余 淮，王振宏，邢科家

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的研究

余 淮1，王振宏1，邢科家2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

本文介紹編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)—決策樹(shù)C4.5算法，從編組站綜合自動(dòng)化（SAM）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)豐富的數(shù)據(jù)信息中自動(dòng)篩選、匯總能力計(jì)算所需數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立符合當(dāng)前編組站實(shí)際情況的能力自動(dòng)計(jì)算體系，按照預(yù)先設(shè)置的能力計(jì)算單位時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算編組站全站能力或單項(xiàng)設(shè)備能力。最終通過(guò)人機(jī)界面以圖表方式顯示能力計(jì)算及查詢結(jié)果，為編組站技術(shù)裝備的管理和運(yùn)營(yíng)組織方式的調(diào)整提供更加豐富、客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

運(yùn)輸能力；編組站綜合自動(dòng)化（SAM）；決策樹(shù)；C4.5算法

編組站運(yùn)營(yíng)工作是根據(jù)車流情況，利用車站運(yùn)輸設(shè)備最大限度地發(fā)揮其運(yùn)輸能力。因此，掌握編組站的實(shí)際運(yùn)輸能力對(duì)于優(yōu)化調(diào)整編組站運(yùn)營(yíng)組織方式，提高編組站運(yùn)輸能力具有重要意義。

目前編組站運(yùn)輸能力計(jì)算工作主要由人工完成，每隔數(shù)年查定一次，每次需數(shù)十人同時(shí)進(jìn)行連續(xù)三晝夜的數(shù)據(jù)采集，并由專人匯總、分析數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)數(shù)周甚至更久，而且由于數(shù)據(jù)采集、錄入及處理均由人工完成，能力計(jì)算結(jié)果存在主觀性和不準(zhǔn)確性，并不能很好的滿足需求。近年來(lái)，隨著電氣集中設(shè)備和微機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備的普及，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于能力計(jì)算的自動(dòng)計(jì)算方法進(jìn)行了研究，研究結(jié)果雖可自動(dòng)采集部分?jǐn)?shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)并不全面，且分析及計(jì)算仍需人工完成，并未真正實(shí)現(xiàn)編組站運(yùn)輸能力的自動(dòng)計(jì)算。

本文介紹了一種編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用決策樹(shù)C4.5算法對(duì)編組站綜合自動(dòng)化（SAM）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分類，整合生成能力計(jì)算的參數(shù)，通過(guò)能力計(jì)算公式實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地自動(dòng)計(jì)算編組站運(yùn)輸能力值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用C/S模式，其不依賴于系統(tǒng)外網(wǎng)環(huán)境，安全性較高，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為3層：表示層：應(yīng)用程序的客戶端，提供人機(jī)接口；業(yè)務(wù)邏輯層：實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及計(jì)算；數(shù)據(jù)層：物理數(shù)據(jù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)訪問(wèn)的組件以及數(shù)據(jù)對(duì)象，提供了數(shù)據(jù)訪問(wèn)的公共鏈接等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主要模塊設(shè)計(jì)如下：獨(dú)立的數(shù)據(jù)整合模塊進(jìn)行能力計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)讀寫模塊作為業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能力計(jì)算模塊主要完成人機(jī)交互，按照界面輸入?yún)?shù)計(jì)算站場(chǎng)的能力并將計(jì)算結(jié)果以數(shù)據(jù)圖表的形式展示給用戶。系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)自動(dòng)分類匯總功能。系統(tǒng)可從編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（SAM）數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)匯總能力計(jì)算所需數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)表中。

（2）能力自動(dòng)計(jì)算及查詢功能：a.編組站通過(guò)解編等能力的自動(dòng)計(jì)算及查詢功能。b.單項(xiàng)作業(yè)能力的自動(dòng)計(jì)算及查詢功能。包括：各區(qū)域（按場(chǎng)別、咽喉等劃分）能力的自動(dòng)計(jì)算及查詢功能；各作業(yè)系統(tǒng)（如不同作業(yè)方式下的駝峰解體系統(tǒng)，編組系統(tǒng)等）能力的自動(dòng)計(jì)算及查詢功能；各設(shè)備（道岔、單條牽出線等）能力的自動(dòng)計(jì)算及查詢功能。c.按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行全站或單項(xiàng)能力自動(dòng)計(jì)算及查詢功能。包括：24 h能力自動(dòng)計(jì)算及查詢對(duì)比功能；按班次進(jìn)行能力自動(dòng)計(jì)算及查詢對(duì)比功能；按階段計(jì)劃周期進(jìn)行能力自動(dòng)計(jì)算及查詢對(duì)比功能。

