鐵路到達重車超卸車能力分級預(yù)警機制研究

劉志新，張 璐，桂 欣，秦志鵬

（1.中國國家鐵路集團有限公司 運輸調(diào)度指揮中心，北京 100844；2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司交通運輸規(guī)劃研究院，天津 300308)

鐵路到達重車(以下簡稱“到重”)超過車站卸車(以下簡稱“超卸車”)能力是指綜合路網(wǎng)中貨流、車流、列流，側(cè)重把握終點端卸車能力與路網(wǎng)一段時間內(nèi)流量的適應(yīng)性關(guān)系。近年來，隨著鐵路裝車量的逐年上升，需求兌現(xiàn)率逐步提高，卸車站集中到達的情況愈加頻繁，卸車能力增長不足的矛盾日益凸顯。然而，長期以來，鐵路在車站到達重車預(yù)報及優(yōu)化的工作仍然比較粗獷，主要依靠人工查詢和經(jīng)驗推算，調(diào)整工作相對被動和滯后，不利于調(diào)度工作的精細管理。對此，學(xué)者不斷研究鐵路運輸過程、車流組織，研究并嘗試構(gòu)建重車推算相關(guān)模型[1]，并提出建設(shè)智能超卸系統(tǒng)、搭建運輸信息整合共享平臺等解決方案[2-4]。各鐵路局集團公司也根據(jù)各自的特點，研發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用程序，對鐵路局集團公司層面的調(diào)度組織起到了一定的輔助作用[5-6]。在上述研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)鐵路調(diào)度組織的特點，研究到達重車超卸車能力分級預(yù)警及優(yōu)化調(diào)整機制，提出優(yōu)化調(diào)整策略，減少由于超卸車能力而引起貨運組織途中保留和到站積壓，提升貨運調(diào)度指揮水平，實現(xiàn)到達重車調(diào)度預(yù)警技術(shù)突破，以保障鐵路貨運集約化高效發(fā)展。

1 問題描述

1.1 重車管理現(xiàn)狀

全路到達重車調(diào)度還未完全切實綜合鐵路既有生產(chǎn)數(shù)據(jù)，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)、鐵路局集團公司、站段間調(diào)度的協(xié)調(diào)配合尚不充分，總體而言，改善重車管理現(xiàn)狀，健全全路的到重預(yù)警系統(tǒng)還存在著3個方面的難題：一是卸車能力掌握不足，鐵路局集團公司系統(tǒng)對各站作業(yè)現(xiàn)場的裝卸車生產(chǎn)情況掌握尚不充分，未考慮卸車能力受設(shè)施設(shè)備、運輸組織、天氣情況等多種因素綜合影響，難以實現(xiàn)客觀、精細管理；二是車流推算存在短板，車站層面對其他站存放、途中車、管外到本站的重車信息掌握不足，全路重車信息難以實現(xiàn)及時有效推送和共享，各層級一體化管理相對卸車需求滯后，卸車資源未能提前調(diào)配；三是預(yù)警調(diào)整機制尚未形成，采取的增加卸車機械勞力、變更及分流、在站保留車、停限裝等措施，未能對應(yīng)明確分級預(yù)警等級，預(yù)警預(yù)防及分類調(diào)整能力較弱。

1.2 到重超卸車能力預(yù)警管理需求分析

為切實解決到重超卸車的難題，各級調(diào)度指揮系統(tǒng)迫切需要建立完善的分級預(yù)警機制，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析的到重超卸車輔助決策系統(tǒng)。分級預(yù)警機制需構(gòu)建在卸車能力、重車推算、預(yù)警分級及策略調(diào)整4個層面的基礎(chǔ)上，通過分析卸車能力與重車推算到達的能力適應(yīng)性，提出相應(yīng)的分級預(yù)警標準以及適應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整策略。其中，能力適應(yīng)層面，需綜合多種因素的影響，考慮理論計算和實際操作之間的差距，宜依據(jù)重車推算理論，并考慮重車推算過程中的停留時間、車輛路徑等不確定問題；預(yù)警機制及調(diào)整策略層面，需落實到預(yù)警發(fā)布機制、響應(yīng)主體、策略層級等。分級預(yù)警機制需求分析如圖1所示。

