鐵路物流裝卸機(jī)械數(shù)據(jù)平臺(tái)及配置計(jì)算系統(tǒng)研究

李成洋

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

0 引言

鐵路運(yùn)輸具有能耗低、運(yùn)量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在“一帶一路”背景下，鐵路運(yùn)輸保障了國際供應(yīng)鏈穩(wěn)定暢通，從中歐班列到中泰鐵路(昆明—曼谷)、中巴鐵路(新疆—瓜德爾)、中老鐵路(昆明—萬象)，從公鐵聯(lián)運(yùn)、水鐵聯(lián)運(yùn)到空鐵聯(lián)運(yùn)，“一帶一路”的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)越織越密，運(yùn)輸頻率與運(yùn)輸總量也在逐年遞增[1-2]。僅中歐班列在2022 年就開行1.6萬列、發(fā)送貨物160萬TEU，同比分別增長9%，10%[3]。

近年來，國際與國內(nèi)鐵路物流運(yùn)輸在國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新形勢(shì)下，都發(fā)生了巨大變化[4]，煤炭、鋼鐵、礦石等傳統(tǒng)大宗貨物市場需求疲軟，而集裝箱、商品汽車、散貨快運(yùn)等增長勢(shì)頭迅猛[5]，2022 年國家鐵路貨運(yùn)總發(fā)送量完成39.03億t，同比增長4.8%[6]。

為了適應(yīng)新形勢(shì)下鐵路物流發(fā)展，需根據(jù)貨物品類、運(yùn)量、集疏運(yùn)方式、運(yùn)營費(fèi)用、貨運(yùn)場地條件等因素配置裝卸機(jī)械設(shè)備。隨著裝卸工藝的發(fā)展，需加快對(duì)多式聯(lián)運(yùn)[7]、公鐵聯(lián)運(yùn)[8]、煤運(yùn)通道、值機(jī)系統(tǒng)等新工藝流程的研究。裝卸機(jī)械種類繁多、計(jì)算過程復(fù)雜，需保證設(shè)計(jì)、計(jì)算數(shù)據(jù)的正確性。基于上述需求，進(jìn)行鐵路物流裝卸機(jī)械數(shù)據(jù)平臺(tái)及配置計(jì)算系統(tǒng)研究是十分必要的。李鴻戰(zhàn)[9]研究了全路貨運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施布局優(yōu)化方案，柳影[10]根據(jù)MSFLB 方法提出了現(xiàn)代物流條件下鐵路貨場設(shè)計(jì)流程。耿明[11]基于數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)，研究了工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域智能協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Rajesh[12]采用改進(jìn)模擬退火算法研究多目標(biāo)設(shè)備布局問題，Chen 等[13]建立了數(shù)學(xué)模型，采用切片結(jié)構(gòu)技術(shù)，研究鐵路物流園區(qū)的設(shè)施布局問題。姚勝永等[14]利用灰色關(guān)聯(lián)度方法，構(gòu)建量化評(píng)估模型，明確鐵路物流園區(qū)功能等級(jí)。唐浩[15]綜合平臺(tái)建設(shè)、系統(tǒng)開發(fā)、交互接口、終端感知與設(shè)備創(chuàng)新等多方面考慮，提出了一種適合我國鐵路貨運(yùn)場站的智能化運(yùn)營管理體系架構(gòu)。

綜上，國內(nèi)外多針對(duì)物流裝卸機(jī)械設(shè)備配置設(shè)計(jì)方法、布局、方案進(jìn)行研究，針對(duì)鐵路物流裝卸設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、智能化不足等現(xiàn)狀，深入研究裝卸機(jī)械配置和計(jì)算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)適用于工程設(shè)計(jì)的鐵路物流裝卸機(jī)械數(shù)據(jù)平臺(tái)及配置計(jì)算系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo)

基于瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server，B/S)框架，通過功能層和標(biāo)準(zhǔn)庫搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)，采用元數(shù)據(jù)定向組合技術(shù)，輔以計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路物流裝卸機(jī)械配置計(jì)算和工藝設(shè)計(jì)全過程的參數(shù)化、自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，具體功能如下。

