（交通运输规划与管理专业论文）车站能力计算数据处理的理论探讨.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 车站( 特别是技术站) 作为铁路运输的重要基层生产单位，集中着大 量的技术设备，配备着众多的职工，担负着繁重的运输任务。随着国民经 济的快速发展，铁路运量大幅增长，对车站提出了更高的要求。车站能承 担多大的运输任务，目前有多大的运输能力，还有多少可以挖掘的运输潜 力，这一系列问题都依赖于车站能力的查定与计算。因此，能力查定工作 是车站技术管理的重要内容，能力计算结果是正确决策的重要依据。为更 加合理地组织运输生产，有效地配置设备资源，要求车站能力计算有较高 的科学性和实用性。 本文就车站能力计算中的数据处理方法和结果表示形式等问题作了较 为深入的探讨，并以六盘水南站和重庆站为例进行了实例计算。首先，讨 论设备占用时间数据的复杂性，并应用统计理论和统计软件分析验证其分 布特征，以此来估算时间标准的区间；其次，将分析时间数据得出的结论 与车站能力的利用率计算法相结合，通过应用不确定度理论求得能力结果 的区间估计。在此基础上，文中就能力计算的数据分析方法，探讨了贝叶 斯统计推断法应用于能力计算的可行性。 论文主要工作和创新点如下： 1 合理化数据。由于现场运输生产过程中的动态复杂性，采集的原始 数据并不一定能正确反映各项作业对咽喉区道岔和到发线的占用情况。通 过运用灰色系统理论进行数据合理化计算，使参与最后计算的数据能更为 准确的反映各项作业对线路、咽喉的占用以及调机对驼峰和峰尾牵出线占 用的真实情况，从而排除现场工作中的些人为及环境的干扰因素。 2 改进参数计算方法。占用咽喉时间标准的计算公式中包含实际占 用、最小占用两部分。通过分析计算分量的数据分布特征，将计算分量的 权重由常数改为与其计算分量稳定性相关的变量。 3 建立能力计算结果区间估计的数学模型。在分析占用时间数据的基 一础上，运用统计推断和不确定度理论，将能力的计算结果表示成区间的形 式。相比现有能力计算结果的点估计而言，区间估计的表示形式在一定程 度上更加科学合理，实用性更强。 关键词车站能力：时间标准；随机性；不确定度；区间估计 诬南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tg r a s s r o o tu n i to fr a i l a g e ，t h e r ea r em a n yt e c h n i c a l f a c i l i t i e sa n ds t a 凰i nt h es t a t i o n e s p e c i a l l yt e c h n i c a ls t a t i o n a n da l s ot h e s t a t i o nm u s ts h o u l d e ra r d u o u st r a n s p o r tt a s k s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m v ，t h ec a p a c i t yo fs t a t i o nn e e d st ob ei n c r e a s i n g h o wm a n y t a s k sc a nt h es t a t o ns h o u l d c r , h o wm u c ht h ee x i s t i n gt r a n s p o r tc a p a c i t y , a n dt h e l a t e n tc a p a c i t y ? i ti st h eo n l yw a yt oa n s w e ra b o v eq u e s t i o n st h a ti sc a p a c i t y c a l c u l a t i o nf o rs t a t i o n s o ，t h ec a p a c i t yc a l c u l a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to f t e c h n i c a lm a n a g e m e n t ，a n da l s ot h er e s u l to fw h i c hi sam a i nb a s i sf o rp r o p e r d e c i s i o n - m a k i n g t h ec a l c u l a t i o nn e e d st ob em o r es c i e n t i f i c a la n dp r a c t i c a l s o t h a t t r a n s p o r tp r o d u c t i o ni so r g a n i z e dm o r er a t i o n a l l ya n dr e s o u r c e sa r e a s s i g n e dm o r ee f f e c t i v e l y a sf a ra st w op r o b l e m sa b o u td a t ap r o c e s s i n gm e t h o da