武鋼駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的設計與實現

蔣剛亮，鄭軍平，鄭旭軍，李佳狀，張 楠

(1.武漢鋼鐵有限公司 運輸部，湖北 武漢 430080；2.上海寶信軟件股份有限公司 自動化事業(yè)本部，上海 200120)

武東作業(yè)區(qū)是武漢鋼鐵有限公司(以下簡稱“武鋼”)自備鐵路編組站，承擔著武鋼80%左右車流的中轉作業(yè)，其設有自動化駝峰，主要負責原燃料、材料的輸入，以及國家鐵路到達車列的解體編組任務，是武鋼生產組織的重要銜接環(huán)節(jié)。廠內原燃料的需求因生產組織等因素波動較大且時效性要求高，解體作業(yè)計劃的編制直接影響著原燃料供應及各工序生產節(jié)奏，其關鍵性顯而易見。

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

1.1 人工編制駝峰解體計劃的局限性

編組站的主要任務是根據列車編組的需求辦理貨物列車的解體和編組作業(yè)，在保證行車安全的情況下，如何縮短貨車的停留時間、加快貨物的周轉是衡量編組站作業(yè)效率的重要指標[1]。人工編制解體計劃需要調度員綜合考慮列車到達時間、廠內貨物需求、車列集結情況、現場作業(yè)環(huán)境等諸多因素，解體計劃的優(yōu)劣性無從考證，且易受主觀因素的影響，主要存在以下問題。

（1）車輛集結方案非最優(yōu)，缺乏前瞻性，導致廠內急需的貨物因未完成編組，小運轉機車被迫開行其他車列或停機等待，延長了急需貨物的運輸時間，降低了小運轉機車運用率。

（2）存在因解體計劃錯誤，導致車輛編入其他車列而發(fā)往錯誤的到站，甚至混料的情況。

（3）易發(fā)生駝峰解體計劃有誤或解體、集結計劃不符合廠內實際需要的情況，導致編發(fā)場集結車輛重新上峰二次解體，存在一定的安全風險。

（4）列車編組方案非最優(yōu)，增大廠內平面調車作業(yè)量。

上述問題在增大作業(yè)量、勞動強度、安全風險的同時，降低作業(yè)效率及機車運用率，制約了編組站作業(yè)效率，也延長了貨物車輛的停時，增加了延時使用費。

1.2 國內駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的研究與應用

武漢北站在編組站綜合集成自動化系統(tǒng)(CⅠPS)中構建了解體計劃知識庫，通過知識推理尋找出最優(yōu)的解體方案，從而自動編制解體計劃。該系統(tǒng)能夠充分運用優(yōu)秀調度員的經驗和技能，并具備不斷完善知識庫的能力，以提高車站解體系統(tǒng)的效率[2]。

株洲北、新豐鎮(zhèn)、衡陽北等編組站利用鐵路運輸管理信息系統(tǒng)(TMⅠS)的資源，將所需的車組描述性信息參數化，并運用既定的規(guī)則進行邏輯判定確定溜放股道，實現了解體計劃的自動編制[3]。該系統(tǒng)投入使用后，計劃單的平均編制時間大幅下降。

國內其他學者分別運用博弈思想、模糊綜合評判原理、廣義動態(tài)配流模型等方法對國家鐵路編組站解體計劃編制的計算機實現進行了深入研究，為該系統(tǒng)的構建提供了重要的參考。

2 駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的設計

武鋼駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)在運輸管理信息系統(tǒng)的基礎上搭建，主要包括車列解體順序選擇模塊、車列解體方案確認模塊、車輛集結模塊3 部分，實現自動準確生成駝峰解體計劃。

2.1 信息化數據基礎

為準確高效生成駝峰解體計劃，通過優(yōu)化改造運輸管理信息系統(tǒng)，以獲取計劃編制所需的數據信息。系統(tǒng)基礎數據信息如表1所示。

2.2 系統(tǒng)總體邏輯

廠內貨物需求的及時性要求較高，編發(fā)場車輛集結方案需有一定的前瞻性，并盡量減少廠內平面調車作業(yè)量[4-5]，因而需要建立進廠車輛需求動態(tài)平衡功能。將編發(fā)場、廠內卸車站場的車輛貨物信息與調度中心貨物進廠需求進行平衡，動態(tài)變更股道存車等級及車輛貨物等級。系統(tǒng)架構示意圖如圖1所示。

為確保系統(tǒng)的可靠性、獨立性及高效性，在運輸管理信息系統(tǒng)中獨立設置核心數據層，主要包括以下數據信息。

（1）貨物需求等級。調度中心根據廠內貨物需求編制進廠計劃，同時對急需的貨物進行標注，且該標注可以動態(tài)修改，貨物的需求等級也會相應做出調整。緊急進廠計劃的貨物等級最高；一般進廠計劃的貨物等級次之；無進廠計劃或料場儲量充沛的貨物等級最低。

