高速鐵路調度指揮系統縱向結構協同有序度模型

鄧 念， 彭其淵

（西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

高速鐵路調度指揮系統縱向結構協同有序度模型

鄧 念， 彭其淵

（西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

為深入研究調度指揮系統的協同機理，針對我國高速鐵路成網后可能存在的全路集中、區域集中和干線二級三種調度指揮模式，系統分析比較了各模式的管理層級和組織結構特征．結合協同學理論提出了調度指揮系統結構協同有序度概念，并以實現調度指揮系統組織結構縱向協同為目標，采用信息熵理論構建各模式下的通用有序度模型，在此基礎上提出了調度指揮模式定量選擇方法，最后通過案例分析驗證其有效性．研究結果表明：調度臺數量為60時，增設二級管理控制中心能夠提高調度指揮系統組織結構有序度0．05～0．10；合理的二級管理控制中心配置方案能有效提高系統組織結構有序度0．1．

調度指揮；高速鐵路；協同；信息熵

高速鐵路調度指揮系統是高速鐵路運營管理的核心，基于高速鐵路運輸組織安全、正點、高效的基本要求，需要高速鐵路調度指揮系統在縱向層級、各專業子系統與既有線調度指揮系統間在組織架構、功能設置、協調控制、信息交互與共享等方面實現協同．隨著中國高速鐵路建設的不斷發展，高速鐵路的建設和運營需要與之相適應的現代化調度指揮系統，以確保高速鐵路及整個鐵路網絡的運輸安全、正常秩序及生產效率．

從20世紀90年代起，國內專家和學者對我國高速鐵路運營調度進行了深入的研究并取得了重要的研究成果．文獻［1］分析了影響高速鐵路調度指揮模式的選擇因素，并通過多方面比較確定適宜我國高速鐵路的調度指揮模式——區域集中二級調度指揮模式；文獻［2］分析了我國高速鐵路調度指揮待解決的問題，并總結了高速鐵路調度與既有調度指揮系統的結合原則；文獻［3］結合我國鐵路組織管理模式，提出構建現代化高速鐵路運營調度系統體系的設想．縱觀目前的文獻，對于高速鐵路調度指揮模式選擇問題的研究往往偏向于結合高速鐵路運營特點、運輸組織模式、與既有線協調等方面的定性探討，缺乏系統建設運營科學理論體系以及供系統建設參考的量化研究方案．因此，本文從系統論角度出發，研究調度指揮系統縱向層級協同問題，提出一種量化研究調度指揮系統結構有序度的方法，對于我國高速鐵路調度指揮系統協同、調度指揮模式選擇及高速鐵路建設和運營有著非常重要的意義．

1 高速鐵路調度指揮模式協同問題

1．1 主要調度指揮模式特征

從目前各國高速鐵路運營調度指揮模式可以看出［4-8］，主要的調度指揮模式分為：全路集中調度指揮模式、區域集中調度指揮模式和干線二級模式（見圖1）．按其縱向組織結構特征可劃分為兩類：集中管理結構和二級管理結構．集中管理結構設置統一的綜合調度指揮中心，在綜合調度中心根據線路數量、行車量等設置相應數量的調度臺，各調度臺通過專業調度向基層站段發布調度指揮命令，指揮現場的各項工作．二級管理結構是將整個高速鐵路調度指揮系統分為兩個層級，全路綜合調度指揮中心和二級調度指揮中心．全路綜合調度指揮中心主要是起監視和協調作用，必要時接管指定二級調度指揮工作，二級調度指揮中心負責日常列車的調度指揮工作，通過各專業調度臺向基層發布調度命令，基層站段根據調度命令組織實施．不同調度指揮模式區別詳見表1．

我國高速鐵路的修建是分段建設、逐漸成網的過程．在建設初期，投入運營的高速鐵路均委托給鐵路局代為運營，在鐵道部全路調度中心和鐵路局調度指揮中心分別增設高速鐵路調度系統．

圖1 高速鐵路調度指揮模式組織結構Fig．1 Organizational structure for high speed railway dispatching schemes

