楊華昌，王 鯤，欒德杰，李 燕

YANG Huachang1, WANG Kun1, LUAN Dejie1, LI Yan2

（1.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；2.中國鐵道科學研究院集團 有限公司 北京市華鐵信息技術開發(fā)總公司，北京 100081）

調(diào)車作業(yè)是鐵路運輸生產(chǎn)的重要組成部分，優(yōu)化調(diào)車作業(yè)有利于提高調(diào)車效率，加速鐵路車輛周轉(zhuǎn)，增加鐵路運輸能力，因而準確分析車站調(diào)車作業(yè)現(xiàn)狀是優(yōu)化調(diào)車作業(yè)的基礎，而車站調(diào)車作業(yè)流程復雜，作業(yè)地點分散，涉及部門、人員較多，運輸管理人員難以動態(tài)掌握鐵路局集團公司管內(nèi)所有車站的調(diào)車作業(yè)情況，需要進行大量的現(xiàn)場調(diào)研，造成人力和物力的大量消耗。隨著無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)(STP)在全路投入使用，調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)得以充分發(fā)掘，調(diào)車作業(yè)安全防護問題得以改善。在鐵路新裝備、新技術不斷發(fā)展的背景下，采用大數(shù)據(jù)技術融合STP 數(shù)據(jù)處理模塊構建車站調(diào)車分析系統(tǒng)，為優(yōu)化車站調(diào)車作業(yè)提供有力支撐。

1 車站調(diào)車分析系統(tǒng)架構

1.1 數(shù)據(jù)源分析

STP 包括地面設備和車載設備。地面設備包括地面主機、地面天線、應答定位器、電務維護終端、車務終端等，其中地面主機是地面設備中執(zhí)行對站內(nèi)調(diào)機實時位置追蹤、發(fā)送控制指令的核心設備；車載設備包括車載主機、車載天線等，其中車載主機與應答定位器接收模塊和列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)相連接，是進行調(diào)機初始位置定位、接收并執(zhí)行調(diào)車控制指令的主要設備。STP 通過其地面設備從車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取信號、道岔、軌道電路區(qū)段信息，LKJ 將處理后的信息采用無線方式與車載設備通信，實現(xiàn)對調(diào)車機車信號顯示和車列速度監(jiān)控[1]。STP 將地面信號復示到機車上，按照模式曲線對機車進行限速，避免機車司機或調(diào)車組因人為原因造成的闖藍燈、擠道岔、沖土擋、超速等事故的發(fā)生。同時，STP 對集中區(qū)調(diào)車作業(yè)中的站場聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)、機車運行條件數(shù)據(jù)、人機交互數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)進行采集和全程記錄。相較于傳統(tǒng)的調(diào)車管理方式，STP 的數(shù)據(jù)涵蓋了站場、機車、車輛、人員等綜合信息，是建立車站調(diào)車分析系統(tǒng)的基礎[2]。

1.2 框架設計

基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)由車站、車務段、鐵路局集團公司3 個層面的子系統(tǒng)構成。在各個車站，STP 車務終端作為數(shù)據(jù)采集的基礎，通過既有鐵路專用通信網(wǎng)絡連接，在車務段和鐵路局集團公司調(diào)度中心設置數(shù)據(jù)處理中心，組成基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)處理中心包括數(shù)據(jù)存儲服務器、中心服務器及用戶終端等設備。數(shù)據(jù)存儲服務器存儲從所有STP 車務終端接收的數(shù)據(jù)，中心服務器主要完成大數(shù)據(jù)處理功能，用戶終端提供人機交互界面、顯示大數(shù)據(jù)處理結果、數(shù)據(jù)回放等功能?；赟TP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)架構如圖1 所示。

圖1 基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)架構Fig.1 STP shunting analysis system architecture

中心服務器的大數(shù)據(jù)平臺包含數(shù)據(jù)整合層、數(shù)據(jù)處理層、應用展示層等層次，各車站的STP 車務終端提供數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)整合層采用Sqoop 對各車站STP 車務終端的MySQL 關系數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換、加載，并進行ETL 數(shù)據(jù)整合；數(shù)據(jù)處理層采用基于MapReduce 分布式計算框架的分布式數(shù)據(jù)庫技術存儲各車站數(shù)據(jù)，綜合運用專家系統(tǒng)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術，構建調(diào)車分析平臺數(shù)據(jù)挖掘算法庫，專家系統(tǒng)通過對站場、機車、車輛、人員等信息的規(guī)律性及關聯(lián)性分析，從STP 記錄的海量調(diào)車數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)可改進的作業(yè)管理流程，挖掘隱藏在數(shù)據(jù)中的調(diào)車作業(yè)變化趨勢；應用展示層通過數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)可視化等技術，將抽象的數(shù)據(jù)及其分析與統(tǒng)計結果進行圖形化展示，有助于管理人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律?；赟TP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺架構如圖2 所示。

