（模式识别与智能系统专业论文）调度集中系统中提高调车作业效率的智能化算法.pdf

中文摘要 摘要：高速、重载是铁路一贯追求的目标我国近年来高速铁路发展迅猛，不断 地有客运专线上马建设，随之的配套技术也不断地推陈出新，高速铁路的信息集 成便成为了当今铁路信息化发展的终极目标，新一代分散自律调度集中系统就是 在这样的大背景下应运而生的。本文在深入了解f z j c i 调度集中系统后，查 阅了大量的资料，对调度集中系统要解决的核心矛盾：列车作业和调车作业的协 调问题进行了研究，提出了基于站场结构建立的有向无环图的数学模型，运用了 图的遍历搜索算法来解决目前调度集中系统中最难解决、争论最大也是最有研究 潜力的棘手问题，那就是站场列车作业和调车作业的智能化冲突疏解，继而提高 调车作业效率。 目前调度集中系统各部分功能都已成熟，国内各大干线都已相继开通使用， 基本上解决了以往调度员一支笔、一张图、一部电话机进行行车组织的传统模式。 然而，在列车作业和调车作业之间的合理协调，时间和空间上的使用冲突方面， 大家还在摸索阶段。主要问题还是计算机不能完全模拟出人的思维模式，在理想 状态时，即列车作业严格按计划执行，调车作业不能有失误变更等，自律机可以 按部就班地执行，但是在实际操作中不可能是理想状态，所以现在这部分功能基 本处于无法使用的状态，仍旧还是人工判断列车运行间隙进行输入调车作业计划。 本文就是基于这个思路建立的数学模型来模拟人的思维模式。 有向无环图的遍历搜索算法是数据结构中普遍使用的一种优化算法，本文成 功地运用了站场结构建立的拓扑图和有向无环图相吻合，路径搜索的方法就是模 拟人在判断可否建立进路的思维方式来进行的，将轨道区段作为图的结点元素 算法成功地解决了确定结点状态，路径同进路联锁表的核对，完成路径时间的估 算及调车作业能否成立的判断等基本问题。解决问题完全能够符合铁路技规 和信号维规中的规定。 结论中对编程模拟实现后的运用进行了评估，对其的适用性和局限性也进行 了正确的分析，并对今后发展的趋势作了展望，专家系统的引入是实现人工智能 能优化行车作业的发展趋势，最终实现小站无人化的目标 关键词：列调作业智能化冲突疏解 a b 朝ma c t r a i l 咖s f 0 皿缸i m v 盯s t o p sp u 璐u i 雌i i i g h - s p c c d 挑d 碰曲一w e i g h t l o a d i n 昏t l yj no 叫c o 岫廿yw i t h l h cd c v e l o l m e m 鲫i f t l y 纽dv i o l c n t l yi n h i g h s p e e d 砌咖s f b n n a t i ，t h 讹a n 咖惦i yp u b l i c 仃a n s f o r m a t i o 璐w 眦 略t 邢c t e dw i t ht h er c l a t e dt c c h n o l o g y 托矗部h c dq l i 瑚y h f o m a t i 如t e 掣a t e d 血 h i g h s p c c d 强丑h 够b n 姐勰岫a i mo fd c v e l o p m e mo f i n f o 曲a t i o n i 商n 晷n e w g e m t i o fc c n 仃a l i z c dt r a 伍cc 帆的ls y s t e m ( c i qi sb 0 忸d 嚣t i n c d 岫d 盯t h i s 哪i 枷m e n t 1 1 l i ss t u d y ，a f t e fd e 印l yu n d e r s t a n d i n gf z j c 舵a n db yl a r g e l yr e a d i n g 一越c dm a r i t a l ，缸m s 髓衄s 啪cc x i s t i n gq u c s t i 帆s 蚰撼m e 州o fo p 啪t i gi na m n n i n gs t a t i o fc r c 卸dc 托a t i v c l yp p 璐ad i l 删y c l i n c 鲫hm a t h 锄a t j c m o d c l w h ic ：h i sb 勰e do n 吼加c t i i 聆0 fs 伽a c 0 0 f d i n g t o t h i ss t i l d y in y t os o n 伽t t h cc n r r c n t l ym o s td i 6 c u 也m o 醴d i s p i l t a b l ea n da i t h cm o s tp c 惦n t i a lp m b l c mj nt h c s y s t 锄o f ( t cm a ti s ，砸s c l ye y a a t i n gt h e n n i c tb c