1．2 調度指揮模式協同內涵

高速鐵路調度指揮系統是一個由相互聯系、相互影響的多單元組成的完整系統，該系統組成元素多，元素之間存在著強烈耦合作用，并具有動態性特征．為實現系統安全、高效的生產運作，不僅需要各部門、各環節、各工種在日常業務流程實現協同運作，還需要調度指揮體系在縱向組織結構、橫向功能設置及信息交互上協同．所謂協同，既是系統中各子系統的相互協調、合作，并通過相互間非線性作用產生相干效應和協同作用，以構建出結構和功能上的有序，實現系統整體功能大于各子系統之和的協同現象［9-10］．換句話說，協同就是系統的有序程度，系統有序度越高，越能發揮更大的協同效應．研究系統的協同問題，就是研究如何構建系統的“協同有序”．要構建系統的“協同有序”，首先要識別系統有序的來源，度量系統有序的程度．

表1 主要調度指揮模式組織結構特征Tab．1 Organizational structure of different dispatching schemes

1．3 組織結構與信息傳播有序性

從系統組織結構設計的角度來看，系統能否具有靈活快速的應變能力與系統的組織結構信息傳遞有序性有直接相關性．信息結構有序度的高低直接反映出組織內信息傳遞效率以及組織對各種變化的快速響應能力．信息溝通的速度和準確度是組織結構優劣的重要指標．如果系統結構滿足不了組織對信息的需要就會影響到組織的效果［13］．因此，研究系統組織結構有序度問題可以從信息傳播有序性的途徑入手．

信息傳播的有序性是指信息在系統中傳播運動的穩定性、規則性、重復性和相互的因果關聯性，其表現在系統中信息傳播的時效性（速度）和質效性（準確度）兩個方面．

系統中存在著縱橫交錯的信息網，假設系統的信息是逐層流動的，整個系統的信息量不變，則管理層次增多，其每層的管理幅度便會減少，因而管理層次和管理幅度是互為消長的．與此相對應，評價組織效率的信息流通指標——時效性和質效性也呈現出相互矛盾性．即：管理層次增多使信息流通的路徑增多而分義減少，從而延緩了信息流通的速度，但卻提高了精確性．相反，如果減少管理層次，則必然會增加每層的管理幅度，這樣雖然流通時效性增強，然而信息分義點會增多，信息在流通中出錯的機會也增多，直接影響到信息流通的質量．

在調度指揮系統中，信息傳播是管理層與調度層、調度層與基層站段之間的重要溝通方式，其有序性決定了系統在縱向上能否實現控制中心對系統和設備的直接管理和控制，管理決策控制能否有效、準確地傳達是系統安全、高效運營的重要因素之一．調度指揮模式協同即調度指揮系統的組織結構滿足各業務單元日常作業、決策控制在信息交互上的有序性，發揮大于各子系統功能加總的系統整體協同效應．

調度指揮模式的縱向結構協同問題，既是管理層級與每層管理幅度之間的合理配置問題，它是影響系統內信息流通有效性的重要因素，因此如何配置這兩個指標以實現準確的信息在有效的時間內到達，是評價縱向結構協同和優化組織結構的基本準則．

2 信息熵——有序度的度量

信息熵理論是一種研究復雜性系統宏觀度量的重要方法，它的中心思想認為系統的組織結構有序度是在考慮信息傳播時的有序度，并從信息傳播的時效性和質效性兩個方面度量系統信息傳播的有序度［11-15］，已大量運用于有關組織結構有序度研究方面［16-25］，且取得了較好的成果．

微觀態信息熵理論將系統的組織結構有序度描述為

式中：H為系統的結構熵；Hm為系統的最大熵；R為系統結構有序度的一種度量．R值越大，則表明系統組織越有效、越有秩序，其信息熵就越低．根據度量信息的時效性和質效性指標，系統的組織結構熵分為時效熵和質效熵．因而系統的組織結構有序度是信息傳播時效有序度與質效有序度的加總．

式中：α、β分別為時效和質效關于系統的權重系數，α＋β＝1；RT為時效熵；RQ為質效熵．

2．1 時效熵及時效有序度

如圖2所示，將系統抽象成由組成要素及要素關聯關系構成的組織結構圖．其中節點○為構成系統的基本元素；直線段“—”表示各節點間存在直接信息流，這里稱作聯系，元素之間經過的聯系數叫做元素的聯系長度．

圖2 系統組織結構要素關聯圖Fig．2 Feature association of system structure

系統的時效反映信息在系統中或元素間傳遞過程中信息流通的時效性大小，時效熵則反映信息在系統中或元素間流通時效性不確定性的大小．系統中縱向結構上下級兩元素之間的時效熵表示為

