列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊廷宇，倪少權(quán)，陳釘均，王柄達(dá)

（1. 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 全國鐵路列車運(yùn)行圖編制研發(fā)培訓(xùn)中心，成都 610031；3. 綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；4. 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

當(dāng)前，我國鐵路制定的列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際作業(yè)時(shí)間存在不相符的情況，造成部分列車慣性晚點(diǎn)，降低了列車運(yùn)行的正點(diǎn)率，影響鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的進(jìn)一步提高?，F(xiàn)階段，列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間主要依靠專業(yè)寫實(shí)人員到鐵路現(xiàn)場查定，整個(gè)過程復(fù)雜、繁瑣，且個(gè)體差異較大，已越來越不能滿足鐵路運(yùn)營管理需求。隨著既有鐵路的提速和高速鐵路的相繼開通運(yùn)營，對精確查定鐵路行車技術(shù)作業(yè)時(shí)間的要求也越來越高，如何對技術(shù)作業(yè)寫實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化匯總、處理、計(jì)算，進(jìn)而確定各種技術(shù)作業(yè)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，成為研究內(nèi)容。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者在鐵路行車技術(shù)作業(yè)時(shí)間的機(jī)理、流程及模擬仿真方面進(jìn)行了廣泛的研究，如王健[1]、羅常津[2]、張明[3], 何潔[4]，張?zhí)m[5]等人從機(jī)制、方法、保障對策、算法等視角研究列車在站技術(shù)時(shí)間的方案，給出了概要設(shè)計(jì)；彭文高[6]、冉鋒[7]、岳琦均[8]等人建立了虛擬仿真模型，驗(yàn)證鐵路行車作業(yè)時(shí)間，提升了鐵路行車的精度。這些研究都是針對某一個(gè)具體的技術(shù)作業(yè)時(shí)間，雖在理論層面形成了一系列的研究成果，卻缺乏系統(tǒng)性，且對實(shí)際情況的技術(shù)條件考慮較少。國外學(xué)者的研究主要聚焦于實(shí)踐，如Dewei Li[9]等人以荷蘭火車站為例，基于到發(fā)線占用數(shù)據(jù)模型對列車中間站停站時(shí)間進(jìn)行預(yù)估，模型對高峰期停站時(shí)間預(yù)測的準(zhǔn)確率高達(dá)85.8%～88.5% ，對平峰期的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到80.1%，證明了模型的高相關(guān)性。同時(shí)，也證明了可以不通過客流數(shù)據(jù)對列車停站時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。Wen-jun Chu[10]等人提出基于極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM，Extreme Learning Machine）模型對城市軌道交通列車停站時(shí)間進(jìn)行了分析和預(yù)估，證實(shí)了其效果優(yōu)于既有的其它兩個(gè)模型。雖然國外學(xué)者的模型在精度層面有了顯著提升，但是與我國鐵路在站技術(shù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析存在較大的差異。近年來，也有學(xué)者提出利用微機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備實(shí)現(xiàn)鐵路技術(shù)作業(yè)時(shí)間獲取與推算的半自動查定方法，但該方法缺少后端數(shù)據(jù)管理功能，無法投入高效使用，故仍有必要設(shè)計(jì)與開發(fā)出一套集數(shù)據(jù)獲取、記錄、匯編、分類與存儲一體化的列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)管理信息系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與需求分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)管理信息系統(tǒng)涉及車、機(jī)、工、電、輛多個(gè)部門，需適應(yīng)分工細(xì)、連續(xù)性強(qiáng)、各個(gè)部門作業(yè)相互制約等特點(diǎn)，其總體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間實(shí)時(shí)采集、記錄，同時(shí)，兼容傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)提交方式；

（2）提出列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)匯總與分層管理辦法；

（3）提出列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間查定方法；

（4）實(shí)現(xiàn)基于用戶權(quán)限的列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)差異性共享。

1.2 系統(tǒng)需求分析

1.2.1 業(yè)務(wù)需求

列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)管理信息系統(tǒng)的功能性需求可概括為“1主1輔3層次4應(yīng)用”，系統(tǒng)功能層次如圖1所示。“1主”為一條主線，即列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、查詢與反饋；“1輔”為系統(tǒng)輔助功能，即系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如車站數(shù)據(jù)、行車數(shù)據(jù)）與系統(tǒng)基本信息（如用戶信息、權(quán)限信息） 的管理與維護(hù)；“3層次”為操作員及其車間（科室）層、車站層、鐵路局集團(tuán)公司（簡稱：鐵路局）層，鐵路局層包含有多個(gè)車站，各車站又包括多個(gè)技術(shù)作業(yè)工種，每個(gè)工種對應(yīng)一個(gè)科室（車間）及若干名技術(shù)作業(yè)人員；“4應(yīng)用”為4類系統(tǒng)使用者—操作員（技術(shù)作業(yè)人員）、車間用戶、車站管理員、鐵路局管理員，他們分別對應(yīng)系統(tǒng)的操作員及車間層、車站層和鐵路局層。

