貴冶鐵路運輸智能化系統的設計與實現

李化林，楊 偉，茆忠華

（1.江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424；2.合肥工大高科信息科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

隨著我國經濟的持續、快速發展，汽車工業、公路運輸、民航運輸的發展也非常迅猛，鐵路作為污染小、運量大的陸上交通工具而日益得到社會的認可［1］。對于貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）這樣的大型廠礦企業來說，因鐵路運輸方式具有運輸能力大、效率高、成本低、受自然環境影響小且連續性好的特點而倍受青睞。

2015-2017年，工信部連續三年印發《關于開展2015年智能制造試點示范專項行動的通知》，共有198個智能制造試點示范項目，涉及流程型智能制造、網絡協同制造、大規模個性化定制等智能制造新模式［2］，江西銅業股份有限公司申報的“銅冶煉智能工廠試點示范”項目被工信部確定為2016年度銅冶煉智能工廠試點示范建設項目，貴溪冶煉廠也因此成為銅冶煉行業唯一家智能工廠試點示范工廠，按照智能工廠建設的相關要求和規范，貴冶開展了智能工廠建設。

貴冶地處江西東北部地區德興銅礦、永平銅礦、東鄉銅礦等幾大銅礦之間且貴溪地區并沒有大型礦山，生產原材料和產成品都不得不依靠其配套的供應鏈物流體系來實現流轉，85%以上都是通過鐵路運輸實現，對鐵路運輸依存度非常高。受多方面因素影響，貴冶現有鐵路運輸裝備的信息化、自動化和智能化水平都很落后，在用的鐵運物流系統還是由貴冶2002年自行開發的物料管理系統，僅實現了部分作業信息化，自動化和智能化較低。鐵路運輸環節作為供應鏈上一個最重要的流程結點，基礎數據信息化、運輸生產過程自動化、運輸生產指揮智能化是實現高效供應鏈管理的重要保障。要建設好貴冶智能工廠，首先要做好鐵運智能化系統建設。

2 貴冶鐵路運輸智能化系統的需求分析

2.1 貴冶鐵路運輸現狀

（1） 鐵路信號設備技術落后、功能薄弱、維護困難、兼容性差。

（2） 鐵路行車作業異地調度仍主要靠人工協作，信息不共享，溝通方式原始，工作強度大，安全可靠性難以持續保證。

（3）鐵運作業計劃全部依靠人工編排，工作量大，計劃合理性不夠、變更不靈活，易引發貨車延時，受人為干擾因素大。

（4）作業執行依靠人工記錄信息，數據滯后，錯誤率高，存在安全隱患。

（5）鐵路車號全部采用人工識別和校對，工作量大，錯誤率高。

（6）機車無線作業系統技術落后，穩定可靠性差。貴冶現有5臺GKD2內燃機車和2臺軌道車，分別安裝了模擬平面調車指揮系統，5臺機車還分別安裝了LKJ-2000列車監控裝置，規范了機車乘務員操作行為，對機車安全運行起到很好的作用。但由于平面調車指揮系統是模擬機，易混頻，受干擾，有時會發生錯誤指令。而乘務員接受的仍然是紙質作業計劃單，遇現場變更計劃，則由值班員口頭傳達，易發生聽覺錯誤，計劃不清。

（7）道口控制依靠人工現場控制，效率低。

（8）視頻與信息監控分散，影響集中調度效率。

2.2 貴冶鐵路智能化系統的建設需求分析

智能工廠離不開基礎設施信息化、信息網絡互聯化、設備運轉自動化和決策智能化等技術。智能工廠的建設需要實現IT系統與自動化系統的信息集成；處理來源多樣的異構數據，包括各種來自設備、產品、社交網絡和信息系統的海量數據，確保基礎數據的準確性；應當進行科學的廠房布局規劃，在滿足生產要求，流程合理的同時，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度［3］。

