鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)的研究

趙隨海

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081)

1 概述

《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出加強(qiáng)鐵路行業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)、加大數(shù)據(jù)分析和研發(fā)力度、大力推進(jìn)數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用的鐵路信息化發(fā)展方向，有效提升了運(yùn)輸指揮決策的科學(xué)性[1]。如何高效分析并利用我國鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)的列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)中隱含的信息，為鐵路運(yùn)輸管理層的科學(xué)決策和調(diào)度指揮的智能化提供決策支持，成為目前亟需解決的問題。

TDCS的列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)具有海量化、多維化、地域化以及網(wǎng)絡(luò)化的特征，是典型的大數(shù)據(jù)[2]。目前，國內(nèi)對列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要集中在列車及設(shè)備狀態(tài)的歷史復(fù)現(xiàn)、行車信息結(jié)果查詢、晚點(diǎn)分析等方面，而對列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的研究較少。劉巖等[3]通過研究京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)一個半月的列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)，從區(qū)間運(yùn)行時分、列車停站時間與列車晚點(diǎn)之間的關(guān)系出發(fā)，闡述了列車運(yùn)行實(shí)績大數(shù)據(jù)分析對調(diào)度指揮工作的輔助作用；莊河等[4]基于武廣高速鐵路(武漢—廣州南)列車運(yùn)行實(shí)績，研究了不同致因情況下初始晚點(diǎn)的時長分布模型，為高速鐵路調(diào)度指揮實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

TDCS在結(jié)構(gòu)上采用中國鐵路總公司、鐵路局集團(tuán)公司、車站的3層結(jié)構(gòu)，通過專用網(wǎng)絡(luò)通道和數(shù)傳設(shè)備實(shí)現(xiàn)了調(diào)度指揮信息的共享。從信息流方面可將TDCS劃分為指揮層和采集層2層結(jié)構(gòu)。指揮層通過運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)(TDMS)接口獲得日班計(jì)劃、列車編組和現(xiàn)車信息等，承擔(dān)了列車調(diào)度、計(jì)劃管理、綜合施工調(diào)度等功能；采集層實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備狀態(tài)的采集，獲取實(shí)時的、完整的信號設(shè)備和列車運(yùn)行的狀態(tài)，是指揮層列車運(yùn)行計(jì)劃兌現(xiàn)情況的真實(shí)反映。TDCS經(jīng)過近些年不斷的發(fā)展和完善，在立足于生產(chǎn)安全，注重于信息的實(shí)時性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，逐步積累了大量的列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)。

因此，為推進(jìn)鐵路信息化的發(fā)展，強(qiáng)化數(shù)據(jù)資源的開發(fā)利用，迫切需要在滿足鐵路運(yùn)輸管理需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套完整的，集合數(shù)據(jù)采集、分析、展現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的匯總、分析和決策支持等方面的應(yīng)用。數(shù)據(jù)倉庫作為一個“面向主題的、集成的、穩(wěn)定的、反應(yīng)時間變化的、用于支持管理決策的數(shù)據(jù)集合”[5-10]，恰能滿足列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)多維度、深層次的分析需求[11]。通過網(wǎng)絡(luò)匯總方式將分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行加載、清洗，以標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式加載到數(shù)據(jù)倉庫，向鐵路運(yùn)輸管理層提供相應(yīng)的決策支持。

綜上所述，分析列車運(yùn)行實(shí)績的組成和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究TDCS數(shù)據(jù)倉庫的體系結(jié)構(gòu)，規(guī)劃數(shù)據(jù)的組織方式，基于需求分析劃分維度，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)倉庫模型，從多維度對行車作業(yè)過程和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評估。借助聯(lián)機(jī)分析處理(OLAP)等數(shù)據(jù)分析工具，向鐵路運(yùn)輸管理層提供具有針對性的決策支持，必然對鐵路運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)管理和決策支持提供重要的數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2 鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)

通過對鐵路列車調(diào)度指揮生產(chǎn)作業(yè)過程的研究以及行車作業(yè)管理崗位業(yè)務(wù)的需求分析，構(gòu)建TDCS數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)。鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，TDCS數(shù)據(jù)倉庫的體系結(jié)構(gòu)主要包括4個層次，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)服務(wù)層，業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層。

圖1 鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of the data warehouse of TDCS

