编组站是铁路货运组织的核心单位，承担货运列车改编、机车换挂、整备、乘务组换班、车辆检修和货运检查整理等工作。随着铁路运输生产安全需求的不断提升和信息化建设的快速推进，铁路编组站在生产组织、作业管控、管理方式及技术装备更新等方面都面临变革。保证新形势下生产工作安全有序以及有效提升安全管理质量及效率，成为各编组站当前迫切需要解决的问题。

关于铁路编组站信息化的研究已取得不少成果，丁昆[1]提出建立共享信息平台，从而实现编组站高度综合自动化的目的；王世东等人[2]根据编组站实际作业流程，将阶段计划自动编制问题分解为3个子问题，分别建立数学模型并求解，实现编组站阶段计划的自动编制；薛锋等人[3]设计了以蚁群遗传算法（GAAA）为基础的协调优化算法，在此基础上生成配流方案；刘霆等人[4]建立了以压缩车辆中时和减少出发列车晚点时间为目标的随机机会约束规划模型，为改进编组站的决策质量提供了有效的方法。

铁路编组站信息化不仅是铁路站段数字化转型的重要内容，也是数字孪生技术在铁路行业的重要应用。陶飞等人[5]提出了数字孪生五维模型的概念；陈健[6]设计了基于数字孪生的船舶企业制造全寿命周期管理系统；郝博等人[7]提出了基于数字孪生技术的装配过程质量控制方法。目前，数字孪生技术在铁路编组站信息化领域中尚未得到较好的应用。

本文借鉴了数字孪生六维模型，通过结合铁路编组站作业流程和特点，提出了基于铁路编组站的数字孪生模型，并基于该模型设计了铁路数字编组站智能平台，对实现铁路编组站的数字化转型具有重要意义。

1. 编组站数字孪生模型设计

铁路编组站数字孪生模型包括物理编组站（PS，Physical Station）、虚拟编组站（VS ，Virtual Station）、服务（SS，Services）、孪生数据（DD， Digital Data）、前端展示（FD，Front Display）和连接（CN，Connection）6个部分，如图1所示。

图 1 编组站数字孪生模型

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（1）物理编组站（PS）是编组站数字孪生模型的基础，包括实际存在的铁路编组站及其生产运营过程。对物理编组站的分析是建立编组站数字孪生模型的前提条件。

（2）虚拟编组站（VS）是编组站数字孪生模型的核心，负责在数字空间里实时描述物理编组站的全部特性，与真实空间的物理编组站保持时空一致性。虚拟编组站描述的对象包括物理编组站中几何参数的三维模型、物理属性、约束和特征信息、外部环境与干扰、内部运行机制、生产规则和经验、编组站相关标准与准则等。

（3）服务（SS）是指编组站数字孪生模型运行所需要的服务，分为功能性服务和业务性服务。其中，功能性服务包括大数据存储和分析、云计算、物联网等；业务性服务包括数据展示、实时报警和预警、应急指挥等。

（4）孪生数据（DD）是编组站数字孪生模型的驱动力，编组站各信息系统是其最主要的数据来源。各系统数据包括物理编组站数据、虚拟编组站数据、服务数据和知识数据。其中，物理编组站数据主要用于描述真实编组站的设备、厂房等物理要素属性，以及编组站运行动态过程中产生的状态数据；虚拟编组站数据主要包括编组站的三维几何模型、物理模型、行为模型以及规则模型等；服务数据包括编组站运营过程中的规章制度、业务规则、操作规程等；知识数据包括铁路编组站相关知识、行业标准等。

（5）前端展示（FD）是编组站数字孪生模型的展示部分，可对所有的监控内容提供数据报表、二维图表和三维场景、实时视频等多种展示方式。

（6）连接（CN）是联通编组站数字孪生模型各部分的纽带，代表数字通信技术实现的数据传输机制。各连接负责以最适当的方式将模型某部分数据实时传输到另一部分，同时实时刷新传输规则。

