基于移動終端的集裝箱裝卸計劃自動生成方法與應(yīng)用研究

李 楠，孔慶瑋，吳志偉，金黎明，羅志友

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；3. 中國鐵路上海局集團有限公司 蕪湖東站，安徽 蕪湖 241007)

集裝箱運輸是我國鐵路發(fā)展現(xiàn)代物流的重點任務(wù)，具有快捷、高效、安全、節(jié)約成本的特點。截至2022 年，我國鐵路集裝箱發(fā)送量年均增長22.4%，增長速度遠超過整車運輸[1]。中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)在全路大力建設(shè)集裝箱貨場，集裝箱場站作業(yè)量大幅提高，這對提高裝卸作業(yè)效率、優(yōu)化作業(yè)流程、加速集裝箱周轉(zhuǎn)率提出更高要求。《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》(國辦發(fā)〔2022〕17 號)中提出，要加快推進物流智慧化改造，加速推進物流技術(shù)裝備與智慧管理技術(shù)建設(shè)[2]。運用先進信息技術(shù)手段，建立健全、可靠的集裝箱信息化管理體系，已經(jīng)成為鐵路貨運領(lǐng)域關(guān)注的重點問題[3]。然而，既有的大多數(shù)鐵路貨運場站并不具備完善的硬件設(shè)備支撐，僅有部分信息化程度較高的集裝箱中心站具有完備的裝卸設(shè)備、智能識別設(shè)備、定位設(shè)備，可以支持裝卸作業(yè)智能化指揮。大多貨運場站信息化程度不足，還存在紙質(zhì)管理、流程混亂、計劃與實際作業(yè)脫節(jié)、先作業(yè)后補錄的問題[4-5]。為了提高集裝箱裝卸設(shè)備利用率、提高貨場整體運營能力，研究基于移動終端，設(shè)計并實現(xiàn)了一種集裝箱自動裝卸派班方案，在裝卸作業(yè)前生成合理可靠的裝卸計劃，用裝卸計劃指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)，以達到規(guī)范作業(yè)流程、提高作業(yè)效率、避免資源浪費的目的。

1 集裝箱裝卸計劃現(xiàn)狀分析及衡量標(biāo)準(zhǔn)

1.1 集裝箱裝卸作業(yè)現(xiàn)狀

我國鐵路運輸企業(yè)、科研機構(gòu)對集裝箱信息化管理開展了大量探索實踐。目前鐵路集裝箱管理運用集裝箱運輸信息系統(tǒng)[6]，實現(xiàn)了集裝箱在途追蹤、車貨匹配等功能，但集裝箱運輸信息系統(tǒng)大多數(shù)功能主要針對在途集裝箱運輸，對于集裝箱場站內(nèi)作業(yè)的信息化支持程度不足，無法涵蓋集裝箱場站內(nèi)作業(yè)全流程。中國鐵路上海局集團有限公司鐵路集裝箱物流園區(qū)信息管理系統(tǒng)在集裝箱運輸信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化，提出利用人臉識別模塊進行作業(yè)人員管理，并利用手持機進行裝卸派班[7]，確保派班人員在崗，避免漏派、誤派，提高了集裝箱物流園區(qū)內(nèi)人員、設(shè)備管理規(guī)范性。中國鐵路哈爾濱局集團有限公司設(shè)計了貨運裝卸設(shè)備管理系統(tǒng)[8]，將園區(qū)內(nèi)裝卸設(shè)備進行數(shù)字化管理，便于裝卸作業(yè)前依據(jù)設(shè)備位置、檢修狀態(tài)等設(shè)計更為合理的裝卸計劃。這些探索為集裝箱場站數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)，但在裝卸流程優(yōu)化與裝卸計劃制定層面，依舊多為人工制定計劃，以及在實際作業(yè)時對計劃進行補錄，缺少自動化、智能化的計劃輔助決策。同時，受限于場站內(nèi)智能識別設(shè)備、定位設(shè)備的數(shù)量，作業(yè)計劃人員需要人工統(tǒng)計大量箱區(qū)箱位、裝卸設(shè)備等信息，計劃制定效率較低。

