贵冶铁路运输智能化系统的设计与实现

李化林，杨 伟，茆忠华

（1.江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 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

随着我国经济的持续、快速发展，汽车工业、公路运输、民航运输的发展也非常迅猛，铁路作为污染小、运量大的陆上交通工具而日益得到社会的认可［1］。对于贵溪冶炼厂（以下简称贵冶）这样的大型厂矿企业来说，因铁路运输方式具有运输能力大、效率高、成本低、受自然环境影响小且连续性好的特点而倍受青睐。

2015-2017年，工信部连续三年印发《关于开展2015年智能制造试点示范专项行动的通知》，共有198个智能制造试点示范项目，涉及流程型智能制造、网络协同制造、大规模个性化定制等智能制造新模式［2］，江西铜业股份有限公司申报的“铜冶炼智能工厂试点示范”项目被工信部确定为2016年度铜冶炼智能工厂试点示范建设项目，贵溪冶炼厂也因此成为铜冶炼行业唯一家智能工厂试点示范工厂，按照智能工厂建设的相关要求和规范，贵冶开展了智能工厂建设。

贵冶地处江西东北部地区德兴铜矿、永平铜矿、东乡铜矿等几大铜矿之间且贵溪地区并没有大型矿山，生产原材料和产成品都不得不依靠其配套的供应链物流体系来实现流转，85%以上都是通过铁路运输实现，对铁路运输依存度非常高。受多方面因素影响，贵冶现有铁路运输装备的信息化、自动化和智能化水平都很落后，在用的铁运物流系统还是由贵冶2002年自行开发的物料管理系统，仅实现了部分作业信息化，自动化和智能化较低。铁路运输环节作为供应链上一个最重要的流程结点，基础数据信息化、运输生产过程自动化、运输生产指挥智能化是实现高效供应链管理的重要保障。要建设好贵冶智能工厂，首先要做好铁运智能化系统建设。

2 贵冶铁路运输智能化系统的需求分析

2.1 贵冶铁路运输现状

（1） 铁路信号设备技术落后、功能薄弱、维护困难、兼容性差。

（2） 铁路行车作业异地调度仍主要靠人工协作，信息不共享，沟通方式原始，工作强度大，安全可靠性难以持续保证。

（3）铁运作业计划全部依靠人工编排，工作量大，计划合理性不够、变更不灵活，易引发货车延时，受人为干扰因素大。

（4）作业执行依靠人工记录信息，数据滞后，错误率高，存在安全隐患。

（5）铁路车号全部采用人工识别和校对，工作量大，错误率高。

（6）机车无线作业系统技术落后，稳定可靠性差。贵冶现有5台GKD2内燃机车和2台轨道车，分别安装了模拟平面调车指挥系统，5台机车还分别安装了LKJ-2000列车监控装置，规范了机车乘务员操作行为，对机车安全运行起到很好的作用。但由于平面调车指挥系统是模拟机，易混频，受干扰，有时会发生错误指令。而乘务员接受的仍然是纸质作业计划单，遇现场变更计划，则由值班员口头传达，易发生听觉错误，计划不清。

（7）道口控制依靠人工现场控制，效率低。

（8）视频与信息监控分散，影响集中调度效率。

2.2 贵冶铁路智能化系统的建设需求分析

智能工厂离不开基础设施信息化、信息网络互联化、设备运转自动化和决策智能化等技术。智能工厂的建设需要实现IT系统与自动化系统的信息集成；处理来源多样的异构数据，包括各种来自设备、产品、社交网络和信息系统的海量数据，确保基础数据的准确性；应当进行科学的厂房布局规划，在满足生产要求，流程合理的同时，提升物流效率，提高工人工作的舒适程度［3］。

就现阶段而言，铁路智能运输调度系统的需求主要包括信息预报、车辆追踪、物流追踪、物流信息设备管理、物流计划传输以及物流信息的统计、查询等［4］。鉴于贵冶铁路的现有运输生产现状，要建立适应贵冶智能工厂建设的配套铁路运输智能化系统，只有对现有运输基础设施进行全面升级，运用先进的IT技术，建立以物流信息管理和运输生产过程管控为核心的铁路运输智能调度综合管理信息平台。将具备互联互通的铁运智能化及自动化设施与贵冶智能工厂应用系统建设项目中供应链部分的新建铁运物流管理系统进行无缝对接，并使其在一个统一的平台下协调工作，实现对铁路运输业务全过程监控，满足贵冶铁路运输生产作业过程的铁路运输调度信息化、运输基础数据匹配自动化、作业计划编排智能化和铁路信号开放自动化，为各级管理人员决策和运输调度指挥提供准确、及时的数据信息，提升铁路运输管理水平、提高铁路运输生产作业效率。

