基于智能優化的鐵路營業線施工天窗管理研究

崔朝暉，保魯昆，賀東，張雁華，劉新

(1. 中國國家鐵路集團有限公司 運輸調度指揮中心，北京 100844；2. 中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；3. 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；4. 中國鐵路成都局集團有限公司 調度所，四川 成都 610082；5. 中國鐵路太原局集團有限公司 黨校，山西 太原 030009)

鐵路營業線施工組織是運輸組織重要和關鍵的一項內容。有序高效的營業線施工管理工作，既可以為鐵路行車設備維護保養、新線引入、站場改造、地方涉鐵工程的順利開展提供時間保障，確保施工期間的人身、行車和施工安全，還可以壓縮天窗數量和時長，為運輸生產提供時間支撐，消除鐵路局集團公司間分界站和專業結合部間的問題，進一步挖掘運輸潛力[1]。隨著云計算、大數據、人工智能等新興技術的興起和逐步應用，通過優化主要干線天窗安排、規避主要干線天窗時間不協調問題、消除違規安排天窗情況、監測施工延點問題等方式，科學安排鐵路營業線施工天窗，是提高施工管理和運輸組織效率的有效途徑。

1 鐵路營業線施工管理現狀

鐵路營業線施工管理的具體內容包括施工計劃編制和天窗日期安排，以及施工維修作業過程管理等關鍵項點[2]。

鐵路營業線施工實施采取計劃管理的模式，實行運輸站段、鐵路局集團公司、中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)分級管理，各級部門按照職責分工和審批權限，根據施工需求和運輸能力，依托施工管理系統，對全路各線的各類施工和維修統籌協調安排，形成年度(輪廓)、月度和日施工計劃及維修計劃，公布后實施。

天窗按照用途可以分為施工天窗和維修天窗。維修天窗與施工天窗基本上重疊套用，施工、維修時采用平行作業的方式，綜合高效地利用天窗，滿足安全生產、作業標準和質量要求。天窗開設時間反映在開設時長和開設時段2個方面，這2個方面的選擇都應在滿足施工維修需求的前提下盡量減少對通道能力的影響[3]。

雖然目前已經構建施工管理系統并投入使用，實現了施工計劃的編制、審批、發布和查詢，以及天窗兌現率和利用率的統計分析等功能。但由于系統設計缺乏整體考慮，對施工過程的管理不到位，與施工單位生產管理系統等外部信息缺乏有效交互，很難滿足目前對施工管理決策等方面的需要[4]。尤其在天窗安排方面，存在著施工與運輸不協調、天窗安排不科學、卡控施工延點不得力等問題。

2 存在問題

2.1 運輸通道施工安排不協調

在路網層面，應結合運輸需求情況，按照運輸需求旺淡季錯峰、平行通道錯時的原則安排集中修施工和施工天窗。制定具體的主要干線集中修輪廓計劃時，受經濟變動影響無法掌握真實的貨運市場需求，也就無法準確地預測車流去向和組成結構，只能依靠歷史方案和貨運需求數據作為參考進行集中修施工和施工天窗優化，計劃編制質量受到影響。在主要干線施工天窗安排方面，同樣存在各條線路之間車流交換、車流密度、施工需求等方面的差異，由于各種因素的影響無法真實地反映時，不可避免地會產生主要干線施工與運輸不協調的問題。

2.2 施工天窗安排不合理

對于列車編解作業工作量大的路網性車站、車流交換頻繁的樞紐地區、車流密度較大的主要干線、鐵路局集團公司間分界站等重要節點和線路，應結合行車設備能力和狀況，依據調度指揮和行車組織需要，合理安排施工天窗。對銜接多條線路和方向的樞紐地區，如果施工天窗安排欠妥，會造成樞紐地區接發列車不暢，列車編解效率降低，導致樞紐地區節點局部堵塞。如果由于施工管理人員溝通不足，對相互關聯的不同線路或同一線路不同鐵路局集團公司分界站間施工天窗時間不一致，將會影響不同線路間或鐵路局集團公司間車流交換，降低線路運能利用率，浪費運輸資源。

