面向多維信息融合的鐵路TFDS 設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度

張國(guó)彪

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100011）

鐵路TFDS 設(shè)備是用來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)維工作的被動(dòng)型應(yīng)用結(jié)構(gòu)，末端節(jié)點(diǎn)處的信息文本會(huì)以傳輸數(shù)據(jù)的方式反饋至調(diào)度中心，并可以在巡檢服務(wù)器元件的作用下，將數(shù)據(jù)參量分發(fā)至下級(jí)設(shè)備主機(jī)[1]。隨著鐵路運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，如何在保障TFDS 設(shè)備應(yīng)用能力的同時(shí)，完善整個(gè)運(yùn)維體系已經(jīng)成為了一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。多維信息融合是一種新型的共享數(shù)據(jù)處理方法，可以將運(yùn)行節(jié)點(diǎn)所處位置固定在既定區(qū)域之內(nèi)，不但解決了數(shù)據(jù)信息樣本過(guò)度累積的問(wèn)題，還可以將整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域劃分成幾個(gè)完全獨(dú)立的區(qū)間，大大節(jié)省了信息參量在互聯(lián)網(wǎng)空間中的傳輸時(shí)間[2]。與其他類型的數(shù)據(jù)處理方法相比，多維信息融合技術(shù)能夠最大化保障信息樣本的傳輸完整性[3]，不會(huì)因接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大，而使數(shù)據(jù)信息的傳輸目的地發(fā)生改變。完善多維信息融合方法時(shí)，要求相鄰傳輸節(jié)點(diǎn)之間的距離要大于數(shù)據(jù)樣本的傳輸步長(zhǎng)值，但又不得超過(guò)該數(shù)據(jù)樣本的自身存儲(chǔ)長(zhǎng)度。

文獻(xiàn)[4]方法從多功能靈活性的角度出發(fā)，在平衡貨物運(yùn)輸負(fù)載量的同時(shí)，將運(yùn)維服務(wù)與共享服務(wù)匹配起來(lái)，控制TFDS 作業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)管控設(shè)備的集中規(guī)劃與調(diào)度。文獻(xiàn)[5]提出考慮能源互聯(lián)的城市電網(wǎng)多能源協(xié)調(diào)調(diào)度方法研究，通過(guò)對(duì)電力資源的相互影響，結(jié)合可調(diào)機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)整量，消除可再生能源的波動(dòng)。然而上述方法不能有效解決單一調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，無(wú)法確保鐵路TFDS 設(shè)備行為能力的統(tǒng)一性。針對(duì)上述情況，提出面向多維信息融合的鐵路TFDS 設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度方法，該方法的創(chuàng)新點(diǎn)是按照多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)定義、目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建、可調(diào)度區(qū)間計(jì)算、靈活裕度指標(biāo)求解、風(fēng)險(xiǎn)約束條件完善的處理流程，構(gòu)建鐵路TFDS 設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究方法可以提升鐵路TFDS 設(shè)備的統(tǒng)一化行為能力，具有較好的效果。

1 考慮多維信息融合的鐵路TFDS設(shè)備運(yùn)維模式

鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維模式的構(gòu)建以LAMP 平臺(tái)為基礎(chǔ)，根據(jù)B/S 模式對(duì)WEB 端網(wǎng)絡(luò)中agent 節(jié)點(diǎn)的排列形式進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，隨著鐵路運(yùn)輸量的增大，TFDS 作業(yè)體系所承擔(dān)的執(zhí)行任務(wù)量也會(huì)不斷增大，但在LAMP 平臺(tái)的調(diào)度下，這些數(shù)據(jù)信息樣本會(huì)被平均分配給各級(jí)連接節(jié)點(diǎn)，并不會(huì)在單一節(jié)點(diǎn)單元處大量累計(jì)[6]。設(shè)α表示B/S 連接線數(shù)量，α′表示agent 節(jié)點(diǎn)接入數(shù)量，bmax表示鐵路貨物運(yùn)輸量的最大值，bmin表示貨物運(yùn)輸量的最小值，聯(lián)立上述物理量，可將鐵路TFDS 設(shè)備的運(yùn)維表達(dá)式定義為：

具體的鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維模式布局結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐵路TFDS設(shè)備運(yùn)維模式布局結(jié)構(gòu)

對(duì)鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維模式進(jìn)行布局時(shí)，每一類調(diào)度對(duì)象的連接都需要一個(gè)獨(dú)立agent節(jié)點(diǎn)的配合。