n dt h ee x p r e s s i o n o fc a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h i sp a p e rg i v e sd c 印d i s c u s s i o n ，a n dm a k e se x a m p l e so f l i n p a n s h u is t a t i o na n dc h o n g q i n gs t a t i o n f i r s t ，i td i s c u s s e st h ec o m p l e x i t yo f o c c u p a t i o nt i i n e u s e ss t a t i s t i c a lt h e o r ya n ds o f t w a r et oa n a l y z ea n dt c s t d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ed a t a a n de s t i m a t e st h ei n t e r v a lo f 晤m e s t a n d a r d ；t h e nu s e st h eu n c e r t a i n t yt h e o r yt oe s t i m a t et h ei n t e r v a lo fc a p a c i t y w i t hc o m b i n e i n gt h ec o n c l u s i o no fd a t aa n a l y s i sa n dt h ea n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n o fu t i l i t yr a t i o o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t ya b o u t a p p l y i n gt h em e t h o do fb a y e s i a ns t a t i s t i c st oc a p a c i t yc a l c u l a t i o nf o rs t a t i o n t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o nj sf o l l o w i n g ： 1 n er a t i o n a l i z a t i o no fo r i g i n a ld a t a ：o w i n gt ot h ed y n a m i cc o m p l e x i t yi n t h el o c a lo ft r a n s p o r tm a n a g e m e n t t h eo r i g i n a ld a t ac a l ln o tr e f l e c tc o n f i t i o n so f s w i t c ha n dt r a c ko c c u p a n c yc o r r e c t l y i ti sap u r p o s et h a ti sd a t ac a nm o r e c o r r e c t l yr e f l e c tt h er e a lc o n d i d o n so ft h o a t t r a c ka n dh u m po c c u p a n c y f o rt h i s p u r p o s e ，i tu s e sg r e yt h e r o yt or a t i o n a l i z et h eo r i g i n a ld a t a , a n da l s ot oe x c l u d e ，t h ed i s t u r b a n c eo fs u r r o u n d i n g sa n da r t i f i c i a lf a c t o r s ； 2 t 1 i ea r i t h m e t i co fa m e n d i n gp a r a m e t e r ：i nt h ef o r m u l af o r l l m es t a n d a r d o ft h r o a to c c a p a n c y ，t h e r ea r et w op a r t st h a ta r ea c t u a lo c c u p a n c et i m ea n d m i n i m u mo c c u p a n c et i m e b ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fe a c h p a r t ，t h ew e i g h to fe a c hp a r ti sc h a n g e df r o mt h ec o n s t a n tt ot h ev a r i a b l e c o r r e l a t e dt os t a b i l i t yo fe a c hp