基于智能优化的铁路营业线施工天窗管理研究

崔朝晖，保鲁昆，贺东，张雁华，刘新

(1. 中国国家铁路集团有限公司 运输调度指挥中心，北京 100844；2. 中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；4. 中国铁路成都局集团有限公司 调度所，四川 成都 610082；5. 中国铁路太原局集团有限公司 党校，山西 太原 030009)

铁路营业线施工组织是运输组织重要和关键的一项内容。有序高效的营业线施工管理工作，既可以为铁路行车设备维护保养、新线引入、站场改造、地方涉铁工程的顺利开展提供时间保障，确保施工期间的人身、行车和施工安全，还可以压缩天窗数量和时长，为运输生产提供时间支撑，消除铁路局集团公司间分界站和专业结合部间的问题，进一步挖掘运输潜力[1]。随着云计算、大数据、人工智能等新兴技术的兴起和逐步应用，通过优化主要干线天窗安排、规避主要干线天窗时间不协调问题、消除违规安排天窗情况、监测施工延点问题等方式，科学安排铁路营业线施工天窗，是提高施工管理和运输组织效率的有效途径。

1 铁路营业线施工管理现状

铁路营业线施工管理的具体内容包括施工计划编制和天窗日期安排，以及施工维修作业过程管理等关键项点[2]。

铁路营业线施工实施采取计划管理的模式，实行运输站段、铁路局集团公司、中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)分级管理，各级部门按照职责分工和审批权限，根据施工需求和运输能力，依托施工管理系统，对全路各线的各类施工和维修统筹协调安排，形成年度(轮廓)、月度和日施工计划及维修计划，公布后实施。

天窗按照用途可以分为施工天窗和维修天窗。维修天窗与施工天窗基本上重叠套用，施工、维修时采用平行作业的方式，综合高效地利用天窗，满足安全生产、作业标准和质量要求。天窗开设时间反映在开设时长和开设时段2个方面，这2个方面的选择都应在满足施工维修需求的前提下尽量减少对通道能力的影响[3]。

虽然目前已经构建施工管理系统并投入使用，实现了施工计划的编制、审批、发布和查询，以及天窗兑现率和利用率的统计分析等功能。但由于系统设计缺乏整体考虑，对施工过程的管理不到位，与施工单位生产管理系统等外部信息缺乏有效交互，很难满足目前对施工管理决策等方面的需要[4]。尤其在天窗安排方面，存在着施工与运输不协调、天窗安排不科学、卡控施工延点不得力等问题。

2 存在问题

2.1 运输通道施工安排不协调

在路网层面，应结合运输需求情况，按照运输需求旺淡季错峰、平行通道错时的原则安排集中修施工和施工天窗。制定具体的主要干线集中修轮廓计划时，受经济变动影响无法掌握真实的货运市场需求，也就无法准确地预测车流去向和组成结构，只能依靠历史方案和货运需求数据作为参考进行集中修施工和施工天窗优化，计划编制质量受到影响。在主要干线施工天窗安排方面，同样存在各条线路之间车流交换、车流密度、施工需求等方面的差异，由于各种因素的影响无法真实地反映时，不可避免地会产生主要干线施工与运输不协调的问题。

2.2 施工天窗安排不合理

对于列车编解作业工作量大的路网性车站、车流交换频繁的枢纽地区、车流密度较大的主要干线、铁路局集团公司间分界站等重要节点和线路，应结合行车设备能力和状况，依据调度指挥和行车组织需要，合理安排施工天窗。对衔接多条线路和方向的枢纽地区，如果施工天窗安排欠妥，会造成枢纽地区接发列车不畅，列车编解效率降低，导致枢纽地区节点局部堵塞。如果由于施工管理人员沟通不足，对相互关联的不同线路或同一线路不同铁路局集团公司分界站间施工天窗时间不一致，将会影响不同线路间或铁路局集团公司间车流交换，降低线路运能利用率，浪费运输资源。

