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铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 摘要 7 铁路分局调度所做为指挥铁路行车的基层单位，长期以来 都是用简单的工具来协助进行调度指挥，工作量大，劳动强度 高。，) 本文通过总结国内外用于调度指挥的自动化系统的发展情 况，分析其优缺点，进而提出了在铁路分局调度所建立以行车 调度指挥功能为核心的、同时又与铁路通信信号设各保持相对 独立的铁路分局行车调度辅助决策系统的构想。 f本文从分析建立该系统的必要性和可行性入手，认为国外 同娄技术设备不能照搬到我国铁路，国内现有的或正在实施的 系统又存在着投资大、工期长、系统友好性较差和处理功能不 够完善等问题，而且，往往此类系统的立足点是通信信号设备， 在行车调度指挥功能方面反而有所不足。因此，应该针对铁路 分局调度所这一级基层调度部门开发行车调度辅助决策系统。 由于系统的实施范围较小( 仅限于铁路分局调度所) 、设计目标 明确( 以行车调度指挥功能为主) ，所以系统投资较小、工期较 短。而且，建立该系统无须改变现有的调度机制，系统在设计 上又可以保证与其它调度自动化系统的联系，所以系统在技术 上和经济上都具有可行性。同时，文中也就建立该系统的难点 析，并提出了相应的解决办法。 后，本文阐述了铁路分局行车调度辅助决策系统的分析 过程。在此之前，文中首先介绍了一种新的系统分析和 设计方法面向对象技术，简述了软件开发原理、面向对象 概念、面向对象分析以及面向对象设计四个方面的内容与方法。 通过对铁路分局调度所日常行车调度指挥工作的详细描述和分 析，本文建立了系统的三视图模型，进一步推出了o o a ( 面向 对象分析) 模型，列出了系统的类一对象及其属性、服务。过 渡到系统设计阶段，文中主要描述了行车调度台子系统的结构 以及系统的接口和数据传输关系。 由于调度调整算法是系统的核, 0 并1 3 难点，本文专门论述了 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 这一问题。在分析了该问题的研究现状并总结各种方法的优缺 点之后，为了较好地兼顾计算机自动调整和人工干预两个方面 的功能要求，本系统采用了面向对象的过程化方法、通过模拟 人类思维的方式编制列车调度调整方案的算法思路。在算法实 现时，直接将模拟人类思维的推理机制编入算法流程，并针对 特殊情况专门设计算法，通过采用对象化的系统结构，只需要 修改系统的局部便可以实现算法的修改和完善。这样，可以同 时降低系统的设计和维护难度。 文中建立了算法的离散动态事件系统模型，阐述了冲突疏 解和优化计算两方面的内容。提出了分层优化策略，并对其中 的不足和解决方法进行了研究。 从程序设计的角度，本文专门研究了系统中运行图数据组 织和人机交互功能两个方面的问题，针对其中的难点和分析过 程提出了相应的设计方案。 最后，本文介绍了依据文中原理建立的实际系统的功能特 点，并认为这一系统已经能够初步实现行车调度员工作的功能 要求，可以为铁路分局调度所进一步实现调度指挥自动化打下 良好的基础。1 关键词：煳度铁路分局辅助决策系统调度调整 茅傅锄i 膨澍 铁路分局行车调度辅助决燕系统的研究与设计 a b s t r a c t a st h ef u n d a m e n t a lu n i tt h a tc o n t r o l r a i l w a y t r a f f i c ，t h e d i s p a t c h e r s o f f i c eo fr a i l w a ys u b b u r e a u a l w a y s d ot h e s ew i t h s i m p l e s t t o o l s t h e nd i s p a t c h e r sw o r k v e r yh a r dw i t hl o we f f i c i e n c y t h i sp a p e rd e s i g n sa s s i s t e dd i s p a t c h i n gd e c i s i o n m a k i n gs y s t e m f o r r a i l w a ys u b - b u r e a u ( a d d s f r s ) t os o l v e t h i sc o n f l i c t t h e s y s t e mm a i n l yp r o v i d e ss u c hf u n c t i o n st h a th e l pd i s p a t c h e r sc o n t r o l t r a i n - r u n n i n g i ti sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n to fr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n a n ds i g n a ld e v i c e b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n e s er a i l w a yd i s p a t c h i n g