甘 露 姚宇峰

編組站綜合自動(dòng)化是編組站行車指揮領(lǐng)域的新型技術(shù)裝備。在該系統(tǒng)出現(xiàn)之初，眾多用戶對(duì)該系統(tǒng)的價(jià)值存在質(zhì)疑，提出與其研究編組站綜合自動(dòng)化，不如在編組站使用CTC系統(tǒng)或是改進(jìn)駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)功能。經(jīng)過近些年的推廣和應(yīng)用，業(yè)界逐步認(rèn)識(shí)到編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)不可替代的作用。

編組站是鐵路樞紐的核心，是車流集結(jié)和解編的基地，擔(dān)負(fù)著車輛成列和分解的關(guān)鍵業(yè)務(wù)，素有“列車工廠”之稱。在這里處理的是列車接車與發(fā)車，車列編組與解體，本務(wù)機(jī)車的運(yùn)用以及車輛的維修等復(fù)雜作業(yè)過程。在正線上成熟運(yùn)用的CTC系統(tǒng)，是在鐵路局中心集中進(jìn)行列車調(diào)度和執(zhí)行；而對(duì)于管轄范圍內(nèi)列車和調(diào)車作業(yè)復(fù)雜的站，則采用分散自律的方式實(shí)現(xiàn)。駝峰自動(dòng)控制系統(tǒng)則專注于駝峰調(diào)車場(chǎng)的車列解體自動(dòng)化過程，與既有行車系統(tǒng)并無交集。在科技發(fā)展迅速的21世紀(jì)，迫切需要一種適應(yīng)編組站自身作業(yè)特征的自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以管理編組站復(fù)雜的列車和調(diào)車作業(yè)流程，將調(diào)度和執(zhí)行緊密聯(lián)系在一起。編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)就是依據(jù)上述需求而設(shè)計(jì)開發(fā)出來的。

1 對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析

在設(shè)計(jì)編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，行業(yè)中基于不同的設(shè)計(jì)理念出現(xiàn)了2種系統(tǒng)架構(gòu)：一種是流程再造的流水線方式，該方法強(qiáng)調(diào)整體的流程化和規(guī)則化，代表系統(tǒng)為CIPS系統(tǒng)；另一種是管控融合的DCS方式，該方法則偏向宏觀的計(jì)劃與環(huán)節(jié)間的自適應(yīng)調(diào)整，代表系統(tǒng)為SAM系統(tǒng)。

流水線方式的特點(diǎn)就是單列作業(yè)連續(xù)。在正常運(yùn)行條件下，該方式的連續(xù)性會(huì)有很好的運(yùn)用表現(xiàn)。運(yùn)用流水線方式就是將編組站視為一個(gè)車間，將每一列列車視為一項(xiàng)生產(chǎn)工作的產(chǎn)品，場(chǎng)內(nèi)的股道視為機(jī)器，到、解、編發(fā)作業(yè)中的每個(gè)作業(yè)流程視為對(duì)于順序排列成組機(jī)器的使用過程。調(diào)度指揮作業(yè)就如同在車間里調(diào)度流水線上的生產(chǎn)機(jī)器。

DCS的特點(diǎn)是在宏觀決策層的集中，在執(zhí)行層上的分散。由于宏觀的部分比較符合統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求不高，更多表現(xiàn)的是抽象的趨勢(shì)。執(zhí)行部分則對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性有極高的要求。

運(yùn)用DCS方式是將編組站的管理信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)作為2個(gè)大車間，并將到、解、編、發(fā)作業(yè)涉及的生產(chǎn)環(huán)節(jié)作為多個(gè)小車間，分別在2個(gè)大車間里設(shè)置生產(chǎn)調(diào)度辦公室，用于管理小車間的宏觀生產(chǎn)調(diào)度，并在小車間里實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的控制。

2 對(duì)作業(yè)效率的分析

從作業(yè)效率的角度考慮，編組站綜合自動(dòng)化采用DCS方式具有較明顯優(yōu)勢(shì)。

1．編組站作業(yè)組織者指定作業(yè)方案時(shí)，主要考慮流程的連續(xù)性，譬如根據(jù)列車的方向以及車列的組號(hào)特點(diǎn)合理安排作業(yè)場(chǎng)，滿足 “接車照顧推峰，解體照顧編組”的要求。