2.3 施工天窗安排不规范

铁路营业线施工是一个多工种、多环节、多人员的联合作业[5]。对于铁路营业线施工天窗安排、国铁集团组织集中修区段非集中修期间的天窗安排、影响繁忙干线运输和干线跨铁路局集团公司运输的施工天窗临时调整等内容，国铁集团规章中均有明确规定。但在实际工作中，仍有作业单位缺乏规章意识、规矩意识、纪律意识，缺少落实集中指挥的大局观念，违反规章规定内容安排施工天窗，对运输组织造成影响。

2.4 重点施工结合不紧密

合并使用天窗可以在一定程度上压缩天窗中的非作业时间[6]。大型站场改造、信联闭改造、列控系统设备改造、大型换梁等重点施工组织难度大、参与作业人员多、个别项目所需天窗时间较长，适宜与日常施工维修作业共用天窗，在主要干线集中修施工阶段实施[7]。主要干线集中修施工由国铁集团根据全年预计运输情况制定集中修轮廓计划，由国铁集团组织协调，统一实行[8]。但在制定施工方案和编制施工计划时，没有综合考虑多种因素影响统筹安排重点施工、集中修施工和施工天窗，出现重复安排天窗、天窗利用率下降等问题，扩大了对运输的影响。

2.5 卡控施工延点不得力

铁路营业线施工有时候会受到天气、地质条件等自然因素，以及施工人员不能完全适应新技术、新设备等人为因素的影响，不能按照调度命令给定的时间完成施工作业，即发生施工延点问题，严重时影响正常的列车运行秩序，给行车组织带来困难。原因主要有施工单位制定施工方案不完备，现场踏勘调研不充分，劳动力组织不合理，施工机具保养不到位；施工现场组织不到位，施工关键环节盯控不彻底，设备管理单位和施工配合单位配合意识不强；专业部门管理作用发挥不足，现场组织和监管检查不到位，对重点环节和关键项点管控力度不足；应急预案缺乏针对性，突发状况处置能力有待提高，出现施工问题时不能迅速优化调整，导致施工延点问题时有发生。

3 基于智能优化的铁路营业线施工天窗系统构建

3.1 业务需求分析

经过多年的经验积累和积极探索，在铁路营业线施工管理方面已经形成了完善的管理模式，制定了全面的规章规定和制度办法。国铁集团、铁路局集团公司、运输站段按照职责分工和管辖范围，依据铁路营业线施工管理办法等文件实施分级管理。在分级管理过程中，集中修施工及施工天窗日期的安排、施工进度监控、施工天窗安排质量、施工计划编制质量等工作，仍然依靠施工计划人员的工作经验安排，不仅要求施工管理人员具有较高的业务水平和丰富的经验积累，还存在劳动强度大、适应性不强、灵活性不高、过程监控不足等问题。受施工管理人员专业素养、路网结构和车流密度、阶段性重点施工、施工现场组织和安全监控强度等各种因素影响，在天窗安排和施工计划编制方面产生了短板或弱项，不可避免地出现了诸多问题，如主要干线施工安排不协调、施工天窗安排日期不合理、施工天窗安排不合规、安排重点施工不合理、施工延点问题控制不力等。施工计划人员对施工天窗安排质量的影响如表1所示。

表1 施工计划人员对施工天窗安排质量的影响Tab.1 Impact of construction planners on quality of construction skylight arrangement

在既有施工管理模式下，除了提高施工管理人员专业素养外，从提升效率、消除短板、补强不足的角度出发，运用已经较为成熟的智能化手段，整合铁路营业线施工天窗管理的需求，构建基于智能化的施工天窗管理系统，纳入并动态完善站场、线路行车设备信息，以满足行车设备维护保养和重点施工需求为基本条件，以最大程度地提供运输能力为目标，迭代优化形成最佳施工天窗安排和施工计划编制方案，并对施工天窗安排和施工过程予以动态监控，发现违规安排天窗、施工延点等问题，自动报警和提醒，以系统自动生成+人工调整优化的方式实现施工天窗合理安排，从而有效地提高铁路营业线施工管理效率和质量。