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的采集，預(yù)處理，提取、轉(zhuǎn)換、加載(Extraction，Transformation，Load，ETL )等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的匯總，合成為宏觀管理數(shù)據(jù)的過程。TDCS數(shù)據(jù)倉庫采集的數(shù)據(jù)包括靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動態(tài)生產(chǎn)運(yùn)作數(shù)據(jù)和行車作業(yè)操作事件數(shù)據(jù)?；赥DCS數(shù)據(jù)的多源性，在數(shù)據(jù)采集過程中，通過構(gòu)建操作數(shù)據(jù)系統(tǒng)(ODS)，實(shí)現(xiàn)對分布于不同區(qū)域數(shù)據(jù)的抽取和轉(zhuǎn)化，摘取有效數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、類型固定的數(shù)據(jù)，再加載到數(shù)據(jù)倉庫中，以均衡數(shù)據(jù)倉庫加載、轉(zhuǎn)換、匯總數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。

（1）靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組織。TDCS數(shù)據(jù)倉庫首先要構(gòu)造完整的生產(chǎn)運(yùn)作環(huán)境，包括靜態(tài)站場的描述信息(線路參數(shù)、公里標(biāo)、允許速度、橋梁、坡度、曲率半徑、隧道)，列車基本編組信息(型號、換算長度、計(jì)算重量、速度參數(shù)、性能參數(shù))，列車運(yùn)行圖(基本圖、日班計(jì)劃、作業(yè)信息)等。目前，TDCS已經(jīng)建立了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)需求分布于不同的子系統(tǒng)中。因此，TDCS數(shù)據(jù)倉庫要將分散的靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行匯總、擴(kuò)充和細(xì)化，建立完整的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)字典。

（2）列車運(yùn)行實(shí)績的采集。生產(chǎn)運(yùn)作數(shù)據(jù)是TDCS數(shù)據(jù)倉庫的主要數(shù)據(jù)來源，是進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析和預(yù)測的核心數(shù)據(jù)。生產(chǎn)運(yùn)作數(shù)據(jù)可分為基于時間序列的列車和信號狀態(tài)數(shù)據(jù)及行車作業(yè)過程數(shù)據(jù)。列車狀態(tài)數(shù)據(jù)描述在某一時刻列車的運(yùn)行狀態(tài)(位置、速度、編組等)，信號設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)描述某一時刻信號設(shè)備的狀態(tài)(空閑、鎖閉、占用等)，行車作業(yè)過程數(shù)據(jù)描述行車作業(yè)人員接發(fā)列車作業(yè)的過程，如列車到發(fā)時間、接發(fā)列車順序、接車股道等的變更過程。

（3）行車作業(yè)操作數(shù)據(jù)。行車作業(yè)操作數(shù)據(jù)描述行車作業(yè)人員的操作事件、作業(yè)過程等，是對行車指揮人員動作的記錄，是體現(xiàn)調(diào)度指揮人員作業(yè)效率、行車組織能力的重要數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層層以提取匯總的采集層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照不同的維度組織數(shù)據(jù)，構(gòu)建星型模型數(shù)據(jù)集，是數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)的核心。通過對列車

圖2 鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫實(shí)體關(guān)系模型Fig.2 Relationship model of entity of the data warehouse of TDCS

由圖2所表示的實(shí)體和關(guān)系模型可知，管理人員與調(diào)度指揮人員是一對多的關(guān)系，而調(diào)度指揮人員與設(shè)備是多對多的關(guān)系。TDCS數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)以列車運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)度指揮人員的操作事件所反映的列車運(yùn)行實(shí)績?yōu)橹黝}，分析調(diào)度指揮人員和行車設(shè)備兩個實(shí)體。

（2）維度表的建立。維度是分析問題的角度，可概括為對主題所屬類型的描述。鐵路調(diào)度指揮管理層對行車作業(yè)人員調(diào)度指揮能力的考察通常是多方面的，如按時間段、站段、車站、列車、早晚點(diǎn)、線路、計(jì)劃兌現(xiàn)率、自動化率等考察。列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)在本質(zhì)上是多維的，通過對不同維度的描述，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)倉庫的維度表。

（3）事實(shí)表的建立。列車運(yùn)行實(shí)績是對行車作業(yè)和列車運(yùn)行事實(shí)的描述，是事實(shí)表數(shù)據(jù)的來源。事實(shí)表存儲的是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聚合后的信息，既包括數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，也包括數(shù)據(jù)匯總分析后的度量結(jié)果，是基于某一維度度量的結(jié)果表。不同的維度需要建立不同的事實(shí)表。TDCS業(yè)務(wù)的度量分析包括作業(yè)類型、晚點(diǎn)數(shù)、設(shè)備利用率、進(jìn)路辦理方式、股道運(yùn)用等。

