于雪嶠，葉 飛，王丹竹，席江月，許植深

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

近年來，鐵路集裝箱運量始終保持30%以上的高速增長，隨著鐵路服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量、能力的不斷提升，鐵路集裝箱運量將進一步大幅提升，這對鐵路物流節(jié)點服務(wù)水平與效能提出了更高要求。面對外部日益增長的運輸需求和內(nèi)部管理精細化的服務(wù)需要，應(yīng)充分運用智能化技術(shù)裝備以提高集裝箱物流節(jié)點的服務(wù)水平與效能，助力推進現(xiàn)代流通體系建設(shè)[1]。集裝箱堆場運營管理是鐵路集裝箱場站運營管理的核心，圍繞著集裝箱場站運營提質(zhì)增效，國內(nèi)外學(xué)者展開了豐富的研究，主要集中在場站堆存能力優(yōu)化[2]、裝卸設(shè)備調(diào)度[3]、設(shè)施設(shè)備配置[4]、功能區(qū)布局[5]、班列開行[6]等方面，還應(yīng)結(jié)合鐵路集裝箱場站運營管理現(xiàn)狀及問題，設(shè)計集裝箱堆場智能管理技術(shù)體系架構(gòu)，提出基于智能化技術(shù)裝備的鐵路集裝箱箱位智能指派方法，優(yōu)化鐵路集裝箱堆場運營管理模式。

1 集裝箱堆場智能管理技術(shù)體系架構(gòu)設(shè)計

1.1 現(xiàn)狀分析

鐵路集裝箱堆場智能管理需要信息系統(tǒng)的支撐，隨著鐵路貨運系統(tǒng)的整合優(yōu)化，目前集裝箱業(yè)務(wù)均采用計算機進行制票、裝車、集裝箱動態(tài)管理、統(tǒng)計、日常報表等工作，極大提高了現(xiàn)場工作效率和管理水平。但是，目前在集裝箱堆場運營管理中，仍然存在作業(yè)信息以手動錄入、作業(yè)方案以人工決策為主的現(xiàn)象，原因之一在于目前信息系統(tǒng)對現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)、數(shù)據(jù)采集分析的支撐不足，降低了集裝箱堆場運營管理的服務(wù)水平與效能，不利于鐵路集裝箱運輸?shù)母哔|(zhì)量發(fā)展。

（1）現(xiàn)場作業(yè)信息化程度有待提高。一是隨著運輸需求的提升、運輸產(chǎn)品的不斷豐富，目前鐵路集裝箱堆場管理以人工管理為主的方式已經(jīng)不能滿足高質(zhì)量發(fā)展要求。信息化技術(shù)支撐不足，不能實時反饋及追溯集裝箱作業(yè)信息，而且存在集裝箱堆存信息易出現(xiàn)錯漏等現(xiàn)象。二是作業(yè)信息交互渠道仍需優(yōu)化建設(shè)。目前大部分集裝箱場站作業(yè)信息仍然以外勤貨運員“班前會”等形式下發(fā)，效率較低且存在信息傳遞不及時或出錯的問題。三是大部分門吊雖然已經(jīng)加裝了超偏載傳感器，但缺乏對采集信息的分析決策，導(dǎo)致集裝箱箱態(tài)仍以人工管理為主，存在空重誤掛的安全隱患。

（2）智能運營管理支撐不足。一是在具體生產(chǎn)作業(yè)過程中，仍存在信息化、智能化程度不夠?qū)е伦鳂I(yè)效率與準確度較低的問題，如在集裝箱選箱環(huán)節(jié)，仍需要人工選箱后再補錄到系統(tǒng)中，易出現(xiàn)因人工疏漏造成信息不符情況；二是鐵路貨運場站缺乏相對面向現(xiàn)場作業(yè)的智能管理系統(tǒng)，現(xiàn)場作業(yè)報表仍以紙質(zhì)人工填報為主，作業(yè)效率和質(zhì)量有待提升，而且并未對作業(yè)數(shù)據(jù)進行有效統(tǒng)計分析，不能充分發(fā)揮統(tǒng)計指標對現(xiàn)場方案決策的支撐作用；三是鐵路集裝箱場站多式聯(lián)運比重仍然相對較低，不能實現(xiàn)與其他運輸方式信息的實時交互，無法實現(xiàn)船期、班列時刻表的協(xié)同優(yōu)化，制約了鐵路場站的聯(lián)運能力。

