驼峰车辆溜放速度与阻力关系分析系统的设计与实现

邢群雁 徐万安 王 琳

中国铁道科学研究院通信信号研究所 100081 北京

随着铁路运量的加大和科学技术的发展，驼峰自动化控制系统得到了广泛地应用，编组场的作业效率得到了较大的提高。但驼峰自动化控制系统一旦投入运营，控制参数调整主要依赖于既有的经验，没有严格的理论分析和公式推导。出口速度的控制是溜放自动化系统的执行环节，它的控制精度与控制时机是否合宜直接关系到拉间隔与连挂的效果，建立一套基于自动化驼峰控制系统的车辆溜放速度与阻力关系分析系统是十分必要的。

在溜放过程中影响车辆溜放速度的因素很多，用一个机器部分或者全部取代人工操作决策的过程，其难度是不言而喻的。在构建实际系统时，可以采用2种方案:一种是为不同的功能模块建立不同的知识库和规则库;另一种是所有功能模块都采用同一知识库和规则库，依据不同的触发对象选取不同规则和知识处理。前者的优点是便于设计、维护和知识库的更新，各功能模块间的耦合最低，但不同模块间需进行大量的数据通信，对数据间的同步更新和访问机制控制要求较高;后者的优缺点与前者相反，考虑到编组站驼峰场的实际情况，采用前一种方法构建。利用自动化驼峰控制系统数据库记录溜放作业过程中速度和阻力的相关数据，包括车辆溜放过程出口速度、入口速度、车重和车型等信息，用速度和阻力关系分析软件分析数据库中的相关记录，生成阻力和速度关系曲线。专家系统根据阻力与速度关系曲线和专家知识库，推导出阻力和速度关系的规律和公式，计算控制系统的调整参数，并为驼峰自动化控制系统参数调整提供理论支持，从而进一步提高整个系统的可靠性和驼峰的解编能力。

1 实现原理

采用基于专家系统的辅助决策系统，建立车辆溜放过程控制中速度与阻力关系的算法，其基本原理是建立基于权重因子的模糊控制知识库、基于专家经验判别准则的规则库，以及基于事件现象发生概率的自学习知识库，采用专家系统的构建方法和推理原则实现车辆溜放过程中速度与阻力关系的确定。

在编组站驼峰场中，车辆溜放过程中运行阻力主要由基本阻力、曲线阻力、道岔阻力、空气阻力和调速工具产生的阻力等5种成份组成。

根据四个部位设有4个论域，设在nx部位车辆溜放过程中阻力与速度的关系抽象表示为

nx=fx(ω，ν)

式中，x∈(1，2，3，4)，ω为相应部位的阻力，ν为相应部位的速度。

充分挖掘关系数据库中有特征关联的数据，s是样本数据的个数，对于m维空间Rm中的一组向量Ai(i=1，2，…，s)，计算每一个向量的隶属度，与初始聚类中心反复迭代，再根据实际概率分布情况做决策，训练人工智能机器。以数据库数据的一组向量Ai(i=1，2，…，s)为输入量，建立二维带权重因子的模糊控制规则的量化描述:

2 系统结构

2.1 硬件结构

驼峰自动化控制系统钩车溜放速度与阻力关系分析系统由数据库服务子系统、远程数据采集子系统、数据分析子系统和专家分析子系统组成。系统硬件框图如图1所示。

图1 分析系统硬件框图

1．局域网。内部交换局域网用一台以太网交换机作为其核心主干数据通信设备，所有的系统设备通过它来完成各子系统之间的底层数据通信，通信协议采用TCP/IP。

2．数据库服务器。运行My SQL数据库的数据库服务器，为系统提供统一的数据存储接口和公共数据的存储介质，为系统各个部分的数据分析提供数据基础。

3．数据分析工作站。通过对记录在数据库服务器中的作业数据的分析，归纳编组场作业记录中的速度阻力关系，生成分析报告和图形曲线，进行显示和打印输出。

4．专家分析工作站。通过数据分析工作站生成的报告和曲线，结合专家的经验分析，进行公式推导，结合驼峰控制系统提出参数调整建议，生成相关报表。

5．信息采集终端。专家分析工作站与驼峰自动化控制系统通过数字接口进行通信，采集作业信息并且通过远程访问将数据传递到数据服务器。

2.2 软件结构

系统软件包括商用软件和使用C或C++语言编写的集成了不同功能的操作软件。通过以下3个方面描述驼峰自动化控制系统钩车溜放速度与阻力关系分析系统结构。

1．系统软件结构层次图及相关的描述。

2．硬件结构及组成硬件设备和外部接口的描述。

3．软件组成和描述，以及软件在物理硬件设备中的分布情况描述。

图2给出了一个图形化的驼峰自动化控制系统钩车溜放速度与阻力关系分析系统软件环境模型，此模型适应于所有为本系统所开发的软件，使用此模型能够为系统所有的应用提供一个兼容的、可移植的编程接口。

图2 分析系统软件环境模型

驼峰自动化控制系统钩车溜放速度与阻力关系分析系统软件是由商用软件和所开发的应用软件组成的。

图2列出了系统各主要硬件上所要运行的软件任务，并给出这些软件任务的描述以及其关系。系统软件具有分布式处理结构，各子系统运行在不同的处理器上完成开发的操作和任务，My SQL数据库提供网络间实时数据的存储和访问。这里所描述的软件运行是根据系统的需要分配在特定的处理器中进行的，而不必同时运行或运行在同一个处理器中，特定的软件将根据其功能特性分配给特定的工作站处理器。

3 软件设计

远程数据采集子系统不断地采集并存储驼峰自动化控制系统的编组场作业记录;数据分析子系统通过对大量作业数据的分析，生成钩车溜放速度与阻力关系曲线;专家分析子系统在数据分析子系统计算结果的基础上，建立溜放模型并推导出钩车溜放速度与阻力关系的统计公式，最终提出驼峰自动化控制系统的调整参数。速度与阻力关系分析系统见图3。软件系统数据流描述见图4所示。各子系统描述如表1、表2、表3所示。

4 结束语

车辆溜放速度与阻力关系分析系统是在综合考虑了当代计算机技术、自动化技术和人工智能等先进学科的成熟、可靠的技术措施，以及目前国内各种驼峰自动控制系统的优缺点，并在实际系统模式的基础上开发的专门用于驼峰自动控制系统的分析系统。随着分析系统大量使用，必将使驼峰自动控制系统的可靠性、安全性和功能等方面日趋完善，大大降低电务人员的劳动强度，推动驼峰现代化的发展。

表1 远程数据采集子系统

表2 数据分析子系统

表3 专家分析子系统

［1］汤百华.编组站驼峰在铁路运输中的地位和作用［C］．//中国铁道学会．驼峰自动化论文集．北京:中国铁道出版社，1993.

［2］傅京孙．人工智能及其应用［M］．北京:清华大学出版社，1995.

［3］曹文军.知识库系统原理及其应用面［M］．上海:复旦大学出版社，1995.