)管理模塊、調(diào)車機(jī)定位及軌跡管理模塊、調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析模塊。調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.6 Functional design of the automatic analysis system of shunting locomotive operational efficiency

3.2 系統(tǒng)接口和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

系統(tǒng)接口和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)與既有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)車機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)管理功能，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源和信息源。一是系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通道，實(shí)現(xiàn)眾多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全傳輸，快速獲取系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、規(guī)約、集成、融合，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信息資源。二是高效數(shù)據(jù)管理，搭建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)快速存儲(chǔ)獲取的信息，網(wǎng)頁(yè)端展示數(shù)據(jù)的類型、數(shù)值、來源、獲取時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等管理功能。所需數(shù)據(jù)無法從既有系統(tǒng)獲取時(shí)，由作業(yè)人員手動(dòng)錄入和人工維護(hù)，從而形成完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)研發(fā)提供支撐。

3.3 調(diào)車機(jī)定位及軌跡管理模塊

調(diào)車機(jī)定位及軌跡管理模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)情況及位置展示，記錄調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡及相應(yīng)作業(yè)。一是調(diào)車機(jī)精準(zhǔn)定位，利用北斗定位系統(tǒng)，采集車站站場(chǎng)結(jié)構(gòu)信息，搭建調(diào)車機(jī)精準(zhǔn)定位車載終端，實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)位置實(shí)時(shí)傳輸，運(yùn)用數(shù)據(jù)糾偏、去噪技術(shù)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)反饋機(jī)車位置并動(dòng)態(tài)展示作業(yè)情況。二是調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡查詢，建立調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)記錄調(diào)車機(jī)位置坐標(biāo)和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段的調(diào)車機(jī)位置查詢，結(jié)合調(diào)車機(jī)作業(yè)掌握機(jī)車運(yùn)行歷史信息。三是調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡信息管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)車機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的增、刪、改、查管理功能，在站場(chǎng)示意圖上還原調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡情況。

3.4 調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析模塊

調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析模塊包括對(duì)作業(yè)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、作業(yè)效率自動(dòng)分析、作業(yè)過程預(yù)警、調(diào)車機(jī)作業(yè)效率分析結(jié)果圖形化展示。一是調(diào)車作業(yè)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司名稱、站段名稱、車站名稱、調(diào)車機(jī)編號(hào)、作業(yè)車站等維度自動(dòng)統(tǒng)計(jì)作業(yè)批數(shù)、作業(yè)鉤數(shù)、調(diào)動(dòng)輛數(shù)、平均運(yùn)用時(shí)間、平均等待時(shí)間、交接班時(shí)間、等待時(shí)間、整備時(shí)間。二是調(diào)車作業(yè)效率自動(dòng)分析功能，從站段、車站、調(diào)車機(jī)等層面分析調(diào)車機(jī)運(yùn)用情況。從年度、季度、月度等時(shí)間維度對(duì)比分析調(diào)車機(jī)作業(yè)量情況。三是調(diào)車機(jī)作業(yè)過程預(yù)警功能?；谡{(diào)車機(jī)歷史作業(yè)大數(shù)據(jù)，對(duì)其合理的作業(yè)量、作業(yè)時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，對(duì)作業(yè)、用餐、交接班、整備等超時(shí)情況進(jìn)行提示，對(duì)于作業(yè)量嚴(yán)重偏離合理區(qū)間的作業(yè)情況進(jìn)行預(yù)警，合理安排調(diào)車機(jī)作業(yè)，充分利用調(diào)車機(jī)能力，保障作業(yè)效率和人員安全。四是調(diào)車機(jī)作業(yè)效率分析結(jié)果圖形化展示功能。主要是對(duì)上述作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、調(diào)車機(jī)運(yùn)行軌跡、超時(shí)情況進(jìn)行圖形化及可視化展示，使分析結(jié)果直觀地進(jìn)行展示。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究調(diào)車機(jī)作業(yè)效率自動(dòng)分析系統(tǒng)方案，對(duì)于優(yōu)化調(diào)車機(jī)作業(yè)量分配及效率提升有重要作用。系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用可以減輕站段作業(yè)壓力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。然而由于既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)限制及現(xiàn)有技術(shù)約束，仍有待深入研究區(qū)域調(diào)車機(jī)的作業(yè)情況進(jìn)而合理組織各車站作業(yè)，此外應(yīng)運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)，搭建基于云平臺(tái)的調(diào)車機(jī)作業(yè)效率管理系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、交叉互認(rèn)、維護(hù)便捷的數(shù)據(jù)平臺(tái)。隨著系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)越來越多，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而為調(diào)車機(jī)作業(yè)輔助決策提供支撐具有重要意義。