（交通信息工程及控制专业论文）铁路智能运输系统结构设计方法研究.pdf

摘要 铁路智能运输系统( r i t s ) 是涉及多学科、多专业领域，集底层控制、实时调度、运营 管理于一体的多功能、多任务的复杂大型信息系统，系统设计在系统建设中至关重要。随着 分布式网络技术的不断发展，铁路运输系统向智能优化、综台交互、动态实现等方向发展， 对铁路运输系统的功能和业务覆盖范围等方面提出新的要求，r i t s 各系统需要能适应需求 的调接，实现新业务的快速展开。这对r i t s 系统的总体规划设计方法提出新的要求。r i t s 是复杂大系统，针对复杂大系统在规划设计建设中的不确定性和复杂性，需要进一步扩展现 有系统优化以及设计理论的体系范畴。如何设计出技术性能好、经济效果优的r i t s 系统， 同时又能支持业务重组、软件重构和动态业务集成，迫使人们研究和探索新的、更加完善的 系统设计方法。 本文在铁路智能运输系统体系框架研究课题基础上，首次提山r i t s 物理结构优化 设计问题。井从方法论角度对优化设计问题进行了形式化描述，运用系统：l ：程、人工智能、 计算机网络等领域的先进理论和方法着巫对r i t s 结构优化设计方法进行了探索，m 点研究 了二个问题：一肚基丁模糊聚类的逻辑结构划分，将系统的丛本过牲聚合为若干相对独立的 功能j y i 元，实现了系统不同粒皮的分解；二赴物理结构优化设计方法，提出了采川多目标优 化的解；尖思路：三足系统麻川层容错啦计方法，保证系绒在局部功能失效或凋档时人系统 总体功能的稳定。综合采用上述方法进行系统优化设计。使r i t s 物理结构贝_ 仃7 r 效性、经 济性、可靠性与可扩展性提高了系统的适应性和鲁棒性。论文的主要 j 作及创新点如r ： l 、提出了r i t s 逻辑结构到物理结构层次化优化映射设计思想。为解决r i t s 规模庞人、 系统各要素之间耦合关系复杂、难以实现物理结构优化设计的问题，在实现不同粒度系统分 解基础上进行物理结构优化殴计，有效降低了系统设计复杂度。 2 、研究了基丁模糊聚类的逻辑结构划分方法及“元服务”、“关键路径”的基本概念和 提取方法。本文将r i t s 逻辑结构分析转化为对其同构有向图的拓扑分析建立了基丁模糊 关联强度矩阵的r i t s 逻辑结构模型，定量描述了系统过程之间的关联程度，采用模糊聚类 方法将系统划分为若干独立的功能单元，为逻辑结构到物理结构层次化优化映射提供了方法 支撑。 3 、突破原有r i t s 设计主要基于软件工程方法的局限，研究了r i t s 物理结构优化设计 基本问题。即在一定资源条件约束下，综合考虑技术、经济等方面因素，实现功能单元在物 理实体上的优化配置，并提出了r i t s 物理结构优化设计问题的模型。 4 、研究并建立了比较全面、实用的r i i s 系统设计层次化评价指标体系和量化方法。评 价指标体系能够客观地反映系统的技术经济指标，易于实现系统设计方案的量化评估。 5 、初步建立了基于多目标优化的r i t s 物理结构设计方法，以解决复杂多变量、多目标、 多约束的r i t s 结构优化设计问题。采用产生式和基于偏好方法两种途径对r i t s 物理结构优 化设计的具体方法进行了研究和比较。其中产生式方法以一类基于p a r e t o 机制的具有快速 全局收敛能力的多目标遗传算法为研究重点，通过综合采用改进的非支配排序方法、动态虚 拟适应度赋值策略、精英策略等措施对n s g a 进行了改进得到了r i t s 结构设计的一个 p a r e t o 解集，有效降低了算法的复杂性，提高了算法的快速收敛性。第二类基于偏好的设 计方法是将多目标优化设计与多目标决策相结合，把专家对设计目标的偏好信息或经验规则 融入到优化设计过程中，分别提出了基于模糊偏好和基于模糊逻辑的优化设计方法，提高了 效率，便于决策者理解和把握设计结果。以紧急救援子系统为例，采用本文提出的方法进行 了物理结构优化设计，得到了比较合理、满意的结果。 6 、研究提出了集功能容错与无扰运行于一体的r i t s 功能组织方法。研究了r i t s 物理 系统的容错与数据流重构机制，对系统的容错体系和应用廿点冗余配置原则进行了讨论，提 出了一类基于距离向量算法的动态数据流重构算法：在此基础上，采刚模糊逻辑方法对节点 链路状态进行量化评估，有效地处理了路由度最的多指标问题。由于功能竹点采川了冗余配 置，任务执行的并行程度得以提高，增加了事务处理的吞吐能力有助丁对系统整体性能的 提帛。 关键词：铁路智能运输系统，逻辑绌构，物理绡构多目标优化，遗传算法，动态重构 2 a b s t r a c t o p t i m a ld e s i g nm e t h o d o l o g yf o rt h es t n j c m r eo fr a i h v a yi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( r i t s ) i sd e v e l o p e di n t h i sd i s s e r t a t i o n r e c e n td e v e l o p m e n ti n d i s t r i b u t e d n e t w o r k i n g t e c h n o l o g i e sh a ss e tm o r en e wc h a l l e n g e si nt h es y s t e md e s i g np r o c e s s t os e t t l et h eu n c e r t a i n t y a n dc o m p l e x i t yi nd e s i g n i n gad i s t r i b u t e dc o m p l i c a t e ds y s t e m ，c u r r e n ts t a t