基于結構熵的調度命令有序度評價

莊 河，文萃雯，馮麗萍，文 超,4

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基于結構熵的調度命令有序度評價

莊 河1，文萃雯2，馮麗萍3，文 超2,4

（1. 中國鐵路武漢局集團有限公司，武漢 430071；2. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 610031； 3. 山東交通學院，軌道交通學院，濟南 250357；4. 滑鐵盧大學，土木與環(huán)境工程系，滑鐵盧：N2L 3G1）

鐵路調度命令的有序度直接決定鐵路運輸任務能否安全有序地完成，已有鐵路安全監(jiān)控系統(tǒng)大多關注局部功能，缺乏整體調度安全性評估。論文分析調度命令形成過程中的信息交互流程，考慮時效性和通信質量兩個方面，基于結構熵理論建立調度命令有序度的評價模型。該模型涵蓋了系統(tǒng)組織結構的靜態(tài)穩(wěn)定性和實現(xiàn)過程的動態(tài)性指標，并將其作為不同情景下調度命令有序度的評價標準。最后以臨時限速調度命令的形成、傳輸、執(zhí)行過程為例計算調度命令的有序度,算例結果表明目前臨時限速調度命令的信息交互過程是相對有序的。

調度命令；結構熵；臨時限速；評價指標

0 引 言

鐵路調度指揮系統(tǒng)具有內部組成單元數(shù)量巨大、同層級以及不同層級之間的信息交互關系復雜、信息交互內容多樣等特征[1]。此外，隨著信息技術和計算機技術的不斷發(fā)展，鐵路調度系統(tǒng)伴隨著新技術發(fā)展而不斷更新[2]。系統(tǒng)進化加劇了鐵路調度系統(tǒng)內部信息交互過程的復雜性，同時對調度指揮系統(tǒng)信息交互安全提出了更高的要求。調度命令作為鐵路調度系統(tǒng)對系統(tǒng)內固定設備、移動設備等資源統(tǒng)籌利用計劃的最終表現(xiàn)形式，其安全可信度直接影響鐵路運輸任務能否安全有序地完成[3,4]。因此，對鐵路調度指揮系統(tǒng)中調度命令的安全有序度進行實時評價是十分必要的。

熵作為描述系統(tǒng)無序度的重要概念在系統(tǒng)狀態(tài)評價方面具有顯著的研究成果[5,6]。其中，結構熵是從系統(tǒng)結構的角度出發(fā)論證系統(tǒng)組織化程度與系統(tǒng)有序度之間的辯證關系[7-9]。系統(tǒng)結構的有序度常用來定義系統(tǒng)組織化程度，調度命令的有序度綜合考慮了信息傳遞的時效性和準確度，即時效和質量。根據(jù)負熵理論，調度指揮系統(tǒng)對鐵路系統(tǒng)內有限資源的調配作為外界負熵流，保證了鐵路系統(tǒng)有序化而非熵增不穩(wěn)定狀態(tài)。

考慮到調度系統(tǒng)本身信息交互的依賴性和傳遞性，相對于通過安全監(jiān)測系統(tǒng)對固定設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控來保證系統(tǒng)安全有序，本文從信息交互路徑和內容出發(fā)基于結構熵對調度命令生成過程的安全有序程度進行實時評價，用于指導調度命令安全有序的生成、下達和執(zhí)行。

1 調度命令有序度評價指標

系統(tǒng)熵越大，系統(tǒng)越混亂無序，系統(tǒng)有序度越小。反之，系統(tǒng)有序度越高，系統(tǒng)越安全穩(wěn)定。

從信息論的角度來講，任意一條信息都包括信源、信宿和信息內容三部分。鐵路調度指揮系統(tǒng)中，調度命令的生成、下達及執(zhí)行過程伴隨著大量的信息交互。一次安全有效的信息交互對信息的時效性和準確性具有嚴格的要求[10]，因此，調度命令有序度的評價主要從時效性和通信質量兩個角度出發(fā)，并根據(jù)不同的系統(tǒng)對時效性和準確性的不同要求，加權得到系統(tǒng)整體的有序度如下：

1.1 時效性指標

系統(tǒng)時效結構熵為：

系統(tǒng)時效有序度為：

1.2 質量指標

系統(tǒng)內某一節(jié)點作為信源向其他節(jié)點發(fā)送信息包，當相應信宿節(jié)點在約定時間內收到的信息包與信源節(jié)點發(fā)出的信息包完全一致時，稱這一信息包傳送是準確無誤的[11]。相應的，本文以質量結構熵評價系統(tǒng)內信息傳輸質量。

（11）

根據(jù)兩種質量熵評價方法出發(fā)點的不同可以看出，第一種動態(tài)質量熵可用于系統(tǒng)使用過程中的實時有序度評價，第二種質量結構熵則主要是從系統(tǒng)靜態(tài)結構的角度出發(fā)，可用于系統(tǒng)重建、組織流程優(yōu)化完成后的方案比選。

