徐永梅，余 淮，王 晶

XU Yongmei, YU Huai, WANG Jing

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

(Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)

編組站綜合自動化系統(tǒng)(Synthetic Automation of Marshalling Yard，SAM)是指將列車到達、解體、編組、出發(fā)、調(diào)度指揮和計劃管理等全部活動作為一個不可分割的整體，組合形成管控一體的智能閉環(huán)系統(tǒng)[1]，實現(xiàn)行車、調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行的自動化。《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出加強鐵路行業(yè)數(shù)據(jù)中心建設、加大數(shù)據(jù)分析和研發(fā)力度，大力推進數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用，提升決策的科學性，促進資源優(yōu)化配置[2]。因此，建立SAM大數(shù)據(jù)平臺，深入挖掘、利用海量數(shù)據(jù)中潛藏的價值信息，全面發(fā)揮海量數(shù)據(jù)在作業(yè)智能評價、智能執(zhí)行及運輸指揮決策支持方面的作用，為推進鐵路編組站運輸指揮的決策智能化發(fā)展、提升編組站運輸效力提供更加有力的技術支撐。

1 編組站綜合自動化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺構建分析

1.1 構建目標

隨著鐵路信息化發(fā)展和運輸組織需求的不斷提升，更加安全高效的自動化、智能化發(fā)展是編組站自動化系統(tǒng)不斷追求的發(fā)展方向。SAM大數(shù)據(jù)平臺是在SAM系統(tǒng)基礎上重新整合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，旨在實現(xiàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)總體、強化數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化資源配置。

（1）規(guī)劃數(shù)據(jù)總體。既有SAM系統(tǒng)不同層級的作業(yè)數(shù)據(jù)存留在各自的子系統(tǒng)，彼此交互共享的數(shù)據(jù)有限。SAM大數(shù)據(jù)平臺立足整個編組站運輸組織，整合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，構建運輸作業(yè)信息共享平臺，從宏觀角度梳理數(shù)據(jù)流程，規(guī)劃數(shù)據(jù)分類、用途，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與應用共享。

（2）強化數(shù)據(jù)分析。目前作業(yè)過程數(shù)據(jù)的利用更多展現(xiàn)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計方面，數(shù)據(jù)價值利用率低。利用大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)列車到達、解體、編組和出發(fā)等過程數(shù)據(jù)的采集、存儲與計算，深化分析運輸組織、作業(yè)過程與運輸資源間的關聯(lián)關系，分析各環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量與制約因素，為調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行決策提供科學的指導建議。

（3）優(yōu)化資源配置。既有數(shù)據(jù)存儲多采用傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫，難以從多主題角度對作業(yè)過程進行科學全面地分析與評價。依托智能化的運維管理模式，借助智能分析手段，統(tǒng)籌規(guī)劃調(diào)度計劃、作業(yè)執(zhí)行與運輸資源間的關系，實現(xiàn)調(diào)度指揮與作業(yè)過程的精細化管理以及科學量化的評價體系，進而實現(xiàn)編組站資源的優(yōu)化配置。

1.2 總體架構

SAM大數(shù)據(jù)平臺依托集中控制網(wǎng)和綜合信息網(wǎng)實現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)的采集，采用分布式集群服務架構體系，研究面向調(diào)度決策、作業(yè)過程執(zhí)行、作業(yè)評價分析和運維管理等方向的應用服務。SAM大數(shù)據(jù)平臺總體架構如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)源。SAM大數(shù)據(jù)來源于列車調(diào)度指揮系統(tǒng) (TDCS)、車站信息管理系統(tǒng)、集中控制子系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、駝峰系統(tǒng)、無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)、停車器系統(tǒng)和車號識別系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)，這些系統(tǒng)數(shù)據(jù)包含車站靜態(tài)基礎數(shù)據(jù)和作業(yè)過程動態(tài)數(shù)據(jù)等。其中，靜態(tài)基礎數(shù)據(jù)包括運輸統(tǒng)一的基礎字典、技術資料、站場線路資料、運輸規(guī)則(編組計劃、車流徑路、基本運行圖和編組隔離要求等)；作業(yè)動態(tài)數(shù)據(jù)包括列車計劃、解編計劃、列車和本務機的運行實績數(shù)據(jù)、調(diào)機走行和作業(yè)數(shù)據(jù)、進路占用時間、技檢作業(yè)時間、設備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

