關(guān)于高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)穩(wěn)定性的探討

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(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)是我國高速列車行車組織的中樞系統(tǒng)。在高速鐵路飛速發(fā)展的今天，如何保證列車高速安全行車是我國當(dāng)前亟待解決的重要內(nèi)容，其中調(diào)度指揮的作用尤顯重要。而高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定則是進(jìn)行正常調(diào)度指揮工作的保證。對(duì)調(diào)度系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究國內(nèi)外并不是很多，文獻(xiàn)[1]將高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)看作是串并聯(lián)系統(tǒng)，對(duì)高速鐵路的可靠性進(jìn)行研究，并計(jì)算了調(diào)度系統(tǒng)的可靠度，同時(shí)采用故障樹對(duì)列車調(diào)度子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[2]對(duì)調(diào)度人員可靠性進(jìn)行分析，采用可靠性理論計(jì)算調(diào)度人員的可靠度，分析了各子系統(tǒng)的可靠性關(guān)系建立了列車調(diào)度工作的可靠性邏輯框圖。文獻(xiàn)[3]也對(duì)人的可靠性進(jìn)行量化分析，建立了計(jì)算人可靠性的威布爾分配模型?，F(xiàn)主要將調(diào)度所內(nèi)調(diào)度指揮系統(tǒng)作為信息流動(dòng)的控制系統(tǒng)，采用控制理論的方法去探討高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性相關(guān)問題。

1 我國高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)各工種之間信息流程

高速鐵路調(diào)度所內(nèi)的組織機(jī)構(gòu)及崗位設(shè)置如圖1所示。圖1表明了高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)中各工種間的信息傳遞過程。為了簡(jiǎn)化問題,本文僅對(duì)信息的主要流動(dòng)方向進(jìn)行探討。首先，值班主任把所在班的日常運(yùn)輸生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)給高鐵值班副主任，高鐵值班副主任再下達(dá)給計(jì)劃調(diào)度員。計(jì)劃調(diào)度員將列車運(yùn)行方案下達(dá)給列車調(diào)度員，同時(shí)列車調(diào)度員把各站現(xiàn)車情況和運(yùn)行圖的實(shí)施情況反饋給計(jì)劃調(diào)度員[2]。列車調(diào)度員下達(dá)給客運(yùn)調(diào)度員、動(dòng)車調(diào)度員、綜合設(shè)施調(diào)度員、供電調(diào)度員、動(dòng)車司機(jī)調(diào)度員各工種人員所需要的方案信息及調(diào)度命令。客調(diào)、動(dòng)調(diào)、綜合設(shè)施調(diào)度、供電調(diào)度、動(dòng)車司機(jī)調(diào)度員再將方案的實(shí)際實(shí)施反饋給列車調(diào)度員。

圖1 高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)各工種信息流圖

現(xiàn)主要探討調(diào)度所內(nèi)的調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，也就是圖1中虛線框中的部分。根據(jù)復(fù)雜大系統(tǒng)理論，高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)有序的過程。為簡(jiǎn)化問題，結(jié)合控制理論,可將此調(diào)度系統(tǒng)假設(shè)為一個(gè)單輸入單輸出的線性定常串并聯(lián)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 高速鐵路調(diào)度串并聯(lián)控制系統(tǒng)

圖2表示了高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)各工種的信息的聯(lián)系，其中節(jié)點(diǎn)表示調(diào)度系統(tǒng)的各工種，邊表示各部門之間的信息傳遞。S1，S2分別表示調(diào)度所內(nèi)的值班主任和高鐵值班副主任，S3表示計(jì)劃調(diào)度子系統(tǒng)，S4為列調(diào)子系統(tǒng)，S5為助理列調(diào)子系統(tǒng),S6為動(dòng)車調(diào)度子系統(tǒng)，S7為綜合設(shè)施調(diào)度子系統(tǒng)，S8為供電調(diào)度子系統(tǒng)，S9為客服調(diào)度子系統(tǒng)，S10為動(dòng)車司機(jī)調(diào)度子系統(tǒng)。

2 高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)方塊圖的建立

根據(jù)上述高速鐵路調(diào)度串并聯(lián)系統(tǒng)，建立高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)方塊圖，如圖3所示。圖3中，Gi(s)為串并聯(lián)環(huán)節(jié)調(diào)度子系統(tǒng)i的傳遞函數(shù),其中i=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10；Hi(s)為反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，其中i=1,2；Xi(s)為輸入信息；Xo(s)為輸出信息。

