重載鐵路智慧車站架構(gòu)與功能設(shè)計研究

宋宗瑩，張紅亮

SONG Zongying1, ZHANG Hongliang2

（1.中國神華能源股份有限公司 調(diào)運部，北京 100011；2.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044)

(1.Dispatching and Transportation Department， China Shenhua Energy Company Limited， Beijing 100011， China；2.School of Traffic and Transportation， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

1 重載鐵路智慧車站總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 功能需求

智能化技術(shù)已經(jīng)滲透到社會各行各業(yè)，鐵路作為影響國家命脈的重要運輸方式，亟需充分應(yīng)用智能化技術(shù)，以把握市場需求，提升運輸效率，降低運輸成本，保障運輸安全，降低勞動強(qiáng)度[1-4]。由于列車編組數(shù)量的增加，重載鐵路完成相同的到發(fā)、調(diào)車、裝卸等作業(yè)耗時較普通列車增大，同時車站站坪長度的延長也使作業(yè)人員走行距離更長，車站管理難度更大。因此，重載鐵路對智能化升級的需求更加強(qiáng)烈。通過重載鐵路智慧車站總體框架和功能配置設(shè)計，可以加快推動我國重載鐵路智能化發(fā)展。

重載鐵路車站生產(chǎn)與管理難度較大，因而降低重載鐵路車站人員作業(yè)強(qiáng)度，減少作業(yè)差錯，提高車站作業(yè)效率與安全性是重載鐵路車站智能化發(fā)展的最終目標(biāo)。因此，除構(gòu)建車站班計劃、階段計劃編制，列車到發(fā)、機(jī)車出入段、牽出線調(diào)車等常規(guī)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，還需要建立智能環(huán)線裝車調(diào)車、智能組合分解調(diào)車、智能翻卸、智能車機(jī)聯(lián)控、智能防溜及智能列尾管理等重載鐵路智能化系統(tǒng)，以及排班、交接班、技能培訓(xùn)等崗位人員智能化管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)重載鐵路車站運營管理的自動化、智能化。

重載鐵路智慧車站應(yīng)包括智能感知、智能互聯(lián)、智能計算、智能控制及智能管理等核心功能。①智能感知是重載鐵路智慧車站的基礎(chǔ)，通過多種傳感技術(shù)，監(jiān)測重載鐵路車站的設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)過程、人員工作情況等信息，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備與作業(yè)流程的實時監(jiān)測與預(yù)警。②智能互聯(lián)是重載鐵路智慧車站各系統(tǒng)間的媒介，基于5G，Wi-Fi，Zigbee 等融合組網(wǎng)技術(shù)[5-6]，連接各個傳感、控制與作業(yè)設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備間信息的實時交互，完成監(jiān)測信息的實時傳輸。③智能計算是重載鐵路智慧車站的核心，是車站的“智慧大腦”。以《車站行車工作細(xì)則》為依據(jù)，實現(xiàn)車站業(yè)務(wù)邏輯的智能判斷與預(yù)測。④智能控制是重載鐵路智慧車站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?；谥悄苡嬎?、自動駕駛等技術(shù)，按照車站階段計劃規(guī)定時刻，通過相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)，控制列車接發(fā)、調(diào)車等作業(yè)的執(zhí)行。⑤智能管理通過智能排班、智能交接班、智能培訓(xùn)等智能化管理手段，均衡勞動強(qiáng)度，減少交接差錯，提高職業(yè)技能，實現(xiàn)車站的平穩(wěn)運營。同時，通過對車站運營數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出車站作業(yè)與管理優(yōu)化建議。

1.2 總體架構(gòu)

根據(jù)重載鐵路智慧車站智能化需求，將智慧車站劃分為智能化基礎(chǔ)平臺、車站智慧大腦、智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)4 個層次，分別實現(xiàn)車站各層面的智能感知、智能決策、智能交互、智能控制及智能管理，最終達(dá)到車站運營與管理的智能化。重載鐵路智慧車站總體構(gòu)架設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 重載鐵路智慧車站構(gòu)架設(shè)計示意圖Fig.1 Architecture design of smart station of heavy-haul railway

