李 楠，孔慶瑋，吳志偉，金黎明，羅志友

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 北京經(jīng)緯信息技術有限公司，北京 100081；3. 中國鐵路上海局集團有限公司 蕪湖東站，安徽 蕪湖 241007)

集裝箱運輸是我國鐵路發(fā)展現(xiàn)代物流的重點任務，具有快捷、高效、安全、節(jié)約成本的特點。截至2022 年，我國鐵路集裝箱發(fā)送量年均增長22.4%，增長速度遠超過整車運輸[1]。中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)在全路大力建設集裝箱貨場，集裝箱場站作業(yè)量大幅提高，這對提高裝卸作業(yè)效率、優(yōu)化作業(yè)流程、加速集裝箱周轉率提出更高要求。《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》(國辦發(fā)〔2022〕17 號)中提出，要加快推進物流智慧化改造，加速推進物流技術裝備與智慧管理技術建設[2]。運用先進信息技術手段，建立健全、可靠的集裝箱信息化管理體系，已經(jīng)成為鐵路貨運領域關注的重點問題[3]。然而，既有的大多數(shù)鐵路貨運場站并不具備完善的硬件設備支撐，僅有部分信息化程度較高的集裝箱中心站具有完備的裝卸設備、智能識別設備、定位設備，可以支持裝卸作業(yè)智能化指揮。大多貨運場站信息化程度不足，還存在紙質(zhì)管理、流程混亂、計劃與實際作業(yè)脫節(jié)、先作業(yè)后補錄的問題[4-5]。為了提高集裝箱裝卸設備利用率、提高貨場整體運營能力，研究基于移動終端，設計并實現(xiàn)了一種集裝箱自動裝卸派班方案，在裝卸作業(yè)前生成合理可靠的裝卸計劃，用裝卸計劃指導生產(chǎn)作業(yè)，以達到規(guī)范作業(yè)流程、提高作業(yè)效率、避免資源浪費的目的。

1 集裝箱裝卸計劃現(xiàn)狀分析及衡量標準

1.1 集裝箱裝卸作業(yè)現(xiàn)狀

我國鐵路運輸企業(yè)、科研機構對集裝箱信息化管理開展了大量探索實踐。目前鐵路集裝箱管理運用集裝箱運輸信息系統(tǒng)[6]，實現(xiàn)了集裝箱在途追蹤、車貨匹配等功能，但集裝箱運輸信息系統(tǒng)大多數(shù)功能主要針對在途集裝箱運輸，對于集裝箱場站內(nèi)作業(yè)的信息化支持程度不足，無法涵蓋集裝箱場站內(nèi)作業(yè)全流程。中國鐵路上海局集團有限公司鐵路集裝箱物流園區(qū)信息管理系統(tǒng)在集裝箱運輸信息系統(tǒng)的基礎上做了優(yōu)化，提出利用人臉識別模塊進行作業(yè)人員管理，并利用手持機進行裝卸派班[7]，確保派班人員在崗，避免漏派、誤派，提高了集裝箱物流園區(qū)內(nèi)人員、設備管理規(guī)范性。中國鐵路哈爾濱局集團有限公司設計了貨運裝卸設備管理系統(tǒng)[8]，將園區(qū)內(nèi)裝卸設備進行數(shù)字化管理，便于裝卸作業(yè)前依據(jù)設備位置、檢修狀態(tài)等設計更為合理的裝卸計劃。這些探索為集裝箱場站數(shù)字化管理奠定了基礎，但在裝卸流程優(yōu)化與裝卸計劃制定層面，依舊多為人工制定計劃，以及在實際作業(yè)時對計劃進行補錄，缺少自動化、智能化的計劃輔助決策。同時，受限于場站內(nèi)智能識別設備、定位設備的數(shù)量，作業(yè)計劃人員需要人工統(tǒng)計大量箱區(qū)箱位、裝卸設備等信息，計劃制定效率較低。

考慮現(xiàn)有集裝箱貨場在少量手持機下作業(yè)的實際情況，研究一種基于移動終端的集裝箱自動派班計劃模式，以滿足大部分集裝箱場站作業(yè)。其中集裝箱的自動派班結果可以從準確性和可用性2 個方面進行驗證。

1.2 集裝箱場站裝卸作業(yè)種類

集裝箱在場站的裝卸作業(yè)大體可以分為落箱、取箱、裝箱、卸箱4 類。落箱是將集裝箱落在箱位上，取箱是將集裝箱從箱位上取走，裝箱是將集裝箱從指定位置裝載到火車上，卸箱是將集裝箱卸到指定位置[9]。

