鐵路物流裝卸機械數據平臺及配置計算系統研究

李成洋

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 機械動力設計研究院，湖北 武漢 430063)

0 引言

鐵路運輸具有能耗低、運量大、成本低等優點，在“一帶一路”背景下，鐵路運輸保障了國際供應鏈穩定暢通，從中歐班列到中泰鐵路(昆明—曼谷)、中巴鐵路(新疆—瓜德爾)、中老鐵路(昆明—萬象)，從公鐵聯運、水鐵聯運到空鐵聯運，“一帶一路”的鐵路運輸網絡越織越密，運輸頻率與運輸總量也在逐年遞增[1-2]。僅中歐班列在2022 年就開行1.6萬列、發送貨物160萬TEU，同比分別增長9%，10%[3]。

近年來，國際與國內鐵路物流運輸在國家經濟結構調整、產業轉型升級的新形勢下，都發生了巨大變化[4]，煤炭、鋼鐵、礦石等傳統大宗貨物市場需求疲軟，而集裝箱、商品汽車、散貨快運等增長勢頭迅猛[5]，2022 年國家鐵路貨運總發送量完成39.03億t，同比增長4.8%[6]。

為了適應新形勢下鐵路物流發展，需根據貨物品類、運量、集疏運方式、運營費用、貨運場地條件等因素配置裝卸機械設備。隨著裝卸工藝的發展，需加快對多式聯運[7]、公鐵聯運[8]、煤運通道、值機系統等新工藝流程的研究。裝卸機械種類繁多、計算過程復雜，需保證設計、計算數據的正確性。基于上述需求，進行鐵路物流裝卸機械數據平臺及配置計算系統研究是十分必要的。李鴻戰[9]研究了全路貨運基礎設施布局優化方案，柳影[10]根據MSFLB 方法提出了現代物流條件下鐵路貨場設計流程。耿明[11]基于數據平臺技術，研究了工程設計領域智能協同設計系統。Rajesh[12]采用改進模擬退火算法研究多目標設備布局問題，Chen 等[13]建立了數學模型，采用切片結構技術，研究鐵路物流園區的設施布局問題。姚勝永等[14]利用灰色關聯度方法，構建量化評估模型，明確鐵路物流園區功能等級。唐浩[15]綜合平臺建設、系統開發、交互接口、終端感知與設備創新等多方面考慮，提出了一種適合我國鐵路貨運場站的智能化運營管理體系架構。

綜上，國內外多針對物流裝卸機械設備配置設計方法、布局、方案進行研究，針對鐵路物流裝卸設備設計標準不統一、智能化不足等現狀，深入研究裝卸機械配置和計算數據標準，開發適用于工程設計的鐵路物流裝卸機械數據平臺及配置計算系統。

1 系統設計內容及目標

基于瀏覽器/服務器模式(Browser/Server，B/S)框架，通過功能層和標準庫搭建數據平臺，采用元數據定向組合技術，輔以計算機軟件開發技術，實現鐵路物流裝卸機械配置計算和工藝設計全過程的參數化、自動化和標準化，具體功能如下。

（1）建立裝卸機械設備各設計階段的數據標準，通過貨運機械設備工藝設計數據層次結構，形成統一的結構標準，實現貨運機械設備數據標準的建立。

（2）統計裝卸機械裝卸效率及定員標準的計算標準，對設計規范及經驗進行總結，分別建立計算標準以及設計標準數據庫。實現對設計人員信息、項目信息以及規范信息的查詢功能，同時可根據最新的信息資料在線更新、編輯相應技術規范，實現貨運機械設備設計數據管理。

（3）通過總結與整理多種貨運機械設備裝卸效率和配置標準，制定貨運機械設備配置計算模板，并根據項目類型、設計階段、其他專業設計輸入、主要計算標準等信息作為中間數據，通過軟件內部計算程序，實現配置數量的智能計算，并輸出標準化的計算書。

（4）根據貨運機械設備數據庫和計算書的計算結果，實現不同項目設備配置、房屋面積及定員、投資概算的智能計算，并定制全過程互提接口資料、投資概算、說明書的文本輸出模板，利用文本資料結構化、參數化，實現“一鍵”直接輸出設計成果(包含房屋面積、定員、概算、說明書等)。

