鐵路集裝箱堆場智能管理關鍵技術研究

于雪嶠，葉 飛，王丹竹，席江月，許植深

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，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，隨著鐵路服務網絡、質量、能力的不斷提升，鐵路集裝箱運量將進一步大幅提升，這對鐵路物流節點服務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部管理精細化的服務需要，應充分運用智能化技術裝備以提高集裝箱物流節點的服務水平與效能，助力推進現代流通體系建設[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增效，國內外學者展開了豐富的研究，主要集中在場站堆存能力優化[2]、裝卸設備調度[3]、設施設備配置[4]、功能區布局[5]、班列開行[6]等方面，還應結合鐵路集裝箱場站運營管理現狀及問題，設計集裝箱堆場智能管理技術體系架構，提出基于智能化技術裝備的鐵路集裝箱箱位智能指派方法，優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體系架構設計

1.1 現狀分析

鐵路集裝箱堆場智能管理需要信息系統的支撐，隨著鐵路貨運系統的整合優化，目前集裝箱業務均采用計算機進行制票、裝車、集裝箱動態管理、統計、日常報表等工作，極大提高了現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，仍然存在作業信息以手動錄入、作業方案以人工決策為主的現象，原因之一在于目前信息系統對現場作業指導、數據采集分析的支撐不足，降低了集裝箱堆場運營管理的服務水平與效能，不利于鐵路集裝箱運輸的高質量發展。

（1）現場作業信息化程度有待提高。一是隨著運輸需求的提升、運輸產品的不斷豐富，目前鐵路集裝箱堆場管理以人工管理為主的方式已經不能滿足高質量發展要求。信息化技術支撐不足，不能實時反饋及追溯集裝箱作業信息，而且存在集裝箱堆存信息易出現錯漏等現象。二是作業信息交互渠道仍需優化建設。目前大部分集裝箱場站作業信息仍然以外勤貨運員“班前會”等形式下發，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加裝了超偏載傳感器，但缺乏對采集信息的分析決策，導致集裝箱箱態仍以人工管理為主，存在空重誤掛的安全隱患。

（2）智能運營管理支撐不足。一是在具體生產作業過程中，仍存在信息化、智能化程度不夠導致作業效率與準確度較低的問題，如在集裝箱選箱環節，仍需要人工選箱后再補錄到系統中，易出現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場作業的智能管理系統，現場作業報表仍以紙質人工填報為主，作業效率和質量有待提升，而且并未對作業數據進行有效統計分析，不能充分發揮統計指標對現場方案決策的支撐作用；三是鐵路集裝箱場站多式聯運比重仍然相對較低，不能實現與其他運輸方式信息的實時交互，無法實現船期、班列時刻表的協同優化，制約了鐵路場站的聯運能力。

因此，為了適應集裝箱運輸的快速發展要求，針對鐵路集裝箱場站現狀，以系統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，設計包括鐵路集裝箱堆場、鐵路側出入口、公路側出入口等關鍵智能運營主要節點設施的關鍵技術裝備應用方案；在管理運用方面，通過分析比較不同堆存策略的規則以及優勢、劣勢，探討箱位智能指派優化方法，為鐵路集裝箱堆場高質量運營管理、建設鐵路現代流通體系提供支撐。

1.2 智能運營管理體系架構

鐵路集裝箱堆場智能管理是一個復雜的系統工程，為了提升堆場的堆存能力、作業效率，不僅需要優化堆場的堆存策略，還應從硬件設備、運營平臺、管理技術等多方面進行優化。在硬件設備方面，鐵路門架、公路門閘、裝卸設備等方面實現列車、集卡信息、集裝箱信息、作業信息的自主采集，與智能管理系統共同搭建集采集、決策、執行、反饋于一體的閉環管理體系，實現車輛/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，計算決策作業方案后由智能化裝卸設備執行，再將執行結果反饋給管理平臺。鐵路集裝箱堆場智能管理體系架構如圖1所示。

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

鐵路集裝箱堆場的智能管理應按照信息源構建—信息對稱—方法設計—設備支撐的發展思路，以信息采集—數據處理—決策支持—方案執行—結果反饋為建設路徑全面發展。因此，應結合智能化技術裝備，實現堆場數據信息由人工手動錄入向機器自動識別、作業方案由人工經驗判斷向系統智能決策的轉變，涉及到的技術裝備主要包括與數據信息采集識別相關的電子標簽、閱讀器等設備；與堆場內集裝箱定位相關的RFID設備；與車輛/列車進出信息采集相關的門架攝像頭、傳感器等設備和與場內數據交互的無線傳輸設備等。通過上述硬件裝備，結合集裝箱堆場箱位智能優化管理方法，實現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 業務特征分析

鐵路集裝箱堆場箱位智能管理的本質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，以及在堆場內由于盤點、壓箱導致的集裝箱搬移。對于上述不同種作業場景，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，重點應考慮集裝箱箱位堆存空間資源的合理利用，指派最優的碼箱位置；對于從箱場向外部裝箱的情景，重點應圍繞裝卸設備的資源調度，分配最優的作業方案。