（3）能力計(jì)算日志及文檔管理功能。系統(tǒng)可自動(dòng)管理運(yùn)行日志以及能力計(jì)算相關(guān)文檔。

（4）界面顯示功能。通過(guò)人機(jī)界面以圖表形式顯示能力計(jì)算結(jié)果功能。

（5）參數(shù)設(shè)定功能。系統(tǒng)可對(duì)編組站相關(guān)特性進(jìn)行設(shè)置。

（6）用戶管理功能。系統(tǒng)可對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限管理，按照用戶權(quán)限進(jìn)行不同程度的功能開(kāi)放。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編組站能力計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包含作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)，作業(yè)指令數(shù)據(jù)，作業(yè)進(jìn)路數(shù)據(jù)和作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)等。編組站綜合自動(dòng)化（SAM）系統(tǒng)的計(jì)劃信息子系統(tǒng)以作業(yè)計(jì)劃為依據(jù)不間斷地進(jìn)行著列車的到、解、編、發(fā)，運(yùn)輸設(shè)備根據(jù)作業(yè)計(jì)劃分解后形成的作業(yè)指令動(dòng)作實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指揮人員的運(yùn)輸意圖；SAM系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息并進(jìn)行邏輯處理形成作業(yè)執(zhí)行結(jié)果信息。上述數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型以離散狀態(tài)存在，編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算所需的數(shù)據(jù)是以耦合狀態(tài)存在的數(shù)據(jù)，因此需按照現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的先后順序關(guān)系、作業(yè)的交叉關(guān)系對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。例如，處理到達(dá)場(chǎng)接車作業(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，將作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)指令、作業(yè)進(jìn)路、作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行結(jié)果以及股道占用情況整合，供數(shù)據(jù)挖掘使用，整合后的能力計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 能力計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

表1中各符號(hào)意義如下：E—設(shè)備名稱；M—機(jī)車類型，包含調(diào)機(jī)、本務(wù)機(jī)、列車等；T—占用時(shí)間；P—計(jì)劃類型；WD—Δt內(nèi)是否有需占用當(dāng)前設(shè)備的調(diào)車計(jì)劃處于等待狀態(tài)；Type—時(shí)間類型，包含妨礙時(shí)間、空程時(shí)間、推峰時(shí)間、整備時(shí)間等。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）適時(shí)自動(dòng)能力計(jì)算。目前的能力計(jì)算以一晝夜為單位，且一般間隔數(shù)年才進(jìn)行一次，目的是服務(wù)于路網(wǎng)層面的規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營(yíng)組織調(diào)整，但對(duì)編組站站內(nèi)運(yùn)營(yíng)組織的改善并沒(méi)有太多參考意義。而本系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的能力計(jì)算時(shí)間單位進(jìn)行自動(dòng)能力計(jì)算，若設(shè)置為3 h可為以階段計(jì)劃的編制調(diào)整提供重要的數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)在保留能力計(jì)算原有作用的基礎(chǔ)上，同時(shí)也為編組站站內(nèi)運(yùn)營(yíng)組織模式的改善提供重要依據(jù)。

（2）參數(shù)全部使用真實(shí)值，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確?，F(xiàn)有能力計(jì)算方法由于原始數(shù)據(jù)匱乏和不準(zhǔn)確，一些人工難以統(tǒng)計(jì)的參數(shù)多采用經(jīng)驗(yàn)值代替真實(shí)數(shù)據(jù)，而本系統(tǒng)可從SAM系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中輕松獲得編組站能力計(jì)算所需的所有原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到所有參數(shù)的真實(shí)值，計(jì)算結(jié)果更符合編組站實(shí)際情況，因而更加準(zhǔn)確。

