高速铁路调度指挥系统纵向结构协同有序度模型

邓 念， 彭其渊

（西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）

高速铁路调度指挥系统纵向结构协同有序度模型

邓 念， 彭其渊

（西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）

为深入研究调度指挥系统的协同机理，针对我国高速铁路成网后可能存在的全路集中、区域集中和干线二级三种调度指挥模式，系统分析比较了各模式的管理层级和组织结构特征．结合协同学理论提出了调度指挥系统结构协同有序度概念，并以实现调度指挥系统组织结构纵向协同为目标，采用信息熵理论构建各模式下的通用有序度模型，在此基础上提出了调度指挥模式定量选择方法，最后通过案例分析验证其有效性．研究结果表明：调度台数量为60时，增设二级管理控制中心能够提高调度指挥系统组织结构有序度0．05～0．10；合理的二级管理控制中心配置方案能有效提高系统组织结构有序度0．1．

调度指挥；高速铁路；协同；信息熵

高速铁路调度指挥系统是高速铁路运营管理的核心，基于高速铁路运输组织安全、正点、高效的基本要求，需要高速铁路调度指挥系统在纵向层级、各专业子系统与既有线调度指挥系统间在组织架构、功能设置、协调控制、信息交互与共享等方面实现协同．随着中国高速铁路建设的不断发展，高速铁路的建设和运营需要与之相适应的现代化调度指挥系统，以确保高速铁路及整个铁路网络的运输安全、正常秩序及生产效率．

从20世纪90年代起，国内专家和学者对我国高速铁路运营调度进行了深入的研究并取得了重要的研究成果．文献［1］分析了影响高速铁路调度指挥模式的选择因素，并通过多方面比较确定适宜我国高速铁路的调度指挥模式——区域集中二级调度指挥模式；文献［2］分析了我国高速铁路调度指挥待解决的问题，并总结了高速铁路调度与既有调度指挥系统的结合原则；文献［3］结合我国铁路组织管理模式，提出构建现代化高速铁路运营调度系统体系的设想．纵观目前的文献，对于高速铁路调度指挥模式选择问题的研究往往偏向于结合高速铁路运营特点、运输组织模式、与既有线协调等方面的定性探讨，缺乏系统建设运营科学理论体系以及供系统建设参考的量化研究方案．因此，本文从系统论角度出发，研究调度指挥系统纵向层级协同问题，提出一种量化研究调度指挥系统结构有序度的方法，对于我国高速铁路调度指挥系统协同、调度指挥模式选择及高速铁路建设和运营有着非常重要的意义．

1 高速铁路调度指挥模式协同问题

1．1 主要调度指挥模式特征

从目前各国高速铁路运营调度指挥模式可以看出［4-8］，主要的调度指挥模式分为：全路集中调度指挥模式、区域集中调度指挥模式和干线二级模式（见图1）．按其纵向组织结构特征可划分为两类：集中管理结构和二级管理结构．集中管理结构设置统一的综合调度指挥中心，在综合调度中心根据线路数量、行车量等设置相应数量的调度台，各调度台通过专业调度向基层站段发布调度指挥命令，指挥现场的各项工作．二级管理结构是将整个高速铁路调度指挥系统分为两个层级，全路综合调度指挥中心和二级调度指挥中心．全路综合调度指挥中心主要是起监视和协调作用，必要时接管指定二级调度指挥工作，二级调度指挥中心负责日常列车的调度指挥工作，通过各专业调度台向基层发布调度命令，基层站段根据调度命令组织实施．不同调度指挥模式区别详见表1．

我国高速铁路的修建是分段建设、逐渐成网的过程．在建设初期，投入运营的高速铁路均委托给铁路局代为运营，在铁道部全路调度中心和铁路局调度指挥中心分别增设高速铁路调度系统．

图1 高速铁路调度指挥模式组织结构Fig．1 Organizational structure for high speed railway dispatching schemes

1．2 调度指挥模式协同内涵

高速铁路调度指挥系统是一个由相互联系、相互影响的多单元组成的完整系统，该系统组成元素多，元素之间存在着强烈耦合作用，并具有动态性特征．为实现系统安全、高效的生产运作，不仅需要各部门、各环节、各工种在日常业务流程实现协同运作，还需要调度指挥体系在纵向组织结构、横向功能设置及信息交互上协同．所谓协同，既是系统中各子系统的相互协调、合作，并通过相互间非线性作用产生相干效应和协同作用，以构建出结构和功能上的有序，实现系统整体功能大于各子系统之和的协同现象［9-10］．换句话说，协同就是系统的有序程度，系统有序度越高，越能发挥更大的协同效应．研究系统的协同问题，就是研究如何构建系统的“协同有序”．要构建系统的“协同有序”，首先要识别系统有序的来源，度量系统有序的程度．