（1）建立裝卸機(jī)械設(shè)備各設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)，形成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立。

（2）統(tǒng)計(jì)裝卸機(jī)械裝卸效率及定員標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，分別建立計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)人員信息、項(xiàng)目信息以及規(guī)范信息的查詢功能，同時(shí)可根據(jù)最新的信息資料在線更新、編輯相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理。

（3）通過總結(jié)與整理多種貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備裝卸效率和配置標(biāo)準(zhǔn)，制定貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備配置計(jì)算模板，并根據(jù)項(xiàng)目類型、設(shè)計(jì)階段、其他專業(yè)設(shè)計(jì)輸入、主要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)等信息作為中間數(shù)據(jù)，通過軟件內(nèi)部計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)配置數(shù)量的智能計(jì)算，并輸出標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算書。

（4）根據(jù)貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)庫和計(jì)算書的計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目設(shè)備配置、房屋面積及定員、投資概算的智能計(jì)算，并定制全過程互提接口資料、投資概算、說明書的文本輸出模板，利用文本資料結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)“一鍵”直接輸出設(shè)計(jì)成果(包含房屋面積、定員、概算、說明書等)。

（5）實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果的自動(dòng)記憶，直接記錄在貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)庫中，并作為設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)判斷接下來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的正確性，通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、對(duì)比、參照，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 總體框架

軟件基于J2EE 平臺(tái)的組件技術(shù)開發(fā)，集合了HTML5 頁面技術(shù)、Office 控件、CAD 繪圖控件及文件庫等前沿的中間件和產(chǎn)品，處理從提入資料到互提各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，整理出了一套統(tǒng)一的常量、公式、計(jì)算規(guī)則，并實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一接口化管理。

本系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和普通計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，通過HTML網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)搭建人機(jī)交互界面，通過SQL數(shù)據(jù)庫及程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)械及其輔助設(shè)備的配置計(jì)算，通過Office 的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的標(biāo)準(zhǔn)化輸出。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，包括功能實(shí)現(xiàn)的界面層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)，以及外圍的項(xiàng)目信息庫、知識(shí)庫、模板庫、審核意見庫4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 System overall framework

界面層是系統(tǒng)的人機(jī)交互層，包括項(xiàng)目信息列表及分階段設(shè)計(jì)界面，能夠完成各項(xiàng)目預(yù)可行性研究、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖全階段的輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性、正確性、智能性的判斷層，包括分類資料設(shè)計(jì)參數(shù)輸入、基于知識(shí)庫的數(shù)據(jù)合理性判斷、數(shù)據(jù)管理更新匯總，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路物流裝卸機(jī)械的信息數(shù)據(jù)、配置計(jì)算數(shù)據(jù)、接口數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)的管理。應(yīng)用層是設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出層，基于模板庫實(shí)現(xiàn)計(jì)算書素材、互提資料、說明書和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出。

項(xiàng)目信息庫用于存儲(chǔ)項(xiàng)目的特征信息，既是項(xiàng)目存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主鍵，又是后續(xù)設(shè)計(jì)資料、設(shè)計(jì)階段信息一致性的保證，主要包括項(xiàng)目人員信息、項(xiàng)目建立信息和項(xiàng)目概述信息。知識(shí)庫是裝卸機(jī)械相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算指標(biāo)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的匯總數(shù)據(jù)庫，主要包括工藝庫、公式庫、標(biāo)準(zhǔn)庫、設(shè)備庫、定員指標(biāo)、房屋指標(biāo)、概算指標(biāo)，各數(shù)據(jù)庫以工藝庫為主導(dǎo)，相互關(guān)聯(lián)，形成知識(shí)圖譜。模板庫是將各階段各類設(shè)計(jì)資料經(jīng)結(jié)構(gòu)化處理(隨項(xiàng)目變化數(shù)據(jù)參數(shù)化，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)固化)的存儲(chǔ)管理庫，主要包括設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)細(xì)則、計(jì)算書、互提資料、單項(xiàng)概算和說明書。審核意見庫是設(shè)計(jì)資料復(fù)核、處審、院審的三級(jí)審核記錄，完成審核后記錄、歸檔。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鐵路物流裝卸機(jī)械數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立及管理