（4）星型模型的建立。星型模型一個主題的不同維度構(gòu)成事實(shí)表的不同列，以事實(shí)表為中心，不同維度為角，通過維度的鍵值與事實(shí)表相連接，調(diào)度指揮管理崗位的需求分析，簡化業(yè)務(wù)流程，分析系統(tǒng)的實(shí)體關(guān)系模型，確定TDCS數(shù)據(jù)倉庫的概念模型。分析列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)，確定管理崗位與數(shù)據(jù)之間的映射管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)倉庫的維度劃分，設(shè)計(jì)星型模型的TDCS數(shù)據(jù)倉庫模型。

（1）概念模型。我國鐵路列車調(diào)度指揮采用行車單一指揮的原則[12]，在滿足基本的、方向性需求的基礎(chǔ)上，可將TDCS數(shù)據(jù)倉庫面向的實(shí)體概括為行車管理人員、調(diào)度指揮人員和行車設(shè)備(包括信號設(shè)備和列車等)。鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫實(shí)體關(guān)系模型如圖2所示。形成一種類似星形的視覺形狀。TDCS數(shù)據(jù)倉庫可按照時間、作業(yè)人員、車次、早晚點(diǎn)、車站和運(yùn)行屬性等維度進(jìn)行描述。鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫星型模型示意圖如圖3所示。

圖3 鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫星型模型示意圖Fig.3 Star model sketch diagram of the data warehouse of TDCS

2.3 業(yè)務(wù)邏輯層

TDCS數(shù)據(jù)倉庫基于多維模型設(shè)計(jì)的星型結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)查詢、數(shù)據(jù)挖掘和分析等功能，能向調(diào)度指揮管理層提供更復(fù)雜的查詢方案，是業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行更深層次的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)研究和智能調(diào)度等應(yīng)用的基礎(chǔ)。

TDCS數(shù)據(jù)倉庫在業(yè)務(wù)邏輯層應(yīng)循序漸進(jìn)，逐步挖掘數(shù)據(jù)的可用信息，實(shí)現(xiàn)不同層次的數(shù)據(jù)分析，向調(diào)度指揮管理層提供針對性的決策支持。首先，充分研究列車運(yùn)行過程和調(diào)度指揮管理層的需求，基于數(shù)據(jù)倉庫中已有的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總和不同類型的報(bào)表展現(xiàn)；其次，建立列車運(yùn)行實(shí)績的數(shù)據(jù)立方體(CUBE)，通過數(shù)據(jù)立方體的旋轉(zhuǎn)、時間維的切片，以及基于維度的上卷、下鉆等操作，從不同的維度進(jìn)行列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的分析和度量，展現(xiàn)給調(diào)度指揮管理層；最后，進(jìn)行更深層次的數(shù)據(jù)挖掘，建立數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型，探索列車運(yùn)行過程和行車指揮的內(nèi)在規(guī)律，開發(fā)智能調(diào)度方面的應(yīng)用。

2.4 應(yīng)用層

建立TDCS數(shù)據(jù)倉庫的目的是向鐵路運(yùn)輸管理層提供列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)和決策支持，應(yīng)用層通過圖表和相關(guān)的應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)展現(xiàn)。因此，在應(yīng)用層數(shù)據(jù)展現(xiàn)方面也應(yīng)遵循由簡到繁、逐步開發(fā)的過程。首先，可利用已有的商業(yè)工具，采用無需編程的報(bào)表制作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和展現(xiàn)。其次，根據(jù)運(yùn)輸管理的需求，開發(fā)基于Server/Client的專用軟件，以可視化程度高的圖形方式進(jìn)行特定數(shù)據(jù)的展現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)基于用戶特征和身份認(rèn)證的數(shù)據(jù)展現(xiàn)分類，針對用戶特征提供針對性的決策支持。最后，在確保數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)基于Web服務(wù)和移動終端App應(yīng)用軟件，擴(kuò)展數(shù)據(jù)共享范圍和數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景。

3 結(jié)束語

TDCS數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)的研究，分析了列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲和應(yīng)用，從多維度對列車運(yùn)行實(shí)績數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建星型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)倉庫模型，并提出數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和場景應(yīng)用，為鐵路運(yùn)輸?shù)男畔⒒椭悄芑l(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。鐵路調(diào)度指揮涉及的專業(yè)、部門眾多，各系統(tǒng)之間的信息交換仍然需要進(jìn)一步完善。因此，TDCS數(shù)據(jù)倉庫的建設(shè)應(yīng)循序漸進(jìn)，逐步分析并完善用戶需求，面向不同的主題分步建模與實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)與其他專業(yè)調(diào)度的數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌規(guī)劃，深入挖掘數(shù)據(jù)分析，探索有價(jià)值的信息，最終形成完整的數(shù)據(jù)倉庫。