铁路货运车站生产作业管理系统设计与实现

黄子荆，张亚东，马 亮

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 611756）

随着铁路货运体制不断改革，铁路货运业务量不断增长[1]，对运输安全保障和运输管理透明度的要求越来越高[2]。目前，车务段安全生产指挥中心与辖区内各货运站之间多使用电话沟通、人工下达任务、人工收集数据等方式进行生产作业指挥[3]，车站作业人员难以及时获取生产作业计划并反馈作业进度和生产统计数据，无法直观掌握车站现车的分布与作业状态，造成生产作业的组织管理效率较低。作为生产作业的关键环节，货运作业、运转作业的执行和管理效率直接影响到货运车站的作业效率和经济效益[4]。

基于以上原因，本文利用计算机和通信等技术手段[5]，设计研发了具有货运作业管理和运转作业管理等功能的铁路货运车站生产作业管理系统（简称：车站生产作业管理系统），可实现货运车站生产作业管理的电子化、信息化[6]，从而提高货运车站运输管理与生产作业的效率[7]。

1 需求分析

为实现货运站生产作业管理的信息化，车站生产作业管理系统应具有以下功能。

（1）图形化站场界面：提供一种图形化界面，能够直观、合理地显示本车站的站场实际布局、站内的现车分布情况、接收到的生产作业计划、安防设备及装卸器具等信息。

（2）计划接收和生产实绩反馈：可远程接收生产作业计划，并结合图形化界面显示相关作业计划，记录并反馈作业实际开始时间和结束时间，同时自动汇总并上传作业产生的实际数据。

（3）运转作业的集中管理：基于图形化站场界面，提供接发列车作业、调车作业、施工维修作业及调车机车的管理功能，并及时更新作业计划的执行状态及车辆的位置分布。

（4）货运作业的集中管理：基于图形化站场界面，提供装车作业、卸车作业、安防设备、装卸器具的管理功能，并及时更新作业计划的执行状态及车辆的装卸作业状态。

（5）操作流程安全卡控：检查操作的合法性、合理性，在不满足限制条件时禁止操作，从而避免安全问题及数据错误问题。

2 系统设计

2.1 逻辑架构

车站生产作业管理系统逻辑架构划分为5 个层次，如图1所示。

图1 车站生产作业管理系统逻辑架构

（1）物理层：提供必要的网络设备及系统运行所需要的客户终端，显示系统的图形化界面，提供交互操作，保障系统流畅、稳定运行。

（2）数据层：包括站场股道坐标数据、安防设备信息等基础配置数据及车站生产作业产生的调车、装卸等实时作业数据，结合SQL Server 数据库进行存储和管理。

（3）通信层：基于多点组播、请求应答、TCP/IP 协议实现通信功能，完成作业过程中的数据请求和数据反馈；同时，通过时钟同步服务，保证系统内部的时间始终一致。

（4）业务层：获取作业计划、反馈生产数据，在卡控操作流程安全的同时，完成车站的运转及货运作业管理，保证操作规范性及数据准确性。

（5）用户层：包括货运站运转值班员及货运值班员，根据用户权限分配不同的功能。其中，运转值班员负责接车作业、发车作业、调车作业及施工维修；货运值班员负责装车作业、卸车作业及装卸器具与安防设备的管理。

2.2 部署方案

车站生产作业管理系统与车务段生产指挥集中管理系统、应用服务系统共同构成铁路车务段运输生产指挥管理平台，利用内部网络（简称：内网）安全策略、防火墙、用户加密验证、权限验证等技术保障系统安全和数据安全[8]，为车务段集中指挥、车站生产作业管理和数据服务等功能需求提供整体解决方案。系统部署方案如图2所示。

图2 车站生产作业管理系统部署方案

车站生产作业管理系统设置运转岗位和货运岗位，部署在车务段辖区内的各个货运站，接收来自车务段生产指挥集中管理系统下达的各项计划，并在执行相关计划后通过应用服务系统反馈状态及作业数据。

