鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

廖志林，胡文斌，方立海，唐偉忠

(1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 信息技術(shù)所，甘肅 蘭州 730000；2.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 調(diào)度所，甘肅 蘭州 730000)

我國鐵路貨物運(yùn)輸采用車流集結(jié)型運(yùn)輸組織模式，注重能力利用和內(nèi)部組織效率，運(yùn)輸規(guī)模化、集約化效應(yīng)明顯，但由于沒有充分考慮運(yùn)輸組織過程中的流線結(jié)合和全程銜接，貨物運(yùn)輸快速性和準(zhǔn)時性存在不足，運(yùn)到期限保障率較低[1]。究其原因主要是缺乏貨物運(yùn)到時限科學(xué)推算手段、對運(yùn)輸流程監(jiān)控粗放、計劃可控性差、運(yùn)力保障精準(zhǔn)化程度有待提高、傳統(tǒng)作業(yè)方式結(jié)合部多、效率低下等[2]。因此，應(yīng)加強(qiáng)鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，不斷提升車流推算準(zhǔn)確度，提高計劃精準(zhǔn)度，為每日、每班的機(jī)車機(jī)班安排、車輛運(yùn)用、列車開行、分界口交接、車站作業(yè)和施工組織提供準(zhǔn)確依據(jù)。

1 鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

（1）提升計劃編制質(zhì)量。以提升車流推算精準(zhǔn)度為牽動，促進(jìn)調(diào)度計劃質(zhì)量的提升和機(jī)車車輛運(yùn)用效率的提高。通過計劃編制質(zhì)量的提升，將計劃對運(yùn)輸生產(chǎn)的指導(dǎo)作用充分體現(xiàn)出來，實現(xiàn)主要節(jié)點站間的車流高效接續(xù)和運(yùn)力資源的合理配置，為提高運(yùn)輸組織效率，合理安排作業(yè)人員，持續(xù)提高運(yùn)輸組織效益提供有力保障。

（2）實現(xiàn)車流動態(tài)預(yù)測預(yù)警。一是對各干線、編組站、分界站到發(fā)車流進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，為調(diào)度制訂車流組織調(diào)整方案提供準(zhǔn)確依據(jù)；二是對單個貨運(yùn)站卸車計劃科學(xué)推定，分不同時間段準(zhǔn)確預(yù)計卸車到達(dá)情況，以便于卸車單位提前組織卸車；三是對預(yù)計超過最大卸車能力的車站分品類進(jìn)行預(yù)警，提醒相關(guān)人員采取措施，確保暢通。

（3）實現(xiàn)車流輸送徑路自動規(guī)劃。優(yōu)化調(diào)整車流輸送徑路，實現(xiàn)車輛違流自動感知、車輛軌跡自動推定和貨物運(yùn)輸信息全程跟蹤。深度整合相關(guān)數(shù)據(jù)資源，自動追蹤車流實際走行徑路，自動預(yù)先感知車流輸送徑路變更，對其基本徑路進(jìn)行修正，規(guī)劃出當(dāng)前所在位置距離目的地車站的新徑路，并預(yù)計貨物輸送過程中的各項關(guān)鍵作業(yè)時間。

（4）實現(xiàn)運(yùn)到期限的預(yù)警。通過對貨物運(yùn)輸過程的跟蹤與分析，實現(xiàn)貨物運(yùn)輸過程事前預(yù)警，事中管控，變“不可控”為“可控”。基于運(yùn)輸實時數(shù)據(jù)，結(jié)合車流徑路科學(xué)推算，采用基于送達(dá)過程的運(yùn)到時限算法，實現(xiàn)普通整車貨物運(yùn)到期限的準(zhǔn)確預(yù)測，為貨物承運(yùn)和運(yùn)輸生產(chǎn)調(diào)度提供運(yùn)到期限參考。

1.2 總體架構(gòu)

為實現(xiàn)鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)目標(biāo)，考慮到鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)需要跨多平臺、多數(shù)據(jù)庫，與多個既有的在用信息系統(tǒng)進(jìn)行深度集成與協(xié)同工作，因而采用具有分布式、跨平臺、易擴(kuò)展、易維護(hù)、安全性高等特性的JavaEE技術(shù)平臺進(jìn)行構(gòu)建[3]。鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 ?鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the railway traf fi c fl ow calculation and monitoring system

