莊 河，文萃雯，馮麗萍，文 超,4

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基于結(jié)構(gòu)熵的調(diào)度命令有序度評價(jià)

莊 河1，文萃雯2，馮麗萍3，文 超2,4

（1. 中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，武漢 430071；2. 西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031； 3. 山東交通學(xué)院，軌道交通學(xué)院，濟(jì)南 250357；4. 滑鐵盧大學(xué)，土木與環(huán)境工程系，滑鐵盧：N2L 3G1）

鐵路調(diào)度命令的有序度直接決定鐵路運(yùn)輸任務(wù)能否安全有序地完成，已有鐵路安全監(jiān)控系統(tǒng)大多關(guān)注局部功能，缺乏整體調(diào)度安全性評估。論文分析調(diào)度命令形成過程中的信息交互流程，考慮時(shí)效性和通信質(zhì)量兩個(gè)方面，基于結(jié)構(gòu)熵理論建立調(diào)度命令有序度的評價(jià)模型。該模型涵蓋了系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的靜態(tài)穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)過程的動(dòng)態(tài)性指標(biāo)，并將其作為不同情景下調(diào)度命令有序度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。最后以臨時(shí)限速調(diào)度命令的形成、傳輸、執(zhí)行過程為例計(jì)算調(diào)度命令的有序度,算例結(jié)果表明目前臨時(shí)限速調(diào)度命令的信息交互過程是相對有序的。

調(diào)度命令；結(jié)構(gòu)熵；臨時(shí)限速；評價(jià)指標(biāo)

0 引 言

鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)具有內(nèi)部組成單元數(shù)量巨大、同層級以及不同層級之間的信息交互關(guān)系復(fù)雜、信息交互內(nèi)容多樣等特征[1]。此外，隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路調(diào)度系統(tǒng)伴隨著新技術(shù)發(fā)展而不斷更新[2]。系統(tǒng)進(jìn)化加劇了鐵路調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)部信息交互過程的復(fù)雜性，同時(shí)對調(diào)度指揮系統(tǒng)信息交互安全提出了更高的要求。調(diào)度命令作為鐵路調(diào)度系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備等資源統(tǒng)籌利用計(jì)劃的最終表現(xiàn)形式，其安全可信度直接影響鐵路運(yùn)輸任務(wù)能否安全有序地完成[3,4]。因此，對鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)中調(diào)度命令的安全有序度進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)是十分必要的。

熵作為描述系統(tǒng)無序度的重要概念在系統(tǒng)狀態(tài)評價(jià)方面具有顯著的研究成果[5,6]。其中，結(jié)構(gòu)熵是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)論證系統(tǒng)組織化程度與系統(tǒng)有序度之間的辯證關(guān)系[7-9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序度常用來定義系統(tǒng)組織化程度，調(diào)度命令的有序度綜合考慮了信息傳遞的時(shí)效性和準(zhǔn)確度，即時(shí)效和質(zhì)量。根據(jù)負(fù)熵理論，調(diào)度指揮系統(tǒng)對鐵路系統(tǒng)內(nèi)有限資源的調(diào)配作為外界負(fù)熵流，保證了鐵路系統(tǒng)有序化而非熵增不穩(wěn)定狀態(tài)。

考慮到調(diào)度系統(tǒng)本身信息交互的依賴性和傳遞性，相對于通過安全監(jiān)測系統(tǒng)對固定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控來保證系統(tǒng)安全有序，本文從信息交互路徑和內(nèi)容出發(fā)基于結(jié)構(gòu)熵對調(diào)度命令生成過程的安全有序程度進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)，用于指導(dǎo)調(diào)度命令安全有序的生成、下達(dá)和執(zhí)行。

1 調(diào)度命令有序度評價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)熵越大，系統(tǒng)越混亂無序，系統(tǒng)有序度越小。反之，系統(tǒng)有序度越高，系統(tǒng)越安全穩(wěn)定。

從信息論的角度來講，任意一條信息都包括信源、信宿和信息內(nèi)容三部分。鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)中，調(diào)度命令的生成、下達(dá)及執(zhí)行過程伴隨著大量的信息交互。一次安全有效的信息交互對信息的時(shí)效性和準(zhǔn)確性具有嚴(yán)格的要求[10]，因此，調(diào)度命令有序度的評價(jià)主要從時(shí)效性和通信質(zhì)量兩個(gè)角度出發(fā)，并根據(jù)不同的系統(tǒng)對時(shí)效性和準(zhǔn)確性的不同要求，加權(quán)得到系統(tǒng)整體的有序度如下：