表1 主要调度指挥模式组织结构特征Tab．1 Organizational structure of different dispatching schemes

1．3 组织结构与信息传播有序性

从系统组织结构设计的角度来看，系统能否具有灵活快速的应变能力与系统的组织结构信息传递有序性有直接相关性．信息结构有序度的高低直接反映出组织内信息传递效率以及组织对各种变化的快速响应能力．信息沟通的速度和准确度是组织结构优劣的重要指标．如果系统结构满足不了组织对信息的需要就会影响到组织的效果［13］．因此，研究系统组织结构有序度问题可以从信息传播有序性的途径入手．

信息传播的有序性是指信息在系统中传播运动的稳定性、规则性、重复性和相互的因果关联性，其表现在系统中信息传播的时效性（速度）和质效性（准确度）两个方面．

系统中存在着纵横交错的信息网，假设系统的信息是逐层流动的，整个系统的信息量不变，则管理层次增多，其每层的管理幅度便会减少，因而管理层次和管理幅度是互为消长的．与此相对应，评价组织效率的信息流通指标——时效性和质效性也呈现出相互矛盾性．即：管理层次增多使信息流通的路径增多而分义减少，从而延缓了信息流通的速度，但却提高了精确性．相反，如果减少管理层次，则必然会增加每层的管理幅度，这样虽然流通时效性增强，然而信息分义点会增多，信息在流通中出错的机会也增多，直接影响到信息流通的质量．

在调度指挥系统中，信息传播是管理层与调度层、调度层与基层站段之间的重要沟通方式，其有序性决定了系统在纵向上能否实现控制中心对系统和设备的直接管理和控制，管理决策控制能否有效、准确地传达是系统安全、高效运营的重要因素之一．调度指挥模式协同即调度指挥系统的组织结构满足各业务单元日常作业、决策控制在信息交互上的有序性，发挥大于各子系统功能加总的系统整体协同效应．

调度指挥模式的纵向结构协同问题，既是管理层级与每层管理幅度之间的合理配置问题，它是影响系统内信息流通有效性的重要因素，因此如何配置这两个指标以实现准确的信息在有效的时间内到达，是评价纵向结构协同和优化组织结构的基本准则．

2 信息熵——有序度的度量

信息熵理论是一种研究复杂性系统宏观度量的重要方法，它的中心思想认为系统的组织结构有序度是在考虑信息传播时的有序度，并从信息传播的时效性和质效性两个方面度量系统信息传播的有序度［11-15］，已大量运用于有关组织结构有序度研究方面［16-25］，且取得了较好的成果．

微观态信息熵理论将系统的组织结构有序度描述为

式中：H为系统的结构熵；Hm为系统的最大熵；R为系统结构有序度的一种度量．R值越大，则表明系统组织越有效、越有秩序，其信息熵就越低．根据度量信息的时效性和质效性指标，系统的组织结构熵分为时效熵和质效熵．因而系统的组织结构有序度是信息传播时效有序度与质效有序度的加总．

式中：α、β分别为时效和质效关于系统的权重系数，α＋β＝1；RT为时效熵；RQ为质效熵．

2．1 时效熵及时效有序度

如图2所示，将系统抽象成由组成要素及要素关联关系构成的组织结构图．其中节点○为构成系统的基本元素；直线段“—”表示各节点间存在直接信息流，这里称作联系，元素之间经过的联系数叫做元素的联系长度．

图2 系统组织结构要素关联图Fig．2 Feature association of system structure

系统的时效反映信息在系统中或元素间传递过程中信息流通的时效性大小，时效熵则反映信息在系统中或元素间流通时效性不确定性的大小．系统中纵向结构上下级两元素之间的时效熵表示为

式中：PT（ij）为系统第i，j个联系的时效微观态实现概率，根据信息熵的微观态概念，系统任两个元素之间的状态实现概率既是两个元素在系统的联系路径数占系统元素总联系路径数的概率．其计算公式为