基于上述目的，铁路运输智能化系统的主要需求包括：全电子计算机联锁、现车跟踪与物流管理、数字化平面调车、计划智能编排、信号集中控制、道口智能集控。

首先，将站区原6502电气集中联锁系统进行全面升级，采用系统高度集成化、互联化和信息化的全电子计算机联锁系统，提高设备安全等级，减轻维护人员工作量。

其次，要全面实现作业指令流转信息化和电子化，通过引进数字化平面调车系统，通过无线传输实现电子计划传送，系统还需要提供信号上车功能并对机车位置进行精准定位，在自然环境条件恶劣的情况下，司机可根据机车上显示的信号辅助行车，提高作业安全性。

再次，计划智能编排要实现调车计划的辅助编排、自动编排，减轻计划值班员的劳动强度，实现作业标准化；现车跟踪与物流管理要通过车号识别与公司ERP接口自动完成车辆、货票匹配后进出厂管理、装卸车管理、设备管理等功能。

最后，信号集中控制、道口智能控制要实现信号的集中管控，将现有多个联锁站场集中控制，同时通过与物流、计算机联锁接口实现进路自动预排，减轻信号开放工作人员的工作强度，通过道口远程智能控制逐步实现过车自动报警、道口栏杆自动起落，实现道口远程集控，撤销道口现场看守人员。

3 贵冶铁路运输智能化系统的架构设计

基于上述需求分析，铁路运输智能化系统设计以调度智能化为核心，通过与公司ERP系统接口，获取现车、装卸、生产计划等各种作业实绩数据，为调车计划智能编排提供依据，通过有线、无线网络实时获取站场设备状态、机车位置信息，为最优化计划生成提供数据基础；通过信号集中控制、道口远程控制、机车自动跟踪实现现场设备的自动化、无人化控制；通过有线基础网络和无线网络构建安全、可靠的信息传输通道。系统整体架构设计包括两个层次、8个子系统，分别为：智能管理层的计划智能编排子系统、铁运物流子系统，自动控制层的调度集中控制子系统、全电子计算机联锁子系统、调度监督子系统、道口集中控制子系统、车号识别子系统、机车无线作业子系统。整体架构图如图1。

图1 系统架构图

4 贵冶铁路运输智能化系统的数据流分析

铁路运输智能化系统的数据流以计划智能编排子系统、调度集中控制子系统为核心实现了智能调度和自动控制，下面对智能化系统数据流做进一步分析：

（1）系统整体数据流为：生产计划、阶段计划→调车作业计划→进路信息→信号设备控制命令→设备实时状态→清钩执行信息→现场跟踪变化信息；

（2）计划智能编排系统数据流包括：从外部系统公司ERP获取生产计划、阶段系统信息，通过智能编排算法生成调车计划并传输给调度集中控制子系统、机车无线作业子系统、铁路物流子系统，从机车无线作业子系统获取机车实时位置数据、从调度集中控制子系统获取清钩时间和清钩命令，从铁路物流子系统获取现车、装卸数据，为计划智能编排提供依据和触发时机；

（3）调度集中子系统数据流包括：从计划智能编排子系统获取调车计划，从全电子计算机联锁子系统获取设备状态信息，根据钩计划信息和联锁区段占用、空闲顺序完成机车位置跟踪、进路自动预排和自动清钩，将清钩命令和清钩时间发送给计划智能编排子系统，将自动开放的进路信息发送给全电子计算机联锁子系统，将全厂设备状态信息整体发送给调度监督子系统；

（4）铁路物流子系统数据流包括：从车号识别子系统读取进出厂的车号、车型与换长信息，从公司ERP读取对应车号的货物品名、重量信息，完成路局车辆进厂匹配与出厂销车，从计划智能编排子系统获取调车计划和清钩命令，根据现车跟踪算法自动更新车辆位置和状态信息，并将结果反馈给计划智能编排子系统，同时所有信息存入系统数据库；

（5）机车无线作业子系统数据流包括：从计划智能编排子系统获取调车计划，从调度集中控制子系统获取信号、道岔和轨道状态，结合自身GPS跟踪定位信息与轨道状态变化信息，通过跟踪定位复核算法计算出机车的实时、准确位置信息，并将此信息提供给调度监督子系统、计划智能编排子系统；

（6）其它相关子系统数据流包括：全电子计算机联锁系统从调度集中系统获取进路控制命令，驱动信号开放、道岔转换和道口开放，并采集它们的状态信息上报给调度集中控制子系统，道口智能控制子系统负责根据全电子计算机联锁命令，智能化、无人化的自动开关道口，调度监督子系统将从其它子系统获取的数据信息在人机界面上以铁路信号平面图形式综合展示，包括机车和车辆位置、货物及状态、各种设备实时状态信息、各种报警信息等。

系统整体数据流如图2所示。

图2 系统数据流图

5 贵冶铁路运输智能化系统的核心技术处理及功能实现

（1）贵冶铁路运输智能化系统以Java和.NET技术为基础，采用B/S和C/S混合模式为总体设计，并通过Socket通信实现内部子系统之间的数据交互，通过Web Service实现与公司ERP系统间的消息传递；