圖2 基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺架構Fig.2 Big data platform architecture of STP shunting analysis system

2 車站調(diào)車分析系統(tǒng)功能分析

基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)由車站子系統(tǒng)、車務段子系統(tǒng)和鐵路局集團公司子系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)組成。其中：車站子系統(tǒng)主要進行車站調(diào)車作業(yè)實時監(jiān)控及調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)的采集與上傳；車務段子系統(tǒng)存有車務段管內(nèi)所有車站的數(shù)據(jù)，可進行車務段及車務段管內(nèi)各車站的車務運用分析；鐵路局集團公司子系統(tǒng)存儲鐵路局集團公司所有車站的數(shù)據(jù)，可在鐵路局集團公司運輸管理部門、機務部門、電務部門分別設立終端，進行車務運用分析、機務運用分析及電務維護分 析[3]。基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)通過挖掘調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)，對相關數(shù)據(jù)進行處理并進行圖形化展示，可以為調(diào)車作業(yè)管理人員提供集實時監(jiān)視、作業(yè)分析統(tǒng)計、設備維護的一體化平臺，輔助車站、車務段及鐵路局集團公司進行調(diào)車管理決策，達到提高車務段、機務段調(diào)車管理水平及提高電務STP 設備維護水平的效果?；赟TP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)功能架構如圖3所示。

2.1 車站子系統(tǒng)

車站子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集輸入模塊和作業(yè)監(jiān)控模塊組成，其中調(diào)機位置顯示子模塊和作業(yè)進程追蹤子模塊是作業(yè)監(jiān)控模塊的組成部分，STP 車務終端是車站子系統(tǒng)的主要設備，除對STP 數(shù)據(jù)及值班人員操作信息進行采集并上傳之外，STP 車務終端還顯示車站內(nèi)調(diào)機的實時位置和作業(yè)狀態(tài)，并依據(jù)調(diào)機作業(yè)的進路走行情況和司機操作信息實時追蹤調(diào)車作業(yè)進程[4]。車站調(diào)度員通過STP 車務終端可隨時掌握調(diào)機的作業(yè)狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)編制和調(diào)整作業(yè)計劃，徹底改變原有調(diào)度與作業(yè)現(xiàn)場信息不對稱的作業(yè)模式，提高作業(yè)效率。

圖3 基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)功能架構Fig.3 Functional architecture of STP shunting analysis system

（1）數(shù)據(jù)采集輸入模塊。STP 車務終端從STP系統(tǒng)采集包括站場聯(lián)鎖狀態(tài)、機車運行條件、機車工況、人機交互、調(diào)車作業(yè)通知單等各類車站調(diào)車作業(yè)信息，上述信息將由STP 車務終端實時顯示，同時也將數(shù)據(jù)上傳至車務段及鐵路局集團公司數(shù)據(jù)處理中心進行存儲處理。

（2）調(diào)機位置顯示子模塊。STP 車務終端在主界面上顯示站場平面圖，可實時監(jiān)視站場內(nèi)股道占用狀態(tài)、進路開放情況等站場信息，并在相應位置顯示站內(nèi)調(diào)機的動態(tài)圖標，調(diào)機動態(tài)圖標集調(diào)機的位置、運行方向、速度等信息于一身，可實現(xiàn)車站調(diào)度員對調(diào)機動態(tài)的實時追蹤，有利于提高調(diào)車作業(yè)計劃的管理效率。

（3）作業(yè)進程追蹤子模塊。STP 車務終端從車站信息系統(tǒng)接收調(diào)車作業(yè)計劃，根據(jù)調(diào)機編號將調(diào)車作業(yè)計劃發(fā)送到機車并將調(diào)車作業(yè)通知單打印出來，大大節(jié)約由于人工取送調(diào)車作業(yè)計劃通知單消耗的時間。STP 車務終端實時顯示每臺調(diào)機正在執(zhí)行的調(diào)車作業(yè)計劃的鉤序號，車站調(diào)度員可根據(jù)實際作業(yè)情況動態(tài)編制和調(diào)整調(diào)車作業(yè)計劃。

2.2 車務段子系統(tǒng)

車務段子系統(tǒng)接收并存儲車務段管內(nèi)各車站的STP 調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)，將相關數(shù)據(jù)通過車務運用分析模塊進行統(tǒng)計分析[5]。車務運用分析模塊由調(diào)車效率分析子模塊、作業(yè)量統(tǒng)計子模塊、調(diào)車員操作分析子模塊、運輸能力查定子模塊、過程優(yōu)化建議子模塊和事故分析子模塊組成，上述子模塊基于機車位置及狀態(tài)數(shù)據(jù)，對站內(nèi)機車單元作業(yè)情況進行實時掌控，并結合大數(shù)據(jù)分析的結果對相關信息流進行整理并編制成報告，根據(jù)報告選取最佳調(diào)車作業(yè)方案，縮短車輛在車站的滯留時間，提升車站各部門的決策效率和決策質(zhì)量，從而最大程度地減少整體運營成本。各子模塊具體功能如下。

