基于结构熵的调度命令有序度评价

庄 河，文萃雯，冯丽萍，文 超,4



基于结构熵的调度命令有序度评价

庄 河1，文萃雯2，冯丽萍3，文 超2,4

（1. 中国铁路武汉局集团有限公司，武汉 430071；2. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031； 3. 山东交通学院，轨道交通学院，济南 250357；4. 滑铁卢大学，土木与环境工程系，滑铁卢：N2L 3G1）

铁路调度命令的有序度直接决定铁路运输任务能否安全有序地完成，已有铁路安全监控系统大多关注局部功能，缺乏整体调度安全性评估。论文分析调度命令形成过程中的信息交互流程，考虑时效性和通信质量两个方面，基于结构熵理论建立调度命令有序度的评价模型。该模型涵盖了系统组织结构的静态稳定性和实现过程的动态性指标，并将其作为不同情景下调度命令有序度的评价标准。最后以临时限速调度命令的形成、传输、执行过程为例计算调度命令的有序度,算例结果表明目前临时限速调度命令的信息交互过程是相对有序的。

调度命令；结构熵；临时限速；评价指标

0 引 言

铁路调度指挥系统具有内部组成单元数量巨大、同层级以及不同层级之间的信息交互关系复杂、信息交互内容多样等特征[1]。此外，随着信息技术和计算机技术的不断发展，铁路调度系统伴随着新技术发展而不断更新[2]。系统进化加剧了铁路调度系统内部信息交互过程的复杂性，同时对调度指挥系统信息交互安全提出了更高的要求。调度命令作为铁路调度系统对系统内固定设备、移动设备等资源统筹利用计划的最终表现形式，其安全可信度直接影响铁路运输任务能否安全有序地完成[3,4]。因此，对铁路调度指挥系统中调度命令的安全有序度进行实时评价是十分必要的。

熵作为描述系统无序度的重要概念在系统状态评价方面具有显著的研究成果[5,6]。其中，结构熵是从系统结构的角度出发论证系统组织化程度与系统有序度之间的辩证关系[7-9]。系统结构的有序度常用来定义系统组织化程度，调度命令的有序度综合考虑了信息传递的时效性和准确度，即时效和质量。根据负熵理论，调度指挥系统对铁路系统内有限资源的调配作为外界负熵流，保证了铁路系统有序化而非熵增不稳定状态。

考虑到调度系统本身信息交互的依赖性和传递性，相对于通过安全监测系统对固定设备运行状态进行实时监控来保证系统安全有序，本文从信息交互路径和内容出发基于结构熵对调度命令生成过程的安全有序程度进行实时评价，用于指导调度命令安全有序的生成、下达和执行。

1 调度命令有序度评价指标

系统熵越大，系统越混乱无序，系统有序度越小。反之，系统有序度越高，系统越安全稳定。

从信息论的角度来讲，任意一条信息都包括信源、信宿和信息内容三部分。铁路调度指挥系统中，调度命令的生成、下达及执行过程伴随着大量的信息交互。一次安全有效的信息交互对信息的时效性和准确性具有严格的要求[10]，因此，调度命令有序度的评价主要从时效性和通信质量两个角度出发，并根据不同的系统对时效性和准确性的不同要求，加权得到系统整体的有序度如下：

1.1 时效性指标

系统时效结构熵为：

系统时效有序度为：

1.2 质量指标

系统内某一节点作为信源向其他节点发送信息包，当相应信宿节点在约定时间内收到的信息包与信源节点发出的信息包完全一致时，称这一信息包传送是准确无误的[11]。相应的，本文以质量结构熵评价系统内信息传输质量。

（11）

根据两种质量熵评价方法出发点的不同可以看出，第一种动态质量熵可用于系统使用过程中的实时有序度评价，第二种质量结构熵则主要是从系统静态结构的角度出发，可用于系统重建、组织流程优化完成后的方案比选。

1.3 评价标准

为了减小系统结构设计本身对评价指标计算结果的影响，根据评价目的制定评价标准如下：若用于组织流程优化效果评价，设优化前系统结构有序度为bR，优化后系统结构有序度为aR，则该优化方案的有序程度提高率1η为：