圖1 分級預(yù)警機制需求分析Fig.1 Demand analysis of graded early warning mechanism

2 卸車能力分析及到重車流推算

2.1 卸車站能力分析

車站的卸車能力是判別超卸車情況的重要基礎(chǔ)，通過對貨物發(fā)送、途中、到達等作業(yè)流程的分析，研究得出卸車能力受設(shè)施設(shè)備、運輸組織、作業(yè)組織等諸多因素的影響[7-8]。其中，理論計算能力按子系統(tǒng)劃分包括車站通過能力、改編能力、取送車能力、裝卸能力、堆存能力等，通過分析制約環(huán)節(jié)得出能力值評價結(jié)果；實際生產(chǎn)中利用理論計算較為繁瑣，經(jīng)驗值往往較為可靠，鐵路局集團公司所采取的經(jīng)過上報層層審核的經(jīng)驗?zāi)芰χ?，能夠反映實際操作經(jīng)驗下的卸車能力；另外，基于統(tǒng)計報表的統(tǒng)計能力是對車站過去不同時空作業(yè)環(huán)境下的經(jīng)驗總結(jié)，應(yīng)用合理的數(shù)據(jù)分析方法可以作為一種補充?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，提出“理論能力+實操能力+統(tǒng)計能力”的車站卸車能力評價體系，理論能力作為上限，實操能力作為評價指標，統(tǒng)計能力作為考核標準，構(gòu)成成熟的能力體系，作為決策前分析、決策后評價的重要依據(jù)。卸車站卸車能力評價體系如圖2所示。

圖2 卸車站卸車能力評價體系Fig.2 Evaluation system for unloading capacity of unloading station

2.2 到重車流推算

到達重車推算的核心是圍繞“運到期限”和“各日到達參數(shù)”2個基本概念展開，本質(zhì)是依據(jù)運輸生產(chǎn)過程，推斷某一時刻重車流的位置[9]。考慮到建立有限狀態(tài)自動機模型具有方便描述問題和構(gòu)建系統(tǒng)解決問題的雙重適應(yīng)性，參照運輸統(tǒng)計規(guī)則和貨車統(tǒng)計規(guī)則，依據(jù)貨車周轉(zhuǎn)過程和鐵路節(jié)點設(shè)施設(shè)備條件，建立了與鐵路管理組織相適應(yīng)的自動機理論推算方法體系。

推算方法體系以作業(yè)過程消耗時間為統(tǒng)計基礎(chǔ)，采集全路貨運計劃、技術(shù)計劃、車站工作統(tǒng)計、貨票系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)，依據(jù)鐵路節(jié)點設(shè)施設(shè)備條件，進一步整合為場站、作業(yè)場所等分類推算模塊，達到和鐵路管理組織相適應(yīng)，構(gòu)建了能力分析、分級預(yù)警等輔助應(yīng)用。除了重車起始狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程等因素外，重車在始發(fā)站停留、技術(shù)站停留以及車流徑路軌跡等方面還存在很大的不確定性，依據(jù)學(xué)者研究成果和數(shù)據(jù)實驗，建立了包含回歸預(yù)測、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的算法庫進行探索和修正。重車推算自動機理論的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。到重車流推算方法體系如圖4所示。

圖3 重車推算自動機理論的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.3 State transition diagram of automata theory for loaded-vehicle reckoning