eo fm e t h o d o l o g ya r t s n e e d st oe x p a n df o rt h es y s t e md e v e l o p m e n tc o n t e n ti nf i e l d so fs t r u c t u r ed e s i g na n ds y s t e m o p t i m i z a t i o n a sal a r g ed i s t r i b u t e di n f o r m a t i o ns y s t e m ，k i t si n v o l v e sm o d e mc o n t r o l ，r e a l - t i m e s c h e d u l i n g ，b u s i n e s so p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n ds u c ht h e o r e t i c a lf i e l d s t o p r o v i d ed i f f e r e n t s e r v i c e sf o rp h y s i c a ld i s t r i b u t e dc u s t o m e r so rd e s i g n e r s t of e e dt h e s em u l t i - s e r v i c ea n dm u l t i - t a s k r e q u e s t s ，m e t h o d o l o g yo fh o wt od e s i g nt h es y s t e ms t r u c t u r ep l a y sf l m o s tc r i t i c a lr o l ei nt h e d e v e l o p m e n to fk i t s s u b s y s t e m so fk i t sm u s tf i ti n t oad y n a m i cf r a m e w o r kt oa d a p t c o n t i n u o u sa d j u s t m e n to fr e q u e s t s t h em e t h o d o l o g yo fo r g a n i z a t i o no fk i t ss u r e l yd e c i d e st h e f i n a lo u t c o m e w i t hs u i t a b l en e ws y s t e md e s i g nt h e o r y , r i t sd e v e l o p e r sw o u l di n t r o d u c eg o o d t e c h n o l o g yp e r f o r m a n c ea n do p t i m i z e de c o n o m i cp u r p o s ei n t os u c hal a r g ec o m p l e xs y s t e m r i t s c a nc o m eo u tw i t hf i n e - g r a i n e dc o m p o n e n t sf o ri n t e r o p e r a b l ed y n a m i cc o n s t r u c t i n g ，w h i l ew i t h i m p r o v i n gs y s t e mr e l i a b i l i t y r o b u s t n e s s ，r e u s a b i l i t y , a n dm a i n t e n a n c e b a s e do nt h er e s e a r c hw o r k se n t i t l e d ”s t u d yo na r c h i t e c t u r eo ft i l er a i l w a yi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ”，t h i st h e s i sp r e s e n t sa n df o r m a l i z e s ，f o rt h ef i r s tt i m e ，ap h y s i c a ls t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rk i t s ，a n das e to fo p t i m i z e di n d e x e sw i t hr e s p e c tt om e t h o d o l o g ya r e p r e s e n t e d t h i sd i s s e r t a t i o nd o e ss o m er e s e a r c ho nr i t s m e l i o r a t i o nd e s i g na n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nb yu s i n gs y s t e m se n g i n e e r i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a n dc o m p u t e rn e t w o r k s ，e t c t h r e ei m p o r t a n ti s s u e sh a v eb e e ni n t r o d u c e db yt h i sr e s e a r c h f i r s t l y , s p l i t t i n gac o m p l