基于移动终端的集装箱装卸计划自动生成方法与应用研究

李 楠，孔庆玮，吴志伟，金黎明，罗志友

(1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；3. 中国铁路上海局集团有限公司 芜湖东站，安徽 芜湖 241007)

集装箱运输是我国铁路发展现代物流的重点任务，具有快捷、高效、安全、节约成本的特点。截至2022 年，我国铁路集装箱发送量年均增长22.4%，增长速度远超过整车运输[1]。中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)在全路大力建设集装箱货场，集装箱场站作业量大幅提高，这对提高装卸作业效率、优化作业流程、加速集装箱周转率提出更高要求。《“十四五”现代物流发展规划》(国办发〔2022〕17 号)中提出，要加快推进物流智慧化改造，加速推进物流技术装备与智慧管理技术建设[2]。运用先进信息技术手段，建立健全、可靠的集装箱信息化管理体系，已经成为铁路货运领域关注的重点问题[3]。然而，既有的大多数铁路货运场站并不具备完善的硬件设备支撑，仅有部分信息化程度较高的集装箱中心站具有完备的装卸设备、智能识别设备、定位设备，可以支持装卸作业智能化指挥。大多货运场站信息化程度不足，还存在纸质管理、流程混乱、计划与实际作业脱节、先作业后补录的问题[4-5]。为了提高集装箱装卸设备利用率、提高货场整体运营能力，研究基于移动终端，设计并实现了一种集装箱自动装卸派班方案，在装卸作业前生成合理可靠的装卸计划，用装卸计划指导生产作业，以达到规范作业流程、提高作业效率、避免资源浪费的目的。

1 集装箱装卸计划现状分析及衡量标准

1.1 集装箱装卸作业现状

我国铁路运输企业、科研机构对集装箱信息化管理开展了大量探索实践。目前铁路集装箱管理运用集装箱运输信息系统[6]，实现了集装箱在途追踪、车货匹配等功能，但集装箱运输信息系统大多数功能主要针对在途集装箱运输，对于集装箱场站内作业的信息化支持程度不足，无法涵盖集装箱场站内作业全流程。中国铁路上海局集团有限公司铁路集装箱物流园区信息管理系统在集装箱运输信息系统的基础上做了优化，提出利用人脸识别模块进行作业人员管理，并利用手持机进行装卸派班[7]，确保派班人员在岗，避免漏派、误派，提高了集装箱物流园区内人员、设备管理规范性。中国铁路哈尔滨局集团有限公司设计了货运装卸设备管理系统[8]，将园区内装卸设备进行数字化管理，便于装卸作业前依据设备位置、检修状态等设计更为合理的装卸计划。这些探索为集装箱场站数字化管理奠定了基础，但在装卸流程优化与装卸计划制定层面，依旧多为人工制定计划，以及在实际作业时对计划进行补录，缺少自动化、智能化的计划辅助决策。同时，受限于场站内智能识别设备、定位设备的数量，作业计划人员需要人工统计大量箱区箱位、装卸设备等信息，计划制定效率较低。

考虑现有集装箱货场在少量手持机下作业的实际情况，研究一种基于移动终端的集装箱自动派班计划模式，以满足大部分集装箱场站作业。其中集装箱的自动派班结果可以从准确性和可用性2 个方面进行验证。

1.2 集装箱场站装卸作业种类

集装箱在场站的装卸作业大体可以分为落箱、取箱、装箱、卸箱4 类。落箱是将集装箱落在箱位上，取箱是将集装箱从箱位上取走，装箱是将集装箱从指定位置装载到火车上，卸箱是将集装箱卸到指定位置[9]。

1.3 集装箱装卸设备种类

针对不同的集装箱装卸设备，取、落箱的装卸过程也不相同。集装箱装卸设备大体可以分为正面吊设备和龙门吊设备。正面吊设备易从外侧进行取、落箱作业，支持少量翻箱作业；龙门吊设备易从上层进行取、落箱作业，支持处理码放在里层的集装箱。

1.4 集装箱装卸计划衡量标准

通过对集装箱货场的调研，集装箱装卸计划的优劣可以通过装卸计划的准确性和可行性2 个方面衡量。集装箱装卸的自动派班设计，要求在满足装卸计划准确性的条件下，尽可能地提高装卸计划的可行性。

（1）装卸计划准确性。装卸计划准确性是指在不考虑作业效率的情况下，现场作业人员严格按照装卸计划进行作业时，能否正确地对当日存在运输需求的集装箱进行装卸派班，并将集装箱交付给客户。装卸计划的准确性由2 个因素决定，一是场站内箱区箱位准确，要求对场站内集装箱的箱位维护准确、集装箱的状态维护准确；二是场站内股道火车位置准确，要求场站内定位设备采集首车位置。