圖1 SAM大數(shù)據(jù)平臺總體架構Fig.1 Overall architecture of SAM big data platform based

（2）SAM大數(shù)據(jù)平臺。綜合當前主流大數(shù)據(jù)架構[3-5]，平臺依托集中控制信息網(wǎng)和綜合信息網(wǎng)，搭建分布式集群服務平臺，利用大數(shù)據(jù)技術對數(shù)據(jù)進行抽取、過濾后，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、存儲、分析與服務功能，深層挖掘分析數(shù)據(jù)間的關聯(lián)性與預測性等信息，滿足業(yè)務系統(tǒng)的需求。其中，數(shù)據(jù)整合指借助大數(shù)據(jù)抽取技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的篩選、加工與整合；數(shù)據(jù)存儲指基于數(shù)據(jù)容量及其類型，選擇相應的數(shù)據(jù)存儲工具實現(xiàn)對整合后的數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)分析指根據(jù)不同數(shù)據(jù)服務需求構建相應的數(shù)據(jù)模型及算法，建立大數(shù)據(jù)分析引擎，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)價值的挖掘與利用；數(shù)據(jù)服務指大數(shù)據(jù)平臺借助分析引擎為不同崗位、作業(yè)過程提供相應的數(shù)據(jù)查詢、可視化展示和決策支持等服務接口。

（3）SAM大數(shù)據(jù)平臺應用。研究編組站作業(yè)效率影響因素[6]，以提高信息和資源共享程度、減輕人員作業(yè)強度以及提升運輸效率為目標，大數(shù)據(jù)平臺面向計劃調(diào)度崗位提供到發(fā)線股道自動分配、作業(yè)計劃自動編制、調(diào)機運用規(guī)劃等決策支持服務；面向車站作業(yè)執(zhí)行崗位提供列車接發(fā)車作業(yè)過程自動規(guī)劃、行車風險預警等服務；面向管理崗位提供作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、能力查定和作業(yè)智能評價等服務；面向設備運維崗位提供可視化運維平臺、故障診斷與預測以及風險識別等服務。

1.3 應用路徑

編組站運輸生產(chǎn)各環(huán)節(jié)既相互獨立又相互制約，各作業(yè)環(huán)節(jié)各自產(chǎn)生大量有價值的作業(yè)數(shù)據(jù)信息，這些信息不僅是其作業(yè)過程的一種記錄，信息之間也體現(xiàn)當時的作業(yè)場景和作業(yè)模式。SAM大數(shù)據(jù)平臺通過抽取、過濾、整合等步驟將運輸生產(chǎn)過程中各系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進行加工存儲，實現(xiàn)各作業(yè)過程數(shù)據(jù)的全面共享以及縱向價值挖掘。通過關聯(lián)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡和過程挖掘等技術分析作業(yè)數(shù)據(jù)關系、構建量化模型，從而向各環(huán)節(jié)作業(yè)系統(tǒng)提供決策支持服務，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)—價值—應用”的鏈路循環(huán)。SAM大數(shù)據(jù)平臺應用路徑如圖2所示。

2 編組站綜合自動化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺應用分析

2.1 智能調(diào)度

智能調(diào)度是指大數(shù)據(jù)平臺基于實時的調(diào)度計劃、機車和車輛狀態(tài)、各環(huán)節(jié)作業(yè)進度與歷史作業(yè)數(shù)據(jù)等信息智能感知運輸資源與調(diào)度需求的整體態(tài)勢，在調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行間建立數(shù)據(jù)共享反饋機制，實現(xiàn)編組站作業(yè)調(diào)度方案的智能化調(diào)整。

（1）到發(fā)線股道自動分配與調(diào)整。通過分析到發(fā)線運用原則建立到發(fā)線股道分配模型[7]，結合歷史作業(yè)數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。將計劃到發(fā)列車的基礎信息（到發(fā)方向、到發(fā)類型和車輛信息等）、當前站場資源使用情況、計劃數(shù)據(jù)和相關環(huán)節(jié)作業(yè)進度等因素作為模型輸入，實現(xiàn)到發(fā)線的自動分配與調(diào)整。