e xr i t s i n t od i f f e r e n tf i n e - g r a i n e dc o m p o n e n t sb yu s i n gf u z z yc l u s t e r i n gt e c h n i q u e s e c o n d l y , i tf o c u s e s o nh o wt oo p t i m i z et h ep h y s i c a ls t r u c t u r ed e s i g np r o c e s so fr i t sb yc o n s i d e r i n gt e c h n i q u ef a c t o r s a n de c o n o m i cf a c t o r sw i t hv a r i o u sc o n f i g u r a t i o n so fp h y s i c a le l e m e n t su n d e rc e r t a i nr e s o u r c e c o n s t r a i n t s t h i r d l y , f i n d i n gt h ed e s i g nm e t h o df o rs y s t e md y n a m i cr e e o n f i g u r a t i o n ，w h i c hi sf o r s t a b i l i z i n gt h ef u n c t i o n so fb i gs y s t e mw h e ns u b s y s t e ms i n k s t os u mu p ，p r o c e s s i n gt h es y s t e m o p t i m i z ed e s i g nb ya d o p t i n gt h em e t h o d sw h i c hs h o wa b o v e ，t h e yk e e pk i t sp h y s i c a l l ye f f e c t i v e ， e c o n o m i c a l ，r e l i a b l e ，a n de x t e n s i b l e b a s e do nt h e o r ya b o v e ，t h er e s u t sa c h i e v e di nt h i st h e s i s h a v eb e e na p p l i e dt oa l l e m e r g e n c yr e s c u ei n f o r m a t i o ns y s t e ms h o w i n gt h ee f f e c t i v e n e s si n m a p p i n g al o g i cs t r u c t u r eo f ak i t st oi t sp h y s i c a ls t r u c t u r e t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i s i n c l u d e ： 1 i tb r i n g sf o r w a r dt h ed e s i g ni d e a so fo p t i m i z em a p p i n gb yl a y e r sf r o mt h el o g i cs t r u c t u r eo fa r i t st oi t sp h y s i c a ls t r u c t u r e t or e s o l v et h ep r o b l e ma b o u tt h ec o m p l e xp h y s i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ， o nt h eb a s eo ft h ed e c o m p o s i t i o nb yt h ed i f f e r e n ts i z es u b - s y s t e m ，t h e s ei d e a sd e p r e s st h e c o m p l e x i t yo fs y s t e md e s i g n ；b r i n gl o g i cs t r u c t u r ed e s i g na n dp h y s i c a ls t r u c t u r ed e s i g nt o g e t h e r s i m u l t a n e i t y 2 af u n c t i o nc e l lp o l y m e r i cm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nf u z z yc l u s t e r i n g ，h a sb e e np r e s e n t e d a tt h e s a m et i m e ，t w oc o n c e p t s ，”m e t a - s e r v i c e ”，”c r i t i c a lp a t h a r ei n t r o d u c e db yt h i sd i s s e r t a t i o na n di t p r e s e n t s f lm e t h o df u r m e t a - s e r v i c e ”e x t r a c t i o n w i t ht h e h e l po fs y s t e me n g i n e e r i n g ，f u z z y m a t h e m a t i c s ，ar i t sl o g i cs t r u c