重载铁路智慧车站架构与功能设计研究

宋宗莹，张红亮

SONG Zongying1, ZHANG Hongliang2

（1.中国神华能源股份有限公司 调运部，北京 100011；2.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044)

(1.Dispatching and Transportation Department， China Shenhua Energy Company Limited， Beijing 100011， China；2.School of Traffic and Transportation， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

1 重载铁路智慧车站总体架构设计

1.1 功能需求

智能化技术已经渗透到社会各行各业，铁路作为影响国家命脉的重要运输方式，亟需充分应用智能化技术，以把握市场需求，提升运输效率，降低运输成本，保障运输安全，降低劳动强度[1-4]。由于列车编组数量的增加，重载铁路完成相同的到发、调车、装卸等作业耗时较普通列车增大，同时车站站坪长度的延长也使作业人员走行距离更长，车站管理难度更大。因此，重载铁路对智能化升级的需求更加强烈。通过重载铁路智慧车站总体框架和功能配置设计，可以加快推动我国重载铁路智能化发展。

重载铁路车站生产与管理难度较大，因而降低重载铁路车站人员作业强度，减少作业差错，提高车站作业效率与安全性是重载铁路车站智能化发展的最终目标。因此，除构建车站班计划、阶段计划编制，列车到发、机车出入段、牵出线调车等常规智能化生产系统，还需要建立智能环线装车调车、智能组合分解调车、智能翻卸、智能车机联控、智能防溜及智能列尾管理等重载铁路智能化系统，以及排班、交接班、技能培训等岗位人员智能化管理系统，以实现重载铁路车站运营管理的自动化、智能化。

重载铁路智慧车站应包括智能感知、智能互联、智能计算、智能控制及智能管理等核心功能。①智能感知是重载铁路智慧车站的基础，通过多种传感技术，监测重载铁路车站的设备状态、作业过程、人员工作情况等信息，实现关键设备与作业流程的实时监测与预警。②智能互联是重载铁路智慧车站各系统间的媒介，基于5G，Wi-Fi，Zigbee 等融合组网技术[5-6]，连接各个传感、控制与作业设备，实现设备间信息的实时交互，完成监测信息的实时传输。③智能计算是重载铁路智慧车站的核心，是车站的“智慧大脑”。以《车站行车工作细则》为依据，实现车站业务逻辑的智能判断与预测。④智能控制是重载铁路智慧车站的执行机构。基于智能计算、自动驾驶等技术，按照车站阶段计划规定时刻，通过相关设备与系统，控制列车接发、调车等作业的执行。⑤智能管理通过智能排班、智能交接班、智能培训等智能化管理手段，均衡劳动强度，减少交接差错，提高职业技能，实现车站的平稳运营。同时，通过对车站运营数据的统计分析，提出车站作业与管理优化建议。

1.2 总体架构

根据重载铁路智慧车站智能化需求，将智慧车站划分为智能化基础平台、车站智慧大脑、智能业务系统、智能管理系统4 个层次，分别实现车站各层面的智能感知、智能决策、智能交互、智能控制及智能管理，最终达到车站运营与管理的智能化。重载铁路智慧车站总体构架设计示意图如图1所示。

图1 重载铁路智慧车站构架设计示意图Fig.1 Architecture design of smart station of heavy-haul railway

在重载铁路智慧车站构架中，智能化基础平台是根基，其目标是为车站智慧大脑、智能化业务、智能化管理等系统提供感知、定位及网络等基础支撑；智慧大脑通过基础平台感知数据、各业务平台反馈数据进行计算、推理，对照班计划与阶段计划时刻，实现车站各项作业的智能部署与调整；智能业务系统则通过重载铁路车站各项作业的智能化，以减少作业差错，减轻作业人员负担；智能管理系统，实现车站各生产岗位人员前后班组间的作业交接，以及职业技能提升等目标。

2 重载铁路智慧车站功能设计

2.1 智能化基础平台

智能化基础平台是重载铁路智慧车站各项功能实现的基础，为重载铁路车站各项智能化业务系统提供监测与感知、互联网络、综合定位等基础功能。

（1）全方位实时监测与感知系统。全方位的实时监测网络是实现智能感知的基础，基于重载铁路车站列车接发、组合分解、调车及装卸等作业感知与控制需求，以及作业环境的感知需求，采用多种监测技术，构建重载铁路车站全方位实时监测网络，实现关键设备设施、作业过程、作业人员轨迹、自然环境的监测与感知，为重载铁路智慧车站的智能决策及控制提供感知数据。