圖4 到重車流推算方法體系Fig.4 Calculation method system of arriving loaded-vehicle flow

3 分級預(yù)警機制

3.1 預(yù)警機制

基于卸車過程和重車到達過程，依托能力適應(yīng)性分析，按照持續(xù)改進、動態(tài)調(diào)整的理念，建立起預(yù)警分級、預(yù)警發(fā)布、策略調(diào)整的預(yù)警機制。概括為質(zhì)量管理的“PDCA”[10]過程，以策略調(diào)整為計劃(P)，到車站班計劃、運輸組織、調(diào)度命令等鐵路作業(yè)計劃中實施(D)，通過事后觀察的數(shù)據(jù)更新為檢查(C)，進行新一輪的能力適應(yīng)性分析和分級預(yù)警(A)，不斷為各級系統(tǒng)提供輔助決策。其中數(shù)據(jù)源的更新涉及鐵路各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要使用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，通過抽取(Extract)、轉(zhuǎn)換(Transform)、加載(Load)處理過程(簡稱“ETL”)予以動態(tài)更新。到重超卸車分級預(yù)警機制如圖5所示。

圖5 到重超卸車分級預(yù)警機制Fig.5 Graded early warning mechanism of arriving over-limit loaded vehicles

3.2 分級標準

集中到達產(chǎn)生的卸車高峰對卸車站的影響，反映在峰值(超出能力程度)和強度(持續(xù)時間)的影響，具體為當(dāng)峰值較大時，盡管持續(xù)時間較短，帶來的積壓在一定周期內(nèi)也難以消化，或持續(xù)時間較長，盡管超出能力范圍不大，但隨著不斷積累也會產(chǎn)生一定影響。遵循上述標準制定原則，同時考慮選取貨物運輸報表等數(shù)據(jù)源的特點，以及車流推算準確性程度與推算周期成反比這一特性，認為對比車站卸車能力(Q卸)與3日內(nèi)(含當(dāng)日)平均日卸車量(Q平均)、最高日卸車量(Q單日)即可滿足實際需求；此外結(jié)合調(diào)研和生產(chǎn)運營反饋情況，設(shè)立日卸車量0.8倍、1倍、1.2倍、1.5倍于卸車站卸車能力的標準取值，用以反映卸車高峰峰值程度的特征。分級預(yù)警級別制定標準及預(yù)警對象如表1所示。

表1 分級預(yù)警級別制定標準及預(yù)警對象Tab.1 Grade formulation standard and early warning object in graded early warning

其中，提示級預(yù)警對應(yīng)短期稍緊張的超卸車能力情況，整體可控，級別設(shè)置的目的在于提前通知車站層級做好卸車組織；三級藍色預(yù)警對應(yīng)短期緊張的超卸車能力情況，尚在車站可控范圍內(nèi)，級別設(shè)置的目的在于提醒鐵路局集團公司層面關(guān)注；二級黃色預(yù)警對應(yīng)短期不嚴重的超卸車能力情況，尚在管內(nèi)控制范圍，級別設(shè)置的目的在于提醒國鐵集團層面關(guān)注；一級紅色預(yù)警對應(yīng)短期嚴重的超卸車能力情況，國鐵集團應(yīng)介入?yún)f(xié)調(diào)，車站、所屬鐵路局集團公司及相關(guān)鐵路局集團公司均采取加強措施。

預(yù)警機制應(yīng)建立合適的信息共享機制，依托輔助決策平臺建立共享信息發(fā)布與上報審批子系統(tǒng)，并應(yīng)結(jié)合鐵路信息系統(tǒng)的特點，特別是借鑒TDCS，TMIS等成熟系統(tǒng)的經(jīng)驗，形成分散自律的系統(tǒng)組織架構(gòu)。不同預(yù)警級別下，依據(jù)影響范圍差異，響應(yīng)主體的不同，制定相應(yīng)的信息發(fā)布方案。預(yù)警信息發(fā)布方案如表2所示。

