趙明玥，李 霞，樊旭剛

（1.山東大學機電與信息工程學院，山東威海 264209;2.中國鐵路鄭州局集團公司洛陽機務段，河南洛陽 471002）

近年來，鐵路仿真培訓系統(tǒng)取得了一定的進步。白鑫[1]設計了高速鐵路行車仿真系統(tǒng)，精確模擬各種工況下的高速列車運行過程，可應用于運營階段的運行圖編制，為進一步發(fā)展鐵路運營和系統(tǒng)試驗平臺提供技術支撐。張曉梅[2]設計的高速鐵路調度指揮仿真實驗平臺實現(xiàn)了各崗位操作綜合訓練，用于行車組織基礎理論與基本操作的學習。周妍提出了高速鐵路行車調度指揮一體化仿真實驗平臺，實現(xiàn)了列車運行計劃編制與下達、列車調度指揮作業(yè)仿真等，但未還原再現(xiàn)列車調度指揮故障與非正常場景。杜嘵旭[3]結合業(yè)務流程控制、語音識別與合成技術，對車站作業(yè)進行全面模擬仿真。

基于現(xiàn)有培訓方式的不足，本文設計基于模糊控制的軌道交通多工種聯(lián)動控制方法及系統(tǒng)[4-7]，用于國鐵調度業(yè)務仿真、培訓場景還原、多工種作業(yè)流程優(yōu)化重組、應急預案演練與方案比選。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

高速鐵路多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)分為服務器、客戶端和教員3個部分，如圖1所示。服務器用于系統(tǒng)各個工種對應客戶端的核心計算服務，是系統(tǒng)功能的重要組成部分。教員用于系統(tǒng)培訓管理、課程管理、故障場景設置等，是培訓組織的主要承擔模塊。各個工種客戶端用于培訓場景還原、進行模擬操作。

圖1 高鐵多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)Fig.1 Composition of multi-task linkage control system of high-speed railway

1.2 功能業(yè)務技術方案

高速鐵路多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)以列車運行計劃為核心、列車運營組織為目標、各工種既獨立又聯(lián)合培訓的綜合運營仿真平臺，實現(xiàn)了全專業(yè)所有子系統(tǒng)以列車駕駛和列車運營指揮仿真為基礎的統(tǒng)一互聯(lián)互通平臺，能精準逼真模擬全系統(tǒng)同圖、圖線、同時運行在集行車組織、供電、信號、線路場景等于一體的虛擬運行環(huán)境，能較好的實現(xiàn)各個工種客戶端的合理組織，并能將工種的日常作業(yè)流程轉化為計算機可以識別的控制語言，同時也能分析復雜的高速鐵路多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)中各個因素的相互關系，確定不同因素的重要程度并為其分配權重。

2 基于模糊控制的算法設計

2.1 算法設計

2.1.1 模糊控制算法設計

根據(jù)鐵路不同專業(yè)不同工種崗位能力與作業(yè)步驟內容構建相應的能力系統(tǒng)知識庫，以多工種的經驗信息為例，運用模糊控制理論并結合鐵路現(xiàn)場實際作業(yè)性質將既有控制規(guī)則改寫成if…then的形式，建立基于高速鐵路多工種的模糊控制規(guī)則。

例1，道岔失表故障時，行車調度員應用的模糊規(guī)則語句，R：if道岔is失去表示then封鎖故障道岔。

例2，列車軸溫報警時，行車調度員應用的模糊規(guī)則語句，R：if軸溫is報警then通知司機停車。

2.1.2 層次分析法

高速鐵路多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)的分析均涉及到多個專業(yè)多個工種，每個角色的參與程度和重要程度難以明確清晰界定。層次分析法的優(yōu)勢在于，可以將復雜的系統(tǒng)分解成單獨的因素，進而分析各個因素的重要程度，并賦予各自的權重值來界定該因素的參與程度。

本系統(tǒng)應用層次分析法首先分析梳理不同因素之間的關系并構建層次結構模型，然后根據(jù)層次結構模型比較不同方案下準則層中各因素的權重，如圖2所示。

圖2 層級結構模型Fig.2 Hierarchical structure model

2.2 系統(tǒng)設計

高速鐵路多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)不同專業(yè)不同工種不同層級作業(yè)人員的“三新”入職和在崗能力提升培訓，根據(jù)實訓過程中不同參訓人員作業(yè)經驗與鐵路現(xiàn)場實際案例對功能數(shù)據(jù)庫和控制規(guī)則集進行橫向與縱向擴充和優(yōu)化，同時可以根據(jù)培訓人員的能力差項與先在潛在知識對功能需求庫進行補充和完善。本系統(tǒng)的具體設計方法如下。

1）構建基于鐵路系統(tǒng)全專業(yè)全工種的用戶需求功能庫MA：

公 式（1） 中，m1,m2分 別 代 表 正 常 情況和故障情況下多工種的用戶需求功能庫。為模糊矩陣A，表示多工種相關功能需求集對應正常和故障兩種情況的隸屬函數(shù)。[d1d2d3…dn]為權重系數(shù)矩陣D，表示多工種相關功能需求集對應正常、故障的權重系數(shù)。綜合隸屬度矩陣M=(Nij)2×n是模糊矩陣A與權重系數(shù)矩陣D的直積，即M=A×D，樣本矩陣Y=(Yi)n×1代表多工種相關的功能需求集。