2．編組站作業(yè)執(zhí)行者根據(jù)實(shí)時(shí)變化的作業(yè)情況，調(diào)整執(zhí)行方法，譬如：實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)車計(jì)劃的股道；根據(jù)優(yōu)先級(jí)和最短處理時(shí)間擇機(jī)辦理進(jìn)路等。

3．由于流水線方式是存在阻塞性的，即上一個(gè)產(chǎn)品若在流水線上出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，需要暫停整條流水線，只有將該異常修正，才能夠保證下一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)正確。同時(shí)，流水線方式的效率是從設(shè)計(jì)一開始就決定的，它僅決定于該流水線完成一個(gè)完整流程的時(shí)間，就像生產(chǎn)汽車的生產(chǎn)線要提高效率，只有通過加快組裝車生產(chǎn)線的走行運(yùn)行速度，同時(shí)縮短在每道工序停留的時(shí)間。因此，流水線方式在強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化連續(xù)性的同時(shí)，犧牲了系統(tǒng)整體的效率。

從理論定義上來看，調(diào)度是指運(yùn)用一種方法，把稀缺資源合理分配，其目的是優(yōu)化方法，把單位時(shí)間的作業(yè)量提高，從而提高效率。要提高系統(tǒng)作業(yè)的效率，就必須保證系統(tǒng)在隨機(jī)過程中，能夠靈活地進(jìn)行調(diào)度。調(diào)度的靈活性主要表現(xiàn)為調(diào)度方法的健壯性，隨機(jī)事務(wù)在某一時(shí)刻的健壯性可以通過以下函數(shù)Rn來衡量，其結(jié)果越大，說明調(diào)度算法越健壯。

其中，wj是該工序的復(fù)雜度加權(quán)；dj是完成特定工序所需的時(shí)間；dj－Cj就是完成時(shí)間與實(shí)際工期之間的松弛度。通過公式很容易看出，調(diào)度的工作流越密集，調(diào)度的可操作性越差。因此，流水線方式在處理連續(xù)的非閉環(huán)控制事務(wù)時(shí)，較DCS模式具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。但在處理需異步響應(yīng)多條件反饋的事件時(shí)，流水線方式則明顯比DCS模式反應(yīng)遲緩，影響范圍擴(kuò)大。它在依賴整體調(diào)度處理局部問題時(shí)，則更大程度上浪費(fèi)了調(diào)度時(shí)間，影響生產(chǎn)效率。

3 對(duì)自動(dòng)化率的分析

在編組站綜合自動(dòng)化的研究過程中，所有的科研工作者均希望通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將人從勞動(dòng)中解放出來，甚至希望計(jì)算機(jī)可以像人一樣思考，高效、有序、安全地辦理編組站內(nèi)的作業(yè)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速和大容量存儲(chǔ)，確實(shí)使計(jì)算機(jī)有能力承擔(dān)多輸入條件的多維復(fù)雜運(yùn)算。但不幸的是，目前仍沒有對(duì)車站的作業(yè)建立出全值域的數(shù)學(xué)模型。

真實(shí)的編組站作業(yè)過程并非任何一種流水線模型可以描述。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)七場(chǎng)的雙向縱列編組站的到達(dá)場(chǎng)接車符合有準(zhǔn)備時(shí)間的柔性流水車間模型；駝峰場(chǎng)與編尾場(chǎng)的運(yùn)用則符合隨機(jī)并行機(jī)模型；出發(fā)場(chǎng)作業(yè)則符合流水車間模型。以上模型均屬于調(diào)度理論所描述的強(qiáng)NP問題，雖然在理論研究中提出過運(yùn)用模擬退火算法、禁忌搜索算法、遺傳算法等調(diào)度算法，但均只能在多數(shù)條件假定線性可變的前提下進(jìn)行。所以現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型只能在有限的取值范圍內(nèi)，進(jìn)行理論上的研究，而遠(yuǎn)不能滿足使用要求。

