編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的需求模型與專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

羅 建，薛 鋒

（1．西華大學(xué) 交通與汽車(chē)工程學(xué)院，講師 博士，四川 成都 610039；2．西南交通 大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，講師 博士，四川 成都 610031）

編組站智能調(diào)度系統(tǒng)（YIDS）是將信息、通信、控制和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)集成應(yīng)用于編組站調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的智能調(diào)度指揮決策。隨著鐵路信息化的發(fā)展，控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在鐵路編組站運(yùn)輸生產(chǎn)管理中的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，智能化程度進(jìn)一步提高，推動(dòng)了鐵路運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)進(jìn)步和管理現(xiàn)代化。

我國(guó)對(duì)編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)90年代，主要有計(jì)劃模擬法、數(shù)學(xué)模型法等。比如，文獻(xiàn)［1］采用系統(tǒng)工程的方法，分析了編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其主要功能，為編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展提供了有益的參考和借鑒。文獻(xiàn)［2］提出了以列車(chē)配流為主線(xiàn)，通過(guò)構(gòu)造局部區(qū)域優(yōu)化問(wèn)題實(shí)現(xiàn)解體、編組方案優(yōu)化的高效啟發(fā)式算法，為編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的核心問(wèn)題，即編組站作業(yè)計(jì)劃輔助決策系統(tǒng)的研究奠定了算法基礎(chǔ)。

編組站智能調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性比較強(qiáng)的復(fù)雜系統(tǒng)，許多因素都難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)，而基于人類(lèi)專(zhuān)家知識(shí)的專(zhuān)家系統(tǒng)有效地集精確控制與經(jīng)驗(yàn)控制于一身，配合統(tǒng)計(jì)模型、仿真技術(shù)及數(shù)學(xué)模型等工具［3］，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的智能調(diào)度決策支持。編組站智能調(diào)度系統(tǒng)作為人工智能應(yīng)用性比較強(qiáng)的一個(gè)領(lǐng)域，首先需要對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析。系統(tǒng)需求分析闡述系統(tǒng)的功能及其特性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是系統(tǒng)規(guī)劃的核心。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 用戶(hù)需求描述 需求分析是調(diào)查用戶(hù)對(duì)新開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的需要和需求，結(jié)合組織目標(biāo)、業(yè)務(wù)現(xiàn)狀、技術(shù)水平和實(shí)力等因素，對(duì)用戶(hù)提出的需求從系統(tǒng)目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、功能等方面進(jìn)行深入細(xì)致的分析，確定出全面、合理和可行的系統(tǒng)需求，并建立需求模型［4］。

編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的用戶(hù)是一個(gè)群體，可根據(jù)他們的工作性質(zhì)與業(yè)務(wù)責(zé)任分為各種角色，然后從角色獲取需求（從使用者的要求獲取需求）。這就首先需要分析用戶(hù)，并將他們識(shí)別為幾個(gè)類(lèi)型的使用者（角色），然后對(duì)每個(gè)角色的工作性質(zhì)進(jìn)行分析，最后總結(jié)出各角色的需要。編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的用戶(hù)主要是編組站各作業(yè)崗位人員及路內(nèi)相關(guān)部門(mén)，主要有值班站長(zhǎng)、上下行站調(diào)、機(jī)調(diào)、車(chē)號(hào)員、車(chē)站值班員、調(diào)車(chē)區(qū)長(zhǎng)、調(diào)車(chē)員，此外還有系統(tǒng)管理人員。只有明確用戶(hù)的需求才能清楚各角色之間的相互關(guān)系，才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析工作。根據(jù)編組站各作業(yè)崗位人員的服務(wù)要求，可初步確定YIDS需求圖。YIDS需求圖定義系統(tǒng)的邊界如圖1所示。

圖1 編組站智能調(diào)度系統(tǒng)需求圖

1.2 YIDS層次劃分 針對(duì)編組站各作業(yè)崗位和與編組站相關(guān)的其它路內(nèi)用戶(hù)對(duì)編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的要求，編組站YIDS按功能可分解為決策層、管理層、調(diào)度層和監(jiān)控層4個(gè)層次（見(jiàn)圖2）。

圖2 編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的功能層次

決策層主要指編組站調(diào)度指揮決策系統(tǒng)，根據(jù)編組站和路局調(diào)度所管理信息系統(tǒng)信息制定調(diào)度計(jì)劃與決策支持；管理層為編組站運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)，根據(jù)調(diào)度計(jì)劃組織運(yùn)輸生產(chǎn)；調(diào)度層為運(yùn)輸生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，主要是依據(jù)作業(yè)計(jì)劃和實(shí)際情況形成調(diào)度命令，保持運(yùn)輸生產(chǎn)的有效性并及時(shí)處理突發(fā)事件；監(jiān)控層主要監(jiān)控控制系統(tǒng)，使其處于正常工作狀態(tài)，保障信息處理的暢通，維護(hù)數(shù)據(jù)安全。

