（控制理论与控制工程专业论文）有色冶炼企业铁路运输智能调度系统研究.pdf

3 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 铁路运输是有色冶炼企业生产链上的重要环节 长期以来企业铁 路运输调度作业沿袭着落后的作业方式 信息不畅 调度滞后 调度 计划质量不高等问题频繁发生 随着企业生产规模的不断扩大 铁路 运能与运量的矛盾愈加突出 铁路运输日益成为制约企业发展的 瓶 颈 为此有必要研究和开发有色冶炼企业铁路运输智能调度系统 实 现调车计划自动编制和优化 提高企业铁路运输效率 本文在分析和总结有色冶炼企业铁路运输特点的基础上 设计了 智能调度系统的总体结构 针对系统实现的核心问题 调车计划的 优化编制 提出了自上而下带局部反馈回溯的多方法混合优化策略 将复杂的整体调车计划优化问题按机车作业流程 分解为列车分组优 化 列车编组优化 列车进路优化和列车取送车优化四个子问题 每 个子问题分别采用不同的方法进行优化求解 并通过局部反馈求取全 局满意解 在此基础上 论文重点研究了取送车调度优化问题 分别就装卸 能力充足和有限条件下 放射状铁路线一点对多点取送车调度优化问 题建立了相应的优化模型 提出了一种带启发式知识的强引导型遗传 算法 该算法基于启发式知识以一定概率产生初始种群中的部分优良 个体 同时采用了 最优生存 中间调节 最差淘汰 的选择策略 极大地提高了算法的收敛速度 另外 考虑到装卸能力有限情况下取 送车调度优化问题的解空问过大 提出了两阶段优化策略 即先为每 支装卸队均匀分配作业任务 然后采用带启发式知识的强引导型遗传 算法求解最优取送车方案 仿真结果证明了模型和改进后算法的有效 性 最后 以一锌湿法冶炼厂为背景 开发了有色冶炼企业铁路运输 智能调度系统 实现了铁路运输调度指挥网络化和东 西两台机车作 业计划的自动编制 调车计划模拟以及信息综合查询等功能 验证了 上述理论和方法的可行性和工程实用性 关键词 有色冶炼企业 铁路运输 智能调度 混合优化策略 遗传 算法 k 主堕茎堂堡 兰堡垒茎 垒旦 翌竺 a b s t r a c t r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r to f t h ep r o d u c t i o nc h a i n o fn o n f e r r o u ss m e l t i n ge n t e r p r i s e s i n c eal o n gt i m ea g o y a r d m e nw h o w o r ki nt h er a i l w a ys t a t i o no fn o n f e r r o u ss m e l t i n ge n t e r p r i s eh a v eb e e n u s e dt os o m eu n a d v a n c e dm e t h o d s w h i c ha r ef o l l o w e db ys o m ep r o b l e m s s u c ha si n f o r m a t i o ni m p e d e d d i s p a t c h i n gd e l a ya n d b a dd i s p a t c h i n gp l a n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e m o r ea n dm o r ei m b a l a n c eb e t w e e n t r a n s p o r t a t i o na b i l i t ya n df r e i g h tq u a n t i t ya p p e a r s a n dt h er a i l w a ys t a t i o n b e c o m e sa b o t t l en e c k t ot h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e d e v e l o p i n gt h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n t e l l i g e n td i s p a t c h i n gs y s t e m w h i c hc a n h e l p y a r d m a nm a k ed i s p a t c h i n gp l a n sf o rl o c o m o t i v ea u t o m a t i c a l l y i sag o o d w a y t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no f n o n f e r r o u ss m e l t i n ge n t e r p r i s e t h es t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n td i s p a t c h i n g s y s t e mi sd e s i g n e d t or e s o l v et h em a i np r o b l e mo fs y s