基于机车周转图的包神铁路集团机车统计系统设计

戴猛， 杜懿佳， 潘金山

（1. 国能包神铁路集团有限责任公司 调度指挥中心，内蒙古 包头 014010；2. 西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031）

0 引言

目前，国能包神铁路集团有限责任公司（简称包神铁路集团）机车统计均以《铁路机车统计规则》规定的相关指标为依据，基础数据大多来源于司机报单等人工填记类报表和机车运行监控记录装置导出数据，经层层统计、计算、上报，最终形成各项统计报表指标。该种机车统计模式存在系列问题，影响机车统计效率和质量，为适应我国铁路系统的智能化发展趋势，有必要分析包神铁路集团机车统计目前存在的问题，设计需求导向的包神铁路集团机车统计系统。

1 系统需求分析

1.1 包神铁路集团机车统计数据概况

包神铁路集团目前机车统计以司机报单、运行监控记录装置导出数据等为基础数据，采用手工录入与计算机计算相结合的方式，按下属甘泉铁路公司、包神铁路公司、神朔铁路公司分别进行统计，机务分公司根据统计数据将部分机车运用指标按日、月、年分别向调度指挥中心上报，调度指挥中心汇总后纳入调度日、月、年报等。

1.2 机车统计存在问题分析

（1）数据准确性不高。由于基础数据来源于纸质司机报单，填记错误多，机务统计人员录入时也时有出错。即使是运行监控记录IC 卡导出的数据，也存在操作错漏等情况。

（2）数据及时性不能保证。司机报单由司机在本段退勤后交到机务统计人员后再进行核对录入，无法保证及时性。而且由于机车交路所限，报单到统计人员处需2～3 d，即使有电子报单也未能实现实时准确传输。此外，需司机退勤后机务统计人员才能从运行监控记录IC卡中获取数据，时间也相对滞后。

（3）数据无法反映当天实际情况。由于数据获取环节多，客观上18 点统计数据造成了每日统计报表的指标数据大多不是当日实际运用机车数据。只能以一段时间数据变化趋势进行定性分析，无法实现按日或班进行精确分析，分析数据指导实际生产的意义不大。

1.3 系统功能需求分析

通过对既有机车统计方法和存在问题进行分析，从机务分公司和调度指挥中心角度探讨机车统计系统功能需求。

（1）基于机车周转图的信息集成与数据处理。①基础数据采集、处理自动化。机务分公司进行数据统计时，首先需根据司机手填报单进行人工录入基础数据或根据运行监控记录导出数据，容易出现错漏。系统应支持所有数据均无需人工干预，并设置与现车、货运调度系统等的数据接口，可从其他系统和机车周转图读取相关数据，生成相关接口文件、历史文件等，同时也可向其他系统输出接口文件，实现数据调用、外部信息接续与转换、共享信息转换与输出等。针对机车周转图中获取数据的处理，由于机车周转图具有时间和距离2 方面数据信息，是统计机车数据的关键，通常根据机调台划分来进行设计，系统应根据设计的包神铁路集团不同机调台业务范围和交路形式，从输入的机车周转图中自动获取相应数据并进行统计。②数据实时更新。由于基础数据采集及数据统计操作过程繁琐，无法保证数据的实时性，系统应支持按不同运输种别、不同修程对机车状态进行统计，同时与调度命令联动，实现动态记录机车各种状态功能，从而实现数据的实时获取［1］。

（2）自动计算机车统计指标。基于机车周转图的指标计算方法，系统能够根据从机车周转图及其他调度系统中获取的数据信息，自动计算反映机车效率的指标。

（3）报表输出。系统应能够根据需求，按照日期（日、月、年）、车站、交接口分别输出统计报表，并能在输出报表时提供多形式、多格式输出样式，以满足调度指挥中心的各种格式要求。

（4）查询和导出数据。为方便用户对历史数据的存储和后期查看，系统应支持对复杂且庞大数据集进行自动分类统计，实现对统计数据、各模块数据集、单个业务数据的查询及历史统计报表和相关信息的查询。

2 机车统计系统设计

2.1 系统设计目标

基于现有机车周转图及现车系统、货运调度系统等建立数据接口，以实现各子系统机车统计相关数据的集成，并充分利用共享数据，实现机车统计指标的自动计算，使调度员能够实时掌握精确的机车运用状态、机车运用组织效率，保证包神铁路集团机车统计高效开展。具体目标如下：

（1）实现数据自动集成处理和实时更新。解决传统机车统计方法中基础数据缺失、准确率较低等问题，改变以往通过人工填写和监控导入来收集基础数据的作业方式，通过数据接口实现与机车周转图、现车系统、货运调度系统等的数据实时传输与共享，实现基础数据的自动实时获取。