1.1 時(shí)效性指標(biāo)

系統(tǒng)時(shí)效結(jié)構(gòu)熵為：

系統(tǒng)時(shí)效有序度為：

1.2 質(zhì)量指標(biāo)

系統(tǒng)內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)作為信源向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息包，當(dāng)相應(yīng)信宿節(jié)點(diǎn)在約定時(shí)間內(nèi)收到的信息包與信源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息包完全一致時(shí)，稱這一信息包傳送是準(zhǔn)確無誤的[11]。相應(yīng)的，本文以質(zhì)量結(jié)構(gòu)熵評價(jià)系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸質(zhì)量。

（11）

根據(jù)兩種質(zhì)量熵評價(jià)方法出發(fā)點(diǎn)的不同可以看出，第一種動(dòng)態(tài)質(zhì)量熵可用于系統(tǒng)使用過程中的實(shí)時(shí)有序度評價(jià)，第二種質(zhì)量結(jié)構(gòu)熵則主要是從系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，可用于系統(tǒng)重建、組織流程優(yōu)化完成后的方案比選。

1.3 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身對評價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)評價(jià)目的制定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：若用于組織流程優(yōu)化效果評價(jià)，設(shè)優(yōu)化前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有序度為bR，優(yōu)化后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有序度為aR，則該優(yōu)化方案的有序程度提高率1η為：

2 算 例

考慮到鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)涉及數(shù)量巨大的組成單元且具有較為復(fù)雜的信息交互關(guān)系，而臨時(shí)限速調(diào)度命令的管理過程相對獨(dú)立，論文以臨時(shí)限速調(diào)度命令的生成、下達(dá)和執(zhí)行過程為例（如圖1所示），計(jì)算該過程的信息交互有序度。算例涉及臨時(shí)限速服務(wù)器中已經(jīng)存儲(chǔ)的計(jì)劃性臨時(shí)限速以及行車調(diào)度臨時(shí)擬定的非計(jì)劃性臨時(shí)限速，操作對象主要有包括行調(diào)在內(nèi)的CTC行調(diào)臺、臨時(shí)限速操作終端、限速服務(wù)器、RBC、TCC和車載設(shè)備等六個(gè)對象節(jié)點(diǎn)，涵蓋了臨時(shí)限速調(diào)度命令的擬定、執(zhí)行和取消三個(gè)階段。將這幾個(gè)操作對象抽象為節(jié)點(diǎn)，對象間的信息交互關(guān)系抽象為有向連接關(guān)系，并根據(jù)前文中的計(jì)算公式得到該系統(tǒng)的時(shí)效有序度1和質(zhì)量有序度2，如表1所示。表中的“取值”依次為臨時(shí)限速調(diào)度命令相關(guān)節(jié)點(diǎn)間的包含信息量，“概率”為相關(guān)信息量占信息總量的比值。

圖1 臨時(shí)限速調(diào)度命令流程圖

表1 調(diào)度命令有序度

Tab.1 Order degree of dispatching commands

備注：為簡化表格將六個(gè)主要設(shè)備分別編號，與圖1中的圖示相對應(yīng)。

3 結(jié) 論

目前鐵路安全監(jiān)控技術(shù)及設(shè)備多處于局部產(chǎn)品的單獨(dú)應(yīng)用階段，并未形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的產(chǎn)品，而鐵路系統(tǒng)內(nèi)列車運(yùn)行控制、調(diào)度指揮、運(yùn)營管理、維修養(yǎng)護(hù)等相互融合，各子系統(tǒng)內(nèi)及子系統(tǒng)間信息交互越來越頻繁。從信息交互流程的角度出發(fā)將各子系統(tǒng)及各子系統(tǒng)內(nèi)的操作單元按照問題規(guī)模及粒度串聯(lián)起來形成一個(gè)相對獨(dú)立、完整的研究對象，既能保證問題研究的完整性同時(shí)又可以在更宏觀的角度發(fā)現(xiàn)新的問題。結(jié)構(gòu)熵作為從系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的角度探討系統(tǒng)不確定性的指標(biāo)，從時(shí)效性和質(zhì)量兩個(gè)角度探討系統(tǒng)有序度。其中針對質(zhì)量結(jié)構(gòu)熵，論文從靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)兩方面分別提出了計(jì)算公式及應(yīng)用領(lǐng)域。以臨時(shí)限速調(diào)度命令的管理過程為例進(jìn)行了應(yīng)用，計(jì)算得到目前理想狀態(tài)下我國鐵路臨時(shí)限速調(diào)度命令管理的有序度為0.68，是相對穩(wěn)定有序的。