（2）編發(fā)場編組方案。編發(fā)場車輛集結方案優(yōu)先滿足同一去向、同一品名貨物集結為一列，同一去向根據廠內線路、貨場布局確定編組順序，確保廠內平面調車作業(yè)量最少。

表1 系統(tǒng)基礎數據信息Tab.1 System basic data information

圖1 系統(tǒng)架構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

（3）編發(fā)場股道序列。為確保列車編組方案的最優(yōu)化，根據編發(fā)場已集結車輛情況動態(tài)變更股道序列，確保編組方案不出現亂序。根據編組方案順序，當該股道已經集結某一順位車輛，則只允許溜放順位更大的車輛。

（4）編發(fā)場車輛集結程度。編發(fā)場車輛集結程度即股道集結車輛距達到發(fā)車編組要求的程度，距編發(fā)開行列車的要求所需車輛越少，則集結程度越高。

（5）模型參數因子。為確保各算法模型的最優(yōu)化，為編發(fā)場股道序列、集結程度、車組大小、停時、貨物需求等級5 個輸入參數維護相應的因子，該因子為經驗積累值，后續(xù)根據模型運行情況，對相應因子進行調整。

（6）車組大小。到達場待解車列包含的大車組(相鄰的同去向、同品名的車組)越多，則對到發(fā)線和調車設備的占用時間越小，可優(yōu)先考慮進行解體作業(yè)。

2.3 車列解體順序選擇模塊

該模塊用于決策到達場的車列解體順序，主要運用編發(fā)場股道序列、集結程度、車組大小、停時、貨物需求等級5 個參數因子，搭建解體順序選擇模型。通過模糊綜合評判法進行決策計算，選擇到達場待解車列中決策計算數值最小車列作為最優(yōu)的待解車列[6-7]。

到達場待解車列計算公式為

式中：T 為待解車列構成的集合；tj為車列j，j=1，2，…，n。

因素指標計算公式為

式中：U 為因素指標的集合；u1為股道序列；u2為集結程度；u3為車組大??；u4為停時，h；u5為貨物需求等級。

各因素指標系數的計算公式為

式中：A 為因素指標系數的集合；α1，α2，α3，α4，α5分別為u1，u2，u3，u4，u5的系數。

到達場待解車列5個因素指標計算公式為

式中：tij為車列j 的第i 個因素指標ui對應的值，i=1，2，3，4，5。

也可以用因素指標矩陣T表示，計算公式為

則相對偏差值δij的計算公式為

式中：δij為車列j 的第i 個因素指標的相對偏差值；timax=max{ti1，ti2，…，tij}；timin= min{ti1，ti2，…，tij} 。

則相對偏差值δij作為元素可構成相對偏差矩陣Δ，計算公式為

對到達場待解車列最優(yōu)列的選擇，則轉換為計算相對偏差值，計算公式為

式中：βj為車列j的綜合相對偏差值。

則綜合相對偏差值最小的待解車列為最優(yōu)待解車列β最優(yōu)車列，計算公式為

2.4 車列解體方案確認模塊

因廠內站場以及貨場布局影響，要求到達廠內站場的車列編組方案滿足一定的順序要求。例如，南端盡頭式貨位線，其貨物車輛應當編組于車列的“北頭”，以便于調車機車掛車后可直接轉線頂送至貨位；南進北出式翻車機，其貨物車輛應當編組于車列的“南頭”，減少不必要的平面調車作業(yè)。其編組順序要求與沿零摘掛列車的編組要求一致，可引入表格下落調車法[8](調車表法)，用于車列解體方案確認。

需要注意的是，結合現場車流情況及編發(fā)場股道占用情況，在運用調車表法時，僅需要進行“調整”以減少摘車鉤，無需進行“合并”(可能導致二次上峰)。

2.5 車輛集結模塊

車組溜入股道的選擇可以認為是股道分配方案的篩選優(yōu)化問題[5]，即從方案集中選出最利于編發(fā)場車輛集結的方案，稱之為股道分配模型。根據到達場各車組的實際排列情況和編發(fā)場車輛集結情況進行模擬計算，選擇出最優(yōu)的股道分配方案。在篩選方案集中的每個股道分配方案均達到最優(yōu)狀態(tài)(每個車組均下落到有利位置)的前提下，以溜放鉤數最小化為準則，對篩選方案集進行第一輪選優(yōu)，如果得到唯一調車方案，則將其確定為最優(yōu)調車方案；否則繼續(xù)以緊急貨物集結程度進行新一輪優(yōu)選，直至獲得唯一的最優(yōu)股道分配方案。

同時為確保自動化駝峰溜放作業(yè)的安全冗余[9]，制定具有優(yōu)先級的股道分配規(guī)則如下。①連續(xù)兩鉤解體計劃不能溜放至同一線束。②空重兩個連續(xù)車組盡量分東西半場。③根據車輛的總質量以及線路的總阻力確定溜放股道，規(guī)避難行車走難行線的安全風險。

