蔣剛亮，鄭軍平，鄭旭軍，李佳狀，張 楠

(1.武漢鋼鐵有限公司 運輸部，湖北 武漢 430080；2.上海寶信軟件股份有限公司 自動化事業(yè)本部，上海 200120)

武東作業(yè)區(qū)是武漢鋼鐵有限公司(以下簡稱“武鋼”)自備鐵路編組站，承擔(dān)著武鋼80%左右車流的中轉(zhuǎn)作業(yè)，其設(shè)有自動化駝峰，主要負責(zé)原燃料、材料的輸入，以及國家鐵路到達車列的解體編組任務(wù)，是武鋼生產(chǎn)組織的重要銜接環(huán)節(jié)。廠內(nèi)原燃料的需求因生產(chǎn)組織等因素波動較大且時效性要求高，解體作業(yè)計劃的編制直接影響著原燃料供應(yīng)及各工序生產(chǎn)節(jié)奏，其關(guān)鍵性顯而易見。

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

1.1 人工編制駝峰解體計劃的局限性

編組站的主要任務(wù)是根據(jù)列車編組的需求辦理貨物列車的解體和編組作業(yè)，在保證行車安全的情況下，如何縮短貨車的停留時間、加快貨物的周轉(zhuǎn)是衡量編組站作業(yè)效率的重要指標[1]。人工編制解體計劃需要調(diào)度員綜合考慮列車到達時間、廠內(nèi)貨物需求、車列集結(jié)情況、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境等諸多因素，解體計劃的優(yōu)劣性無從考證，且易受主觀因素的影響，主要存在以下問題。

（1）車輛集結(jié)方案非最優(yōu)，缺乏前瞻性，導(dǎo)致廠內(nèi)急需的貨物因未完成編組，小運轉(zhuǎn)機車被迫開行其他車列或停機等待，延長了急需貨物的運輸時間，降低了小運轉(zhuǎn)機車運用率。

（2）存在因解體計劃錯誤，導(dǎo)致車輛編入其他車列而發(fā)往錯誤的到站，甚至混料的情況。

（3）易發(fā)生駝峰解體計劃有誤或解體、集結(jié)計劃不符合廠內(nèi)實際需要的情況，導(dǎo)致編發(fā)場集結(jié)車輛重新上峰二次解體，存在一定的安全風(fēng)險。

（4）列車編組方案非最優(yōu)，增大廠內(nèi)平面調(diào)車作業(yè)量。

上述問題在增大作業(yè)量、勞動強度、安全風(fēng)險的同時，降低作業(yè)效率及機車運用率，制約了編組站作業(yè)效率，也延長了貨物車輛的停時，增加了延時使用費。

1.2 國內(nèi)駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

武漢北站在編組站綜合集成自動化系統(tǒng)(CⅠPS)中構(gòu)建了解體計劃知識庫，通過知識推理尋找出最優(yōu)的解體方案，從而自動編制解體計劃。該系統(tǒng)能夠充分運用優(yōu)秀調(diào)度員的經(jīng)驗和技能，并具備不斷完善知識庫的能力，以提高車站解體系統(tǒng)的效率[2]。

株洲北、新豐鎮(zhèn)、衡陽北等編組站利用鐵路運輸管理信息系統(tǒng)(TMⅠS)的資源，將所需的車組描述性信息參數(shù)化，并運用既定的規(guī)則進行邏輯判定確定溜放股道，實現(xiàn)了解體計劃的自動編制[3]。該系統(tǒng)投入使用后，計劃單的平均編制時間大幅下降。

國內(nèi)其他學(xué)者分別運用博弈思想、模糊綜合評判原理、廣義動態(tài)配流模型等方法對國家鐵路編組站解體計劃編制的計算機實現(xiàn)進行了深入研究，為該系統(tǒng)的構(gòu)建提供了重要的參考。

2 駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的設(shè)計

武鋼駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)在運輸管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建，主要包括車列解體順序選擇模塊、車列解體方案確認模塊、車輛集結(jié)模塊3 部分，實現(xiàn)自動準確生成駝峰解體計劃。