t w c 姐t h c 仃a mw o r l 【s 柚d d i s p 毗c h j n gw o r b n a w a d a y s ，c v c r y 如n d i o 璐i nt h ec r c s y s t 锄i sr i p l p c d 锄di s 韧叩l o y c di ne v e r y m a 缸l i n e sa l lo v 盯t h ec o u n t f y t h i st a k 龉o v 盯t h es i 删i 蛐t h a td i s p a t c h c ra a n g 眵 i a i l 啪y 加n n i 】唱j u 甜d e p 锄d i n g 彻ap c n ，ap i e o f 华i p 盯a n da s c t0 ft e l e p h 咖c h 刚咒w 墨t h e 坞a 他a l s os 伽cd c f b c t s 缸t h c 训彻a l 伽d r d i n a t i n gb c t j l ，咖t h c 嘶 w 讲l 【s 锄dd i s p a t c h i n gw 0 i ! i c s ，t h cu s i n gc o n n i c bi ns p a 锄dt i m ca n dt h eo i 嘲俩go f 卸t o n o m 伽sm a c h i n e t h cm 血p r o b l e m 伽et ot h a l 姗p u t 盯s y s t c m 锄o tf i l l l y j m i t 重t et h cw a yo ft h i n k i n go fh u m 姐b e i n g u n d 盯i d c 曩l n d i t i 蛐，t h a ti s ，蛐s 啪 a 阻c t l yf o u o ww e i l - p l a 衄c d 跏g c m e n t ，t 1 l ed i s p 删n gw 耐l 【sc 猢0 tm a k c 觚y m i s t a k 瞄a n d 0 n ，a u t o n o m o u sm l l i n ew 叽l dk c e pt h cc o n v c n t i o n a lw a y so f j m p l e m 胁t i n 吕y c t ，i np r a c i i c a l ，t h e s o no ff h n c t i a l m t 锄o tb c 训e d o u ts i n t h e 砌s t a t 髓皿e r e f o r c ，m 柚- m a d e j u d g e m c n t sa _ i s o h w c t ob c u s e d j n t h ep i o 孕锄0 f i n p u tt h ed i s p a t c h i n gw o r l 【s i nd e 盯卸o ft h ct w o 伽nw o r l 【s ht h i sp a p e r ，a m a t i i e m a t i cm o d c lt h a ti s t h i st h i n k i n gw mp i 叩叩t oi n i i t a t cah u m 柚b e i i l g t h i n l ( i n gw a y t h ei n t d l i g c ma 1 9 0 i j t h mo fd i r c c t c d y c i i l g m p hi sag c n e r a lu s c do p t i m i s i n g m c 也o di nd a t as t m c t l i m m yd i s s e n a t i o n 蛐c c e s s f t i l l ya p p l i e sam a 妯b c 确，e 峨d o 画c a lg r a p h 锄dd i 删a c y d i n c 鲫h n cw a y0 f 删n gi si m i t a t i n g w h c m e fh u m 卸b c i n g 啪s m l c i u 托at h i n l 【i n gw a y0 ft h cl i n c 卸du s i n gd i f f b n tp a no f 仃a c k 曲e r v a l 弱e l 咖锄t s0 f p o 眦皿c m e t h o dp e 疵c y6 9 l l 磷伽t 圮s t a t eo 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杨晓晖教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，单东、王秀娟等老师对我论文中的核心研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 铁道部部长刘志军在客运专线建设座谈会上提出了客运专线建设的目标和原 则。