（2）满足自动统计辅以人工交互的机车指标统计方式。全面掌握包神铁路集团机车动态运用组织情况，机车在机务段的停留及运行时间、机车速度等相关指标。根据采集的基础数据和设计的指标计算方法，自动高效计算机车统计指标结果，提高统计工作效率。为了更好贴合用户需求，系统应在指标统计各环节提供人机交互功能，以便用户获得所需报表［2］。

2.2 系统总体框架

基于包神铁路集团机车统计需求分析及系统设计原则，设计机车统计系统总体架构（见图1）。包神铁路集团机车统计系统总体架构包括用户访问层、应用层、数据层、平台层，各层间功能与结构相对独立，下一层结构与功能为上一层提供支持与服务。

图1 包神铁路集团机车统计系统总体架构

（1）用户访问层。在完成机车统计任务的过程中，根据用户数据信息，为不同类型用户设置相应操作权限，使机车统计涉及的专业技术人员、机务统计人员和调度指挥中心在统一管理和协调下，进行可靠、实时的交互和协商，高效、高质量进行机车相关指标的统计。

（2）应用层。根据系统业务需求和设计标准，机车统计系统可分为数据管理，基础数据集成、处理与维护，机车运用效率指标统计和统计报表输出4 个模块。由于机车统计对机务相关数据的实时性、精准度要求较高，还需提供与机车周转图数据和铁路调度信息系统中计划、现车等子系统的对外接口［3］。

（3）数据层。主要服务于机车统计业务所需数据资源的开发和利用。根据机车统计业务需求可包括数据规划、分类、集成、整合和输出等功能，并通过该数据层级实现机务相关数据的一致性管理与维护［4］。

（4）平台层。具体指计算机网络平台层，能够为系统提供所需的软硬件平台。根据运行需求可划分为系统软件平台、数据库平台、服务器及存储平台、接口系统平台。

2.3 系统功能设计

包神铁路集团机车统计系统包括系统数据管理、基础数据集成处理和维护、机车运用效率指标统计和统计报表输出4个部分，其系统功能结构见图2。

图2 包神铁路集团机车统计系统功能结构

2.3.1 系统数据管理

系统数据管理模块是对包括用户信息、历史统计报表等的系统数据进行查询和管理，包括用户管理、数据库管理、历史统计报表管理3个部分。

（1）用户管理：提供对用户字典（包括用户ID、密码、用户类别（查询/数据管理/审计）、用户所属部门等）数据进行录入、删除、修改，针对不同用户类别，系统呈现不同功能操作。

（2）数据库管理：实现数据库新建、打开、初始化、关闭、保存和备份以及数据库修改日志生成等功能。

（3）历史统计报表管理：实现历史报表文件的管理与查询。具体包括查看历史报表存放目录、按日期查询及修改报表文件（报表名称、类型、创建日期、修改日期等）以及对选定报表的合并与分解，从而实现日、月、年报表的相互转换。

2.3.2 基础数据集成处理和维护

基础数据集成处理和维护模块是对包括机调台信息、机车周转图、货运车辆和货运数据等基础数据进行集成、处理和维护，包括基础数据导入/导出、数据处理、数据管理3个部分。

（1）基础数据导入/导出：实现通过设置的相应接口，设置更新间隔（6、12、24 h），实时更新货运车辆、货运数据（车列自质量、载质量等）、机车周转图、列车运行数据、机车动态表及调度命令等，并以运行线ID 或列车车次等关键字段为匹配条件，实现机调系统与计划、CTC、货运、现车等系统获取数据的集成和处理［5］；支持数据库、Excel 形式的数据文件导入，同时能够快速输出选中基础数据的Excel文件。

（2）数据处理：①支持根据计划系统获取列车开行计划的运行线和CTC 中获取的实际运行数据对机车周转图进行同步，并从该机车周转图中实现时间与距离数据的集成。②支持按照不同机调台（以交路方式划分）对机车台数、机车周转图数据进行分解。③能够基于获取的调度命令对每日机车动态表进行统计，得到时间与状态数据，用于后续自动计算机车台日。④对实时更新的货运车辆和货运数据进行集成，得到每日的货运车辆、货运数据总统计表。

（3）数据管理：提供对基础数据的删除、修改、插入、顺序调整等操作，同时能够实现数据一致性自动维护，即对基础数据修改后，能自动修改其后续关联数据，进行数据合法性和完备性检查，并支持人工交互维护功能。此外还支持对复杂且庞大数据集按照规定进行自动分类统计。

