高速鐵路應急調度預案復雜度量化方法研究

吳海濤，黎雙喜，侯成龍

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 611756；2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，四川 成都 611756；3.西南交通大學 綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室，四川 成都 611756)

高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)行車的特殊性和調度集中系統的高復雜性，對列車調度員作業任務提出了很高的安全性要求。為應對行車中出現的應急情況，調度所編制了高鐵非正常行車處置預案，用于調度員訓練和行車指揮過程中的應急情況處置。在人因可靠性分析領域，操作程序的復雜度是影響人員可靠性的多種行為形成因子中極為重要的一種。研究發現，降低操作程序復雜度能有效減小人因失誤概率[1-3]，而目前尚缺乏一種能客觀量化高鐵應急調度預案復雜度(Dispatching Plan Complexity, DPC)的方法。

國內外關于高鐵應急DPC的研究較少，大多集中在核電、化工和航空領域操作規程復雜度量化方面。國內研究方面，牛可[4]基于熵與VACP模型在宏觀上度量了地鐵全自動駕駛系統中從車站至調度中心整個行車層面的任務復雜度，但忽略了微觀任務流程的復雜度；游國強等[5]基于圖形熵的概念，提出一種應急預案邏輯復雜度度量方法，但未考慮預案結構和預案所含信息多少帶來的復雜度，在任務復雜度高低的比較上也未做分析。國外研究方面，軟件工程領域普遍使用了復雜度客觀度量方法，其中熵值法因切合軟件結構特點，且能從多角度度量軟件程序的復雜度而得到廣泛發展[6-8]。Park等[9-10]利用熵值法提出用步驟復雜度(Step Complexity, SC)度量核電站應急操作規程的復雜度，結果表明熵值法能很好刻畫流程結構邏輯方面的復雜度，然而忽略了由操作任務引起的操作者認知方面復雜度；姜千等[11]研究了核電站應急規程的復雜度，但未涉及指標權重，測得的復雜度準確性仍需考量；Liu等[12]考慮操作者任務執行過程的認知資源需求，提出任務復雜度(Task Complexity, TC)概念，通過將各項任務分解成元操作，利用VACP模型評估核電站操作任務的復雜度，并驗證了其適用性，但該方法忽略了由流程步驟邏輯引起的復雜度。

因此，鑒于熵值法與VACP模型在軟件、核電及航空航天等運輸之外領域有良好的復雜度闡釋能力，筆者基于此提出高鐵應急DPC的量化方法，利用DPC法能評估和量化預案執行過程的復雜性，為高鐵應急調度預案的制定及調度策略提供參考信息。

1 復雜度量化方法研究

1.1 基于熵理論的SC度量方法

熵是一種建立在概率統計模型之上的復雜度的信息度量，熵的概念于1948年由Shannon提出[13]，其計算公式為

(1)

式中：H為信息熵；N為信息源數量；Bi為第i個信息源；P(Bi)為第i個信息源出現的概率。

由式(1)可知，變量越不確定，其熵越大，為理解該變量所需的信息量也就越大，一個有序的系統其熵必然處于較低水平。為計算熵值，有一階熵和二階熵的概念，一階熵表示系統邏輯結構帶來的復雜度，二階熵表示系統流程內所含信息量的多少。SC計算的總體思路是把文本形式的預案流程轉化為圖形，通過計算圖形的一、二階熵來刻畫對應的復雜度。SC度量由3個子度量組成，這些子度量分別評估了由于3種復雜性因素導致的程序步驟的復雜性，分別是：操作員要處理的信息量(Step Information Complexity, SIC)、操作員要完成的活動量(Step Size Complexity, SSC)、程序本身順序的邏輯結構(Step Logic Complexity, SLC)。SIC可通過信息結構圖的二階熵量化，SSC可通過動作控制圖的二階熵量化，SLC可通過動作控制圖的一階熵量化。其中信息結構圖描述操作員要處理的信息量，動作控制圖描述操作員要遵循的規定活動及其順序，且包含更多操作步驟數的動作控制圖其一階熵更小。SC值即為這3個因子的疊加。