客运专线建设总的目标是达到世界一流客运专线水平客运专线要达到世界 一流的水平，信息化建设是其中的关键。一流的装备水平和一流的运营管理离不 开一流的信息化水平。铁路信息化的总体目标是：以运输组织、客运营销、经营 管理为建设重点，建成技术先进、结构合理、功能协调、安全可靠的中国铁路客 运管理信息系统，其总体水平达到世界一流。实现调度指挥智能化、客运营销自 动化、经营管理现代化，为客运专线的高效运作、优良服务、安全运行、科学管 理提供强有力的技术保障。 信息化进程中要大量选用体现自动化、智能化程度高的技术；所采用的技术、 规范、标准要适应当今社会信息化发展趋势和潮流，代表国际上同类信息系统发 展方向，能与国际上先进行业管理信息化体系及技术标准、结构兼容与衔接 同 时，由于信息技术及其软硬件产品发展变化很快，系统设计必须从总体上具有可 扩充、升级、可持续与协调发展的能力l 埘 我国铁路由于受过去“高、大、全”的建设大环境限制，造成现在的路情是 客货混运，而且客车流量大，货车解体编组作业非常多，这样的运输方式极不利 于高速铁路的发展，因此，近年来为了解决这个矛盾，一方面大力发展客运专线， 客货分离，彻底解决调车作业对列车作业的干扰但是与此同时我们另一方面还 要利用即有线的资源采取技术的手段来缓解这一矛盾智能化行车调度指挥便是 当今高速铁路信息化的发展趋势，调度集中系统又开了信息化的先河，也是行车 调度指挥智能系统的核心因此不断完善新一代调度集中系统的功能，是我们持 之以恒的追求，更是铁路信息集成的迫切需要。 本文从细微处着手，解决现有调度集中系统中存在的不完善的地方，即列车 作业和调车作业冲突疏解的问题，也就是在运输繁忙的车站中列车作业的间隙里 如何提高调车作业的效率，使车站资源利用最优化运用了比较先进的路径搜索 算法，并与电务部门已成熟应用的微机联锁系统相结合，使得车站自律机的智能 化水平更高。此算法解决了调车作业动态寻找进路的难题，做到了将一钩调车作 业细化为若干段的短调车作业，使得确认调车作业时分估算的分辨率得到了提高， 让调车作业在列车作业空当中实时地都在进行，随时都可以确认折返进路，很大 程度上提高了调车作业的主观自适应性。更加适应当前繁忙干线上列车运行间隙 越来越小，调车作业必须见缝插针的严峻形势。最终的目标是实现无人站的作业 智能化 2 课题的研究背景 2 1国外高速铁路信息系统概况【4 l 国外高速铁路信息化重点在铁路行车控制技术方面，主要采用综合调度系统 和列车运行自动控制系统，实现通信信号一体化、机电一体化、车站区间一体化 和地车控制的统一指挥与管理，提高了铁路运输效率和行车安全的可靠性。铁路 信息化的发展趋向于集运营管理和咨询、服务于一体的综合信息系统，信息技术 的应用目标已不仅仅限于提高劳动生产率、大幅度减少员工和降低运营成本，而 是转移到如何更好地为客户提供新的服务产品和提高服务质量，以增加客户的满 意度，从而争取更多的市场份额。 1 日本高速铁路信息系统 日本新干线1 9 8 2 年投入使用的c o 姗l a c ( c o m p u t c ra i d c d1 1 认伍cc c m 仃0 d 系统包括运行图生成与变更、车辆与乘务员运用、列车运行控制、列车运行监视、 旅客信息等运营管理功能以及电力调度、车辆运用管理、接触网、线路状态检查、 灾害监测( 地震、风冰、雨、雪、滑坡) 等安全功能，是一个功能较为完备的复杂系 统。 1 9 9 5 年1 1 月后陆续投入使用的历时五年研制成功的c 0 s m o s ( c 0 m p u t c r i z c d s a f c t ym a i n t 如c c 卸do p c m t i 仰s y s “瓶o fs j n l 鼬s 钮) 系统是较c o 町i l a c 更为完备 的系统。c o s m o s 系统集行车控制、电力控制、车辆运用管理、运行图生成及变 更、信息系统( 灾害信息、旅客信息等) 、维修作业管理、车站作业管理等功能于一 体，将几乎所有与铁路运营有关的子系统都挂接在中央局域网( ia n ) 上，使开放运 营的铁路系统在信息传输上形成相对的闭环系统，是现代控制技术与计算机技术、 网络技术的有机结合。 c o m i r a c 是中央集中型系统，通过c r c 和各站相连，进路控制等机能均在 中心。而c o s m o s 是分散自律系统，根据运行图，各站可分别控制进路( 各站分 散型p r c ) 。c o m 认c 最主要的功能是运输计划与运行调整，但不能处理列车 下既有线、不能处理列车的合并、分解；不易处理新增车站。而c o s m o s 功能更 全面、更强大，特别是能进行列车运行自动预测、列车运行调整自动提案。 其中的运行管理子系统基于运输计划系统编制好的列车时刻表，调整列车运 行和向旅客提供信息。