考慮現(xiàn)有集裝箱貨場在少量手持機下作業(yè)的實際情況，研究一種基于移動終端的集裝箱自動派班計劃模式，以滿足大部分集裝箱場站作業(yè)。其中集裝箱的自動派班結(jié)果可以從準(zhǔn)確性和可用性2 個方面進行驗證。

1.2 集裝箱場站裝卸作業(yè)種類

集裝箱在場站的裝卸作業(yè)大體可以分為落箱、取箱、裝箱、卸箱4 類。落箱是將集裝箱落在箱位上，取箱是將集裝箱從箱位上取走，裝箱是將集裝箱從指定位置裝載到火車上，卸箱是將集裝箱卸到指定位置[9]。

1.3 集裝箱裝卸設(shè)備種類

針對不同的集裝箱裝卸設(shè)備，取、落箱的裝卸過程也不相同。集裝箱裝卸設(shè)備大體可以分為正面吊設(shè)備和龍門吊設(shè)備。正面吊設(shè)備易從外側(cè)進行取、落箱作業(yè)，支持少量翻箱作業(yè)；龍門吊設(shè)備易從上層進行取、落箱作業(yè)，支持處理碼放在里層的集裝箱。

1.4 集裝箱裝卸計劃衡量標(biāo)準(zhǔn)

通過對集裝箱貨場的調(diào)研，集裝箱裝卸計劃的優(yōu)劣可以通過裝卸計劃的準(zhǔn)確性和可行性2 個方面衡量。集裝箱裝卸的自動派班設(shè)計，要求在滿足裝卸計劃準(zhǔn)確性的條件下，盡可能地提高裝卸計劃的可行性。

（1）裝卸計劃準(zhǔn)確性。裝卸計劃準(zhǔn)確性是指在不考慮作業(yè)效率的情況下，現(xiàn)場作業(yè)人員嚴格按照裝卸計劃進行作業(yè)時，能否正確地對當(dāng)日存在運輸需求的集裝箱進行裝卸派班，并將集裝箱交付給客戶。裝卸計劃的準(zhǔn)確性由2 個因素決定，一是場站內(nèi)箱區(qū)箱位準(zhǔn)確，要求對場站內(nèi)集裝箱的箱位維護準(zhǔn)確、集裝箱的狀態(tài)維護準(zhǔn)確；二是場站內(nèi)股道火車位置準(zhǔn)確，要求場站內(nèi)定位設(shè)備采集首車位置。

（2）裝卸計劃可行性。裝卸計劃可行性是指集裝箱派班是否可用，是否方便現(xiàn)場作業(yè)人員進行裝卸作業(yè)，減少了現(xiàn)場翻箱的工作量。在不同的業(yè)務(wù)場景下，可行性的衡量標(biāo)準(zhǔn)不完全相同。同時，不同場站、人員的作業(yè)習(xí)慣都會對可行性產(chǎn)生影響。

2 集裝箱裝卸計劃自動生成設(shè)計

集裝箱裝卸計劃的自動生成主要從基礎(chǔ)條件和業(yè)務(wù)邏輯2 個方面研究，其中基礎(chǔ)條件影響裝卸計劃的準(zhǔn)確性，業(yè)務(wù)邏輯影響裝卸計劃的可行性，集裝箱自動裝卸計劃邏輯框架如圖1 所示。基礎(chǔ)條件主要有箱區(qū)箱位和首車定位。其中箱區(qū)箱位包括合理的箱區(qū)箱位設(shè)計、集裝箱位置真實準(zhǔn)確。首車定位包括接車對位位置真實準(zhǔn)確、股道中其他車輛與箱位的對應(yīng)位置真實準(zhǔn)確。業(yè)務(wù)邏輯主要有落箱作業(yè)、取箱作業(yè)、裝箱作業(yè)、卸箱作業(yè)。通過對各個作業(yè)的流程分析，設(shè)計派班算法模型，準(zhǔn)確地將派班需求與裝卸建議方案通過算法實現(xiàn)，指導(dǎo)現(xiàn)場裝卸作業(yè)。

