铁路货物列车编组计划数字化编制系统构建研究

Research on the Construction of Digital Compilation System for the Railway Freight Train Marshalling Plan

摘要

货物列车编组计划是全路的车流组织计划，规定编组货物列车的要求、方法和内容，是编制列车运行图、运输方案、日班计划的重要依据。在深入研究全路编组计划编制方式的基础上，提出了数字化编制的方法，利用成熟的信息技术手段，构建了铁路货物列车编组计划数字化编制系统，实现了编组计划和组号范围的数字化维护、计划编制的辅助决策、路网基础数据的可视化展示、车流径路的可视化查询等功能，满足了直达、直通、区段、摘挂和小运转等不同种类列车编组计划的数字化编制需求，解决了基础数据不统一、辅助决策手段少、人员劳动强度高和数据共享难等长期困扰编组计划编制工作的问题，为促进我国铁路运输组织高质量发展提供了新的技术动力。

Abstract

As the traffic organization plan for the entire railway system, the marshalling plan for freight trains specifies the requirements, methods, and contents of freight train marshalling, and serves as a crucial basis for preparing the train operation chart, transport scheme, and daily shift plan. This paper presented a digital preparation method based on in-depth research of the entire-railway freight train marshalling plan preparation. Via proven information technology, digital preparation system for freight train marshalling plans has been built. This has enabled digital maintenance of group number scope and marshalling plans, assistant decision-making for plan preparation, visualization of basic road network data and train flow route query, served the needs of digital preparation of different types of train marshalling plans, including non-stop, direct connection, in-section, pickup-drop, and tranship operation modes. This has solved the chronic problems plaguing the preparation of marshalling plans such as non-uniform basic data, insufficient auxiliary decision-making means, high labor intensity, and difficult data sharing, thus giving a new technological impetus to the high-quality development of Chinese railway transport organization.

Graphical abstract

关键词

编组计划 / 组号范围 / 车流径路 / 支点径路 / 支点车流

Key words

Marshalling Plan / Group Number Scope / Train Flow Route / Pivot Route / Pivot Flow

0　引言

车流组织是铁路行车组织的一项重要内容^[1]。在目前我国铁路的运输组织模式中，货物列车编组计划是全路的车流组织计划，具体规定货运站、编组站、区段站等编组货物列车的要求、方法和内容，是编制列车运行图、运输方案、日班计划的重要依据，在保证优质服务、加速车辆周转、加快货物送达等铁路运输生产作业中具有不可替代的作用^[2-3]。

理论上，铁路组织站到站直达列车的运到时限最短，车辆周转最快，但因车流强度、车站接发能力^[4]、去向和运力资源等诸多要素影响，铁路货运不能完全按照站到站直达列车方式组织，需以货流、车流为基础，结合货、车、机以及点线能力，合理采取直达、直通和区段列车等多种车流组织方式，以充分发挥路网运能和既有设施设备能力^[5]。因此，在既有技术站作业能力、区间通过能力、货流强度和车流径路基础上，如何优化编组计划方案，减少车辆中转、提升运输效率一直是我国铁路运输领域中的基础性重点研究内容^[6]。

1　货物列车编组计划数字化编制系统需求分析及预期目标

1.1　现状分析

当前，我国铁路货物列车编组计划的编制实行逐级负责制，涉及部门多、业务复杂度高、生产关联性强。全路跨局编组计划的编制与调整，由中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)负责组织各铁路局集团公司运输、货运、机务、调度等部门有关人员进行；管内编组计划的编制与调整，由铁路局集团公司负责。

目前，全路缺少统一、通用的编组计划信息化系统，编组计划内容的调整与管理主要依靠Excel电子表格和Word电子文档，此种方式存在一定的弊端，主要体现在以下方面。

（1）难以建立多维度的信息关联。如路网与径路、列车种类与车次、编组内容与编组要求等内在关联，需要编制人员人工整理、识记这些信息，不易发现计划内容的错漏，影响编组计划的精准度。