1.3 功能描述 編組站智能調(diào)度系統(tǒng)集成了目前編組站調(diào)度信息處理系統(tǒng)的所有功能，并擴(kuò)展到適時(shí)與過(guò)程控制系統(tǒng)交換信息；繼續(xù)擴(kuò)展到外層主要是生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)，這樣有機(jī)的結(jié)合可使編組站能夠有效調(diào)整各種資源，使列車(chē)的“加工”效益最大化。

1.3.1 智能化的調(diào)度決策支持 采用優(yōu)化決策、人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)等方法，提供站內(nèi)調(diào)車(chē)機(jī)、線(xiàn)路與走行徑路等資源的合理分配與優(yōu)化使用方案，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)車(chē)站班計(jì)劃、階段計(jì)劃、車(chē)流推算、調(diào)車(chē)計(jì)劃、本務(wù)機(jī)折返和調(diào)車(chē)機(jī)調(diào)動(dòng)等計(jì)劃的自動(dòng)編制；同時(shí)，隨著執(zhí)行過(guò)程的自動(dòng)反饋，動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整各計(jì)劃以適應(yīng)當(dāng)前情形，從而真正實(shí)現(xiàn)調(diào)度決策指揮自動(dòng)化［5］。

1.3.2 多層次及全方位的信息管理 多層次、全方位的信息包括車(chē)站技術(shù)作業(yè)信息、貨運(yùn)作業(yè)信息、列車(chē)信息、本務(wù)機(jī)信息、車(chē)號(hào)信息、車(chē)輛與現(xiàn)車(chē)信息、調(diào)車(chē)機(jī)和調(diào)車(chē)作業(yè)信息管理。通過(guò)車(chē)站聯(lián)鎖系統(tǒng)和駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)，自動(dòng)獲得車(chē)輛的動(dòng)態(tài)跟蹤和作業(yè)實(shí)跡的透明記載，實(shí)現(xiàn)信息流與車(chē)流的同步。編組站YIDS的核心是數(shù)據(jù)整合、信息集成，除了列車(chē)、車(chē)輛、計(jì)劃、進(jìn)路等數(shù)據(jù)外，信息平臺(tái)上還可以集成車(chē)號(hào)識(shí)別、燃軸、監(jiān)測(cè)、環(huán)控、電源及圖像監(jiān)視等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享。

1.3.3 安全可靠的自動(dòng)控制 采用智能優(yōu)化技術(shù)以及先進(jìn)的衛(wèi)星遙控和信息通訊技術(shù)，對(duì)各種列車(chē)在編組站的到、解、集、編、發(fā)等作業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制和集中管理，完成作業(yè)計(jì)劃的自動(dòng)編制［6］。包括編組站作業(yè)的智能控制，駝峰機(jī)車(chē)推送速度和溜放速度的智能控制，車(chē)輛溜放進(jìn)路及到達(dá)、出發(fā)、調(diào)車(chē)作業(yè)進(jìn)路的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)車(chē)作業(yè)的智能化。

1.3.4 響應(yīng)及時(shí)的應(yīng)急指揮 建立緊急事件信息庫(kù)，通過(guò)智能化分析，提供緊急事件處理方案的輔助決策支持，使用各種輸出功能進(jìn)行資源的合理調(diào)配，避免發(fā)生事故，減少不必要的損失。

2 需求模型的建立

2.1 YIDS的需求結(jié)構(gòu) 從編組站智能調(diào)度系統(tǒng)用戶(hù)的需要及各種希望中分析、抽象、綜合，提煉出用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的真正需求，并用規(guī)范的描述方法正確、全面地記錄成文檔，就成為需求模型。需求模型的建立是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程的基礎(chǔ)，是最重要的邏輯工程，在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中是最難的。需求結(jié)構(gòu)是按照系統(tǒng)目標(biāo)、功能和需求的相關(guān)性，從總體上把系統(tǒng)的需求劃分為若干個(gè)需求包，由這些需求包相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成信息系統(tǒng)的需求結(jié)構(gòu)。編組站智能調(diào)度系統(tǒng)的需求結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 用例需求模型 需求模型的描述一般多用自然語(yǔ)言（或結(jié)構(gòu)語(yǔ)言）加上圖形描述。目前“用例圖”是相對(duì)較好的描述方法，越來(lái)越多地被采用，逐漸成為一種規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的描述方法。用戶(hù)需求是系統(tǒng)功能的主要來(lái)源，用例分析是進(jìn)行功能分析的主要手段。在功能分析過(guò)程中，需要參考在業(yè)務(wù)分析中建立起來(lái)的組織功能模型，功能分析的結(jié)果可以用系統(tǒng)功能模型來(lái)描述。解編作業(yè)功能模塊是智能調(diào)度系統(tǒng)的核心模塊，以此為例對(duì)它的用例需求描述如圖4所示。