圖1 系統(tǒng)功能層次圖

1.2.2 數(shù)據(jù)庫需求

（1）基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫：車站基本信息、行車信息和用戶信息。車站基本信息包括：車站名、車站代碼和車站時(shí)鐘等；行車數(shù)據(jù)包括：車次號、停站代碼、列車種類（性質(zhì)）、計(jì)劃到（發(fā)）點(diǎn)等；用戶信息包括：用戶工號、用戶姓名、用戶職務(wù)及用戶單位等。

（2）技術(shù)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)庫：各單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)和列車在站技術(shù)作業(yè)全過程時(shí)間數(shù)據(jù)。以始發(fā)普速旅客列車為例，其在站技術(shù)作業(yè)由圖2所示的列車始發(fā)技術(shù)檢修作業(yè)、上水等平行的單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)組成，每個(gè)單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的耗時(shí)即為單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間，作業(yè)總時(shí)分即為列車在站技術(shù)作業(yè)全過程時(shí)間。

（3）業(yè)務(wù)報(bào)表數(shù)據(jù)庫：用于儲存各層用戶的業(yè)務(wù)報(bào)表信息。

物理結(jié)構(gòu)上看，各車站需要建立一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫（局部數(shù)據(jù)庫），管理本站內(nèi)部數(shù)據(jù)，同時(shí)，將處理好的數(shù)據(jù)向鐵路局層提報(bào)。鐵路局需要建立和管理一個(gè)匯總所有信息的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，還要滿足所轄各站及車間工作人員間的環(huán)比查詢需求，故需使用分布式數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫還需充分考慮數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)和操作等功能性需求與訪問權(quán)限、加密管理和日志管理等安全性需求。

圖2 始發(fā)普速旅客列車技術(shù)作業(yè)流程

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于安全性要求高、人機(jī)交互頻繁、用戶群組固定等特點(diǎn)，列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)管理信息系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體呈如圖3所示的“串-并行”結(jié)構(gòu)。鐵路局級、車站級與操作員級分別對應(yīng)系統(tǒng)功能性需求的3個(gè)層次，而車間作為技術(shù)作業(yè)時(shí)間的最終查定與運(yùn)用者，與前3個(gè)層級呈平行關(guān)系。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 鐵路局級

（1）數(shù)據(jù)匯總與處理。接收所轄各車站發(fā)送的列車在站技術(shù)作業(yè)流程時(shí)間數(shù)據(jù)、單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除和修改。

（2）數(shù)據(jù)查詢。按車站、車次等形式查看各站單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)和列車在站技術(shù)作業(yè)流程時(shí)間數(shù)據(jù)，結(jié)合車站信息、行車數(shù)據(jù)進(jìn)行多表聯(lián)合查詢。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。統(tǒng)計(jì)分析同性質(zhì)列車在鐵路局內(nèi)不同車站辦理技術(shù)作業(yè)時(shí)間的差異，跟進(jìn)重點(diǎn)車次在鐵路局內(nèi)各站辦理技術(shù)作業(yè)的情況。

（4）向下轄各車站發(fā)送反饋信息。

2.1.2 車站級

（1）數(shù)據(jù)匯總。接收操作員或車間用戶傳輸?shù)母鲉雾?xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理。計(jì)算各列車在站技術(shù)作業(yè)時(shí)間，并對其進(jìn)行增加、刪除、修改。

（3）數(shù)據(jù)查詢。查看鐵路局內(nèi)各站的各單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間、列車在站技術(shù)作業(yè)流程時(shí)間數(shù)據(jù)，其中，本站數(shù)據(jù)可查看和修改，其它站數(shù)據(jù)僅供查看。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。統(tǒng)計(jì)本站各性質(zhì)列車在站技術(shù)作業(yè)流程時(shí)間的平均值、中位值、極值、方差（標(biāo)準(zhǔn)差）等指標(biāo)，并生成報(bào)表。

