铁路物流装卸机械数据平台及配置计算系统研究

李成洋

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 机械动力设计研究院，湖北 武汉 430063)

0 引言

铁路运输具有能耗低、运量大、成本低等优点，在“一带一路”背景下，铁路运输保障了国际供应链稳定畅通，从中欧班列到中泰铁路(昆明—曼谷)、中巴铁路(新疆—瓜德尔)、中老铁路(昆明—万象)，从公铁联运、水铁联运到空铁联运，“一带一路”的铁路运输网络越织越密，运输频率与运输总量也在逐年递增[1-2]。仅中欧班列在2022 年就开行1.6万列、发送货物160万TEU，同比分别增长9%，10%[3]。

近年来，国际与国内铁路物流运输在国家经济结构调整、产业转型升级的新形势下，都发生了巨大变化[4]，煤炭、钢铁、矿石等传统大宗货物市场需求疲软，而集装箱、商品汽车、散货快运等增长势头迅猛[5]，2022 年国家铁路货运总发送量完成39.03亿t，同比增长4.8%[6]。

为了适应新形势下铁路物流发展，需根据货物品类、运量、集疏运方式、运营费用、货运场地条件等因素配置装卸机械设备。随着装卸工艺的发展，需加快对多式联运[7]、公铁联运[8]、煤运通道、值机系统等新工艺流程的研究。装卸机械种类繁多、计算过程复杂，需保证设计、计算数据的正确性。基于上述需求，进行铁路物流装卸机械数据平台及配置计算系统研究是十分必要的。李鸿战[9]研究了全路货运基础设施布局优化方案，柳影[10]根据MSFLB 方法提出了现代物流条件下铁路货场设计流程。耿明[11]基于数据平台技术，研究了工程设计领域智能协同设计系统。Rajesh[12]采用改进模拟退火算法研究多目标设备布局问题，Chen 等[13]建立了数学模型，采用切片结构技术，研究铁路物流园区的设施布局问题。姚胜永等[14]利用灰色关联度方法，构建量化评估模型，明确铁路物流园区功能等级。唐浩[15]综合平台建设、系统开发、交互接口、终端感知与设备创新等多方面考虑，提出了一种适合我国铁路货运场站的智能化运营管理体系架构。

综上，国内外多针对物流装卸机械设备配置设计方法、布局、方案进行研究，针对铁路物流装卸设备设计标准不统一、智能化不足等现状，深入研究装卸机械配置和计算数据标准，开发适用于工程设计的铁路物流装卸机械数据平台及配置计算系统。

1 系统设计内容及目标

基于浏览器/服务器模式(Browser/Server，B/S)框架，通过功能层和标准库搭建数据平台，采用元数据定向组合技术，辅以计算机软件开发技术，实现铁路物流装卸机械配置计算和工艺设计全过程的参数化、自动化和标准化，具体功能如下。

（1）建立装卸机械设备各设计阶段的数据标准，通过货运机械设备工艺设计数据层次结构，形成统一的结构标准，实现货运机械设备数据标准的建立。

（2）统计装卸机械装卸效率及定员标准的计算标准，对设计规范及经验进行总结，分别建立计算标准以及设计标准数据库。实现对设计人员信息、项目信息以及规范信息的查询功能，同时可根据最新的信息资料在线更新、编辑相应技术规范，实现货运机械设备设计数据管理。

（3）通过总结与整理多种货运机械设备装卸效率和配置标准，制定货运机械设备配置计算模板，并根据项目类型、设计阶段、其他专业设计输入、主要计算标准等信息作为中间数据，通过软件内部计算程序，实现配置数量的智能计算，并输出标准化的计算书。

（4）根据货运机械设备数据库和计算书的计算结果，实现不同项目设备配置、房屋面积及定员、投资概算的智能计算，并定制全过程互提接口资料、投资概算、说明书的文本输出模板，利用文本资料结构化、参数化，实现“一键”直接输出设计成果(包含房屋面积、定员、概算、说明书等)。