因此，根據SC原理，通過繪制應急調度預案的動作控制圖，計算其一階熵，即可表示應急調度預案操作邏輯結構方面的復雜度。

1.2 VACP模型簡述

VACP模型最初是為了預測腦力負荷而開發，其基于多資源占用理論，將任務中視覺(V)、聽覺(A)、認知(C)及精神活動(P)4個通道所占用資源總和視為工作復雜度或工作負荷[14]。

根據Park[15]的分析，一項復雜的任務需要大量的認知資源和努力，復雜度越高，工作負荷越大，因此工作負荷可以作為SC的指標；此外，McCracken等[16]認為工作負荷由3個要素組成。①感覺：需要對視覺或聽覺刺激做出反應的復雜性；②認知：所需的思維水平；③精神運動：行為輸出所需的復雜性。根據工作負荷的定義，工作負荷是指3個信息處理渠道的復雜性或需求。Wickens等[17]聲稱任務復雜性的增加通常會導致工作負荷的增加。Wickens[18]強調，工作負荷描述的是任務施加的定量資源需求(即任務復雜性)與任務執行者提供這些資源的能力之間的關系。因此，工作負荷是任務復雜性的產物。在這一點上，VACP模型更好地被視為任務復雜性的度量，而不是工作負荷的度量。實際上，Wickens等[19]建議可以使用VACP模型來評估任務復雜性。此外，在其他研究中，任務復雜性與工作負荷有很好的相關性[20-21]，綜上所述，借用VACP模型度量調度預案認知復雜度是可行的。

VACP方法可用于所有可分解的任務，利用該方法輔助評估執行應急調度預案的復雜度需要足夠了解作業過程，并掌握任務信息。一般可從任務、子任務、元操作3個層面對應急調度預案進行逐層分析，進而得出元操作在V、A、C、P 4個資源通道的分值，再由下到上累加得到該預案下的認知復雜度值，即所有元操作資源總和為調度作業認知復雜度值。

在應用VACP法確定認知復雜度前，需要根據應急處置作業的具體情境，分析得出適合調度任務的評分準則。在Aldrich等[14]的VACP評分量表基礎上，針對本文將用到的具體調度作業內容，總結出關于應急處置作業的VACP評分準則，見表1。需要注意，盡管VACP評分準則針對的是調度員具體反應，但其體現的是由調度預案本身帶給調度員的認知層面復雜度，從這一角度來說，VACP模型可以體現預案本身的復雜程度。

表1 應急處置作業VACP評分準則

2 DPC分析

2.1 考慮工作任務的DPC影響因素分析

執行應急調度預案前列車調度員需要根據異常設備/列車損害狀況、列車當前及下一步行車任務選擇恰當的作業預案并執行，而預案決策過程又涉及諸多因素。通過調度任務視頻觀察和現場調研，筆者發現任務性質、調度過程因素等會大大增加DPC。在預案執行過程中，調度員需要執行“雙人確認”及“眼看-鼠標指-口呼”，其并非單純的動作執行者，也是過程的監控者，且調度員往往需要在較短時間內正確完成一套操作，那么預案任務的復雜程度便會對調度員有很大影響，進而導致調度員認知負荷增大。另外。由于出現應急時會產生大量信息，調度員需管理和整合更多信息，交互過程及交互對象更加復雜，無疑會增大調度員工作負荷。基于以上分析，調度員在執行預案時，預案本身邏輯結構復雜程度、預案流程所含動作數量、預案所含信息數量及調度員執行預案所需認知資源構成了DPC的主體。

2.2 DPC影響因素的主觀問卷分析

在對調度所10個行調臺，含10名列車調度員、10名助理調度員(以下分別簡稱主調、助調)及1名調度所值班副主任進行主觀問詢后，確定4個主要影響因素為：預案的邏輯結構復雜程度、預案所含操作步驟的數量、預案本身所含信息量和調度員信息處理過程所需認知資源量。然后對20名行車調度員進行主觀問卷調查，調查結果和分析結果趨于一致，所得預案復雜度影響因素見圖1。