2.1 信息化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

為準確高效生成駝峰解體計劃，通過優(yōu)化改造運輸管理信息系統(tǒng)，以獲取計劃編制所需的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息如表1所示。

2.2 系統(tǒng)總體邏輯

廠內(nèi)貨物需求的及時性要求較高，編發(fā)場車輛集結(jié)方案需有一定的前瞻性，并盡量減少廠內(nèi)平面調(diào)車作業(yè)量[4-5]，因而需要建立進廠車輛需求動態(tài)平衡功能。將編發(fā)場、廠內(nèi)卸車站場的車輛貨物信息與調(diào)度中心貨物進廠需求進行平衡，動態(tài)變更股道存車等級及車輛貨物等級。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

為確保系統(tǒng)的可靠性、獨立性及高效性，在運輸管理信息系統(tǒng)中獨立設(shè)置核心數(shù)據(jù)層，主要包括以下數(shù)據(jù)信息。

（1）貨物需求等級。調(diào)度中心根據(jù)廠內(nèi)貨物需求編制進廠計劃，同時對急需的貨物進行標注，且該標注可以動態(tài)修改，貨物的需求等級也會相應(yīng)做出調(diào)整。緊急進廠計劃的貨物等級最高；一般進廠計劃的貨物等級次之；無進廠計劃或料場儲量充沛的貨物等級最低。

（2）編發(fā)場編組方案。編發(fā)場車輛集結(jié)方案優(yōu)先滿足同一去向、同一品名貨物集結(jié)為一列，同一去向根據(jù)廠內(nèi)線路、貨場布局確定編組順序，確保廠內(nèi)平面調(diào)車作業(yè)量最少。

表1 系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息Tab.1 System basic data information

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

（3）編發(fā)場股道序列。為確保列車編組方案的最優(yōu)化，根據(jù)編發(fā)場已集結(jié)車輛情況動態(tài)變更股道序列，確保編組方案不出現(xiàn)亂序。根據(jù)編組方案順序，當(dāng)該股道已經(jīng)集結(jié)某一順位車輛，則只允許溜放順位更大的車輛。

（4）編發(fā)場車輛集結(jié)程度。編發(fā)場車輛集結(jié)程度即股道集結(jié)車輛距達到發(fā)車編組要求的程度，距編發(fā)開行列車的要求所需車輛越少，則集結(jié)程度越高。

（5）模型參數(shù)因子。為確保各算法模型的最優(yōu)化，為編發(fā)場股道序列、集結(jié)程度、車組大小、停時、貨物需求等級5 個輸入?yún)?shù)維護相應(yīng)的因子，該因子為經(jīng)驗積累值，后續(xù)根據(jù)模型運行情況，對相應(yīng)因子進行調(diào)整。

（6）車組大小。到達場待解車列包含的大車組(相鄰的同去向、同品名的車組)越多，則對到發(fā)線和調(diào)車設(shè)備的占用時間越小，可優(yōu)先考慮進行解體作業(yè)。

2.3 車列解體順序選擇模塊

該模塊用于決策到達場的車列解體順序，主要運用編發(fā)場股道序列、集結(jié)程度、車組大小、停時、貨物需求等級5 個參數(shù)因子，搭建解體順序選擇模型。通過模糊綜合評判法進行決策計算，選擇到達場待解車列中決策計算數(shù)值最小車列作為最優(yōu)的待解車列[6-7]。

