编组站综合自动化系统作业效率与自动化水平研究

甘 露 姚宇峰

编组站综合自动化是编组站行车指挥领域的新型技术装备。在该系统出现之初，众多用户对该系统的价值存在质疑，提出与其研究编组站综合自动化，不如在编组站使用CTC系统或是改进驼峰自动化系统功能。经过近些年的推广和应用，业界逐步认识到编组站综合自动化系统不可替代的作用。

编组站是铁路枢纽的核心，是车流集结和解编的基地，担负着车辆成列和分解的关键业务，素有“列车工厂”之称。在这里处理的是列车接车与发车，车列编组与解体，本务机车的运用以及车辆的维修等复杂作业过程。在正线上成熟运用的CTC系统，是在铁路局中心集中进行列车调度和执行；而对于管辖范围内列车和调车作业复杂的站，则采用分散自律的方式实现。驼峰自动控制系统则专注于驼峰调车场的车列解体自动化过程，与既有行车系统并无交集。在科技发展迅速的21世纪，迫切需要一种适应编组站自身作业特征的自动化系统，它可以管理编组站复杂的列车和调车作业流程，将调度和执行紧密联系在一起。编组站综合自动化系统就是依据上述需求而设计开发出来的。

1 对系统结构的分析

在设计编组站综合自动化系统时，行业中基于不同的设计理念出现了2种系统架构：一种是流程再造的流水线方式，该方法强调整体的流程化和规则化，代表系统为CIPS系统；另一种是管控融合的DCS方式，该方法则偏向宏观的计划与环节间的自适应调整，代表系统为SAM系统。

流水线方式的特点就是单列作业连续。在正常运行条件下，该方式的连续性会有很好的运用表现。运用流水线方式就是将编组站视为一个车间，将每一列列车视为一项生产工作的产品，场内的股道视为机器，到、解、编发作业中的每个作业流程视为对于顺序排列成组机器的使用过程。调度指挥作业就如同在车间里调度流水线上的生产机器。

DCS的特点是在宏观决策层的集中，在执行层上的分散。由于宏观的部分比较符合统计学特征，数据的实时性和准确性要求不高，更多表现的是抽象的趋势。执行部分则对实时性和准确性有极高的要求。

运用DCS方式是将编组站的管理信息系统和控制系统作为2个大车间，并将到、解、编、发作业涉及的生产环节作为多个小车间，分别在2个大车间里设置生产调度办公室，用于管理小车间的宏观生产调度，并在小车间里实现各环节的控制。

2 对作业效率的分析

从作业效率的角度考虑，编组站综合自动化采用DCS方式具有较明显优势。

1．编组站作业组织者指定作业方案时，主要考虑流程的连续性，譬如根据列车的方向以及车列的组号特点合理安排作业场，满足 “接车照顾推峰，解体照顾编组”的要求。

2．编组站作业执行者根据实时变化的作业情况，调整执行方法，譬如：实时调整调车计划的股道；根据优先级和最短处理时间择机办理进路等。

3．由于流水线方式是存在阻塞性的，即上一个产品若在流水线上出现问题，会导致下一个产品的生产，需要暂停整条流水线，只有将该异常修正，才能够保证下一个产品的生产正确。同时，流水线方式的效率是从设计一开始就决定的，它仅决定于该流水线完成一个完整流程的时间，就像生产汽车的生产线要提高效率，只有通过加快组装车生产线的走行运行速度，同时缩短在每道工序停留的时间。因此，流水线方式在强调自动化连续性的同时，牺牲了系统整体的效率。

从理论定义上来看，调度是指运用一种方法，把稀缺资源合理分配，其目的是优化方法，把单位时间的作业量提高，从而提高效率。要提高系统作业的效率，就必须保证系统在随机过程中，能够灵活地进行调度。调度的灵活性主要表现为调度方法的健壮性，随机事务在某一时刻的健壮性可以通过以下函数Rn来衡量，其结果越大，说明调度算法越健壮。

其中，wj是该工序的复杂度加权；dj是完成特定工序所需的时间；dj－Cj就是完成时间与实际工期之间的松弛度。通过公式很容易看出，调度的工作流越密集，调度的可操作性越差。因此，流水线方式在处理连续的非闭环控制事务时，较DCS模式具有明显的效率优势。但在处理需异步响应多条件反馈的事件时，流水线方式则明显比DCS模式反应迟缓，影响范围扩大。它在依赖整体调度处理局部问题时，则更大程度上浪费了调度时间，影响生产效率。