（1）調(diào)車效率分析子模塊。調(diào)車效率分析子模塊主要統(tǒng)計調(diào)車作業(yè)中調(diào)車組執(zhí)行每個調(diào)車作業(yè)計劃的時間，即統(tǒng)計一定時間內(nèi)站內(nèi)調(diào)機的停車時間與運行時間的比值，該比值可用于判斷調(diào)車作業(yè)計劃的編制是否合理，也可作為調(diào)車作業(yè)是否需要調(diào)整作業(yè)環(huán)節(jié)的依據(jù)。

（2）作業(yè)量統(tǒng)計子模塊。作業(yè)量統(tǒng)計子模塊負責統(tǒng)計一定時間內(nèi)的調(diào)車作業(yè)總鉤數(shù)及作業(yè)車輛數(shù)，顯示不同調(diào)車組作業(yè)量并進行對比，作業(yè)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)可作為調(diào)車員績效考核的基礎數(shù)據(jù)，提升調(diào)車作業(yè)效率。

（3）調(diào)車員操作分析子模塊。調(diào)車員操作分析子模塊統(tǒng)計分析調(diào)車組人員在調(diào)車作業(yè)期間的無線調(diào)車燈顯指令操作，可檢查其在特定作業(yè)節(jié)點的操作是否符合規(guī)范。例如，統(tǒng)計調(diào)車組給出的無線調(diào)車燈顯系統(tǒng)十車、五車、三車的距離信號準確性，通過調(diào)車組給出信號的時機與機車運行位移進行計算，監(jiān)督調(diào)車組更規(guī)范的發(fā)出十車(約110 m)、五車(約55 m)、三車(約33 m)信號。

（4）運輸能力查定子模塊。運輸能力查定子模塊自動對車站調(diào)車能力進行查定，定時計算車站所能承擔的調(diào)車作業(yè)能力，根據(jù)能力計算結果可發(fā)現(xiàn)車站運輸組織中的薄弱環(huán)節(jié)，完善運輸組織方案，合理運用車站基礎設備，充分發(fā)揮車站運輸能力。與統(tǒng)計人員現(xiàn)場長時間寫實進行能力查定的方式相比，該子模塊可節(jié)省大量的人力物力，提高查定能力數(shù)據(jù)的準確性與及時性。

（5）過程優(yōu)化建議子模塊。過程優(yōu)化建議子模塊根據(jù)調(diào)機產(chǎn)生的動態(tài)信息，提供實時調(diào)車作業(yè)計劃執(zhí)行情況，針對鐵路局集團公司或鐵路網(wǎng)內(nèi)的車站調(diào)車作業(yè)歷史數(shù)據(jù)進行綜合計算，獲得調(diào)車作業(yè)計劃編制整體優(yōu)化建議，輔助調(diào)度員編制或動態(tài)調(diào)整作業(yè)計劃。該子模塊還可以統(tǒng)計專用線取送、裝卸等作業(yè)的用時，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結果給出標準作業(yè)時間，作為調(diào)度員推算計劃完成時間的依據(jù)。

（6）事故分析子模塊。事故分析子模塊提供事故發(fā)生時段地面信號設備、機車工況、司機及調(diào)車員操作等整體回放功能，具有事故多發(fā)地段統(tǒng)計、車站/班組事故發(fā)生率對比、事故原因統(tǒng)計等統(tǒng)計分析功能，為事故原因分析及責任劃定提供依據(jù)。

2.3 鐵路局集團公司子系統(tǒng)

鐵路局集團公司子系統(tǒng)接收并存儲鐵路局集團公司管內(nèi)各車站的STP 調(diào)車作業(yè)數(shù)據(jù)，將相關數(shù)據(jù)進行處理統(tǒng)計，向鐵路局集團公司運輸管理部門提供全局車務調(diào)車分析功能，便于其掌握全局調(diào)車作業(yè)局部及整體情況[6]。此外，考慮到機務部門的調(diào)車機車管理需求、電務部門的STP 設備維護需求，鐵路局集團公司子系統(tǒng)共分為3 個業(yè)務模塊：車務運用分析模塊、機務運用分析模塊、電務維護分析模塊。鐵路局集團公司各業(yè)務部門利用鐵路局集團公司子系統(tǒng)可以實現(xiàn)專業(yè)分析及信息共享，提高部門間溝通及協(xié)調(diào)合作效率。