（5）實現不同項目設計成果的自動記憶，直接記錄在貨運機械設備數據庫中，并作為設計經驗判斷接下來設計數據的正確性，通過設計數據的關聯、對比、參照，提高設計質量。

2 總體框架

軟件基于J2EE 平臺的組件技術開發，集合了HTML5 頁面技術、Office 控件、CAD 繪圖控件及文件庫等前沿的中間件和產品，處理從提入資料到互提各個環節的數據，整理出了一套統一的常量、公式、計算規則，并實現了統一接口化管理。

本系統采用B/S 架構，以網絡服務器和普通計算機為硬件基礎，通過HTML網頁開發技術搭建人機交互界面，通過SQL數據庫及程序開發實現裝卸機械及其輔助設備的配置計算，通過Office 的二次開發實現設計成果的標準化輸出。系統總體框架如圖1 所示，包括功能實現的界面層、數據層、應用層三層結構，以及外圍的項目信息庫、知識庫、模板庫、審核意見庫4個標準庫。

圖1 系統總體框架Fig.1 System overall framework

界面層是系統的人機交互層，包括項目信息列表及分階段設計界面，能夠完成各項目預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖全階段的輔助設計和計算。數據層是系統的數據關聯性、正確性、智能性的判斷層，包括分類資料設計參數輸入、基于知識庫的數據合理性判斷、數據管理更新匯總，實現對鐵路物流裝卸機械的信息數據、配置計算數據、接口數據、成果數據的管理。應用層是設計結果的輸出層，基于模板庫實現計算書素材、互提資料、說明書和關鍵數據的標準化輸出。

項目信息庫用于存儲項目的特征信息，既是項目存儲的數據主鍵，又是后續設計資料、設計階段信息一致性的保證，主要包括項目人員信息、項目建立信息和項目概述信息。知識庫是裝卸機械相關設計標準、計算指標、設計經驗的匯總數據庫，主要包括工藝庫、公式庫、標準庫、設備庫、定員指標、房屋指標、概算指標，各數據庫以工藝庫為主導，相互關聯，形成知識圖譜。模板庫是將各階段各類設計資料經結構化處理(隨項目變化數據參數化，標準數據固化)的存儲管理庫，主要包括設計原則、設計細則、計算書、互提資料、單項概算和說明書。審核意見庫是設計資料復核、處審、院審的三級審核記錄，完成審核后記錄、歸檔。

3 關鍵技術

3.1 鐵路物流裝卸機械數據標準的建立及管理

根據鐵路物流中心的貨物品類確定裝卸機械的主要類型，其中集裝箱主箱場裝卸宜選用軌道式集裝箱門式起重機、集裝箱正面吊；集裝箱輔助箱場裝卸宜選用集裝箱正面吊、空箱堆垛機；長大笨重貨物裝卸宜選用軌道式門式起重機、橋式起重機、汽車起重機及相應索具等；成件包裝(散貨快運)貨物裝卸宜選用叉車(配托盤)；商品汽車裝卸宜選用汽車裝卸平臺或專用移動式小汽車裝卸機械；散堆裝貨物裝卸宜選用抓料機、裝載機。為了保證系統開發過程中數據標準統一，基于裝卸機械設備、輔助機械設計數據層次結構，建立預可研、可研、初步設計、施工圖各設計階段機械設備輸入、中間、輸出數據標準。根據鐵路設計全過程和工藝設計參數，數據標準分類如圖2 所示，指導程序編制，統一數據平臺的規范和標準，實現系統管理信息存儲、訪問、更新、傳遞方式的數據一致性，有利于后期建設的延續性和各業務系統間的數據傳遞。

圖2 數據標準分類Fig.2 Data standard classification

以數據標準分類為基礎，通過各類元數據在標準范圍內的定向流動、組合，形成設計中間數據標準，中間數據再與成果模板結合，形成最終的輸出數據標準，主要的數據標準及數據流向如圖3所示。

圖3 主要的數據標準及數據流向Fig.3 Main data standards and data flow

3.2 鐵路物流裝卸機械設備配置計算模塊

裝卸機械設備配置計算是設計的核心內容，關系到鐵路物流中心的站場規模、工藝布局、投資概算等，計算得到機械類型、規格型號、設備數量后，可以進一步根據房屋、定員、概算指標以及各類設備對接口專業的要求，研究并總結貨運機械設備設計計算書的計算標準，并根據項目類型、設計階段、其他專業設計輸入、主要計算標準等信息作為中間數據，通過軟件內部的智能計算，實現貨運機械設備設計計算書的標準化輸出功能，完成全過程設計。主要裝卸機械規格型號及計算指標是計算的基礎數據，根據裝卸機械規格型號和積累的設計經驗，主要裝卸機械規格型號及計算指標如表1所示。