主要有列车运行调整；运行表示；列车时刻表管理； 进路控制；旅客服务指南等业务。运行管理系统由中央运行管理和车站运行 管理构成，两者由专门网络连接。中央运行管理的调度员在显示器上对运行线直 3 接进行操作，包括列车运行变更，列车进路构成操作等。当需要慢行时调度员直 接进行临时速度控制。朋r c 设备故障时的代用安全保障方法可以只由中央调度员 和司机实施。车站运行管理由车站p r c 管理系统、控制系统和旅客向导装置构成。 车站p r c 管理系统对进路控制、运行信息、运行图、手动控制等进行管理；车站 p r c 控制系统从车站p i 汜管理系统接受进路构成指示，对进路冲突条件等进行检 查并向信号装置输出。在养护维修时间段内，由养护作业用终端进行养护动车组 进路的控制。旅客向导系统根据车站p r c 的实际信息对旅客进行广播和对信息板 进行控制。从中央向车站运行管理传送当日及次日的运行图信息，车站根据轨道 回路的情况等进行控制，因此当网络发生故障时仅依靠车站p r c 也能进行列车控 制。 设备管理子系统指线路、电力、通信信号等设备检查数据的管理系统，中央 系统与各检修区段系统用通用网络连接。中央系统将来自综合检测车的数据进行 处理并传送到相应的部门各检修区段加工和管理本区段的设备维修数据。中央 系统和计划系统共享硬件设备 信号通信设备及环境状态集中监控子系统对新干线的沿线防灾情报以及信号 通信设备的状态进行监控的系统( c m s ：c c n t r a l i z e di i l f o r m a t i m o n j t o i 证gs y s t 锄) 。 中央系统通过专用的线路可以集中监视来自车站的信息( 风、雨、轨道温度、瑚r c 信号的水平及联动设备的动作状况等) ，中央系统也可以进行远程控制。 2 北美铁路信息系统 为了提高铁路运输系统的效率和安全性，并降低成本，1 9 8 3 年北美铁道协会 决定开发一种先进的列车控制系统( a 叱s ) 以取代现有行车指挥系统。 衄s 系统由五部分组成：调度系统、机车系统、工程维修车系统、现场系统、 数据通信系统。 调度系统 调度系统的作用是管理整个路网内的列车运行，目的是在不误点的情况下， 保证行车安全。中央调度系统通过检查人、机的错误以确定运行是否安全。 组成灯c s 调度系统的关键部分是调度操纵台、管理系统、安全系统和共同 管理信息( m i s ) 的接口。调度操纵台提供的是调度员与a k s 调度系统的接口。 虽然调度台之间要交换一定的信息，并且在设计中对调度系统的其它部分也有技 术条件要求，但调度台不属于a t c s 的设计范畴。 机车系统 机车系统的功能是通过数据通信系统，提供自动定位的跟踪和包裹、预计实 施、自动传达运行命令、以及接通或关闭监测、控制信息。自动传输运行命令、 开通或关闭监测、控制信息所必备的设备，包括一台移动通信设备、一台装在机 4 车上的计算机及一个显示屏用来发送和接收信息的移动式通信设备，即数据移 动无线。 定位的自动追踪及报告是利用装在机车上的查询器及装在线路道床上的应答 器来完成的。查询器通过发射可与应答器耦合的信号，触发了处于无源的应答器。 每个应答器都具有独特的编码符号信息，当查询器和应答器相互距离较近时，应 答器中的信息就反馈到了机车上的查询器中识别信息传至机车计算机后，其编 码的识别信息与确切的位置相对应。然后机车计算机将位置信息传送给其它的 他s 用户，比如说调度系统。机车计算机在两个应答期间加入测距信号，当遇到 应答器时，测距器的修正量归零。 2 2国内铁路信息系统发展概况【习 我国铁路信息化建设经过了二十几年的努力，在运输管理信息系统( 1 m 璐) 工程的带动下，客车发售和预订系统、行车调度指挥系统( d m 璐，现规范为t d c s ) 、 车号自动识别系统( 觚s ) 、货运营销信息系统、财务会计管理系统、办公信息系 统等各信息系统取得较大发展 铁路客票发售和预订系统的建设成功，解决了长期存在的买票难问题， 提高 了铁路客运经营水平和服务质量。目前，全路已建成铁道部客票中心1 个、地区 客票中心2 4 个、计算机售票车站1 7 7 2 个计算机售票量达到全路客票销售量的 9 0 以上，售票收入占全路的9 5 以上自2 0 年l o 月2 1 日正式实施联网售票 起，全路建设联网售票车站共7 7 5 个，初步实现了全国范围内的联网发售异地客 票的建设目标。 在调度指挥方面，正在开发、建设调度系统。调度系统主要包括计划调度、 列车调度、机车调度、货运调度、客运调度、统计分析六个子系统。目前，该系 统已在京广、陇海等铁路线正式投入使用，实现了铁路列车调度工作的革命性交 革，在提高铁路运输效率和行车安全方面发挥了重要作用 。 调度集中系统( c 】旧) 建设应用取得突破，2 0 0 4 年4 月份，新一代a 陀 在西宁一哈尔盖段正式投入运用，实现了列车进路和调车进路的集中自动控制，1 7 个车站中的1 0 个实现了行车岗位无人化。 