（2）鉤計劃自動編制與調(diào)整。鉤計劃編制過程需要綜合考量車輛狀態(tài)、車流到達、集結情況以及站場資源使用情況等諸多因素，過程復雜且動態(tài)調(diào)整頻繁。通過過程挖掘發(fā)現(xiàn)鉤計劃調(diào)整軌跡與階段計劃、以及其他資源間的關系規(guī)律，以此為基礎搭建深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型，利用歷史數(shù)據(jù)進行自身的強化學習和深度學習，引導系統(tǒng)模仿人腦工作模式實現(xiàn)鉤計劃的自動編制。

圖2 SAM大數(shù)據(jù)平臺應用路徑Fig.2 Application path of SAM big data platform

（3）調(diào)機運用規(guī)劃。在滿足調(diào)機作業(yè)分配的約束條件下，以調(diào)機接續(xù)任務時轉(zhuǎn)線時間最短為目標[7]，將調(diào)機作業(yè)固定區(qū)域、當前作業(yè)進度、走形路徑和對其他作業(yè)干擾等因素進行量化處理，并賦予各因素不同的權重因子。利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算出合理的調(diào)機分配計劃，減少調(diào)機不必要的轉(zhuǎn)線時間，提高調(diào)機運用效率和作業(yè)質(zhì)量。

2.2 智能執(zhí)行

智能執(zhí)行是指大數(shù)據(jù)平臺基于歷史作業(yè)軌跡數(shù)據(jù)分析，結合調(diào)度計劃、作業(yè)實績數(shù)據(jù)和站場設備狀態(tài)等信息，自動識別與調(diào)整編組站接發(fā)列車過程中的進路執(zhí)行方案，提升編組站作業(yè)過程管理及控制的智能化水平。

（1）進路開放時機判斷。目前列車進路開放時機按照系統(tǒng)特定規(guī)則進行設定[8]，沒有考慮列車實際運行情況和未來可能的調(diào)車作業(yè)計劃要求等，存在進路開放時機過早或過晚問題。對此在接發(fā)列車計劃、列車運行狀態(tài)與調(diào)機作業(yè)計劃間建立關聯(lián)分析模型，當空間上存在進路沖突時，以列車進路最晚開放時間為原則，綜合考慮歷史沖突進路占用時間等因素，實現(xiàn)進路開放時機的智能判斷。

（2）作業(yè)進路智能調(diào)整。受作業(yè)計劃調(diào)整和線路狀況等因素的影響，接發(fā)車作業(yè)進路走行也需要配合動態(tài)調(diào)整。建立列車走行路徑的網(wǎng)絡拓撲，在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析關鍵道岔組、區(qū)段等設備的占用時間的基礎上，以路徑可達并綜合考慮走行耗時、緩急程度等因素為設計目標建立機器學習算法庫。在進路計劃指令無法執(zhí)行時，智能變更列車走行進路，減少人工干預的工作量。

（3）接發(fā)車順序自動調(diào)整。目前系統(tǒng)以辦理同意接車或鄰站同意發(fā)車的順序進行進路指令的下達，當不符合實際作業(yè)順序時需要人工干預。在考慮指令下達條件時附加歷史接發(fā)車順序?qū)W習因子，完善接發(fā)車進路指令下達序列動態(tài)調(diào)整算法，解決空間上進路存在沖突但時間間隔相差較大的情況下列車進路下達指令順序與實際接發(fā)列車順序不一致的問題。

（4）行車風險預警。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取線路周邊異常告警信息，解析調(diào)度命令中列車運行方向、限速或超限等內(nèi)容，綜合考慮股道屬性、固定進路、接觸網(wǎng)和施工區(qū)域等參數(shù)，實現(xiàn)行車作業(yè)的安全防護機制。研究車站和機車的無線通信聯(lián)控系統(tǒng)，自動將行車安全信息、確認行車要求等內(nèi)容傳送到機車上，無需人工聯(lián)絡呼叫。建立行車事故風險關聯(lián)信息庫，針對風險源進行統(tǒng)計分析，加強管理人員對高風險源的管控。

2.3 智能分析

智能分析是指大數(shù)據(jù)平臺基于列車到達、解體、編組和出發(fā)等全過程數(shù)據(jù)的自動采集、寫實、分類與計算，自動綜合計算編組站作業(yè)能力與量化評價各環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量，多角度聯(lián)動分析發(fā)現(xiàn)作業(yè)瓶頸，為調(diào)度指揮與作業(yè)執(zhí)行工作的調(diào)整優(yōu)化提供更加科學合理的指導方向。