2.3 施工天窗安排不規范

鐵路營業線施工是一個多工種、多環節、多人員的聯合作業[5]。對于鐵路營業線施工天窗安排、國鐵集團組織集中修區段非集中修期間的天窗安排、影響繁忙干線運輸和干線跨鐵路局集團公司運輸的施工天窗臨時調整等內容，國鐵集團規章中均有明確規定。但在實際工作中，仍有作業單位缺乏規章意識、規矩意識、紀律意識，缺少落實集中指揮的大局觀念，違反規章規定內容安排施工天窗，對運輸組織造成影響。

2.4 重點施工結合不緊密

合并使用天窗可以在一定程度上壓縮天窗中的非作業時間[6]。大型站場改造、信聯閉改造、列控系統設備改造、大型換梁等重點施工組織難度大、參與作業人員多、個別項目所需天窗時間較長，適宜與日常施工維修作業共用天窗，在主要干線集中修施工階段實施[7]。主要干線集中修施工由國鐵集團根據全年預計運輸情況制定集中修輪廓計劃，由國鐵集團組織協調，統一實行[8]。但在制定施工方案和編制施工計劃時，沒有綜合考慮多種因素影響統籌安排重點施工、集中修施工和施工天窗，出現重復安排天窗、天窗利用率下降等問題，擴大了對運輸的影響。

2.5 卡控施工延點不得力

鐵路營業線施工有時候會受到天氣、地質條件等自然因素，以及施工人員不能完全適應新技術、新設備等人為因素的影響，不能按照調度命令給定的時間完成施工作業，即發生施工延點問題，嚴重時影響正常的列車運行秩序，給行車組織帶來困難。原因主要有施工單位制定施工方案不完備，現場踏勘調研不充分，勞動力組織不合理，施工機具保養不到位；施工現場組織不到位，施工關鍵環節盯控不徹底，設備管理單位和施工配合單位配合意識不強；專業部門管理作用發揮不足，現場組織和監管檢查不到位，對重點環節和關鍵項點管控力度不足；應急預案缺乏針對性，突發狀況處置能力有待提高，出現施工問題時不能迅速優化調整，導致施工延點問題時有發生。

3 基于智能優化的鐵路營業線施工天窗系統構建

3.1 業務需求分析

經過多年的經驗積累和積極探索，在鐵路營業線施工管理方面已經形成了完善的管理模式，制定了全面的規章規定和制度辦法。國鐵集團、鐵路局集團公司、運輸站段按照職責分工和管轄范圍，依據鐵路營業線施工管理辦法等文件實施分級管理。在分級管理過程中，集中修施工及施工天窗日期的安排、施工進度監控、施工天窗安排質量、施工計劃編制質量等工作，仍然依靠施工計劃人員的工作經驗安排，不僅要求施工管理人員具有較高的業務水平和豐富的經驗積累，還存在勞動強度大、適應性不強、靈活性不高、過程監控不足等問題。受施工管理人員專業素養、路網結構和車流密度、階段性重點施工、施工現場組織和安全監控強度等各種因素影響，在天窗安排和施工計劃編制方面產生了短板或弱項，不可避免地出現了諸多問題，如主要干線施工安排不協調、施工天窗安排日期不合理、施工天窗安排不合規、安排重點施工不合理、施工延點問題控制不力等。施工計劃人員對施工天窗安排質量的影響如表1所示。

表1 施工計劃人員對施工天窗安排質量的影響Tab.1 Impact of construction planners on quality of construction skylight arrangement

在既有施工管理模式下，除了提高施工管理人員專業素養外，從提升效率、消除短板、補強不足的角度出發，運用已經較為成熟的智能化手段，整合鐵路營業線施工天窗管理的需求，構建基于智能化的施工天窗管理系統，納入并動態完善站場、線路行車設備信息，以滿足行車設備維護保養和重點施工需求為基本條件，以最大程度地提供運輸能力為目標，迭代優化形成最佳施工天窗安排和施工計劃編制方案，并對施工天窗安排和施工過程予以動態監控，發現違規安排天窗、施工延點等問題，自動報警和提醒，以系統自動生成+人工調整優化的方式實現施工天窗合理安排，從而有效地提高鐵路營業線施工管理效率和質量。