根據(jù)鐵路物流中心的貨物品類確定裝卸機(jī)械的主要類型，其中集裝箱主箱場裝卸宜選用軌道式集裝箱門式起重機(jī)、集裝箱正面吊；集裝箱輔助箱場裝卸宜選用集裝箱正面吊、空箱堆垛機(jī)；長大笨重貨物裝卸宜選用軌道式門式起重機(jī)、橋式起重機(jī)、汽車起重機(jī)及相應(yīng)索具等；成件包裝(散貨快運(yùn))貨物裝卸宜選用叉車(配托盤)；商品汽車裝卸宜選用汽車裝卸平臺(tái)或?qū)Ｓ靡苿?dòng)式小汽車裝卸機(jī)械；散堆裝貨物裝卸宜選用抓料機(jī)、裝載機(jī)。為了保證系統(tǒng)開發(fā)過程中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，基于裝卸機(jī)械設(shè)備、輔助機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)，建立預(yù)可研、可研、初步設(shè)計(jì)、施工圖各設(shè)計(jì)階段機(jī)械設(shè)備輸入、中間、輸出數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)全過程和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分類如圖2 所示，指導(dǎo)程序編制，統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理信息存儲(chǔ)、訪問、更新、傳遞方式的數(shù)據(jù)一致性，有利于后期建設(shè)的延續(xù)性和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞。

圖2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分類Fig.2 Data standard classification

以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分類為基礎(chǔ)，通過各類元數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的定向流動(dòng)、組合，形成設(shè)計(jì)中間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，中間數(shù)據(jù)再與成果模板結(jié)合，形成最終的輸出數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，主要的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 主要的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)流向Fig.3 Main data standards and data flow

3.2 鐵路物流裝卸機(jī)械設(shè)備配置計(jì)算模塊

裝卸機(jī)械設(shè)備配置計(jì)算是設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，關(guān)系到鐵路物流中心的站場規(guī)模、工藝布局、投資概算等，計(jì)算得到機(jī)械類型、規(guī)格型號(hào)、設(shè)備數(shù)量后，可以進(jìn)一步根據(jù)房屋、定員、概算指標(biāo)以及各類設(shè)備對(duì)接口專業(yè)的要求，研究并總結(jié)貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算書的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)項(xiàng)目類型、設(shè)計(jì)階段、其他專業(yè)設(shè)計(jì)輸入、主要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)等信息作為中間數(shù)據(jù)，通過軟件內(nèi)部的智能計(jì)算，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算書的標(biāo)準(zhǔn)化輸出功能，完成全過程設(shè)計(jì)。主要裝卸機(jī)械規(guī)格型號(hào)及計(jì)算指標(biāo)是計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)裝卸機(jī)械規(guī)格型號(hào)和積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主要裝卸機(jī)械規(guī)格型號(hào)及計(jì)算指標(biāo)如表1所示。

表1 主要裝卸機(jī)械規(guī)格型號(hào)及計(jì)算指標(biāo)Tab.1 Main handling machinery specifications and calculation indicators

成件包裝、笨重、散堆裝貨物以貨品裝卸作業(yè)量除以裝卸效率即可得到數(shù)量，但集裝箱貨物最為復(fù)雜，具體公式[16]如下。

式中：Ni為日均到達(dá)箱數(shù)或發(fā)送箱數(shù)或中轉(zhuǎn)箱數(shù)或輔助箱區(qū)各類箱數(shù)，TEU；Qi為年到達(dá)箱或發(fā)送箱或中轉(zhuǎn)箱或輔助箱區(qū)各類箱貨運(yùn)量，萬t；α為集裝箱運(yùn)量的波動(dòng)系數(shù)；q為集裝箱平均凈載重，t。

式中：N主為主箱區(qū)日均作業(yè)箱數(shù)，TEU；N到為到達(dá)箱的日均作業(yè)箱數(shù)，TEU；N發(fā)為發(fā)送箱的日均作業(yè)箱數(shù)，TEU；N中為中轉(zhuǎn)箱的日均作業(yè)箱數(shù)，TEU。