3 模型及算法

綜合鐵路編組站能力計(jì)算國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)外研究成果，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘C4.5算法，形成新的計(jì)算體系。以編組站尾部編組能力計(jì)算為例，目前的直接計(jì)算法公式為：

式中M為尾部配備的編組調(diào)車機(jī)臺(tái)數(shù)；α為空費(fèi)系數(shù)；∑t固為固定作業(yè)總時(shí)間；t編組為平均編組一列車的時(shí)間（min）；N摘為一晝夜編組的摘掛列車數(shù)。

目前算法模型的缺點(diǎn)：各種參數(shù)的計(jì)算均依據(jù)數(shù)晝夜人工采集的數(shù)據(jù)，既不靈活又缺乏普遍性和準(zhǔn)確性；α等人工難以測(cè)量的參數(shù)目前仍主要使用經(jīng)驗(yàn)值或概率值，即2臺(tái)調(diào)車機(jī)時(shí)采用0.06～0.08；3臺(tái)調(diào)機(jī)時(shí)采用0.08～0.12，并不能保證完全符合當(dāng)前編組站情況。

現(xiàn)改進(jìn)如下：

（1）進(jìn)行能力計(jì)算使用的原始數(shù)據(jù)不再局限于數(shù)天內(nèi)的采集，現(xiàn)可使用數(shù)周、數(shù)月或者更長(zhǎng)時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，甚至可使用不同班組各自的歷史數(shù)據(jù)生成計(jì)算模型。如此生成的數(shù)據(jù)模型更加準(zhǔn)確且具有針對(duì)性，計(jì)算結(jié)果更具參考價(jià)值。

（2）能力計(jì)算的單位時(shí)間不再局限于24 h，現(xiàn)可設(shè)置為一個(gè)階段計(jì)劃周期、一個(gè)班周期或者任意時(shí)間長(zhǎng)度。以便服務(wù)于編組站階段計(jì)劃的編制調(diào)整以及班組作業(yè)方式的考量改善等。

（3）不再采用目前普遍使用的經(jīng)驗(yàn)值，采用數(shù)據(jù)挖掘中的分類算法C4.5算法統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算妨礙時(shí)間等人工方式難以統(tǒng)計(jì)的參數(shù)。根據(jù)當(dāng)前編組站大量歷史數(shù)據(jù)生成的決策樹(shù)模型，更加符合當(dāng)前編組站的技術(shù)裝備條件和作業(yè)組織風(fēng)格，更能準(zhǔn)確地挖掘出可用數(shù)據(jù)，獲得準(zhǔn)確的編組站運(yùn)輸能力。系統(tǒng)使用以下步驟構(gòu)造決策樹(shù)：

定義：從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取原始數(shù)據(jù)集組成訓(xùn)練集D，定義候選屬性集為A，選取表1中屬性“Type”為類標(biāo)號(hào)屬性C，集合C具有m個(gè)不同值，即有m個(gè)不同的類Ci(i=1,…,m)，設(shè)Ci,D是D中Ci類元組的集合，|D|和|Ci,D|分別是D和Ci,D中元組的個(gè)數(shù)。按照以下步驟生成決策樹(shù)。

步驟1：創(chuàng)建一個(gè)結(jié)點(diǎn)N。此結(jié)點(diǎn)第一次被創(chuàng)建，則為根結(jié)點(diǎn)。

步驟2：判斷D中數(shù)據(jù)是否都屬于類C，若是，則返回N作為葉結(jié)點(diǎn)并標(biāo)記為類C；若否，繼續(xù)下一步。經(jīng)過(guò)判斷，D中數(shù)據(jù)不均屬于類C，因此，繼續(xù)下一步。

步驟3：若A為空集或者沒(méi)有剩余屬性進(jìn)一步劃分樣本，則將N作為葉結(jié)點(diǎn)返回，標(biāo)記N為D中的多數(shù)類。

步驟4：計(jì)算A中每個(gè)屬性的信息增益率。

步驟5：將信息增益率最高的屬性H作為N的測(cè)試屬性。

步驟6：若結(jié)點(diǎn)N的測(cè)試屬性取值是離散值，那么這個(gè)屬性有幾個(gè)取值就在結(jié)點(diǎn)N處產(chǎn)生幾個(gè)分支。