（5）數(shù)據(jù)提報(bào)。車站每隔固定時(shí)間（周/月）就要向鐵路局層提報(bào)各單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)和各列車在站技術(shù)作業(yè)流程時(shí)間數(shù)據(jù)。

（6）接收來自鐵路局層的反饋信息，并向車間層發(fā)送反饋信息。

2.1.3 操作員級

（1）數(shù)據(jù)采集與確認(rèn)。技術(shù)作業(yè)人員通過手持終端采集技術(shù)作業(yè)時(shí)間原始數(shù)據(jù)，并通過邏輯判斷語句對時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢驗(yàn)，剔除不合理數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理。技術(shù)作業(yè)人員在一次采集完畢后，前端能自動計(jì)算本次技術(shù)作業(yè)的時(shí)間，并通過如自動彈出對話框的形式使技術(shù)作業(yè)人員即時(shí)地獲取本次技術(shù)作業(yè)的時(shí)分。

（3）數(shù)據(jù)查詢。操作員在自身權(quán)限范圍內(nèi)查看相關(guān)信息。

（4）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。采集完畢后，技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸至所屬的車站數(shù)據(jù)庫，用以存儲、處理和分析。

（5）接收車間用戶的信息反饋。

2.1.4 車間級

（1）導(dǎo)入寫實(shí)數(shù)據(jù)。手持終端設(shè)備故障條件下，允許通過接口手動導(dǎo)入用Excel等方式記錄的技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)查詢。在自身權(quán)限范圍內(nèi)查看本工種的技術(shù)作業(yè)時(shí)間歷史數(shù)據(jù)，既包括本車間又包括其它站同一性質(zhì)車間。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。車間用戶可按作業(yè)員、車次、時(shí)段統(tǒng)計(jì)技術(shù)作業(yè)時(shí)間平均值、中位值、極值、方差（標(biāo)準(zhǔn)差）等指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果能夠靈活生成曲線、柱狀圖等形式的分析報(bào)表。

（4）接收來自車站層的反饋信息，并向操作員發(fā)送反饋信息。發(fā)送的反饋信息可分為個(gè)性化反饋信息和固定反饋信息。個(gè)性化反饋信息是車間用戶針對指定技術(shù)作業(yè)員發(fā)送的消息，主要內(nèi)容是對員工近一段時(shí)間工作的評價(jià)或提醒，提供意見咨詢、發(fā)揮監(jiān)督作用；固定反饋信息，即按固定時(shí)間面向全體員工發(fā)布的工作信息，如周報(bào)、月報(bào)，供每個(gè)技術(shù)作業(yè)員學(xué)習(xí)，提高工作素養(yǎng)。

2.2 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用3層架構(gòu)：（1）數(shù)據(jù)訪問層，是系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)；（2）業(yè)務(wù)邏輯層，介紹系統(tǒng)構(gòu)建的功能和關(guān)系結(jié)構(gòu)；（3）表示層，即系統(tǒng)用戶層。系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

（1）操作員與各級管理員兩類用戶是表示層人機(jī)交互的主要對象，不同身份用戶可操作界面亦不相同。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)基于系統(tǒng)輔助管理的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)管理。

（3）數(shù)據(jù)訪問層主要包含技術(shù)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、分析報(bào)表數(shù)據(jù)等。

3 系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)據(jù)獲取

依靠作業(yè)人員通過手持終端實(shí)時(shí)采集列車在站技術(shù)作業(yè)過程中各單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的開始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻，同時(shí)，允許相應(yīng)的車間級管理員手動導(dǎo)入。

3.2 數(shù)據(jù)匯總與處理

系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)為各單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的開始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻，將原始數(shù)據(jù)通過識別與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫、作差運(yùn)算等技術(shù)手段，計(jì)算出時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，即單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間和列車在站技術(shù)作業(yè)全過程時(shí)間。采用分類匯總法，對關(guān)鍵詞詞段值相同的記錄進(jìn)行匯總。系統(tǒng)層級不同，匯總對象也不同，其具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示，此外，還包括數(shù)據(jù)基本表的定義、修改、刪除和更新表中數(shù)據(jù)等功能。

表1 數(shù)據(jù)匯總層級及其對象

3.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢分為本地查詢和環(huán)比查詢。本地查詢的對象是用戶所在單位的本地?cái)?shù)據(jù)庫，查詢結(jié)果可供修改；環(huán)比查詢（即聯(lián)機(jī)查詢）的對象是系統(tǒng)其它同層級、不同單位的數(shù)據(jù)，需要訪問全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，查詢結(jié)果僅支持鐵路局級管理員修改，其具體對應(yīng)關(guān)系如表2所示。數(shù)據(jù)查詢可按車站、員工、技術(shù)作業(yè)類型等多種條件進(jìn)行，基于用戶權(quán)限的多表聯(lián)合查詢技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該功能的基礎(chǔ)，用戶查詢權(quán)限如表3所示。