m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ma n df o r e i g ns i m i l a rs y s t e m ，t h e t h e s i sc o n c l u d e st h a ti t s n e c e s s a r y a n df e a s i b l et o d e s i g n a d d s f r s t h e n b y m e a i l so f o b j e c t - o r i e n t e d a n a l y s i s & d e s i g n t h i sp a p e r p r o v i d e s t h e s y s t e m s t h r e ev i e w m o d e l i n g ( 3 v m ) a n do b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sm o d e l i n g ( o o a ) f u r t h e r m o r e ，s y s t e m ss t r u c t u r e g r a p ha n d d a t ai n t e r f a c ea r e p u tf o r w a r dt o g e t h e r 3 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 b e c a u s e d i s p a t c ha l g o r i t h mp l a y s a n i m p o r t a n c e r o l ei n a d d s f r s ，t h i sp a p e re s p e c i a l l y d i s c u s sh o wt om a k es y s t e m p r o d u c ef e a s i b l et r a i nr u n n i n gp l a n a f t e rs u m m a r i z i n ga d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t e da l g o r i t h m s ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r d t h eo n et h a tc o n s i s t so f p r o c e s sp r o g r a m m i n g ，o b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y a n ds i m u l a t i o nm e t h o d i nt h ee n d ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e ss y s t e mf u n c t i o n s a n ds o m e d e s i g n i n g c h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：t r a i nd i s p a t c h i n g ，r a i l w a ys u b b u r e a u ， a s s i s t e d d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e m ，d i s p a t c h i n ga d j u s t 4 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 1 必要性和可行性 1 1国内外研究现状 建国以来，随着国民经济的增长，铁路建设也得到了迅速 发展，但铁路运输调度指挥系统的手段和设备却一直处于及其 落后的状态，基本上沿用过去的“一台电话、一支笔、一把尺 子、一张图”方式。能获得的信息量少，实时性、可靠性差， 影响了铁路运输能力的正常发挥。为了改变这一落后局面，提 高铁路运输的管理水平，提高运输能力和服务质量，适应市场 经济的发展和实现两个根本性的转变，我国必须大力发展铁路 运输指挥自动化系统。 目前，国内外与调度自动化相关的系统主要是调度监督、 调度集中、微机联锁和计算机辅助行车调度系统。其中铁路运 输调度指挥管理系统( d m i s ，d i s p a t c hm a n a g e i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 是我国铁路规模最大的调度自动化工程。 1 1 1 铁路运输调度指挥管理系统( d m i s ) 1 9 9 6 年1 月1 8 日在铁道部部长办公会议上通过了d m i s 工 程实施可行性报告，标志着d m i s 工程从此正式启动。d m i s 系统是我国铁路调度指挥现代化进程中的重要工程项目，它采 用现代信息技术改造传统落后的调度方式，建立以通信、信号、 计算机网络、数据传输、多媒体等融为一体的3 级4 层( 即铁 道部、铁路局、铁路分局3 级和各站段的信息采集层) 集中式 综合型现代化运输调度指挥系统。 d m i s 建成后，铁道部、铁路局可以实现对全路和全局的行 车进行实时、集中、透明指挥。