（2）缺少多维度的可视化查询。编制人员需要根据计划信息在人脑中构建路网中数以百计的各类列车分布和组号范围，识记与分析非常困难，难以支撑编组计划路网全局性和细粒度的管理。

（3）缺少编组计划辅助决策的手段。技术站车流强度变化时，编制人员需根据技术站运技报10确定组号调整优化方案，此种方式决策效率低、周期长，在有限的时间内难以提高决策质量。

近年来，随着铁路货运市场供需关系变化、路网结构持续优化、既有站点及线路不断技改扩能，编组站既有条件与现代物流需求的差异^[7]，对货物列车编组计划的编制质量和编制效率提出更高的要求。但由于目前我国铁路编组计划相关信息化建设不充分，造成了劳动强度高、数据共享难等问题^[8]。因此，构建全路统一的编组计划数字化编制系统是当前我国铁路提高运输组织效率效益和高质量发展的重要技术支撑。

1.2　需求分析

1.2.1　总体需求

针对当前我国铁路货物列车编组计划编制与管理中存在的问题，构建铁路货物列车编组计划数字化编制系统。该系统整合铁路路网基础数据、车流径路、编组计划等关键基础信息，为国铁集团及铁路局集团公司运输部门提供编组计划的日常管理与编组调整决策工具，为全路货运、调度以及技术站提供路网基础数据、车流径路以及编组计划的查询工具，实现编组计划的标准化管理^[9]，为全路编组计划的编制与管理提供有力的技术支撑。

1.2.2　编组计划高效化管理需求

（1）建立统一的编组计划基础信息数字化系统。整合铁路路网、车流分布、车流径路等关键基础信息，实现基础信息的统一和共享，解决信息不同步、存在信息差等问题。

（2）建立规范便捷的编组计划编制系统。实现国铁集团、铁路局集团公司对编组计划的统一管理、集中管理、跨域管理，规范编组计划的编制过程，建立高效敏捷的编制调整操作方式。

（3）提供丰富的可视化查询分析工具。提供基于全路路网的编组计划可视化查询工具，全路路网拓扑、运行径路、组号范围等丰富的图形化展示，提高运输部门对编组计划整体的掌控能力，提升对编组计划信息精细化分析能力。

1.2.3　编组计划敏捷化编制调整需求

（1）支撑面向市场的编组计划即时编制调整。针对市场需求变化引发的车流调整，系统即时更新车流信息，支撑各级运输部门快速响应、及时调整编组计划的需要。

（2）支撑能力供给变化的编组计划联动编制调整。当路网能力发生变化，如新建线路投用、既有站点及线路技改扩能等场景，系统及时更新路网信息，支撑各级运输部门跨局联动编制调整编组计划的需要。

（3）支撑车流径路变化的编组计划关联调整。系统集成货运部车流径路接口，保持车流径路数据的同步更新，保证组号到域范围的计算准确。

1.2.4　编组计划科学化辅助决策需求

（1）通过多方式组号车流强度测算辅助计划决策。按车流径路、编组计划要求，运用历史货票数据、清算运统1数据推算编组计划各组号车流强度，为编组计划组号调整决策提供依据。

（2）快速生成编组计划组号调整方案。根据运输部门设定的相关参数，对组号车流强度变化自动识别，并提出组号调整的方案建议，通过人机交互方式高效地实现编组计划的调整决策。