a r t ； 3 t h ei n t e r v a le s t i m a t i o nm o d e lf o r e a p a c i t y c a l c u l a t i o n ：b a s eo n a n a l y z i n gt h e d a t ao fo c c u p a n c yt i m e ，i tu s e st h e t h e o r yo fs t a t i s t i ca n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 u n c e r t a i n t yt oe x p r e s st h er e s u l ti ni n t c r v a lf o r m c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n g p o 岫e s t i m a t i o nm o d e l ，t h ei n t e r v a le s t i m a t i o nm o d c li sm o r es c i c a t i f i c , r a t i o n a l a n dp r a c t i c a l k e y w o r d ss t a t i o n c a p a c i t y ；t h n es t a n d a r d ；r a n d o m n e s s ；u n c e r t a i n t y ； h t c r v a lc s t i m a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 从铺设第一条铁路、规划第一个车站至今已有近两个世纪之久。历史 表明，铁路在交通运输体系中占据重要地位，为国家的经济腾飞发挥着巨 大的作用。车站是铁路运输的基层生产单位，必须具备相应的能力。合理 地查定其技术作业过程和能力，不仅对改进车站技术管理、挖掘设备潜力、 提高车站作业效率、指导车站日常生产活动有着重要作用，而且还为编制 列车运行图、列车编组计划、技术计划、运输方案和车站技术设备的改建 提供了可靠的依据。 1 1 论文研究的背景、意义 1 1 1 论文研究的背景 车站作为铁路运输的基层生产单位，集中了与运输有关的各项技术设 备，如客、货、运转设备、信号等。它参与了运输过程的主要作业环节， 如旅客乘降、货物承运、列车接发、车列解体编组、机车车辆检修等等。 目前全路约有5 6 0 0 多个车站，全部站线长度约占线路总延长的3 5 以上 【1 1 。 随着我国经济建设的突飞猛进，市场需求对铁路运输提出了更高的要 求。这就需要铁路运输企业进一步加强各个环节的管理水平。铁路车站及 枢纽的能力是铁路运输能力的主要组成部分，其内部各项作业设备能力的 协调、与区间能力的协调是保证满足运输需求的先决条件。 车站能力包括车站通过能力和改编能力。车站能力是在采用合理的技 术作业过程的前提下，利用现有设备发挥最大的效能，在一昼夜内所能通 过的列车数和改编列车数或车辆数。通过查定能力，可以查明车站现有设 备能完成多大任务，发现设备和作业组织上的薄弱环节，并根据运量的增 长趋势，有预见地采取加强能力的措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 论文研究的意义 随着社会需求的不断提高，对能力查定工作的高要求与传统能力查定 方法的低水平之间的矛盾早已存在，并迫切需要解决。这一方面表现在由 于环境及人为的干扰，使查定的原始数据有较大误差，不能确切的反应各 项作业过程的细节。现有车站能力查定方法一般连续采点三昼夜，显然样 本量偏少，而且这三昼夜的作业是否正常，组织是否很合理，都是需要讨 论的。另一方面，现有能力计算的结果表示成一个定值，但在实际的日常 运输生产中却有时出现超过能力查定标准，即所谓“超能力”的现象。这 种自相矛盾不能不引起人们对现有能力查定方法的反思，自然也降低了计 算结果的可信度和实用性。究其原因，可能是因为现有能力查定方法本质 上是一种统计推断方法，查定结果是通过抽样数据计算出的点估计。点估 计值与真值是存在偏差的。 因此，能力查定和计算的理论方法有待进一步改进，需要建立一套尽 可能正确反应车站工作实际情况的能力查定及计算方法，这样才能在一定 程度上更合理的配置、优化资源，使得宏观调度与微观工作细节更加紧密 的联系起来。 1 2 车站能力计算的方法 1 2 1 车站能力计算的常用方法 目前，能力的计算方法主要有三种：图解计算法、计算机模拟法和分 析计算法1 1 1 。 图解计算法考虑了车站各部分之间及车站与所衔接的进站线路间的配 合关系，可直观地表示出车站各部分的作业负荷量、车辆停留时间等。但 是，图解计算法的计算结果只来源于作为计算用的某一种运行图，而且比 较繁琐，需要花费较多的时间。 计算机模拟法对解决复杂系统的行为研究具有较好的灵活性和适应 性。早在6 0 年代初前苏联专家就已开始将此法引入车站能力的研究，我国 专家学者也对此进行了探索，如文献【4 1 。此方法的优点在于能模拟各种不 同条件下的作业情况，求得经验公式，又比图解法节省时间和手工劳动， 但必须建立模拟模型，建模时必须假定某种流服从某种分布，这与实际存 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在较大差距，而且模型中各参数的确定本身也是一件十分困难的事情，因 此未能得到广泛应用。 