現(xiàn)代人機(jī)工學(xué)中認(rèn)為，在目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)條件下，高水平的人機(jī)結(jié)合不是簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)替代的方法，而是將通過計(jì)算機(jī)對(duì)操作環(huán)境所涉及到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將關(guān)鍵信息提供給用戶，并為用戶提供若干可行方式選擇，輔助其進(jìn)行作業(yè)過程的決策。可將剩余的、簡(jiǎn)單重復(fù)的行為過程交由計(jì)算機(jī)執(zhí)行完成，并及時(shí)反饋其動(dòng)作結(jié)果。

這與目前機(jī)器人的發(fā)展思路也是吻合的。復(fù)雜機(jī)器人的設(shè)計(jì)也是更趨向于人控肢體機(jī)器人，即通過電子技術(shù)將計(jì)算機(jī)的視覺、觸覺反饋給操作人員，操作人員在控制臺(tái)上，通過控制桿操作機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)作，完成作業(yè)任務(wù)；而不是設(shè)計(jì)全智能機(jī)器人，讓他自行在環(huán)境中進(jìn)行自主工作。

4 作業(yè)效率與自動(dòng)化率的平衡

由上述分析可以看出，就目前的技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)讓作業(yè)效率和自動(dòng)化率兩者均達(dá)到一個(gè)理想的程度。因此，只能在兩者間尋求一種平衡。

相比之下，采取DCS方式的設(shè)計(jì)理念具有更多的優(yōu)勢(shì)。這種方式設(shè)計(jì)的SAM系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上分為管理信息系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)以及過程執(zhí)行系統(tǒng)。管理信息系統(tǒng)就是通過預(yù)先制定一系列的方案，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)車安排為目的，該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)共享與分析功能，幫助現(xiàn)車的調(diào)度者 （通常為場(chǎng)調(diào)）完成現(xiàn)車的選取與方案的編制；通過自動(dòng)控制技術(shù)，為生產(chǎn)線的調(diào)度者 （通常為值班員）提供實(shí)時(shí)調(diào)整的自動(dòng)執(zhí)行方案，完成自動(dòng)組織生產(chǎn)的功能。編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，在其不同層面上對(duì)生產(chǎn)的安排和對(duì)生產(chǎn)線的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件下編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作。如圖1所示。

圖1 SAM系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度流程

為了在較高作業(yè)效率的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，采用DCS方式的編組站集中控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)規(guī)劃為主，人工決策優(yōu)先，結(jié)合全圖形化一鍵式干預(yù)為主要手段的自動(dòng)控制作業(yè)模式。計(jì)算機(jī)在收到路局下發(fā)的行調(diào)計(jì)劃和站調(diào)計(jì)劃后，進(jìn)行計(jì)劃內(nèi)容的結(jié)合，并立即生成作業(yè)階段計(jì)劃。作業(yè)人員可以根據(jù)階段計(jì)劃在計(jì)算機(jī)的輔助下，自動(dòng)生成編組、解體計(jì)劃。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和計(jì)劃順序，自動(dòng)生成連續(xù)的作業(yè)命令，并以實(shí)時(shí)圖形方式展現(xiàn)給用戶。用戶可以快速在界面上完成任務(wù)修改。

由于不同的作業(yè)組織特征差異，會(huì)直接影響系統(tǒng)內(nèi)調(diào)度的復(fù)雜度和兌現(xiàn)率。SAM系統(tǒng)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上允許作業(yè)組織的差異化需求，并結(jié)合車站行車組織特征，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深層次定制、對(duì)編組站作業(yè)過程中重復(fù)性、規(guī)律性部分實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化處理。對(duì)于需要靈活處置的細(xì)節(jié)，則設(shè)置人為干預(yù)的條件，當(dāng)使用者認(rèn)為有更好的處置方法時(shí)，可以隨時(shí)干預(yù)其管理范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程，從而實(shí)現(xiàn)了高自動(dòng)化水平下的高作業(yè)效率。

5 結(jié)束語

通過在新豐鎮(zhèn)編組站、蘭州北編組站、包頭西編組站，以及豐臺(tái)西編組站使用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，將上述編組站作業(yè)能力與同期同一級(jí)別編組站進(jìn)行對(duì)比，充分表明具有DCS結(jié)構(gòu)的編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，在作業(yè)效率方面具有良好表現(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)方式的變化，可以看出綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化作業(yè)功能，給車站作業(yè)組織和生產(chǎn)方式帶來的巨大變革。

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