（2）装卸计划可行性。装卸计划可行性是指集装箱派班是否可用，是否方便现场作业人员进行装卸作业，减少了现场翻箱的工作量。在不同的业务场景下，可行性的衡量标准不完全相同。同时，不同场站、人员的作业习惯都会对可行性产生影响。

2 集装箱装卸计划自动生成设计

集装箱装卸计划的自动生成主要从基础条件和业务逻辑2 个方面研究，其中基础条件影响装卸计划的准确性，业务逻辑影响装卸计划的可行性，集装箱自动装卸计划逻辑框架如图1 所示。基础条件主要有箱区箱位和首车定位。其中箱区箱位包括合理的箱区箱位设计、集装箱位置真实准确。首车定位包括接车对位位置真实准确、股道中其他车辆与箱位的对应位置真实准确。业务逻辑主要有落箱作业、取箱作业、装箱作业、卸箱作业。通过对各个作业的流程分析，设计派班算法模型，准确地将派班需求与装卸建议方案通过算法实现，指导现场装卸作业。

图1 集装箱自动装卸计划逻辑框架Fig.1 Logical architecture of automatic loading and unloading plan

（1）箱区箱位。针对集装箱的存储类型，箱区可以分为重箱区、空箱区、装卸区、危货区等；针对集装箱的箱型类型，箱区可以分为大箱区、小箱区。车站对箱区管理的越细致，落箱约束越多，自动派班的可行性越高。箱区箱位的绘制，需要能够真实反映实际场站的位置关系，按照实际股道长度及箱区箱位大小等比例绘制。通过手持机定位盘点功能，将实际箱位的集装箱信息采集校准。绘制准确的箱区、场内集装箱落箱位置的校准，保障了装卸计划的准确性。

（2）首车定位。首车定位是指通过手持机的定位功能，采集股道内首车的停放位置。通过首车位置与车辆换长信息，精准计算出每个车辆的实际位置，再根据箱区实际大小等比例换算，获得全部箱区箱位与火车的相对位置关系。准确的首车定位，保障了装卸计划的准确性。

（3）落箱作业。落箱是指客户进入箱区还集装箱作业，具体可以分为落空箱和落重箱。车站人员在审核客户的进站预约后，判断最优落箱区。根据预约箱区的当班装卸工组、设备和司机，通过派班算法得到最优落箱位，生成派班计划。客户依据派班计划，到指定位置等待装卸。同时，场站内的装卸工组依据派班计划进行装卸作业。落重箱自动派班流程如图2所示。

图2 落重箱自动派班流程Fig.2 Flow chart of automatic dispatch for loaded container unloading operation

（4）取箱作业。取箱是指客户在委托铁路运输过程中，进入箱区取集装箱作业，具体可以分为取空箱和取重箱。客户预约领箱时填写需要领取的箱号，计划编制人员根据集装箱所在箱区箱位，确认该箱区的当班装卸工组、设备和司机，生成派班计划。客户依据派班计划，到指定位置等待装卸。同时，场站内的装卸工组依据派班计划进行装卸作业。取重箱自动派班流程如图3所示。

图3 取重箱自动派班流程Fig.3 Flow chart of automatic dispatch for loaded container loading operation

（5）装、卸箱作业。装、卸箱是指货场业务人员，依据当日的装车计划以及当日的车辆到达情况制定的卸车计划，进行装卸火车作业。值班员进行接车对位后，按照就近原则生成派班计划。派班计划生成后，将自动派班的箱号、箱位、装卸工组、设备名称提供给装卸工组，指导装卸工组进行装卸火车作业。

3 派班算法模型设计

目前由于铁路装卸作业规章中，缺少明确的装卸计划评价标准，因而研究利用实例推理[10]的思路进行派班算法设计。首先通过现场调研，明确影响装卸派班的因素，之后为每个装卸作业需求构建包含这些因素在内的影响因子模型，并通过收集整理历史装卸数据将系统生成的装卸计划与情景相似的历史装卸数据进行比对，将相似度最高的历史装卸计划作为推荐计划。考虑到不同货场实际情况不同，现场保存的历史数据有些无法反馈实际箱位信息，通过与专家进行沟通，对历史数据进行筛选及优化，获得能反馈现场作业逻辑的派班历史数据作为推理参考，以此保证计划的合理性与可行性。