圖1 高鐵應急DPC影響因素構成

對于調查中出現的額外影響因素，如預案中作業的類型等，將在后期的方法驗證過程中考慮，并對各作業類型采取不同度量標準。

2.3 DPC計算模型

度量指標是復雜度度量體系的核心，也是進行度量的基礎。基于以上影響因素的分析與調查結果，初步度量指標可歸為以下4種:調度預案結構邏輯復雜程度(Dispatching Plan Logic Complexity, DPLC)；調度預案規模復雜度(Dispatching Plan Size Complexity, DPSC)；調度預案信息復雜度(Dispatching Plan Information Complexity, DPIC)；執行調度預案所需認知資源復雜度(Dispatching Plan Resource Complexity, DPRC)。

鑒于VACP模型能詳細體現調度員執行預案的信息處理過程，且為消除DPSC、DPIC與DPRC 3個指標之間信息重疊的影響，將其歸為調度預案認知復雜度指標(Dispatching Plan Cognitive Complexity, DPCC)。根據已有研究成果，綜合考慮指標的實用性、可度量性與可驗證性，最終確定的調度預案復雜度度量指標見表2。

表2 調度預案復雜度指標組成

由于DPLC與DPCC分別表征了應急DPC的內外部主體，為更簡明地表達復雜性，將其集成為一個綜合性的度量指標——應急調度預案DPC，其值PDPC為

PDPC=PDPLC·PDPCC

(2)

式中：PDPCC可由調度預案動作控制圖一階熵計算；PDPCC可將調度預案分解至元操作層面利用VACP模型得到。

2.4 DPC計算流程

根據度量方法原理，度量步驟如下：

Step1選擇某高鐵應急調度預案整體或操作單元作為度量對象。

Step2預案分析。根據應急調度預案整體或操作單元的內涵，對預案流程進行分解，將流程分解信息抽象為動作控制圖，進而計算得到PDPLC。

示例圖形G見圖2。為計算其一階熵PDPLC，需將圖中每個節點按照進出該節點的入口和出口數分組，進出口數一樣的節點即為一組，圖2中的節點根據進出口數的不同可以被分為4組，分別為①、{②③⑤⑥}、{④}和{⑦}，分組情況見表3。利用式(1)，N=4，Bi為在圖形G中的某一分組，P(Bi)為某一分組(Bi)的概率，其值為Bi中節點數與圖形G中總節點數的比值，此處每組的概率分別為1/7、4/7、1/7、1/7，則圖形G的邏輯復雜度為

表3 圖形G的一階熵分組

圖2 示例圖形G

(3)

Step3動作分解。根據應急調度預案整體或操作單元的內涵，對動作進行分解，將動作分解至元操作層面，利用VACP模型計算得到PDPCC。

Step4綜合度量指標，得到應急調度預案整體或操作單元的PDPC。

3 實例分析

高鐵應急調度預案的執行是主調、助調及值班副主任三者協同處理的過程，執行過程存在三者間復雜信息交互，盡管真實的預案執行過程已經包含了這三者的交互，但仍有必要探究交互的存在是否會影響預案的復雜程度。

3.1 有交互情況下預案復雜度計算

在高鐵行車調度指揮中，調度員可能會面對各種突發情況，例如，在設備出現故障或有特殊要求時可能需要非正常接發列車，調度員的干預相當關鍵，處理不當會造成嚴重的后果。以某調度所應急調度預案中人工觸發發車進路為例，主要流程有：①主調通知值班副主任到崗；②主調確認發車條件并命令助調人工觸發進路；③助調復誦主調命令；④主調聽取助調復誦并命令助調執行；⑤助調調出進路序列并判斷是否采取強制功能；⑥值班副主任檢查發車條件并指示助調是否采取強制功能；⑦助調辦理人工觸發進路；⑧主調確認光帶信號等。

鑒于篇幅影響，以流程①～③為例，相應流程結構圖見圖3。根據圖3抽象出動作控制圖，見圖4。由式(1)量化其邏輯復雜度，PDPLC值即為動作控制圖的一階熵

圖3 流程①～③結構流程圖

圖4 流程①～③動作控制圖

(4)

按照同樣方式抽象出整個預案動作控制圖，見圖5，其邏輯復雜度為

圖5 完整預案動作控制圖

(5)

為得到預案的PDPCC，將預案程序分解至元操作層面進行累計，考慮到篇幅影響，以“主調確認是否具備發車條件”為例，其任務動作分解見表4，其認知復雜度值即為26.4。