t e mr e a l i z a t i o r i 一 o p t i m i z a t i o nm a k i n gd i s p a t c h i n gp l a n f o rl o c o m o t i v e ah y b r i d o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y w i t h a t o p b o t t o mp r o c e d u r e a n d p a r t i a l l o o k i n g f o r w a r df e e d b a c k i sp r o p o s e d m e a n w h i l e t h ep r o c e d u r e o f d i s p a t c h i n go p t i m i z a t i o n i sd i v i d e di n t of o u r p a r t s t r a i n f o r m a t i o n o p t i m i z a t i o n s o r t i n ga n dm a r s h a l l i n go p e r a t i o no p t i m i z a t i o n t r a i nr o u t e o p t i m i z a t i o na n do p t i m i z a t i o no ff e t c h i n ga n dd e l i v e r i n gw a g o n s t of i n da o v e r a l ls a t i s f i e ds o l u t i o n e a c hp r o b l e ms h o u l db es o l v e db yr e s p e c t i v e l y e m p l o y i n gs e v e r a ld i f f e r e n tm e t h o d sw h i c ha r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r i nt h i sp a p e r t h ef e t c h i n ga n dd e l i v e r i n gw a g o n sp r o b l e m f d w p i s a n o t h e re m p h a s i so fr e s e a r c h f i r s t l y m a t h e m a t i cm o d e l sa r eb u i l tt o d e s c r i b et w on o r m a lk i n d so ff d w p t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi s w h e t h e rt h el o a d u n l o a da b i l i t yi se n o u g ho rn o t t h e nt oq u i c k e nt h e c o n v e r g e n tr a t eo fg e n e t i ca l g o r i t h m g a an e wa l g o r i t h m c a l l e d a s h e u r i s t i ci n d u c t i o n e n h a n c e dg a h i e g a i sp r o p o s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fh i e g aa r et h a ts o m ei n d i v i d u a l so ft h ef i r s tg e n e r a t i o na r ep r o d u c e d a c c o r d i n g t os o m eh e u r i s t i c k n o w l e d g e w i t h p r o b a b i l i t y a n d i t s d e t e r m i n i s t i cs e l e c t i o ns t r a t e g yi sb a s e do nt h ei d e ao f p r e s e r v i n gt h eb e s t 1 1 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a d j u s t i n gt h em e d i u ma n da b a n d o n i n gt h ew o r s t c o n s i d e r i n g s o l u t i o n s p a c e o ff d w pw h i c hi su n d e rt h ec o n d i t i o no fl i m i t e da b i l i t y o f l o a d u n l o a di st o ow i d e t h ea u t h o rp u tf o r t hat w o p h a s eo p t i m i z a t i o n s