2）基于用戶需求功能庫和業(yè)務培訓體系建立仿真系統(tǒng)功能庫MB：

4）構建基于鐵路系統(tǒng)全專業(yè)全工種的模糊控制規(guī)則集

通過詢問經驗豐富的各工種員工構建系統(tǒng)知識庫，將其改寫為if…then的形式，建立模糊控制規(guī)則集R，從而將人的經驗轉化為計算機可以識別的控制語言。

5）處理參訓人員操控數(shù)據(jù)集O

將參訓人員操控數(shù)據(jù)集O的元素x0、y0…代入所屬隸屬函數(shù)計算隸屬度aN(x0)、aF(x0)、aN(y0)、aF(y0)…,根據(jù)隸屬度確定匹配的模糊規(guī)則：

再對模糊規(guī)則R1，R2，…，Rn進行規(guī)則前提推理得到規(guī)則前提的可信度，然后將規(guī)則前提可信度表與模糊推理結果表做與運算得到R1，R2，…，Rn的總輸出。

6）系統(tǒng)輸出

最后以最大平均法將模糊系統(tǒng)總輸出反模糊化產生相關作業(yè)演練流程集和權重因子為系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)設計流程框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設計流程框架Fig.3 System design process framework

3 仿真實例分析

本文以鐵路現(xiàn)場實際突發(fā)故障頻率較高且所涉工種較多的道岔失表故障為例，應用高速鐵路多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)對不同參訓人員進行協(xié)同演練培訓，并結合模糊控制系統(tǒng)與層次分析法對其進行規(guī)則約束和多緯度能力考核評價與統(tǒng)計分析。

當系統(tǒng)中道岔出現(xiàn)失表故障，行調通知鄰站停止向發(fā)生故障的車站發(fā)車并通知故障車站電務、工務上線處理，處理完成后解封道岔并通知相關車站恢復正常行車。車站值班員得到通知后安排電務、工務上線處理，處理完成后安排人員下線并通知行調。電務、工務協(xié)調配合現(xiàn)場處理故障，完成后向值班員報告。模糊控制規(guī)則收集以上工種人員的操作記錄，進行反模糊化生成道岔失表故障流程集，輸出流程集如表1所示，執(zhí)行時序如圖4所示。

圖4 基于模糊規(guī)則控制的道岔失表故障處理流程Fig.4 Fault treatment procedure for loss of turnout indication

表1 道岔失表模糊控制規(guī)則輸出Tab.1 The output of fuzzy control rules for loss of turnout indication

將仿真系統(tǒng)功能庫至車站相關功能需求集的聯(lián)鎖系統(tǒng)功能需求子集，其計算方式為：

對道岔建立正常（N：Normal State)、故障（F：Failure State）模糊集并定義隸屬函數(shù)μN、μF。某一時刻系統(tǒng)的信息輸入接口實時監(jiān)測輸入信息道岔失表為真x0=1，則隸屬度μF（x0)=1。道岔故障層級如圖5所示。

圖5 道岔故障層級模型Fig.5 Hierarchical model of turnout fault

進行50次層次分析，計算其與現(xiàn)場經驗的均方誤差得到結果如圖6所示。

通過圖6可以看出，道岔故障時，層次分析法得到的權重因子相比于現(xiàn)場經驗均方差更小，表示利用層次法分配的各工種權重更加合理。

圖6 道岔故障層次分析法Fig.6 Analytic hierarchy process of turnout fault

從道岔故障例子可以看出，通過層次分析可以將道岔故障中復雜的多工種操作進行分解，當分解成單個工種時，可以確定每個工種的重要程度，并賦予權重因子。在模糊控制算法中，借助于用戶需求功能庫可以對每個故障進行詳細分析，通過仿真系統(tǒng)功能庫對每個工種進行層層剖析，進而確定到具體的行車設備，同時結合豐富的員工的經驗形成模糊控制規(guī)則，指導多工種員工進行培訓，相比于傳統(tǒng)的故障處理方式，同時由于采用分層的結構，可以通過試誤法不斷修正，系統(tǒng)功能的擴展性能更好。

4 結語

基于模糊控制的軌道交通多工種聯(lián)動控制系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有鐵路培訓方式培訓成本高、周期長、培訓工種單一、缺乏聯(lián)動控制的問題，實現(xiàn)鐵路多專業(yè)全工種在同一仿真培訓平臺進行聯(lián)合模擬演練，使單一工種培訓向全工種聯(lián)合轉變。該系統(tǒng)以模糊控制理論為核心控制算法，將工作經驗轉化為可執(zhí)行的程序控制語句，實現(xiàn)國鐵調度功能業(yè)務仿真、現(xiàn)場實際培訓場景還原、多工種作業(yè)流程優(yōu)化重組。同時還可以提高國鐵多工種作業(yè)流程連貫性、合理性，通過多次訓練積累數(shù)據(jù)不斷修正控制邏輯，提升鐵路從業(yè)人員技術水平，優(yōu)化多工種作業(yè)流程。