到達場待解車列計算公式為

式中：T 為待解車列構(gòu)成的集合；tj為車列j，j=1，2，…，n。

因素指標計算公式為

式中：U 為因素指標的集合；u1為股道序列；u2為集結(jié)程度；u3為車組大??；u4為停時，h；u5為貨物需求等級。

各因素指標系數(shù)的計算公式為

式中：A 為因素指標系數(shù)的集合；α1，α2，α3，α4，α5分別為u1，u2，u3，u4，u5的系數(shù)。

到達場待解車列5個因素指標計算公式為

式中：tij為車列j 的第i 個因素指標ui對應(yīng)的值，i=1，2，3，4，5。

也可以用因素指標矩陣T表示，計算公式為

則相對偏差值δij的計算公式為

式中：δij為車列j 的第i 個因素指標的相對偏差值；timax=max{ti1，ti2，…，tij}；timin= min{ti1，ti2，…，tij} 。

則相對偏差值δij作為元素可構(gòu)成相對偏差矩陣Δ，計算公式為

對到達場待解車列最優(yōu)列的選擇，則轉(zhuǎn)換為計算相對偏差值，計算公式為

式中：βj為車列j的綜合相對偏差值。

則綜合相對偏差值最小的待解車列為最優(yōu)待解車列β最優(yōu)車列，計算公式為

2.4 車列解體方案確認模塊

因廠內(nèi)站場以及貨場布局影響，要求到達廠內(nèi)站場的車列編組方案滿足一定的順序要求。例如，南端盡頭式貨位線，其貨物車輛應(yīng)當(dāng)編組于車列的“北頭”，以便于調(diào)車機車掛車后可直接轉(zhuǎn)線頂送至貨位；南進北出式翻車機，其貨物車輛應(yīng)當(dāng)編組于車列的“南頭”，減少不必要的平面調(diào)車作業(yè)。其編組順序要求與沿零摘掛列車的編組要求一致，可引入表格下落調(diào)車法[8](調(diào)車表法)，用于車列解體方案確認。

需要注意的是，結(jié)合現(xiàn)場車流情況及編發(fā)場股道占用情況，在運用調(diào)車表法時，僅需要進行“調(diào)整”以減少摘車鉤，無需進行“合并”(可能導(dǎo)致二次上峰)。

2.5 車輛集結(jié)模塊

車組溜入股道的選擇可以認為是股道分配方案的篩選優(yōu)化問題[5]，即從方案集中選出最利于編發(fā)場車輛集結(jié)的方案，稱之為股道分配模型。根據(jù)到達場各車組的實際排列情況和編發(fā)場車輛集結(jié)情況進行模擬計算，選擇出最優(yōu)的股道分配方案。在篩選方案集中的每個股道分配方案均達到最優(yōu)狀態(tài)(每個車組均下落到有利位置)的前提下，以溜放鉤數(shù)最小化為準則，對篩選方案集進行第一輪選優(yōu)，如果得到唯一調(diào)車方案，則將其確定為最優(yōu)調(diào)車方案；否則繼續(xù)以緊急貨物集結(jié)程度進行新一輪優(yōu)選，直至獲得唯一的最優(yōu)股道分配方案。

同時為確保自動化駝峰溜放作業(yè)的安全冗余[9]，制定具有優(yōu)先級的股道分配規(guī)則如下。①連續(xù)兩鉤解體計劃不能溜放至同一線束。②空重兩個連續(xù)車組盡量分東西半場。③根據(jù)車輛的總質(zhì)量以及線路的總阻力確定溜放股道，規(guī)避難行車走難行線的安全風(fēng)險。

2.6 模塊算法

為實現(xiàn)解體計劃的自動編制，該系統(tǒng)將人工編制計劃的“確定車列解體順序”“劃分車組”“選擇溜放股道”3個步驟對應(yīng)建立了算法模塊。

車列解體順序選擇模塊，其作用為綜合分析貨物需求等級、停時等因素從而決策出車列解體的先后順序，因素之間沒有明確的優(yōu)先級之分，故選用了模糊綜合評判法進行決策計算；車列解體方案確認模塊，運用了成熟的表格下落調(diào)車法；車輛集結(jié)模塊，為車組選擇最優(yōu)的溜放股道，同時需確保自動化駝峰進行解體作業(yè)的安全，其決策依據(jù)具有明確的優(yōu)先級，故選用了優(yōu)選法。

3 駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)的實現(xiàn)

駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)在運輸管理信息系統(tǒng)中新建了相應(yīng)的人機交互界面，調(diào)度員僅需選擇到達場需要解體的車列，即可快速生成解體計劃。

3.1 人機交互界面

人機交互界面由到達場現(xiàn)車信息表、下拉式錄入窗口、解體計劃詳細信息欄、編發(fā)場現(xiàn)車信息表及各功能按鍵組成。

到達場現(xiàn)車信息表展示出待解車列的車次號、車數(shù)、股道、進廠時間等信息；編發(fā)場現(xiàn)車信息表包含當(dāng)前各股道的現(xiàn)車數(shù)、車號及貨物品名等信息；解體計劃詳細信息欄對自動編制的計劃進行展示，并對特殊車組(如空車、禁溜車)等進行備注。

