铁路集装箱堆场智能管理关键技术研究

于雪峤，叶 飞，王丹竹，席江月，许植深

(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)

近年来，铁路集装箱运量始终保持30%以上的高速增长，随着铁路服务网络、质量、能力的不断提升，铁路集装箱运量将进一步大幅提升，这对铁路物流节点服务水平与效能提出了更高要求。面对外部日益增长的运输需求和内部管理精细化的服务需要，应充分运用智能化技术装备以提高集装箱物流节点的服务水平与效能，助力推进现代流通体系建设[1]。集装箱堆场运营管理是铁路集装箱场站运营管理的核心，围绕着集装箱场站运营提质增效，国内外学者展开了丰富的研究，主要集中在场站堆存能力优化[2]、装卸设备调度[3]、设施设备配置[4]、功能区布局[5]、班列开行[6]等方面，还应结合铁路集装箱场站运营管理现状及问题，设计集装箱堆场智能管理技术体系架构，提出基于智能化技术装备的铁路集装箱箱位智能指派方法，优化铁路集装箱堆场运营管理模式。

1 集装箱堆场智能管理技术体系架构设计

1.1 现状分析

铁路集装箱堆场智能管理需要信息系统的支撑，随着铁路货运系统的整合优化，目前集装箱业务均采用计算机进行制票、装车、集装箱动态管理、统计、日常报表等工作，极大提高了现场工作效率和管理水平。但是，目前在集装箱堆场运营管理中，仍然存在作业信息以手动录入、作业方案以人工决策为主的现象，原因之一在于目前信息系统对现场作业指导、数据采集分析的支撑不足，降低了集装箱堆场运营管理的服务水平与效能，不利于铁路集装箱运输的高质量发展。

（1）现场作业信息化程度有待提高。一是随着运输需求的提升、运输产品的不断丰富，目前铁路集装箱堆场管理以人工管理为主的方式已经不能满足高质量发展要求。信息化技术支撑不足，不能实时反馈及追溯集装箱作业信息，而且存在集装箱堆存信息易出现错漏等现象。二是作业信息交互渠道仍需优化建设。目前大部分集装箱场站作业信息仍然以外勤货运员“班前会”等形式下发，效率较低且存在信息传递不及时或出错的问题。三是大部分门吊虽然已经加装了超偏载传感器，但缺乏对采集信息的分析决策，导致集装箱箱态仍以人工管理为主，存在空重误挂的安全隐患。

（2）智能运营管理支撑不足。一是在具体生产作业过程中，仍存在信息化、智能化程度不够导致作业效率与准确度较低的问题，如在集装箱选箱环节，仍需要人工选箱后再补录到系统中，易出现因人工疏漏造成信息不符情况；二是铁路货运场站缺乏相对面向现场作业的智能管理系统，现场作业报表仍以纸质人工填报为主，作业效率和质量有待提升，而且并未对作业数据进行有效统计分析，不能充分发挥统计指标对现场方案决策的支撑作用；三是铁路集装箱场站多式联运比重仍然相对较低，不能实现与其他运输方式信息的实时交互，无法实现船期、班列时刻表的协同优化，制约了铁路场站的联运能力。

因此，为了适应集装箱运输的快速发展要求，针对铁路集装箱场站现状，以系统提升铁路集装箱堆场运营管理智能化水平为目标，在硬件支撑方面，设计包括铁路集装箱堆场、铁路侧出入口、公路侧出入口等关键智能运营主要节点设施的关键技术装备应用方案；在管理运用方面，通过分析比较不同堆存策略的规则以及优势、劣势，探讨箱位智能指派优化方法，为铁路集装箱堆场高质量运营管理、建设铁路现代流通体系提供支撑。

1.2 智能运营管理体系架构

铁路集装箱堆场智能管理是一个复杂的系统工程，为了提升堆场的堆存能力、作业效率，不仅需要优化堆场的堆存策略，还应从硬件设备、运营平台、管理技术等多方面进行优化。在硬件设备方面，铁路门架、公路门闸、装卸设备等方面实现列车、集卡信息、集装箱信息、作业信息的自主采集，与智能管理系统共同搭建集采集、决策、执行、反馈于一体的闭环管理体系，实现车辆/列车在通过门架后自动识别车号、箱号、运输需求等信息并上传给管理平台，计算决策作业方案后由智能化装卸设备执行，再将执行结果反馈给管理平台。铁路集装箱堆场智能管理体系架构如图1所示。

图1 铁路集装箱堆场智能管理体系架构图Fig.1 Architecture of railway container yard intelligent management system

铁路集装箱堆场的智能管理应按照信息源构建—信息对称—方法设计—设备支撑的发展思路，以信息采集—数据处理—决策支持—方案执行—结果反馈为建设路径全面发展。因此，应结合智能化技术装备，实现堆场数据信息由人工手动录入向机器自动识别、作业方案由人工经验判断向系统智能决策的转变，涉及到的技术装备主要包括与数据信息采集识别相关的电子标签、阅读器等设备；与堆场内集装箱定位相关的RFID设备；与车辆/列车进出信息采集相关的门架摄像头、传感器等设备和与场内数据交互的无线传输设备等。通过上述硬件装备，结合集装箱堆场箱位智能优化管理方法，实现铁路集装箱堆场的智能管理。