1 2 2 分析计算法简介 分析计算法原理简单，简便易行，主要分为直接计算法和利用率计算 法。目前，我国铁路主要采用利用率分析计算方法。此法的核心思想是： 通过采集三天三夜的原始数据，得出各项作业占用各种设备的时间，对占 用时间数据进行分门别类的汇总、整理、分析、计算，得出占用设备总时 间，进而求出能力利用率，然后用三昼夜实际接、发的列车数( 即列入计 算的列车数) 作为分子，以利用率作为分母，计算出某项设备的通过能力 或改编能力。显然，这种方法得出的是最大的数量，即能力被百分之百地 利用时所能达到的接发列车数或改编列车数。这里实际隐含了能力利用率 与车站作业负荷量成线性关系的假定。考虑到作业之间不可避免的干扰， 计算公式中引入了空费系数。这些都带有一定的理想化，因而需要加以改 进和完善。基于各个国家和地区的现场实际情况，国内外专家学者都进行 了进一步的深入研究。许多学者对分析计算法进行了完善修正，如通过数 理统计方法得出某种修正系数，或将列车运行视为一种纯粹的随机过程， 采用概率论、排队论来解决作业妨碍和等待问题等等。目前，由孔庆钤、 刘其斌编著的铁路运输能力计算与加强是一本较新、也较全面阐述国 内外运输能力计算方法和能力加强方面的著作。 1 3 论文研究的主要内容和方法 基于占用时间性质的分析，论文将数学方法运用于车站能力计算，构 建了区间估计车站能力的数学模型。主要内容有4 个方面： 1 车站能力查定的现有技术与方法：主要介绍了计算机采集、转换数 据的技术，现有能力的计算方法，以及研究不确定性问题的数学理论，包 括统计理论、灰色系统理论和不确定度评定方法。 2 技术作业占用设备时间的分析：基于分析车站技术作业的多种确定 的和不确定的因素，首先定性地讨论原始占用时问的性质，再运用统计理 论和软件定量的分析和验证数据的分布特征。 3 数据合理化方法：为了降低干扰因素对计算结果的影响，分别从原 始数据稳定性和现有时间标准计算公式的角度，提出了两种既相互独立又 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 相互关联的数据预处理方法。 4 车站能力的区间估计：在原始数据的分析及合理化基础上，将统计 推断方法、不确定度理论与利用率计算法相结合，建立车站能力区间估计 的数学模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章车站能力查定的现有技术 现有车站能力查定方法具备了完整的运算体系，并在铁路车站的查能 工作中得到了广泛应用。随着计算机技术的发展，数据的收集也从跟班写 实发展到由计算机系统进行记录和分析处理。本章主要介绍了能力查定的 现有技术与方法，研究不确定性闯题的数学方法，以及现有占用时间标准 的计算方法，并分析其不足。 2 1 收集数据的技术与方法 传统的收集原始数据的方法是抽调大量人员，连续三昼夜在信号楼、 调车机上跟班写实，记录各种作业项目及时刻信息。这一方法的最大弊病 是受人为因素影响，记录的数据不可避免地出现差错和遗漏，以致降低了 计算结果的可信度，同时干扰车站的正常工作秩序。目前全国铁路车站的 能力查定工作仍然沿用这一套方法。从2 0 0 2 年起，我院王慈光教授领导的 课题组在这一领域开展研究，对传统采集方法进行了较大改革，在成都铁 路局若干技术站和客运站应用，取得了良好的效果，受到路局技术管理人 员和现场领导、技术人员的欢迎。 改革后的数据采集方法是利用车站微机联锁( 或监测) 设备的历史回 放功能，设计专用的表格，记录原始数据，从而免去了抽调大量人员跟班 写实，使查能工作大为简化，同时提高了原始数据的准确度。 2 1 1 数据抽样调查的方法 抽样调查就是运用适当的方法从所需要了解的全体对象总体中抽 取一部分个体，即样本。通过对样本的详细调查，利用调查结果对总体的 某些特征进行推断【8 j 。抽取样本的基本方法有两种：随机抽样与非随机抽 样，其中后者所抽取的菲随机样本可分为方便样本和判断样本( 按照熟悉 总体有关特征的某个专家判断取得) 2 9 1 。现有的能力查定方法是在正常的 运输生产条件下，选取连续三昼夜的实际作业过程进行跟班采点写实，其 所得样本是以专家判断法抽取的非随机样本。 随着设备自动化水平的提高，微机联锁系统操作和记录着与行车和调 车有关的信息为：反映道岔状态的信息、反映轨道区段状态的信息、反映 道岔锁闭的信息、开放信号的控制信息、转换道岔的控制信息、反映信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 是否开放的状态信息、反映敌对进路是否建立的状态和其他检查信息。先 进设备的应用为改进查标方法提供了先决条件，同时降低了查能对车站运 输生产的负影响，因此应当充分加以利用。 2 1 2 微机联锁与数据的自动化转换 微机联锁系统是一种新型的车站控制系统。是用来指挥铁路车站列车 和调车作业安全可靠运行的自动控制系统。微电子技术的高速发展使得微 型计算机的可靠性越来越高，功能也越来越强，以计算机为核心的联锁系 统成了车站联锁系统发展的方向。随着科技进步与铁路运输事业的发展， 微机联锁系统将逐步取代旧有的继电集中联锁。