部分铁路与铁路分局可以用自 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 动化的手段调整运输方案，采用最佳方案控制进路指挥行车。 大型旅客站、旅客向导和站调的列车信息实现真正的自动化。 d m i s 实现上述功能的关键是采用现代化的信息技术，把全 国铁路( 近期是四大干线) 运行的列车动态( 车次号、位置、 时刻、速度) 信息实时地采集到铁路分局，并以此为根据算出 每次列车的早晚点，进而统计出某一个区段，整个分局的正点 率，分界口交接车数。这些信息实时地传送到铁道部、铁路局， 部、局中心自动分析全路和全局的运行秩序。d m i s 生成每次 列车的动态信息加上t m i s 在始发站输入的列车编组、去向、 车号、货种、货主、机车号等信息，就可以组成运、机、客、 货、辆、工、电等各专业调度所需要的动态信息，向有关调度 提供实时显示，并按照规定形式自动形成各种文件和存档( 进 数据库) 。 d m i s 数据库中还存放着列车时刻表，计划运行图，工务线、 桥、隧及其地形、地貌资料，电网、供电资料，枢纽、站场图， 列检、红外线联网图以及气象状态等资料，供调用查询。 d m i s 与t m i s 的信息交换和两系统的结合可以保证铁道 部、铁路局调度指挥所需信息的实时性、可靠性和完整性。 主要工程包括： ( 1 ) 部中心局域网和连接1 2 个路局3 7 个分局的基干网： ( 2 ) 部调度中心大厅投影大屏幕组合体； ( 3 ) 1 2 个路局调度中心局域网； ( 4 ) 2 0 个路局分界口调度监督建网； ( 5 ) 四大干线区段调度监督和2 0 个主要枢纽调度监督入 网： ( 6 ) 建立运输管理信息及技术资料库； ( 7 ) 部至1 2 个路局的新型干线调度电话系统等。 1 1 2 卡斯柯全微机调度集中和调度监督系统 卡斯柯信号有限公司开发的全微机调度集中和调度监督系 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 统，于1 9 9 3 年4 月通过通号总公司的技术鉴定，系统符合“铁 道部标准t b l 9 6 4 8 5 调度集中和调度监督技术条件”的要求。 安装在兰新线柳园至哈密区段的双线调度集中系统于1 9 9 5 年1 2 月开通使用。 系统具有的基本调度监督功能有站场表示、车次号追踪、 车次号管理、列车记点、实绩运行图显示、实绩运行图输出和 运行报告输出。基本调度集中功能有进路的试排、进路储存控 制、进路调度控制、进路车站控制和局部进路车站控制。 1 1 3 计算机辅助行车调度系统 1 1 3 1 c a t d 一1 型计算机辅助行车调度系统 “计算机辅助行车调度系统”于1 9 9 2 年列入“八五”国家 重点科技项目。由北京铁路局主持，铁道部科学研究院负责技 术工作。该系统采用了现代的计算机技术、控制技术和v m s 、 w i n d o s 9 5 、c + + 等先进软件平台。1 9 9 5 年底开始在京广线石 家庄至保定区段安装试验，1 9 9 6 年3 月通过了国家验收和技术 审查。 该系统主要是一个分局级系统，包括调度集中( 含调度监 督) 系统；计划系统( 日班计划、三小时计划、货运计划、客 运计划、机车计划、远程显示系统、运营指标分析) ；信号设备 监测系统；车站行车信息系统；旅客信息系统。 1 1 3 2 卡斯柯计算机辅助行车调度系统 卡斯柯计算机辅助行车调度系统，为郑州至武昌段立项开 发，在上海地铁一号线上开通应用。并将在京九线上应用。 主要是以调度监督、调度集中系统为基础，实现三小时阶 段计划的6 种自动功能，即冲突的自动监控，三小时阶段计划 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 的自动编制、自动调整、自动传递、自动下达和自动执行。 1 1 3 3发展方向 从我国的铁路辅助行车调度系统的发展趋势来看，主要有 以下三个方面的特点： ( 1 ) 网络化 随着铁路x 2 5 广域网的开通应用，计算机辅助行车调度系 统不但自身构成局域网，而且通过x 2 5 广域网连通，形成铁路 分局调度、铁路路局调度、铁道部调度的层次结构。铁路分局 调度通过计算机辅助行车调度系统实施列车调度的现场指挥， 铁路路局和铁道部调度可以实时地了解每个铁路的列车实际运 行情况。铁道部、铁路路局可以将宏观调度命令直接发送到铁 路分局。 ( 2 ) 集成综合化 计算机辅助行车调度系统不但是实时控制系统，而且也向 着集成综合化的智能信息管理系统发展。将与旅客向导系统、 电务维修系统、电力遥控系统、车站监视系统、列车信息管理 系统( t s ) 协同工作。 ( 3 ) 技术多样化 随着计算机技术的不断发展，硬件平台将向大型机、中小 型机、p c 机的混合系统发展，以适应不同应用的需要。网络技 术、数据库技术、面向对象技术、窗口式图形界面、多媒体技 术的应用，使系统具有更好的适应性。 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 1 1 4 国外的系统 1 1 4 1计算机辅助的c t c ( c e n t r a l i z e dt r a f f i cc o n t r 0 1 ) 系统 加拿大列车轨道系统公司( t r a i nt r a c ks y s t e m si n c ) 开发 了n t 平台上的交通管理系统t d p r o 。