2 铁路集装箱堆场箱位智能指派方法

2.1 业务特征分析

铁路集装箱堆场箱位智能管理的本质是铁路集装箱堆场堆存资源的合理利用问题。从集装箱堆场运营层面来看，主要包括以下作业场景：集装箱由堆场装上列车、由堆场装上集卡、从列车上卸至箱场(部分场站存在对装卸问题，可能将其直接卸至集卡)、从集卡上卸至箱场，以及在堆场内由于盘点、压箱导致的集装箱搬移。对于上述不同种作业场景，集装箱堆场箱位智能指派的目标均是如何提升堆存资源的合理利用问题。对于从外部向箱场卸箱的情景，重点应考虑集装箱箱位堆存空间资源的合理利用，指派最优的码箱位置；对于从箱场向外部装箱的情景，重点应围绕装卸设备的资源调度，分配最优的作业方案。

通过分析集装箱堆场的业务特征，可以将其业务归纳为铁路装车、铁路卸车、公路装车、公路卸车、场内搬移等5种业务场景，进一步结合堆场、轨道、公路等设施，可以将业务场景归纳总结为集卡/列车—箱场、箱场—集卡/列车、箱场—箱场3类，根据每类场景的作业需求特征，分别总结其智能管理优化目标及方法。

2.2 优化目标

（1）集卡/列车—箱场—均衡管理。当重集卡或重车通过门闸进入集装箱堆场后，即集装箱由外待卸至堆场堆存时，由门闸将车牌号、车号、顺位号、集装箱箱号等信息传递给智能管理平台，对于以门吊为主要装卸设备的堆场，应注重均衡各门吊负责区域、各箱区的作业量，以充分利用堆存空间并提高装卸作业效率，同时应注重集装箱属性关系，尽量优化箱位自由度，减少因压箱导致的倒箱作业。

（2）箱场—集卡/列车—高效作业。当空集卡或空车进入集装箱堆场取箱时，即集装箱由堆场向外装卸时，由于在集装箱堆存时已经考虑了各门吊作业均衡、集装箱属性一致等信息，因此当制定装(列)车方案时，应重点考虑装卸效率最大化问题。在集装箱由箱场向集卡/列车装卸时，其本质问题变为集装箱搬运过程或装卸机具作业径路的广义最短路径问题，以降低作业成本，提升作业效率。

（3）箱场—箱场—高效作业。当集装箱堆场因盘点或压箱需要在箱场内部搬移时，同样需要考虑场内各装卸机具作业均衡问题，且在制定搬移方案时，需要考虑集装箱属性对集装箱箱位的影响，尽量减少因场内搬移造成新的集装箱压箱问题。

铁路集装箱堆场堆存方案优化思路如图2所示。

图2 铁路集装箱堆场堆存方案优化思路图Fig.2 Optimization of railway container yard stacking scheme

2.3 优化方法

基于不同作业情景，针对不同堆存模式、场站生产调度指挥需求，集装箱堆场运营管理优化可以采用以下方法。

（1）以基于集装箱属性判断规则的铁路集装箱堆场箱位自由度最高为目标，设计遍历搜索算法。在此条件下，每当有集装箱从列车或集卡卸至堆场，结合不同场站的码放顺序，会影响箱场箱位的总体自由度或压箱数。因此，通过设计搜索判断算法，循环计算每一个单箱入场对箱场的影响，可以求得每一个单箱对集装箱堆场自由度或压箱数影响最小的方案。在对集装箱堆场箱位遍历搜索的过程中，应重点考虑集装箱属性、作业类别等因素对优化目标的影响[7]。

（2）以集装箱堆场压箱数最少为目标，应用最优化理论对铁路集装箱箱位进行指派方案的智能决策。这种方法针对不同集装箱类别作业性质、箱位指派需求不同，根据在列车上等待卸车的集装箱、在堆场等待装车的集装箱和待中转箱等不同类型集装箱对堆存空间的要求，以及同属性集装箱尽量堆存于同一堆垛等堆存约束，构建基于箱位均衡—压箱数最少为目标的混合整数规划模型，该类问题通常存在非线性规划、变量组合规模巨大的特征，因此，多以启发式算法对问题进行求解[8]。

3 铁路集装箱堆场关键设备应用技术

为了支撑铁路集装箱堆场堆存智能指派方法，需要通过智能化硬件设备提升铁路集装箱场站信息化水平，主要包括集装箱堆场信息、公铁出入口信息、集装箱作业信息的实时记录，以实现堆场关键要素数字化管理。