因此，為了適應(yīng)集裝箱運輸?shù)目焖侔l(fā)展要求，針對鐵路集裝箱場站現(xiàn)狀，以系統(tǒng)提升鐵路集裝箱堆場運營管理智能化水平為目標，在硬件支撐方面，設(shè)計包括鐵路集裝箱堆場、鐵路側(cè)出入口、公路側(cè)出入口等關(guān)鍵智能運營主要節(jié)點設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)裝備應(yīng)用方案；在管理運用方面，通過分析比較不同堆存策略的規(guī)則以及優(yōu)勢、劣勢，探討箱位智能指派優(yōu)化方法，為鐵路集裝箱堆場高質(zhì)量運營管理、建設(shè)鐵路現(xiàn)代流通體系提供支撐。

1.2 智能運營管理體系架構(gòu)

鐵路集裝箱堆場智能管理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為了提升堆場的堆存能力、作業(yè)效率，不僅需要優(yōu)化堆場的堆存策略，還應(yīng)從硬件設(shè)備、運營平臺、管理技術(shù)等多方面進行優(yōu)化。在硬件設(shè)備方面，鐵路門架、公路門閘、裝卸設(shè)備等方面實現(xiàn)列車、集卡信息、集裝箱信息、作業(yè)信息的自主采集，與智能管理系統(tǒng)共同搭建集采集、決策、執(zhí)行、反饋于一體的閉環(huán)管理體系，實現(xiàn)車輛/列車在通過門架后自動識別車號、箱號、運輸需求等信息并上傳給管理平臺，計算決策作業(yè)方案后由智能化裝卸設(shè)備執(zhí)行，再將執(zhí)行結(jié)果反饋給管理平臺。鐵路集裝箱堆場智能管理體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1?鐵路集裝箱堆場智能管理體系架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of railway container yard intelligent management system

鐵路集裝箱堆場的智能管理應(yīng)按照信息源構(gòu)建—信息對稱—方法設(shè)計—設(shè)備支撐的發(fā)展思路，以信息采集—數(shù)據(jù)處理—決策支持—方案執(zhí)行—結(jié)果反饋為建設(shè)路徑全面發(fā)展。因此，應(yīng)結(jié)合智能化技術(shù)裝備，實現(xiàn)堆場數(shù)據(jù)信息由人工手動錄入向機器自動識別、作業(yè)方案由人工經(jīng)驗判斷向系統(tǒng)智能決策的轉(zhuǎn)變，涉及到的技術(shù)裝備主要包括與數(shù)據(jù)信息采集識別相關(guān)的電子標簽、閱讀器等設(shè)備；與堆場內(nèi)集裝箱定位相關(guān)的RFID設(shè)備；與車輛/列車進出信息采集相關(guān)的門架攝像頭、傳感器等設(shè)備和與場內(nèi)數(shù)據(jù)交互的無線傳輸設(shè)備等。通過上述硬件裝備，結(jié)合集裝箱堆場箱位智能優(yōu)化管理方法，實現(xiàn)鐵路集裝箱堆場的智能管理。