3.2 功能需求分析

構建基于智能優化的施工天窗管理系統，除需要納入既有系統的基礎業務功能外，還需要新增智能優化天窗安排、人工干預和人機交互、施工過程動態監控和報警等主要功能，形成滿足施工需求、提供最大運能的最佳天窗安排方案。基于智能優化的施工天窗管理系統功能需求示意圖如圖1所示。

（1）天窗安排智能優化功能。以歷史運量和施工維修工作完成量等數據為基礎，結合樞紐地區和主要干線行車設備狀態，以有關文件中天窗安排規定為依據，在挖掘分析天窗安排規律的基礎上，建立具有核心計算、分析推理、預測評估、改進優化功能的數學模型，通過自我學習、迭代運算，形成最優天窗安排方案、預測不同天窗安排方案運量完成情況，實現多區間天窗協同優化，使整體影響降低到最小[9]。

（2）人工干預和人機交互功能。提高施工天窗管理系統操作人性化程度，設置人機交互界面，具備人工調整天窗安排方案、調整參數設置、增減影響因子、以多種形式輸入輸出方案和數據等人機交互條件，并實現與列車調度指揮系統(TDCS)和調度集中系統(CTC)、專業行車設備管理系統間的數據交換功能。

（3）施工過程動態監控和報警功能。通過監控列車運行圖上標注的施工表示線，動態監控樞紐地區和主要干線的天窗安排，并與確定的天窗安排方案和天窗安排規定比對，遇有樞紐地區和主要干線天窗安排不一致、違規安排天窗、施工和維修作業延點等問題時，及時報警并發出提示信息。

3.3 系統功能實現流程

（1）基礎數據收集與存儲。主要包括以下4個方面。一是行車設備信息，主要包括線路類別、單雙線、站場性質、到發線，區間線路、橋梁、隧道、涵洞，信號、聯鎖、閉塞、通信，接觸網，車輛，房建等基礎數據；二是天窗安排規則，主要包括站場和區間區段劃分、規章制度中天窗安排規定、線路之間關聯和抵觸情況、分界口線路與鄰局天窗匹配情況；三是施工需求信息，主要包括集中修施工，大型站改、新線引入等階段性重點施工，路內各設備單位施工，路外涉鐵項目施工需求等；四是車流結構信息，主要包括動車組列車車次和運行時刻、普速旅客列車車次和運行時刻，貨物列車對數、迂回徑路情況、運輸任務等。

（2）搭建基于智能優化的施工天窗管理系統。圍繞鐵路天窗安排優化目標，以建立智能優化數學模型為核心內容，以完善資料數據庫、運輸目標任務、階段重點施工、方案輸出展示、人工干預調整、最優方案輸出等模塊為基本要件，構建基于智能優化的施工天窗管理系統。

（3）系統功能調試與完善。一是從滿足業務需求和功能需求的角度出發，使用基于智能優化的施工天窗管理系統自動生成集中修施工年度輪廓施工計劃、繁忙干線和主要干線月度天窗安排方案、重點施工天窗安排方案。二是根據系統架構，以樞紐地區和主要干線天窗安排為主線，計算優化形成次要干線、其他線路的天窗安排，必要時人工干預調整形成優化方案，為施工計劃編制人員、列車調度員、行車人員、設備單位人員提供作業依據。

（4）測試、驗證、完善系統功能。設立不同場景，對施工天窗管理系統的智能優化天窗安排功能、人工干預和人機交互功能、施工過程動態監控和報警功能等主要功能進行測試，驗證是否滿足需求，及時完善有關功能。

4 結束語

在系統分析鐵路營業線施工存在問題的基礎上，綜合考慮鐵路營業線施工天窗安排需要遵循的原則和實踐經驗，結合大數據、機器學習等先進方法和理念，研究提出基于智能優化的施工天窗管理系統主要功能結構方案，對促進基于智能優化的施工天窗管理系統的研發具有參考價值，有益于推動鐵路營業線施工向集成化管理、便利化監督和智能化分析方向發展。