微机联锁系统作为车站自 动控制系统，具有进路选出、进路锁闭、进路解锁、信号机控制、道岔控 制5 个功能。 车站微机联锁系统是用微型计算机( 或微处理器) 取代部分继电器电 路的联锁系统，其硬件结构可以有很多种，大体上可分为单微机系统、双 微机系统、多微机系统3 种，如图2 1 所示。 控制命令表示设备输入输出 图2 - - 1 ( a ) 单微机系统结构 入机对话微机 l 联锁设备 室外设备 图2 - - 1c o ) 双微机系统结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 监测程序 | 人机对话程序f 通讯程序 。i一一+ 一一一一0 一一 自i 网络主蠢程序 。 l ： 安 全 测 l 联竽h 序一联竽l 卜 襄序中 监 试 程 测 程 序 l 输入处理程序| 1 输出比较程序i l 输入处理程序 ： 序 现场设备 图2 1 ( c ) 多微机系统结构 技术站能力查定数据处理系统是用于数据自动汇总、分类整理、车站 能力指标计算的系统。通过深入分析微机联锁系统( 或微机监测系统) 与 该系统的相互关系，成功解决了两系统接口这一关键问题，实现了由微机 联锁系统历史记录的数据到技术站能力查定数据处理系统所需计算数据的 自动采集与转换。 2 2 2 数理统计是以概率论为基础的一门学科。概率是一个事件发生、一种 情况出现的可能性大小的数量指标【1 l j 。这一概念形成于1 6 世纪，与掷彀子 的博弈活动有着密切的关系。概率论与统计学有着相当密切的关系。尤其 是伯努利的大数律，它可以说是整个数理统计学的基石。 统计学( s a t a t i s t i c ) 是一门综合性很强的边缘学科，是研究客观事物数量 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 关系和数量特征的方法论学科p l 。在我国按照研究对象的性质不同，将统 计学分为数理统计学与社会经济统计学。大英百科全书将统计学定义为 门收集数据、分析数据，并根据数据进行推断的艺术与科学。统计学也 是一门总结经验的学科，从描述统计学发展到推断统计学成为统计学发展 成熟的重要标志。描述统计是对所收集的数据资料进行加工整理、综合概 括，通过图示、列表对资料进行分析和描述。推断统计是在搜集、整理观 测样本数据的基础上，对有关总体作出推断，对未知事物作出以概率形式 表述的推断。 随着统计问题争论的不断深入，统计学逐渐形成了频率学派与贝叶斯 学派两个主要的学派。主要争论的问题有：未知参数是否可以看作随机变 量? 事件的概率是否一定要有频率解释? 概率是否可用经验来确定? 【4 j 在 这些问题的争论中，贝叶斯学派建立了自己的理论与方法。 本文探讨的车站能力计算方法，是将采集的占用时间数据看作为总体 的样本。在直观分析的基础上，运用分布拟合检验的方法验证时间数据的 分布特征，并通过参数估计的方法推断占用时间的置信区间。在此基础上， 进一步推导车站能力的区间估计。同时。也提出了贝叶斯统计推断运用于 车站能力计算的可行性。 2 2 2 灰色系统理论 灰色系统理论着重研究“小样本”、“贫信息”的“外延明确，内涵不 明确”的不确定性问题，其特点是“少数据建模”1 6 】。灰色系统理论的主 要任务之，就是根据社会、经济、生态等系统的行为特征数据，寻找不 同系统变量之间或某种系统变量自身的数据关系和变化规律。 灰色系统理论认为任何随机过程都是在一定幅度范围和一定时区内变 化的灰色量，并把随机过程看成灰色系统。灰色系统是通过原始数据的挖 掘、整理来寻求其变化规律的，这是一种就数据的现实规律的途径，称之 为灰色序列生成。尽管客观系统表现复杂，数据离乱，但其总是有整体功 能和规律性，关键在于选择适当的方式去挖掘与利用。 在对复杂系统进行评价或预测时，如何剔除无效的干扰因素历来是一 个令专家棘手的问题。此时，模型选择理论往往也将失去其应有的功效。 因为问题的症结不在模型的优劣，而是由于系统行为数据因系统本身受到 某种冲击波的干扰而失真。这时，系统行为数据已不能正确的反映系统的 真实变化规律。假设系统真实行为序列为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 x - g ( 1 ) ，j ( 2 ) ，工( 矗) 而观测到的系统行为数据序列为 x l o ( 1 ) ，工( 2 ) ，工( 拄”- ( z o ( 1 ) + 1 ，工( o 1 2 ) + 2 ，工o ( 甩) + 。) - x o ) + 其中- o 。，：，。) 为冲击扰动项，则称x 为冲击扰动序列嘲。要以冲击 扰动序列z 为出发点，实现对真实行为序列x ( o ) 的系统变化规律的正确把 握和认识，首先必须跨越障碍。为排除系统行为数据受到的冲击波干扰， 还数据本来面目，灰色系统理论提出了缓冲算子理论。缓冲算子理论主要 包括三部分：缓冲算子公理、性质，以及实用缓冲算子构造。 1 缓冲算子公理 定义2 1 设系统行为数据序列为 x - o ( 1 ) ，z ( 2 ) ，j ( 万) ) 1 ) 若v 七= 2 ，3 ，n ，工 ) 一z ( 七一1 ) 0 则称z 为单调增长序列； 2 ) 若v 七= 2 3 ，n ，x 传) 一x ( 七一1 ) c 0 则称x 为单调衰减序列； 3 ) 若v k , k 2 3 ， ，又存在j ) 一雄一1 ) 0 、 x ( k 3 一j 仲一1 ) t0 ，则称石为随机振荡序列。