t r a t e g y w h e r et h ew h o l ep r o c e d u r ei sd i v i d e di n t ot w op h a s e i nt h ef i r s t p h a s e t h el o a d u n l o a dw o r ki sa s s i g n e dt od i f f e r e n tt e a m sa v e r a g e l y i nt h e s e c o n dp h a s e b a s e do nt h ea s s i g n m e n tao p t i m a lp l a no ff e t c h i n ga n d d e l i v e r i n gw a g o n si sf o u n db yh i e g a t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t t h em o d e l sa r ec o r r e c ta n dh i e g ai sm o r ee f f i c i e n t a tl a s t ar a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n t e l l i g e n td i s p a t c h i n gs y s t e mi s d e v e l o p e d f o ra p l a n t w h i c hp r o d u c e sz i n cb yh y d r o m e t a l l u r g i c a l t e c h n o l o g y t h i ss y s t e mc a nm a k ed i s p a t c h i n gp l a n sf o rb o t hw e s t e r na n d e a s t e r nl o c o m o t i v e sa u t o m a t i c a l l y s e n da n dc o l l e c tt r a n s p o r t a t i o n i n f o r m a t i o nb yn e t w o r k s i m u l a t ep l a n s a n ds oo n i tp r o v e st h a tt h e t h e o r i e sa n da p p r o a c h e sp r e s e n t e di nt h ep a p e ra r ec o r r e c ta n dc a nb ep u t i n t op r a c t i c ed i r e c t l y k e yw o r d s n o n f e r r o u ss m e l t i n ge n t e r p r i s e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i n t e l l i g e n td i s p a t c h i n g h y b r i do p t i m i z a t i o ns t r a t e g y g e n e t i ca l g o r i t h m 1 1 1 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料 与我共同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 墨查日期 鲤年 月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留学位论文 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的 全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其他手段保存学位论文 学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 作者签名 丝导师签名 主艟数日期 吐年二明监日 5 j 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目背景及研究意义 1 1 1 项目背景 第一章绪论 铁路运输是有色冶炼企业的大动脉 肩负着运送物资保障生产的重任 铁路 运输总量一般可占到全厂运量的7 0 8 0 每年有多则上千万吨少则数百万吨的 生产原辅料 燃料 半成品和成品源源不断地通过铁路专用线运进工厂车间或发 往全国 1 1 目前 有色冶炼企业铁路货运站火车调度室担负着铁路运输一线的运输组织 和调度指挥工作 它的工作好坏将直接关系到铁路运输的安全和效率 但该部门 所采用的调度手段还沿袭着 铅笔 橡皮 电话 扩音器 的原始作业方式 对 调度员的记忆力和经验依赖程度高 随着企业运输任务的不断增加 经常出现调 度计划制定不及时 计划质量不稳定 修改困难等诸多问题 轻者造成线路堵塞 延误货物运输 重者影响生产甚至造成安全事故 因此迫切需要引入先进技术改 变这种落后状况 通常 铁路运输调度员根据上级下达的运输任务及货运站内的具体情况编制 机车调车计划 