（5）实现不同项目设计成果的自动记忆，直接记录在货运机械设备数据库中，并作为设计经验判断接下来设计数据的正确性，通过设计数据的关联、对比、参照，提高设计质量。

2 总体框架

软件基于J2EE 平台的组件技术开发，集合了HTML5 页面技术、Office 控件、CAD 绘图控件及文件库等前沿的中间件和产品，处理从提入资料到互提各个环节的数据，整理出了一套统一的常量、公式、计算规则，并实现了统一接口化管理。

本系统采用B/S 架构，以网络服务器和普通计算机为硬件基础，通过HTML网页开发技术搭建人机交互界面，通过SQL数据库及程序开发实现装卸机械及其辅助设备的配置计算，通过Office 的二次开发实现设计成果的标准化输出。系统总体框架如图1 所示，包括功能实现的界面层、数据层、应用层三层结构，以及外围的项目信息库、知识库、模板库、审核意见库4个标准库。

图1 系统总体框架Fig.1 System overall framework

界面层是系统的人机交互层，包括项目信息列表及分阶段设计界面，能够完成各项目预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图全阶段的辅助设计和计算。数据层是系统的数据关联性、正确性、智能性的判断层，包括分类资料设计参数输入、基于知识库的数据合理性判断、数据管理更新汇总，实现对铁路物流装卸机械的信息数据、配置计算数据、接口数据、成果数据的管理。应用层是设计结果的输出层，基于模板库实现计算书素材、互提资料、说明书和关键数据的标准化输出。

项目信息库用于存储项目的特征信息，既是项目存储的数据主键，又是后续设计资料、设计阶段信息一致性的保证，主要包括项目人员信息、项目建立信息和项目概述信息。知识库是装卸机械相关设计标准、计算指标、设计经验的汇总数据库，主要包括工艺库、公式库、标准库、设备库、定员指标、房屋指标、概算指标，各数据库以工艺库为主导，相互关联，形成知识图谱。模板库是将各阶段各类设计资料经结构化处理(随项目变化数据参数化，标准数据固化)的存储管理库，主要包括设计原则、设计细则、计算书、互提资料、单项概算和说明书。审核意见库是设计资料复核、处审、院审的三级审核记录，完成审核后记录、归档。

3 关键技术

3.1 铁路物流装卸机械数据标准的建立及管理

根据铁路物流中心的货物品类确定装卸机械的主要类型，其中集装箱主箱场装卸宜选用轨道式集装箱门式起重机、集装箱正面吊；集装箱辅助箱场装卸宜选用集装箱正面吊、空箱堆垛机；长大笨重货物装卸宜选用轨道式门式起重机、桥式起重机、汽车起重机及相应索具等；成件包装(散货快运)货物装卸宜选用叉车(配托盘)；商品汽车装卸宜选用汽车装卸平台或专用移动式小汽车装卸机械；散堆装货物装卸宜选用抓料机、装载机。为了保证系统开发过程中数据标准统一，基于装卸机械设备、辅助机械设计数据层次结构，建立预可研、可研、初步设计、施工图各设计阶段机械设备输入、中间、输出数据标准。根据铁路设计全过程和工艺设计参数，数据标准分类如图2 所示，指导程序编制，统一数据平台的规范和标准，实现系统管理信息存储、访问、更新、传递方式的数据一致性，有利于后期建设的延续性和各业务系统间的数据传递。

图2 数据标准分类Fig.2 Data standard classification

以数据标准分类为基础，通过各类元数据在标准范围内的定向流动、组合，形成设计中间数据标准，中间数据再与成果模板结合，形成最终的输出数据标准，主要的数据标准及数据流向如图3所示。

图3 主要的数据标准及数据流向Fig.3 Main data standards and data flow

3.2 铁路物流装卸机械设备配置计算模块

装卸机械设备配置计算是设计的核心内容，关系到铁路物流中心的站场规模、工艺布局、投资概算等，计算得到机械类型、规格型号、设备数量后，可以进一步根据房屋、定员、概算指标以及各类设备对接口专业的要求，研究并总结货运机械设备设计计算书的计算标准，并根据项目类型、设计阶段、其他专业设计输入、主要计算标准等信息作为中间数据，通过软件内部的智能计算，实现货运机械设备设计计算书的标准化输出功能，完成全过程设计。主要装卸机械规格型号及计算指标是计算的基础数据，根据装卸机械规格型号和积累的设计经验，主要装卸机械规格型号及计算指标如表1所示。