就現階段而言，鐵路智能運輸調度系統的需求主要包括信息預報、車輛追蹤、物流追蹤、物流信息設備管理、物流計劃傳輸以及物流信息的統計、查詢等［4］。鑒于貴冶鐵路的現有運輸生產現狀，要建立適應貴冶智能工廠建設的配套鐵路運輸智能化系統，只有對現有運輸基礎設施進行全面升級，運用先進的IT技術，建立以物流信息管理和運輸生產過程管控為核心的鐵路運輸智能調度綜合管理信息平臺。將具備互聯互通的鐵運智能化及自動化設施與貴冶智能工廠應用系統建設項目中供應鏈部分的新建鐵運物流管理系統進行無縫對接，并使其在一個統一的平臺下協調工作，實現對鐵路運輸業務全過程監控，滿足貴冶鐵路運輸生產作業過程的鐵路運輸調度信息化、運輸基礎數據匹配自動化、作業計劃編排智能化和鐵路信號開放自動化，為各級管理人員決策和運輸調度指揮提供準確、及時的數據信息，提升鐵路運輸管理水平、提高鐵路運輸生產作業效率。

基于上述目的，鐵路運輸智能化系統的主要需求包括：全電子計算機聯鎖、現車跟蹤與物流管理、數字化平面調車、計劃智能編排、信號集中控制、道口智能集控。

首先，將站區原6502電氣集中聯鎖系統進行全面升級，采用系統高度集成化、互聯化和信息化的全電子計算機聯鎖系統，提高設備安全等級，減輕維護人員工作量。

其次，要全面實現作業指令流轉信息化和電子化，通過引進數字化平面調車系統，通過無線傳輸實現電子計劃傳送，系統還需要提供信號上車功能并對機車位置進行精準定位，在自然環境條件惡劣的情況下，司機可根據機車上顯示的信號輔助行車，提高作業安全性。

再次，計劃智能編排要實現調車計劃的輔助編排、自動編排，減輕計劃值班員的勞動強度，實現作業標準化；現車跟蹤與物流管理要通過車號識別與公司ERP接口自動完成車輛、貨票匹配后進出廠管理、裝卸車管理、設備管理等功能。

最后，信號集中控制、道口智能控制要實現信號的集中管控，將現有多個聯鎖站場集中控制，同時通過與物流、計算機聯鎖接口實現進路自動預排，減輕信號開放工作人員的工作強度，通過道口遠程智能控制逐步實現過車自動報警、道口欄桿自動起落，實現道口遠程集控，撤銷道口現場看守人員。

3 貴冶鐵路運輸智能化系統的架構設計

基于上述需求分析，鐵路運輸智能化系統設計以調度智能化為核心，通過與公司ERP系統接口，獲取現車、裝卸、生產計劃等各種作業實績數據，為調車計劃智能編排提供依據，通過有線、無線網絡實時獲取站場設備狀態、機車位置信息，為最優化計劃生成提供數據基礎；通過信號集中控制、道口遠程控制、機車自動跟蹤實現現場設備的自動化、無人化控制；通過有線基礎網絡和無線網絡構建安全、可靠的信息傳輸通道。系統整體架構設計包括兩個層次、8個子系統，分別為：智能管理層的計劃智能編排子系統、鐵運物流子系統，自動控制層的調度集中控制子系統、全電子計算機聯鎖子系統、調度監督子系統、道口集中控制子系統、車號識別子系統、機車無線作業子系統。整體架構圖如圖1。

圖1 系統架構圖

4 貴冶鐵路運輸智能化系統的數據流分析

鐵路運輸智能化系統的數據流以計劃智能編排子系統、調度集中控制子系統為核心實現了智能調度和自動控制，下面對智能化系統數據流做進一步分析：

（1）系統整體數據流為：生產計劃、階段計劃→調車作業計劃→進路信息→信號設備控制命令→設備實時狀態→清鉤執行信息→現場跟蹤變化信息；

（2）計劃智能編排系統數據流包括：從外部系統公司ERP獲取生產計劃、階段系統信息，通過智能編排算法生成調車計劃并傳輸給調度集中控制子系統、機車無線作業子系統、鐵路物流子系統，從機車無線作業子系統獲取機車實時位置數據、從調度集中控制子系統獲取清鉤時間和清鉤命令，從鐵路物流子系統獲取現車、裝卸數據，為計劃智能編排提供依據和觸發時機；