步驟7：由結(jié)點(diǎn)N產(chǎn)生若干個(gè)分枝結(jié)點(diǎn)分別產(chǎn)生子樹(shù)。返回步驟1。若決策樹(shù)已經(jīng)生長(zhǎng)完畢，對(duì)決策樹(shù)進(jìn)行剪枝。例如，若對(duì)妨礙時(shí)間中的本務(wù)機(jī)妨礙時(shí)間進(jìn)行挖掘，則決策樹(shù)構(gòu)造如圖5所示，剪枝后如圖6所示。再根據(jù)剪枝后的決策樹(shù)生成分類規(guī)則從大量時(shí)間數(shù)據(jù)中分類得出本務(wù)機(jī)妨礙時(shí)間數(shù)據(jù)。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)基于Microsoft.NET Framework 3.5，使用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言C#處理數(shù)據(jù)以及邏輯，使用Oracle10g進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢及備份。

圖5 未剪枝的決策樹(shù)（本務(wù)機(jī)妨礙時(shí)間）

圖6 剪枝的決策樹(shù)（本務(wù)機(jī)妨礙時(shí)間）

5 實(shí)例驗(yàn)證

在對(duì)某編組站進(jìn)行的3次能力查定工作中，將編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與人工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。以該站上行編組能力的計(jì)算為例，人工方式采用傳統(tǒng)的直接計(jì)算法，利用一晝夜內(nèi)采集得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算24 h編組能力值。與此同時(shí)，編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取值時(shí)間范圍為30 天（以查定日期為截止日期），并將能力計(jì)算的單位時(shí)間設(shè)定為24 h，進(jìn)行自動(dòng)能力計(jì)算。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 某編組站能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

人工能力計(jì)算方式由于原始數(shù)據(jù)的波動(dòng)性和人為因素的影響，呈現(xiàn)不穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，而編組站運(yùn)輸能力自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果非常穩(wěn)定，能夠正確反映當(dāng)前裝備技術(shù)條件和作業(yè)方式下編組站的真實(shí)作業(yè)能力，便于通過(guò)與實(shí)際作業(yè)量比照，為編組站作業(yè)組織方式的改善提供可靠的依據(jù)。

[1] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.鐵路編組站到發(fā)線通過(guò)能力計(jì)算方法（三級(jí)三場(chǎng)）[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992，7.

[2] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.鐵路編組站改編能力計(jì)算方法（三級(jí)三場(chǎng)）[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[3] 孔慶鈴，劉其斌.鐵路運(yùn)輸能力計(jì)算與加強(qiáng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008:327-333.

[4] 楊介平.鐵路運(yùn)輸能力的計(jì)算與利用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001：23-29.

[5] Jiawei Han，Micheline Kamber，Jian Pei.數(shù)據(jù)挖掘：概念與技術(shù)[M]. 3版. 范 明,孟小峰，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：213-222.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Research on Automatic Calculation System for transport capacity of marshalling yard

YU Huai1, WANG Zhenhong1, XING Kejia2
( 1.China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

This thesis introduced the Automatic Calculation System for transport capacity of the marshalling yard. The DM technology that was the decision tree C4.5 Algorithm was used to screen and collect the data used in capacity calculation from abundant data information in the database of the Synthetic Automation of Marshalling Yard(SAM) System. It was built the automatic calculation system which conformed to the current actual situation of the marshalling station automatically, automatically calculated the total capacity of the marshalling station or single equipment capacity according to the preset capacity calculating unit time. Finally the capacity calculation and the query results were displayed in charts through friendly man-machine interface.It was provided richer and more objective data for the management of technical equipment and the adjustment of the operational organization of marshalling station.

transport capacity; Synthetic Automation of Marshalling Yard (SAM); decision tree; C4.5 Algorithm

U291.4∶TP39

A

1005-8451（2014）05-0041-05

2013-11-22

余 淮，在讀碩士研究生；王振宏，助理研究員。