开发建设了铁路车号自动识别系统。在全路5 3 0 多个主要车站( 包括路局分 界站、编组站、区段站、大型货运站等) 的迸出站信号机附近，安装自动的机车、 车辆标签信息接收设备( a e i ) ，可对全路货车车辆、列车、机车运行位置进行动 态追踪管理。 此外，工务系统、机务系统、列车运行控制系统( ( s ) 、行车安全监控系 5 统等方面也作了大量工作，有不少应用软件投入使用。2 5 年初，铁道部制定并 发布了铁路信息化总体规划，明确了铁路信息化发展的指导思想、建设原则、 总体目标、体系结构和实施策略。铁路信息化前景美好。 2 3 铁路信息化的核心一行车调度集中指挥系统( c 】r c ) 2 3 1c t c 的发展情况和研究现状 调度集中系统( c 蚰t r a l i 蒯t f a 缅cc 咖t m ls y s t 哪，c r c ) 是综合了通信、信 号、运输组织、现代控制、计算机、网络等多学科技术，实现调度中心( 调度员) 对管辖区段范围内的信号设备进行集中控制，对列车运行直接指挥、管理的技术 装备。调度集中是世界铁路运输生产指挥现代化的重要发展方向。 国内调度集中系统的开发已有4 0 多年的历史，开通的线路1 0 0 0 多公里，但 是由于局限于当时的系统设计水平、设备装备以及运输管理等方面的原因，我国 铁路的调度集中发展缓慢，7 0 年代开通使用的调度集中，有的已停止使用，有的 仅用其表示部分，只有少量单线铁路和少量车站调车作业量少的双线铁路区段， 继续使用着调度集中。 1 9 9 2 年调度集中的重要组成部分，“计算机辅助调度指挥系统”被列入“八五” 国家重点科技项目。1 9 9 3 年通过了国家的“八五”科技攻关合同中间检查，被评 为“a ”级，1 9 9 5 年底开始在京广线石家庄一保定段安装试验，1 9 9 6 年3 月通过 了国家验收和技术审查。 1 9 9 6 年铁道部决定在全路实施“铁路局、铁路分局调度指挥管理信息系统 ( d m i s ) ”的研究和工程建设，该项目于2 0 0 1 年1 1 月通过铁道部的技术鉴定。 我国的调度集中将以d m i s 为平台进行建设。 1 9 9 6 年我国首次向国外出口调度集中设备，在伊朗德黑兰市郊铁路，安装开 通了d 6 型调度集中系统。 2 0 0 3 年1 0 月1 2 日，秦沈客运专线的调度集中系统开通使用，实现了与法国 刚刚投入市场的车站区间一体化设备的连接，构成了在我国第一条时速2 0 0 k m 的 客运专线上，实施列车控制的新型信号系统，该系统充分利用了目前最先进的计 算机技术、通信技术、网络技术、采用客户机服务器方式，构成开放式、分布式 的计算机网络。系统重要环节双机、双网、迂回通道，具有高可靠性、可维护性、 通用性和先进性。系统组成采用国际通用标准，使系统容易扩展、容易升级换代， 系统功能以增强，具有良好的可扩展性。 6 2 3 2传统的调度集中系统 传统的调度集中系统是遥信遥控系统。我国调度集中系统从1 9 5 8 年开发和应 用的频率制调度集中起步，先后研制了极性频率制调度集中、电子式调度集中、 计算机化调度集中，但是，由于昼夜不问断传输、客货混和运输、中低速列车共 线，大多数车站有调车作业等特点使我国有不同于世界其他国家而独具的国情和 路情。调度集中系统在我国一直徘徊不前，总体来说没有满足我国铁路运输发展 和现代化的需求，存在的主要问题： 1 、智能化程度不高。调度员不能摆脱老三件，未能将调度员从繁琐工作中解 脱出来，反而将车站值班员的既有工作内容加给了调度员，加大了调度员的工作 强度。另一方面，又摆脱不开对车站值班员的依赖，许多工作仍然依靠车站值班 员完成，不能实现运输组织的根本变革。 2 、交放权频度过多由于传统调度集中只负责列车的集中指挥和控制，对调 车作业未采取任何技术措施，只要车站一进行调车作业，就要出现中心控制与车 站控制权力的交接问题，并且交放权手续繁杂，过程麻烦，不适应我国铁路路情， 严重影响系统使用的积极性 3 、车次号技术存在一定的问题车次号是调度集中的基础信息；但传统的调 度集中在列车车次号自动输入、自动校核、自动跟踪的技术问题没有得到完全解 决，造成车次号丢失或车次号错误，影响调度集中系统的正常使用 4 、可靠性水平低传统调度集中基于当时的技术水平落后，质量不高，故障 频频发生，再加上信号设备基础质量不高，使系统的可用度不高系统经常的停 用带来针对运用管理上的调度命令频发，增加了各级的工作量。调度集中设备上 道，使各级运输生产指挥部门没有感到益处，反而带来了麻烦 5 、无线通信手段不能满足要求。调度集中是基于调度所对列车进行集中指挥 和调度管理的系统，它不同于传统的调度员一车站值班员一司机( 车长) 的运输组 织模式，它是调度员对列车( 司机) 的直接指挥和管理；因此必须保证调度指挥 中心对列车( 司机) 的直接指挥；必须具备调度员与司机直接良好的通信能力。 