（3）調度集中子系統數據流包括：從計劃智能編排子系統獲取調車計劃，從全電子計算機聯鎖子系統獲取設備狀態信息，根據鉤計劃信息和聯鎖區段占用、空閑順序完成機車位置跟蹤、進路自動預排和自動清鉤，將清鉤命令和清鉤時間發送給計劃智能編排子系統，將自動開放的進路信息發送給全電子計算機聯鎖子系統，將全廠設備狀態信息整體發送給調度監督子系統；

（4）鐵路物流子系統數據流包括：從車號識別子系統讀取進出廠的車號、車型與換長信息，從公司ERP讀取對應車號的貨物品名、重量信息，完成路局車輛進廠匹配與出廠銷車，從計劃智能編排子系統獲取調車計劃和清鉤命令，根據現車跟蹤算法自動更新車輛位置和狀態信息，并將結果反饋給計劃智能編排子系統，同時所有信息存入系統數據庫；

（5）機車無線作業子系統數據流包括：從計劃智能編排子系統獲取調車計劃，從調度集中控制子系統獲取信號、道岔和軌道狀態，結合自身GPS跟蹤定位信息與軌道狀態變化信息，通過跟蹤定位復核算法計算出機車的實時、準確位置信息，并將此信息提供給調度監督子系統、計劃智能編排子系統；

（6）其它相關子系統數據流包括：全電子計算機聯鎖系統從調度集中系統獲取進路控制命令，驅動信號開放、道岔轉換和道口開放，并采集它們的狀態信息上報給調度集中控制子系統，道口智能控制子系統負責根據全電子計算機聯鎖命令，智能化、無人化的自動開關道口，調度監督子系統將從其它子系統獲取的數據信息在人機界面上以鐵路信號平面圖形式綜合展示，包括機車和車輛位置、貨物及狀態、各種設備實時狀態信息、各種報警信息等。

系統整體數據流如圖2所示。

圖2 系統數據流圖

5 貴冶鐵路運輸智能化系統的核心技術處理及功能實現

（1）貴冶鐵路運輸智能化系統以Java和.NET技術為基礎，采用B/S和C/S混合模式為總體設計，并通過Socket通信實現內部子系統之間的數據交互，通過Web Service實現與公司ERP系統間的消息傳遞；

（2）系統設計采用統一的通信服務器來完成有線與無線的多客戶端數據互傳，設計統一的鏈路層通信協議，在此基礎上設計不同的應用層通信協議，鏈路層協議完成了數據尋址、數據轉發、數據校驗、數據分包、數據重發等功能，應用子系統根據應用協議與統一的通信服務器交互數據即可。

（3）系統各子系統均采用程序、數據分離的設計思想，系統通過圖形化的工具軟件生成站場組態通用靜態數據，該數據可供各子系統使用，站場設備增減變化時，只需要通過工具軟件修改并更新靜態數據即可，各客戶端程序、配置信息均無需更新。

（4）采用人工智能技術完成計劃智能編排，包括：

①采用結構化描述語言，將生產計劃信息描述為系統理解和識別的規則語言、表達式；

②針對貴冶鐵路編組站的鐵路運輸特點，建立計劃運行規則、調車時間模型，比如：以尾礦庫作業建立基準的股道、車輛與時間模型；

③建立數據倉庫，收集存儲接口數據、站場狀態數據、現車數據、機車位置數據等；

④智能推理模塊采用蟻群算法、最短路徑算法等逐條分析計劃任務表達式，求解出最優的調度方案；

⑤計劃解析器將調度方案解析為符合貴冶標準作業格式的行車調車作業計劃；

⑥仿真執行模塊對編制后的計劃進行仿真執行，驗證計劃的合理性和執行效率；

⑦專家系統模塊收集用戶對自動編制計劃的手工調整數據，自動補充、完善調度規則，并應用于新計劃的編制。

⑧涉及安全的關鍵設備和軟件均采用雙機熱備方式，包括：全電子計算機聯鎖系統的聯鎖機、通信機、控顯機，調度集中控制子系統的主控機，鐵路物流子系統的數據庫服務器、應用服務器，道口智能控制子系統的主控PLC，機車無線作業子系統的通信服務器軟件。