2. 平台架构2.1 总体架构

铁路数字编组站智能平台是面向铁路车站的数字化管理平台，总体架构设计体现了安全性、可靠性、通用性、可扩展性的特点，如图2 所示。平台总体架构设计遵循以下原则。

图 2 编组站智能平台总体架构

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（1）平台采用B/S架构，部署在铁路内部服务网，按铁路局集团公司、编组站二级部署，铁路局集团公司、编组站、车间三级应用的总体架构进行设计，同时，逻辑上采用数据层、业务逻辑层、展示层的3层设计。

（2）铁路局集团公司级平台部署应用服务器和数据库服务器，包括安全管控平台及综合管理平台2个二级平台模块，实现铁路局级数据汇总和展示。

（3）编组站级平台是整个平台的核心组成部分，包括安全管控平台，作业管控平台、运输管控平台及综合管理平台4个二级平台模块，用于实现编组站级多系统数据整合、数据查询、统计分析和数据展示等。该级平台部署应用服务器、数据库主服务器和从服务器。其中，数据库采用双机热备，保证系统结构化业务数据的安全；应用服务器采用虚拟机快照方式，保证系统在出现故障时快速恢复。

（4）编组站下属车间级单位通过浏览器登录编组站级平台。

（5）平台硬件采用模块化设计，模块之间的耦合度低，具有较强的可靠性和可扩充性。

2.2 技术架构

铁路数字编组站智能平台采用先进成熟的开发技术和开发语言，保证系统开发的效率和后续开发的接续性。平台应用Spring Boot开发框架，采用分层技术设计，支持跨平台部署；系统组件之间内置了各类开放、安全的接口，具备良好的开放性。平台技术架构分为展现层、应用层、数据层、应用环境层和基础设施层，如图3所示。

图 3 编组站智能平台技术架构

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（1）基础设施层：依托铁路内部服务网，服务器采用虚拟机技术实现，减少硬件资源的投入；存储采用磁盘阵列技术以保障数据的安全性。

（2）应用环境层：采用Tomcat为应用提供服务。

（3）数据层：系统收集的各类结构化数据存储在Oracle数据库中；非结构化数据直接存储在共享存储中。

（4）应用层：采用Spring Boot框架构建开放、扩展能力强的应用功能组件，实现铁路数字编组站智能平台的各项功能；同时采用主流的J2EE架构，结合成熟的开发套件，实现各管理功能的开发和封装。

（5）展现层：采用Bootstrap、Layui、jQuery、AJAX和CSS等前端开发框架，构建交互性强的Web前端界面。

2.3 网络架构

铁路数字编组站智能平台的网络架构如图4所示。系统部署在铁路内部服务网；系统安全域划分终端接入区、铁路数据接入区、应用服务区和运维管理区；互联网和移动互联网终端采集的数据通过网络安全平台进入铁路内部服务网的终端接入区；内部服务网中其他铁路应用系统的数据通过铁路数据接入区接入智能平台。

图 4 编组站智能平台网络架构

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3. 平台功能

铁路数字编组站智能平台功能架构如图5所示。

图 5 编组站智能平台功能架构

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3.1 安全管控3.1.1 干部履职分析预警

通过实时读取车务综合管理平台2.0系统内问题单考核情况，动态地查看干部的履职情况。

3.1.2 风险管控分析预警

通过实时读取车务综合管理平台2.0系统数据，以两违数据为支撑对应安全风险项点，继而判断出风险的管控情况。

3.1.3 隐患治理分析预警

整合各现有系统的隐患数据及治理状态，继而判断出隐患的治理情况。

3.1.4 风险评价分析预警

该模块数据主要源于车务综合管理平台2.0系统以及车站安全科相关报表和发布的文件，提供通过举报的风险研判、风险检查等功能，为各项检查工作提供依据。

3.1.5 标准化建设分析预警

实现对上季度不达标车间、班组的示警，以及对本季度车间、班组考评情况的动态预警。管理人员可通过平台的智能分析、动态提醒对当前安全风险较大的车间、班组实现重点盯控和提前防范。