t u r em o d e lb a s e do naf u z z ya s s o c i a t i o nd e g r e em a t r i xi sb u i l tt o a n a l y z e t h ea s s o c i a t i o nd e g r e ei n q u a n t i t yb e t w e e ns y s t e mp r o c e s s e s ，a n df u z z yc l u s t e r i n g m e t h o d sa r ee x p l o r e dt oc l a s s i f yl o g i cf u n c t i o n so far i t s i nt e r mo fg r a n u l a r i t yp r i n c i p l eo f s t r o n gc o h e s i o na n dl o o s ec o u p l i n g ，i tp a r t i t i o n st h es y s t e mi n t om a n yi n d e p e n d e n tf u n c t i o nc e l l s ， w h i c hl a yaf o u n d a t i o nf o ro p t i n f i z a t i o nm a p p i n go fr i t sf r o ml o g i cs t r u c t u r et op h y s i c a l s t r u c t u r e 3 ac o m p r e h e n s i v ea t t dp r a c t i c a lp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n f r a s t r u c t u r ef o rr i t s sh a sb e e n p r e s e n t e d ，w h i c hc a ne a s i l ye v a l u a t es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc o s t e v a l u a t i o nc r i t e r i aa r ed e f i n e d f o rc a l c u l a t i o ni nq u a n t i t y 4t ob r e a kt h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a lr i t sd e s i g n w h i c hi sb a s e do ns o f t w a r ee n g i n e e r i n g a f o r m a ld e s c r i p t i o no fp h y s i c a ls t r u c t u r eo far i t si sg i v e nf u rt h ef i r s tt i m e m u l t i o b j e c t i v eb a s e d o p t i m i z a t i o nm e t h o d sa r eu s e dt om e e td e s i g ng o a l su t i l i z i n gs y s t e mr e s o u r c e si na ne f f e c t i v ew a y , w h i c hm e a n sl o wc o s t ，r a p i dr e s p o n s e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o dc o l l e c t i v i t yp e r f o r m a n c e 5 t oe s t a b l i s ham u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z e dr i t sp h y s i c a ld e s i g nm e t h o d ，w h i c hc a l lr e s o l v et h e r i t ss t r u c t u r ed e s i g np r o b l e m ，s u c ha sm u l t i - v a r i a b l e ，m u l t i - o b j e c t ，m u l t i - r e s t r i c t i o n i tp r e s e n t s n ot y p e so f o p t i m i z a t i o nm e t h o d s g e n e r a t i v em e t h o da n df a v o r e dm e t h o df u rp h y s i c a ls t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fr i t s i ti sh a r dt od e s i g nac o m m o nf r a m e w o r kf u ro p t i m i z i n gr i t sb y u s i n gt r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d sd u et ot h ec o m p l e x i t y , i e ，i t so p t i m i z e d i n d e xf u n c t i o n a n dc o n s t r a i n t s t h ef i r s tt y p eo fm e t h o