1.3 集裝箱裝卸設備種類

針對不同的集裝箱裝卸設備，取、落箱的裝卸過程也不相同。集裝箱裝卸設備大體可以分為正面吊設備和龍門吊設備。正面吊設備易從外側進行取、落箱作業(yè)，支持少量翻箱作業(yè)；龍門吊設備易從上層進行取、落箱作業(yè)，支持處理碼放在里層的集裝箱。

1.4 集裝箱裝卸計劃衡量標準

通過對集裝箱貨場的調(diào)研，集裝箱裝卸計劃的優(yōu)劣可以通過裝卸計劃的準確性和可行性2 個方面衡量。集裝箱裝卸的自動派班設計，要求在滿足裝卸計劃準確性的條件下，盡可能地提高裝卸計劃的可行性。

（1）裝卸計劃準確性。裝卸計劃準確性是指在不考慮作業(yè)效率的情況下，現(xiàn)場作業(yè)人員嚴格按照裝卸計劃進行作業(yè)時，能否正確地對當日存在運輸需求的集裝箱進行裝卸派班，并將集裝箱交付給客戶。裝卸計劃的準確性由2 個因素決定，一是場站內(nèi)箱區(qū)箱位準確，要求對場站內(nèi)集裝箱的箱位維護準確、集裝箱的狀態(tài)維護準確；二是場站內(nèi)股道火車位置準確，要求場站內(nèi)定位設備采集首車位置。

（2）裝卸計劃可行性。裝卸計劃可行性是指集裝箱派班是否可用，是否方便現(xiàn)場作業(yè)人員進行裝卸作業(yè)，減少了現(xiàn)場翻箱的工作量。在不同的業(yè)務場景下，可行性的衡量標準不完全相同。同時，不同場站、人員的作業(yè)習慣都會對可行性產(chǎn)生影響。

2 集裝箱裝卸計劃自動生成設計

集裝箱裝卸計劃的自動生成主要從基礎條件和業(yè)務邏輯2 個方面研究，其中基礎條件影響裝卸計劃的準確性，業(yè)務邏輯影響裝卸計劃的可行性，集裝箱自動裝卸計劃邏輯框架如圖1 所示。基礎條件主要有箱區(qū)箱位和首車定位。其中箱區(qū)箱位包括合理的箱區(qū)箱位設計、集裝箱位置真實準確。首車定位包括接車對位位置真實準確、股道中其他車輛與箱位的對應位置真實準確。業(yè)務邏輯主要有落箱作業(yè)、取箱作業(yè)、裝箱作業(yè)、卸箱作業(yè)。通過對各個作業(yè)的流程分析，設計派班算法模型，準確地將派班需求與裝卸建議方案通過算法實現(xiàn)，指導現(xiàn)場裝卸作業(yè)。

圖1 集裝箱自動裝卸計劃邏輯框架Fig.1 Logical architecture of automatic loading and unloading plan

（1）箱區(qū)箱位。針對集裝箱的存儲類型，箱區(qū)可以分為重箱區(qū)、空箱區(qū)、裝卸區(qū)、危貨區(qū)等；針對集裝箱的箱型類型，箱區(qū)可以分為大箱區(qū)、小箱區(qū)。車站對箱區(qū)管理的越細致，落箱約束越多，自動派班的可行性越高。箱區(qū)箱位的繪制，需要能夠真實反映實際場站的位置關系，按照實際股道長度及箱區(qū)箱位大小等比例繪制。通過手持機定位盤點功能，將實際箱位的集裝箱信息采集校準。繪制準確的箱區(qū)、場內(nèi)集裝箱落箱位置的校準，保障了裝卸計劃的準確性。

（2）首車定位。首車定位是指通過手持機的定位功能，采集股道內(nèi)首車的停放位置。通過首車位置與車輛換長信息，精準計算出每個車輛的實際位置，再根據(jù)箱區(qū)實際大小等比例換算，獲得全部箱區(qū)箱位與火車的相對位置關系。準確的首車定位，保障了裝卸計劃的準確性。

（3）落箱作業(yè)。落箱是指客戶進入箱區(qū)還集裝箱作業(yè)，具體可以分為落空箱和落重箱。車站人員在審核客戶的進站預約后，判斷最優(yōu)落箱區(qū)。根據(jù)預約箱區(qū)的當班裝卸工組、設備和司機，通過派班算法得到最優(yōu)落箱位，生成派班計劃。客戶依據(jù)派班計劃，到指定位置等待裝卸。同時，場站內(nèi)的裝卸工組依據(jù)派班計劃進行裝卸作業(yè)。落重箱自動派班流程如圖2所示。