可以往的无线列调在这一方面往往存在不足。 由于传统调度集中存在上述几个主要问题，调度集中上道没有给各级运输管 理部门带来明显好处，反而带来多种麻烦，使得现场对采用调度集中进行列车集 中指挥和调度管理没有积极性；再加上当时对运力资源调整改革、减员增效的认 识不高，导致调度集中没有明显需求。 根据铁路运输跨越式发展的需要和科学技术的进步，为了赶上世界铁路运输 自动化水平，铁道部创造性地制定了新一代分散自律调度集中系统技术条件( 暂 7 行) 【1 】提出了不同于传统调度集中系统的新一代调度集中系统一分散自律调度集 中系统。 2 3 3新一代分散自律调度集中系统 分散自律调度集中系统是综合了计算机技术、网络通信技术和现代控制技术， 采用智能化分散自律设计原则，以列车运行调整计划控制为中心，兼顾列车和调 车作业的高度自动化的调度指挥系统。它针对我国铁路路情，以分散自律和智能 化为设计原则，将联锁设备不具有的或无法完成的行车作业，以及过去车务人员 按照技规、行规、站细等规定执行的安全操作和行车管理都由调度集中 系统综合处理。采用计算机分布式网络控制技术、信息化处理技术，将列车运行 调整计划下传到各个车站自律机中自主执行；在列车运行调整计划的基础上，解 决列车作业与调车作业在时间和空间上的冲突，实现列车和调车作业的统一控制。 分散自律就是以日班计划为依据，根据运行图，通过压缩站停时间、调整列 车区间运行时分、变更越行站和会让站等方法，来人工或自动调整列车运行计划 ( 包括股道信息) 和中间站甩挂调车作业计划( 计划层次) ，经批准后适时下达到 所辖区段各个车站的车站自律机，由车站自律机自主自动执行；车站自律机在列 车运行调整计划的基础上，按照自动选排列车进路的优先权及车次号、超限级别、 列车长度、机车类型、股道有效长、道岔弯股进路的最大允许速度等因素，自动 生成列车进路指令( 指令层次) ；车站自律机经过对进路指令的合法性、时效性、 完整性和无冲突性的检查，依据列车运行调整计划、列车类型、区间阿塞类型、 邻站发车时刻、区间运行时分、完整到达停稳、前行列车发车进入区间等条件， 同时综合考虑信息处理时间、进路办理时间和列车的速度等因素，适时将进路指 令转变为命令( 命令层次) ，下传给车站联锁设备执行。 智能化就是通过具有故障一安全性能的高可靠性的计算机软硬件技术，对铁 路运输生产过程中的调度指挥工作流程进行优化处理，由计算机控制程序达到运 输组织的智能化目标，最大程度地将行车人员从繁琐的工作及运输安全生产的压 力下解放出来。系统在目前d m i s 的基础上实现了列车运行计划的自动调整、实 迹运行图自动描绘、可视调度命令下达、实时监督列车运行、列车自动报点、车 站列车和调车作业监控、车次号跟踪与无线车次号校核、运行日志自动生成等功 能，极大地提高了工作效率，以适应不断增长的运输需求。 2 4 本文的整体结构 b 本文一共分为6 部分，全文以循序渐进的方式、清晰的层次结构对所研究的 课题进行了深入细致的阐述，下面分别介绍各章的主要内容： 第一部分：引言 选取本课题的原因和意义，铁路信息化是我国铁路的发展趋势，本文要解决 的问题是信息化进程中的一个不可忽视的技术问题。 第二部分：研究背景 以国内外铁路信息化的发展状况为背景阐述了高速铁路信息系统的概况，以 及我国信息化的核心一行车调度指挥系统( c 聪) 即调度集中系统的发展历程，重点 介绍了我国传统调度集中系统( 遥信遥控系统) 和新一代分散自律调度集中系统。 第三部分：c i 的自律控制基本原理和本文论题的提出 本章详细研究了目前新一代分散自律调度集中系统的自律控制原理和进路控 制方法以北京交大微联公司研制的f 2 乎c i 型分散自律调度集中系统为例， 分析现行的实现列车和调车进路捧列冲突的解决方法，及其不足之处，并就此提 出问题。在问题的提出当中，延续了当前这个领域的研究人员所做的工作和解决 问题的思路，作为后续章节本文论题的算法思想的基础 第四部分：对图的算法研究 对于第三章中提出的问题本文选择了图论中的图的遍历搜索算法作为研究解 决方法。首先介绍了系统设计思路和图的定义和术语，之后详述了应用于下一章 中解决实际问题的有向无环图的遍历搜索算法，以及数据存储结构。 第五部分：利用图的遍历算法实现优化列调作业冲突 首先秉承站场结构建模的一贯思路首次提出了以轨道电路区段作为基本元素 而建立的站场数学模型，其次结合上一章的搜索算法，根据最优化的思想研究解 决了调车作业对列车作业的干扰最小，车站资源利用率最高的问题。最后，列举 了四种技规中严格规定的敌对进路冲突的情况并用本文的算法做了分析，作 为本文的论据，验证本算法的鲁棒性 第六部分：工作总结及此研究方向的展望 首先对整个论文进行了总结，得出相应结论；然后对本课题进一步的研究工 作和今后的发展进行了展望一专家系统在分散自律调度集中系统中的应用。基于 人工智能理论设计的专家系统是最终模拟人的思维进行行车作业疏解的方法。