（2）系统设计采用统一的通信服务器来完成有线与无线的多客户端数据互传，设计统一的链路层通信协议，在此基础上设计不同的应用层通信协议，链路层协议完成了数据寻址、数据转发、数据校验、数据分包、数据重发等功能，应用子系统根据应用协议与统一的通信服务器交互数据即可。

（3）系统各子系统均采用程序、数据分离的设计思想，系统通过图形化的工具软件生成站场组态通用静态数据，该数据可供各子系统使用，站场设备增减变化时，只需要通过工具软件修改并更新静态数据即可，各客户端程序、配置信息均无需更新。

（4）采用人工智能技术完成计划智能编排，包括：

①采用结构化描述语言，将生产计划信息描述为系统理解和识别的规则语言、表达式；

②针对贵冶铁路编组站的铁路运输特点，建立计划运行规则、调车时间模型，比如：以尾矿库作业建立基准的股道、车辆与时间模型；

③建立数据仓库，收集存储接口数据、站场状态数据、现车数据、机车位置数据等；

④智能推理模块采用蚁群算法、最短路径算法等逐条分析计划任务表达式，求解出最优的调度方案；

⑤计划解析器将调度方案解析为符合贵冶标准作业格式的行车调车作业计划；

⑥仿真执行模块对编制后的计划进行仿真执行，验证计划的合理性和执行效率；

⑦专家系统模块收集用户对自动编制计划的手工调整数据，自动补充、完善调度规则，并应用于新计划的编制。

⑧涉及安全的关键设备和软件均采用双机热备方式，包括：全电子计算机联锁系统的联锁机、通信机、控显机，调度集中控制子系统的主控机，铁路物流子系统的数据库服务器、应用服务器，道口智能控制子系统的主控PLC，机车无线作业子系统的通信服务器软件。

6 贵冶铁路运输智能化系统应用效果

通过全电子计算机联锁系统和调度监督系统能够自动记录各种站场数据、电务机轨道电路自动采集、系统设置远程诊断功能，并提供完善的故障定位与故障诊断，为行车管理人员提供便利的可视化监控条件。将其与铁运物流应用系统及ERP进行集成和无缝对接，将物流系统中的物流信息（车辆、货物、机车等信息）进行动态整合后形成系统全景图在在调度监督系统大屏上进行展示，可实现“信息流”、“物资流”和“资金流”的三流合一。利用联锁系统提供的标准网络传输接口，将运输过程中所采集到各作业环节的实际作业节点时间、传递到物流应用系统可形成电子作业大表；将联锁数据单向传输至设备管理系统可供设备管理人员查看，同时维修人员和设计人员可远程或异地对系统进行故障诊断维护和室内外设备的故障排除。计算机联锁系统作为铁路信息化和自动化改造建设项目的最基础设施，其互联互通和可扩展性也非常优秀，该系统能够与机车安控系统、铁路运输信息管理系统实现紧密融合［5］，在机车上安装车载RTK和北斗差分设备可实现对机车进行股道精准定位和作业状态实时监督。

通过调度集中系统、车号识别系统等其它设施，利用计算机、网络、数据仓库、人工智能与智能信息处理等技术，根据铁运生产作业计划需求并结合铁路站场、相关作业环节所反馈的实时信息，完成铁路运输调度作业计划的智能分析和自动编排。全面实现作业基础信息自动采集、铁路作业计划智能编排、铁路信号自动预排及行车作业计划自动清钩执行。其中，车号识别系统的有效应用，可代替人工记录货车车号和进出站点时间的工作方式，保证数据及时性、准确性和连贯性，并提高货车交接作业效率，减轻作业人员劳动强度，提升铁路运输信息化、管理智能化水平［6］。

铁运智能化改造项目完成并全面投入运行后，有效提高了机车、线路的利用率、加快车辆周转、降低铁路货车延时和铁路货车延时费，进一步规范现场操作人员的标准化作业，减轻各类调度人员的工作强度，有利于企业增收节支、减员增效。

7 结论

文中依托贵冶原铁路运输基础设施改造升级项目，研究了信息化、自动化和智能化技术在铁路系统中应用的技术路线和模型，通过研究和成果的应用，得到了以下成果和结论：

（1）通过铁路物流运输应用系统、铁路信号联锁系统、调度监督系统、调度集中系统、铁路车号自动识别系统、道口控制系统及机车无线作业系统与平面调车系统的互联互通和信息共享，消除了原作业方式条件下的信息孤岛，为行车作业计划的智能编排和运输调度管理正确决策提供了科学可靠的参考数据依据。

（2）铁路智能运输调度系统的应用方便了全面、动态、准确地掌握当前运输生产信息，实现了对调度工作质量综合评价和人员资源管理的数据化［7］，减少了行车作业人员的工作量，降低了劳动强度。

下一步研究中，应当针对各种复杂苛刻条件对该技术进行重点专项研究，特别是偏远山区、隧道、桥架及高大建筑物遮挡区域等特殊环境的通讯问题以及卫星失锁问题，这也是目前研究和部署过程中遇到的主要问题。