甘 露 姚宇峰

編組站綜合自動化是編組站行車指揮領域的新型技術(shù)裝備。在該系統(tǒng)出現(xiàn)之初，眾多用戶對該系統(tǒng)的價值存在質(zhì)疑，提出與其研究編組站綜合自動化，不如在編組站使用CTC系統(tǒng)或是改進駝峰自動化系統(tǒng)功能。經(jīng)過近些年的推廣和應用，業(yè)界逐步認識到編組站綜合自動化系統(tǒng)不可替代的作用。

編組站是鐵路樞紐的核心，是車流集結(jié)和解編的基地，擔負著車輛成列和分解的關鍵業(yè)務，素有“列車工廠”之稱。在這里處理的是列車接車與發(fā)車，車列編組與解體，本務機車的運用以及車輛的維修等復雜作業(yè)過程。在正線上成熟運用的CTC系統(tǒng)，是在鐵路局中心集中進行列車調(diào)度和執(zhí)行；而對于管轄范圍內(nèi)列車和調(diào)車作業(yè)復雜的站，則采用分散自律的方式實現(xiàn)。駝峰自動控制系統(tǒng)則專注于駝峰調(diào)車場的車列解體自動化過程，與既有行車系統(tǒng)并無交集。在科技發(fā)展迅速的21世紀，迫切需要一種適應編組站自身作業(yè)特征的自動化系統(tǒng)，它可以管理編組站復雜的列車和調(diào)車作業(yè)流程，將調(diào)度和執(zhí)行緊密聯(lián)系在一起。編組站綜合自動化系統(tǒng)就是依據(jù)上述需求而設計開發(fā)出來的。

1 對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析

在設計編組站綜合自動化系統(tǒng)時，行業(yè)中基于不同的設計理念出現(xiàn)了2種系統(tǒng)架構(gòu)：一種是流程再造的流水線方式，該方法強調(diào)整體的流程化和規(guī)則化，代表系統(tǒng)為CIPS系統(tǒng)；另一種是管控融合的DCS方式，該方法則偏向宏觀的計劃與環(huán)節(jié)間的自適應調(diào)整，代表系統(tǒng)為SAM系統(tǒng)。

流水線方式的特點就是單列作業(yè)連續(xù)。在正常運行條件下，該方式的連續(xù)性會有很好的運用表現(xiàn)。運用流水線方式就是將編組站視為一個車間，將每一列列車視為一項生產(chǎn)工作的產(chǎn)品，場內(nèi)的股道視為機器，到、解、編發(fā)作業(yè)中的每個作業(yè)流程視為對于順序排列成組機器的使用過程。調(diào)度指揮作業(yè)就如同在車間里調(diào)度流水線上的生產(chǎn)機器。

DCS的特點是在宏觀決策層的集中，在執(zhí)行層上的分散。由于宏觀的部分比較符合統(tǒng)計學特征，數(shù)據(jù)的實時性和準確性要求不高，更多表現(xiàn)的是抽象的趨勢。執(zhí)行部分則對實時性和準確性有極高的要求。

運用DCS方式是將編組站的管理信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)作為2個大車間，并將到、解、編、發(fā)作業(yè)涉及的生產(chǎn)環(huán)節(jié)作為多個小車間，分別在2個大車間里設置生產(chǎn)調(diào)度辦公室，用于管理小車間的宏觀生產(chǎn)調(diào)度，并在小車間里實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的控制。

2 對作業(yè)效率的分析

從作業(yè)效率的角度考慮，編組站綜合自動化采用DCS方式具有較明顯優(yōu)勢。

1．編組站作業(yè)組織者指定作業(yè)方案時，主要考慮流程的連續(xù)性，譬如根據(jù)列車的方向以及車列的組號特點合理安排作業(yè)場，滿足 “接車照顧推峰，解體照顧編組”的要求。

2．編組站作業(yè)執(zhí)行者根據(jù)實時變化的作業(yè)情況，調(diào)整執(zhí)行方法，譬如：實時調(diào)整調(diào)車計劃的股道；根據(jù)優(yōu)先級和最短處理時間擇機辦理進路等。

3．由于流水線方式是存在阻塞性的，即上一個產(chǎn)品若在流水線上出現(xiàn)問題，會導致下一個產(chǎn)品的生產(chǎn)，需要暫停整條流水線，只有將該異常修正，才能夠保證下一個產(chǎn)品的生產(chǎn)正確。同時，流水線方式的效率是從設計一開始就決定的，它僅決定于該流水線完成一個完整流程的時間，就像生產(chǎn)汽車的生產(chǎn)線要提高效率，只有通過加快組裝車生產(chǎn)線的走行運行速度，同時縮短在每道工序停留的時間。因此，流水線方式在強調(diào)自動化連續(xù)性的同時，犧牲了系統(tǒng)整體的效率。

從理論定義上來看，調(diào)度是指運用一種方法，把稀缺資源合理分配，其目的是優(yōu)化方法，把單位時間的作業(yè)量提高，從而提高效率。要提高系統(tǒng)作業(yè)的效率，就必須保證系統(tǒng)在隨機過程中，能夠靈活地進行調(diào)度。調(diào)度的靈活性主要表現(xiàn)為調(diào)度方法的健壯性，隨機事務在某一時刻的健壯性可以通過以下函數(shù)Rn來衡量，其結(jié)果越大，說明調(diào)度算法越健壯。

其中，wj是該工序的復雜度加權(quán)；dj是完成特定工序所需的時間；dj－Cj就是完成時間與實際工期之間的松弛度。通過公式很容易看出，調(diào)度的工作流越密集，調(diào)度的可操作性越差。因此，流水線方式在處理連續(xù)的非閉環(huán)控制事務時，較DCS模式具有明顯的效率優(yōu)勢。但在處理需異步響應多條件反饋的事件時，流水線方式則明顯比DCS模式反應遲緩，影響范圍擴大。它在依賴整體調(diào)度處理局部問題時，則更大程度上浪費了調(diào)度時間，影響生產(chǎn)效率。