3 系统功能

车站生产作业管理系统功能如图3所示。

图3 车站生产作业管理系统功能结构

3.1 图形化界面

（1）图形化站场：股道、道岔等以实际车站布局为基准，按比例缩放后显示在界面上，根据股道的到发、调车、装卸属性，提供对应的接发车、调车、装卸功能。

（2）图形化车辆：车辆以矩形图标的方式放置在股道上，通过不同的背景色及文字标识来表明车辆的种类、货物信息及作业状态。此外，依据实际使用的调车机车，设计不同样式的图标来区分国铁调机和本务机车。

（3）图形化安防设备：根据车站现场使用的安防设备实物设计相应的图标，可通过鼠标拖拽的方式放置在股道及车辆上，如带防护信号的脱轨器、人力制动机等。

（4）图形化装卸器具：在股道一侧使用图标显示装卸器具信息，直观地展示当前股道已经启用的装卸器具种类及数量。

3.2 生产数据传输

（1）作业计划远程接收：通过网络通道接收来自车务段生产指挥集中管理系统下达的接车计划、发车计划、调车计划、施工维修计划、装车作业计划及卸车作业计划，同时在图形化界面上以列表的形式按照时间顺序列出。

（2）作业状态自动反馈：在结合图形化界面完成运转、货运作业过程管理的同时，记录作业的执行状态、作业实际开始时间及作业实际结束时间，生成作业报点信息，并用不同的背景色来表示当前计划处于未执行、正在执行或执行完毕的状态，同时通过网络通道传递给应用服务系统，从而反馈到车务段生产指挥集中管理信息系统。

（3）作业数据汇总上传：结合运转、货运作业操作，实时统计作业数据，包括装车数量、卸车数量等信息及涉及到的货物品类、车辆种类信息，通过网络通道上传到应用服务系统。

3.3 运转作业集中管理

运转值班员可以结合图形化站场界面，集中完成运转作业各个流程的执行和管理，车辆分布情况及车辆状态随作业操作实时变化。

（1）接车作业管理：记录接车作业的车次号、司机号、接车股道、接车方向及接车作业的开始、结束时间等基本信息，同时可记录接车作业的车辆编组内容信息。接车作业完成后，在图形化界面上实时更新显示新增的车辆信息。

（2）发车作业管理：记录发车作业的车次号、司机号、发车股道、发车方向及发车作业的开始、结束时间等基本信息。发车作业完成后，图形化界面实时删除发走的车辆信息。

（3）调车机车管理：结合图形化界面，能够将本车站的调车机车发到其他车站，或者将其他车站发到本站的调车机车接入到本站中，从而在车站与车站之间管理调车机车。

（4）调车作业管理：结合图形化界面，完成车辆的调移工作。在存在调车机车的情况下，使用鼠标拖拽选中的单个或者多个车辆图标，从源股道移动到目的股道。在确定结束调车作业前，车辆在图形化界面上的移动是临时的，可以通过取消调车来撤销更改。

（5）施工维修作业管理：当车站因停电、维修、施工等原因需要禁用全站所有股道、某股道或股道某方向时，图形化界面通过对受影响的股道进行特殊标记来表明其处于施工维修状态，同时在功能上进行限制。

3.4 货运作业集中管理

货运值班员可以结合图形化站场界面，集中完成货运作业各个流程的执行和管理，界面中的车辆状态随作业操作实时变化。

（1）安防设备管理：实现了安防设备的使用与统计功能，每个车站客户端均配置了专用线安防设备和非专用线安防设备，通过鼠标拖拽来使用、撤除安防设备。

（2）装卸器具管理：可以按类型、按状态查询装卸器具状态，同时还可以撤除器具、设置器具故障及器具故障恢复。

（3）装车作业管理：记录使用的装卸器具种类数量、装车的货物种类、装车作业开始时间及目的车站名称等数据，同时通过车辆图标显示的动态变化表明车辆处于装车作业状态。

（4）卸车作业管理：记录使用的装卸器具种类及数量、卸车货物种类及卸车作业开始时间等数据，同时通过车辆图标显示的动态变化表明车辆处于卸车作业状态。

（5）作业进度实时监督：通过实时比较当前装卸作业已经持续的时间与当前装卸作业的标准作业时间，从而对装卸作业进度进行监督，在作业超时之后预警提醒。

3.5 操作流程安全卡控

结合货运站现场实际作业流程及操作安全规范，通过软件逻辑对生产作业的操作进行严格的安全卡控，满足所有限制条件时，才允许执行操作。以发车作业操作卡控过程为例，发车股道需同时满足不存在使用中的安防设备、股道发车侧没有正在进行的施工维修作业、所选择发出的车辆不处于作业状态这3 个条件，发车作业操作才能执行成功。