并在计划执行过程中依据实际情况随时调整计划来实现对铁路运 输的调度指挥 调车计划既是调度员做出的调度决策 同时也是制定取样 检斤 装卸货等技术作业计划的基础 按此计划执行的结果要求能达到一些预定的运营 指标 如货物及时入仓 费用较低 车辆入站停留时间较短等等 目前计算机和 网络通信技术在企业铁路运输管理中得到了较为广泛的应用 如现车管理信息系 统 2 预确报信息系统1 3 等 但这些系统只是管理信息系统 其功能局限于信息的 收集和传输 不能为调度员的决策提供支持 为了从根本上改变现状 有效的解 决途径是为其建立铁路运输智能调度系统 自动编制和优化调车计划 使调度员 彻底摆脱大量繁琐的数据和重复运算工作 实现调度自动化和智能化 铁路运输智能调度系统是一种决策支持系统 s s 它基于基层信息管理 系统之上 并能为面对铁路运输调度这类非完全结构化问题的决策者提供决策支 持 初级的决策支持系统强调建立严谨的数学模型 并设计严格的算法进行问题 求解 但有色冶炼企业铁路运输系统是一个复杂多变的大系统 很难建立有效的 数学模型进行描述和求解 因此需要另辟蹊径 针对有色冶炼企业铁路运输的特 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 点 研究其调车计划自动编制和优化的理论和方法 这也是整个决策系统开发的 基础和重点 经过观察我们发现 虽然调度员每天都要面对大量繁杂多变的信息 以及许 多难于处理的问题 却总能找到应对的方法和措施 日复一日地手工编制计划指 挥全厂的铁路运输生产 其奥秘在于人类基于自身的一些弱点 放弃了系统精确 求解问题的办法 而是通过边尝试边积累经验的方法 逐步接近目标 取得令人 满意的解 这就是人工智能 a d 的启发式问题求解方法 卅 将此方法应用于有色 冶炼企业铁路运输调车计划的编制问题应该是一种有效的选择 具体研究思路是通过分析有色冶炼企业铁路运输流程 先将机车调度及优化 问题分解为若干个子问题 然后采用混合优化策略 根据每个子问题的特点选择 采用不同的优化方法 或建模求解或采用a j 或两者兼而有之 从而将人工智能 与决策支持系统有机地结合起来形成智能决策支持系统 当前 企业承受着由于铁路运输效率低下和场地受限带来的种种压力 各类 型的铁路自动化系统和计算机信息系统纷纷上马 并在如火如荼的建设当中 由 于有色冶炼企业铁路运输具有场地狭小而运量大 货物种类多 技术作业环节多 等特点 使得单纯套用以铁路干线和其他工业企业为研究背景取得的理论成果变 得不可行 因此有必要专门就有色冶炼企业铁路运输机车调度计划编制和优化理 论和方法展开研究 开发智能决策支持系统 本文旨在从这一任务出发在理论和 实践上进行有益探索 1 1 2 研究意义 1 本文针对有色冶炼企业铁路运输智能调度系统的研究与开发实践 使调度 员能简便地从计算机系统中得到经过优化的调车方案 并能推算出按此计划执行 后的站场情况 这一方面从根本上改变了调度人员劳动强度大 效率低下的现状 另一方面可以提高调车计划的质量和铁路 殳备的利用率 加速货物的周转 创造 很好的社会效益和经济效益 2 本文的研究为有色冶炼企业的铁路运输调度计划自动编制和优化问题的解 决提供了一条新的思路 这一思路不同于以往单纯采用数学建模规划求解或利用 人工智能的启发式方法 而是将两者有机地结合起来 得到了较好的结果 3 本文虽然针对有色冶炼企业铁路运输这一特定对象展开研究 但其研究方 法和提供的思路和技术方案 能为在其他环境下 如钢铁企业 干线货运站 编 组站等 实现铁路运输调度指挥的自动化提供有益的借鉴 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 铁路运输智能调度系统研究现状与发展趋势 铁路运输智能调度系统属于智能交通系统 i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m r r s 的研究范畴 是当前人们细致 深入研究的 个热点和重点领域 铁路运输智 能调度系统寻求将先进的计算机技术 网络与信息技术 自动控制技术等有效地 综合运用于铁路运输系统 以求实现铁路运输管理与调度的智能化 用最少的投 入 达到最大运输量和运输效率i s 9 1 由于铁路运输系统的复杂性以及对新技术新 设备有较高的安全性能要求 使得我国在这一领域的理论研究和实践还处于初级 阶段 与国外相比存在较大差距 以下将从系统设计与建设和调度优化方法研究 两个方向入手 对铁路智能调度系统研究现状和发展趋势展开论述 1 2 1 国内外铁路运输智能调度系统研究和建设现状 在铁路运输技术发达的欧美和日本等国 对铁路运输智能调度系统都进行了 深入研究 在实际应用方面也走在世界前列 比较成功的案例有德国计算机辅助 综合铁路系统 c u 1 0 和日本的新干线行车指挥自动化系统 c o m t r a c t n 两者 工作原理和工作过程相似 都先制定管理计划 根据管理计划制定列车运行时间 表 并且进行冲突检测 当在实际计划运行受到干扰时 就对时间表进行修改 在列车实际状态发生变化时 也要再进行冲突检测 如果发现冲突 智能调度系 统基于知识 经验和技术操作规则 自动制定多个解决方案提供给调度员决策 在方案确定后便进行模拟试验 发现问题继续调整 直至冲突消除为止 最后由 列车运行时间表进行自动路径设置 总体来说国外的铁路运输智能调度系统具有 以下特点 1 铁路运输智能调度系统主要应用于各国铁路干线网络的列车运行调度 