（1）作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。按照《鐵路貨車統(tǒng)計規(guī)則》和《鐵路貨物運輸統(tǒng)計規(guī)則》中規(guī)定的統(tǒng)計要求和計算方法進行相關數(shù)據(jù)的寫實、篩選，集中整合“到、解、集、編、發(fā)”等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的計劃、執(zhí)行和控制信息，構建星型模式的數(shù)據(jù)倉庫、特定主題的數(shù)據(jù)集市，實現(xiàn)分析對象在時間、空間及屬性等不同維度的分析計算。以列車自動化率統(tǒng)計為例，以自動辦理的列車進路為中心，按照時間、班次和列車類型等維度構建數(shù)據(jù)倉庫，使用聯(lián)機分析處理 (OLAP)技術和商業(yè)智能(BI)技術讓管理者可以隨時獲取每班作業(yè)和不同類型列車的進路自動化使用情況及變化趨勢等。

（2）車站能力查定自動化。傳統(tǒng)人工能力查定的方式存在查定周期長、效率低、結果存在偏差等特點[9]。通過詳實、準確的作業(yè)過程數(shù)據(jù)寫實，大數(shù)據(jù)平臺可以自動、實時計算出車站各方向接發(fā)車列車數(shù)、解編輛數(shù)、技檢作業(yè)時間、道岔和股道等設備占用時間等，自動計算車站能力，并為探索更加精準合理的能力查定計算方式提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）作業(yè)智能評價。作業(yè)質(zhì)量評價結果的高低一定程度上可以反映作業(yè)人員的組織能力，也是作業(yè)決策支持的基礎支撐；大量周期性的作業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價結果曲線也反映作業(yè)人員能力的成長曲線。通過量化分析鉤計劃兌現(xiàn)率、調(diào)機與駝峰資源利用率和車輛停留時間等實現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量的有效評估，為進一步提高編組站作業(yè)效率提供可靠依據(jù)。

2.4 智能運維

智能運維是指大數(shù)據(jù)平臺通過建立健全設備運維管理模型，借助可視化、智能分析等技術滿足設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、故障診斷與預測等運維要求，為SAM系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供基礎保障。

（1）可視化運維平臺。通過安全、特定的數(shù)據(jù)采集技術實時采集、存儲和分析監(jiān)控設備的軟硬件運行狀態(tài)等信息，建立健全監(jiān)管設備的全壽命周期履歷表。為用戶提供不同維度的數(shù)據(jù)報表分析功能，輔助設備管理者宏觀掌握系統(tǒng)運行狀況。

（2）故障診斷與預測。建立設備可靠性和故障分析模型，根據(jù)歷史故障發(fā)生時間、原因、系統(tǒng)性能等因素進行關聯(lián)或聚類分析，利用機器學習算法擬合推算故障發(fā)生趨勢，提前預警、排查故障發(fā)生時間和問題，提前防范問題的發(fā)生。

（3）風險識別。健全網(wǎng)絡安全診斷機制，通過IP白名單機制防止?jié)撛陲L險的網(wǎng)絡攻擊；基于設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集與分析，當監(jiān)測到設備異常或運行數(shù)據(jù)偏離正常值的幅度超過允許范圍時進行實時報警提醒。全面監(jiān)控設備運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)、告警異常信息。

3 結束語

編組站是鐵路樞紐的核心，是車流集散和列車解編的基地。為保障編組站安全有序的運轉(zhuǎn)，調(diào)度人員需要綜合考量列車計劃、站場情況、調(diào)機作業(yè)進度、駝峰和股道等資源運力等多種因素。編組站綜合自動化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺的建設將統(tǒng)籌規(guī)劃各專業(yè)數(shù)據(jù)，為編組站資源共享、運輸組織及作業(yè)方式的智能化研究提供有力支撐。隨著鐵路信息化以及物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，編組站大數(shù)據(jù)平臺未來可以融合無線定位、語音識別、圖像和視頻識別及探測感知技術等，不斷探索新技術形態(tài)下的編組站智能化發(fā)展方向，如駝峰自動摘鉤、平面調(diào)車安全連掛控制等，充分實現(xiàn)調(diào)度指揮與作業(yè)控制的智能化協(xié)同作業(yè)的新局面。