目前，这一系统已经用 于在几处铁路线路上每天指挥3 0 0 多列火车的运行。同时，该 公司正在为m e t r a w i s c o n s i nc e n t r a ll t d 和纽约北线地铁安 装t d p r o 系统。作为一个健壮的客户服务器系统，t d p r o 给 用户提供了友好的人机交互界面，使用户操作极为方便。 t d p r o 系统提供了调度员可自行设置最常用菜单的功能， 使调度员能最方便地进行操作。多窗口的可任意缩放的图形化 的界面增强了系统的友好性。在图形界面上，调度员可以清楚 地看到管辖范围的闭塞设备情况，并通过鼠标的点击加以控制。 列车轨道公司先后为b u r l i n g t o nn o r t h e r n ，n o r f o l ks o u t h e r n 和t h eg r a n dt r u n kw e s t e r n 等铁路开发了包括单机版和网络版的 2 0 多个c t c 系统。 1 2 必要性 d m i s 建立在调度监督和信息通路等硬件系统基础上，侧重 点是铁道部、铁路局调度中心的建设以及调度信息的汇总，整 个系统结构复杂、工程量大、投资巨大、工期长。从实践上看， 目前我国的调度监督系统普遍没有发挥应有的作用，耗资巨大 的设备往往废置不用，更为严重的是，部分调监设备的可靠性 不高。此外，在实施中，也只能首先在四大干线进行调度监督 设备的建设，尚无力顾及全路。预计在d m i s 一期工程结束后， 能够完成的也只是以铁道部调度中心和四大干线调监工程为主 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 的系统。虽然在分局一级也有针对行车调度的设计，但目前在 全路尚无完全投入使用的系统。以上提到的其它几个国产系统 也是如此。 国外先进技术很难适合我国铁路的实际应用。这是因为： ( 1 ) 国外铁路的运输密度小于我国铁路，一旦其列车运行 秩序因为某种原因被打破，也能够比较容易恢复正常 的运行秩序。而我国铁路的运输能力相对来讲，并不 宽松，即使这几年由于市场竞争和铁路内部改革发 展，这一紧张情况得到了缓解，情况也不容乐观。 ( 2 ) 国外铁路的列车运行情况比较规整，而且在某些国家 和地区，还采用客货列车专用线，其运行图上的列车 运行线基本上就是平行线，区间运行时分确定单一， 间隔时间比较统一。而我国铁路往往是客货混跑，客 车、货车当中又分成若干不同的种类，其运行速度和 时间标准不尽相同。在实际行车指挥工作中，当发生 某列车晚点时，为了保证其它列车正点和通过能力不 受影响，列车往往不按时间标准运行。在实际指挥过 程中，有时甚至连起码的安全时间间隔都可以不满 足。所以，国外设备的指挥功能相对于我国铁路的实 际情况，就显得过于简单了。 事实上，许多国外的先进设备应用到我国铁路，往往失去 了其本身所具有的指挥功能方面的作用，而仅仅起到调度监督 设备的作用。这种情况也是国产设备和系统所面临的问题。我 认为，出现这种情况的主要原因分为主观和客观两个方面。 从主观上讲，原因又有两点，一是设备问题。由于我国铁 路设备长期得不到更新和发展，普遍存在着设备老化的问题， 许多六七十年代投入使用的调监设备已经失效。设备问题又使 得铁路在保障运输安全的问题上非常谨慎，列车很难按照时间 标准和时刻表运行。二是人员素质问题。我国铁路行车工作人 员的总体素质相对较低，许多人操作新技术设备不熟练，或者 对新的技术设备有抵触情绪。比如，些铁路分局的调监设备 具有跟踪车次的功能( 在d m i s 系统中，跟踪车次就可以实现 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 计算机自动绘制实绩运行图) ，只要车站值班员输入经过车站的 列车车次，分局列车调度员就可以掌握列车的运行情况，但实 际上，由于现场值班员很少有长期坚持输入准确车次的，所以 这一功能完全不能起到它应有的作用。 从客观上讲，是应用于我国的铁路行车调度辅助系统本身 还有很多不足，这主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 系统处理特殊情况的能力有限。 前文已有论述，由于中国铁路的复杂性，分局列车调度人 员所面临的列车实际运行情况也是非常复杂的。调度员经常遇 到一些突发事件，如列车临时停运、在区间分部运行等等，而 现有的系统往往只能指挥常规的列车运行状况。 ( 2 ) 计算机自动编制阶段计划的功能不能满足基本需要。 在行车调度领域应用计算机技术的目的，就在于能够利用 计算机强大的计算能力弥补人力的不足。其中，计算机自动编 制阶段计划是系统的核心关键部分，同时，这也可以说是一个 世界性的难题。现有系统自动生成的调整方案，要么仅仅考虑 了部分约束条件，生成的阶段计划完全不可行，要么就需要大 量的人工干预，从而失去了计算机自动编制阶段计划的意义。 ( 3 ) 人机交互的友好性和便利性较弱。 现有系统在人机交互界面上的处理也存在着两个方向的问 题，不是操作过于简单，无法满足各种调度工作的需要，就是 操作过于复杂，调度员不能在较短的时间熟练地运用系统。加 上前文提及的人员素质问题，投资巨大的自动化系统闲置不用 或只用作简单用途就不难理解了。 综上所述，完全有必要研制这样一种行车调度辅助决策系 统，它具有以下特点： 首先，系统是基于行车调度指挥为主，而不是通信信号设 备为主，能够有效地全面地辅助列车调度员完成行车调度工作。 