2.6 模塊算法

為實現解體計劃的自動編制，該系統(tǒng)將人工編制計劃的“確定車列解體順序”“劃分車組”“選擇溜放股道”3個步驟對應建立了算法模塊。

車列解體順序選擇模塊，其作用為綜合分析貨物需求等級、停時等因素從而決策出車列解體的先后順序，因素之間沒有明確的優(yōu)先級之分，故選用了模糊綜合評判法進行決策計算；車列解體方案確認模塊，運用了成熟的表格下落調車法；車輛集結模塊，為車組選擇最優(yōu)的溜放股道，同時需確保自動化駝峰進行解體作業(yè)的安全，其決策依據具有明確的優(yōu)先級，故選用了優(yōu)選法。

3 駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的實現

駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)在運輸管理信息系統(tǒng)中新建了相應的人機交互界面，調度員僅需選擇到達場需要解體的車列，即可快速生成解體計劃。

3.1 人機交互界面

人機交互界面由到達場現車信息表、下拉式錄入窗口、解體計劃詳細信息欄、編發(fā)場現車信息表及各功能按鍵組成。

到達場現車信息表展示出待解車列的車次號、車數、股道、進廠時間等信息；編發(fā)場現車信息表包含當前各股道的現車數、車號及貨物品名等信息；解體計劃詳細信息欄對自動編制的計劃進行展示，并對特殊車組(如空車、禁溜車)等進行備注。

調度員可根據需要在到達場現車信息表中單選或多選待解車列，在錄入窗口選擇推峰機車，點擊“生成解體計劃”按鍵即可自動生成駝峰解體計劃，并在解體計劃詳細信息欄展現出來。必要時調度員可以查看編發(fā)場現車信息以對解體計劃進行核對和人工調整。確認無誤后點擊“確認下發(fā)”按鍵，駝峰自動化系統(tǒng)和車載調車終端即可接收到上述計劃。系統(tǒng)人機交互界面如圖2所示。

3.2 應用實例

3.2.1 接收數據

隨機選取45975，45977，45981 車次進行多列車解體計劃自動編制的舉例，到達場車次信息如圖3 所示。當調度員勾選上述車列點擊“生成解體計劃”后，系統(tǒng)自運輸管理信息系統(tǒng)獲取編發(fā)場股道信息及編組方案靜態(tài)表、集結程度、車組大小、停時、貨物需求等級實時信息，同時調取本系統(tǒng)模型參數因子數據，即取得模型計算的全部數據。

圖2 系統(tǒng)人機交互界面Fig.2 System human-computer interaction interface

圖3 到達場車次信息Fig.3 Arriving yard train information

3.2.2 解體順序選擇

通過調取的數據得出車列因素指標U45975={4，0.5，2，1.5，5}，U45977={2，0.7，5，4，4}，U45981={1，0.6，10，1，1}，各因素指標系數A=(0.1，0.15，0.3，0.15，0.3)。

相對偏差值β45975=2.88，β45977=1.65，β45981=3.13，從而得出車列解體順序依次為45977，45975，45981。

3.2.3 解體方案和集結方案

該駝峰采用的是單推單溜的作業(yè)模式，系統(tǒng)一次下達3 組車列的解體計劃，機車每次推1 組，依先后順序完成推峰。車列解體方案確認模型運用調車表法確定車組大小及摘鉤位置，股道分配模型運用優(yōu)選法確定溜放股道，同時進行信息交互反饋協(xié)同完成車列解體計劃的編制。例如，本例中45977 次車列在進行車組劃分時，第3組為17節(jié)煉鐵無煙煤，此時股道分配模型進行優(yōu)選時對應到編發(fā)場3道需10節(jié)該品名車輛即可實現48 節(jié)的廠內小運轉列車最大編組車數集結完畢，則系統(tǒng)將該車組細分為10 節(jié)、7 節(jié)的小車組。最終形成駝峰解體作業(yè)計劃單如圖4 所示，下發(fā)至車載調車終端及駝峰自動化系統(tǒng)。

圖4 駝峰解體作業(yè)計劃單Fig.4 Hump break-up operation plan

4 結束語

武鋼駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)于2019 年3 月啟動開發(fā)，歷經需求分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實現、系統(tǒng)測試等各個階段，于2020 年9 月投入使用。該系統(tǒng)通過模糊綜合評判法對到達場優(yōu)先解體車列進行選擇，運用表格下落調車法確定車列解體方案，最后運用計算機強大的模擬能力優(yōu)選出最優(yōu)的車輛集結方案，從而實現了駝峰解體計劃的自動高效編制。該系統(tǒng)在解決人工編制解體計劃諸多弊端的同時，能夠有效提升解體作業(yè)效率、優(yōu)化進廠列車編組質量、壓減崗位人員，更提升了企業(yè)智慧制造水平，為后續(xù)平面調車計劃的自動編制打下良好的基礎。