设 m - m a x x ( k ) i k l 2 , ， ，m - m i n x ( 七) l k - 1 2 ，珂 称m m 为序列x 的振幅。 定义2 2 设x 为系统行为数据序列，d 为作用于x 的算子，z 经过 算子d 作用后所得序列记为 x d o ( 1 y ，x ( 2 y ，算o v ) 称d 为序列算子，称x d 为一阶算子作用序列。序列算子的作用可进行多 次，相应的称为二阶算子等等。 公理2 ，l ( 不动点公理) 设x 为系统行为数据序列，d 为序列算予， 则d 满足 工白k 一工“) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 该公理限定在序列算子作用下，系统行为数据序列中的数据石轨) 保持不变。 公理2 2 ( 信息充分利用公理) 系统行为数据序列x 中的每一个数据 工 l 七- 1 2 ，露都应充分地参与算子作用的整个过程。 公理2 3 ( 解析化、规范化公理) 任意的工伍k ，k - 1 2 ， ，皆可由 一个统一的工( 1 ) ，z ( 2 ) ，x ( n ) 初等解析式表达。 定义2 4 公理2 1 、2 2 、2 3 为缓冲算子三公理，满足缓冲算子三 公理的序列算子称为缓冲算子，一阶、二阶缓冲算子作用序列称为一 阶、二阶缓冲序列。 定义2 5 设x 为原始数据序列，d 为缓冲算予，当石为增长序列、 衰减序列或振荡序列时： 1 ) 若缓冲序列x d 比原始序列x 的增长速度( 或衰减速度) 减缓或振 幅减小，则称缓冲算子d 为弱化算子； 2 ) 若缓冲序列x d 比原始序列z 的增长速度( 或衰减速度) 减缓或振 幅增大，则称缓冲算子d 为强化算子 2 缓冲算子的性质 性质l 设工为单调增长序列，x d 为其缓冲序列。则 1 ) d 为弱化算予一x ( 七) s 工忙i 彳；k 一1 ，2 ，厅。 2 ) d 为强化算子一舡) j 忙：k - 1 ，2 ，露。 即单调增长序列在弱化算子作用下数据膨胀，在强化算子作用下数据萎缩。 性质2 设x 为单调衰减序列，x d 为其缓冲序列。则 1 ) d 为弱化算子x ( k ) x ( k ) d ；k - 1 ，2 ，再。 2 ) d 为强化算子一工( 七) 5 x ( k ) e ；k - 1 ，2 ，疗。 即单调衰减序列在弱化算子作用下数据萎缩，在强化算子作用下数据膨胀。 性质3 设x 为振荡序列，肋为其缓冲序列。则 1 ) d 为弱化算子，则 m a x 仁妊) ) 2m a x x ( k ) a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 m i n z ( d - m i n 仁( , ) a ) 2 ) d 为强化算予，则 m a x 仁伍) ) sm a x x ( d a ) m i n x ( d , - m i n 工( d d 3 实用缓冲算子的构造。原始数据序列 x o ( 1 ) ，x ( 2 ) ，x ( n ) ) 令 x d - ( x o ) a ，x ( 2 ) a ，x ( n y ) 其中 删- 幽等甓警希型：k - k x nk4 - 跏，行( 2 叫 m + 一 n 2 一 则当孑为单调增长序列、单调衰减序列或振荡序列时，d 为弱化算子。这 只是多种实用缓冲算子中的一种，其选用是按照数据处理的要求。 在车站能力计算中，由于现场工作的多变性和动态复杂性，导致查标 数据受到扰动因素的干扰，往往使得计算车站能力的结果在一定程度上失 真，不能准确的反映列车对咽喉、到发线占用的真实规律。故而在进行数 据计算之前，可以运用缓冲算子原理对不尽合理的原始数据进行预处理， 使之更加合理化。 2 2 3 不确定度理论 “不确定度”意指可疑程度，表征合理地赋予被测量之值的分散性， 与测量结果相联系的参数，此参数可以是标准差或其倍数，或说明置信水 平区间的半宽度，其值恒为正值。 “不确定度”一词起源于1 9 2 7 年德国物理学家海森堡( h e i s e n b e r g ) 在量子力学领域中提出的测不准关系，也称为不确定度关系( u n c e r t a i n t y r e l a t i o n ) 。1 9 7 0 年c f d i e t r i c h 出版了不确定度、校准和概率一书i 卅。 随着这一概念的广泛引用，1 9 8 0 年国际计量局召集和成立了不确定度表示 工作小组，在广泛征求各国意见的基础上起草了份实验不确定度建议 书1 n c - - l 。从而使测量不确定度的表示方法趋于统一p 2 1 。1 9 9 3 年国际标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 准化组织等七个组织，共同制定了测量不确定表示指南p ”。 标准不确定度和扩展不确定度通常用于不确定度的评定。以标准差表 示的不确定度称为标准不确定度。标准不确定度依据评定方法可分为“a ”、 “b ”两类。“a ”类不确定度评定是指用统计方法分析观测数据的评定方 法，简称a 类不确定度。用不同于对观测数据进行统计分析的方法来评定 的标准不确定度称为“b ”类不确定度评定，简称b 类不确定度。