圖2 落重箱自動派班流程Fig.2 Flow chart of automatic dispatch for loaded container unloading operation

（4）取箱作業(yè)。取箱是指客戶在委托鐵路運輸過程中，進入箱區(qū)取集裝箱作業(yè)，具體可以分為取空箱和取重箱。客戶預約領箱時填寫需要領取的箱號，計劃編制人員根據(jù)集裝箱所在箱區(qū)箱位，確認該箱區(qū)的當班裝卸工組、設備和司機，生成派班計劃?？蛻粢罁?jù)派班計劃，到指定位置等待裝卸。同時，場站內(nèi)的裝卸工組依據(jù)派班計劃進行裝卸作業(yè)。取重箱自動派班流程如圖3所示。

圖3 取重箱自動派班流程Fig.3 Flow chart of automatic dispatch for loaded container loading operation

（5）裝、卸箱作業(yè)。裝、卸箱是指貨場業(yè)務人員，依據(jù)當日的裝車計劃以及當日的車輛到達情況制定的卸車計劃，進行裝卸火車作業(yè)。值班員進行接車對位后，按照就近原則生成派班計劃。派班計劃生成后，將自動派班的箱號、箱位、裝卸工組、設備名稱提供給裝卸工組，指導裝卸工組進行裝卸火車作業(yè)。

3 派班算法模型設計

目前由于鐵路裝卸作業(yè)規(guī)章中，缺少明確的裝卸計劃評價標準，因而研究利用實例推理[10]的思路進行派班算法設計。首先通過現(xiàn)場調(diào)研，明確影響裝卸派班的因素，之后為每個裝卸作業(yè)需求構建包含這些因素在內(nèi)的影響因子模型，并通過收集整理歷史裝卸數(shù)據(jù)將系統(tǒng)生成的裝卸計劃與情景相似的歷史裝卸數(shù)據(jù)進行比對，將相似度最高的歷史裝卸計劃作為推薦計劃。考慮到不同貨場實際情況不同，現(xiàn)場保存的歷史數(shù)據(jù)有些無法反饋實際箱位信息，通過與專家進行溝通，對歷史數(shù)據(jù)進行篩選及優(yōu)化，獲得能反饋現(xiàn)場作業(yè)邏輯的派班歷史數(shù)據(jù)作為推理參考，以此保證計劃的合理性與可行性。

3.1 裝卸派班影響因子

影響裝卸計劃的主要因素有裝卸設備、箱區(qū)可用箱位數(shù)量、箱位行、箱位列、箱位層、箱型箱類、品名、收發(fā)貨人、運輸需求、集裝箱當前位置、火車當前位置、裝卸作業(yè)種類。分析影響因素后，對影響因素進行拆分及組合。其中，裝卸設備直接影響箱位選擇，因此作為模型的核心參數(shù)。箱型箱類、品名、收發(fā)貨人、運輸需求是集裝箱的裝卸屬性，可以用于判斷箱子是否是同類箱，同類箱的位置會影響裝卸計劃的生成，因此將上述影響因子合并表達為同類箱所在位置距離；集裝箱當前位置、火車當前位置合并表達為集裝箱目標位置距離。梳理后，裝卸派班影響因子如表1所示。

表1 裝卸派班影響因子Tab.1 Combing results of influencing factors of loading and unloading dispatching

3.2 相似度計算

在得到裝卸派班影響因子梳理結果后，首先對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，再比較相似度。計算不同裝卸計劃之間的相似度，首先通過局部相似度計算，分別比較每一項特征值的相似程度。局部相似度計算有3 種類型，包括數(shù)值與數(shù)值的相似度、數(shù)值與區(qū)間的相似度、以及區(qū)間與區(qū)間的相似度。結合表1 所述，某一特征值可能有具體數(shù)值和數(shù)值區(qū)間2 種情況，研究按照如下方式進行比較。

式中：X為計劃方案特征值區(qū)間，其中x1為區(qū)間最小值，x2為區(qū)間最大值；A為參照方案特征值區(qū)間，其中a1為區(qū)間最小值，a2為區(qū)間最大值。