式中：Lij为结构中i，j的最短路径；

NT为系统的时效微观态总数，其值为系统时效微观态数目加总值

NT决定了信息在系统中传输的总体效率，因此将系统的最大时效熵定义为

由于熵是一个广延量，系统的总时效熵为

根据上节有序度公式，系统的时效有序度

2．2 质效熵及质效有序度

信息在系统中流通时准确度的大小称为系统质效，质效熵描述信息质量不确定性的大小，元素的质效熵描述本元素在信息传递过程中出错机会的不确定性，表述为

式中：PQ（i）为系统第i个元素的质量微观态实现概率，计算公式为

式中：

Ki为元素联系幅度，组织结构中与i元素有直接联系的元素数量，也称作该元素的质量微观态；系统的质量微观态总数为

系统总质效熵为

系统的最大质效熵为

系统的质量有序度为

3 高速铁路调度指挥模式有序度模型

3．1 问题界定及模型假设

（1）调度指挥模式在组织架构上的主要区别为纵向控制结构等级不同．全路集中模式为一级控制结构，区域集中式和通道调度指挥模式为二级控制结构且具有相同的纵向组织结构，本文将分别建立2个有序度模型．

（2）本文拟研究调度指挥模式纵向组织结构协同有序问题，不考虑同级元素之间横向信息的传播关系．

（3）本文采用信息熵理论从信息传播角度探讨体系结构的有序度问题，模型中组成调度指挥体系的控制中心、业务调度台、车站、动车段、维修中心等体系架构的基本元素，均作为信息传播的节点，不做功能上的区分．

（4）连接基本元素边代表两元素间存在信息传递，相邻元素的信息通道长度相等，信息通道容量满足需求．

（5）由于车站、动车段、维修所等不作为系统的控制结构，将车站、动车段及维修所作为同一元素讨论．

（6）基于上述问题界定及假设，将两种控制结构的调度指挥模式组织结构描述如图3所示．本文构建的有序度模型将基于该组织结构图．

图3 不同控制结构调度指挥模式组织结构图Fig．3 Structure organization of different control structure dispatching scheme

3．2 全路集中调度指挥模式组织结构有序度模型

全路集中调度指挥模式系统结构如图4所示，图中元素0为全路调度指挥中心，元素1～i为业务调度台，元素i＋1～2i为车站、动车段及维修所等．i表示设置业务调度台的数量．

根据章节2中公式建立全路集中调度指挥模式纵向结构有序度模型：

①元素的联系长度为

②元素的联系幅度为

③系统总时效熵为

图4 全路集中调度指挥模式组织结构简图Fig．4 Organization structure of centralized dispatching scheme

④系统总质效熵为

⑤系统最大时效熵为

⑥系统最大质效熵为

⑦系统的时效有序度为

⑧系统的质效有序度为

⑨系统的组织结构有序度为

3．3 区域集中／通道调度指挥模式组织结构有序度模型

区域集中调度指挥模式系统结构如图5所示．

图5中i为增设的二级调度指挥区域数量，j为每个二级调度指挥中心设置业务调度台数量，为方便讨论，设每个区域拥有相同的调度台数．

根据第2节中公式建立区域集中／通道调度指挥模式有序度模型：

①i元素的联系长度为

②i元素的联系幅度为

③系统总时效熵为

图5 区域集中／通道调度指挥模式组织结构简图Fig．5 Organization structure of regionally centralized／access-based dispatching scheme

④系统总质效熵为

⑤系统最大时效熵为

⑥系统最大质效熵为

⑦系统的时效有序度为

⑧系统的质效有序度为

⑨系统的组织结构有序度为

4 高速铁路调度指挥系统体系组织结构有序度模型

根据《中长期铁路网规划》（2008年调整），到2020年，高速铁路将达到1．6万km，按300 km设置列车调度台计算，所需的调度台套数约为60台．本文采用总调度台数为60台，分别对上述两种模型进行计算分析，文中考虑信息传播的时效和质效具有相同的重要度［13］，α、β参数取值为0．5（α＋β＝1）．

4．1 全路集中调度指挥模式有序度模型

考虑参数i（调度台数量）取值范围1～60时，采用信息熵理论构建的全路调度指挥模式有序度模型计算结果如图6所示．其中RT1为该模式的时效有序度，RQ1为该模式的质效有序度，R1为该模式的组织结构有序度．随着业务调度台数量增加，系统组织结构规模增大，系统组织结构有序度降低．