（1）表示層。該層完成全路貨運(yùn)營業(yè)站示意圖設(shè)計、可視化圖表分析及數(shù)據(jù)公共查詢等服務(wù)，為管理崗位和生產(chǎn)崗位使用各功能模塊提供個性化的、簡潔、直觀的操作界面。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層。該層針對具體的應(yīng)用場景，依托數(shù)據(jù)層提供的服務(wù)，為用戶提供具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用功能包括車流推算、車流預(yù)測、流程管控、車流預(yù)警分析識別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等多個應(yīng)用場景。另外，該層還將各業(yè)務(wù)對象進(jìn)行細(xì)分，構(gòu)建統(tǒng)一、規(guī)范的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為表現(xiàn)層提供相關(guān)的數(shù)據(jù)分析、指標(biāo)統(tǒng)計等數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)層。該層完成鐵路車流推算及監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)源的管理與共享，包括現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如車流徑路、列車運(yùn)行圖、列車預(yù)確報、車站現(xiàn)在車、車站裝卸作業(yè)、施工維修計劃、調(diào)度貨運(yùn)計劃、運(yùn)力資源等，也包括需要新納入本架構(gòu)管理的數(shù)據(jù)源，如各類統(tǒng)計分析指標(biāo)等數(shù)據(jù)。

2 鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

2.1 車流推算

對于不同的OD，基于運(yùn)輸實時數(shù)據(jù)，結(jié)合車流徑路，按分級節(jié)點(Ⅰ級：編組站、分界站；Ⅱ級：多方向車站；Ⅲ級：臺間站；Ⅳ級：需推算時間車站；Ⅴ級：中間站)推算出滿足該車輛完整徑路所需要的各節(jié)點間列車運(yùn)行和中轉(zhuǎn)作業(yè)時間，并根據(jù)車輛實際所在位置、運(yùn)行軌跡、所在列車等級、變更車流徑路情況等參數(shù)進(jìn)行實時修正[4]。

（1）確定基本徑路。依托全路車流徑路平臺，根據(jù)該車輛的發(fā)站、到站、品名，確定其基本運(yùn)行徑路(最短徑路或特定徑路)[5]。基于計算機(jī)圖形學(xué)理論，采用Java2d技術(shù)構(gòu)建支持可施拽、多樣式、可定制的二維矢量化圖形處理框架，以可視化的手段構(gòu)建全路貨運(yùn)營業(yè)站示意圖[6]，結(jié)合全路車流徑路系統(tǒng)及最短徑路算法實現(xiàn)遠(yuǎn)期車流及近期車流的多層次推算及展示，并以圖表形式直觀顯示和監(jiān)測貨物運(yùn)到時限情況。對于列車實際運(yùn)行節(jié)點與車流徑路節(jié)點劃分粒度、名稱不一致等問題，使用列車運(yùn)行節(jié)點進(jìn)行修正。確定基本徑路如圖2所示。

（2）車輛軌跡推定及車流違流自動感知。系統(tǒng)獲取車流運(yùn)行過程中的真實完整走行徑路，自動預(yù)先感知車流輸送徑路變更，并根據(jù)車輛目的地車站、運(yùn)行軌跡、實際所在位置、變更車流徑路情況等參數(shù)對其運(yùn)行徑路進(jìn)行實時修正，規(guī)劃出車輛當(dāng)前所在位置距離目的地車站的新徑路，預(yù)測貨物輸送過程中的各項關(guān)鍵作業(yè)時間，確保車流徑路規(guī)劃和車輛軌跡推定及時、完整。

（3）基于貨物輸送過程的作業(yè)時間預(yù)測。建立車流運(yùn)行徑路數(shù)據(jù)字典，對車流經(jīng)由的每個車站構(gòu)建針對不同速度等級貨物列車的運(yùn)行時間和中轉(zhuǎn)作業(yè)時間數(shù)據(jù)集，并以此推算兩站間運(yùn)到時間閾值、貨物車輛正常停留時間規(guī)律和識別車輛異常停留情況[7]。輸送過程作業(yè)時間推算原理圖如圖3所示。