4 关键技术

4.1 数据通信

（1）多点组播通信：在实际的使用场景中，车站生产作业管理系统覆盖多个车站，同一车站运行多个图形化终端，同时在线的设备较多，接收来自应用服务系统推送的数据量较大，给通信网络带来压力。由于每个车站的各个图形化终端接收到的大量数据是一致的，并且不要求高时效性，如生产统计数据、装卸器具使用统计数据等，为减轻网络压力，采用组播通信方式，将同一车站的所有终端加入到同一个组播域中，避免网络传输时的数据重复拷贝及对网络带宽的重复占用[9]，从而减轻网络压力，提升系统运行效率。

（2）请求应答接口：在实际的使用场景中，车站生产作业管理系统存在即时获取数据、即时反馈数据的需求，对于数据传输的时效性要求较高，如作业计划的执行报点、安防设备的使用数据等。因此采用面向连接的TCP 协议实现请求应答接口，利用TCP 协议的数据校验、到达确认等特性，提供即时获取、反馈数据的功能，保证系统数据传输的准确性、及时性[10]，与多点组播通信互为补充。

4.2 作业进度实时监督

通过实时比较当前装卸作业已经持续的时间和预警时间，分别对装卸作业轻度超时和严重超时作出预警。

（1）单位标准作业时间计算

根据车站的装卸车能力标准，计算单位标准作业时间t，公式如下

其中，t为单位标准作业时间（单个装卸器具装卸单个车辆货物的作业时间）；a为该股道满负荷作业（作业车辆和装卸器具都达到股道所允许的最大数目）的耗时；b为该股道使用的最大装卸器具数；c为股道所允许作业的最大车辆数。a、b、c可通过车站的装卸能力查标表获得。

（2）标准作业时间计算

根据装卸器具种类和装卸货物的种类，相同种类的装卸器具可以装卸多种货物，相同种类的货物也可以使用多种装卸器具来装卸，因此标准作业时间的计算存在多种情形。以使用单种装卸器具对装卸不同种货物的多个车辆进行作业为例，计算标准作业时间T，公式如下

其中，C为作业时的车辆数；m为使用的装卸器具数量；n为货物种类；ti为不同种类货物的单位标准作业时间。

（3）预警时间标准计算

根据标准作业时间T，计算轻度超时预警时间Tl和严重超时预警时间Ts，公式如下

其中，α为轻度超时系数，α＞ 0；β为严重超时系数，β＞ 0。α、β可以根据实际情况灵活设置。

（4）作业进度实时监督流程

设置当前作业已经进行的时间为T0，结合轻度超时预警时间Tl及严重超时预警时间Ts，装卸作业进度监督流程如图4所示。

图4 装卸作业进度监督流程

4.3 时钟同步

实际运行环境中，每个设备的硬件环境、操作系统设置并不一致，导致各设备的本地时钟存在误差。此外，设备的本地时钟信息易被修改，时间信息的错乱会导致生产统计数据、作业报点信息等依赖于时间的统计数据不准确。因此，生产作业管理系统利用Web 时间服务器，基于Web Service 技术实现时钟同步[11]。系统从时间服务器获取统一的时间，从而保证系统内部使用的时间不受终端的本地时间影响。此外，得益于Web Service 技术跨平台的特性，时间服务器的部署不受软件平台的限制，降低了后续的维护难度。

5 结束语

车站生产作业管理系统已经在某铁路局车务段的多个货运车站部署使用，系统持续运行稳定，提高了车务段管辖范围货运车站作业管理的直观性、透明度和效率。利用图形化界面进行生产作业全过程的辅助操作与管理，实现了现车分布与状态的直观展示、作业数据自动记录、作业超时自动预警及作业流程安全卡控，摆脱了通过电话和人工方式下达任务、反馈数据的现状，提高了货运作业组织管理的效率，提升了当前车务段安全生产指挥中心在生产作业管理方面的作用。后续将会继续完善本系统与其他信息系统的接口，以进一步提高作业管理的自动化程度并降低作业人员的操作强度。