（2）泛在互联的车站网络系统。泛在互联是智能感知与智能控制信息传输的媒介。基于5G，Wi-Fi，Zigbee 等物联网技术，应用多链路、高可靠互联通信装置，组建泛在互联的车站网络系统，实现车站设备设施及系统间信息的互联互通，满足重载铁路车站信息传输的高可靠性要求。

（3）多方式融合的实时精准定位系统。对车站作业人员、设备的精准定位，是实现智能控制的基础。其中，固定设备可以采用高精度定位装置一次性测量完成，移动设备实时精准定位是难点。为此，需要融合北斗卫星导航技术，GPS，5G，Wi-Fi 等综合定位技术，研制适应车站复杂环境的实时精准综合定位装置，构建多方式融合高精度定位系统，实现机车车辆等移动装备及作业人员的精准定位，为车站作业智能控制提供实时、精确的位置信息。针对货车等无源移动设备，需要基于机车车辆车体数据等信息，研究其高精度的定位算法。

（4）开放型车站运营场景数字孪生系统。对移动装备作业过程的控制(如列车到发、组合分解、调车及装卸等作业过程的控制)是实现重载铁路车站智能化的关键。作业过程控制中，除了作业主体、客体及起讫时刻等信息外，还需要车站站线、曲线、道岔、坡度、目标位置等车站站场的数据信息。为此，需要基于BIM，GIS，可视化及网络等技术[7-8]，构建与实际车站股道、信号机、警冲标、曲线、道岔、联锁以及轨道电路等设备对应的虚拟车站，将《车站行车工作细则》中的车站技术设备信息由文本描述转换为数字信息，形成复制实体车站的运营场景数字孪生系统，为智能作业控制提供站场数据信息及状态场景。此外，数字孪生系统还需要实时在线与铁路局集团公司的智能调度、车站智慧大脑、智能监测等系统进行信息交互，确保数字孪生系统状态与现场保持同步，确保车站智能控制信息准确可靠。

2.2 车站智慧大脑系统

（1）智慧大脑子系统。智慧大脑子系统需要包含重载铁路车站工作组织理论方法和《重载铁路技术管理规程》《重载铁路行车组织规则》《重载铁路车站行车工作细则》等规定，以及各项业务间的逻辑与时空关系、重载铁路车站实时智能监测与智能调度系统数据等信息。以重载铁路车站运输计划中各项作业的兑现率为目标，实现重载铁路车站作业计划智能调整功能和车站各项作业的智能预测、调整与预警，保证车站各项作业有条不紊地执行，降低车站值班员、调度员等职工的工作强度。

（2）智能交互子系统。智能交互子系统是智慧大脑与各系统间沟通的桥梁。智能交互子系统基于重载铁路车站业务、管理、监测、控制等系统间的逻辑关系，实现涵盖重载铁路车站内部设备及业务系统之间、车站与车站之间，以及车站与调度部门之间各种信息的自动分发与接收。

2.3 车站智能业务系统

考虑到重载铁路沿线车站类型多、规模及办理业务差别较大等因素，使用功能模块化的方式设计车站智能业务系统，能够根据不同重载铁路车站作业需求进行灵活配置，以简化智能业务系统的部署。除配置智能计划编制、智能接发车、智能调车、智能货运、智能设备管理及智能安全管理等常规智能化模块外，还需根据重载铁路需求特点，配置以下智能化模块。

（1）智能环线装车模块。重载铁路运输的大宗物资多采用环线筒仓装车方式，对装车作业过程控制精度要求更高。为此，基于智能化基础平台，构建智能装车模块，实现装车作业智能交互与装车过程智能控制功能。根据空车到达信息，按照装车业务流程，将列车作业信息在车站值班员、货运员、商检员、调车组及选煤(矿)场调度员等间智能流转，以实现列车装车作业过程的跨部门、跨岗位通力协作；基于智能化基础平台及智能化漏斗装车系统信息，动态调整机车输出功率，实现装车作业过程的平稳运行，以及异常情况下的智能调整，以减轻车站相关作业人员的劳动强度。