2 協(xié)調(diào)智能調(diào)度模型

2.1 多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)

多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)約束了設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)在鐵路TFDS 體系內(nèi)的傳輸能力。在鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維模式保持不變的情況下，協(xié)調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)的傳輸能力也始終保持恒定，此時(shí)定義多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)則可以有效控制單一調(diào)度指令的執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)[7-8]。設(shè)β 表示協(xié)調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸向量，表示信息辨識(shí)系數(shù)，δ表示綜合調(diào)度指標(biāo)，x′表示趨向性系數(shù)，χ 表示鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維系數(shù)，表示TFDS 設(shè)備運(yùn)維基向量，聯(lián)立上述物理量，可將鐵路協(xié)調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)融合維度表達(dá)式定義為：

在式（2）的基礎(chǔ)上，設(shè)φ表示信息融合系數(shù)，ε表示融合指標(biāo)的初始賦值，b表示TFDS 設(shè)備運(yùn)維度量指標(biāo)，ΔB表示鐵路TFDS 設(shè)備所承載的單位運(yùn)輸量。

鐵路TFDS 設(shè)備多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式為：

建立鐵路設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度模式時(shí)，應(yīng)在TFDS布局架構(gòu)的基礎(chǔ)上，定義多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)在多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)鐵路TFDS 設(shè)備體系對(duì)于下級(jí)調(diào)度設(shè)備的控制能力。一般來(lái)說(shuō)，待運(yùn)輸貨物量越大，車廂連接數(shù)量也就越多，此情況下單一調(diào)度指令的執(zhí)行時(shí)間也就相對(duì)較長(zhǎng)，為避免上述情況的發(fā)生，應(yīng)調(diào)節(jié)目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式，使其盡可能取得最小值結(jié)果[9-10]。設(shè)dmin表示調(diào)度指令執(zhí)行向量最小值，表示調(diào)度執(zhí)行指令的單位累積量，κ表示貨物調(diào)度指標(biāo)的初始賦值，表示鐵路TFDS 設(shè)備體系中車廂連接數(shù)量的平均值，kmin表示同一貨物運(yùn)輸水平下車廂連接數(shù)量的最小值，表示基于多維信息融合的鐵路TFDS 設(shè)備體系協(xié)調(diào)特征，ΔT表示調(diào)度指令單位執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)，聯(lián)合上述物理量，可將目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式定義為：

為使目標(biāo)函數(shù)取得最小值結(jié)果，要求系數(shù)ΔT取值必須大于鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維體系的單位運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

2.3 可調(diào)度區(qū)間

對(duì)于鐵路TFDS 設(shè)備而言，可調(diào)度區(qū)間是包含所有協(xié)調(diào)調(diào)度控制指令的數(shù)據(jù)信息集合。若考慮多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)的約束能力，則可認(rèn)為可調(diào)度區(qū)間中數(shù)據(jù)信息參量的存儲(chǔ)量越大，鐵路TFDS 設(shè)備對(duì)于協(xié)調(diào)執(zhí)行指令的調(diào)度能力越強(qiáng)[11-12]。規(guī)定ι表示一個(gè)隨機(jī)選取的協(xié)調(diào)調(diào)度控制指令數(shù)據(jù)變量，s1、s2、…、sn表示n個(gè)不相等的信息樣本取值系數(shù)，f表示鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維模式中的數(shù)據(jù)調(diào)度變量。具體的可調(diào)度區(qū)間定義式如下：

由于n個(gè)鐵路TFDS 設(shè)備調(diào)度指令數(shù)據(jù)樣本的取值結(jié)果均不相同，所以可調(diào)度區(qū)間對(duì)于數(shù)據(jù)調(diào)度變量指標(biāo)的承載能力極強(qiáng)。

2.4 靈活裕度指標(biāo)

靈活裕度指標(biāo)是指在多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)下，鐵路TFDS 設(shè)備通過(guò)優(yōu)化協(xié)調(diào)各類可調(diào)度資源，配合貨物運(yùn)輸量變化的能力[13]。靈活裕度實(shí)際上是一個(gè)范圍很廣的概念，包括了鐵路設(shè)備運(yùn)輸對(duì)象、agent 節(jié)點(diǎn)、TFDS 運(yùn)維體系等多個(gè)方面，完備的裕度指標(biāo)選取原則應(yīng)將這些內(nèi)容全部包含在內(nèi)[14]。設(shè)φ表示鐵路TFDS 設(shè)備的運(yùn)維靈活性系數(shù)，為滿足多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)的約束需求，φ≥1 的取值條件恒成立，γ表示鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維模式中的agent 節(jié)點(diǎn)標(biāo)記系數(shù)，ΔHmax表示鐵路貨物在單位時(shí)間內(nèi)的最大運(yùn)輸量。在上述物理量的支持下，可將靈活裕度指標(biāo)求解結(jié)果表示為：