在重載鐵路智慧車站構(gòu)架中，智能化基礎(chǔ)平臺是根基，其目標(biāo)是為車站智慧大腦、智能化業(yè)務(wù)、智能化管理等系統(tǒng)提供感知、定位及網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)支撐；智慧大腦通過基礎(chǔ)平臺感知數(shù)據(jù)、各業(yè)務(wù)平臺反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、推理，對照班計劃與階段計劃時刻，實現(xiàn)車站各項作業(yè)的智能部署與調(diào)整；智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)則通過重載鐵路車站各項作業(yè)的智能化，以減少作業(yè)差錯，減輕作業(yè)人員負(fù)擔(dān)；智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)車站各生產(chǎn)崗位人員前后班組間的作業(yè)交接，以及職業(yè)技能提升等目標(biāo)。

2 重載鐵路智慧車站功能設(shè)計

2.1 智能化基礎(chǔ)平臺

智能化基礎(chǔ)平臺是重載鐵路智慧車站各項功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，為重載鐵路車站各項智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供監(jiān)測與感知、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、綜合定位等基礎(chǔ)功能。

（1）全方位實時監(jiān)測與感知系統(tǒng)。全方位的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)智能感知的基礎(chǔ)，基于重載鐵路車站列車接發(fā)、組合分解、調(diào)車及裝卸等作業(yè)感知與控制需求，以及作業(yè)環(huán)境的感知需求，采用多種監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建重載鐵路車站全方位實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施、作業(yè)過程、作業(yè)人員軌跡、自然環(huán)境的監(jiān)測與感知，為重載鐵路智慧車站的智能決策及控制提供感知數(shù)據(jù)。

（2）泛在互聯(lián)的車站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。泛在互聯(lián)是智能感知與智能控制信息傳輸?shù)拿浇??；?G，Wi-Fi，Zigbee 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用多鏈路、高可靠互聯(lián)通信裝置，組建泛在互聯(lián)的車站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)車站設(shè)備設(shè)施及系統(tǒng)間信息的互聯(lián)互通，滿足重載鐵路車站信息傳輸?shù)母呖煽啃砸蟆?/p>

（3）多方式融合的實時精準(zhǔn)定位系統(tǒng)。對車站作業(yè)人員、設(shè)備的精準(zhǔn)定位，是實現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)。其中，固定設(shè)備可以采用高精度定位裝置一次性測量完成，移動設(shè)備實時精準(zhǔn)定位是難點。為此，需要融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，GPS，5G，Wi-Fi 等綜合定位技術(shù)，研制適應(yīng)車站復(fù)雜環(huán)境的實時精準(zhǔn)綜合定位裝置，構(gòu)建多方式融合高精度定位系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)車車輛等移動裝備及作業(yè)人員的精準(zhǔn)定位，為車站作業(yè)智能控制提供實時、精確的位置信息。針對貨車等無源移動設(shè)備，需要基于機(jī)車車輛車體數(shù)據(jù)等信息，研究其高精度的定位算法。

（4）開放型車站運營場景數(shù)字孿生系統(tǒng)。對移動裝備作業(yè)過程的控制(如列車到發(fā)、組合分解、調(diào)車及裝卸等作業(yè)過程的控制)是實現(xiàn)重載鐵路車站智能化的關(guān)鍵。作業(yè)過程控制中，除了作業(yè)主體、客體及起訖時刻等信息外，還需要車站站線、曲線、道岔、坡度、目標(biāo)位置等車站站場的數(shù)據(jù)信息。為此，需要基于BIM，GIS，可視化及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)[7-8]，構(gòu)建與實際車站股道、信號機(jī)、警沖標(biāo)、曲線、道岔、聯(lián)鎖以及軌道電路等設(shè)備對應(yīng)的虛擬車站，將《車站行車工作細(xì)則》中的車站技術(shù)設(shè)備信息由文本描述轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，形成復(fù)制實體車站的運營場景數(shù)字孿生系統(tǒng)，為智能作業(yè)控制提供站場數(shù)據(jù)信息及狀態(tài)場景。此外，數(shù)字孿生系統(tǒng)還需要實時在線與鐵路局集團(tuán)公司的智能調(diào)度、車站智慧大腦、智能監(jiān)測等系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，確保數(shù)字孿生系統(tǒng)狀態(tài)與現(xiàn)場保持同步，確保車站智能控制信息準(zhǔn)確可靠。

2.2 車站智慧大腦系統(tǒng)