（2）智能防溜模块。基于智能化基础平台，研制具有高定位精度与网络功能的智能铁鞋，配以具有状态自检测及网络功能的智能货车，构筑车站智能防溜模块，实现对停留车列两端货车手闸的制动与缓解、铁鞋放置与撤除等防溜措施的智能监测。同时，与智能接发车、智能调车等智能化作业模块配合，在列车到发、调车作业前后，适时对停留车列是否需要采取防溜或防溜措施是否需要撤除给出智能提示，以减少现场作业人员的反复改写占线板、控制台信息频次，避免人为因素失误造成出现错放、错撤等安全事故的发生。

（3）智能列尾管理模块。为确保重载列车的完整性，重载列车尾部均要挂装列尾装置。对于重载铁路的装车、卸车及组合分解站，列尾装置的安装、拆卸及取送作业需求较大。基于车站智能化基础平台，研制具有高定位精度与网络功能的智能列尾装置及智能管理模块，配合智能接发车、智能调车等功能模块，实现对列尾装置的摘除、挂装等作业的智能管理，以减轻作业人员负担，防止漏摘、漏挂等风险出现。

（4）智能翻卸模块。重载列车由于单列运量大，对卸车效率提出更高的要求。与智能装车模块的信息智能交互功能相似，智能卸车模块首先根据重车到达信息，根据卸车流程，实现卸车信息在车站值班员、货运员、商检员、调车组及港(矿或厂)调度员等间的智能流转，以确定卸车股道、卸车时机，并组织相关人员到岗；进而，基于智能化基础平台感知信息及机车自动驾驶，实现翻卸对位作业的智能化控制，以压缩对位作业时间，提高翻卸效率。

（5）智能车机联控模块。基于机车自动驾驶及高精度定位系统，在列车运行接近或离开车站及调车作业时，自动将列车信息传递给车站智能化行车系统，智能行车系统根据收到的信息，自动给出相应回复，以减少信息传递差错，降低机车、调车乘务人员劳动强度。

（6）智能组合分解模块。根据车站组合、分解作业计划，基于智能化基础平台的高精度定位、智能感知及泛在互联与机车自动驾驶模块，实现组合作业过程信息的智能交互，机车车辆的自动化控制，以压缩组合作业时间，减轻调车人员作业强度。

2.4 车站智能管理系统

车站智能管理系统包含智能交接班、职工排班、职工培训及车站运营数据分析与挖掘功能，可以减少班组交接差错，均衡职工劳动强度，提高职工职业技能。

（1）智能排班模块。根据重载铁路车站班组划分及人员配置情况，参考国家人力资源与社会保障部相关法律法规，实现职工个人及班组班制的智能管理与调整，以及职工年假、节假日休假与排班信息的智能管理与维护，并按车间、班组或个人预设或查询应休年假等功能，对职工排班、休假做出智能安排。

（2）智能交接班模块。在梳理重载车站背景下各岗位、各工种工作内容、工作流程及车站总体运行关键状态的前提下，提取各岗位工作的关键词及量化标准，通过智能化设备自动采集职工出、退勤信息。在两班职工交接班时，通过智能交接班系统进行简单点击选择，即可以完成班组间关键信息的交接，实现车站班组间的平稳交接。

（3）智能培训模块。基于重载铁路车站智能化平台、智能业务系统数据及虚拟化技术，研制车站岗位职工培训教程与案例库，训练职工操作能力，完成岗位培训。智能培训模块能够根据现场作业的季节性、重大事件等发展形势，提出智能化培训建议及培训方案。

（4）智能分析与优化模块。基于重载铁路车站各项运营数据，实现智能车站各项数据的统计分析与挖掘，分析指标异常情况及原因，为车站作业的优化提供数据支撑。

3 结束语

智能化场景下，设计重载铁路车站构架与功能配置雏形方案，能够提升重载铁路车站作业质量，提高车站资源利用效率，进一步促进车站的科学化管理，对重载铁路的智能化发展具有重要参考价值。为了实现智慧车站的功能落地，还需要基于车站的业务需求，进一步地研究具体的技术方案，研制相关装置，开发智能化系统，将不断涌现的智能化技术应用到重载铁路。