d si sag e n e r a t i v ep a r e t og am e t h o d ；t h er e s e a r c hk e y p o i n ti sm u l t i - o b j e c t i v eg a u s i n gm o d i f i e di n d i v i d u a ls o r t i n gm e t h o d s ，v i r t u a lf i t n e s sa s s i g n m e n t s t r a t e g i e s ，s u r v i v a lm e t h o d s ，am u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m 一一n s g a ，i si m p r o v e dt oo b t a i na i l o p t i m i z a t i o ns e t sf o rp h y s i c a ls t r u c n eo f ar i t s t h eg e n e r a t i v ep a r e t oc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e c o m p l e x i t yo fc a l c u l a t i o na n dt h u ss p e e d su pt h ep r o c e s so fc o n v e r g e n c e t h es e c o n dt y p eo f m e t h o d s ，p r e f e r e n c ep a r e t og a ，c o m b i n e sm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nf o rp h y s i c a ls t r u c t u r e d e s i g no f ap i t sw i t hm u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o nm a k i n gm e t h o d st op r e s e n ta ne x p e r ts y s t e mb a s e d t w os y s t e md e s i g nm e t h o d s o n ei sb a s e do nf u z z yp r e f e r e n c e ，a n dt h eo t h e ri sb a s e do nf u z z y l o g i co p t i m i z a t i o n o n em a i nf e a t u r eo f t h et w om e t h o d si st h a tt h e yb o t hi n t e g r a t et h ep r e f e r e n c e i n f o r m a t i o no re x p e r i e n c ef r o md e c i s i o nm a k e r si nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g np r o c e s st oh a v ea l l e f f i c i e n ts y s t e md e s i g n t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d sa b o v eh a v eb e e na p p l i e dt oa ne m e r g e n c y r e s c u es y s t e mf o rp h y s i c a ls t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t sh a v eb e e n a c h i e v e d 6 a na p p l i c a t i o nl a y e r , b a s e dd e s i g na p p r o a c hf o rr i t sh a sb e e np r e s e n t e d w h i c hi n t e g r a t e sf a u l t t o l e r a n c ea n dd i s t u r b a n c e - f r e em e c h a n i s mi nac o n s i s t e n tw a y i ta l s op r e s e n t st h eb a s i cp r i n c i p l e o fr e d u n d a n c yc o n f i g u r a t i o no fs y s t e mn o d e sa n dt h es t r u c t u r eo fr i t sf a u l tt o l e r a n c es y s t e m ，o n t h eb a s eo ft h e o r yo fi n f o r m a t i o n p r o t o c o l ，i tb r i n g s f o r w a r da d y n a m i c d a t as t r e a m r e c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hi sb a s e do nd i s t a n c e v e c t o ra l g o r i t h m ab e l i e rf a u l tt o l e r a n t a l g o r i t h mh a