3.2 功能需求分析

构建基于智能优化的施工天窗管理系统，除需要纳入既有系统的基础业务功能外，还需要新增智能优化天窗安排、人工干预和人机交互、施工过程动态监控和报警等主要功能，形成满足施工需求、提供最大运能的最佳天窗安排方案。基于智能优化的施工天窗管理系统功能需求示意图如图1所示。

（1）天窗安排智能优化功能。以历史运量和施工维修工作完成量等数据为基础，结合枢纽地区和主要干线行车设备状态，以有关文件中天窗安排规定为依据，在挖掘分析天窗安排规律的基础上，建立具有核心计算、分析推理、预测评估、改进优化功能的数学模型，通过自我学习、迭代运算，形成最优天窗安排方案、预测不同天窗安排方案运量完成情况，实现多区间天窗协同优化，使整体影响降低到最小[9]。

（2）人工干预和人机交互功能。提高施工天窗管理系统操作人性化程度，设置人机交互界面，具备人工调整天窗安排方案、调整参数设置、增减影响因子、以多种形式输入输出方案和数据等人机交互条件，并实现与列车调度指挥系统(TDCS)和调度集中系统(CTC)、专业行车设备管理系统间的数据交换功能。

（3）施工过程动态监控和报警功能。通过监控列车运行图上标注的施工表示线，动态监控枢纽地区和主要干线的天窗安排，并与确定的天窗安排方案和天窗安排规定比对，遇有枢纽地区和主要干线天窗安排不一致、违规安排天窗、施工和维修作业延点等问题时，及时报警并发出提示信息。

3.3 系统功能实现流程

（1）基础数据收集与存储。主要包括以下4个方面。一是行车设备信息，主要包括线路类别、单双线、站场性质、到发线，区间线路、桥梁、隧道、涵洞，信号、联锁、闭塞、通信，接触网，车辆，房建等基础数据；二是天窗安排规则，主要包括站场和区间区段划分、规章制度中天窗安排规定、线路之间关联和抵触情况、分界口线路与邻局天窗匹配情况；三是施工需求信息，主要包括集中修施工，大型站改、新线引入等阶段性重点施工，路内各设备单位施工，路外涉铁项目施工需求等；四是车流结构信息，主要包括动车组列车车次和运行时刻、普速旅客列车车次和运行时刻，货物列车对数、迂回径路情况、运输任务等。

（2）搭建基于智能优化的施工天窗管理系统。围绕铁路天窗安排优化目标，以建立智能优化数学模型为核心内容，以完善资料数据库、运输目标任务、阶段重点施工、方案输出展示、人工干预调整、最优方案输出等模块为基本要件，构建基于智能优化的施工天窗管理系统。

（3）系统功能调试与完善。一是从满足业务需求和功能需求的角度出发，使用基于智能优化的施工天窗管理系统自动生成集中修施工年度轮廓施工计划、繁忙干线和主要干线月度天窗安排方案、重点施工天窗安排方案。二是根据系统架构，以枢纽地区和主要干线天窗安排为主线，计算优化形成次要干线、其他线路的天窗安排，必要时人工干预调整形成优化方案，为施工计划编制人员、列车调度员、行车人员、设备单位人员提供作业依据。

（4）测试、验证、完善系统功能。设立不同场景，对施工天窗管理系统的智能优化天窗安排功能、人工干预和人机交互功能、施工过程动态监控和报警功能等主要功能进行测试，验证是否满足需求，及时完善有关功能。

4 结束语

在系统分析铁路营业线施工存在问题的基础上，综合考虑铁路营业线施工天窗安排需要遵循的原则和实践经验，结合大数据、机器学习等先进方法和理念，研究提出基于智能优化的施工天窗管理系统主要功能结构方案，对促进基于智能优化的施工天窗管理系统的研发具有参考价值，有益于推动铁路营业线施工向集成化管理、便利化监督和智能化分析方向发展。