（1）車務運用分析模塊。車務運用分析模塊主要服務于運輸管理部門，能夠?qū)﹁F路局集團公司、車務段和車站的調(diào)車作業(yè)情況進行統(tǒng)計分析，列出各單位調(diào)車作業(yè)指標的多維對比分析表，實現(xiàn)點、線、面全覆蓋的調(diào)車作業(yè)情況監(jiān)測，從而監(jiān)測鐵路局集團公司的調(diào)車運行情況及平均指標，及時發(fā)現(xiàn)問題并提出對策。例如，運輸管理部門應根據(jù)車站的作業(yè)量情況來調(diào)度配置調(diào)機及調(diào)車員，通常車站的作業(yè)量情況需要根據(jù)車站報表或?qū)嵉卣{(diào)研來獲取，而管理人員無法對管內(nèi)大量車站都進行實地調(diào)研，因而會出現(xiàn)部分車站調(diào)車資源閑置而部分車站調(diào)車資源緊張的情況。通過基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)，管理人員可掌握動態(tài)的車站調(diào)車工作量統(tǒng)計信息、調(diào)車效率分析信息，從而進行適時的調(diào)車資源重新分配，避免調(diào)車資源閑置，節(jié)約調(diào)車作業(yè)成本，提高調(diào)車作業(yè)效率。

（2）機務運用分析模塊。機務運用分析模塊服務于鐵路局集團公司機務部門，機務段調(diào)機管理人員可以通過機務運用分析模塊實時監(jiān)測機車的位置、運行方向、運行速度、限速、作業(yè)計劃、人員操作情況等詳細信息，并根據(jù)相關信息進行司機操作分析、提出司機操作優(yōu)化建議等，具體如下[7-8]。

①司機操作分析子模塊。STP 在站內(nèi)對機車進行全程追蹤，可將機車位置與司機操作進行關聯(lián)分析。例如，機務段規(guī)定機車在某些特定地點要執(zhí)行一度停車操作，基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)可將此規(guī)定的執(zhí)行情況按機車或按地點進行統(tǒng)計，并統(tǒng)計調(diào)車機車在站內(nèi)超過道岔限速、區(qū)段限速的情況，分析司機對于連掛作業(yè)速度控制情況?；赟TP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)對連掛完成時的機車速度進行統(tǒng)計，可標記出連掛作業(yè)速度較高的司機及作業(yè)鉤序，督促司機改善連掛作業(yè)的相關操作。

②司機操作優(yōu)化建議子模塊。調(diào)車分析系統(tǒng)根據(jù)進路開放情況和牽引車輛數(shù)情況，提出司機的操作優(yōu)化建議，可提升司機操作水平，提高作業(yè)效率。例如，司機操作優(yōu)化建議子模塊利用大數(shù)據(jù)技術可統(tǒng)計出在相同進路的情況下調(diào)機作業(yè)走行的平均速度及其與牽引輛數(shù)的對應階梯分布圖，對于作業(yè)速度低于平均值的司機，通過學習分布圖可相應提高作業(yè)速度。

（3）電務維護分析模塊。電務維護分析模塊服務于鐵路局集團公司電務部門，可實現(xiàn)鐵路局集團公司內(nèi)STP 設備維護信息的統(tǒng)計分析，提高STP設備維護水平，減少STP 設備故障維護時間，并有效降低電務維護人員勞動強度。電務維護分析模塊可分為故障分析和故障預警2 個子模塊，故障分析子模塊在現(xiàn)場設備報告故障后，根據(jù)故障類別及現(xiàn)場設備的前期工作狀態(tài)，給出故障處理方法建議，并統(tǒng)計每個車站或每臺機車的故障發(fā)生率、設備模塊故障發(fā)生率等數(shù)據(jù)；故障預警子模塊采用分級及趨勢分析法，對系統(tǒng)中的每一個通信端口進行分析，評估現(xiàn)場設備運行狀況，實現(xiàn)故障提前預警，從而減少設備故障對現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)的消極影響。

3 結束語

調(diào)車作業(yè)信息化是鐵路調(diào)車作業(yè)的發(fā)展方向，構建基于STP 的車站調(diào)車分析系統(tǒng)可以減少調(diào)車管理人員的工作量，提高調(diào)車作業(yè)效率。基于STP的車站調(diào)車分析系統(tǒng)能夠追蹤調(diào)車作業(yè)進程并統(tǒng)計分析各類調(diào)車數(shù)據(jù)，有效解決調(diào)車管理工作缺乏數(shù)據(jù)支撐、需要進行大量人工調(diào)研的問題。通過對車站、車務段、鐵路局集團公司等層面的調(diào)車動態(tài)統(tǒng)計分析，現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)情況得以透明化，車站工作人員可以根據(jù)現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)情況制訂更具針對性的措施，優(yōu)化調(diào)車工作組織，提高調(diào)車作業(yè)管理的信息化水平，為保證我國鐵路調(diào)車作業(yè)的安全、高效提供有力支撐。