圖1 集裝箱自動裝卸計劃邏輯框架Fig.1 Logical architecture of automatic loading and unloading plan

（1）箱區(qū)箱位。針對集裝箱的存儲類型，箱區(qū)可以分為重箱區(qū)、空箱區(qū)、裝卸區(qū)、危貨區(qū)等；針對集裝箱的箱型類型，箱區(qū)可以分為大箱區(qū)、小箱區(qū)。車站對箱區(qū)管理的越細致，落箱約束越多，自動派班的可行性越高。箱區(qū)箱位的繪制，需要能夠真實反映實際場站的位置關(guān)系，按照實際股道長度及箱區(qū)箱位大小等比例繪制。通過手持機定位盤點功能，將實際箱位的集裝箱信息采集校準(zhǔn)。繪制準(zhǔn)確的箱區(qū)、場內(nèi)集裝箱落箱位置的校準(zhǔn)，保障了裝卸計劃的準(zhǔn)確性。

（2）首車定位。首車定位是指通過手持機的定位功能，采集股道內(nèi)首車的停放位置。通過首車位置與車輛換長信息，精準(zhǔn)計算出每個車輛的實際位置，再根據(jù)箱區(qū)實際大小等比例換算，獲得全部箱區(qū)箱位與火車的相對位置關(guān)系。準(zhǔn)確的首車定位，保障了裝卸計劃的準(zhǔn)確性。

（3）落箱作業(yè)。落箱是指客戶進入箱區(qū)還集裝箱作業(yè)，具體可以分為落空箱和落重箱。車站人員在審核客戶的進站預(yù)約后，判斷最優(yōu)落箱區(qū)。根據(jù)預(yù)約箱區(qū)的當(dāng)班裝卸工組、設(shè)備和司機，通過派班算法得到最優(yōu)落箱位，生成派班計劃。客戶依據(jù)派班計劃，到指定位置等待裝卸。同時，場站內(nèi)的裝卸工組依據(jù)派班計劃進行裝卸作業(yè)。落重箱自動派班流程如圖2所示。

圖2 落重箱自動派班流程Fig.2 Flow chart of automatic dispatch for loaded container unloading operation

（4）取箱作業(yè)。取箱是指客戶在委托鐵路運輸過程中，進入箱區(qū)取集裝箱作業(yè)，具體可以分為取空箱和取重箱。客戶預(yù)約領(lǐng)箱時填寫需要領(lǐng)取的箱號，計劃編制人員根據(jù)集裝箱所在箱區(qū)箱位，確認該箱區(qū)的當(dāng)班裝卸工組、設(shè)備和司機，生成派班計劃。客戶依據(jù)派班計劃，到指定位置等待裝卸。同時，場站內(nèi)的裝卸工組依據(jù)派班計劃進行裝卸作業(yè)。取重箱自動派班流程如圖3所示。

圖3 取重箱自動派班流程Fig.3 Flow chart of automatic dispatch for loaded container loading operation

（5）裝、卸箱作業(yè)。裝、卸箱是指貨場業(yè)務(wù)人員，依據(jù)當(dāng)日的裝車計劃以及當(dāng)日的車輛到達情況制定的卸車計劃，進行裝卸火車作業(yè)。值班員進行接車對位后，按照就近原則生成派班計劃。派班計劃生成后，將自動派班的箱號、箱位、裝卸工組、設(shè)備名稱提供給裝卸工組，指導(dǎo)裝卸工組進行裝卸火車作業(yè)。