表4 動作分解及認知復雜度評分

參照表4，按照同樣方式分解整個預案，可得預案總PDPCC為185.4，其中主調操作部分PDPCC為72.1，助調操作部分PDPCC為79.9，值班副主任操作部分PDPCC為33.4；預案總復雜度為

PDPC=PDPLC·PDPCC=2.364×185.4=438.286

(6)

3.2 不考慮交互情況下預案復雜度計算

仍以人工觸發發車進路為例，若不考慮主調、助調和值班副主任三者信息交互，將每個人視為獨立個體完成預案規程，抽象出三者對應的動作控制圖見圖6。

圖6 無交互情況主調、助調及值班副主任動作控制圖

無交互情況主調、助調及值班副主任動作控制圖見圖6。據圖6可分別計算出三者單獨操作時的邏輯復雜度和總復雜度

(7)

2.197×72.1≈158.404

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3.3 兩種情況下復雜度指標對比

根據上述計算結果，有交互情況和不考慮交互情況下復雜度指標見表5。

表5 兩種交互情況下的復雜度指標

由表5可知，主調、助調及值班副主任單獨完成預案(操作步驟數更少)時，相比于有人員交互情況(操作步驟數更多)PDPLC更小，而一般情況下操作步驟數更多的流程邏輯上的復雜性將會降低，即人員之間的交互極大影響了預案的邏輯復雜程度；主調、助調及值班副主任單獨作業PDPC之和(380.768)小于三者有交互時的PDPC(438.286)，這說明預案中涉及人員交互時會使預案的執行更加復雜。

4 復雜度度量方法驗證

為了驗證DPC方法的有效性，選取了另外5個調度作業預案，按照上述方法分別計算其DPC。應用高鐵調度模擬仿真平臺進行調度員操作實驗，獲得不同調度預案場景平均執行時間；并在被試調度員操作結束后立即使用NASA-TLX評分量表分別量化調度員對不同預案場景的心理負荷程度(即被試調度員腦力需求、身體負擔、時間壓力、努力程度、工作績效和挫敗感6個維度的綜合表征)，結果匯總見表6。根據計算數值繪制圖7。圖7表明：預案平均執行時間數據與DPC值之間存在顯著的相關關系且通過F檢驗(可決系數R2=0.670，差異性指標P<0.05，顯著性指標F=8.124)，DPC法在解釋預案操作時間數據的變化方面是有意義的，即復雜預案需要的執行時間更多；NASA-TLX分值與DPC值之間亦存在顯著相關關系(R2=0.864，P<0.01，F=25.416)，即越復雜的預案調度員執行過程中心理負荷越大。因此，DPC法可在一定程度上反映預案作業的復雜程度和調度員的工作量。

表6 部分應急調度預案復雜性計算表

圖7 預案平均執行時間及NASA-TLX分值與DPC值關系

由于篇幅限制，本文僅分析了6個典型調度作業預案的復雜度。需要注意的是，復雜場景下的高鐵調度作業預案，一般可拆分為不同的典型作業場景。例如突發冰雪天氣行車處置預案主要包含“人工觸發發車進路”及“辦理列控限速”兩個典型場景。以前文計算的典型場景復雜度進行組合分析，可進而得到整體預案復雜度。因此，論文提出的方法同樣適用于其他復雜情況，且可以簡化計算。

5 結論

(1)本文基于軟件領域復雜性的熵度量法與VACP模型，提出了適用于高鐵應急調度預案復雜性的量化方法——DPC法，將6個預案場景DPC值分別與預案平均執行時間及主觀工作負荷估值比較，分析結果表明：DPC法能真實反映高鐵應急調度預案的復雜性。

(2)對主調、助調及值班副主任三者有交互與無交互情況下預案的復雜度指標對比，發現：三者之間的交互會極大影響預案的邏輯復雜度及總復雜度，因此，在不取消既有安全約定前提下可通過減少人員交互或合理安排操作工序使應急預案文本更加簡潔高效。

(3)已有研究表明，預案程序的復雜度是影響調度員人因可靠性的一個重要指標。通過不同預案執行環節的DPC評估，可在一定程度估測調度員任務工作難度。論文提出的DPC法可作為調度臺劃分、調度員工作任務分配、調度培訓投入分配及調度預案設計的重要依據。