2 对列车运行的调整都是离线进行的 系统给出的调整方案仅供调度人员参 考 实际运行调整仍以人机对话的方式为主 3 广泛采用列车运行模拟系统 模拟在各种扰动情况下采用不同优化策略得 到的列车时间表的运行结果 并从列车晚点和晚点传播范围两方面来评价列车运 行时间表的动态性能 这些特点表明该类系统已脱离了信息管理系统的范畴 成为一种决策支持系 统 另一方面从实际应用和安全考虑出发 这些系统的智能程度仍然有限 需要 调度人员参与进来做最终决策 目前 在我国还没有正式的全国范围的铁路智能调度系统规划和设计 但随 着近年来铁路运输自动化 信息化建设步伐的明显加快 许多新设各新技术的广 中南大学硕士学位论文第一章绪论 泛应用 使得智能调度系统的研究和工程实践成为可能 在这种情况下有学者以 铁路枢纽编组站为研究背景 尝试将人工智能应用于各种调度计划的自动编制 船闱 其中具有有代表性的是文献 1 5 它在总结前人经验的基础上 完成了编组 站智能调度系统的总体设计和智能机理研究 并认为系统的智能化至少应体现在 如下两方面 1 原理上是基于知识的系统 2 功能上系统应至少具有判断能力 推理能力和学习能力 也有学者以大型企业管理下的铁路运输专用线为背景展开研究 如文献 1 6 研究了煤炭铁路运输专线的智能调度指挥系统 该类系统能够运用简单的专家规 则完成机车和装卸机具在单线铁路上的实时调度 并将g p s 系统应用于机车定位 实际运行结果也较为理想 文献 1 7 的作者针对钢铁企业铁路运输的特点 研究了 钢铁企业编组站信息与决策系统 并就调度决策支持的几个问题展开了讨论 可以看出 当前我国在这一领域的研究还处于起步阶段 工程应用则更是凤 毛麟角 因此急需深入研究和开发更加先进的铁路运输智能调度系统 1 2 2 铁路站内机车调度优化的研究现状 根据调度的内容和范围 可以简单地把铁路运输调度优化的研究领域分为路 网调度优化和站内调度优化 路网调度优化主要研究列车车流组织和列车在铁路 干线上运行的规划调整 期望以较低的运营成本和运输效率满足客运和货运需求 0 8 1 9 与本文相关的站内机车调度优化研究 则可根据机车调车作业的内容分为 列车分组 列车编组 取送车 进路安排四个方面 列车分组调度的主要内容是确定出发列车的组成和到发线路的运用 又简称 配流 配流问题可分成两大类 解体方案已经确定条件下的 静态配流 和 解体方案尚未确定的 动态配流 瑚l 关于静态配流 文献 2 0 2 1 作了全面分析 并将其转化为某种特殊的运输问题 从而可用表上作业法求解 至于动态配流 较之静态配流复杂得多 本质上属于不确定的资源分配问题 文g f 扶 2 2 设法将其转 化为多步确定性问题 即静态问题 处理 对列车解体方案的计数及其构造方法作 了研究 并指出问题解决的关键在于选择有利的解体方案 文献 2 3 1 在文献 2 2 的 基础上进行深入讨论 构建动态配流的树状模型 并提出相应的搜索算法 从而 为编组站内 配流 问题的解决提供了一条完整的思路 机车编组作业是将待编列车按 配流 计划编成新的列车 在编组调度中传 统的作业理论目前仍在广泛运用 它源自于对实际操作经验的提炼 有一定的指 导作用 但由于作业条件的动态性 尤其是车流构成的随机性 传统调车理论很 难从中总结出规律性很强的规则和方法 这是作业计划编制长期处于手工判断操 4 j 中南大学硕士学位论文第一章绪论 作状态 计划编制质量不稳定的主要原因 此后产生的 车组号线路进制编码法 简称 进制法 使调车作业过程彻底规则化 堋 为编组计划的自动化编制打 下了基础 并且打破了在组号数和用线数方面的限制 因此这是本领域中的一次 突破 在此基础上 文献 2 5 开发的 编号递推转换法 简称 转换法 不 仅继承了 进制法 的优点 而且优化了 进制法 的算法 使计划编制质量明 显提高 但是 这些模型对系统约束条件缺乏考虑 只能面对给定的车流 给定 的用线以固定的作业程序僵化地完成指定调车任务 这在现实的生产条件下常常 是不可能的 这也是该模型迄今难以投入实际运用的根由 文献 2 6 研究的 消逆 法 与前述方法相比 在模型适应性方面有较大提高 当编组 加工精度 不深 时 该方法成功地解决了调车用线数可变 批次分离 与 预加工 同时进行 作业机车可变更等关键性问题 从而具备了投入实际应用的条件 取送车是大型货运站和货物装卸作业较多的技术站的一项重要调车工作 站 内铁路线按其布局形式的不同通常分为放射状 亦称扇形 和树枝状两大类 它们 在取送作业上的主要区别是 前者当机车送 取 完一条专用线后必须返回车站才 能再去另一条专用线送 取 车 而后者除非特殊情况 在一批作业中间不必返回 车站 文献 2 7 3 0 针对树枝状线路的取送车问题展开了研究 其中文献 2 7 1 对树枝 型线路取送车常见情况进行分析 提出了三个不同的优化目标 并给出了简便易 行的优化方法 文献 2 8 运用两类机器排序问题概括了取送车排序问题 并给出了 算法 文献 2 9 则将树枝型线路取送车问题归结为 旅行商问题 并采用哈密 尔顿图解法进行问题求解 文献 3 0 在文献 2 9 的基础上提出了一种启发式节约算 法 放射状线路取送车的情况与有色冶炼企业铁路运输的实际情况最为相似 然 而目前的研究还远不够深入 文献 3 h 的作者首先利用背包问题证明了该问题是 n p 完全的 文献 3 2 建立了该问题的排序模型并提出了求解算法 但实际上该算 法是一种穷举法 