3 派班算法模型設(shè)計

目前由于鐵路裝卸作業(yè)規(guī)章中，缺少明確的裝卸計劃評價標(biāo)準(zhǔn)，因而研究利用實例推理[10]的思路進行派班算法設(shè)計。首先通過現(xiàn)場調(diào)研，明確影響裝卸派班的因素，之后為每個裝卸作業(yè)需求構(gòu)建包含這些因素在內(nèi)的影響因子模型，并通過收集整理歷史裝卸數(shù)據(jù)將系統(tǒng)生成的裝卸計劃與情景相似的歷史裝卸數(shù)據(jù)進行比對，將相似度最高的歷史裝卸計劃作為推薦計劃。考慮到不同貨場實際情況不同，現(xiàn)場保存的歷史數(shù)據(jù)有些無法反饋實際箱位信息，通過與專家進行溝通，對歷史數(shù)據(jù)進行篩選及優(yōu)化，獲得能反饋現(xiàn)場作業(yè)邏輯的派班歷史數(shù)據(jù)作為推理參考，以此保證計劃的合理性與可行性。

3.1 裝卸派班影響因子

影響裝卸計劃的主要因素有裝卸設(shè)備、箱區(qū)可用箱位數(shù)量、箱位行、箱位列、箱位層、箱型箱類、品名、收發(fā)貨人、運輸需求、集裝箱當(dāng)前位置、火車當(dāng)前位置、裝卸作業(yè)種類。分析影響因素后，對影響因素進行拆分及組合。其中，裝卸設(shè)備直接影響箱位選擇，因此作為模型的核心參數(shù)。箱型箱類、品名、收發(fā)貨人、運輸需求是集裝箱的裝卸屬性，可以用于判斷箱子是否是同類箱，同類箱的位置會影響裝卸計劃的生成，因此將上述影響因子合并表達為同類箱所在位置距離；集裝箱當(dāng)前位置、火車當(dāng)前位置合并表達為集裝箱目標(biāo)位置距離。梳理后，裝卸派班影響因子如表1所示。

表1 裝卸派班影響因子Tab.1 Combing results of influencing factors of loading and unloading dispatching

3.2 相似度計算

在得到裝卸派班影響因子梳理結(jié)果后，首先對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，再比較相似度。計算不同裝卸計劃之間的相似度，首先通過局部相似度計算，分別比較每一項特征值的相似程度。局部相似度計算有3 種類型，包括數(shù)值與數(shù)值的相似度、數(shù)值與區(qū)間的相似度、以及區(qū)間與區(qū)間的相似度。結(jié)合表1 所述，某一特征值可能有具體數(shù)值和數(shù)值區(qū)間2 種情況，研究按照如下方式進行比較。

式中：X為計劃方案特征值區(qū)間，其中x1為區(qū)間最小值，x2為區(qū)間最大值；A為參照方案特征值區(qū)間，其中a1為區(qū)間最小值，a2為區(qū)間最大值。

數(shù)值x0與數(shù)值a0的相似度計算公式為

式中：x0為計劃方案特征值；a0為參照方案特征值。

數(shù)值x0與區(qū)間的相似度計算公式為

式中：x為待求解問題實際最佳目標(biāo)特征值，x∈A。

通過局部相似度計算，可以得出m個裝卸計劃實例的n個特征值的相似度Smn。目標(biāo)模型和已有模型的相似度矩陣S計算公式如下。

3.3 特征值標(biāo)準(zhǔn)差分析

在得到相似矩陣后，通過計算每項特征值的標(biāo)準(zhǔn)差σi，可以直觀看出每項特征值對總體的影響程度。標(biāo)準(zhǔn)差σi計算公式如下。

是由領(lǐng)域內(nèi)專家對各個特征值的重要程度進行賦權(quán)，得到的專家權(quán)重。

綜合基于標(biāo)準(zhǔn)差的權(quán)重和專家權(quán)重后，得到特征值動態(tài)權(quán)重ai。

利用加權(quán)后的標(biāo)準(zhǔn)差，可以計算出全局相似度Sim(N，Cj)，即目標(biāo)模型N和已有模型C的整體相似度，從而對比選出和現(xiàn)場實際最相符的裝卸計劃。全局相似度計算相當(dāng)于對一個多影響因子的裝卸計劃實例的綜合評價。