2.3.3 机车运用效率指标统计

机车运用效率指标统计模块是对反映机车运用组织的10 项过程数据和11 项总体数据进行统计，并绘制相应指标统计图，包括过程指标统计、总体数据统计和指标统计图绘制3个部分。

（1）过程指标统计：系统能够基于在机车周转图上获取的机车数据及运行线相关数据，按照不同交路方式计算每台机车的（全）周转时间、折返时间，得到不同机调台的周转计算表；同时支持针对每台机车计算相应的机车走行公里、牵引总质量及载质量等过程指标，生成机车工作量统计表；此外能够提供利用机车周转图获取的上下行各列车相关数据，分别计算每列车的旅行时间、中间站停留时间、纯运行时间、旅行速度、技术速度，生成相应计算表。并将单列车、每台机车计算的过程数据作为分行别、机型等进行单独或组合计算旅行速度、技术速度的基础数据。

（2）总体数据统计：实现自动遍历周转图上机车的数据，根据调度命令，按不同调度台、不同运输种别分别计算机车台日；自动生成基于过程指标统计结果的各机调台机车统计指标结果，并能按线路统计区段、机车动力类别进行计算。

（3）指标统计图绘制：能够针对统计的指标结果，根据用户选中的划分类别（分机车动力类别、机调台、线路区段等）自动绘制指标对比图表。

2.3.4 机车统计数据分析

（1）交、直流机车运用能效分析：系统支持交、直流机车各项运用能效数据的精准统计，特别是在实行轮乘制改革后，为了满足提质增效的节能管理要求，系统可将机车能耗分析进一步细化到单台机车的能耗统计并形成分析报表，可为乘务员提供列车在不同线路情况下的列车能耗，乘务员可随时掌握机车耗电量，进一步优化机车操纵［6］。

（2）人员劳动时间分析：系统可根据时间、车型、担当牵引任务列车、列车运行区间等条件供行管人员进行劳时统计查询，可自动根据过站信息及乘务员各辅助作业时间，自动分析出超劳时间及原因，并生成分析报表，实现超劳分析的精确化，进而有效防止乘务员超劳现象发生。

2.3.5 统计报表输出

统计报表输出模块实现指标结果以报表形式输出，包括参数设置、指标报表输出、生成接口文件3个部分。

（1）参数设置：可对报表列间距、行间距、布局及字符元素字体、大小、颜色进行设置，并能自由选择报表输出的内容（分机调台、线路区段、机车动力类别等）。

（2）指标报表输出：支持报表时间范围的设置（日、月、年报），其中月、年报通过在系统数据管理模块对历史文件进行合并生成；此外系统能够实现指标报表打印预览、打印机选定及报表打印功能，并支持Excel、PDF、JPG格式输出［7］。

（3）生成接口文件：为了方便与调度中心的数据共享，系统能够生成专门的接口文件，方便传输和调度中心使用。

2.4 指标计算方法

设计各调度台的机车统计指标，包括机车工作时间、机车运用指标等21项（见图3）。

图3 机车统计指标分类

在机车统计指标中，过程指标通过从周转图上获取每列车的数据并做求和计算得到，是计算总体指标的基础；总体指标的具体定义及计算参照《铁路机车统计规则》，从周转图获取每列车的数据，形成计算的基础数据并计算结果。

2.4.1 机车（全）周转时间与机车折返停留时间

机车平均（全）周转时间是测算一定任务量（给定开行列车数）下所需机车台数最直接的指标之一，机车平均折返停留时间是反映站车组织效率的重要指标。2项指标从时间维度反映日常机车运用组织的优劣。

计算方法：为计算上述2项指标，可按机车周转全过程写实的思路，在机车周转图上获取机车运行轨迹，从而对每台机车的（全）周转时间、折返时间进行计算，再通过组合求解得到不同机调台、线路区段的机车平均周转时间和折返时间。

就包神铁路集团而言，具备3种不同交路的机车运用（见图4—图6），因此按交路分别定义和计算上述2 项指标（见表1）。

表1 机调周转计算

图4 肩回式交路形式

图5 循环式交路形式

图6 单肩回式交路形式

2.4.2 机车台日

参考《铁路机车统计规则》并结合包神铁路集团实际，运用机车按照运输种别分为客运（通勤）、货运、小运转、调车工作及其他工作（包括考试、技术比武等），并与机车动态表划分维度同步［8］。

计算方法：机车台日为实际机车台小时数除以24所得。其中机车实际台小时可根据报告期（18∶00—次日18∶00）内以转换机车状态的调度命令时间为节点进行计算，得到机车实际台小时后可按不同调度台、不同运输种别分别计算机车台日。