2 鐵路集裝箱堆場箱位智能指派方法

2.1 業(yè)務(wù)特征分析

鐵路集裝箱堆場箱位智能管理的本質(zhì)是鐵路集裝箱堆場堆存資源的合理利用問題。從集裝箱堆場運營層面來看，主要包括以下作業(yè)場景：集裝箱由堆場裝上列車、由堆場裝上集卡、從列車上卸至箱場(部分場站存在對裝卸問題，可能將其直接卸至集卡)、從集卡上卸至箱場，以及在堆場內(nèi)由于盤點、壓箱導(dǎo)致的集裝箱搬移。對于上述不同種作業(yè)場景，集裝箱堆場箱位智能指派的目標均是如何提升堆存資源的合理利用問題。對于從外部向箱場卸箱的情景，重點應(yīng)考慮集裝箱箱位堆存空間資源的合理利用，指派最優(yōu)的碼箱位置；對于從箱場向外部裝箱的情景，重點應(yīng)圍繞裝卸設(shè)備的資源調(diào)度，分配最優(yōu)的作業(yè)方案。

通過分析集裝箱堆場的業(yè)務(wù)特征，可以將其業(yè)務(wù)歸納為鐵路裝車、鐵路卸車、公路裝車、公路卸車、場內(nèi)搬移等5種業(yè)務(wù)場景，進一步結(jié)合堆場、軌道、公路等設(shè)施，可以將業(yè)務(wù)場景歸納總結(jié)為集卡/列車—箱場、箱場—集卡/列車、箱場—箱場3類，根據(jù)每類場景的作業(yè)需求特征，分別總結(jié)其智能管理優(yōu)化目標及方法。

2.2 優(yōu)化目標

（1）集卡/列車—箱場—均衡管理。當重集卡或重車通過門閘進入集裝箱堆場后，即集裝箱由外待卸至堆場堆存時，由門閘將車牌號、車號、順位號、集裝箱箱號等信息傳遞給智能管理平臺，對于以門吊為主要裝卸設(shè)備的堆場，應(yīng)注重均衡各門吊負責區(qū)域、各箱區(qū)的作業(yè)量，以充分利用堆存空間并提高裝卸作業(yè)效率，同時應(yīng)注重集裝箱屬性關(guān)系，盡量優(yōu)化箱位自由度，減少因壓箱導(dǎo)致的倒箱作業(yè)。

（2）箱場—集卡/列車—高效作業(yè)。當空集卡或空車進入集裝箱堆場取箱時，即集裝箱由堆場向外裝卸時，由于在集裝箱堆存時已經(jīng)考慮了各門吊作業(yè)均衡、集裝箱屬性一致等信息，因此當制定裝(列)車方案時，應(yīng)重點考慮裝卸效率最大化問題。在集裝箱由箱場向集卡/列車裝卸時，其本質(zhì)問題變?yōu)榧b箱搬運過程或裝卸機具作業(yè)徑路的廣義最短路徑問題，以降低作業(yè)成本，提升作業(yè)效率。

（3）箱場—箱場—高效作業(yè)。當集裝箱堆場因盤點或壓箱需要在箱場內(nèi)部搬移時，同樣需要考慮場內(nèi)各裝卸機具作業(yè)均衡問題，且在制定搬移方案時，需要考慮集裝箱屬性對集裝箱箱位的影響，盡量減少因場內(nèi)搬移造成新的集裝箱壓箱問題。

鐵路集裝箱堆場堆存方案優(yōu)化思路如圖2所示。

圖2?鐵路集裝箱堆場堆存方案優(yōu)化思路圖Fig.2 Optimization of railway container yard stacking scheme

2.3 優(yōu)化方法

基于不同作業(yè)情景，針對不同堆存模式、場站生產(chǎn)調(diào)度指揮需求，集裝箱堆場運營管理優(yōu)化可以采用以下方法。

（1）以基于集裝箱屬性判斷規(guī)則的鐵路集裝箱堆場箱位自由度最高為目標，設(shè)計遍歷搜索算法。在此條件下，每當有集裝箱從列車或集卡卸至堆場，結(jié)合不同場站的碼放順序，會影響箱場箱位的總體自由度或壓箱數(shù)。因此，通過設(shè)計搜索判斷算法，循環(huán)計算每一個單箱入場對箱場的影響，可以求得每一個單箱對集裝箱堆場自由度或壓箱數(shù)影響最小的方案。在對集裝箱堆場箱位遍歷搜索的過程中，應(yīng)重點考慮集裝箱屬性、作業(yè)類別等因素對優(yōu)化目標的影響[7]。

