铁路物流装卸机械数据平台及配置计算系统研究

Data Platform and Configure Calculation System of Railway Logistics Handling Machinery

摘要

随着“一带一路”建设的推进，铁路物流总量和种类日益增多，针对站场装卸机械配置计算的科学性、高效性需求，开展装卸机械数据平台及计算系统研究。提出了装卸机械设备和工程全过程设计数据层次结构，建立了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，实现了设备选型、配置数量、房屋面积、定员等中间成果的智能计算。采用B/S架构，通过界面、数据库、文件、图形多组件开发技术，开发了网络化的全过程辅助设计系统，搭建项目信息库、知识库、模板库、审核意见库4个标准库，实现对全过程设计数据的记录和管理，智能定制项目的计算标准及设计标准，实现了设计全过程接口资料、投资概算、说明书的标准化输出，革新铁路物流装卸机械配置设计模式。

Abstract

With the promotion of the “Belt and Road Initiative”, the total amount and types of railway logistics are increasing. This paper studied the handling machinery data platform and computing system for the scientificity and efficiency of the handling machinery configuration calculation. To adapt the handling machinery whole process design, the paper put forward the data hierarchy structure and established the metadata oriented driving and composition standards. The configuration calculation rules of various handling machines were embedded. The intelligent calculation of intermediate achievements was realized, such as equipment selection, configuration quantity, house area, and personnel quota. With B/S architecture, this paper developed the networking whole process aided design system by the development technology of interface, database, filed, and graphical component. This system includes project information library, knowledge library, template library, and review opinion library. The recording and management of the whole process design data is realized. The system can customize the calculation and design standards for projects. The standardized output of interface data, investment estimate, and specification in the whole design process is realized. This system innovates the configuration design mode of railway logistics handling machinery.

Graphical abstract

关键词

铁路物流 / 装卸机械 / 系统设计 / 数据标准 / 全过程辅助设计

Key words

Railway Logistics / Handling Machinery / System Design / Data Standard / Whole Process Aided Design

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。

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。

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。

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。

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。

N_i=\frac{Q_i\times \alpha \times \mathrm{10}\mathrm{000}}{\mathrm{365}\times q}⑴

式中：N_i 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；Q_i 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。

N_{\mathrm{主}}=N_{\mathrm{到}}+N_{\mathrm{发}}+N_{\mathrm{中}}+\left|N_{\mathrm{到}}-N_{\mathrm{发}}\right|⑵

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。

C_i=\frac{N_i\times z}{P_i\times T_i}⑶

式中：C_i 为装卸机械配置数量，台；z为集装箱平均装卸次数；P_i 为装卸机械作业指标，TEU/h；T_i 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。

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。

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。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2018YFB2100900)