（3）多用户高性能决策需求。具备高效率的系统性能效率，在数据传输量大、用户频繁操作和请求的条件下，系统需确保运行稳定流畅。

1.3　预期目标

铁路货物列车编组计划数字化编制系统的设计以基础数据统一化、车流分析可视化^[10]、计划编制敏捷化、流程管理规范化^[11]、调整决策科学化为原则，旨在压缩计划调整周期、提升计划编制质量和运输组织效率。一是根据我国铁路编组计划编制需求，构建编组计划数字化编制系统，实现我国铁路货物列车编组计划的数字化管理。二是依据货物列车编组计划编制规则，结合历史车流或规划运量数据，设计可视化车流分析模型，提高编组计划的编制辅助决策水平。三是以我国铁路运输组织现状为基础，依托铁路运输经典理论算法，以路网能力为约束条件、以提高车辆周转效率为目标，逐步提高编组计划的智能化编制水平。

2　货物列车编组计划数字化编制系统总体方案

2.1　总体架构设计

铁路货物列车编组计划数字化编制系统的架构按照“一级部署、四级应用”模式，集中部署在国铁集团主数据中心，通过铁路综合信息内网，为国铁集团、铁路局集团公司、运输站段、货运站提供技术服务。系统充分利用国铁集团统一身份认证平台、大数据和人工智能平台、统一开发测试平台作为底座型应用，与既有国铁集团95306网、现车(包含编组站综合自动化系统SAM、CIPS)、计划统计、车流径路、车流管理、列车运行图编制等系统进行数据交互。货物列车编组计划数字化编制系统总体架构图如图1所示。

2.2　功能模块设计

铁路货物列车编组计划数字化编制系统以数据集中汇聚、统一编制技术、数据高度共享为目标，具体功能设计分为路网基础数据的可视化展示、车流径路的查询与分析^[12]、编组计划的可视化维护、组号范围的自动界定与手动框选、计划编制的事前决策与事后分析、编组计划的多方位检测、计划确认报备审核的管理流程、编组计划查询和编组计划接口服务9大功能模块。货物列车编组计划数字化编制系统功能设计图如图2所示。

2.2.1　路网基础数据

该模块为全路各级用户提供路网基础数据的可视化查询，为编组计划的数字化编制提供基础数据支撑，具备技术站分布、线路等级、线路单复线、牵引类型、牵引定数、图定能力展示、线路和车站检索等功能。技术站展示如图3所示(红色为路网型编组站、橙色为区域型编组站、黄色为地方型编组站、绿色为区段站)。

2.2.2　车流径路查询

该模块为全路各级用户提供车流径路的可视化查询与分析，是编组计划数字化编制的重要决策支撑^[13]，包括最短径路、特定径路、编组径路、支点径路和支点车流等功能。

（1）径路分析。最短径路为路网理论最短径路，特定径路为国铁集团车流规定径路，编组径路为编组计划递推径路，以上3种径路同屏展示如图4所示(发站为武威南，到站为郑州北，绿色径路代表最短径路，紫色径路代表编组径路和特定车流径路的重合部分)，为编组计划各级编制人员提供径路判定支撑。

（2）支点径路。支点径路以发站、经由站、非经由站为条件，实现车流径路发站经过经由站或不经过经由站的到站范围计算与展示，此功能为编组计划组号范围定义的重要决策依据。

（3）支点车流。支点车流以经由站、品类为条件，快速计算并可视化展示支点间车流强度、车流构成、装卸分布等，此功能为编组计划制定的重要决策手段。

2.2.3　编组计划维护

该模块是铁路货物列车编组计划数字化编制系统的主要组成部分，满足不同种类列车编组计划的数字化编制，提供编组计划中列车种类、品类、发站、到站、经由站、分界站、编组内容、组号范围、车次、牵引定数、列车换长、周期和速度等重要数据的录入，及其可视化展示。新丰镇至徐州北直通列车编组计划数字化维护如图5所示(红色圆点为发站、绿色圆点为分界站、黄色线路为径路、蓝色为组号范围)。

2.2.4　组号范围维护

该模块为技术站车流去向范围的界定提供技术手段，是编组计划编制的重点和难点，也是铁路货物列车编组计划数字化编制系统的核心^[14]。该模块提供组号范围的可视化增加、修改、删除和查询功能，特别是借助车流径路模块支点径路功能，可对组号范围进行快速精准界定，并可进行可视化编辑，最大限度降低各级编制人员劳动强度，提高了编制效率和质量。兰州北编组新丰镇以远组号范围的界定如图6所示(绿色部分为支点径路的到域覆盖范围、蓝色部分为人工修订范围)。