只在取送列车数量较少的情况下才适用 文献 3 3 将该问题的优 化归结为在所有可行取送车方案中搜索机车等待时间最短的方案 提出了一种简 单直观的表上移动法 但它依然受到了列车数量的限制 另外值得一提的是 文 献 3 4 运用层次分析法进行决策分析 提出了在多个取送车备选方案中选择兼顾多 目标最优方案的方法 进路安排是调车机车的行走路线如何决策的问题 实质是一类车辆路径问题 v e h i c l er o u t i n gp r o b l e m v s p 3 5 1 车辆路径问题一般定义为 对一系列具有发货 点和收货点的运输任务组织适当的行车路线 使车辆有序地通过它们 在满足一 定约束条件下 如货物的需求量 发送量 交发货时间 车辆容量限制 行驶里 程限制 时间限制等 达到最优 3 6 1 v s p 问题是一个毋庸置疑的n p h a r d 问题 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对于v s p 问题基于网络求解的算法非常多 那 由于问题的计算比较复杂 大多 采用一种启发式算法 捌 其中最为著名和具有代表性的是d i j k s t r a 算法m 卵和 c l a r k w h 幽d 州的节约启发式算法 简称c w 算法 节约法一经提出便得到了普遍 认同和广泛使用 而遗传算法也是解决n p h a r d 组合优化问题的优秀算法 许多 学者采用遗传算法求解v s p 闯题 取得了相当的成功 同时还有其它一些算法被 相继提出 例如 不完全优化算法 i n c o m p l e t eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 两阶段算 法 t w o p h a s ea l g o r i t h m 分派启发式算法 a s s i g n m e n th e u r i s t i ca l g o r i t h m 模拟 退火算法 a n n e a t i n ga j 留嘶也m 等等 舒撕1 1 2 3 现行研究中存在的问题 综合上述分析可以看出 目前专门针对有色冶炼企业的铁路运输智能调度系 统的研究几乎是空自 而与此相关的一些研究则存在以下几个问题 1 单纯采用专家系统使得铁路运输智能调度系统的适应性不好 只能处理一 些简单的问题 在面对复杂多变的情况时就会变得措手无策 2 使用建立确定数学模型 然后规划求解的方法存在缺陷 因为面对铁路运 输这一复杂多变的大系统 一方面会因问题规模的限制找不到可行的求解方法 另一方面若简化模型求解则可能得到的是不实用的最优解 3 对于调车计划的编制和优化问题缺乏整体研究 没有建立整体优化模型 现有的研究往往只对机车作业中的一项内容展开 没有系统地研究整个调车作业 优化过程中需要解决的各种理论和技术问题 对于调车计划优化中的取送车问题的研究还不够深入 现有的优化模型不 适用于有色冶炼企业铁路运输的实际情况 5 如何建立用于有色冶炼企业铁路运输调度指挥的实用计算机系统有待去研 究 这里所说的实用有两方面的含义 第一 它应该针对有色冶炼企业铁路运输 系统而设计 为调度人员所接受 第二 它不单是一个管理信息系统 而且应该 能利用关键信息为调度员提供方案选择 1 3 论文的主要内容与结构安排 本文从分析有色冶炼企业铁路运输的特点入手 就智能调度系统的开发以及 调车计划自动编制和优化方法展开研究 其主要内容包括机车调度优化问题的分 析 系统智能机理和优化流程的研究 列车优化分组专家系统研究 列车编组优 化和进路安排优化方法研究 以及取送车调度优化算法的研究 并以此为基础讨 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 论开发有色冶炼企业铁路运输智能调度系统的相关技术问题 论文的结构安排如 下 第一章绪论 介绍论文选题的背景和意义 分析评述国内外针对铁路运输智 能调度系统和铁路站场内机车调度优化等相关问题的研究概况和存在的闯题 第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 以某锌湿法冶炼厂为例 介绍了有色冶炼企业铁路运输的概况和特点 完成有色冶炼企业铁路运输智能调 度系统的基本结构设计 提出系统开发的思路 第三章有色冶炼企业调车计划优化编制方法研究 通过分析有色冶炼企业铁 路运输技术作业系统特征 确立调车计划优化的主要且标 按机车作业流程 将 调车计划优化编制问题分解为列车分组优化 列车编组优化 机车进路优化 取 送车优化四个子问题 提出自上而下带局部反馈回溯的多方法混合优化策略 第四章取送车调度优化问题研究 针对机车调度优化中的难点 取送车调 度优化问题展开了深入探讨 就 装卸力量充足 和 装卸力量有限 情况下单 台机车完成一点对多点的取送车优化问题 建立相应的优化模型 提出求解算法 第五章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统软件实现 从系统软件开发的角 度设计系统的软件平台 硬件结构和功能模块划分等 并针对系统开发的关键技 术问题展开讨论 第六章结论与展望 对论文完成的工作进行总结 提出了有待进一步研究和 完善的问题 7 中南大学硕士学位论文 第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 2 1 有色冶炼企业铁路运输概况 