表2 預(yù)警信息發(fā)布方案Tab.2 Release scheme of early warning information

3.3 優(yōu)化調(diào)整策略

通過有效的分級預(yù)警及預(yù)警信息發(fā)布方案，實現(xiàn)了車站、鐵路局集團公司及國鐵集團3個層次對超卸車能力的把握。依據(jù)超卸車程度不同，主要可采取加強卸車組織和優(yōu)化調(diào)度管理2方面短期優(yōu)化調(diào)整策略，若車站長期發(fā)生超卸車情況，則需找出能力限制環(huán)節(jié)，采取針對性、根本性解決策略。根據(jù)不同預(yù)警等級和響應(yīng)主體，制定相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整策略決策樹如圖6所示。

圖6 優(yōu)化調(diào)整策略決策樹Fig.6 Decision tree of optimized adjustment strategy

在超卸車能力尚不緊張，處于提示級或者三級，影響范圍不超過局管內(nèi)時，可以通過挖掘卸車環(huán)節(jié)的潛力，采取調(diào)整作業(yè)時間、加強調(diào)車作業(yè)、緊密銜接作業(yè)、提高作業(yè)效率、增配人員設(shè)備等策略予以調(diào)整，應(yīng)對短時卸車高峰。卸車組織優(yōu)化調(diào)整策略如表3所示。

表3 卸車組織優(yōu)化調(diào)整策略Tab.3 Optimized adjustment strategy of unloading organization

在卸車能力緊張，處于二級或一級，影響范圍超過局管涉及路網(wǎng)層面時，需要通過調(diào)度管理，協(xié)調(diào)運輸組織，應(yīng)采取優(yōu)化車流組織、控制貨物裝車等策略予以調(diào)整，應(yīng)對稍緊張的市場季節(jié)性高峰。調(diào)度管理優(yōu)化調(diào)整策略如表4所示。

表4 調(diào)度管理優(yōu)化調(diào)整策略Tab.4 Optimized adjustment strategy of scheduling management

結(jié)合質(zhì)量管理“PDCA”長期反饋，特別是優(yōu)化卸車組織，進行調(diào)度管理策略實施過程中，發(fā)現(xiàn)確有短板時，可以考慮系統(tǒng)分析找出瓶頸要素，采取諸如擴能改造、優(yōu)化作業(yè)分工、優(yōu)化貨運站點運輸組織、制定調(diào)卸車預(yù)案等策略應(yīng)對調(diào)整。其他措施優(yōu)化調(diào)整策略如表5所示。

表5 其他措施優(yōu)化調(diào)整策略Tab.5 Other measures to optimize adjustment strategy

通過構(gòu)建到達重車超卸車能力的分級預(yù)警機制，為優(yōu)化貨運調(diào)度、輔助決策車流調(diào)整提供支持。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用的日臻成熟，鐵路對貨運信息電子化、自動化、智能化的要求越來越高，構(gòu)建與鐵路統(tǒng)計、管理相結(jié)合的到達重車超卸車能力分級預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)鐵路局集團公司與車站全方位智能聯(lián)動，進一步提高卸車組織管理系統(tǒng)智能化水平，更好地提升鐵路運輸組織智能化管理水平。

4 結(jié)束語

依據(jù)大量的數(shù)據(jù)分析和學(xué)者研究成果，考慮理論、實操、環(huán)境等諸多因素，充分結(jié)合鐵路運輸組織的具體過程和特點，基于能力適應(yīng)性分析和質(zhì)量管理過程，提出了可靠的鐵路到重超卸車能力分級預(yù)警機制，能夠?qū)φ{(diào)度工作起到輔助決策作用。目前受限于數(shù)據(jù)源的更新頻率稍長、一致性不足的問題，對車站裝卸過程、停留時間、車流路徑等不確定問題把握不夠，預(yù)測的方法庫仍不夠完備，預(yù)警機制適應(yīng)全路不同車站、不同貨物品類的特點尚存在不足，下一步將深入細化研究。