（1）智慧大腦子系統(tǒng)。智慧大腦子系統(tǒng)需要包含重載鐵路車站工作組織理論方法和《重載鐵路技術(shù)管理規(guī)程》《重載鐵路行車組織規(guī)則》《重載鐵路車站行車工作細(xì)則》等規(guī)定，以及各項業(yè)務(wù)間的邏輯與時空關(guān)系、重載鐵路車站實時智能監(jiān)測與智能調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)等信息。以重載鐵路車站運輸計劃中各項作業(yè)的兌現(xiàn)率為目標(biāo)，實現(xiàn)重載鐵路車站作業(yè)計劃智能調(diào)整功能和車站各項作業(yè)的智能預(yù)測、調(diào)整與預(yù)警，保證車站各項作業(yè)有條不紊地執(zhí)行，降低車站值班員、調(diào)度員等職工的工作強(qiáng)度。

（2）智能交互子系統(tǒng)。智能交互子系統(tǒng)是智慧大腦與各系統(tǒng)間溝通的橋梁。智能交互子系統(tǒng)基于重載鐵路車站業(yè)務(wù)、管理、監(jiān)測、控制等系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)涵蓋重載鐵路車站內(nèi)部設(shè)備及業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間、車站與車站之間，以及車站與調(diào)度部門之間各種信息的自動分發(fā)與接收。

2.3 車站智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)

考慮到重載鐵路沿線車站類型多、規(guī)模及辦理業(yè)務(wù)差別較大等因素，使用功能模塊化的方式設(shè)計車站智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同重載鐵路車站作業(yè)需求進(jìn)行靈活配置，以簡化智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署。除配置智能計劃編制、智能接發(fā)車、智能調(diào)車、智能貨運、智能設(shè)備管理及智能安全管理等常規(guī)智能化模塊外，還需根據(jù)重載鐵路需求特點，配置以下智能化模塊。

（1）智能環(huán)線裝車模塊。重載鐵路運輸?shù)拇笞谖镔Y多采用環(huán)線筒倉裝車方式，對裝車作業(yè)過程控制精度要求更高。為此，基于智能化基礎(chǔ)平臺，構(gòu)建智能裝車模塊，實現(xiàn)裝車作業(yè)智能交互與裝車過程智能控制功能。根據(jù)空車到達(dá)信息，按照裝車業(yè)務(wù)流程，將列車作業(yè)信息在車站值班員、貨運員、商檢員、調(diào)車組及選煤(礦)場調(diào)度員等間智能流轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)列車裝車作業(yè)過程的跨部門、跨崗位通力協(xié)作；基于智能化基礎(chǔ)平臺及智能化漏斗裝車系統(tǒng)信息，動態(tài)調(diào)整機(jī)車輸出功率，實現(xiàn)裝車作業(yè)過程的平穩(wěn)運行，以及異常情況下的智能調(diào)整，以減輕車站相關(guān)作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

（2）智能防溜模塊?；谥悄芑A(chǔ)平臺，研制具有高定位精度與網(wǎng)絡(luò)功能的智能鐵鞋，配以具有狀態(tài)自檢測及網(wǎng)絡(luò)功能的智能貨車，構(gòu)筑車站智能防溜模塊，實現(xiàn)對停留車列兩端貨車手閘的制動與緩解、鐵鞋放置與撤除等防溜措施的智能監(jiān)測。同時，與智能接發(fā)車、智能調(diào)車等智能化作業(yè)模塊配合，在列車到發(fā)、調(diào)車作業(yè)前后，適時對停留車列是否需要采取防溜或防溜措施是否需要撤除給出智能提示，以減少現(xiàn)場作業(yè)人員的反復(fù)改寫占線板、控制臺信息頻次，避免人為因素失誤造成出現(xiàn)錯放、錯撤等安全事故的發(fā)生。

（3）智能列尾管理模塊。為確保重載列車的完整性，重載列車尾部均要掛裝列尾裝置。對于重載鐵路的裝車、卸車及組合分解站，列尾裝置的安裝、拆卸及取送作業(yè)需求較大?；谲囌局悄芑A(chǔ)平臺，研制具有高定位精度與網(wǎng)絡(luò)功能的智能列尾裝置及智能管理模塊，配合智能接發(fā)車、智能調(diào)車等功能模塊，實現(xiàn)對列尾裝置的摘除、掛裝等作業(yè)的智能管理，以減輕作業(yè)人員負(fù)擔(dān)，防止漏摘、漏掛等風(fēng)險出現(xiàn)。