sb e e nc o n c e i v e du s i n gf u z z yl o g i cb a s e de v a k l a t i o nm e t h o d s i n b en l e a nt i m e ， s y s t e mr e d u n d a n c ya l s om a k e si tp o s s i b l et oe x e c u t ej o b si np a r a l l e la n di n c r e a s c st h et h r o u g h p u t o f t i l es y s t e mi nt o t a l k e y w o r d s ：r i t s ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n i i l 铁道科学研究院学位论文原创性声明 y 8 u 8 9 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：盔鱼闩期：乃哆年2 月 铁道科学研究院博j ：。学化论文 第一章绪论 铁路智能运输系统是复杂大系统，为使铁路系统达到高效、安全和优质服务 的目标，需要从系统科学的角度，研究铁路智能运输系统结构的复杂性、环境的 多样性、对象行为的多变性，构建系统结构分析及优化设计的理论和方法。本文 在前人研究铁路智能运输系统体系框架的基础上，重点突出系统的分布式、可扩 展性和容错性等特点，全面提出了一套铁路智能运输系统结构优化设计方法。 本章首先介绍了论文的选题背景，对国内外铁路智能运输系统的发展现状和 设计方法进行了综述，全面分析了铁路智能运输系统具有高维性、多目标性、规 模庞大、结构复杂等特点，总结了当前发展所面临的科学问题，指出现有的设计 方法难以满足系统鲁棒性、适应性及整体优化等要求，阐述了研究铁路智能运输 系统优化设计方法的迫切性和重要性。 1 1 铁路智能运输系统发展现状 1 1 1 铁路智能运输系统 目前我国铁路正面临着有史以米最深刎的变革和社会经济发展所提出的越 来越多样化和越来越复杂的需求引。原有的按业务划分的彼此孤立的信息系统难 以满足新的挑战和需求。而信息技术、网络技术、通信技术、传感技术以及智能 控制与决策技术等现代科学技术的飞速发展，为我国发展铁路智能运输系统提供 了可能。 铁路智能运输系统是智能运输系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i t s ) 的 重要组成部分。铁路智能运输系统( r a i l w a yi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s - r i t s ) 可定义为：集成了电子技术、计算机技术、现代通信技术、现代信息处理技术、 控制与系统技术、管理与决策支持技术和智能自动化技术等，以实现信息采集、 传输、处理和共享为基础，通过高效利用与铁路运输相关的所有移动、固定、空 间、时间和人力资源，以较低的成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管 理和提高服务质量为目标的新一代铁路运输系统2 1 3 1 。 1 1 2 国内外r l t s 发展现状 一、国外发展情况 尽管r i t s 的概念是近几年才产生的，但北美、西欧、日本等发达国家早在7 0 年代初就意识到依靠先进的信息技术、通信技术、智能技术保障铁路运输安全、 铁道科学研究院博士学f ? i 论文 提高铁路运输效率和服务质量的必要性，并在综合化的铁路运营管理、调度指挥、 列车控制、安全监控、智能化旅客信息服务、多式联运等方面进行了积极研究， 取得了令人瞩目的成果。 在铁路运输服务方面，典型的系统有：欧洲的轨道追踪系统，日本铁路的 e t r a i n 系统 4 1 ，联合国贸易与发展会议开发的基于电子商务模式的先进货物运送 系统( a c i s ) 1 5 1 等。 在增强铁路运输安全方面，日本、美国及欧洲一些发达国家投入了很大的人 力、物力，相继开展了紧急救援系统、铁路行车安全保障系统、防灾系统以及平 交道口安全系统的研究。比较典型的如日本新干线安装的列车运营管理系统 c o m t r a c 、c o s m o s 及新一代列车控制系统a t a c s l 6 1 等。 在营运管理方面，欧洲铁路运输管理系统e i 玎m s 很具代表性，建立了全欧洲 铁路网统一的铁路信号标准，并保证了各国列车在欧洲铁路网内的互通运营7 8 1 。 在行车控制方面，法国在1 9 8 6 年开发了连续实时列车监控系统( a s t r e e ) ， 使用最新数据处理和通信技术x , t y l j 车运行实施全面的监控【川1 1 叭。二l 本开发了新- i t 先进列车管理和通讯系统a t a c s 和计算机和无线电辅助列车控制系统c a r a i t ”1 等。北荚铁道卧会开发了先进的列车控制系统a t c s ，奖国在1 9 9 2 年就研制丌发 了计算机和无线电辅助列车控制系统( a r e s ) 以及先进的列车自动控制系统 ( a a t c ) 等f9 l 。 二、国内发展情况 我国铁路从8 0 年代末开始了大规模的信息化建设工作，先后建成了许多先进 的业务系统，其中较为典型的有：铁路运输管理信息系统( t m i s ) 、调度指挥管理 信息系统( d m i s ) 、车号自动识别系统( a t i s ) 、全路客票发售和预定系统( t r s ) 、 行车安全综合监控管理信息系统( s m i s ) 、铁路办公信息系统【l2 j 等。这些业务系 统起到了一定的提高效率、保障安全、提高服务水平的作用，为铁路信息化建设 奠定了一定的基础。 