4 案例分析

基于集裝箱裝卸計劃自動生成方案與派班算法，在鐵路貨運生產(chǎn)作業(yè)與管控平臺(以下簡稱“貨運管控平臺”)中構(gòu)建裝卸計劃模塊，貨運管控平臺應(yīng)用如圖4 所示，自動給出不同裝卸業(yè)務(wù)場景的裝卸派班建議，并提供圖形化的作業(yè)指導(dǎo)方案。

圖4 貨運管控平臺應(yīng)用Fig.4 Railway freight management and control platform application

選取2023年5月1日—5月8日兗州北、開封、桃花村等貨運場站的裝卸作業(yè)作為驗證場景，對生成的裝卸計劃與采集的實際作業(yè)數(shù)據(jù)進行分析。將自動生成的計劃下發(fā)給現(xiàn)場業(yè)務(wù)專家，由現(xiàn)場實際制定計劃人員判斷計劃是否可行，如果可行按照計劃執(zhí)行，如果不可行進行修改，生成實際作業(yè)計劃。通過比較按照自動派班計劃執(zhí)行裝卸作業(yè)與人工修改計劃執(zhí)行裝卸作業(yè)的比例，判斷驗證集裝箱自動裝卸計劃生成的準(zhǔn)確性和可靠性。落箱作業(yè)計劃與實際統(tǒng)計分析如圖5所示，分配箱區(qū)箱位、分配設(shè)備、分配工組為自動派班方案提供的作業(yè)計劃數(shù)據(jù)，實際箱區(qū)箱位、實際設(shè)備、實際工組為現(xiàn)場根據(jù)實際情況進行的作業(yè)數(shù)據(jù)。

圖5 落箱作業(yè)計劃與實際統(tǒng)計分析Fig.5 Automatic dispatching plan and actual statistics of container unloading

比較自動裝卸計劃與實際裝卸作業(yè)結(jié)果相似度，自動裝卸計劃與實際裝卸作業(yè)結(jié)果相似度比較分析如表2 所示。實驗結(jié)果經(jīng)現(xiàn)場專家評估，其結(jié)果顯示，對于開封、大朗、北郊、鞏義等貨運站，自動裝卸計劃與實際裝卸情況相似度較高，具有較高的可行性，在落重箱、取重箱方面尤為突出。對于兗州北、黃許鎮(zhèn)等部分貨運站的空箱作業(yè)，受限于箱區(qū)箱位繪制不規(guī)范、集裝箱實際位置不準(zhǔn)確等因素，裝卸空箱作業(yè)還需要繼續(xù)優(yōu)化。通過現(xiàn)場實際作業(yè)反饋及對算法的不斷優(yōu)化，可知對于大部分場站裝卸作業(yè)來講，研究的裝卸計劃方案能夠輔助人工進行決策計劃，節(jié)省計劃制定時間，對于實際作業(yè)具有較好的指導(dǎo)作用，為下一步的智能化、無人化貨場實施奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

研究提出的集裝箱自動裝卸計劃生成方案，能夠在定位設(shè)備較少的情況下，較快給出可靠、可行的裝卸派班建議，有效縮短計劃制定時間、提高裝卸作業(yè)效率，有助于規(guī)范場站裝卸作業(yè)流程、節(jié)約人力物力成本。裝卸派班計劃的準(zhǔn)確性對場站內(nèi)部集裝箱位置的準(zhǔn)確性要求較高，通過規(guī)范箱區(qū)箱位繪制與股道繪制，細化裝卸派班影響因子，可以進一步提高計劃準(zhǔn)確性。研究成果對加速鐵路貨場集裝箱周轉(zhuǎn)、提高鐵路場站智能化管理水平有重要意義。