有色冶炼企业铁路运输专用线 一头连接着干线车站 一头由企业的铁路货 运站延伸至各个仓库 车间甚至冶炼高炉下 与其他大型企业以及国家铁路运输 相比 有色冶炼企业的铁路运输在行车组织 运输目标 运输内容 运输流程 铁路布局等方面都有所差别 认真分析这些特点对调度产生的影响 是建立铁路 运输系统模型 研究调车计划优化编制方法的基础 对系统的研发具有极其重要 的意义 2 1 1 有色冶炼企业铁路专用线概况 铁路货运站是有色冶炼企业铁路专用线的主体 是办理铁路运输业务的主要 场所 本小节将主要介绍某锌湿法冶炼企业铁路货运站的布局 规模和机车设备 等情况 该企业是一家以生产铅 锌系列产品为主的国有大型企业 年产量达到3 4 万 吨 是我国主要的铅锌生产和出口基地 该企业的铁路货运站在同类型的铁路货 运站中具有很好的代表性 1 组织结构 企业总调度室主管运输装卸的调度 是全公司运输组织考核 物质装卸 货 位统一安排及公司内物资分流及转运的总协调指挥者 生产科是日常运输组织工 作的指挥中心 是工作命令和指示的发布者 并负责运输业务的指导 火车调度 室负责日常铁路运输的具体组织和指挥 分布在各处的技术作业班组受火车调度 室指挥 承担装卸货 检斤 取样等技术作业任务 2 轨道线路 轨道线路按用途可分为走行线 交接线 存车线 检斤线 装卸线 调车解 编线六种 总长度为1 5 4 千米 由于货运站原来只办理装卸货业务 并未考虑列 车解编组作业的需要 因而没有专用的编组场和驼峰设施 随着企业产量的增加 各种物资的运输量成倍增长 而货运站的场地规模并未相应扩大 因此轨道线路 的用途变得多样化 如1 号股道的用途就有 走行线 交接线 装卸线三种 每 条股道的长短不一 可容纳车辆数从l 5 0 节不等 8 中南大学硕士学位论文第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 3 机车与机车作业 站内共有蒸汽机车三辆 平时两台作业一台备用 为保障安全 机车作业采 用划区间单车作业方式 全站共分为五个区间 一台机车在一 二区间作业 主 要承担大多数原辅料入库 成品出库和空车送回交接线的运输任务 另一台机车 在三 四 五区间作业 主要承担重车解编 检斤 部分原辅料入库和运送硫酸 槽车的任务 由于没有微机联锁设备 当需要跨区作业时 站内仅允许一台机车 运行 另一机车须停在安全股道上等待 2 1 2 有色冶炼企业铁路货物运输概况 该铁路货运站年设计运能7 0 万吨 年 目前实际运量为1 8 0 万吨 年 一天需 要处理三个班次约1 1 0 节各型车辆 有色冶炼企业铁路货运站办理运输的货物种 类繁多 每类货物由专用仓库储存 按生产用途分类 货物可分为原料 辅料 其他生产物资和成品 按运输目的地分类 又可分为进站物资 中转物资和出站 物质 详情如表2 1 所示 表2 l 货物种类与对应仓库明细表 货物大类序号货物名称存放仓库或方式备注 l锌矿锌矿仓锌矿品位有九种 原料2铅矿 粗铅铅矿仓 袋装矿露天存放铅矿品位有数种 3杂铜 废铜露天存放 4 重油重油库 辅辩5烟粉煤煤棚或露天存放 6 焦粉露天存放 7 焦炭露天存放 8汽油 煤油油库 其它进站9冶化材料材料库 物资 1 0设备设备库 l l钢材露天存放 1 2 水淬渣露天存放 中转物资1 3 氧化锌 氧化锌库 1 4 窑渣露天存放 1 5电锌锌库 出站成品1 6 电铅 铅库 1 7电铜铜库 1 8 硫酸硫酸仓库 9 中南大学硕士学位论文第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 表2 l 仅统计了大宗货物 因而还不够全面 但仅此 货物就可粗分为1 8 个 小类别 另外铅 锌矿还需分清品位 是否袋装 是否板结 实际的种类应在四 十种左右 2 1 3 有色冶炼企业铁路运输调度与作业流程 火车调度室负责日常铁路运输的具体组织和调度指挥 并设运转值班调度 货运值班调度 外勤值班调度三个岗位 具体来说 运转值班调度负责制定站内 调车计划 收集机车运行 轨道占用 列车接发数等实时信息以及装卸货进度 办理扳道和闭塞手续 货运值班调度负责到 发列车车号 所载货物等信息的统 计 处理与装卸货相关事宜 居中协调 外勤值班调度根据调度计划负责现场的 调度指挥 有色冶炼企业铁路运输调度的主要任务是编制和监督执行铁路运输的班计 划 由于列车在技术作业各环节间的运转是通过调车机车摘 挂钩作业实现的 因此班计划的重点是调度员根据上级下达的运输任务 结合站场实际情况和上一 班次作业进度 为进站列车 中转列车和出站列车制定总体调车计划 调车计划 单 式样见表2 2 而其他技术作业班组的作业计划则依据调车计划而制定 调度 作业过程如图2 1 所示 为配合铁路货运站2 4 小时不问断作业 调车计划也不问 断编排 根据送车规律每天集中更新计划2 4 次 每次间隔4 1 2 小时 计划执 行期阃视具体情况对计划做一定的调整 图2 1 调度作业示意图 表2 2 调车计划单 l o 售 姓 o 单 衅帮葛措譬h 号 串l 2 3 4 5 6 7 8 中南大学硕士学位论文第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 说明 表中 一表示挂车 一 表示摘车 o 表示限速 表示连挂 一 一 表示连摘 表示三角线转头 每项计划中前一个阿拉伯数字代表股道号 后一数 字代表摘 挂车辆的数量 如 1 2 一l 