調(diào)度員可根據(jù)需要在到達場現(xiàn)車信息表中單選或多選待解車列，在錄入窗口選擇推峰機車，點擊“生成解體計劃”按鍵即可自動生成駝峰解體計劃，并在解體計劃詳細信息欄展現(xiàn)出來。必要時調(diào)度員可以查看編發(fā)場現(xiàn)車信息以對解體計劃進行核對和人工調(diào)整。確認無誤后點擊“確認下發(fā)”按鍵，駝峰自動化系統(tǒng)和車載調(diào)車終端即可接收到上述計劃。系統(tǒng)人機交互界面如圖2所示。

3.2 應(yīng)用實例

3.2.1 接收數(shù)據(jù)

隨機選取45975，45977，45981 車次進行多列車解體計劃自動編制的舉例，到達場車次信息如圖3 所示。當(dāng)調(diào)度員勾選上述車列點擊“生成解體計劃”后，系統(tǒng)自運輸管理信息系統(tǒng)獲取編發(fā)場股道信息及編組方案靜態(tài)表、集結(jié)程度、車組大小、停時、貨物需求等級實時信息，同時調(diào)取本系統(tǒng)模型參數(shù)因子數(shù)據(jù)，即取得模型計算的全部數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)人機交互界面Fig.2 System human-computer interaction interface

圖3 到達場車次信息Fig.3 Arriving yard train information

3.2.2 解體順序選擇

通過調(diào)取的數(shù)據(jù)得出車列因素指標U45975={4，0.5，2，1.5，5}，U45977={2，0.7，5，4，4}，U45981={1，0.6，10，1，1}，各因素指標系數(shù)A=(0.1，0.15，0.3，0.15，0.3)。

相對偏差值β45975=2.88，β45977=1.65，β45981=3.13，從而得出車列解體順序依次為45977，45975，45981。

3.2.3 解體方案和集結(jié)方案

該駝峰采用的是單推單溜的作業(yè)模式，系統(tǒng)一次下達3 組車列的解體計劃，機車每次推1 組，依先后順序完成推峰。車列解體方案確認模型運用調(diào)車表法確定車組大小及摘鉤位置，股道分配模型運用優(yōu)選法確定溜放股道，同時進行信息交互反饋協(xié)同完成車列解體計劃的編制。例如，本例中45977 次車列在進行車組劃分時，第3組為17節(jié)煉鐵無煙煤，此時股道分配模型進行優(yōu)選時對應(yīng)到編發(fā)場3道需10節(jié)該品名車輛即可實現(xiàn)48 節(jié)的廠內(nèi)小運轉(zhuǎn)列車最大編組車數(shù)集結(jié)完畢，則系統(tǒng)將該車組細分為10 節(jié)、7 節(jié)的小車組。最終形成駝峰解體作業(yè)計劃單如圖4 所示，下發(fā)至車載調(diào)車終端及駝峰自動化系統(tǒng)。

圖4 駝峰解體作業(yè)計劃單Fig.4 Hump break-up operation plan

4 結(jié)束語

武鋼駝峰解體計劃自動編制系統(tǒng)于2019 年3 月啟動開發(fā)，歷經(jīng)需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)測試等各個階段，于2020 年9 月投入使用。該系統(tǒng)通過模糊綜合評判法對到達場優(yōu)先解體車列進行選擇，運用表格下落調(diào)車法確定車列解體方案，最后運用計算機強大的模擬能力優(yōu)選出最優(yōu)的車輛集結(jié)方案，從而實現(xiàn)了駝峰解體計劃的自動高效編制。該系統(tǒng)在解決人工編制解體計劃諸多弊端的同時，能夠有效提升解體作業(yè)效率、優(yōu)化進廠列車編組質(zhì)量、壓減崗位人員，更提升了企業(yè)智慧制造水平，為后續(xù)平面調(diào)車計劃的自動編制打下良好的基礎(chǔ)。