1 1 3r i t s 研究的热点问题 随着社会对铁路运输“高安全、高效率、高品质服务”要求的日益增长，我 国铁路运营规模逐步扩大，信息技术应用不断发展，r i t s 的规模越来越大，内容 越来越丰富，现象也越来越复杂【h l 。这种集底层控制、实时调度、运营管理、总 体优化于一体的多任务和多功能的综合信息系统，目前研究的热点主要集中在以 下几个方面【15 1 1 1 6 1 1 7 1 1 8 】【1 9 l ： 1 、针对r i t s 开放复杂大系统的特点，研究如何准确、全面描述r i t s 的内涵、 有机构成及定义系统整体框架结构的理论和方法： 铁道科学研究院膊上学f i 论文 2 、针对铁路运营特有的核心，关键业务流程( 过程) ，研究如何实现基于r i t s 的智能建模、优化及控制的理论、方法和技术： 3 、针对r i t s 的系统整合和可伸缩性可重构性要求，研究如何保障r i t s 实 现系统无缝集成的理论、方法和技术； 4 、针对铁路多源多维数据信息的共享和深层次应用，研究如何实现r i t s 中 具有多语义性、多时空性、多尺度性的海量、异域、异构数据间的信息融合、分 析处理及决策支持理论、方法和技术。 上述问题的研究涉及系统科学、信息工程、计算机科学、控制等许多学科领 域，目前已有一些文献从不同角度提出了些解决方法和理论【2 0 】【2 1 1 【2 2 1 【2 3 】。 1 2r i t s 设计方法研究现状 目前，我国铁路信息化建设中还存在着信息资源重复建设、难共享、分布不 合理等问题。由于各信息系统是不同业务部门根据各自需求独立发展起来的，各 系统m 的互通性和互操作性差大量的基础数据需各系统各自维护，难以宴现系 统删的信息共享和协作处理从总体上削弱了已有信息系统功能n 勺发挥，降低了 这些系统在实际应用中的效率和效益，严重阻碍了铁路智能化的捉商1 1 1 1 j 。山于系 统结构不合理，各子系统之间的数据梢联大严重影i i 向了r i t s 系统的总体性能和 生命周期。因此，研究对r t s 普遍适用的优化设计方法，使系统总体性能达到最 优，已成为r i t s 系统设计的一个重要课题。 r i t s 设计是系统开发过程中的重要阶段，它直接决定系统建设的成败。r i t s 设计内容相当广泛，广义上讲包括舰划、设计，实施、测试、评价等内容【2 9 l ；狭 义上讲，r i t s 设计的主要内容包括：确定和描述系统主要功能，功能在物理实体 或子系统上的配置方式，各子系统之川及其与外部环境之间的接口和信息流动， 以及信息流对通信的要求等。 1 2 1r i t s 设计的基本过程 p o t s 是复杂大型信息系统，在参阅有关文献资料 2 5 【2 8 1 ，并借鉴国外制定i t s 体系框架过程的基础上，本文提出t s 设计的一般过程，如图1 1 所示。 铁道科学研究院 尊j 二? f t 论文 战略计划 。! ! 。，一 需求分析 ，。! i ，一 总体结构设计 总 体 系 一 统 逻辑结构 研 一设让一 究 物理结构 _ 一。 设让- 1 。i 、，、。一 t 远行维护与巫新 1 。l j i 璺| 1 1r i t s 设计的墓本过胤 逐 个 子 系 统 开 发 实 现 从图中可以看出r i t s 设计可分为总体舰划研究和系统丌发实现两人阶段。第 一阶段为总体规划研究阶段，也可以称作系统体系结构( 或称作体系框架) 设计 阶段主要任务是制定r i t s 开发的战略计划、进行系统需求分析、系统总体结构 设计。第二阶段是系统开发实现阶段，即具体应用系统的开发。 第一阶段中总体结构设计的主要任务是进行总体逻辑结构、总体物理结构设 计等。其中逻辑结构设计的过程是对信息需求和处理过程的合理组织，是从系统 逻辑功能( 而不是具体的物理配置) 方面来保证系统结构的合理性、有效性。而 物理结构设计过程则是进行具体的资源配置。 现有信息系统开发方法在总体结构设计阶段主要是进行逻辑功能和软件结构 的设计，对物理系统的规划和设计未给予足够重视，其主要原因是由于实际物理 系统设计大多会受到管理体制、使用习惯等非技术因素的制约，使物理系统缺乏 设计空间；另一方面是由于物理系统涉及到较多优化因素和不同优化指标体系， 设计目标往往不明确，因而实际的物理系统往往是凭经验进行设计的。 铁道科学研究院博上4 7 位论文 1 2 2 智能运输系统设计的基本方法 r i t s 的分析和设计需要借助模型来完成。目前用于i t s 、r i t s 这类复杂信息 系统的建模方法主要有两种，即面向过程方法和面向对象方法1 2 8 1 。 一、面向过程的方法 面向过程方法也叫面向功能的方法，这类方法以系统基本功能( 过程) 作为 分析的基本单元，围绕着过程功能的实现来分析所需要的数据支持，并构造出信 息系统的结构，从而实现信息系统的设计。其中最有代表性的是结构化系统分析 ( s a ) 与结构化系统设计( s d ) 。此类方法从数据流的角度来刻画系统的功能， 采用白顶而下、逐步分解的方法对系统进行结构化分析，设计出与各类用户服务 相应的一系列结构相互独立、功能单一的功能模块。这些模块之间通过数据流来 实现相互联系，采用数据流图( d f d ) 描述该系统分析过程【2 5 l 。面向过程方法适 合于需求分析阶段的建模其优点是以功能为中心，结构清晰，易于理解和把握， 而且便于实际部署和实现：不利之处是功能和数据的分离会导致灵活性有些欠缺， 系统结构对功能的修改或扩展比较困难 2 4 1 。 二、面向对象的方法” 面向对象的丌发方法就是借鉴面向对象软件工程的方法，将完成系统功能的 组成部分抽象成具体实休、属性和行为能力的对象，将功能( 方法) 与数据( 属性) 封 装在一起通过对象之问的协同工作实现系统功能，采用统一建模语苦( u m l ) 及相应的丌发工具进行开发和表达。该方法适合于系统精确的功能需求已确立、 对内部逻辑进行细化阶段的建模，其优点是实现了功能与数据的统一，使对象之 间的依赖达到最小，具有较好的适应性及伸缩性。其缺点主要是过于抽象可理 解性较差。面向对