简 要介绍了专家系统的构成，基本原理，设计思路及自学习功能。 9 3c i i c 的自律控制原理和问题的提出 目前在干线上运用的新一代分散自律调度集中系统有五种，他们的自律控制 原理都基本上是一样的。而北京交大微联公司开发的托于c i 型分散自律调度 集中系统能够比较客观地反映出车站自律机在现场运用当中功能不尽完善的方 面。因此，实习期间在北京交大微联科技有限公司a r c 部，对f 2 - j i c r 型分散 自律调度集中系统进行了全面地了解，在本章首先对这一系统作一简要介绍，然 后将自律的控制原理进行了深入地研究，分析其中解决列车作业和调车作业互相 冲突问题的不足之处，并就此问题提出算法思想。 3 1f z j a 陀型分散自律调度集中系统例 2 0 0 4 年底，北京交大微联科技有限公司按照技术条件成功研发了交大型调度 集中系统( 简称f z j c 1 d 该系统采用了先进成熟的计算机技术、网络技术和控制 技术，实现了调度集中系统的各项功能，具有更高的安全性、可靠性和可维护性 3 1 1系统简介 系统以大秦线三个车站( 蓟县西、翠屏山、遵化北) 计算机联锁标准站、微联 站( 6 5 0 2 继电联锁站) 组成一个调度区段，构建一个室内模拟系统该模拟系统按照 技术条件设置了调度中心、车站设备及组建网络。微联站以6 5 0 2 继电联锁为基础， 其余四站以计算机联锁为基础、在其中一个站( 蓟县西) 配备了无线调度命令传送系 统。五站顺序依次为：微联站、标准站、蓟县西、翠屏山、遵化北。其中微联站 与标准站之间为单线站问闭塞；标准站与蓟县西及其余车站之间采用双线自动闭 塞。 3 1 2系统总体结构 f z j c r c 调度集中系统从网络和软件结构上分为调度中心和车站两部分。调 度中心包括数据库服务器、应用服务器、通讯前置服务器、调度员工作站、助理 调度员工作站、综合维修工作站、中心电务维修工作站、控制工作站以及网管工 作站、培训工作站等设备。车站包括分散自律机、车务终端、维修终端、电务终 端等。如图3 1 所示。 j l 基变通右堂照宝僮监窑 图3 - 1 托 c r c 调度集中系统总体结构 3 1 _ 3系统基本功能 ( 1 ) 实时监视站场信号设备和列车运行状态，实现站间和区段透明显示： ( 2 ) 追踪列车运行位置和到发时刻，自动描绘列车实迹运行图； ( 3 ) 利用计算机编制列车调整计划，实现调度指挥计算机化，利用网络向车站 下达调整计划和调度命令； ( 4 ) 通过系统网络和无线通信向机车下达调度命令、调车作业单、行车凭证和 接车进路预报等信息； ( 5 ) 自动编制车站行车日志，生成运统二、三报表； ( 6 ) 在中心可控制所有联锁设备按钮，具备列车、调车和非正常作业人工遥控 功能# 按照列车运行计划和车站站细，由自律机自动自主控制列车进路； ( 8 ) 按照调车作业计划，由自律机根据机车请求和列车运行状况，自动自主控 制调车进路，并对调车状况进行监视和报警； ( 9 ) 实现维修作业的综合管理和远程登、销记； ( 1 0 ) 具备完各的网络安全防护功能。 3 1 4车站自律机 车站自律机是新一代分散自律型调度集中系统的车站核心设备，其硬件选用 高性能的工业控制计算机和驱动采集设备组成，并通过串口和无线车次号解码器、 无线调度命令转接器连接。在可靠性、数据处理能力等方面有严格保证车站自 律机的操作系统则是特殊定制的实时多任务操作系统，在软件设计上保证高效、 简洁、严密，且经过完整全面的测试。车站自律机采用双机热备的冗余配置方式。 自律机的功能主要包括： 1 、接收存储调度中心的列车运行计划、调车作业计划等，并可以自动按计划 进行进路排列，驱动联锁系统执行； 2 、接收调度中心的列车运行调整计划、远程操作指令和车站值班员的操作指 令，经检测无冲突后适时发送给车站联锁系统执行； 3 、从联锁系统接收车站信号设备状态的表示信息，进行列车车次号跟踪，收 集行车运行实际数据，并上传至调度中心； 4 、掌握车站联锁系统对进路命令执行的情况，并根据反馈信息对有关进路进 行必要的调整； 5 、接收相邻两站的实际运行图和设备状态信息( 站间透明) ； 6 、根据 i p ( x ，y ) 八( x ，y v ) 在图中的数据元素通常称作顶点，v 是顶点有穷非空集合；v r 是两个顶点关 系的集合。若 v r 则x ，) ， 表示从x 到y 的一条弧，且称x 为弧尾或初始点， 称y 为弧头或终端点，此时的图称为有向图。若味，y t 必有 t ，即v r 是对称的，则以无序对( x ，y ) 代替这两个有序对，表示x 和y 之间的一条边，此时的 图称为无向图。如图4 _ 1 所示( a ) 为有向图，( b ) 为无向图。 显莲曲班丑 图睨子图的示倒 在有向图g 中，如果对于每一对v j v t v j ，从v i 到v j 和从v j 到 v i 都存在路径，则称g 是强连通图。