圖3 編組站智能調(diào)度系統(tǒng)需求結(jié)構(gòu)

圖4 解編作業(yè)分解功能用例需求模型

橢圓表示的是“用例”，每個(gè)“用例”概括地表示了功能。每個(gè)用例還可進(jìn)一步的描述，即對(duì)“用例”下一層的描述。小人型表示的是“角色”。用例的功能可由一組相互關(guān)聯(lián)的活動(dòng)描述。即每個(gè)用例都可關(guān)聯(lián)相應(yīng)的“活動(dòng)圖”，在活動(dòng)圖中對(duì)用例的活動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的描述。

3 YIDS專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 智能調(diào)度決策支持專(zhuān)家系統(tǒng) 將專(zhuān)家系統(tǒng)、人工智能技術(shù)與決策支持系統(tǒng)相結(jié)合，用于輔助支持調(diào)度決策，具有判斷、推理和學(xué)習(xí)等智能行為的人機(jī)交互集成系統(tǒng)。主要體現(xiàn)在：原理上基于知識(shí)；功能上具有判斷能力、推理能力和學(xué)習(xí)能力［1］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括知識(shí)獲取設(shè)備、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)、推理機(jī)構(gòu)及相應(yīng)用戶(hù)接口如圖5所示。

圖5 專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)是專(zhuān)家系統(tǒng)的核心，其完善程度決定了整個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)的水平。知識(shí)庫(kù)主要用于存放編組站智能調(diào)度所需的規(guī)則、事實(shí)、模型等專(zhuān)家知識(shí)。它將專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)生式規(guī)則并存儲(chǔ)于知識(shí)庫(kù)中，系統(tǒng)可以通過(guò)智能算法歸納出新的調(diào)度規(guī)則，并不斷擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)內(nèi)容，使知識(shí)庫(kù)具有自學(xué)習(xí)能力。知識(shí)庫(kù)通過(guò)管理模塊與用戶(hù)接口連接，主要用于對(duì)知識(shí)條目的查詢(xún)、檢索、刪除、修改和擴(kuò)充等操作。隨著專(zhuān)家系統(tǒng)的應(yīng)用，用戶(hù)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的一些不足或缺陷，也將不斷地總結(jié)新的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)應(yīng)為用戶(hù)提供接口，使用戶(hù)能夠?qū)⑦@些新知識(shí)方便地補(bǔ)充到知識(shí)庫(kù)中，并與原有知識(shí)保持一致性，從而使專(zhuān)家系統(tǒng)日臻完善。

3.3 專(zhuān)家系統(tǒng)的推理機(jī)制 推理機(jī)是一個(gè)知識(shí)運(yùn)用模塊，針對(duì)不同的任務(wù)采用不同的推理機(jī)制。在編組站調(diào)度過(guò)程中，可能會(huì)有2個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間內(nèi)發(fā)生，這就需要推理機(jī)對(duì)一系列并發(fā)事件同時(shí)進(jìn)行推理活動(dòng)組合，然后系統(tǒng)依據(jù)權(quán)重大小或先后順序取出執(zhí)行，并從知識(shí)源中取出吻合事實(shí)的法則，供編組站決策者參考。在采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專(zhuān)家系統(tǒng)并行結(jié)構(gòu)的智能決策支持系統(tǒng)中，專(zhuān)家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可獨(dú)立進(jìn)行推理，在專(zhuān)家系統(tǒng)沒(méi)有足夠的規(guī)則對(duì)所提出的問(wèn)題進(jìn)行推理的時(shí)候，或者獲取的編組站車(chē)場(chǎng)及現(xiàn)車(chē)信息不足以啟動(dòng)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行推理的情況下，專(zhuān)家系統(tǒng)將此類(lèi)問(wèn)題與當(dāng)前的狀態(tài)信息提交給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理。

4 結(jié)束語(yǔ)

編組站智能調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)，在對(duì)其規(guī)劃時(shí)，需要在進(jìn)行充分調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行需求分析，進(jìn)一步明確系統(tǒng)應(yīng)具備的功能及目標(biāo)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于編組站作業(yè)崗位的整合，保證系統(tǒng)規(guī)劃的有序性。編組站智能調(diào)度系統(tǒng)智能化的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于高效的算法和人工智能技術(shù)的引入，兩者相結(jié)合才能優(yōu)化編組站的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)信息資源的集成管理，這也是編組站現(xiàn)代化發(fā)展的方向。

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