（4）智能翻卸模塊。重載列車由于單列運量大，對卸車效率提出更高的要求。與智能裝車模塊的信息智能交互功能相似，智能卸車模塊首先根據(jù)重車到達(dá)信息，根據(jù)卸車流程，實現(xiàn)卸車信息在車站值班員、貨運員、商檢員、調(diào)車組及港(礦或廠)調(diào)度員等間的智能流轉(zhuǎn)，以確定卸車股道、卸車時機(jī)，并組織相關(guān)人員到崗；進(jìn)而，基于智能化基礎(chǔ)平臺感知信息及機(jī)車自動駕駛，實現(xiàn)翻卸對位作業(yè)的智能化控制，以壓縮對位作業(yè)時間，提高翻卸效率。

（5）智能車機(jī)聯(lián)控模塊。基于機(jī)車自動駕駛及高精度定位系統(tǒng)，在列車運行接近或離開車站及調(diào)車作業(yè)時，自動將列車信息傳遞給車站智能化行車系統(tǒng)，智能行車系統(tǒng)根據(jù)收到的信息，自動給出相應(yīng)回復(fù)，以減少信息傳遞差錯，降低機(jī)車、調(diào)車乘務(wù)人員勞動強(qiáng)度。

（6）智能組合分解模塊。根據(jù)車站組合、分解作業(yè)計劃，基于智能化基礎(chǔ)平臺的高精度定位、智能感知及泛在互聯(lián)與機(jī)車自動駕駛模塊，實現(xiàn)組合作業(yè)過程信息的智能交互，機(jī)車車輛的自動化控制，以壓縮組合作業(yè)時間，減輕調(diào)車人員作業(yè)強(qiáng)度。

2.4 車站智能管理系統(tǒng)

車站智能管理系統(tǒng)包含智能交接班、職工排班、職工培訓(xùn)及車站運營數(shù)據(jù)分析與挖掘功能，可以減少班組交接差錯，均衡職工勞動強(qiáng)度，提高職工職業(yè)技能。

（1）智能排班模塊。根據(jù)重載鐵路車站班組劃分及人員配置情況，參考國家人力資源與社會保障部相關(guān)法律法規(guī)，實現(xiàn)職工個人及班組班制的智能管理與調(diào)整，以及職工年假、節(jié)假日休假與排班信息的智能管理與維護(hù)，并按車間、班組或個人預(yù)設(shè)或查詢應(yīng)休年假等功能，對職工排班、休假做出智能安排。

（2）智能交接班模塊。在梳理重載車站背景下各崗位、各工種工作內(nèi)容、工作流程及車站總體運行關(guān)鍵狀態(tài)的前提下，提取各崗位工作的關(guān)鍵詞及量化標(biāo)準(zhǔn)，通過智能化設(shè)備自動采集職工出、退勤信息。在兩班職工交接班時，通過智能交接班系統(tǒng)進(jìn)行簡單點擊選擇，即可以完成班組間關(guān)鍵信息的交接，實現(xiàn)車站班組間的平穩(wěn)交接。

（3）智能培訓(xùn)模塊。基于重載鐵路車站智能化平臺、智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及虛擬化技術(shù)，研制車站崗位職工培訓(xùn)教程與案例庫，訓(xùn)練職工操作能力，完成崗位培訓(xùn)。智能培訓(xùn)模塊能夠根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的季節(jié)性、重大事件等發(fā)展形勢，提出智能化培訓(xùn)建議及培訓(xùn)方案。

（4）智能分析與優(yōu)化模塊?；谥剌d鐵路車站各項運營數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能車站各項數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與挖掘，分析指標(biāo)異常情況及原因，為車站作業(yè)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語

智能化場景下，設(shè)計重載鐵路車站構(gòu)架與功能配置雛形方案，能夠提升重載鐵路車站作業(yè)質(zhì)量，提高車站資源利用效率，進(jìn)一步促進(jìn)車站的科學(xué)化管理，對重載鐵路的智能化發(fā)展具有重要參考價值。為了實現(xiàn)智慧車站的功能落地，還需要基于車站的業(yè)務(wù)需求，進(jìn)一步地研究具體的技術(shù)方案，研制相關(guān)裝置，開發(fā)智能化系統(tǒng)，將不斷涌現(xiàn)的智能化技術(shù)應(yīng)用到重載鐵路。