3.2 作业管控3.2.1 接发列车作业分析预警

通过接入编组站综合自动化系统（CIPS）部分数据信息，判别作业信息，研判安全控制措施，进行未来1 h内的接发列车作业分析预警。

3.2.2 调车作业分析预警

（1）作业人员风险提示：信息基于车务综合管理系统（SMIS 2.9）中导出的作业类安全检查问题单的性质、细类与CIPS中的注意事项内容进行匹配，对关键人员的风险项点作出判断与提示，使管理人员掌握现场存在的作业类风险。

（2）重点车辆提示：基于列车到达预告，通过对车辆装载货物品名的分析，梳理重点车辆、需要进行把关车辆的信息，提示管理人员所需把关的地点、时间。

3.2.3 职工综合素质评价分析预警

管理人员可以通过数字铁路大板块观测到每项工作在岗职工的综合素质能力，通过个人风险指数的评测，判断该名人员工作风险大小，做到重点盯控和提前防范。

3.2.4 施工/维修作业分析预警

显示铁路站点分布图，用红色（正在施工/维修）、黄色（24 h内有施工/维修）、绿色（24 h内无施工/维修）、灰色（禁止施工）将站点以颜色区分显示，并用不同标记区分施工项目和维修项目。

3.2.5 室外人员定位分析预警

以车站电子地图为底图，基于北斗高精度定位技术，建立电子围栏系统，通过定位实时掌握室外调车、施工作业人员实时位置和历史轨迹，来降低作业人员作业不及时、入线检查不彻底、推进领车不到位等风险项。

3.3 运输管控3.3.1 直属站运输任务分析预警

计算年度/月度任务完成情况，统计分析运输效率指标，包括办理辆数、货车中时、货车停时、运用车保有量、日均装车数、日均卸车数和货物发送吨。

3.3.2 各车间（站）运输任务分析预警

计算年度/月度任务完成情况，统计分析各车间（站）货车中时情况，包括货车停时情况、运用车保有量情况、办理辆数情况和日均装车数情况等。

3.3.3 运输指标统计分析预警

（1）货车中时、停时统计简析：选取匹配同一品名的作业车数、作业时间进行汇总统计，计算单项影响停时。

（2）毛玻璃查询：按场别选择查询，显示股道名、车次、辆数、重量、换长和编组内容。

（3）月度指标超计划预警：通过自动读取直属站任务完成情况或各车间（站）任务完成情况中月度任务完成情况数据，实现预警功能。

3.3.4 现车情况分析预警

（1）通过从CIPS接入现车数据实时显示各站现车数、待卸车、待发重车、回送空车、空车车种别情况。

（2）通过自动对比系统时间与CIPS中车辆的到达时刻、SMIS 2.9中车辆的到达日期来实现大点车预警功能。

3.4 综合管理

综合管理平台包括人事管理、财务管理、物资管理、综合管理和网格化管理信息系统等功能。

4. 效益分析4.1 经济效益

过去，编组站各级管理人员需要投入大量时间对车间（站）作业情况统计分析、对作业进行安全风险评价、制定控制措施并做好教育培训等，人力成本支出较大。平台建成后，各级管理人员可获取各类准确的统计分析数据，直观掌握主要作业情况及职工评价，时间投入大幅减少。每个编组站每年可节约一定人工成本。

4.2 安全效益

铁路数字编组站智能平台通过读取编组站CIPS、SMIS 2.9、十八点统计分析等系统的接口数据，进行综合、动态、有形化的预警展示。各级管控人员及行车人员可及时获得预警信息，更有针对性地加强关键作业安全措施落实及盯控，确保接发列车作业、调车作业、施工维修作业的安全，提升了编组站风险安全管控水平。

5. 结束语

本文基于数字孪生六维模型，建立了铁路数字编组站智能平台，并在中国铁路上海局集团有限公司南翔站投入试用。试用结果表明，该平台全面提升了编组站作业环节的安全风险管控质量和运输管理的智能化水平；提高了各级安全管控人员、专业管理人员的工作效率。后续还需结合实际生产流程，不断完善编组站数字孪生模型，并同步优化智能平台的功能。