其次，系统服务的主要范围是铁路分局调度所。因为实际 上在我国铁路行车组织中，在一线直接指挥列车运行的是分局 列车调度员，铁路局调度和铁道部调度通常是在宏观上实施指 挥行为。我们常常讲的“一只笔、一张纸、一把尺”的工作方 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 式主要就是指分局调度而言，所以设计行车调度辅助决策系统， 必须考虑设计这一级调度系统。 第三，系统应该具有实施简便，投资少和工期短的特点。 第四，系统应该具有较好的扩充性，能够通过有效的途径 与通信信号设备以及其它铁路信息系统进行数据交换，达到共 享调度信息数据的目的。 最后，系统还应该具备所有调度自动化系统共同的特点， 即安全性。 1 3可行性 建立以行车调度指挥为核心的行车调度辅助决策系统不仅 是必要的，而且也是可行的。原因主要是以下几点： ( 1 ) 现行的行车调度指挥工作的实际情况表明即使系统不与调 度监督设备在物理上连接，系统的运行也不会受到影响。 事实上，现在我国行车调度员是通过调度电话与基层车站 行车人员联系，进而了解并掌握设备和车辆情况，从而进 行调度指挥工作。建立新系统不需要改变分局调度人员和 车站工作人员的联系方式，但可以提供计算机作为辅助决 策的工具。唯一需要改变的是调度员需要把以前用纸笔完 成工作的方式转换为用计算机完成。而这不仅是本系统的 要求，也是所有调度指挥系统的共同要求。 ( 2 ) 调度辅助决策系统与铁路通号设备联系在一起，目的只是 为系统提供基础信息来源，如果把这一工作交由人工完 成，将大大减少系统的复杂度，节省投资。不足之处是增 加了工作人员的劳动强度，不利于系统的推广，但是，设 计友好的人机交互界面和合理的系统结构将缓解这一缺陷 带来的不便。美国c s x 公司应用j a v a 和i n t e m e t 技术建 立了全公司范围内的信息管理系统，包括类似的调度辅助 决策系统，其信息来源主要就是人工输入。 ( 3 ) 不同的信息采集方式得到的调度信息在计算机进行处理时 铁路分局行车调度辅助决蘸系统的研究与设计 并无分别。调度集中和调度监督系统得到的现场数据也可 以为单独的计算机行车辅助决策系统所用，只要建立专门 的数据格式转换子系统将不同的数据格式进行转换和解释 即可。在数据量较大时，甚至可以用专门的计算机来承担 这一任务。所以建立纯软件的行车辅助决策系统并不与调 度集中和调度监督相矛盾，只是一种更灵活的方式。 ( 4 ) 与铁路通信信号保持相对独立，能够减少设备投资和工程 投资，这样，投资规模不仅能够为主要干线接受，也能够 为支线铁路的行车调度所采用。由于实施这样一个系统， 范围仅限于分局调度所，因此平均工期相对较短，也易于 在实践中得到推广。而且，本系统的设备还可用于进一步 向调度自动化发展，所以，从长远看，投资的效益是非常 好的。 因此，在铁路分局调度所建立以行车调度指挥功能为核心 的、同时又与铁路通信信号设备保持相对独立的行车调度辅助 决策系统，不仅是必要的，在技术上和经济上也是可行的。 1 4 系统难点分析及相应对策 1 调度调整算法 为最大程度地减轻行车调度员的劳动强度，使其决策更加 准确、及时，铁路分局行车调度辅助决策系统应具备一定的智 能调整功能。从目前的研究来看，解决这个问题还没有非常成 熟的算法。已有的算法只是在某一方面解决了问题，而对于我 国铁路复杂的情况缺乏应有的适应性。 解决方法： ( 1 ) 充分借鉴现有算法的思路和方法，针对其不足加以修 改和完善，做到算法结构合理、适应性强。 ( 2 ) 提供方便的人机交互界面，使行车调度员易于调整修 改，最终形成合理方案。 2 数据组织及维护 铁路分局行车调度辅助决筻系统的研究与设计 调度所范围内的调度信息数量是非常巨大的，而各子系统 对信息的需求和处理也各不相同。 解决方法： ( 1 ) 从需求分析入手，针对系统功能进行数据信息分析， 对数据进行归类整理，设计合理的数据结构。 ( 2 ) 建立客户机n 务器结构的信息系统。在系统中设置独 立的中央数据库，用于存储和维护数据。各调度台子系统 作为客户与数据库子系统相联系。 ( 3 ) 做到本系统与外部系统( n s 、d m i s 等) 之间、各 子系统之间的相对独立。设计两级接口，用于本系统与外 部系统之间、各子系统之间的数据格式转换和信息交换。 3 系统结构设计 正如系统设计原则所及，本系统要求具有良好的系统结构。 解决办法： ( 1 ) 严格按照软件工程的原则和方法进行系统开发，把好 文挡关，将可能的错误控制到最小。 ( 2 ) 参考其它成熟系统的开发经验。 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 2 系统分析与设计 铁路分局行车调度辅助决策系统作为一个较大规模的软件 系统，其分析和设计方法必须遵循一定的原则。在分析和设计 的过程中，本文参照并在一定程度上应用了较新的软件工程原 理面向对象的分析和设计方法。 2 1面向对象的设计方法 2 1 1 软件开发原理 在2 0 世纪5 0 年代，软件开发根本没有“规范化设计”的 概念，即所谓的部件可复用性、可互换性等等。程序是用专门 的软件开发方法编制的，每个系统都是独一无二的、专门定制 的专用产品。尽管这些系统堪称软件产品的先驱，但它们很难 维护及改进。对系统哪怕作点修改都很困难，而且修改后的 系统变得更加难以维护和改进。 