數(shù)值x0與數(shù)值a0的相似度計算公式為

式中：x0為計劃方案特征值；a0為參照方案特征值。

數(shù)值x0與區(qū)間的相似度計算公式為

式中：x為待求解問題實際最佳目標特征值，x∈A。

通過局部相似度計算，可以得出m個裝卸計劃實例的n個特征值的相似度Smn。目標模型和已有模型的相似度矩陣S計算公式如下。

3.3 特征值標準差分析

在得到相似矩陣后，通過計算每項特征值的標準差σi，可以直觀看出每項特征值對總體的影響程度。標準差σi計算公式如下。

是由領域內(nèi)專家對各個特征值的重要程度進行賦權，得到的專家權重。

綜合基于標準差的權重和專家權重后，得到特征值動態(tài)權重ai。

利用加權后的標準差，可以計算出全局相似度Sim(N，Cj)，即目標模型N和已有模型C的整體相似度，從而對比選出和現(xiàn)場實際最相符的裝卸計劃。全局相似度計算相當于對一個多影響因子的裝卸計劃實例的綜合評價。

4 案例分析

基于集裝箱裝卸計劃自動生成方案與派班算法，在鐵路貨運生產(chǎn)作業(yè)與管控平臺(以下簡稱“貨運管控平臺”)中構建裝卸計劃模塊，貨運管控平臺應用如圖4 所示，自動給出不同裝卸業(yè)務場景的裝卸派班建議，并提供圖形化的作業(yè)指導方案。

圖4 貨運管控平臺應用Fig.4 Railway freight management and control platform application

選取2023年5月1日—5月8日兗州北、開封、桃花村等貨運場站的裝卸作業(yè)作為驗證場景，對生成的裝卸計劃與采集的實際作業(yè)數(shù)據(jù)進行分析。將自動生成的計劃下發(fā)給現(xiàn)場業(yè)務專家，由現(xiàn)場實際制定計劃人員判斷計劃是否可行，如果可行按照計劃執(zhí)行，如果不可行進行修改，生成實際作業(yè)計劃。通過比較按照自動派班計劃執(zhí)行裝卸作業(yè)與人工修改計劃執(zhí)行裝卸作業(yè)的比例，判斷驗證集裝箱自動裝卸計劃生成的準確性和可靠性。落箱作業(yè)計劃與實際統(tǒng)計分析如圖5所示，分配箱區(qū)箱位、分配設備、分配工組為自動派班方案提供的作業(yè)計劃數(shù)據(jù)，實際箱區(qū)箱位、實際設備、實際工組為現(xiàn)場根據(jù)實際情況進行的作業(yè)數(shù)據(jù)。

圖5 落箱作業(yè)計劃與實際統(tǒng)計分析Fig.5 Automatic dispatching plan and actual statistics of container unloading

比較自動裝卸計劃與實際裝卸作業(yè)結果相似度，自動裝卸計劃與實際裝卸作業(yè)結果相似度比較分析如表2 所示。實驗結果經(jīng)現(xiàn)場專家評估，其結果顯示，對于開封、大朗、北郊、鞏義等貨運站，自動裝卸計劃與實際裝卸情況相似度較高，具有較高的可行性，在落重箱、取重箱方面尤為突出。對于兗州北、黃許鎮(zhèn)等部分貨運站的空箱作業(yè)，受限于箱區(qū)箱位繪制不規(guī)范、集裝箱實際位置不準確等因素，裝卸空箱作業(yè)還需要繼續(xù)優(yōu)化。通過現(xiàn)場實際作業(yè)反饋及對算法的不斷優(yōu)化，可知對于大部分場站裝卸作業(yè)來講，研究的裝卸計劃方案能夠輔助人工進行決策計劃，節(jié)省計劃制定時間，對于實際作業(yè)具有較好的指導作用，為下一步的智能化、無人化貨場實施奠定基礎。

5 結束語

研究提出的集裝箱自動裝卸計劃生成方案，能夠在定位設備較少的情況下，較快給出可靠、可行的裝卸派班建議，有效縮短計劃制定時間、提高裝卸作業(yè)效率，有助于規(guī)范場站裝卸作業(yè)流程、節(jié)約人力物力成本。裝卸派班計劃的準確性對場站內(nèi)部集裝箱位置的準確性要求較高，通過規(guī)范箱區(qū)箱位繪制與股道繪制，細化裝卸派班影響因子，可以進一步提高計劃準確性。研究成果對加速鐵路貨場集裝箱周轉、提高鐵路場站智能化管理水平有重要意義。