4．2 区域集中调度指挥模式有序度模型

因区域集中调度指挥模式设有二级指挥中心，在调度台总数不变时有多种设置方式，本文仅选择几种方式进行讨论．其中RT2为该模式的时效有序度，RQ2为该模式的质效有序度，R2为该模式的组织结构有序度，考虑参数i（调度台数量）取值范围为1～60时．图7（a）为各区域调度台数为j＝6台，区域调度中心设置变化i＝60／j时该模式的有序度变化情况．图7（b）为分别设置1～10个区域调度中心时该模式组织结构有序度变化情况．图7（c）为只增设一个区域调度指挥中心时该模式组织结构有序度变化．图7（d）为每个业务调度台设置一个区域指挥中心时该模式组织结构有序度变化．同全路调度指挥模式相同，随着业务调度台的数量增加，区域集中调度指挥模式组织结构有序度逐渐降低．从图7（c）、图7（d）中可得不同的区域调度指挥中心设置方案对同种规模的体系，其组织结构有序度不同．

图6 全路集中调度指挥模式系统结构有序度变化Fig．6 Organizational structure's synergicorder degree changes of centralized dispatching system

图7 区域集中调度指挥模式系统结构有序度Fig．7 Organizational structure's synergic order degree of regionally centralized dispatching system

4．3 计算结果分析

论文选取图6和图7（a）两种调度指挥模式系统组织结构有序度变化进行了对比，结果如图8所示．其中区域调度指挥模式各区域内设6个调度台．由图8可知，在该种调度台配置情况下，体系规模较小时（＜20台）增二级管理结构的调度指挥模式组织结构有序度较高，体系规模较大（＞20台）时，全路集中调度指挥模式的组织结构有序度较高．由于不同区域调度中心设置方案对体系组织结构影响不同，因此在探讨两种调度指挥模式有序度时还需根据具体的区域调度指挥中心设置方案而定．

图8 调度指挥系统组织结构有序度对比图Fig．8 Comparison chart of organization structure of different dispatching scheme

5 结 论

高速铁路调度指挥系统担负着高速铁路安全、高效的运营重责，同时也是保障高速铁路日常生产的关键，选择适宜的调度指挥模式对于高速铁路的建设运营至关重要．

本文从系统论、协同学、信息传播理论等角度对高速铁路调度指挥模式纵向组织架构进行研究，利用信息熵理论针对不同调度指挥模式建立普遍适用的有序度模型，计算给出了两种不同模式的有序度变化曲线．通过计算分析可得出以下结论：

（1）增设二级调度指挥中心能够提高调度指挥体系组织结构有序度，二级调度指挥中心设置方案对体系组织结构有序度有一定影响．

（2）文章结合协同学与熵理论提出了一种量化研究高速铁路调度指挥模式的方法，初探了协同学理论在调度指挥体系上的应用．该方法可作为调度指挥体系结构设计上的参考．需要注意的是调度指挥系统是一个复杂巨系统，其系统组织结构涉及的因素众多，在设计建设时需综合考虑多方面因素．

另文中初探的调度指挥模式有序度模型具有一定的局限性，如模型中时效与质效参数取值、底层元素未划分等问题，这些都有待进一步的研究．

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（中、英文编辑：徐 萍）

Synergy Model of Vertical Structure of High-Speed Railway Dispatching System

DENG Nian， PENG Qiyuan
（School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Three dispatching schemes for high-speed railway network would be built in China，namely the centralized scheme，regionally centralized scheme and access-based scheme．In order to study synergy of dispatching system，management and organizational structure of different schemes were analyzed and compared．By combining with the synergistic theory，the concept of synergic order degree of dispatching system was proposed．With the goal of realizing vertical structure synergy of dispatching system，general order degree models in different dispatching schemes were constructed by the information entropy theory．And on this basis the quantitative selection method about dispatching schemes was proposed．Finally，validity was verified by a case analysis．The results indicate that the order degree of organization structure can be improved by 0．05 to 0．10 through seting regional control center when the system has 60 dispatcher stations，and it can be effectively increased by 0．1 through reasonable configuration scheme of the secondary management control center．

dispatch；high speed railway；synergistic；information entropy

U292．4

A

0258-2724（2016）01-0152-09

10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．022

2015-05-04

国家自然科学基金资助项目（U1234206）

邓念（1988—），女，博士研究生，研究方向为高速铁路调度指挥协同理论，E-mail：77137813＠qq．com

彭其渊（1962—），男，教授，研究方向为铁路运输组织优化理论与方法，E-mail：qiyuan-peng＠home．swjtu．edu．cn

邓念，彭其渊．高速铁路调度指挥系统纵向结构协同有序度模型［J］．西南交通大学学报，2016，51（1）：152-160．