表1 主要裝卸機械規格型號及計算指標Tab.1 Main handling machinery specifications and calculation indicators

成件包裝、笨重、散堆裝貨物以貨品裝卸作業量除以裝卸效率即可得到數量，但集裝箱貨物最為復雜，具體公式[16]如下。

式中：Ni為日均到達箱數或發送箱數或中轉箱數或輔助箱區各類箱數，TEU；Qi為年到達箱或發送箱或中轉箱或輔助箱區各類箱貨運量，萬t；α為集裝箱運量的波動系數；q為集裝箱平均凈載重，t。

式中：N主為主箱區日均作業箱數，TEU；N到為到達箱的日均作業箱數，TEU；N發為發送箱的日均作業箱數，TEU；N中為中轉箱的日均作業箱數，TEU。

式中：Ci為裝卸機械配置數量，臺；z為集裝箱平均裝卸次數；Pi為裝卸機械作業指標，TEU/h；Ti為裝卸機械日均作業時間，h。

最終系統通過輸入標準表格經調運量、取用不同品類貨物裝卸系數、取用不同機械裝卸效率、取用計算常量、讀取公式庫內公式、輸出計算結果6 個步驟，實現計算模塊的開發。

3.3 全過程輔助設計技術

實現裝卸機械設備配置計算后，基于互提接口資料、投資概算、說明書的結構化、標準化、參數化，開發全過程設計成果的智能輸出功能。研發了裝卸機械工程全過程輔助設計系統，該系統通過HTML、jQuery 語言，結合AutoCAD、Office插件，將用戶輸入、協同設計資料形成貨運設備計算書，再通過貨運設備計算結果，生成設計原則、設備表、房屋面積表、定員表、構筑物表、用電量表等中間成果，再結合互提資料、投資概算、說明書素材模板，形成輸出成果，全過程輔助設計中各資料模塊化關系如圖4所示。

圖4 全過程輔助設計中各資料模塊化關系Fig.4 Modular relationship of data in the whole process aided design

研究并建立的貨運機械(包括裝卸機械及貨運輔助機械)網絡化數據庫，實現對全過程設計數據的記錄和管理，通過數據的記憶性、關聯性，直接實現設計成果數據的自動記錄，智能定制項目的計算標準及設計標準，保證設計數據的正確性。

通過數據庫層的數據采集、系統設計管理、中間成果、數據模板、輸出成果管理，實現鐵路物流項目設計的“大數據”存儲，并作為設計經驗，用于判斷后續設計數據的正確性，通過設計數據的關聯、對比、參照，提高設計質量。系統網頁界面如圖5所示。

圖5 系統網頁界面Fig.5 System web interface

4 結論

通過提出裝卸機械設備配置計算和工程全過程設計數據層次結構，建立元數據定向驅動和組合標準，嵌入各類裝卸機械的配置計算規則，開發了鐵路物流裝卸機械數據平臺及配置計算系統。系統能夠應用于物流裝卸機械工程項目的全過程設計，智能計算設備選型、配置數量、房屋面積、定員等中間成果，再結合接口資料、投資概算、說明書的標準化、結構化模板，輸出設計成果。

（1）通過本系統的關鍵技術研究，搭建了適應當前鐵路物流發展形勢的裝卸機械數據平臺，實現了貨運機械設計經驗、計算指標、設計標準的智能查詢與管理，通過數據的記憶性、關聯性，智能定制項目的計算標準及設計標準，保證設計數據的正確性和全過程階段的一致性。

（2）采用B/S 架構開發的鐵路物流裝卸機械全過程輔助設計系統，包含界面、數據、應用三層結構，項目信息庫、知識庫、模板庫、審核意見庫4個標準庫，以數據標準為基礎，實現全過程設計成果的標準化輸出，提高設計文件質量、避免人工錯誤、降低重復工作量，快速響應標準變化，實現了高質量、高效率、網絡化、計算機輔助的鐵路物流裝卸機械設計模式。