式中：PT（ij）為系統第i，j個聯系的時效微觀態實現概率，根據信息熵的微觀態概念，系統任兩個元素之間的狀態實現概率既是兩個元素在系統的聯系路徑數占系統元素總聯系路徑數的概率．其計算公式為

式中：Lij為結構中i，j的最短路徑；

NT為系統的時效微觀態總數，其值為系統時效微觀態數目加總值

NT決定了信息在系統中傳輸的總體效率，因此將系統的最大時效熵定義為

由于熵是一個廣延量，系統的總時效熵為

根據上節有序度公式，系統的時效有序度

2．2 質效熵及質效有序度

信息在系統中流通時準確度的大小稱為系統質效，質效熵描述信息質量不確定性的大小，元素的質效熵描述本元素在信息傳遞過程中出錯機會的不確定性，表述為

式中：PQ（i）為系統第i個元素的質量微觀態實現概率，計算公式為

式中：

Ki為元素聯系幅度，組織結構中與i元素有直接聯系的元素數量，也稱作該元素的質量微觀態；系統的質量微觀態總數為

系統總質效熵為

系統的最大質效熵為

系統的質量有序度為

3 高速鐵路調度指揮模式有序度模型

3．1 問題界定及模型假設

（1）調度指揮模式在組織架構上的主要區別為縱向控制結構等級不同．全路集中模式為一級控制結構，區域集中式和通道調度指揮模式為二級控制結構且具有相同的縱向組織結構，本文將分別建立2個有序度模型．

（2）本文擬研究調度指揮模式縱向組織結構協同有序問題，不考慮同級元素之間橫向信息的傳播關系．

（3）本文采用信息熵理論從信息傳播角度探討體系結構的有序度問題，模型中組成調度指揮體系的控制中心、業務調度臺、車站、動車段、維修中心等體系架構的基本元素，均作為信息傳播的節點，不做功能上的區分．

（4）連接基本元素邊代表兩元素間存在信息傳遞，相鄰元素的信息通道長度相等，信息通道容量滿足需求．

（5）由于車站、動車段、維修所等不作為系統的控制結構，將車站、動車段及維修所作為同一元素討論．

（6）基于上述問題界定及假設，將兩種控制結構的調度指揮模式組織結構描述如圖3所示．本文構建的有序度模型將基于該組織結構圖．

圖3 不同控制結構調度指揮模式組織結構圖Fig．3 Structure organization of different control structure dispatching scheme

3．2 全路集中調度指揮模式組織結構有序度模型

全路集中調度指揮模式系統結構如圖4所示，圖中元素0為全路調度指揮中心，元素1～i為業務調度臺，元素i＋1～2i為車站、動車段及維修所等．i表示設置業務調度臺的數量．

根據章節2中公式建立全路集中調度指揮模式縱向結構有序度模型：

①元素的聯系長度為

②元素的聯系幅度為

③系統總時效熵為

圖4 全路集中調度指揮模式組織結構簡圖Fig．4 Organization structure of centralized dispatching scheme

④系統總質效熵為

⑤系統最大時效熵為

⑥系統最大質效熵為

⑦系統的時效有序度為

⑧系統的質效有序度為

⑨系統的組織結構有序度為

3．3 區域集中／通道調度指揮模式組織結構有序度模型

區域集中調度指揮模式系統結構如圖5所示．

圖5中i為增設的二級調度指揮區域數量，j為每個二級調度指揮中心設置業務調度臺數量，為方便討論，設每個區域擁有相同的調度臺數．

根據第2節中公式建立區域集中／通道調度指揮模式有序度模型：

①i元素的聯系長度為

②i元素的聯系幅度為

③系統總時效熵為

圖5 區域集中／通道調度指揮模式組織結構簡圖Fig．5 Organization structure of regionally centralized／access-based dispatching scheme

④系統總質效熵為

⑤系統最大時效熵為

⑥系統最大質效熵為

⑦系統的時效有序度為

⑧系統的質效有序度為

⑨系統的組織結構有序度為

4 高速鐵路調度指揮系統體系組織結構有序度模型

根據《中長期鐵路網規劃》（2008年調整），到2020年，高速鐵路將達到1．6萬km，按300 km設置列車調度臺計算，所需的調度臺套數約為60臺．本文采用總調度臺數為60臺，分別對上述兩種模型進行計算分析，文中考慮信息傳播的時效和質效具有相同的重要度［13］，α、β參數取值為0．5（α＋β＝1）．