圖2 ?確定基本徑路Fig.2 Determining the fundamental path

圖3 ?輸送過程作業(yè)時間推算原理圖Fig.3 Diagram of the principle to calculate the operation time for the transportation process

2.2 車流監(jiān)測

（1）變更車流輸送徑路預(yù)計。利用車流徑路、列車確報及列車實際運(yùn)行線等信息資源，自動拼接車輛實際運(yùn)行軌跡，并與車流圖定徑路進(jìn)行對比分析，實現(xiàn)變更車流輸送徑路的自動預(yù)先感知，并推算出該車輛變更輸送徑路后預(yù)計到達(dá)前方分界站、編組站的時刻，為車流調(diào)整提供決策依據(jù)。變更車流輸送徑路預(yù)計如圖4所示。

圖4 ?變更車流輸送徑路預(yù)計Fig.4 Forecast on changes of the transportation path for traf fi c fl ow

（2）分界口交出重車預(yù)計。根據(jù)各分界口的移交重車和預(yù)計改經(jīng)該分界口的車輛的運(yùn)行徑路、位置、軌跡、所在列車等情況，按全日、一班、二班、0點修正、12點修正等時間節(jié)點預(yù)計各分界口重車交接輛數(shù)，為準(zhǔn)確掌握限制口車流、科學(xué)合理編制列車日班計劃提供依據(jù)。

（3）管內(nèi)作業(yè)車位置追蹤。可按車種、車號、品名、發(fā)站、到站、到局、空重狀態(tài)、裝載危險品、快運(yùn)情況、記事欄等多種條件查詢管內(nèi)作業(yè)車位置(在站、在途)分布情況。可準(zhǔn)確顯示管內(nèi)作業(yè)車在站、在途位置及數(shù)量、車種、車號、空重狀態(tài)、裝卸作業(yè)狀態(tài)、站內(nèi)所在股道(在途為運(yùn)行區(qū)間或站內(nèi))、發(fā)站、到站、到達(dá)車次、到達(dá)時間、品名、收貨人等多種信息。為調(diào)度準(zhǔn)確掌握管重及發(fā)往各局去向車輛的具體位置，為運(yùn)輸組織和決策提供便利和依據(jù)。

2.3 流程管控

對鐵路貨物運(yùn)輸相關(guān)信息系統(tǒng)進(jìn)行深度整合，依托運(yùn)輸信息集成平臺，實現(xiàn)對貨物運(yùn)輸全程的預(yù)計劃編制和流程管控，對輸送過程進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，為改進(jìn)運(yùn)輸組織模式提供數(shù)據(jù)支撐。

（1）裝卸計劃卡控。系統(tǒng)判定空車來源不能滿足日計劃需求的車種、車數(shù)時，顯示警示信息，提醒調(diào)度人員注意調(diào)整，滿足空車需求。判定當(dāng)日到達(dá)工作車輛數(shù)超過車站的卸車作業(yè)能力時，提醒調(diào)度人員注意調(diào)整，采取相關(guān)措施，防止出現(xiàn)堵塞。

（2）卸車預(yù)計預(yù)警。按“3 h以內(nèi)”“3 ～ 6 h”“6 ～ 12 h”“12 ～ 24 h”不同時間段的卸車預(yù)計到達(dá)情況，使管內(nèi)各個卸車點能分時間段提前準(zhǔn)確掌握管內(nèi)重車到達(dá)情況，以便于卸車單位提前組織卸車機(jī)械和勞力，做到及時卸車。對預(yù)計超過最大卸車能力的車站分品類進(jìn)行預(yù)警，提醒調(diào)度人員根據(jù)積壓情況及時采取停限裝和臨時保留等調(diào)整措施，確保暢通。

