编组站智能调度系统的需求模型与专家系统结构

罗 建，薛 锋

（1．西华大学 交通与汽车工程学院，讲师 博士，四川 成都 610039；2．西南交通 大学交通运输学院，讲师 博士，四川 成都 610031）

编组站智能调度系统（YIDS）是将信息、通信、控制和计算机等现代技术集成应用于编组站调度系统，实现实时、准确、高效的智能调度指挥决策。随着铁路信息化的发展，控制技术、计算机技术、信息技术、网络技术等，在铁路编组站运输生产管理中的应用范围进一步扩大，智能化程度进一步提高，推动了铁路运输的技术进步和管理现代化。

我国对编组站智能调度系统的研究始于20世纪90年代，主要有计划模拟法、数学模型法等。比如，文献［1］采用系统工程的方法，分析了编组站智能调度系统的体系结构及其主要功能，为编组站智能调度系统的发展提供了有益的参考和借鉴。文献［2］提出了以列车配流为主线，通过构造局部区域优化问题实现解体、编组方案优化的高效启发式算法，为编组站智能调度系统的核心问题，即编组站作业计划辅助决策系统的研究奠定了算法基础。

编组站智能调度系统是一个动态性、随机性比较强的复杂系统，许多因素都难以用准确的数学模型进行预测估计，而基于人类专家知识的专家系统有效地集精确控制与经验控制于一身，配合统计模型、仿真技术及数学模型等工具［3］，能够实现很好的智能调度决策支持。编组站智能调度系统作为人工智能应用性比较强的一个领域，首先需要对系统的需求进行分析。系统需求分析阐述系统的功能及其特性，是系统设计的基础，系统结构设计更是系统规划的核心。

1 系统需求分析

1.1 用户需求描述 需求分析是调查用户对新开发系统的需要和需求，结合组织目标、业务现状、技术水平和实力等因素，对用户提出的需求从系统目标、结构、功能等方面进行深入细致的分析，确定出全面、合理和可行的系统需求，并建立需求模型［4］。

编组站智能调度系统的用户是一个群体，可根据他们的工作性质与业务责任分为各种角色，然后从角色获取需求（从使用者的要求获取需求）。这就首先需要分析用户，并将他们识别为几个类型的使用者（角色），然后对每个角色的工作性质进行分析，最后总结出各角色的需要。编组站智能调度系统的用户主要是编组站各作业岗位人员及路内相关部门，主要有值班站长、上下行站调、机调、车号员、车站值班员、调车区长、调车员，此外还有系统管理人员。只有明确用户的需求才能清楚各角色之间的相互关系，才能对系统进行深入的分析工作。根据编组站各作业岗位人员的服务要求，可初步确定YIDS需求图。YIDS需求图定义系统的边界如图1所示。

图1 编组站智能调度系统需求图

1.2 YIDS层次划分 针对编组站各作业岗位和与编组站相关的其它路内用户对编组站智能调度系统的要求，编组站YIDS按功能可分解为决策层、管理层、调度层和监控层4个层次（见图2）。

图2 编组站智能调度系统的功能层次

决策层主要指编组站调度指挥决策系统，根据编组站和路局调度所管理信息系统信息制定调度计划与决策支持；管理层为编组站运输管理信息系统，根据调度计划组织运输生产；调度层为运输生产指挥系统，主要是依据作业计划和实际情况形成调度命令，保持运输生产的有效性并及时处理突发事件；监控层主要监控控制系统，使其处于正常工作状态，保障信息处理的畅通，维护数据安全。

1.3 功能描述 编组站智能调度系统集成了目前编组站调度信息处理系统的所有功能，并扩展到适时与过程控制系统交换信息；继续扩展到外层主要是生产过程执行系统，这样有机的结合可使编组站能够有效调整各种资源，使列车的“加工”效益最大化。

1.3.1 智能化的调度决策支持 采用优化决策、人工智能、专家系统等方法，提供站内调车机、线路与走行径路等资源的合理分配与优化使用方案，实现站内车站班计划、阶段计划、车流推算、调车计划、本务机折返和调车机调动等计划的自动编制；同时，随着执行过程的自动反馈，动态优化调整各计划以适应当前情形，从而真正实现调度决策指挥自动化［5］。

1.3.2 多层次及全方位的信息管理 多层次、全方位的信息包括车站技术作业信息、货运作业信息、列车信息、本务机信息、车号信息、车辆与现车信息、调车机和调车作业信息管理。通过车站联锁系统和驼峰自动化系统，自动获得车辆的动态跟踪和作业实迹的透明记载，实现信息流与车流的同步。编组站YIDS的核心是数据整合、信息集成，除了列车、车辆、计划、进路等数据外，信息平台上还可以集成车号识别、燃轴、监测、环控、电源及图像监视等数据，实现信息共享。

1.3.3 安全可靠的自动控制 采用智能优化技术以及先进的卫星遥控和信息通讯技术，对各种列车在编组站的到、解、集、编、发等作业过程自动控制和集中管理，完成作业计划的自动编制［6］。包括编组站作业的智能控制，驼峰机车推送速度和溜放速度的智能控制，车辆溜放进路及到达、出发、调车作业进路的自动控制，实现调车作业的智能化。