（2）以集裝箱堆場壓箱數(shù)最少為目標，應(yīng)用最優(yōu)化理論對鐵路集裝箱箱位進行指派方案的智能決策。這種方法針對不同集裝箱類別作業(yè)性質(zhì)、箱位指派需求不同，根據(jù)在列車上等待卸車的集裝箱、在堆場等待裝車的集裝箱和待中轉(zhuǎn)箱等不同類型集裝箱對堆存空間的要求，以及同屬性集裝箱盡量堆存于同一堆垛等堆存約束，構(gòu)建基于箱位均衡—壓箱數(shù)最少為目標的混合整數(shù)規(guī)劃模型，該類問題通常存在非線性規(guī)劃、變量組合規(guī)模巨大的特征，因此，多以啟發(fā)式算法對問題進行求解[8]。

3 鐵路集裝箱堆場關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用技術(shù)

為了支撐鐵路集裝箱堆場堆存智能指派方法，需要通過智能化硬件設(shè)備提升鐵路集裝箱場站信息化水平，主要包括集裝箱堆場信息、公鐵出入口信息、集裝箱作業(yè)信息的實時記錄，以實現(xiàn)堆場關(guān)鍵要素數(shù)字化管理。

3.1 堆場集裝箱定位技術(shù)

鐵路集裝箱堆場定位技術(shù)應(yīng)考慮集裝箱堆場規(guī)模和裝卸設(shè)備的影響。從堆場規(guī)模來看，鐵路集裝箱堆場均沿鐵路線建設(shè)，且其不存在前方堆場和后方堆場的劃分，堆存規(guī)模與設(shè)施設(shè)備配置遠小于港口堆場；從裝卸設(shè)備來看，集裝箱堆場所用設(shè)備主要為龍門吊和正面吊，且集裝箱設(shè)備規(guī)整、按箱位擺放，在堆場有限空間內(nèi)對于定位精度的要求較低，因此其定位可通過裝卸設(shè)備實現(xiàn)。

由于集裝箱具有一般金屬特性，通過磁鋼等定位技術(shù)難以解決集裝箱間的信號干擾問題，因此難以采用傳統(tǒng)的電子信號傳輸定位技術(shù)。可以通過基于堆場無線通訊的圖像識別技術(shù)確認龍門吊或正面吊集裝箱箱號，并進一步通過分析裝卸設(shè)備的位移記錄集裝箱位置信息的變化。

目前，大規(guī)模的鐵路場站均以龍門吊作為主要的裝卸設(shè)備，以正面吊、叉車等作為輔助裝卸設(shè)備。針對龍門吊沿其軌道運行的作業(yè)特征，以盡端式堆場為例，可以在盡端處設(shè)立水平方向(x)和豎直方向(y)的參考原點，根據(jù)門吊相距原點的水平位移，結(jié)合吊頭在垂直方向(z)的位移，確定作業(yè)后的集裝箱位置信息并通過場內(nèi)無線通訊設(shè)備反饋作業(yè)信息執(zhí)行情況。龍門吊定位示意圖如圖3所示。

3.2 鐵路側(cè)堆場出入管理技術(shù)

圖3?龍門吊定位示意圖Fig.3 Positioning diagram of track crane

鐵路集裝箱堆場的鐵路側(cè)出入口是列車通過的唯一通道，通過對鐵路側(cè)出入口集裝箱信息的實時采集，結(jié)合(預(yù))確保信息即可提前制定集裝箱裝卸計劃并更新集裝箱堆場信息。通過鐵路側(cè)出入口的集裝箱數(shù)量較多，并且要求采集設(shè)備能夠識別運動狀態(tài)中的數(shù)據(jù)信息，考慮列車推送作業(yè)或進入咽喉后一般速度較低，結(jié)合閱讀器識別能力與精度，可考慮采用線陣相機采集與RFID設(shè)備識別相結(jié)合的方式，通過內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)相連通以關(guān)聯(lián)車次車號，匹配作業(yè)信息與運輸信息。鐵路出入口智能管理系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4?鐵路出入口智能管理系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of railway entrance and exit intelligent management system