（3）車輛運(yùn)到時限超時預(yù)警。從出線后停留時間；裝車站到技術(shù)站、技術(shù)站到技術(shù)站、技術(shù)站到分界站、分界站到技術(shù)站、技術(shù)站到卸車站的途中運(yùn)轉(zhuǎn)時間；中間站站停時間及技術(shù)站中轉(zhuǎn)時間等環(huán)節(jié)入手開展全程運(yùn)到時限監(jiān)測。根據(jù)推定運(yùn)到時限和實際運(yùn)行用時進(jìn)行對比，對車輛異常停留情況分管內(nèi)全程預(yù)警、節(jié)點預(yù)警、車站停留預(yù)警3種方式進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警內(nèi)容包括車型、車號、品名、發(fā)站、到站、節(jié)點、當(dāng)前車次、順位、運(yùn)行位置、推算時限、預(yù)計用時、預(yù)計超時等內(nèi)容。操作人員進(jìn)行“預(yù)警確認(rèn)”操作后，系統(tǒng)不再顯示預(yù)警信息。

2.4 車流預(yù)警分析識別

以鐵路貨運(yùn)營業(yè)站示意圖為基礎(chǔ)，結(jié)合鐵路車流徑路系統(tǒng)、列車預(yù)確報系統(tǒng)、運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)、車站管理系統(tǒng)等各相關(guān)信息系統(tǒng)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、商業(yè)智能分析等技術(shù)手段，對鐵路列車運(yùn)行圖、預(yù)確報、現(xiàn)在車、裝卸作業(yè)等相關(guān)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行加工、處理、整合，減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)一致性與可用性。通過對一段時期內(nèi)發(fā)、到站間送達(dá)過程中的各項作業(yè)時間進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，推算出兩站間運(yùn)到時間閾值和貨物車輛正常停留時間規(guī)律，根據(jù)閾值和規(guī)律識別車輛異常停留情況并進(jìn)行預(yù)警[8]，為改進(jìn)運(yùn)輸組織模式提供數(shù)據(jù)支撐。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對車流徑路、列車運(yùn)行圖、貨運(yùn)計劃、預(yù)確報、現(xiàn)在車、裝卸作業(yè)等數(shù)據(jù)資源進(jìn)行深度整合，構(gòu)建面向運(yùn)輸生產(chǎn)和管理決策的多主題的數(shù)據(jù)倉庫。為生產(chǎn)崗位提供車輛軌跡追蹤、局間分界口交車預(yù)計、編區(qū)站車流分析、車輛違流預(yù)警等功能；為管理崗位提供各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、比對的決策報表等功能。系統(tǒng)為鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)各參與者全面把控運(yùn)輸生產(chǎn)需求、合理調(diào)配生產(chǎn)資源、科學(xué)進(jìn)行運(yùn)輸決策等提供數(shù)據(jù)保障。

3 結(jié)束語

通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)、企業(yè)應(yīng)用集成、商業(yè)智能等技術(shù)手段，統(tǒng)籌考慮客戶需求、運(yùn)力調(diào)配、車流組織、裝卸組織、調(diào)度指揮等作業(yè)環(huán)節(jié)及列車、機(jī)車、車輛、人員等關(guān)鍵因素，研究設(shè)計鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)，有助于提升貨運(yùn)作業(yè)和車流狀態(tài)的準(zhǔn)確把握與推算能力，強(qiáng)化貨物運(yùn)輸全程預(yù)計劃編制和流程管控，為每日、每班的機(jī)車機(jī)班安排、車輛運(yùn)用、列車開行、分界口交接、車站作業(yè)和施工組織提供準(zhǔn)確依據(jù)，為科學(xué)決策、改進(jìn)運(yùn)輸組織提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，對于實現(xiàn)運(yùn)輸能力和運(yùn)力資源的高效配置，提高調(diào)度日班計劃、階段計劃一體化編制水平，促進(jìn)調(diào)度指揮由粗放型、經(jīng)驗型向精細(xì)化、高效化轉(zhuǎn)變，滿足現(xiàn)代物流運(yùn)輸中客戶運(yùn)輸需求，提升鐵路貨物運(yùn)達(dá)速度具有重要意義。此外，鐵路車流推算及監(jiān)測系統(tǒng)擁有良好的擴(kuò)展性、兼容性、可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。

（責(zé)任編輯 吳文娟）