扩展不 确定度表示具有较大置信度区间的半宽度，通常表示为标准不确定度的倍 数。 利用不确定度定量的评定测量水平是误差理论发展的一种重要成果。 误差和不确定度是误差理论中两个重要概念，都是评价测量结果质量高低 的重要指标，但它们又有明显的区别。误差表示测量结果对真值的偏离， 是一个确定的值，并具有正负；而不确定度表明被测量值的分散性，以分 布区间的半宽表示。因而恒为正值。就合成方法而言，误差是一个确定值， 采用代数相加的方法进行各误差分量的合成，而不确定度表示一个区间， 当其分量彼此独立不相关时，用方和根法1 3 2 l 进行合成。 不确定度评定方法涉及的理论较广泛，在此只介绍不确定度的传播律 和标准不确定度的合成。 测量不确定度通常由测量过程的数学模型和不确定度的传播律来评定 的。设y - ，k ，屯，z ，) ，则测量不确定度的传播公式为 u 2 ( ) ，) - 烈n 善j 2 “2 k ) + 2 薯薹 毒 【詈卜k ，) c 2 2 ， 式中【，2 【y ) 为输出量l ，估计值) ，的不确定度；“2 ) 为输入量五的估计值 t 的不确定度，其中毛、h 2 如) 来f l 输* t x ，的概率分布：兰为不确定 o 度的传递函数( 灵敏度系数) ：k 芦，j 为任意两个输入量估计值的协方差 函数。 在理论和实践应用上，误差理论与不确定度评定获得了极大的发展。 除了在高等学校开设相关课程，也广泛应用于各种实验和研究，特别是从 事计量科学、产品质量检验、质量管理和精密测试等活动中。 随着科学技术的发展，对车站能力合理评定提出了更高的要求。运输 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 设备自动化水平、工作人员素质的不断提高，为准确查定车站能力提供了 必不可少的物质基础，而科学的车站能力计算方法则是关键的理论基础。 依据运输统计工作自身的特点，将不确定度评定方法的一些理论应用于车 站能力计算，进一步提高车站能力计算的科学合理性，是完全必要而且可 行的。 2 ，3 确定时间标准的现有方法 2 3 1 咽喉道岔( 组) 及到发线占用时间的查定方法 占用时间是指各项技术作业对车站咽喉、到发线等固定设备的每次占 用时间，它是通过对原始数据进行汇总处理得到的，是计算能力的基础。 咽喉道岔( 组) 占用时间按作业性质的不同，通常分为“接车、发车、 调车和机车出入段四大类”。1 。到发线占用时间按列车种类不同可分为四 种，分别为无改编中转列车占用到发线时问、部分改编中转列车占用到发 线时问、到达解体列车占用到发线时问和自编出发列车占用到发线时间。 文献 2 的第三章详细介绍了查标的方法与步骤，即先对现场作业采点 写实，记录于咽喉占用时间写实表，然后合理分析数据并按照不同作业 性质分别汇总，如表2 1 。在确定占用时间( 统称咽喉道岔( 组) 和到发 线占用时问) 时存在着三种方案。下面以接车作业占用咽喉道岔( 组) 时 间为例，对三种方案确定的占用时间标准进行分析。 表2 一l 场端咽喉道岔( 组) 每次占用时间写实表年月日 作业 迸路接车 道岔实际最小备 准备开始道岔列车 项目由到号码占用占用注 进路占用解镄停妥 1234567891 01 1 实际占用实斥a ) = 道岔解锁一准备进路，最小占用量d 、( f ) = 道岔解锁一开始占用 接车占用咽喉道岔( 组) 时间标准是指自开始准备接车进路时起，至 列车进入到发线警冲标内方停妥时止占用咽喉区的时间“一，记作珞，它等 于准备进路时间与列车通过进站距离时间之和。式( 2 2 ) 的计算方法为 方案一，式( 2 3 ) 的计算方法为方案二。按方案一定标，信号员很难掌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 握进站信号机的开放时间：按方案二定标，数值偏大，原因是这个数值是 按进站信号机在列车压上预告信号机之前的2 6 分钟开放来确定。所以方 案一、二都不宜采用，现行的咽喉道岔( 组) 占用时间标准计算方法是取 方案一、二的平均值，即用式( 2 1 ) 计算嘻，这就是方案三。 t m - ( f f + t ) ( 2 - - 1 ) t 芋一f 准+ 龟- o 2 + ( o 1 + 1 2 + f - 小) ( 2 - - 2 ) f 墨珥- 准+ f 宴际- o 2 + f 实蓐 ( 2 3 ) ；实际一砉砉t 寓际g ) ，；量小- 砉羹t 小g ) 式中，f 娑，t 7 分别为修正后列车进站占用咽喉时间的最小值和最大 值，r a i n ：堆为准备进路时间，取0 2r a i n ；ft 为列车进站时问，m i r a 0 1 为司机确认信号时间，m i n ：1 2 为列车通过制动距离的时间，m i n ，此参 数可按不同的制动距离和平均进站速度计算调整：t i t , b 为尼次接车占用咽 喉道岔( 组) 最小占用时间的平均值，r a i n ：f 宴际为 次接车占用咽喉道岔 ( 组) 实际占用时间的平均值，m i n ：t i 小o ) 、宴斥o ) 为第j 次接车占用咽 喉道岔( 组) 的最小占用时间、实际占用时间。 2 3 2 现行计算方法的不足 通过上述确定占用时间标准的方法可以看出： 1 数据合理化问题。由于现场工作的随机多变性，查标数据受到环境 及人为因素的干扰，不能完全反映各种作业合理占用咽喉的真实情况。