王丹竹，葉 飛，田宏業(yè)，席江月，于雪嶠

WANG Danzhu1, YE Fei1, TIAN Hongye2, XI Jiangyue1, YU Xueqiao1

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團有限公司 調(diào)度所，北京 100045)

(1.Transportation & Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China; 2.Traffic Control Office, China Railway Beijing Group Co., Ltd., Beijing 100045, China)

1 鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同現(xiàn)狀分析

1.1 現(xiàn)狀

為保障鐵路集裝箱運輸服務能力，目前全路共規(guī)劃建設208個一級、二級鐵路物流基地，已建成鐵路貨場約2 180個、鐵路集裝箱中心站18個[1]。絕大多數(shù)鐵路物流基地與鐵路貨場中，均設置有集裝箱作業(yè)區(qū)，為客戶提供集裝箱的裝卸、存儲、運輸、集散、維修等服務，部分場站還可以提供掏裝箱服務。

鐵路集裝箱場站通常可以分為主作業(yè)區(qū)、輔助箱區(qū)、掏裝箱區(qū)、箱修區(qū)、集卡停車場、辦公區(qū)和生活服務區(qū)等功能區(qū)[2]，場站內(nèi)包括門吊、正面吊、集卡、自動引導車(Automated Guided Vehicle，AGV)、鐵路貨車、叉車、廂式貨車、集裝箱和托盤等移動裝備，裝卸線、集裝箱堆場、集卡裝卸停車位、集卡停車場、道路、門閘、汽車衡等固定設施，以及參與生產(chǎn)的管理人員、內(nèi)外勤作業(yè)人員、門吊司機、集卡司機、叉車司機、廂式貨車司機、門衛(wèi)等工作人員。鐵路集裝箱場站設施設備配置示意圖如圖1所示。

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同的核心任務，是在集裝箱集疏運、公鐵側(cè)裝卸車、集裝箱堆存、掏裝箱等業(yè)務場景中，實現(xiàn)門吊、正面吊、集卡、AGV、叉車、廂式貨車、門閘和人員的集中調(diào)度、協(xié)同作業(yè)，以提高場站的綜合服務能力。物流要素間調(diào)度協(xié)同的基礎是數(shù)據(jù)信息的自動化采集和管理，以及基于裝備、人員、堆場等數(shù)據(jù)信息的一體化作業(yè)方案編制，最終通過智能化作業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)要素的智能調(diào)度、協(xié)同作業(yè)。由于當前部分鐵路集裝箱場站的信息化、智能化水平還相對較低，對于集裝箱場站內(nèi)資源要素的配置、調(diào)度和使用更多依賴于作業(yè)人員的經(jīng)驗，采用人工方式進行管理和操作。因此，隨著鐵路貨運市場化改革進程的推進，如何實現(xiàn)提質(zhì)增效，提升鐵路貨運場站經(jīng)營能力，更加科學合理高效地調(diào)配鐵路集裝箱場站各類資源要素，是鐵路物流智能化發(fā)展亟待解決的問題之一。

1.2 存在問題

圖1 鐵路集裝箱場站設施設備配置示意圖Fig.1 Facilities and equipment configuration in railway container yard

（1）信息化基礎數(shù)據(jù)采集手段有待加強。與社會物流園區(qū)相比，鐵路集裝箱場站信息化發(fā)展相對滯后，設施設備配置自動化、智能化水平不足，基礎數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)源點系統(tǒng)建設不完善，對于裝備的時空位置信息、作業(yè)狀態(tài)信息和人員的作業(yè)信息無法實時采集掌握。例如，無法采集門吊、集卡、集裝箱實時位置信息，難以實現(xiàn)三者統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)同作業(yè)；智能門閘普及率低，難以實現(xiàn)車輛預約管控、集卡智能引導，極易導致繁忙場站集卡司機等待時間過長，加大周邊交通壓力。

（2）信息傳輸鏈路有待完善升級。既有場站無線通信系統(tǒng)仍以2G/3G/4G為主，難以滿足高帶寬、低延遲、高可靠性信息傳輸要求，有線通信系統(tǒng)雖然配備有光纖、光纜傳輸路徑，但在移動裝備的遠控、調(diào)度作業(yè)中，靈活性不足，對于集卡、正面吊等移動裝備均難以利用。例如，門吊遠控裝備利用4G以下無線傳輸系統(tǒng)，則延遲過高難以滿足實時控制精度要求，利用有線傳輸系統(tǒng)，則需配備長距離光纖、光纜，靈活性不足且成本較高。