3 對自動化率的分析

在編組站綜合自動化的研究過程中，所有的科研工作者均希望通過計算機技術(shù)將人從勞動中解放出來，甚至希望計算機可以像人一樣思考，高效、有序、安全地辦理編組站內(nèi)的作業(yè)?，F(xiàn)代計算機的高速和大容量存儲，確實使計算機有能力承擔多輸入條件的多維復雜運算。但不幸的是，目前仍沒有對車站的作業(yè)建立出全值域的數(shù)學模型。

真實的編組站作業(yè)過程并非任何一種流水線模型可以描述。一個標準三級七場的雙向縱列編組站的到達場接車符合有準備時間的柔性流水車間模型；駝峰場與編尾場的運用則符合隨機并行機模型；出發(fā)場作業(yè)則符合流水車間模型。以上模型均屬于調(diào)度理論所描述的強NP問題，雖然在理論研究中提出過運用模擬退火算法、禁忌搜索算法、遺傳算法等調(diào)度算法，但均只能在多數(shù)條件假定線性可變的前提下進行。所以現(xiàn)有的數(shù)學模型只能在有限的取值范圍內(nèi)，進行理論上的研究，而遠不能滿足使用要求。

現(xiàn)代人機工學中認為，在目前計算機控制技術(shù)條件下，高水平的人機結(jié)合不是簡單的計算機替代的方法，而是將通過計算機對操作環(huán)境所涉及到的數(shù)據(jù)進行預處理，將關鍵信息提供給用戶，并為用戶提供若干可行方式選擇，輔助其進行作業(yè)過程的決策。可將剩余的、簡單重復的行為過程交由計算機執(zhí)行完成，并及時反饋其動作結(jié)果。

這與目前機器人的發(fā)展思路也是吻合的。復雜機器人的設計也是更趨向于人控肢體機器人，即通過電子技術(shù)將計算機的視覺、觸覺反饋給操作人員，操作人員在控制臺上，通過控制桿操作機器人進行復雜動作，完成作業(yè)任務；而不是設計全智能機器人，讓他自行在環(huán)境中進行自主工作。

4 作業(yè)效率與自動化率的平衡

由上述分析可以看出，就目前的技術(shù)無法實現(xiàn)讓作業(yè)效率和自動化率兩者均達到一個理想的程度。因此，只能在兩者間尋求一種平衡。

相比之下，采取DCS方式的設計理念具有更多的優(yōu)勢。這種方式設計的SAM系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上分為管理信息系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)以及過程執(zhí)行系統(tǒng)。管理信息系統(tǒng)就是通過預先制定一系列的方案，以實現(xiàn)現(xiàn)車安排為目的，該系統(tǒng)通過計算機數(shù)據(jù)共享與分析功能，幫助現(xiàn)車的調(diào)度者 （通常為場調(diào)）完成現(xiàn)車的選取與方案的編制；通過自動控制技術(shù)，為生產(chǎn)線的調(diào)度者 （通常為值班員）提供實時調(diào)整的自動執(zhí)行方案，完成自動組織生產(chǎn)的功能。編組站綜合自動化系統(tǒng)，在其不同層面上對生產(chǎn)的安排和對生產(chǎn)線的調(diào)度，實現(xiàn)了復雜條件下編組站綜合自動化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作。如圖1所示。

圖1 SAM系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度流程

為了在較高作業(yè)效率的基礎上，提高系統(tǒng)的自動化水平，采用DCS方式的編組站集中控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)以計算機規(guī)劃為主，人工決策優(yōu)先，結(jié)合全圖形化一鍵式干預為主要手段的自動控制作業(yè)模式。計算機在收到路局下發(fā)的行調(diào)計劃和站調(diào)計劃后，進行計劃內(nèi)容的結(jié)合，并立即生成作業(yè)階段計劃。作業(yè)人員可以根據(jù)階段計劃在計算機的輔助下，自動生成編組、解體計劃。系統(tǒng)會根據(jù)現(xiàn)場實際和計劃順序，自動生成連續(xù)的作業(yè)命令，并以實時圖形方式展現(xiàn)給用戶。用戶可以快速在界面上完成任務修改。

由于不同的作業(yè)組織特征差異，會直接影響系統(tǒng)內(nèi)調(diào)度的復雜度和兌現(xiàn)率。SAM系統(tǒng)從系統(tǒng)設計上允許作業(yè)組織的差異化需求，并結(jié)合車站行車組織特征，對系統(tǒng)進行深層次定制、對編組站作業(yè)過程中重復性、規(guī)律性部分實現(xiàn)完全自動化處理。對于需要靈活處置的細節(jié)，則設置人為干預的條件，當使用者認為有更好的處置方法時，可以隨時干預其管理范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程，從而實現(xiàn)了高自動化水平下的高作業(yè)效率。

5 結(jié)束語

通過在新豐鎮(zhèn)編組站、蘭州北編組站、包頭西編組站，以及豐臺西編組站使用綜合自動化系統(tǒng)，將上述編組站作業(yè)能力與同期同一級別編組站進行對比，充分表明具有DCS結(jié)構(gòu)的編組站綜合自動化系統(tǒng)，在作業(yè)效率方面具有良好表現(xiàn)。同時，根據(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)方式的變化，可以看出綜合自動化系統(tǒng)的自動化作業(yè)功能，給車站作業(yè)組織和生產(chǎn)方式帶來的巨大變革。

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