3 对自动化率的分析

在编组站综合自动化的研究过程中，所有的科研工作者均希望通过计算机技术将人从劳动中解放出来，甚至希望计算机可以像人一样思考，高效、有序、安全地办理编组站内的作业。现代计算机的高速和大容量存储，确实使计算机有能力承担多输入条件的多维复杂运算。但不幸的是，目前仍没有对车站的作业建立出全值域的数学模型。

真实的编组站作业过程并非任何一种流水线模型可以描述。一个标准三级七场的双向纵列编组站的到达场接车符合有准备时间的柔性流水车间模型；驼峰场与编尾场的运用则符合随机并行机模型；出发场作业则符合流水车间模型。以上模型均属于调度理论所描述的强NP问题，虽然在理论研究中提出过运用模拟退火算法、禁忌搜索算法、遗传算法等调度算法，但均只能在多数条件假定线性可变的前提下进行。所以现有的数学模型只能在有限的取值范围内，进行理论上的研究，而远不能满足使用要求。

现代人机工学中认为，在目前计算机控制技术条件下，高水平的人机结合不是简单的计算机替代的方法，而是将通过计算机对操作环境所涉及到的数据进行预处理，将关键信息提供给用户，并为用户提供若干可行方式选择，辅助其进行作业过程的决策。可将剩余的、简单重复的行为过程交由计算机执行完成，并及时反馈其动作结果。

这与目前机器人的发展思路也是吻合的。复杂机器人的设计也是更趋向于人控肢体机器人，即通过电子技术将计算机的视觉、触觉反馈给操作人员，操作人员在控制台上，通过控制杆操作机器人进行复杂动作，完成作业任务；而不是设计全智能机器人，让他自行在环境中进行自主工作。

4 作业效率与自动化率的平衡

由上述分析可以看出，就目前的技术无法实现让作业效率和自动化率两者均达到一个理想的程度。因此，只能在两者间寻求一种平衡。

相比之下，采取DCS方式的设计理念具有更多的优势。这种方式设计的SAM系统，结构上分为管理信息系统、集中控制系统以及过程执行系统。管理信息系统就是通过预先制定一系列的方案，以实现现车安排为目的，该系统通过计算机数据共享与分析功能，帮助现车的调度者 （通常为场调）完成现车的选取与方案的编制；通过自动控制技术，为生产线的调度者 （通常为值班员）提供实时调整的自动执行方案，完成自动组织生产的功能。编组站综合自动化系统，在其不同层面上对生产的安排和对生产线的调度，实现了复杂条件下编组站综合自动化系统的协调运作。如图1所示。

图1 SAM系统作业调度流程

为了在较高作业效率的基础上，提高系统的自动化水平，采用DCS方式的编组站集中控制系统，可以实现以计算机规划为主，人工决策优先，结合全图形化一键式干预为主要手段的自动控制作业模式。计算机在收到路局下发的行调计划和站调计划后，进行计划内容的结合，并立即生成作业阶段计划。作业人员可以根据阶段计划在计算机的辅助下，自动生成编组、解体计划。系统会根据现场实际和计划顺序，自动生成连续的作业命令，并以实时图形方式展现给用户。用户可以快速在界面上完成任务修改。

由于不同的作业组织特征差异，会直接影响系统内调度的复杂度和兑现率。SAM系统从系统设计上允许作业组织的差异化需求，并结合车站行车组织特征，对系统进行深层次定制、对编组站作业过程中重复性、规律性部分实现完全自动化处理。对于需要灵活处置的细节，则设置人为干预的条件，当使用者认为有更好的处置方法时，可以随时干预其管理范围内的生产过程，从而实现了高自动化水平下的高作业效率。

5 结束语

通过在新丰镇编组站、兰州北编组站、包头西编组站，以及丰台西编组站使用综合自动化系统，将上述编组站作业能力与同期同一级别编组站进行对比，充分表明具有DCS结构的编组站综合自动化系统，在作业效率方面具有良好表现。同时，根据现场实际作业方式的变化，可以看出综合自动化系统的自动化作业功能，给车站作业组织和生产方式带来的巨大变革。

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