（3）智能化數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)建設水平有待提升。傳統(tǒng)鐵路集裝箱場站以設施設備獨立調(diào)度為主，缺乏智能調(diào)度決策管理系統(tǒng)，方案編制及資源調(diào)度完全依托作業(yè)人員經(jīng)驗，手動編制、人工作業(yè)，作業(yè)調(diào)度的全局最優(yōu)性、系統(tǒng)科學性、快速響應能力不足。例如，在編制門吊、正面吊、集卡裝卸作業(yè)計劃時，是獨立編制各類裝備的作業(yè)計劃，依托貨運員手動編制，難以實現(xiàn)不同裝備間的協(xié)同作業(yè)、統(tǒng)一調(diào)度，易導致裝備間利用率不均衡、相互等待時間長，不利于總作業(yè)時長和運營成本的降低。

（4）自動化作業(yè)管理信息平臺研發(fā)有待推進。受到信息化、智能化技術水平限制，鐵路集裝箱場站現(xiàn)代化、自動化的智能作業(yè)系統(tǒng)配置不足，不利于“公鐵側(cè)裝卸車”與“集裝箱堆存管理”的聯(lián)合調(diào)度，難以實現(xiàn)場站內(nèi)各類作業(yè)資源的“一張圖”全局調(diào)度協(xié)同優(yōu)化，突發(fā)事件響應較慢。例如，依托人工調(diào)度管理，為充分保證作業(yè)安全，通常需要在完成鐵路貨車裝卸作業(yè)后，再進行集卡裝卸作業(yè)，鐵路貨車與集卡直裝直卸比率低、作業(yè)協(xié)調(diào)難度大，對于提升集卡利用效率、提升箱區(qū)箱位周轉(zhuǎn)效率、減少門吊走行距離、降低集卡司機等待時間成本等非常不利[3]。

2 鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系框架

2.1 優(yōu)化目標

調(diào)度協(xié)同優(yōu)化是指依托信息化、智能化技術，通過數(shù)據(jù)采集源點布設、智能裝備配置、智能優(yōu)化模型構建、信息系統(tǒng)建設等手段，實現(xiàn)物流系統(tǒng)中不同要素之間的協(xié)同運作、集中調(diào)度和全局優(yōu)化，以達到整個物流系統(tǒng)的全局最優(yōu)，充分提升資源利用效率，降低運營成本，提高服務質(zhì)量。鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的目標是實現(xiàn)作業(yè)效率的最大化和作業(yè)成本的最小化，通過實現(xiàn)門吊、正面吊、叉車等裝卸設備，集卡、AGV、廂式貨車等運輸設備，箱區(qū)箱位、停車位等空間設施，門閘等輔助設施之間的統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)鐵路集裝箱場站裝卸系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)間的協(xié)同優(yōu)化，達到整個場站資源利用的整體最優(yōu)，以及裝備走行路徑、能源消耗、等待時間的綜合最優(yōu)。

與傳統(tǒng)鐵路集裝箱場站設施設備調(diào)度相比，調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的優(yōu)勢在于，可以利用信息化、智能化手段，實時采集監(jiān)測設施設備時間、空間、作業(yè)狀態(tài)、設備狀態(tài)及能耗等信息，實現(xiàn)不同類型裝備間作業(yè)計劃的協(xié)同化編制、場站全流程作業(yè)環(huán)節(jié)的一體化設計、客戶物流服務感受的人性化提升和場站資源要素綜合運用的智能化管理。推進鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化，應遵循“以信息手段為基礎、以智能技術為支撐、以流程再造為途徑、以制度優(yōu)化為保障、以管理升級為核心、以提質(zhì)增效為目標”的基本思路，綜合統(tǒng)籌信息采集設備配置、生產(chǎn)裝備智能改造、智能優(yōu)化模型建設、作業(yè)系統(tǒng)研發(fā)升級、數(shù)據(jù)分析決策支持等多方資源，建立集科學性、系統(tǒng)性、實用性、有效性于一體的鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系。