式中：Ci為裝卸機(jī)械配置數(shù)量，臺(tái)；z為集裝箱平均裝卸次數(shù)；Pi為裝卸機(jī)械作業(yè)指標(biāo)，TEU/h；Ti為裝卸機(jī)械日均作業(yè)時(shí)間，h。

最終系統(tǒng)通過輸入標(biāo)準(zhǔn)表格經(jīng)調(diào)運(yùn)量、取用不同品類貨物裝卸系數(shù)、取用不同機(jī)械裝卸效率、取用計(jì)算常量、讀取公式庫內(nèi)公式、輸出計(jì)算結(jié)果6 個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)計(jì)算模塊的開發(fā)。

3.3 全過程輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)械設(shè)備配置計(jì)算后，基于互提接口資料、投資概算、說明書的結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化，開發(fā)全過程設(shè)計(jì)成果的智能輸出功能。研發(fā)了裝卸機(jī)械工程全過程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過HTML、jQuery 語言，結(jié)合AutoCAD、Office插件，將用戶輸入、協(xié)同設(shè)計(jì)資料形成貨運(yùn)設(shè)備計(jì)算書，再通過貨運(yùn)設(shè)備計(jì)算結(jié)果，生成設(shè)計(jì)原則、設(shè)備表、房屋面積表、定員表、構(gòu)筑物表、用電量表等中間成果，再結(jié)合互提資料、投資概算、說明書素材模板，形成輸出成果，全過程輔助設(shè)計(jì)中各資料模塊化關(guān)系如圖4所示。

圖4 全過程輔助設(shè)計(jì)中各資料模塊化關(guān)系Fig.4 Modular relationship of data in the whole process aided design

研究并建立的貨運(yùn)機(jī)械(包括裝卸機(jī)械及貨運(yùn)輔助機(jī)械)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)全過程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的記錄和管理，通過數(shù)據(jù)的記憶性、關(guān)聯(lián)性，直接實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，智能定制項(xiàng)目的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的正確性。

通過數(shù)據(jù)庫層的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)計(jì)管理、中間成果、數(shù)據(jù)模板、輸出成果管理，實(shí)現(xiàn)鐵路物流項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“大數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)，并作為設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，用于判斷后續(xù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的正確性，通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、對(duì)比、參照，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。系統(tǒng)網(wǎng)頁界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)頁界面Fig.5 System web interface

4 結(jié)論

通過提出裝卸機(jī)械設(shè)備配置計(jì)算和工程全過程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)，建立元數(shù)據(jù)定向驅(qū)動(dòng)和組合標(biāo)準(zhǔn)，嵌入各類裝卸機(jī)械的配置計(jì)算規(guī)則，開發(fā)了鐵路物流裝卸機(jī)械數(shù)據(jù)平臺(tái)及配置計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠應(yīng)用于物流裝卸機(jī)械工程項(xiàng)目的全過程設(shè)計(jì)，智能計(jì)算設(shè)備選型、配置數(shù)量、房屋面積、定員等中間成果，再結(jié)合接口資料、投資概算、說明書的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化模板，輸出設(shè)計(jì)成果。

（1）通過本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，搭建了適應(yīng)當(dāng)前鐵路物流發(fā)展形勢(shì)的裝卸機(jī)械數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了貨運(yùn)機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算指標(biāo)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的智能查詢與管理，通過數(shù)據(jù)的記憶性、關(guān)聯(lián)性，智能定制項(xiàng)目的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的正確性和全過程階段的一致性。

（2）采用B/S 架構(gòu)開發(fā)的鐵路物流裝卸機(jī)械全過程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包含界面、數(shù)據(jù)、應(yīng)用三層結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目信息庫、知識(shí)庫、模板庫、審核意見庫4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫，以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全過程設(shè)計(jì)成果的標(biāo)準(zhǔn)化輸出，提高設(shè)計(jì)文件質(zhì)量、避免人工錯(cuò)誤、降低重復(fù)工作量，快速響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)變化，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率、網(wǎng)絡(luò)化、計(jì)算機(jī)輔助的鐵路物流裝卸機(jī)械設(shè)計(jì)模式。