2.2.5　编制辅助决策

为丰富和提高编组计划各级编制人员决策手段和水平，统一全路技术站分方向车流测算口径，该系统提供2种辅助决策手段。

一是结合历史货票数据、支点车流算法和编组计划条文，设计了编组计划重车车流测算功能，为铁路局集团公司跨局组号开行提供了决策支撑。郑州北至阜阳北可视化编组计划重车车流测算与展示如图7所示(红色代表装车分布、绿色代表车流经由、蓝色代表卸车分布)。

二是运用清算运统1数据，根据编组计划条文中发站、到站与清算运统1中编组站、解体站对应的关系，逐月计算编组计划实际车流强度，依据日均开行列数区分其为强车流、弱车流以及突变车流，并提供车流强度以及历史实际开行列数的查询，为编组计划调整优化提供数据支撑。

2.2.6　编组计划检测

该模块为编组计划的数字化编制提供检测手段，以提高编制质量，包括计划覆盖范围检测、径路一致性检测和计划重复性检测3个功能。

（1）计划覆盖范围检测。以技术站为原点，动态检测技术站所有编组计划组号对全路其他车站的覆盖情况，以列表方式展示编组计划未覆盖车站，同时提供将未覆盖车站划入既有组号范围功能。

（2）径路一致性检测。以全路编组站为OD，批量计算编组站间编组径路和车流径路，以里程和经由分界站为检测标志，以列表方式展示径路不一致的编组站站间径路，为编制人员提高编制质量提供技术手段。

（3）计划重复性检测。对相同列车种类、发站和到站的编组计划进行检测，避免重复计划的产生。

2.2.7　确认报备审核

该模块为编组计划的统一管理提供技术手段，包括计划确认、计划报备、计划审核3个功能。铁路局集团公司计划编制人员完成计划编制工作后，管内编组计划由铁路局集团公司计划管理人员进行确认，系统自动提交至国铁集团进行报备，并生成正式计划；跨局编组计划由相关铁路局集团公司计划管理人员共同确认，确认完成后由国铁集团管理人员进行计划审核，审核通过后生成正式计划。

2.2.8　编组计划查询

该模块为全路各级用户提供编组计划的可视化与列表查询。可视化查询可通过列车种类、发站、到站、分界口进行查询，并在路网图中展示单条编组计划的组号范围，同时为减轻现场作业强度，系统自动生成技术站色块图，兰州北站车流去向范围色块图如图8所示。列表查询可通过列车种类、发局、发站、到局、到站、分界口等条件进行组合查询，查询结果以列表方式展示为主，以单条计划可视化展示为辅。

2.2.9　编组计划接口

该模块为现车系统(包含SAM、CIPS)、全路车流管理信息系统和运行图管理系统提供编组计划正式数据，编组计划数据格式如表1所示，接口方式包括RESTful和文本方式。

3　货物列车编组计划数字化编制系统关键技术

该系统为有效降低各级编组计划作业人员劳动强度，提高编组计划编制质量，加强编组计划编制辅助决策水平，首次实现了组号范围自动化界定、编组计划迭代径路推算、编组计划重车流测算功能。

3.1　组号范围自动化界定

编组计划中组号范围的界定主要依据车流径路的规定，历史上组号范围的界定一直是编组计划编制的难点，编制人员缺少快速、准确的技术手段对组号范围进行界定，只能通过对车流径路文件的解读或车流径路软件点到点径路功能，进行技术站组号范围的界定。