通過分析集裝箱堆場的業務特征，可以將其業務歸納為鐵路裝車、鐵路卸車、公路裝車、公路卸車、場內搬移等5種業務場景，進一步結合堆場、軌道、公路等設施，可以將業務場景歸納總結為集卡/列車—箱場、箱場—集卡/列車、箱場—箱場3類，根據每類場景的作業需求特征，分別總結其智能管理優化目標及方法。

2.2 優化目標

（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備的堆場，應注重均衡各門吊負責區域、各箱區的作業量，以充分利用堆存空間并提高裝卸作業效率，同時應注重集裝箱屬性關系，盡量優化箱位自由度，減少因壓箱導致的倒箱作業。

（2）箱場—集卡/列車—高效作業。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考慮了各門吊作業均衡、集裝箱屬性一致等信息，因此當制定裝(列)車方案時，應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，其本質問題變為集裝箱搬運過程或裝卸機具作業徑路的廣義最短路徑問題，以降低作業成本，提升作業效率。

（3）箱場—箱場—高效作業。當集裝箱堆場因盤點或壓箱需要在箱場內部搬移時，同樣需要考慮場內各裝卸機具作業均衡問題，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化思路如圖2所示。

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

2.3 優化方法

基于不同作業情景，針對不同堆存模式、場站生產調度指揮需求，集裝箱堆場運營管理優化可以采用以下方法。

（1）以基于集裝箱屬性判斷規則的鐵路集裝箱堆場箱位自由度最高為目標，設計遍歷搜索算法。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。因此，通過設計搜索判斷算法，循環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，應重點考慮集裝箱屬性、作業類別等因素對優化目標的影響[7]。

（2）以集裝箱堆場壓箱數最少為目標，應用最優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性質、箱位指派需求不同，根據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，構建基于箱位均衡—壓箱數最少為目標的混合整數規劃模型，該類問題通常存在非線性規劃、變量組合規模巨大的特征，因此，多以啟發式算法對問題進行求解[8]。

3 鐵路集裝箱堆場關鍵設備應用技術

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、集裝箱作業信息的實時記錄，以實現堆場關鍵要素數字化管理。

3.1 堆場集裝箱定位技術

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

由于集裝箱具有一般金屬特性，通過磁鋼等定位技術難以解決集裝箱間的信號干擾問題，因此難以采用傳統的電子信號傳輸定位技術。可以通過基于堆場無線通訊的圖像識別技術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備的位移記錄集裝箱位置信息的變化。

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

3.2 鐵路側堆場出入管理技術

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出入口是列車通過的唯一通道，通過對鐵路側出入口集裝箱信息的實時采集，結合(預)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。通過鐵路側出入口的集裝箱數量較多，并且要求采集設備能夠識別運動狀態中的數據信息，考慮列車推送作業或進入咽喉后一般速度較低，結合閱讀器識別能力與精度，可考慮采用線陣相機采集與RFID設備識別相結合的方式，通過內部生產系統相連通以關聯車次車號，匹配作業信息與運輸信息。鐵路出入口智能管理系統示意圖如圖4所示。

圖4?鐵路出入口智能管理系統示意圖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設備相結合的方式，可以有效解決集裝箱列車一次通過需要采集數據較多的問題，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管理系統。針對需要在運動過程中識別數據信息的要求，可以根據設備選型的技術特征，限定列車通過速度并應用雙線+雙閱讀器模式確保采集信息的準確性，結合線陣相機識別的數據比對無誤后上傳作業系統記錄集裝箱數據信息。當列車通過鐵路側門架后，自動觸發信息采集設備，并將采集數據回傳系統后作為裝卸火車的依據，系統即可根據運輸需求信息自動編制裝卸列車方案與計劃。

3.3 公路側堆場出入管理技術

鐵路集裝箱堆場公路側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示意圖如圖5所示。

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

由圖5可知，與鐵路側門閘類似，同樣采用線陣相機+閱讀器的模式實現數據信息的實時動態采集，通過復核2種模式采集的數據信息確保數據準確性。集卡司機通過輸入集卡車牌號、集裝箱箱號、運輸需求后預約進場，數據比對信息無誤后由智能管理系統發送放行指令，并將集卡車牌號、運輸公司信息、箱內貨物信息、集裝箱運輸目的地、集裝箱預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核的模式確保采集信息的準確性，當信息采集比對結果不一致時，應由人工以線陣相機采集圖片為準輸入正確信息。當集卡通過公路側門架后，通過比對預約信息與實際信息確認集卡進場運輸需求，系統自動分析生成裝卸汽車方案并推送給集卡司機。

4 結束語

合理應用智能化技術裝備對于提升鐵路集裝箱堆場運作效率、減輕現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效率，結合智能化技術裝備提出的關鍵設施布設方案可以有效實現鐵路集裝箱堆場關鍵信息的自主采集，為提升鐵路集裝箱堆場信息化水平提供決策依據。隨著鐵路集裝箱業務的進一步發展，應重點研發結合現場生產環節作業的智能管理信息系統，實現作業方案的智能決策、智能執行和智能反饋。未來可以針對5G通訊、數據發掘、人工智能等新技術，優化鐵路場站作業流程與人員崗位，進一步提升集裝箱場站對鐵路集裝箱發展的支撐作用，助力構建現代流通體系。