到了2 0 世纪6 0 年代，人们越来越意识到以可预测的方式 生产可维护的软件是十分重要的，这导致了软件开发原理的第 一次大的变革。传统的专门的开发方法逐渐被一种更系统的方 法所代替。这种新的软件开发方法，通常被人们称之为瀑布方 法，它要求在建立一个软件系统的工程中需要经历一系列规范 化的阶段。这些规范化的阶段诸如需求分析、高层设计、详细 设计等等，必须按顺序逐一完成，也就是说，在某一阶段未完 成之前，其后续阶段不能开始做。而每个阶段的完成则以交付 一个或多个里程碑文档为标志。于是，人们提到瀑布方法，总 不免想起那一摞一摞厚厚的文档。然而，虽然瀑布方法较之传 统的软件开发方法更为规范化，但是，对于那些大的复杂的软 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 件系统而言，这种方法仍然显得力不从心：编制系统的花费总 是超过预算，真正所花的时间总是超过预定时间，而且也并不 能满足用户的要求。 随着时间的推移，到了2 0 世纪7 0 年代，软件开发原理又 发生了一次大的变革。t o md e m a r c o 在他的名为“结构化分析 与系统规格说明”的研讨班教材中，介绍了基于模型的软件工 程概念。d e m a r c o 认为，创建复杂的软件系统必须象创建大型、 复杂的工程系统那样，首先必须建立系统的书面工作模型，然 后，在调集资源去实现系统。按照他的理论，在实实在在的系 统还未着手做以前，用户便可以“看到”未来系统的概貌，了 解它的功能以及他所想知道的关于系统的一切信息，就好像这 个系统已经存在一样。 尽管这一观点在当时显得非常激进，但事实上，现代软件 工程都是采用这种基于模型的方法去开发软件的。区别在于： 工程依据的模型不同，模型的建立过程不同以及模型的建立者 不同。图2 1 是一个典型的基于模型的软件工程生存期。图中 的各种模型是由不同的用户群体为着不同的目的而建立的。例 如，需求定义模型是用以获取和处理系统的整体需求的；该模 型可以由销售代表以及系统和软件分析员共同建立。 图2 1 面向对象技术的软件开发生存期 大多数基于模型的软件工程方法都蕴涵着这样一个重要的 概念，即事务分离原则( p r i n c i p l eo fs e p a r a t i o no fc o n c e r n s ) 。 它主要体现在：分析模型和设计模型是分开建立的。其中，分 析模型是用于捕捉那些本质的或“逻辑的”系统需求，而不考 虑基于实现的或“物理的”系统要求。换言之，分析模型主要 是描述系统将要做什么，完全不考虑具体的实现方法和技术细 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 节。而设计模型则是描述在某个给定的实现环境下( 例如平台、 网络、操作系统、数据库、用户界面等等) 该如何去创建一个 特定的软件系统。分析模型通常是那些具有广泛的应用论域 ( a p p l i c a t i o nd o m a i n ) 知识的人们构造的；它可以充当消费者、 用户和开发者之间通信的桥梁。与此相对照，设计模型则应该 是那些具有广泛实现环境知识的人们构造的；它可以充当开发 者、实现者和测试者之间通信的桥梁。 2 1 2 面向对象的概念 当“模块化的程序要优于庞大的、整体式的计算机程序” 这种观点被人们普遍赞同以后，模块该如何建立的问题就被提 出来了，从而产生了面向对象的概念。持面向对象观点的人认 为计算机程序的结构应该与所要解决的问题一致，而不是与某 种分析方法保持一致。经验表明，对任何软件系统而言，其中 最稳定的成份也许就是其相应问题论域( p r o b l e md o m a i n ) 中的 成份。另外，改进一个软件系统通常是要改进其问题论域中的 成份。而系统出问题也通常是由于问题论域中的某些成份。 “面向对象”这个术语表明了存在于现实世界中事物( 的 抽象) 和计算机程序块，或对象之间的某种联系。般来讲， 对象指的是一个独立的、异步的、并发的实体，能存储数据， 封装服务，并且通过交换消息与其它对象协同，从而完成( 模 块化) 系统的所有功能。 使用对象的优点之一是可复用性。尽管从计算机产生之初， 我们就已经在复用代码，但面向对象技术允许复用的不仅仅是 代码，还有其它更多的东西。通过面向对象技术，可以复用需 求、分析、设计、测试计划、用户界面以及体系结构等等。事 实上，软件工程生存期中的每个部分都可以封装成可复用的对 象。 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 2 1 3 面向对象分析( o o a ) 面向对象分析( o b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i s ，o o a ) 模型描述 了表示某个特定应用论域中的对象，以及各种各样的结构关系 和通信关系。o o a 模型有两个用途。 首先，每个软件系统都建立在特定的现实世界中，o o a 模 型就是用来形式化该现实世界的“视图”。它建立起各种对象， 分别表示软件系统主要的组织结构以及现实世界强加给软件系 统的各种规则和约束条件。 其次，给定一组对象，o o a 模型规定了它们如何协同才能 完成软件系统指定的工作。这种协同在模型中是以表明对象之 间通信方式的一组消息连接来表示的。 类边界 类及对象层 1 。 。 