有向图中的极大强连通子图称作有向图的强 连通分量。 4 3 2图的遍历 和树的遍历类似，在此我们希望从图中某一顶点出发遍历图中其余顶点，且 使每一个顶点仅被访问一次。这一过程就叫做图的遍历。图的遍历算法是求解图 的连通性问题，拓扑排序和求关键路径的功能算法的基础。 然而，图的遍历要比树的遍历复杂的多因为图的任意顶点都可能和其余的 顶点相邻接。所以在访问了某个顶点之后，可能沿着某条路径搜索之后，又回到 该顶点上。为了避免同一顶点被访问多次，在遍历图的过程中，必须记下每个已 访问过的顶点。为此，我们可以设一个辅助数组v i s i t c d 1 n 1 ，他的初始值置为“假” 或者零，一旦访问了顶点v i ，便置v i s i t c d f i 】为“真”或者为被访问时的次序号l “j 。 通常有两条遍历图的路径：深度优先搜索和广度优先搜索。它们对无向图和 有向图都适用。 1 、深度优先搜索 深度优先搜索遍历类似于树的先根遍历，是树的先根遍历的推广。假设初始 状态是图中所有顶点未被访问，则深度优先搜索可以从图中某个顶点出发，访 问此顶点，然后依次从v o 的未被访问的邻结点出发深度优先遍历图，直至图中所 有和有路径相通的顶点都被访问到；若此时图中尚有顶点未被访问，则另选图 中一个未曾被访问的顶点作起始点，重复上述过程，直至图中所有顶点都被访问 到为止。 i 町 图4 3( a ) 遍历图的过程( b ) 深度优先搜索的过程 深度优先搜索搜索遍历图的过程如图4 3 ( b ) 所示。假设从顶点v 1 出发进行 搜索，在访问了顶点v 1 之后，选择邻结点v 2 。因为v 2 未曾访闯，则从v 2 出发 进行搜索。依次类推，接着从v 4 ，v 8 ，、巧出发进行搜索在访问了v 5 之后，由 于v 5 的邻结点都已被访问，则搜索回到v 8 。由于同样的理由，搜索继续回到w ， v 2 直至v l ，此时由于v 1 的另一个邻结点未被访问，则搜索又从v l 到v 3 ，在继 续进行下去。由此，得到的顶点访问序列为： v 1 _ v 2 一v 4 - v 8 - v 5 - v 3 - v 6 v 7 显然，这是一个递归过程。 2 、广度优先搜索 广度优先搜索遍历类似于树的按层次遍历的过程。 假设从图中某项点出发，在访问了之后一次访问v 0 的各个未曾访问 过的邻结点。然后分别从这些邻结点出发广度优先搜索遍历图，直至图中所有已 被访问的顶点的邻结点都被访问到。若此时图中尚有顶点未被访问，则另选图中 一个未曾被访问的顶点作起始点，重复上述过程，直至图中所有顶点都被访问到 为止。换句话说，广度优先搜索遍历图的过程是以为起始点，由近至远，一次 访问和v 0 有路径相通且路径长度为1 ，2 的顶点。广度优先搜索搜索遍历图的 过程如图4 4 ( c ) 所示，首先访问v 1 和v 1 的邻结点v 2 和v 3 ，然后依次访问 v 2 的邻结点v 4 和v 5 及v 3 的邻结点v 6 和v 7 ，最后访问v 4 的邻结点v 8 由 于这些顶点的邻结点均已被访问，并且图中所有顶点都被访问，由此完成了图的 遍历得到的顶点访问序列为： v l - v 2 呻v 3 - v 4 啼v 5 - v 6 - v 7 - v 8 图4 - 4 广度优先搜索的过程 分析上述过程，每个顶点至多进行依次对列遍历图的过程实质上是通过边 或弧找邻结点的过程，因此广度优先搜索遍历图的时间复杂度和深度优先搜索遍 历图的相同，两者不同之处仅仅在于对顶点访问的顺序不同。 4 3 3有向无环图及其应用 一个无环的有向图称作有向无环图，简称d a g 图d a g 图是一类较有向树 更一般的特殊有向图，如图4 - 5 列示了有向树、d a g 图和有向图的例子。 图4 5 有向树、有向无环图、有向图一例 有向无环图是描述含有公式子式的表达式的有效工具。例如下述表达式 ( ( a + b ) 。( b ( c + d ) ) + ( c + d ) c ) ( ( c + d ) c ) 可利用有向无环图实现对相同子式的共享，从而节省存储空间。如图4 6 用二 叉树描述和用有向无环图描述的对比： 图4 6 有向无环图描述和二叉树描述的对比 有向无环图也是描述一项工程或系统的进行过程的有效工具。除最简单的情 况外，几乎所有的工程都可以分成若干个称作活动的子工程，而这些子工程之间 通常受着一定条件的约束，如其中某些子工程的开始必须在另一些子工程完成之 后。对整个工程和系统，人们最关心的是两个方面的问题：一是工程能否顺利进 行；二是估算整个工程完成所必须的最短时间，对应于有向图，即为进行拓扑排 序和关键路径的操作【埘 4 3 4关键路径 a o e 网是一个带权的有向无环图，其中，顶点表示事件，弧表示活动，权表 示活动持续的时间。通常a o e 网可用来估算事件完成时间。 例如如图4 - 7 所示是一个假想的有1 1 项活动的a o e 网。其中有9 个事件v 1 ， v 2