表示机车所拖动的列车在1 2 道从最尾部摘去一节车厢 为了加快货物运输提高运量 站内各部门各班组在火车调度室的统一调度指 挥下 精密协作 2 4 小时三班连续作业 一个班次内的作业流程如图2 2 所示 图2 2 有色冶炼企业铁路运输作业流程图 说明 图2 2 中箭头指示信息传递方向 1 驻干线铁路货运站的代表将即将到达的列车和货物信息传真至总调度室 2 总调度室制定运输任务 3 魔 输任务分别下达到火车调度室和轨道衡 5 火车调度室制定调车计划 6 火车调度室制定装卸货计划 7 火车调度室制定检斤计划 8 检斤计划下达至轨道衡 9 装卸货计划下达至货运调度 o 西调车计划下达至机车调度 o d 轨道衡按计划检斤和取样 凹轨道衡将计划执行情况反馈给火车调度室 货运调度按计划组织装卸队进行装卸作业 装卸队向货运调度报告装卸进度 货运调度将班计划完成情况告知火车调度室 机车调度按计划指挥机车司机完成调车作业 中南大学硕士学萱论文第二章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 机车调度员将调车计划完成情况向火车调度室报告 2 1 4 有色冶炼企业铁路运输与调度特点总结 与干线和其他大型企业的铁路技术站和货运站相比 除了一些铁路运输的共 性外 有色冶炼企业铁路的运输还具有以下特点 1 任务 除了办理路厂车辆交接 接发货物外 还要担负厂内中转运输任务 最根本的调度目标是保障生产 2 站场规模 有色冶炼企业铁路货运站规模较小 线路复杂不规范 没有专 业的编组场地和驼峰设备 3 作业 几乎涵盖了各种类型技术站和货运站的所有技术作业内容 4 调度指挥机构 其他车站一般采用运输部一站一区三级或铁道部一铁路局 一分局一站四级调度 而有色冶炼企业采用总调度室一火车调度室两级调度 5 办理的车辆既有铁路普通车辆 p c n g 等 还有特种车 如硫酸罐 车 铸锭车 平板车等 并且有局属 厂属之分 6 干线车站服务于整个路网 运输的货物千差万别 没有规律 而有色冶炼 企业货运站主要服务于企业 运输货物的品种基本固定 且专库专用 7 到 发列车时间有一定规律 车流和货物信息可以预报 8 站内固定区域内一般仅一台机车作业以保证安全 调度目标 方式和内容上的较大差别 使得原来针对干线和其他大型企业铁 路运输进行研究所取得的成果变得不那么适用 并对有色冶炼企业铁路运输调度 计划优化编制理论的研究产生了深刻影响 主要影响分析如下 1 作为后勤部门 运输服务于生产 因此运输调度应以保障生产为首要任务 2 运输调度组织简单 则相应的调度工作内容就会增加 3 站内场地小 对调车作业的约束就多 机车调度空间就会受到相应制约 4 技术作业种类多 流程繁杂 环环相扣 制定计划时需要综合考虑 5 调度信息化程度低 而管理的货物 车辆 仓库种类繁杂 各类信息相互 调用 容易出错 6 专库专用限定了列车的目的地 调度的灵活性随之降低 7 由于主要的列车到发信息可以预确报 因此在调车班计划确定后 在该班 次作业时段内 列车到达各技术作业环节的时间和次序就基本确定了 这为调度 计划的自动编制和优化带来了很大方便 8 单区间内单机车作业 简化了调度优化模型和算法 1 2 中南大学硕士学位论文第 章有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 综上所述 有色冶炼企业铁路运输的诸多特点 既给调度计划的编制和优化 带来了不利影响 又带来了不少便利 只有牢牢把握这些特点 才能从现有成果 中吸取营养为我所用 在下一步的研究工作中避免出现偏差 2 2 有色冶炼企业铁路运输智能调度系统设计 通过系统的初步设计 旨在明确有色冶炼企业铁路运输智能调度系统应该具 备哪些基本功能 基于这些功能的实现 系统应具有怎样的结构和工作流程 为 了开发系统软件应该做哪些理论上的准备 2 2 1 系统需求分析 要设计一个性能良好的系统 明确使用者对系统的要求是首要步骤 根据有 色冶炼企业铁路运输的特点和改进调度作业方式提高运输效率的实际需求 智能 调度系统应具有以下基本功能 1 收集与调度相关的信息 为调度计划编制提供依据 2 自动编制和优化班次调车计划 3 模拟调车计划的执行过程 能进行冲突和错误检查 实时模拟显示站内调车作业进度和存车情况 5 自动记录计划编排 变更情况以及操作人员信息 6 系统自身维护 包括站场信息数据参数修改 调度规则修改 用户管理等 7 j 丁印功能 8 信息传递功能 2 2 2 系统总体结构设计 铁路运输智能调度系统的核心功能是为调度员提供决策支持 根据问题的结 构和本质明确的程度 决策问题可分为三大类 一是结构化决策问题 二是非结 构化决策问题 三是介于两者之间的半结构化决策问题 有色冶炼企业调车计划 编制问题是一个典型的半结构化决策问题 这类问题既要应用计算机又要管理者 的干预才能得到满意的解决方案 由于半结构化问题很难通过建立统一的模型来求解 因此必须将整个调车计 划的优化编制问题按调车作业的内容进行分解 分成若干个子问题分步求解 在 这些子问题当中 有些可以通过传统优化方法求解 有些则不能 对于前者 系 主堕盔兰堡主茎垡垒塞釜三至宣鱼塑簦垒些堡堕鎏箍簧能调度系统设计 统中设计有模型算法库 其中储存有问题的匹配模型和寻优算法以供调用 对于 那些不能建模求解的问题 则通过建立专家系统求解 相应的 系统中设计有知 识库用于储存调度专家的经验知识 知识库 算法模型库和数据库在决策机构的 控制下 完成