對(duì)于鐵路TFDS 設(shè)備而言，單位時(shí)間內(nèi)的貨物運(yùn)輸量不可能為零，所以靈活裕度指標(biāo)的求解結(jié)果也不可能為零。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)約束條件

風(fēng)險(xiǎn)約束條件也叫基于多維信息融合的鐵路TFDS 設(shè)備調(diào)度指令協(xié)調(diào)約束條件，在已知調(diào)度執(zhí)行指令所屬區(qū)間范圍的前提下，TFDS 設(shè)備控制主機(jī)可以根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物鐵路運(yùn)輸路線的安排與規(guī)劃[15-16]。設(shè)g1、g2表示兩個(gè)不相等的TFDS設(shè)備調(diào)度指令執(zhí)行步長(zhǎng)值，μ表示風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)定指標(biāo)，j→1表示基于系數(shù)g1的約束向量，j→2表示基于系數(shù)g2的約束向量，聯(lián)立上述物理量，可將風(fēng)險(xiǎn)約束條件表達(dá)式定義為：

至此，完成對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在多維信息融合標(biāo)準(zhǔn)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路TFDS 設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度的研究。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證面向多維信息融合的鐵路TFDS 設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度模型的應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。借助LAMP 平臺(tái)搭建圖2 所示的鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維體系；利用基于多維信息融合的調(diào)度模型對(duì)鐵路TFDS設(shè)備運(yùn)維體系進(jìn)行控制，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參量指標(biāo)的變化情況，將所得數(shù)據(jù)記為實(shí)驗(yàn)組變量；其次，利用文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法對(duì)鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維體系進(jìn)行控制，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參量指標(biāo)的變化情況，將所得數(shù)據(jù)記為對(duì)照組變量；對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組記錄數(shù)值，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

圖2 鐵路TFDS設(shè)備運(yùn)維體系

在鐵路TFDS 設(shè)備運(yùn)維體系中，數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)貨物運(yùn)輸量、車輛行駛速度等多項(xiàng)變量指標(biāo)，故而相關(guān)元件之間的連接關(guān)系，會(huì)影響各級(jí)鐵路TFDS設(shè)備結(jié)構(gòu)的執(zhí)行能力。在不考慮其他影響條件的情況下，各級(jí)元件之間的聯(lián)系越緊密，單一調(diào)度指令的執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)也就越短，各級(jí)鐵路TFDS 設(shè)備的統(tǒng)一行為能力也就越強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一節(jié)火車的額定載重量為60 t，表1記錄了當(dāng)火車節(jié)數(shù)分別為1-7 節(jié)時(shí)，單一調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)的數(shù)值變化情況。

表1 執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

分析表1 可知，隨著火車連接節(jié)數(shù)的增加，單一調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)出不斷增大的變化狀態(tài)。

圖3 反映了低載重量下當(dāng)貨物載重量低于額定數(shù)值時(shí)，文中方法、文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法下調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)的數(shù)值變化情況。

圖3 低載重量下調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)

分析圖3 可知，當(dāng)貨物載重量低于額定數(shù)值時(shí)，不同方法下調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)均高于額定數(shù)值，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)最大值僅能達(dá)到11.2 ms。

圖4 反映了高載重量下當(dāng)貨物載重量高于額定數(shù)值時(shí)，文中方法、文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法下調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)的數(shù)值變化情況。

圖4 高載重量下調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)

分析圖4 可知，當(dāng)貨物載重量高于額定數(shù)值時(shí)，不同方法調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)也高于理想數(shù)值，且均值水平與圖3 相比略有上升。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)最大值為13.1 ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路TFDS 設(shè)備協(xié)調(diào)智能調(diào)度模型在多維信息融合技術(shù)的基礎(chǔ)上，求解靈活裕度指標(biāo)的具體數(shù)值，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式，確定風(fēng)險(xiǎn)約束條件的定義標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用方面，綜合調(diào)度模型能夠使鐵路TFDS 設(shè)備的行為能力趨于統(tǒng)一，解決單一調(diào)度指令執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。