1.3 評價標準

為了減小系統(tǒng)結構設計本身對評價指標計算結果的影響，根據(jù)評價目的制定評價標準如下：若用于組織流程優(yōu)化效果評價，設優(yōu)化前系統(tǒng)結構有序度為bR，優(yōu)化后系統(tǒng)結構有序度為aR，則該優(yōu)化方案的有序程度提高率1η為：

2 算 例

考慮到鐵路調度指揮系統(tǒng)涉及數(shù)量巨大的組成單元且具有較為復雜的信息交互關系，而臨時限速調度命令的管理過程相對獨立，論文以臨時限速調度命令的生成、下達和執(zhí)行過程為例（如圖1所示），計算該過程的信息交互有序度。算例涉及臨時限速服務器中已經(jīng)存儲的計劃性臨時限速以及行車調度臨時擬定的非計劃性臨時限速，操作對象主要有包括行調在內的CTC行調臺、臨時限速操作終端、限速服務器、RBC、TCC和車載設備等六個對象節(jié)點，涵蓋了臨時限速調度命令的擬定、執(zhí)行和取消三個階段。將這幾個操作對象抽象為節(jié)點，對象間的信息交互關系抽象為有向連接關系，并根據(jù)前文中的計算公式得到該系統(tǒng)的時效有序度1和質量有序度2，如表1所示。表中的“取值”依次為臨時限速調度命令相關節(jié)點間的包含信息量，“概率”為相關信息量占信息總量的比值。

圖1 臨時限速調度命令流程圖

表1 調度命令有序度

Tab.1 Order degree of dispatching commands

備注：為簡化表格將六個主要設備分別編號，與圖1中的圖示相對應。

3 結 論

目前鐵路安全監(jiān)控技術及設備多處于局部產(chǎn)品的單獨應用階段，并未形成標準化、規(guī)范化的產(chǎn)品，而鐵路系統(tǒng)內列車運行控制、調度指揮、運營管理、維修養(yǎng)護等相互融合，各子系統(tǒng)內及子系統(tǒng)間信息交互越來越頻繁。從信息交互流程的角度出發(fā)將各子系統(tǒng)及各子系統(tǒng)內的操作單元按照問題規(guī)模及粒度串聯(lián)起來形成一個相對獨立、完整的研究對象，既能保證問題研究的完整性同時又可以在更宏觀的角度發(fā)現(xiàn)新的問題。結構熵作為從系統(tǒng)組織結構的角度探討系統(tǒng)不確定性的指標，從時效性和質量兩個角度探討系統(tǒng)有序度。其中針對質量結構熵，論文從靜態(tài)結構和動態(tài)實現(xiàn)兩方面分別提出了計算公式及應用領域。以臨時限速調度命令的管理過程為例進行了應用，計算得到目前理想狀態(tài)下我國鐵路臨時限速調度命令管理的有序度為0.68，是相對穩(wěn)定有序的。

在下一步的研究中，主要從以下兩個方面展開：一是調度命令形成過程涉及的對象及其信息交互關系的抽象化處理及有序度評價的編程實現(xiàn)，二是調度命令有序度實時評價與現(xiàn)有安全監(jiān)控技術的融合。

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（中文編輯：劉娉婷）

Order Degree Evaluation of Dispatching Command Using Structural Entropy

ZHUANG He1，WEN Cui-wen2，F(xiàn)ENG Li-ping3，WEN Chao2,4

(1. China Railway Wuhan Group Co.,Ltd., Wuhan 430071, China;2. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. School of Rail Transit, Shandong Jiaotong University, Ji’nan 250357, China;4. Department of Civil & Environmental Engineering, University of Waterloo, Waterloo N2L 3G1, Canada)

The order degrees of train dispatching commands determine whether the transportation goals can be realized safely and orderly. The existing railway safety monitor system mostly focused on partial functions, and there is lack of integrity evaluating of train dispatching safety. In this paper, information interactions among the formation of train dispatching commands were analyzed, and an order degree evaluation model of dispatching command was established using structural entropy, considering both the timeliness and communication qualities. This model took the indexes of static system structural stability and dynamic performance of the implementation process as the main evaluation criterion for evaluating of order degrees of train dispatching commands under different scenarios. Finally, the processes of formation, transition, and execution of temporal speed restriction dispatching commands were studied as examples, whose results show that the current information interactions of temporal speed restriction dispatching commands have a relative good order degree.

dispatching command; structural entropy; temporary speed restriction; evaluate indexes

1672-4747（2018）02-0009-05

U298.1

A

2017-04-20

國家重點研發(fā)計劃（2017YFB1200701）；國家自然科學基金（61503311）；中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃（2016X008-J）

莊河（1968—），男，江蘇常州人，漢族，提高待遇高級工程師，中國鐵路武漢局集團有限公司總經(jīng)理。

文超（1984—），男，漢族，工學博士，副教授，碩士生導師，研究方向為鐵路行車組織優(yōu)化。

莊河，文萃雯，馮麗萍，等. 基于結構熵的調度命令有序度評價[J]. 交通運輸工程與信息學報，2018, 16(2): 9-13.

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.02.002