2.2 總體框架

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系建設，是面向鐵路集裝箱場站資源管理割裂、協(xié)同調(diào)度不足的突出問題，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、云計算、人工智能等現(xiàn)代化信息技術手段，通過建立覆蓋全面、交互實時的基礎數(shù)據(jù)信息采集源點系統(tǒng)，建立穩(wěn)定性強、高帶寬、高速度的信息傳輸通道，構建數(shù)據(jù)處理能力強、智能計算性能高的智能調(diào)度中心，最終打造集信息化、自動化、智能化于一體的調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系，實現(xiàn)鐵路集裝箱場站內(nèi)各類要素的一體化、協(xié)同、高效、集中調(diào)度，提升資源利用效率，降低綜合運營成本。

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系包含數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、智能處理、作業(yè)應用和決策支持5個子系統(tǒng)。其中，集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的主要內(nèi)容，是通過實現(xiàn)門吊、正面吊、集卡、智能門閘、AGV間的協(xié)同集群作業(yè)，提升主作業(yè)區(qū)集裝箱公鐵側(cè)裝卸效率，降低設備能耗及集卡等待時間，提高直裝直卸比率和集卡停車場利用率；通過實現(xiàn)正面吊、集卡、AGV、廂式貨車、叉車間的協(xié)同集群作業(yè)，提升集裝箱掏裝箱作業(yè)效率，提高服務質(zhì)量，保障作業(yè)安全；通過實現(xiàn)正面吊、集卡、AGV間的協(xié)同集中調(diào)度，提升輔助箱區(qū)、箱修區(qū)作業(yè)效率，提高集裝箱流轉(zhuǎn)效率和集裝箱堆場利用率。鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系總體框架如圖2所示。

2.3 子系統(tǒng)分析

圖2 鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系總體框架Fig.2 Framework of collaborative optimization system for railway container yard scheduling

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的基礎數(shù)據(jù)信息采集，核心內(nèi)容包括對門吊、正面吊、集卡、AGV、鐵路貨車、叉車、廂式貨車、集裝箱、停車位、集裝箱堆場等設施設備以及作業(yè)人員基礎信息的采集，涉及時間信息、空間信息、作業(yè)狀態(tài)信息、設備狀態(tài)信息和能耗信息等。移動裝備及人員的時空信息采集主要依托車載定位裝備、定位芯片磁卡、手機、手持終端、視頻采集設備、磁釘系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等；作業(yè)狀態(tài)、設備狀態(tài)信息主要通過傳感器、紅外設備、視頻采集設備、電磁系統(tǒng)、智能遠控設備等進行采集；能耗信息通過在設備上安裝智能電表進行采集。采集到的基礎數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)采集管理信息系統(tǒng)予以收集、處理、存儲，通過信息傳輸子系統(tǒng)進行傳遞。

（2）信息傳輸子系統(tǒng)。信息傳輸子系統(tǒng)是不同終端、設備、系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)臉蛄?，伴隨我國5G移動通信技術的快速發(fā)展，在既有的光纖有線通信、局域網(wǎng)、藍牙、2G/3G/4G無線通信系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)基礎上，基于5G的無線信息傳輸通道具備更高的傳輸速度、穩(wěn)定性、帶寬以及更強的多終端接入能力。依托自建5G基站，鐵路集裝箱場站能夠建立傳輸速度更快、穩(wěn)定性更強的信息傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)源點采集到的視頻、音頻、圖像、文本等多類型數(shù)據(jù)信息在不同系統(tǒng)間實時無損傳輸。

（3）智能處理子系統(tǒng)。智能處理子系統(tǒng)是鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系的“大腦”，也是實現(xiàn)資源協(xié)同、集中調(diào)度的智能指揮中心。該子系統(tǒng)由智能優(yōu)化模型庫、人工智能算法庫、大數(shù)據(jù)分析處理算法庫、資源協(xié)同調(diào)度機制、數(shù)據(jù)處理軟硬件設備和作業(yè)規(guī)范及規(guī)章制度保障體系組成。其中，模型庫中以總作業(yè)時間最短、總經(jīng)濟成本最低和總等待時間最短為目標，構建整個系統(tǒng)的總體多目標優(yōu)化模型，并配套門閘智能管控、車輛路徑優(yōu)化、掏裝箱作業(yè)優(yōu)化、箱修區(qū)作業(yè)優(yōu)化等若干子模型[4-5]。智能算法庫包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模擬退火、k-Means聚類、支撐向量機等監(jiān)督式、非監(jiān)督式和半監(jiān)督式機器學習算法，以及回歸分析、聚類分析、關聯(lián)規(guī)則、Web數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)分析算法[6-7]。