1.3.4 响应及时的应急指挥 建立紧急事件信息库，通过智能化分析，提供紧急事件处理方案的辅助决策支持，使用各种输出功能进行资源的合理调配，避免发生事故，减少不必要的损失。

2 需求模型的建立

2.1 YIDS的需求结构 从编组站智能调度系统用户的需要及各种希望中分析、抽象、综合，提炼出用户对系统的真正需求，并用规范的描述方法正确、全面地记录成文档，就成为需求模型。需求模型的建立是系统开发工程的基础，是最重要的逻辑工程，在整个开发过程中是最难的。需求结构是按照系统目标、功能和需求的相关性，从总体上把系统的需求划分为若干个需求包，由这些需求包相互关联构成信息系统的需求结构。编组站智能调度系统的需求结构如图3所示。

2.2 用例需求模型 需求模型的描述一般多用自然语言（或结构语言）加上图形描述。目前“用例图”是相对较好的描述方法，越来越多地被采用，逐渐成为一种规范化、标准化的描述方法。用户需求是系统功能的主要来源，用例分析是进行功能分析的主要手段。在功能分析过程中，需要参考在业务分析中建立起来的组织功能模型，功能分析的结果可以用系统功能模型来描述。解编作业功能模块是智能调度系统的核心模块，以此为例对它的用例需求描述如图4所示。

图3 编组站智能调度系统需求结构

图4 解编作业分解功能用例需求模型

椭圆表示的是“用例”，每个“用例”概括地表示了功能。每个用例还可进一步的描述，即对“用例”下一层的描述。小人型表示的是“角色”。用例的功能可由一组相互关联的活动描述。即每个用例都可关联相应的“活动图”，在活动图中对用例的活动进行详细的描述。

3 YIDS专家系统结构

3.1 智能调度决策支持专家系统 将专家系统、人工智能技术与决策支持系统相结合，用于辅助支持调度决策，具有判断、推理和学习等智能行为的人机交互集成系统。主要体现在：原理上基于知识；功能上具有判断能力、推理能力和学习能力［1］。系统结构包括知识获取设备、知识库、数据库、知识库管理系统、推理机构及相应用户接口如图5所示。

图5 专家系统结构

3.2 专家系统的知识库 知识库是专家系统的核心，其完善程度决定了整个专家系统的水平。知识库主要用于存放编组站智能调度所需的规则、事实、模型等专家知识。它将专家经验转化成产生式规则并存储于知识库中，系统可以通过智能算法归纳出新的调度规则，并不断扩充知识库内容，使知识库具有自学习能力。知识库通过管理模块与用户接口连接，主要用于对知识条目的查询、检索、删除、修改和扩充等操作。随着专家系统的应用，用户可能会发现系统的一些不足或缺陷，也将不断地总结新的维护经验，系统应为用户提供接口，使用户能够将这些新知识方便地补充到知识库中，并与原有知识保持一致性，从而使专家系统日臻完善。

3.3 专家系统的推理机制 推理机是一个知识运用模块，针对不同的任务采用不同的推理机制。在编组站调度过程中，可能会有2个或多个事件在同一时间内发生，这就需要推理机对一系列并发事件同时进行推理活动组合，然后系统依据权重大小或先后顺序取出执行，并从知识源中取出吻合事实的法则，供编组站决策者参考。在采用神经网络与专家系统并行结构的智能决策支持系统中，专家系统与神经网络可独立进行推理，在专家系统没有足够的规则对所提出的问题进行推理的时候，或者获取的编组站车场及现车信息不足以启动专家系统进行推理的情况下，专家系统将此类问题与当前的状态信息提交给神经网络，由神经网络进行推理。

4 结束语

编组站智能调度系统是一个结构关系复杂的系统，在对其规划时，需要在进行充分调查的基础上进行需求分析，进一步明确系统应具备的功能及目标。该系统的设计有助于编组站作业岗位的整合，保证系统规划的有序性。编组站智能调度系统智能化的实现依赖于高效的算法和人工智能技术的引入，两者相结合才能优化编组站的作业，实现信息资源的集成管理，这也是编组站现代化发展的方向。

［1］何世伟，宋瑞，谭立刚等.枢纽编组站智能调度系统的设计与实现［J］.北方交通大学学报，2002，26（5）：19-23.

［2］王明慧，赵强.编组站智能调度系统阶段计划优化模型及算法研究［J］.铁道学报，2005，27（6）：1-9.

［3］朱滨，王武宏，沈中杰.基于专家系统的公交运营调度系统结构研究［J］.交通科技与经济，2005，32（6）：59-61.

［4］邓仲华.信息系统分析与设计［M］.北京：科学出版社，2003.

［5］丁昆.研发中的编组站综合集成自动化系统（CIPS）［J］.铁路通信信号工程技术，2005，2（6）：3-6.

［6］贾利民，李平，张莉艳等.中国铁路智能运输系统的服务框架［J］.中国铁路，2003，12：41-44.