该系统实现了与车流径路系统的互联互通，各级编组计划编制人员依据支点径路功能，可完成技术站单方向组号范围的大致界定，然后通过组号范围维护的可视化编辑功能对细节的部分进行修改，在5 min之内便可完成技术站单方向组号范围的定义工作，实现了对组号范围的快速精准界定。

3.2　编组计划迭代径路推算

由于实际运输组织的需要，在编组计划实际制定工作中可能会发生计划指定的分界口与车流径路不相符的情况出现，这种情况需要编组计划和车流径路制定人员共同协商、解决不一致的问题，但现实中缺少信息化检测手段，问题往往会被搁置。

针对上述问题，该系统利用编组计划的发站、到站、分界口数据，以及车流径路中的多点径路功能^[15]，设计了编组计划迭代径路推算算法，编组计划迭代径路推算算法示意图如图9所示。该算法实现了技术站间编组计划迭代径路与车流径路的快速检测，有效降低了因径路差异造成对运输组织和承运清算的影响。

3.3　编组计划重车流测算

新建编组计划重车流测算工作是编组计划制定工作中的重点、难点，决定了路网上各技术站的协作与分工，但由于历史上缺少数据和技术的支撑，新建编组计划重车流测算工作不但需要多个工作日收集，而且相关铁路局集团公司收集的数据还不一致，造成了国铁集团决策难、调整难。

该系统利用货票数据、支点车流功能和编组计划条文，设计了编组计划重车流测算算法，编组计划重车流测算算法示意图如图10所示。该算法实现了编组计划重车流的快速测算和可视化展示，并统一了全路测算手段和数据口径，为全路编组计划调整决策提供了有力的技术支撑，实际的重车流测算结果也可为优化站场设计提供可靠的依据^[16]。

编组计划重车流测算算法的具体实现过程。

（1）选定一条编组计划B_i，选定某个月份的货票数据HP，HP=\{h_{\mathrm{1}},h_{\mathrm{2}},...,h_w\}。

（2）遍历货票数据HP，判断每条货票的到站D{S}_j是否属于B_i的到域范围SA，SA=\{S_{\mathrm{1}},S_{\mathrm{2}},\dots ,S_m\}，若是将该条数据加到备选有调车流集合YF。

（3）遍历备选有调车流集合YF，提取货票数据的OD，依据车流径路中的点点径路功能，获取当前数据发站到站的有调车流集合YFS。

（4）输出编组计划B_i的有调车流集合YFS。

4　货物列车编组计划数字化编制系统测试实践

2023年7月研究人员在开发测试环境下，利用铁路货物列车编组计划数字化编制系统完成全路跨局货物列车编组计划的数字化维护工作，共计1 184条，其中始发直达列车309条，其他种类列车875条，数据空间占用共计1 G。平台页面展示和提交事务的平均响应时间在2 s以内，查询业务操作的数据处理时间在5 s以内，测算业务操作的数据处理时间在10 s以内。按照传统作业方式，铁路局集团公司需要2~3周完成计划编制工作，借助系统各项功能3~5 d便可完成，极大地减轻了劳动强度，提高了计划编制质量。

5　结束语

铁路货物列车编组计划数字化编制系统是全路首次利用信息化手段实现全路编组计划编制的全流程管理。一是对铁路路网、车流径路、车流分布等关键信息进行了整合，为各级用户提供了统一的基础信息，解决了基础信息不同步的问题。二是提出了数字化编制的方法，实现了编组计划、组号范围的数字化维护，提高了编制效率，规范了编组计划的编制流程。三是运用历史货票和清算运统1数据，结合编组计划条文，设计了编组计划重车流测算以及运统1车流功能，解决了长期以来全路对编组计划车流强度口径不统一的问题，为编组计划的调整与优化提供了决策依据。下一步，系统将在辅助决策和智能化编制等方面继续探索和深化技术研究，为全路计划编制人员提供更便捷的操作方法、更高效的响应速度、更丰富的功能支撑，更好助力新时期中国铁路运输高质量发展。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023X036)