（4）作業(yè)應用子系統(tǒng)。經(jīng)過采集、分析、處理、評價后的資源集群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，需要通過不同的物流作業(yè)管理信息系統(tǒng)予以實現(xiàn)和執(zhí)行，如門吊智能控制模塊、AGV智能管理模塊、智能叉車管理模塊、車輛智能管控模塊、集裝箱智能管理模塊、停車位智能管理模塊等[8]。各類不同的功能模塊，共同組成鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系的作業(yè)應用子系統(tǒng)，工作人員依托各信息系統(tǒng)，實現(xiàn)設備之間、人員之間的信息指令交互，各設備在智能作業(yè)系統(tǒng)的控制下協(xié)同完成生產(chǎn)作業(yè)任務。

（5）決策支持子系統(tǒng)。決策支持子系統(tǒng)的核心目標是更好地服務于管理者，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路集裝箱場站資源要素的“一張圖”動態(tài)實時可視化監(jiān)控展示，場站運營管理數(shù)據(jù)的圖形化、報表展示，以及關鍵性經(jīng)營決策的智能推薦分析等功能。通過決策支持子系統(tǒng)，管理者可以更好地對設備配置、設備狀態(tài)、作業(yè)流程、人員監(jiān)管、標準規(guī)范、管理制度、風險防范、安全評估、應急響應、服務質(zhì)量、經(jīng)營策略等進行及時調(diào)整完善，提升鐵路集裝箱場站的管理水平和經(jīng)營效益。

3 研究結(jié)論

鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化體系建設涉及資源要素多、作業(yè)流程及業(yè)務場景復雜、安全性要求高，需要投入大量軟硬件資源設備及經(jīng)濟成本，應遵循“系統(tǒng)規(guī)劃、分步實施”的思路，分階段、分步驟建設實施。

（1）建立鐵路集裝箱場站數(shù)據(jù)采集源點。基礎數(shù)據(jù)是鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化的基礎和根本，數(shù)據(jù)采集源點建設可以分為裝備配置和施工改造2項主要內(nèi)容。智能化裝備配置和設備改造，應以“充分利舊、節(jié)支降耗”為基本原則，避免造成資源浪費和不必要的運營成本增加。施工改造包括設施改造和設備布設，改造過程需充分做好項目前期可行性研究，施工過程應“節(jié)能環(huán)保、安全可靠”。

（2）建立鐵路集裝箱場站智能管理系統(tǒng)。智能管理系統(tǒng)建設包括應用軟件開發(fā)和硬件設備配置2項主要內(nèi)容[9]。應用軟件開發(fā)需緊密結(jié)合集裝箱場站現(xiàn)場作業(yè)要求，在進行作業(yè)流程優(yōu)化重組的同時，還必須滿足基本作業(yè)規(guī)范，確保生產(chǎn)安全。硬件設備配置應充分考慮設備的穩(wěn)定性、安全性和可拓展性，能夠滿足現(xiàn)階段智能管理系統(tǒng)的運行需要，并預留一定的未來系統(tǒng)升級、拓展的空間，具備一定的前瞻性。

（3）建立鐵路集裝箱場站智能調(diào)度數(shù)據(jù)中心。智能調(diào)度數(shù)據(jù)中心建設是鐵路集裝箱場站調(diào)度管理由“信息化”向“智能化”升級的根本性轉(zhuǎn)變。作為實現(xiàn)資源集中調(diào)度、協(xié)同作業(yè)、全局優(yōu)化的“大腦”和“引擎”，智能調(diào)度數(shù)據(jù)中心建設應包括模型庫、算法庫、協(xié)同機制和智能平臺建設等內(nèi)容。其中，模型庫、算法庫和協(xié)同機制用于不同資源要素的協(xié)同調(diào)度處理，自動計算生成最優(yōu)調(diào)度方案，并根據(jù)突發(fā)事件進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整[10]；智能平臺建設是構建基于數(shù)據(jù)資源沉淀的鐵路集裝箱場站調(diào)度協(xié)同優(yōu)化大數(shù)據(jù)信息平臺，充分挖掘數(shù)據(jù)資源價值，提升邊際效益。