4．1 全路集中調度指揮模式有序度模型

考慮參數i（調度臺數量）取值范圍1～60時，采用信息熵理論構建的全路調度指揮模式有序度模型計算結果如圖6所示．其中RT1為該模式的時效有序度，RQ1為該模式的質效有序度，R1為該模式的組織結構有序度．隨著業務調度臺數量增加，系統組織結構規模增大，系統組織結構有序度降低．

4．2 區域集中調度指揮模式有序度模型

因區域集中調度指揮模式設有二級指揮中心，在調度臺總數不變時有多種設置方式，本文僅選擇幾種方式進行討論．其中RT2為該模式的時效有序度，RQ2為該模式的質效有序度，R2為該模式的組織結構有序度，考慮參數i（調度臺數量）取值范圍為1～60時．圖7（a）為各區域調度臺數為j＝6臺，區域調度中心設置變化i＝60／j時該模式的有序度變化情況．圖7（b）為分別設置1～10個區域調度中心時該模式組織結構有序度變化情況．圖7（c）為只增設一個區域調度指揮中心時該模式組織結構有序度變化．圖7（d）為每個業務調度臺設置一個區域指揮中心時該模式組織結構有序度變化．同全路調度指揮模式相同，隨著業務調度臺的數量增加，區域集中調度指揮模式組織結構有序度逐漸降低．從圖7（c）、圖7（d）中可得不同的區域調度指揮中心設置方案對同種規模的體系，其組織結構有序度不同．

圖6 全路集中調度指揮模式系統結構有序度變化Fig．6 Organizational structure's synergicorder degree changes of centralized dispatching system

圖7 區域集中調度指揮模式系統結構有序度Fig．7 Organizational structure's synergic order degree of regionally centralized dispatching system

4．3 計算結果分析

論文選取圖6和圖7（a）兩種調度指揮模式系統組織結構有序度變化進行了對比，結果如圖8所示．其中區域調度指揮模式各區域內設6個調度臺．由圖8可知，在該種調度臺配置情況下，體系規模較小時（＜20臺）增二級管理結構的調度指揮模式組織結構有序度較高，體系規模較大（＞20臺）時，全路集中調度指揮模式的組織結構有序度較高．由于不同區域調度中心設置方案對體系組織結構影響不同，因此在探討兩種調度指揮模式有序度時還需根據具體的區域調度指揮中心設置方案而定．

圖8 調度指揮系統組織結構有序度對比圖Fig．8 Comparison chart of organization structure of different dispatching scheme

5 結 論

高速鐵路調度指揮系統擔負著高速鐵路安全、高效的運營重責，同時也是保障高速鐵路日常生產的關鍵，選擇適宜的調度指揮模式對于高速鐵路的建設運營至關重要．

本文從系統論、協同學、信息傳播理論等角度對高速鐵路調度指揮模式縱向組織架構進行研究，利用信息熵理論針對不同調度指揮模式建立普遍適用的有序度模型，計算給出了兩種不同模式的有序度變化曲線．通過計算分析可得出以下結論：

（1）增設二級調度指揮中心能夠提高調度指揮體系組織結構有序度，二級調度指揮中心設置方案對體系組織結構有序度有一定影響．

（2）文章結合協同學與熵理論提出了一種量化研究高速鐵路調度指揮模式的方法，初探了協同學理論在調度指揮體系上的應用．該方法可作為調度指揮體系結構設計上的參考．需要注意的是調度指揮系統是一個復雜巨系統，其系統組織結構涉及的因素眾多，在設計建設時需綜合考慮多方面因素．

另文中初探的調度指揮模式有序度模型具有一定的局限性，如模型中時效與質效參數取值、底層元素未劃分等問題，這些都有待進一步的研究．

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（中、英文編輯：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

國家自然科學基金資助項目（U1234206）

鄧念（1988—），女，博士研究生，研究方向為高速鐵路調度指揮協同理論，E-mail：77137813＠qq．com

彭其淵（1962—），男，教授，研究方向為鐵路運輸組織優化理論與方法，E-mail：qiyuan-peng＠home．swjtu．edu．cn

鄧念，彭其淵．高速鐵路調度指揮系統縱向結構協同有序度模型［J］．西南交通大學學報，2016，51（1）：152-160．