由圖4可以看出，采用線陣相機采集與RFID設(shè)備相結(jié)合的方式，可以有效解決集裝箱列車一次通過需要采集數(shù)據(jù)較多的問題，通過閱讀器和線陣相機識別集裝箱信息后，存儲于場站智能作業(yè)管理系統(tǒng)。針對需要在運動過程中識別數(shù)據(jù)信息的要求，可以根據(jù)設(shè)備選型的技術(shù)特征，限定列車通過速度并應(yīng)用雙線+雙閱讀器模式確保采集信息的準確性，結(jié)合線陣相機識別的數(shù)據(jù)比對無誤后上傳作業(yè)系統(tǒng)記錄集裝箱數(shù)據(jù)信息。當列車通過鐵路側(cè)門架后，自動觸發(fā)信息采集設(shè)備，并將采集數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)后作為裝卸火車的依據(jù)，系統(tǒng)即可根據(jù)運輸需求信息自動編制裝卸列車方案與計劃。

3.3 公路側(cè)堆場出入管理技術(shù)

鐵路集裝箱堆場公路側(cè)出入口是確保集裝箱堆存安全、記錄集裝箱進出站信息的重要閘口，通過識別集卡、車牌號等信息自動分析集卡進出站作業(yè)類別與需求，以便進一步制定裝卸汽車方案。公路出入口智能管理系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5?公路出入口智能管理系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of highway entrance and exit intelligent management system

由圖5可知，與鐵路側(cè)門閘類似，同樣采用線陣相機+閱讀器的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時動態(tài)采集，通過復(fù)核2種模式采集的數(shù)據(jù)信息確保數(shù)據(jù)準確性。集卡司機通過輸入集卡車牌號、集裝箱箱號、運輸需求后預(yù)約進場，數(shù)據(jù)比對信息無誤后由智能管理系統(tǒng)發(fā)送放行指令，并將集卡車牌號、運輸公司信息、箱內(nèi)貨物信息、集裝箱運輸目的地、集裝箱預(yù)計返場時間等進行采集并上傳。通過閱讀器加線陣相機相復(fù)核的模式確保采集信息的準確性，當信息采集比對結(jié)果不一致時，應(yīng)由人工以線陣相機采集圖片為準輸入正確信息。當集卡通過公路側(cè)門架后，通過比對預(yù)約信息與實際信息確認集卡進場運輸需求，系統(tǒng)自動分析生成裝卸汽車方案并推送給集卡司機。

4 結(jié)束語

合理應(yīng)用智能化技術(shù)裝備對于提升鐵路集裝箱堆場運作效率、減輕現(xiàn)場職工勞動強度具有重要意義。通過定性分析鐵路集裝箱堆場箱位智能指派方法可以有效提升鐵路集裝箱堆場堆存能力與作業(yè)效率，結(jié)合智能化技術(shù)裝備提出的關(guān)鍵設(shè)施布設(shè)方案可以有效實現(xiàn)鐵路集裝箱堆場關(guān)鍵信息的自主采集，為提升鐵路集裝箱堆場信息化水平提供決策依據(jù)。隨著鐵路集裝箱業(yè)務(wù)的進一步發(fā)展，應(yīng)重點研發(fā)結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)的智能管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)方案的智能決策、智能執(zhí)行和智能反饋。未來可以針對5G通訊、數(shù)據(jù)發(fā)掘、人工智能等新技術(shù)，優(yōu)化鐵路場站作業(yè)流程與人員崗位，進一步提升集裝箱場站對鐵路集裝箱發(fā)展的支撐作用，助力構(gòu)建現(xiàn)代流通體系。