圖3 高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)方塊圖

若求上述含有負(fù)反饋的調(diào)度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，首先要對(duì)上述方塊圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化步驟如圖4～圖7所示。

(1)步驟一。子系統(tǒng)4和5進(jìn)行并聯(lián)等效，子系統(tǒng)6、7、8、9、10并聯(lián)等效，并將反饋環(huán)節(jié)2比較點(diǎn)后移，如圖4所示。

(2)步驟二。子系統(tǒng)3和子系統(tǒng)4和5的等效并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)等效，同時(shí)將反饋環(huán)節(jié)2進(jìn)行等效串聯(lián)，如圖5所示。

(3)步驟三 。將反饋環(huán)節(jié)1和子系統(tǒng)3、4、5的等效系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)反饋等效，同時(shí)將子系統(tǒng)4、5和反饋環(huán)節(jié)2的等效系統(tǒng)和子系統(tǒng)6、7、8、9、10的并聯(lián)等效系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)反饋等效，如圖6所示。

(4)步驟四。將第三步所得的三部分進(jìn)行串聯(lián)等效，最后得到整個(gè)調(diào)度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如圖7所示。

圖4 步驟一

圖5 步驟二

圖6 步驟三

圖7 步驟四

因此可求得該調(diào)度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

3 高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差的探討

根據(jù)判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：如果控制系統(tǒng)的所有特征根pi均具有負(fù)實(shí)部，則系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。如果控制系統(tǒng)的特征根pi中存在一個(gè)或多個(gè)具有正實(shí)部根，則系統(tǒng)為不穩(wěn)定系統(tǒng)[4]。因此由上述調(diào)度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得到系統(tǒng)的特征方程：{1+G3(s)H1(s)[G4(s)+G5(s)]}{1+H2(s)[G4(s)+G5(s)][G6(s)+G7(s)+G8(s)+G9(s)+G10(s)]}=0。 從而計(jì)算出高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的特征根pi，若pi均具有負(fù)實(shí)部則說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，若存在一個(gè)或多個(gè)正實(shí)部根則說明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

圖8 調(diào)度系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)化方塊圖

假設(shè)已經(jīng)判斷出高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)是穩(wěn)定的，然后對(duì)調(diào)度系統(tǒng)控制的精度進(jìn)行探討。結(jié)合控制理論本文提出調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是控制精度的，而精度又反映了調(diào)度系統(tǒng)傳遞信息的準(zhǔn)確性。穩(wěn)態(tài)誤差指的是調(diào)度系統(tǒng)傳遞信息誤差的終值。上述調(diào)度系統(tǒng)可以等效為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，如圖8所示。

在圖8中，取H等效(s)=1表示等效單位負(fù)反饋，G等效(s)為調(diào)度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為閉環(huán)系統(tǒng)的等效前向通道傳遞函數(shù)，計(jì)算如下

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可得到高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)φe(s)為

(3)

式中，E(s)為系統(tǒng)誤差信息e(t)的拉氏變換;Xi(s)為輸入信息的xi(s)的拉氏變換。從而可求得高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差eee為

(4)

求出的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的控制精確度越高。由于每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，具體計(jì)算出每一個(gè)子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是今后需要努力的方向，在此不做深入探討，僅提出判斷高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精確度的方法。

4 結(jié)論

基于高速鐵路調(diào)度所內(nèi)的調(diào)度指揮系統(tǒng)可以看作一個(gè)單輸入單輸出的線性定常串并聯(lián)控制系統(tǒng)，通過調(diào)度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來計(jì)算系統(tǒng)的特征根，通過判斷特征根是否均有負(fù)實(shí)部來判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。假若系統(tǒng)穩(wěn)定，然后通過計(jì)算高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來判斷調(diào)度系統(tǒng)控制的精確度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]褚飛躍. 高速鐵路調(diào)度指揮可靠性及應(yīng)急處置相關(guān)問題研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，2012.

[2]魏新平. 鐵路列車調(diào)度系統(tǒng)可靠性研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，2010.

[3]肖國清,陳寶智. 人因失誤機(jī)理及其可靠性的研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001(2):22-25.

[4]吳振順,張健成. 控制理論與應(yīng)用[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2007:103.