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與業(yè)務(wù)報(bào)表生成

表2 不同級別用戶對應(yīng)的查詢范圍表

表3 不同層級的本地查詢與環(huán)比查詢對象

系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析工作基于數(shù)據(jù)查詢功能展開，并生成業(yè)務(wù)報(bào)表。不同層級單位業(yè)務(wù)報(bào)表對應(yīng)的核心任務(wù)與具體內(nèi)容如表4所示。

表4 不同層級單位業(yè)務(wù)報(bào)表的具體內(nèi)容

3.5 系統(tǒng)輔助管理

（1）對所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)、添加、刪除、修改，如車站基本數(shù)據(jù)、行車基本數(shù)據(jù)、用戶基本數(shù)據(jù)；（2）對系統(tǒng)基本功能進(jìn)行管理，如用戶操作、權(quán)限管理等。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用如圖5所示的分布式數(shù)據(jù)庫，將分散存儲在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)有機(jī)統(tǒng)一起來，以獲取更大的存儲容量和更高的并發(fā)訪問量。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)，物理上分散的各車站需建立和管理一個(gè)局部數(shù)據(jù)庫，鐵路局將所有數(shù)據(jù)匯總管理后建立一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫。全局?jǐn)?shù)據(jù)庫可以供所有用戶在自身權(quán)限內(nèi)訪問（只讀），而局部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)既可以供本地用戶查詢，又可以供本地用戶修改。

此外，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，滿足不同層級單位對技術(shù)作業(yè)時(shí)間存儲與匯總的需要。以某站某列車在站技術(shù)作業(yè)為例，用結(jié)構(gòu)體類型定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如下：

ZYSJ;//作業(yè)時(shí)間}單項(xiàng)技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)數(shù)據(jù)TYPEDEF STRUCT列車在站技術(shù)作業(yè)全過程時(shí)間

ZYSJ;//作業(yè)時(shí)間}列車在站技術(shù)作業(yè)全過程時(shí)間數(shù)據(jù)。

當(dāng)進(jìn)行車站層匯總時(shí)，系統(tǒng)以技術(shù)作業(yè)代碼作為第1關(guān)鍵詞，以工號作為第2關(guān)鍵詞，以（車次號，時(shí)刻）作為第3關(guān)鍵詞；當(dāng)進(jìn)行鐵路局層匯總時(shí)，系統(tǒng)以車站代碼作為第1關(guān)鍵詞，以技術(shù)作業(yè)代碼作為第2關(guān)鍵詞，以（車次號，時(shí)刻）作為第3關(guān)鍵詞，以工號作為第4關(guān)鍵詞進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。

4.2 分布式數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化

系統(tǒng)為適應(yīng)鐵路點(diǎn)多、線長等特點(diǎn)，采用分布式數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢“物理分散，邏輯集中”。受地域因素影響，查詢速度是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是基于代價(jià)的優(yōu)化策略。以某車站用戶要查詢兩個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫（即其它車站）中的表remote a,remote b，以及一個(gè)當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)庫（即本站）的表local c中數(shù)據(jù)的操作為例，優(yōu)化后的查詢語句可以寫為：

SELECT r.CC,r.XC_no,r.LCLX,r.Station_no,c.Begintime,c.Endtime

FROM (SELECT a.LCLX,a.Station_no,b.Begintime,b.Endtime

FROM remote a,remote b

WHERE a.XC_no=b.XC_no) r,local c

WHERE c.XC_no=r.XC_no

這種在多個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)通過構(gòu)造行中視圖的方法減少了查詢數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)傳輸代價(jià)，進(jìn)而提高了查詢速度。

5 結(jié)束語

本文分析列車在站技術(shù)作業(yè)流程，以及技術(shù)作業(yè)時(shí)間寫實(shí)管理信息系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能。后續(xù)的工作可考慮從以下方面展開：

（1）豐富系統(tǒng)功能，擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)對移動設(shè)備場庫內(nèi)檢修作業(yè)時(shí)間、列車行車間隔時(shí)間等其它類型的鐵路技術(shù)作業(yè)時(shí)間的一體化管理；

（2）運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)與方法，進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)分析與管理功能等。