文 献 2 虽提到数据合理化问题，但没有提出具体可行的处理方法，因而有必 要提出一种能对数据进行预处理的方法，以淡化或消除各种随机扰动对数 据序列的影响。 2 参数取值问题。由式( 2 一1 ) ，t 格取修正后实际占用咽喉道岔( 组) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 时间与最小占用咽喉道岔( 组) 时间的平均值。这种算法虽考虑到接车占 用咽喉道岔( 组) 时间介于最小与实际占用咽喉道岔( 组) 时间之间，但 是只取简单算术平均值的方法，没有对实际与最小占用咽喉道岔( 组) 时 问之间的波动关系进行更为具体的分析，因而不尽合理，需要改进。 2 4 本章小结 现有能力查定方法是一种间接的计算方法，主要是以各项技术作业占 用时间和行车量为基础，再进行统计推断。实质上来说，车站能力是由车 站现有的设备和所采用的技术作业组织方法所共同决定的。还与办理的列 车结构( 客、货列车比例，有调、无调列车比例等) 有关，因而，车站能 力在本质上是测不准的。这就决定了研究不确定性问题的数学方法在车站 能力计算中具有很大的潜力。本章简要介绍了有关的数学方法，包括统计 学、灰色系统理论和不确定度评价方法，为后续章节的论述打下基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章原始占用时间数据分析 技术作业占用固定设各的时间是车站能力计算的基本单位，它产生于 一个复杂的车站系统。车站各子系统相互协调工作的过程伴随着确定因素 与随机因素的相互作用。因而，占用时间数据也兼有复杂性，既不是完全 确定的，也不是完全随机的。本章通过对复杂数据的分析，说明其具有多 样的分布特征和较大的偏差。 3 1 占用时问数据性质的分析 3 1 1 确定性与随机性的争论 爱因斯坦说，时间是一种错觉；1 9 7 7 年诺贝尔化学奖得主酱利高肆说， 确定性才是一种错觉“”。过去决定论的中心是牛顿的动力学，明天随机论 的中心很可能是概率公理“”。从古希腊至今已有2 0 多个世纪，随机性与确 定性的矛盾关系一直被争论着。一些学者将人类对随机性的认识归纳为四 个阶段1 ，如图3 1 所示。 右河流时期 古希腊时期 i 中世纪及近代数学时期 乏 现代数学时期 图3 - 1 随机性认识的四个阶段 古希腊第一位原子学家路希帕斯( 约公元前4 5 0 年) 认为，随机性意 味着对原因的无知，但对伊壁鸠鲁学派( 公元前3 4 1 - - 2 7 0 年) 而言，随机 性包含不确定性。到1 7 世纪末，牛顿物理学所代表的思想普遍存在着一种 信仰：自然界的一切事物都是可以通过数学预知的“”。当时的学者们普遍 认为随机性意味着对事物发生原因的无知，但是天文学和大地测量等学科 的研究者却面临着这样一个问题，即对于一个被认为不变的特定现象，却 有着不相同的测量结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 随着拉普拉斯发现均值的概率曲线、高斯导出正态曲线广泛应用于天 体运动研究，在众多学者的争论中，直到2 0 世纪随机性才有了数学定义。 随机性的实用定义一个序列由于它符合多少和哪些统计检验因而是随 机的，和一个序列由于为描述它所必需的算法长度因而是随机的不是 没有缺陷的“”。关于绝对随机性是否可能，以及是否可能有随机程度，存 在互相对立的观点。有些学者把绝对随机性视为一个极限概念；绝对随机 性是理想的，但或许是不能得到的“”。有些研究者断言，没有绝对随机性， 只有相对随机性。也有学者指出，我们能有相对随机性，就像我们虽然不 能认识绝对精确的测量，但却能有相对精确的测量一样。 悖论在数学中无处不在，常常发生在一个比较高级的水平上。目前， 许多学者对于确定性、随机性以及混沌、复杂性进行了深入分析“”“。王 梓坤在论随机性中认为事物的发展是多层次的随机事件与必然事件相 互交替和相互作用的过程。确定与随机都是相对条件而言，是可以相互转 化。黄欣荣在确定性、随机性与复杂性中讨论了确定性、随机性的关 系，并认为完全的确定性和完全的随机性都不是最复杂的事物，复杂性介 于确定性和随机性之间。 3 1 2 占用时间数据的复杂性讨论 系统是由相互联系、相互作用的要素( 元素，组分) 组成的具有一定 结构和功能的有机整体。车站查能的整个过程可以认为是一个系统，其中 包含三个环节：环节一是指车站各项作业占用咽喉道岔( 组) 、到发线的运 输生产环节( 注：这里以通过能力为例) ，在这一环节中产生了设备的占用 时间：环节二是指将微机联锁系统的记录数据转换为计算数据的转换环节； 环节三是指处理并计算能力结果的计算环节。 从物理意义上来说，环节一就是指车站本身。理论上，只要有足够科 学的管理、先进的作业设备和高素质的工作人员，就可以使车站工作严格 按照确定的规律运行。但混沌理论发现，确定性系统在没有受到任何外部 作用的情况下，也会由于系统自身演化的内在非线性机制作用，而出现随 机性很强的不确定性。”。在我国的铁路运输中，除了一些关键设施，无论 是管理经验还是人员素质都不能说具有国际先进水平，更何谈高度的确定 性，所以车站作业过程的本身就具有不确定性。同样，在车站查能过程中 也无法避免会存在着外界干扰以及抽样误差、计算误差等等。 各项作业占用咽喉道岔( 组) 、到发线的时