在下一步的研究中，主要從以下兩個(gè)方面展開：一是調(diào)度命令形成過程涉及的對象及其信息交互關(guān)系的抽象化處理及有序度評價(jià)的編程實(shí)現(xiàn)，二是調(diào)度命令有序度實(shí)時(shí)評價(jià)與現(xiàn)有安全監(jiān)控技術(shù)的融合。

[1] 劉春煌, 桑苑秋, 李繼先, 等. 滬寧線行車安全監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案和管理中心的研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 2002, 23(6): 17-25.

[2] 張惟皎, 劉春煌, 蔣薈等. 鐵路行車安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性研究[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì), 2004, 26(9): 39-41.

[3] 陳峰. 高鐵行車調(diào)度合理工作負(fù)荷研究[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào), 2013, 11(2): 101-106.

[4] 劉珊珊, 薛鋒. 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路行車調(diào)度指揮人因可靠性研究[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào), 2017, 15(3): 78-83.

[5] WILEY E O, LAYZER D. Information in cosmology physics and biology[J]. Quantum Chem., 1988, 12(1)：185-195.

[6] 李習(xí)彬. 熵-信息理論與系統(tǒng)工程方法論的有效性分析[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 1994, 3(2): 37-42.

[7] 張志峰, DAVID, Janet. 基于信息熵的單元化制造系統(tǒng)狀態(tài)度量[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 29(1): 43-49.

[8] 李電生, 夏國建. 基于結(jié)構(gòu)熵理論的供應(yīng)鏈系統(tǒng)有序度評價(jià)研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版, 2008, 7(4): 40-43.

[9] 蔡曄, 曹一家, 譚玉東,等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)熵的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對連鎖故障的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(3):36-43.

[10] 邱菀華. 管理決策與應(yīng)用熵學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[11] 張志峰, 肖人彬. 基于結(jié)構(gòu)熵的生產(chǎn)系統(tǒng)有序性評價(jià)的實(shí)證研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(6):62-67.

（中文編輯：劉娉婷）

Order Degree Evaluation of Dispatching Command Using Structural Entropy

ZHUANG He1，WEN Cui-wen2，F(xiàn)ENG Li-ping3，WEN Chao2,4

(1. China Railway Wuhan Group Co.,Ltd., Wuhan 430071, China;2. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. School of Rail Transit, Shandong Jiaotong University, Ji’nan 250357, China;4. Department of Civil & Environmental Engineering, University of Waterloo, Waterloo N2L 3G1, Canada)

The order degrees of train dispatching commands determine whether the transportation goals can be realized safely and orderly. The existing railway safety monitor system mostly focused on partial functions, and there is lack of integrity evaluating of train dispatching safety. In this paper, information interactions among the formation of train dispatching commands were analyzed, and an order degree evaluation model of dispatching command was established using structural entropy, considering both the timeliness and communication qualities. This model took the indexes of static system structural stability and dynamic performance of the implementation process as the main evaluation criterion for evaluating of order degrees of train dispatching commands under different scenarios. Finally, the processes of formation, transition, and execution of temporal speed restriction dispatching commands were studied as examples, whose results show that the current information interactions of temporal speed restriction dispatching commands have a relative good order degree.

dispatching command; structural entropy; temporary speed restriction; evaluate indexes

1672-4747（2018）02-0009-05

U298.1

A

2017-04-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB1200701）；國家自然科學(xué)基金（61503311）；中國鐵路總公司科技開發(fā)計(jì)劃（2016X008-J）

莊河（1968—），男，江蘇常州人，漢族，提高待遇高級工程師，中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司總經(jīng)理。

文超（1984—），男，漢族，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殍F路行車組織優(yōu)化。

莊河，文萃雯，馮麗萍，等. 基于結(jié)構(gòu)熵的調(diào)度命令有序度評價(jià)[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2018, 16(2): 9-13.

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.02.002