实例边界 一 实例连接 1 1 1 l，- ：5 属性层 1 1 一! f l = = 一 属性 i1 【00 1 | 一j l u _ j 结黻f 冬、佘。 f f1 li i1 1 1 i i 主题层1 主题 图2 2 0 0 a 模型的结构 坚兽一一胜 三一 层务腿 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 o o a 模型被划分为5 个层次或5 个视图t ( 如图2 2 所示) 。 这种层次结构允许从不同的角度来看待o o a 模型。而且，这种 结构也便于有效地处理比较大的o o a 模型。 0 0 a 模型的5 个层次分别如下： ( 1 ) 对象类层，表示待开发系统的基本构造块。对象都是 现实世界中应用论域概念的抽象。这一层是整个0 0 a 模 型的基础。 信息建模过程可视为o o a 的核心。在o o a 中，问题在于 如何建立“现实世界中事务”的抽象表示，也就是如何建立基 本块，而系统最终是根据基本块来构造的。 所谓信息建模，就是从现实世界中捕捉并抽象出应用论域 的基本结构的过程这是o o a 过程中最基本和最关键的活动之 一。从传统的角度来说，信息建模隐藏于软件工程过程中 对于构造任何软件系统来说，了解应用论域都是非常必要的。 然而，采用面向对象的方法时，信息建模更多地被认为是软件 工程过程中的一个规范化的过程。 在o o a 过程中，以“对象”一词来代替“现实世界中的事 物”这一说法。因为对象是计算机程序的基本块，而程序的功 能是存储数据并执行一定的操作，所以可以简单地把对象作为 一个代理人，它存储信息并执行某些操作。而且，对象可以看 成是多个代理人( 数量不定) 的复合体，这些代理人彼此很相 似，但都有自己不同于其他人的特征。实际上，任何一个这样 的代理人都称为相关联对象的一个实例；类似地，多个相似对 象的集合称为“类”。 用来表示对象的图符如图2 2 中类及对象层所示，图符的 外层边界表示实例边界，实际上它表明对象是非空的。而图符 的内层边界则表示类边界。这种表示法允许我们直观地区分整 个类和类的成员，即对象。 模板类或抽象类是指一些不当作程序块来实现的对象。它 可以为结成较高级的聚合体提供一条方便的途径，尽管这些聚 合体从来不必显示地去实现。 ( 2 ) 属性层。 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 对象所存储( 或容纳) r 的数据称为对象的属性。在使用面 向对象技术时，会频繁地遇到下列情形：类的实例之间互相约 束，它们必须遵守从应用论域的某些限制条件或事物规则。例 如：( 举一个调度中的例子) 我们称这些约束为实例连接。对象 的属性和实例连接共同组成了o o a 模型的属性层。 ( 3 ) 服务层。 对象所做的工作称为对象的服务或方法。对象的服务，加 上对象实例之间的消息通信，共同组成了o o a 模型的服务层。 ( 4 ) 结构层。 结构层负责捕捉特定应用论域中的结构关系。分为整体一 一部分结构和一般特殊结构( 泛化特化结构) 两种类 型。前者表明了一个系统总体和各部分的关系。后者表明了类 的继承性，即泛化类的属性和服务都可以被其他特化类所共享 ( 或继承) 。如在本系统中，调度台和计划调度台、机车调度台、 列车调度台之间就构成了泛化类和特化类的关系，而运行图和 运行图信息、绘制、控制、调整构成了整体一部分关系。 ( 5 ) 主题层。 由于o o a 模型的结构庞大而复杂，因此众多的对象有时便 很难处理。于是，将对象归类到各个主题中，这可以通过把有 关的对象用一个主题边框框起来加以实现。这里所说的主题可 以看成是子模型或子系统。它们属于o o a 模型中的主题层。 2 1 4 面向对象设计( o o d ) 在软件工程环境中，人们把分析过程看成是建立基本系统 行为的过程之一。与此相对照，人们把设计视为定义系统构造 蓝图，即指令、方向、指导方针、建议、约定、资格、规则等 等的过程，依据这些便可以在特定的环境中实现系统。 扩展o o a 模型，就得到面向对象设计( o b j e c t - o r i e n t e d d e s i g n ，o o d ) 模型。这样做有利于将分析转化成设计。o o d 模型和o o a 模型一样，包含5 个层次，但同时它又引进了4 个 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 “部分”。这些部分分别是： ( 1 ) 问题论域部分 问题论域部分是指那些执行基本应用功能的对象。事实上， 可以将o o a 模型当作闯题论域部分的初始版本。可以逐步地细 化这个初始版本，使其最终能解决实现限制、特性要求、性能 缺陷等方面的问题。 ( 2 ) 人机交互部分 人机交互部分指定了用于系统的某个特定实现的界面技 术。这是将事务分离原则应用到面向对象方法中的个方面。 在这里，界面技术的细节与系统所做的工作被分离开来。 所谓事务分离原则，就是指将基本需求和实现区别开来。 ( 3 ) 任务管理部分 任务管理部分指定了那些创建系统时必须建立的操作系统 部分。 ( 4 ) 数据管理部分 数据管理部分定义了那些与所用数据库技术接口的对象。 这也是事务分离原则应用的一个方面。在这里，数据库技术的 细节与基本的系统功能被分离开来。 2 2系统分析 2 2 1 铁路分局调度所行车指挥工作分析 对所要建立的系统进行分析和设计的基础是对现实世界中 的问题和事例进行充分的描述和讨论，也就是说，事例分析的 规格说明文本是一系列分析和设计模型的基础。