2 算 例

考虑到铁路调度指挥系统涉及数量巨大的组成单元且具有较为复杂的信息交互关系，而临时限速调度命令的管理过程相对独立，论文以临时限速调度命令的生成、下达和执行过程为例（如图1所示），计算该过程的信息交互有序度。算例涉及临时限速服务器中已经存储的计划性临时限速以及行车调度临时拟定的非计划性临时限速，操作对象主要有包括行调在内的CTC行调台、临时限速操作终端、限速服务器、RBC、TCC和车载设备等六个对象节点，涵盖了临时限速调度命令的拟定、执行和取消三个阶段。将这几个操作对象抽象为节点，对象间的信息交互关系抽象为有向连接关系，并根据前文中的计算公式得到该系统的时效有序度1和质量有序度2，如表1所示。表中的“取值”依次为临时限速调度命令相关节点间的包含信息量，“概率”为相关信息量占信息总量的比值。

图1 临时限速调度命令流程图

表1 调度命令有序度

Tab.1 Order degree of dispatching commands

备注：为简化表格将六个主要设备分别编号，与图1中的图示相对应。

3 结 论

目前铁路安全监控技术及设备多处于局部产品的单独应用阶段，并未形成标准化、规范化的产品，而铁路系统内列车运行控制、调度指挥、运营管理、维修养护等相互融合，各子系统内及子系统间信息交互越来越频繁。从信息交互流程的角度出发将各子系统及各子系统内的操作单元按照问题规模及粒度串联起来形成一个相对独立、完整的研究对象，既能保证问题研究的完整性同时又可以在更宏观的角度发现新的问题。结构熵作为从系统组织结构的角度探讨系统不确定性的指标，从时效性和质量两个角度探讨系统有序度。其中针对质量结构熵，论文从静态结构和动态实现两方面分别提出了计算公式及应用领域。以临时限速调度命令的管理过程为例进行了应用，计算得到目前理想状态下我国铁路临时限速调度命令管理的有序度为0.68，是相对稳定有序的。

在下一步的研究中，主要从以下两个方面展开：一是调度命令形成过程涉及的对象及其信息交互关系的抽象化处理及有序度评价的编程实现，二是调度命令有序度实时评价与现有安全监控技术的融合。

[1] 刘春煌, 桑苑秋, 李继先, 等. 沪宁线行车安全监控信息网络技术方案和管理中心的研究[J]. 中国铁道科学, 2002, 23(6): 17-25.

[2] 张惟皎, 刘春煌, 蒋荟等. 铁路行车安全综合监控系统的复杂性研究[J]. 铁道运输与经济, 2004, 26(9): 39-41.

[3] 陈峰. 高铁行车调度合理工作负荷研究[J]. 交通运输工程与信息学报, 2013, 11(2): 101-106.

[4] 刘珊珊, 薛锋. 基于贝叶斯网络的高速铁路行车调度指挥人因可靠性研究[J]. 交通运输工程与信息学报, 2017, 15(3): 78-83.

[5] WILEY E O, LAYZER D. Information in cosmology physics and biology[J]. Quantum Chem., 1988, 12(1)：185-195.

[6] 李习彬. 熵-信息理论与系统工程方法论的有效性分析[J]. 系统工程理论与实践, 1994, 3(2): 37-42.

[7] 张志峰, DAVID, Janet. 基于信息熵的单元化制造系统状态度量[J]. 上海交通大学学报, 2015, 29(1): 43-49.

[8] 李电生, 夏国建. 基于结构熵理论的供应链系统有序度评价研究[J]. 北京交通大学学报: 社会科学版, 2008, 7(4): 40-43.

[9] 蔡晔, 曹一家, 谭玉东,等. 基于标准化结构熵的电网结构对连锁故障的影响[J]. 电工技术学报, 2015, 30(3):36-43.

[10] 邱菀华. 管理决策与应用熵学[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[11] 张志峰, 肖人彬. 基于结构熵的生产系统有序性评价的实证研究[J]. 机械工程学报, 2007, 43(6):62-67.

（中文编辑：刘娉婷）

Order Degree Evaluation of Dispatching Command Using Structural Entropy

ZHUANG He1，WEN Cui-wen2，FENG 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

国家重点研发计划（2017YFB1200701）；国家自然科学基金（61503311）；中国铁路总公司科技开发计划（2016X008-J）

庄河（1968—），男，江苏常州人，汉族，提高待遇高级工程师，中国铁路武汉局集团有限公司总经理。

文超（1984—），男，汉族，工学博士，副教授，硕士生导师，研究方向为铁路行车组织优化。

庄河，文萃雯，冯丽萍，等. 基于结构熵的调度命令有序度评价[J]. 交通运输工程与信息学报，2018, 16(2): 9-13.

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.02.002