3.1 装卸派班影响因子

影响装卸计划的主要因素有装卸设备、箱区可用箱位数量、箱位行、箱位列、箱位层、箱型箱类、品名、收发货人、运输需求、集装箱当前位置、火车当前位置、装卸作业种类。分析影响因素后，对影响因素进行拆分及组合。其中，装卸设备直接影响箱位选择，因此作为模型的核心参数。箱型箱类、品名、收发货人、运输需求是集装箱的装卸属性，可以用于判断箱子是否是同类箱，同类箱的位置会影响装卸计划的生成，因此将上述影响因子合并表达为同类箱所在位置距离；集装箱当前位置、火车当前位置合并表达为集装箱目标位置距离。梳理后，装卸派班影响因子如表1所示。

表1 装卸派班影响因子Tab.1 Combing results of influencing factors of loading and unloading dispatching

3.2 相似度计算

在得到装卸派班影响因子梳理结果后，首先对数据进行归一化处理，再比较相似度。计算不同装卸计划之间的相似度，首先通过局部相似度计算，分别比较每一项特征值的相似程度。局部相似度计算有3 种类型，包括数值与数值的相似度、数值与区间的相似度、以及区间与区间的相似度。结合表1 所述，某一特征值可能有具体数值和数值区间2 种情况，研究按照如下方式进行比较。

式中：X为计划方案特征值区间，其中x1为区间最小值，x2为区间最大值；A为参照方案特征值区间，其中a1为区间最小值，a2为区间最大值。

数值x0与数值a0的相似度计算公式为

式中：x0为计划方案特征值；a0为参照方案特征值。

数值x0与区间的相似度计算公式为

式中：x为待求解问题实际最佳目标特征值，x∈A。

通过局部相似度计算，可以得出m个装卸计划实例的n个特征值的相似度Smn。目标模型和已有模型的相似度矩阵S计算公式如下。

3.3 特征值标准差分析

在得到相似矩阵后，通过计算每项特征值的标准差σi，可以直观看出每项特征值对总体的影响程度。标准差σi计算公式如下。

是由领域内专家对各个特征值的重要程度进行赋权，得到的专家权重。

综合基于标准差的权重和专家权重后，得到特征值动态权重ai。

利用加权后的标准差，可以计算出全局相似度Sim(N，Cj)，即目标模型N和已有模型C的整体相似度，从而对比选出和现场实际最相符的装卸计划。全局相似度计算相当于对一个多影响因子的装卸计划实例的综合评价。

4 案例分析

基于集装箱装卸计划自动生成方案与派班算法，在铁路货运生产作业与管控平台(以下简称“货运管控平台”)中构建装卸计划模块，货运管控平台应用如图4 所示，自动给出不同装卸业务场景的装卸派班建议，并提供图形化的作业指导方案。

图4 货运管控平台应用Fig.4 Railway freight management and control platform application

选取2023年5月1日—5月8日兖州北、开封、桃花村等货运场站的装卸作业作为验证场景，对生成的装卸计划与采集的实际作业数据进行分析。将自动生成的计划下发给现场业务专家，由现场实际制定计划人员判断计划是否可行，如果可行按照计划执行，如果不可行进行修改，生成实际作业计划。通过比较按照自动派班计划执行装卸作业与人工修改计划执行装卸作业的比例，判断验证集装箱自动装卸计划生成的准确性和可靠性。落箱作业计划与实际统计分析如图5所示，分配箱区箱位、分配设备、分配工组为自动派班方案提供的作业计划数据，实际箱区箱位、实际设备、实际工组为现场根据实际情况进行的作业数据。

图5 落箱作业计划与实际统计分析Fig.5 Automatic dispatching plan and actual statistics of container unloading

比较自动装卸计划与实际装卸作业结果相似度，自动装卸计划与实际装卸作业结果相似度比较分析如表2 所示。实验结果经现场专家评估，其结果显示，对于开封、大朗、北郊、巩义等货运站，自动装卸计划与实际装卸情况相似度较高，具有较高的可行性，在落重箱、取重箱方面尤为突出。对于兖州北、黄许镇等部分货运站的空箱作业，受限于箱区箱位绘制不规范、集装箱实际位置不准确等因素，装卸空箱作业还需要继续优化。通过现场实际作业反馈及对算法的不断优化，可知对于大部分场站装卸作业来讲，研究的装卸计划方案能够辅助人工进行决策计划，节省计划制定时间，对于实际作业具有较好的指导作用，为下一步的智能化、无人化货场实施奠定基础。

5 结束语

研究提出的集装箱自动装卸计划生成方案，能够在定位设备较少的情况下，较快给出可靠、可行的装卸派班建议，有效缩短计划制定时间、提高装卸作业效率，有助于规范场站装卸作业流程、节约人力物力成本。装卸派班计划的准确性对场站内部集装箱位置的准确性要求较高，通过规范箱区箱位绘制与股道绘制，细化装卸派班影响因子，可以进一步提高计划准确性。研究成果对加速铁路货场集装箱周转、提高铁路场站智能化管理水平有重要意义。