下面就铁路分 局调度所列车调度员的工作进行事例分析。 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 2 。2 。1 1t 问题描述 铁路分局行车调度辅助决策系统，要求设计一个信息管理系 统来协助铁路分局调度所内的列车调度员( 也称为行车调度员， 以后无须特殊说明，行车调度员和列车调度员都是指同一含义) 完成其日常工作。目前，列车调度员是用尺子、笔、橡皮直接 在运行图纸上制定计划并记录实绩运行情况，通过专用的调度 电话与车站值班员及相关的调度人员交流调度信息。但这种工 作方式落后、劳动强度大。列车调度员的工作较为复杂，下面 是其工作细节问题的描述。 列车调度员连续工作1 2 个小时，称为一班。一天有两班， 时间范围分别是1 8 ：0 0 6 ：0 0 和6 ：0 0 1 8 ：0 0 。调度员在8 ： 0 0 和2 0 ：o o 时换班，所以上一班的调度员要替下一班的调度 员指挥行车2 个小时。 制定及下达班计划：每班开始之前，计划调度员根据当日 车流情况制定班计划，其结果是确定这一班开行哪些列车。然 后机车调度员根据基本运行图和班计划勾酒机车周转图，即确 定用哪些机车去牵引列车，由于在一个区段内机车数必然小于 列车数，因此，机车必然重复周转使用。班计划和计划机车周 转图被交给相应区段列车调度员( 实际上，班计划是通过计划 机车周转图下达到列车调度员处，无须另行下达) ，列车调度员 据此拟出调度命令，通过电话向车站值班员下达当班计划开行 列车及一些注意事项。 制定及下达阶段计划：由于旅客列车一般都能保证按基本 运行图正点运行，而货物列车正好相反，所以列车调度员的主 要工作是组织货物列车的运行，即在该班时间内使班计划的货 物列车能够以较高的效率( 主要是平均旅速较高、符合机车运 用计划等等) 通过所在调度范围。列车调度员在开始工作时根 据班计划和基本运行图勾画出客车运行框架，然后由当前的列 车运行情况推算下面大约2 4 小时的货物列车运行情况。在推 算过程中，往往要考虑多方面的因素。比如，除非有客货作业， 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 否则尽量不要在站停车，为此列车调度员可以安排相关列车开 快或开慢一些( 区间赶点和缓行) ；有时某些区间需要封锁施工， 那么列车的停站就要考虑车站到发线是否够用；基层工作人员 的实际工作情况和基本运行图的差异也是一个不定因素，一个 区间的实际运行时分可能会大于或小于基本运行图的规定。这 个过程即是阶段计划的制订。然后，列车调度员通过电话向车 站值班员布置相关列车的接发安排。 掌握实绩：每隔一定时间列车调度员通过电话向车站值班 员询问列车实际接发的时间( 车站报点) ，然后记录在运行图纸 上( 钢笔或红蓝铅笔) 。根据当前的实绩运行情况进行调整，即 重复制定阶段计划的过程。 指挥机车的重复使用：列车调度员的一项重要工作是指挥 机车的周转使用。般情况下，机车在到达基本段和折返段所 在车站以后，都需要进段整备，这个过程不能少于一定时间， 同时机车乘务员的值乘时间也有一定时间限制，超过这个时间 限制，则机车乘务员可以拒绝出乘。列车调度员必须用一定数 量的机车在一定时间内完成列车牵引任务。 制订及下达调度命令：列车调度员根据列车运行指挥的需 要通过填写固定格式的命令纸制定调度命令，然后用电话向车 站值班员下达。有些调度命令是直接反映到运行图纸上的，有 些却不是。 记录客货列车信息：在指挥用运行图纸上有专门的记录货 物列车信息的栏目，其中包含车次、机车号、司机姓名、车长 姓名、列车编组( 分车辆类型和空重) 、总重和计长等项目。用 于记录本调度范围产生的货物列车信息等。 记录中间站作业车情况：在某些分局调度所的指挥用运行 图纸上有专门的记录中间站作业车情况的栏目( 分车辆类型和 空重) 。用于调度员指挥列车在站作业，如：调度员发现某站停 有若干车辆，而一个不满轴的列车( 一般为摘挂列车或小运转列 车) 会在该站做长时间停留，因此调度员可以让该列车在此挂 车，以免浪费时间。 记录其他信息：列车调度员还必须在运行图纸上记录调度 铁路分局行车调度辅助决策系统的研究与设计 员姓名( 分1 8 ：0 0 6 ：0 0 - 2 0 ：0 0 8 ：0 0 和2 0 ：0 0 8 ：0 0 6 ：0 0 1 8 0 0 两个阶段) 。记录各相应车站值班员姓名。记录发生的大事。 2 2 1 2问题讨论 1 由上面的描述可以看出，铁路分局行车调度辅助决策系 统虽然是用于指挥列车运行的实时系统，却是一个调度 信息的管理系统。调度信息包括车站、区间设备信息， 基本运行图，实际列车运行时刻。而且这个系统的核心 是列车运行图这个调度指挥工具。 2 阶段计划的制定。从描述中还可以看出，所谓的列车调 度调整算法实际上就是制定阶段计划的算法。即已知在 以下2 - 4 个小时内开行哪些列车的情况下，铺画这些列 车的运行线。有的需要铺画整条运行线，有的需要从中 间开始铺画部分运行线( 如部分运行线已变为实绩线) 。 制定计划时，货车线基本上不能参考基本图，而客车线 却要完全按基本图来铺画。在这个过程中，必须满足一 些基本约束，包括：区间线路上对向列车不能冲突，区 间线路上同向列车不能追尾，必须满足车站间隔时间， 车站到发线数量的限制以及车站进路的限制。同时，还 有一定的调度策略在其中发挥作用