表1 主要装卸机械规格型号及计算指标Tab.1 Main handling machinery specifications and calculation indicators

成件包装、笨重、散堆装货物以货品装卸作业量除以装卸效率即可得到数量，但集装箱货物最为复杂，具体公式[16]如下。

式中：Ni为日均到达箱数或发送箱数或中转箱数或辅助箱区各类箱数，TEU；Qi为年到达箱或发送箱或中转箱或辅助箱区各类箱货运量，万t；α为集装箱运量的波动系数；q为集装箱平均净载重，t。

式中：N主为主箱区日均作业箱数，TEU；N到为到达箱的日均作业箱数，TEU；N发为发送箱的日均作业箱数，TEU；N中为中转箱的日均作业箱数，TEU。

式中：Ci为装卸机械配置数量，台；z为集装箱平均装卸次数；Pi为装卸机械作业指标，TEU/h；Ti为装卸机械日均作业时间，h。

最终系统通过输入标准表格经调运量、取用不同品类货物装卸系数、取用不同机械装卸效率、取用计算常量、读取公式库内公式、输出计算结果6 个步骤，实现计算模块的开发。

3.3 全过程辅助设计技术

实现装卸机械设备配置计算后，基于互提接口资料、投资概算、说明书的结构化、标准化、参数化，开发全过程设计成果的智能输出功能。研发了装卸机械工程全过程辅助设计系统，该系统通过HTML、jQuery 语言，结合AutoCAD、Office插件，将用户输入、协同设计资料形成货运设备计算书，再通过货运设备计算结果，生成设计原则、设备表、房屋面积表、定员表、构筑物表、用电量表等中间成果，再结合互提资料、投资概算、说明书素材模板，形成输出成果，全过程辅助设计中各资料模块化关系如图4所示。

图4 全过程辅助设计中各资料模块化关系Fig.4 Modular relationship of data in the whole process aided design

研究并建立的货运机械(包括装卸机械及货运辅助机械)网络化数据库，实现对全过程设计数据的记录和管理，通过数据的记忆性、关联性，直接实现设计成果数据的自动记录，智能定制项目的计算标准及设计标准，保证设计数据的正确性。

通过数据库层的数据采集、系统设计管理、中间成果、数据模板、输出成果管理，实现铁路物流项目设计的“大数据”存储，并作为设计经验，用于判断后续设计数据的正确性，通过设计数据的关联、对比、参照，提高设计质量。系统网页界面如图5所示。

图5 系统网页界面Fig.5 System web interface

4 结论

通过提出装卸机械设备配置计算和工程全过程设计数据层次结构，建立元数据定向驱动和组合标准，嵌入各类装卸机械的配置计算规则，开发了铁路物流装卸机械数据平台及配置计算系统。系统能够应用于物流装卸机械工程项目的全过程设计，智能计算设备选型、配置数量、房屋面积、定员等中间成果，再结合接口资料、投资概算、说明书的标准化、结构化模板，输出设计成果。

（1）通过本系统的关键技术研究，搭建了适应当前铁路物流发展形势的装卸机械数据平台，实现了货运机械设计经验、计算指标、设计标准的智能查询与管理，通过数据的记忆性、关联性，智能定制项目的计算标准及设计标准，保证设计数据的正确性和全过程阶段的一致性。

（2）采用B/S 架构开发的铁路物流装卸机械全过程辅助设计系统，包含界面、数据、应用三层结构，项目信息库、知识库、模板库、审核意见库4个标准库，以数据标准为基础，实现全过程设计成果的标准化输出，提高设计文件质量、避免人工错误、降低重复工作量，快速响应标准变化，实现了高质量、高效率、网络化、计算机辅助的铁路物流装卸机械设计模式。