2.4.3 机车台日产量与机车日车公里

（1）机车台日产量。指平均每台机车一昼夜内生产的总重吨公里。根据统计维度不同或分析侧重点不同，又分为运用（不同运种）机车日产量和支配机车日产量。运用机车日产量能够综合反映机车效能发挥和调度组织效率等情况。

（2）机车日车公里。指平均每台运用机车一昼夜内走行的公里。机车日车公里能够定量反映机车“走”与“停”的状态，与机车日产量一起可作为分析调度组织效率的重要指标。

计算方法：首先遍历机车周转图，从运行线上提取相关数据并进行计算，形成机车工作量统计表，该表为每台机车的实际工作写实，是计算上述2项指标的过程数据汇总。根据机车工作量统计表，机车台日产量与机车日车公里2项指标的计算方法见表2。

表2 机车台日产量与机车日车公里计算方法

2.4.4 机车平均牵引总质量

机车平均牵引总质量为每台机车平均牵引列车的总质量，是体现机车运用效能的另一指标。计算平均牵引总质量需分别按不同交路、不同线路区段、不同机型等维度进行，才能做到准确分析。

计算方法：利用过程指标“牵引总重吨公里”及每台机车的走行公里，通过“机车平均牵引总质量=总重吨公里之和/（走行公里之和-单机走行公里之和）”计算不同维度组合的机车平均牵引总质量。

2.4.5 机车旅行速度与技术速度

速度为运行距离与时间的比值，对于某列车而言，周转图上要计算某班/某日该列车的平均速度，即平均速度能够体现调度员组织优劣和司机操纵水平高低。

计算方法：在实际计算中，遍历周转图数据，从周转图上分别取上下行各列车相关数据，分别计算每列车的旅行时间、中间站停留时间、纯运行时间、旅行速度、技术速度，计算方法见表3。单列车计算的过程数据又作为周转图计算的基础数据。有了基础数据就可分行别、机型等进行单独或组合计算旅行速度、技术速度。

表3 机车旅行速度和技术速度计算方法

2.4.6 其他指标

（1）单机率。在机车周转图上，单机走行公里与总走行公里的比率，能从一定意义上反映机车使用效能。

（2）机车周转次数。在机车周转图上，机车每完成1 次周转或全周转为1 次。该指标可根据机车（全）周转时间计算得到，反映机车在固定交路上往返频次，同时也体现开行列车对数。

（3）机车平均（全）周转距离。在机车周转图上，机车每完成1次周转或全周转累积走行公里数，为机车走行公里之和与周转次数的比值。机车平均（全）周转距离可反映机车在某一交路或线路区段周转距离长短，侧面反映机车运用效能。

2.4.7 与既有指标计算方法的区别

上述指标计算方法参照《铁路机车统计规则》，从包神铁路集团机务实际情况出发进行定义。与《铁路机车统计规则》中规定的机车统计指标计算方法相比，主要差异在于前者仅针对各类指标的基本计算方法进行定义，未结合具体实际的调度台别、运输种别分别进行定义，在系统实际计算中可能出现计算效率低、计算结果不准确等问题，且仅能得到总体指标结果，无法直接得到不同机调台、机车类型的计算结果；系统利用基于包神铁路集团机务实际情况的指标计算方法，能够高效得到满足用户多样化指标计算输出需求，使管理者能够基于以上数据合理组织机车，逐步达到机车使用效率的最大化，为下一步经营决策提供有力依据。

3 结论与展望

包神铁路集团机车统计系统目前已在实际作业中应用推广，考虑到该系统与铁路调度信息系统各子系统的频繁数据交互需求，机车统计系统采用面向服务并独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言的体系结构（SOA），能够提供良好的接口同其他系统相互关联，并基于Web Service 实现数据交互，保证实时、准确的机车统计数据来源。此外，系统采用Oracle数据库技术能够高效实现数据指标的查询分析功能［9］。相较于既有人工主导的包神铁路集团机车统计模式，系统解决了机车统计指标的实时、准确性问题，弥补了指标计算过程的基础数据缺失问题，实现了超劳指标和运用能效指标等的实时分析、生产过程的及时精准反馈指导与纠偏等。

下一步将继续优化铁路调度相关系统间信息交互，实现机车在本段或折返段停留时间及本段或折返段所在站停留时间的自动精准计算，使数据分析更加深入细致［10］。同时，以时空网络研究视角为基点，利用5G、云数据、卫星通信等多种信息化技术反映调车机车调车作业的动态作业过程，实现作业时间节点的自动采集，便于精确计算调车机车利用率。