3.1 堆场集装箱定位技术

铁路集装箱堆场定位技术应考虑集装箱堆场规模和装卸设备的影响。从堆场规模来看，铁路集装箱堆场均沿铁路线建设，且其不存在前方堆场和后方堆场的划分，堆存规模与设施设备配置远小于港口堆场；从装卸设备来看，集装箱堆场所用设备主要为龙门吊和正面吊，且集装箱设备规整、按箱位摆放，在堆场有限空间内对于定位精度的要求较低，因此其定位可通过装卸设备实现。

由于集装箱具有一般金属特性，通过磁钢等定位技术难以解决集装箱间的信号干扰问题，因此难以采用传统的电子信号传输定位技术。可以通过基于堆场无线通讯的图像识别技术确认龙门吊或正面吊集装箱箱号，并进一步通过分析装卸设备的位移记录集装箱位置信息的变化。

目前，大规模的铁路场站均以龙门吊作为主要的装卸设备，以正面吊、叉车等作为辅助装卸设备。针对龙门吊沿其轨道运行的作业特征，以尽端式堆场为例，可以在尽端处设立水平方向(x)和竖直方向(y)的参考原点，根据门吊相距原点的水平位移，结合吊头在垂直方向(z)的位移，确定作业后的集装箱位置信息并通过场内无线通讯设备反馈作业信息执行情况。龙门吊定位示意图如图3所示。

3.2 铁路侧堆场出入管理技术

图3 龙门吊定位示意图Fig.3 Positioning diagram of track crane

铁路集装箱堆场的铁路侧出入口是列车通过的唯一通道，通过对铁路侧出入口集装箱信息的实时采集，结合(预)确保信息即可提前制定集装箱装卸计划并更新集装箱堆场信息。通过铁路侧出入口的集装箱数量较多，并且要求采集设备能够识别运动状态中的数据信息，考虑列车推送作业或进入咽喉后一般速度较低，结合阅读器识别能力与精度，可考虑采用线阵相机采集与RFID设备识别相结合的方式，通过内部生产系统相连通以关联车次车号，匹配作业信息与运输信息。铁路出入口智能管理系统示意图如图4所示。

图4 铁路出入口智能管理系统示意图Fig.4 Schematic diagram of railway entrance and exit intelligent management system

由图4可以看出，采用线阵相机采集与RFID设备相结合的方式，可以有效解决集装箱列车一次通过需要采集数据较多的问题，通过阅读器和线阵相机识别集装箱信息后，存储于场站智能作业管理系统。针对需要在运动过程中识别数据信息的要求，可以根据设备选型的技术特征，限定列车通过速度并应用双线+双阅读器模式确保采集信息的准确性，结合线阵相机识别的数据比对无误后上传作业系统记录集装箱数据信息。当列车通过铁路侧门架后，自动触发信息采集设备，并将采集数据回传系统后作为装卸火车的依据，系统即可根据运输需求信息自动编制装卸列车方案与计划。

3.3 公路侧堆场出入管理技术

铁路集装箱堆场公路侧出入口是确保集装箱堆存安全、记录集装箱进出站信息的重要闸口，通过识别集卡、车牌号等信息自动分析集卡进出站作业类别与需求，以便进一步制定装卸汽车方案。公路出入口智能管理系统示意图如图5所示。

图5 公路出入口智能管理系统示意图Fig.5 Schematic diagram of highway entrance and exit intelligent management system

由图5可知，与铁路侧门闸类似，同样采用线阵相机+阅读器的模式实现数据信息的实时动态采集，通过复核2种模式采集的数据信息确保数据准确性。集卡司机通过输入集卡车牌号、集装箱箱号、运输需求后预约进场，数据比对信息无误后由智能管理系统发送放行指令，并将集卡车牌号、运输公司信息、箱内货物信息、集装箱运输目的地、集装箱预计返场时间等进行采集并上传。通过阅读器加线阵相机相复核的模式确保采集信息的准确性，当信息采集比对结果不一致时，应由人工以线阵相机采集图片为准输入正确信息。当集卡通过公路侧门架后，通过比对预约信息与实际信息确认集卡进场运输需求，系统自动分析生成装卸汽车方案并推送给集卡司机。

4 结束语

合理应用智能化技术装备对于提升铁路集装箱堆场运作效率、减轻现场职工劳动强度具有重要意义。通过定性分析铁路集装箱堆场箱位智能指派方法可以有效提升铁路集装箱堆场堆存能力与作业效率，结合智能化技术装备提出的关键设施布设方案可以有效实现铁路集装箱堆场关键信息的自主采集，为提升铁路集装箱堆场信息化水平提供决策依据。随着铁路集装箱业务的进一步发展，应重点研发结合现场生产环节作业的智能管理信息系统，实现作业方案的智能决策、智能执行和智能反馈。未来可以针对5G通讯、数据发掘、人工智能等新技术，优化铁路场站作业流程与人员岗位，进一步提升集装箱场站对铁路集装箱发展的支撑作用，助力构建现代流通体系。