6 貴冶鐵路運輸智能化系統應用效果

通過全電子計算機聯鎖系統和調度監督系統能夠自動記錄各種站場數據、電務機軌道電路自動采集、系統設置遠程診斷功能，并提供完善的故障定位與故障診斷，為行車管理人員提供便利的可視化監控條件。將其與鐵運物流應用系統及ERP進行集成和無縫對接，將物流系統中的物流信息（車輛、貨物、機車等信息）進行動態整合后形成系統全景圖在在調度監督系統大屏上進行展示，可實現“信息流”、“物資流”和“資金流”的三流合一。利用聯鎖系統提供的標準網絡傳輸接口，將運輸過程中所采集到各作業環節的實際作業節點時間、傳遞到物流應用系統可形成電子作業大表；將聯鎖數據單向傳輸至設備管理系統可供設備管理人員查看，同時維修人員和設計人員可遠程或異地對系統進行故障診斷維護和室內外設備的故障排除。計算機聯鎖系統作為鐵路信息化和自動化改造建設項目的最基礎設施，其互聯互通和可擴展性也非常優秀，該系統能夠與機車安控系統、鐵路運輸信息管理系統實現緊密融合［5］，在機車上安裝車載RTK和北斗差分設備可實現對機車進行股道精準定位和作業狀態實時監督。

通過調度集中系統、車號識別系統等其它設施，利用計算機、網絡、數據倉庫、人工智能與智能信息處理等技術，根據鐵運生產作業計劃需求并結合鐵路站場、相關作業環節所反饋的實時信息，完成鐵路運輸調度作業計劃的智能分析和自動編排。全面實現作業基礎信息自動采集、鐵路作業計劃智能編排、鐵路信號自動預排及行車作業計劃自動清鉤執行。其中，車號識別系統的有效應用，可代替人工記錄貨車車號和進出站點時間的工作方式，保證數據及時性、準確性和連貫性，并提高貨車交接作業效率，減輕作業人員勞動強度，提升鐵路運輸信息化、管理智能化水平［6］。

鐵運智能化改造項目完成并全面投入運行后，有效提高了機車、線路的利用率、加快車輛周轉、降低鐵路貨車延時和鐵路貨車延時費，進一步規范現場操作人員的標準化作業，減輕各類調度人員的工作強度，有利于企業增收節支、減員增效。

7 結論

文中依托貴冶原鐵路運輸基礎設施改造升級項目，研究了信息化、自動化和智能化技術在鐵路系統中應用的技術路線和模型，通過研究和成果的應用，得到了以下成果和結論：

（1）通過鐵路物流運輸應用系統、鐵路信號聯鎖系統、調度監督系統、調度集中系統、鐵路車號自動識別系統、道口控制系統及機車無線作業系統與平面調車系統的互聯互通和信息共享，消除了原作業方式條件下的信息孤島，為行車作業計劃的智能編排和運輸調度管理正確決策提供了科學可靠的參考數據依據。

（2）鐵路智能運輸調度系統的應用方便了全面、動態、準確地掌握當前運輸生產信息，實現了對調度工作質量綜合評價和人員資源管理的數據化［7］，減少了行車作業人員的工作量，降低了勞動強度。

下一步研究中，應當針對各種復雜苛刻條件對該技術進行重點專項研究，特別是偏遠山區、隧道、橋架及高大建筑物遮擋區域等特殊環境的通訊問題以及衛星失鎖問題，這也是目前研究和部署過程中遇到的主要問題。