《基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策_钟江.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策_钟江.pdf（8页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、铁道运输与经济 RAILWAY TRANSPORT AND ECONOMY 第34卷 第10期37学术论坛学术论坛文章编号：1003-1421(2012)10-0037-08 中图分类号：U292.3 文献标识码：A摘 要：根据昆明东站的现状及存在问题，运用耗散结构理论，建立昆明东站系统熵模型，计算到达场、调车场、上行出发场、下行出发场、货场 5 个子系统熵的不同权重。基于耗散结构系统熵的变化原理，依据车流堵塞原因，从减少自组织熵Hi 的增加、减少交换熵 He 的正输入、增加交换熵 He 的负输入 3 个方面，以昆明东站为例，计算出 10 种对策的综合权重，在此基础上，计算得出 10 种对策的
2、评估结果，从而达到昆明东站科学分析，合理决策，精细管理的目标。关键词：铁路；编组站；耗散结构；熵；车流堵塞；对策Abstract:Based on the current situation and existing problems at Kunming East Railway Station,by using the theory of dissipative structure,the systematic entropy model of Kunming East Station is established to compute the different weightings o
3、f five systematic entropies,including receiving yard,shunting yard,up departure yard,down departure yard and freight yard.Based on the changing principle of dissipative structure systematic entropy,according to the reasons of vehicle flow jam,from three aspects,including reducing the increase of sel
4、f-organizing entropy Hi,reducing the positive input of exchanging entropy He and increasing the negative input of exchanging entropy He,by giving the example of Kunming East Station,comprehensive weightings of 10 different strategies are figured out,based on which,10 different assessment results for
5、 strategies are figured out.Whereby,the purpose of scientific analysis,reasonable decision-making and intensive management on Kunming East Station is achieved.Key Words:Railway;Marshalling Station;Dissipative Structure;Entropy;Vehicle Flow Jam;Strategy基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策钟 江（昆明铁路局 昆明东站，云南 昆明 650
6、011）(Kunming East Station,Kunming Railway Administration,Kunming 650011,Yunnan,China)Analysis and Strategy on Vehicle Flow Jam Phenomenon at Kunming East Railway Station based on Theory of Dissipative StructureZHONG Jiang铁道运输与经济 学术论坛学术论坛第34卷 第10期381 车站现状及存在问题昆明东编组站位于云南省昆明市官渡区，站型为单向混合式三级四场，是沪昆、成昆、南昆
7、3 条铁路干线的交汇点，承担沪昆、成昆、南昆 3 条干线和东王支线到发列车的解编作业。昆明东站设自动化驼峰 1 座，驼峰解体作业采用双推单溜作业方式，峰尾有牵出线 2 条，配备调车机车 6 台，有站线 95 条、货物线 33 条、专用线 44 条。昆明东站平面示意图如图 1 所示。根 据 历 史 数 据 分 析，保 有 量 合 理 范 围 在1 4001 800 车时，昆明东站处于可以自我调节的良性平衡状态。2007 年昆明东站的查定能力标准为日办理车能力 6 632 车，一昼夜接发列车能力 214 列；但是，2011 年昆明东站日均办理车数为 7 994 车，日均接发列车 241 列，保有量
8、多处于 1 7002 000 车，均超过编组站平衡状态指标，致使昆明东站长期处于高负荷非平衡状态，点线能力不匹配现象突出，车流堵塞频发，运行秩序不良，不仅影响编组站的作业效率，而且带来联系脱节、人员超劳、设备失修、车辆溜逸等安全风险。图 1昆明东站平面示意图2 昆明东站耗散结构分析2.1耗散结构理论耗散结构理论1(Dissipative Structures)是由比利时物理学家普里高金(I.Prigogine)提出，描述远离平衡状态的非平衡热力学系统在参数达到一定阈值时，系统会出现“行为临界点”，在越过临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态。这种远离平衡
9、的非线性区域形成的宏观有序结构需要与外界不断交换能量和物质，以形成或维持新的稳定结构，被称为耗散结构。耗散结构的特征有：存在于开放系统中，与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构；保持远离平衡态；系统内部存在着非线性相互作用；在远离平衡态条件下，发生巨涨落。2.2耗散结构特征分析（1）系统处于开放状态。昆明东站 2011 年日均装车数为 83 车、卸车数为 298 车；日均扣修车数为 42 车，修竣车数为 40 车；机车日均出入段 168 台次；伴随货物流、车辆流、动力流，产生基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江铁道运输与经济学术论坛学术论坛第34卷 第1
10、0期39设备、物资、票据、资金、人员的交换流动，具备系统开放特点。（2）系统远离平衡状态。时间不平衡，33对/d旅客列车集中在 5：50 21：30 到发，货物列车则集中在夜间到发，按图定白班到发货物列车 66列，夜班到发货物列车 100 列；空间不平衡，调车场存放车数占车站保有量的 38%，货场存放车数仅占保有量的 14%；结构不平衡，沪昆、南昆方向主要到达成昆方向车流，而成昆方向则主要到达沪昆、南昆方向车流，存在 21 的车流不平衡关系。以上因素均表明昆明东站始终处于远离系统平衡的状态。（3）非线性的相互作用。昆明东站主要由车、机、工、电、辆等部门构成，围绕车流到达、解体、集结、编组、出发
11、 5 个主要环节开展组织，各种因素相互关联制约，形成多变量复杂关系。（4）存在随机的巨涨落。由于运输市场、季节变化、自然灾害等多种因素的综合影响，导致车流会发生随机涨落。2011 年昆明东站主要指标极值对比如表 1 所示。由表 1 可知，2011 年主要指标极值波动在 33%以上，待卸车数波动达到了 1 177%，系统存在随机发生的巨涨落。综上所述，昆明东站具备耗散结构 4 个主要典型特征，是具有耗散结构特性的系统。3 建立模型3.1引入系统熵按照香农(Claude Elwood Shannon)信息论2中对熵的定义，如果有一个系统 S 内存在多个事件 S=E1，Ei，En，设 Pi 为系统
12、S 内每个事件 Ei 发生的概率，则有概率分布 P=P1，Pi，Pn。整个系统的平均信息熵 H 为：式中：K 为待定常数。（1）令昆明东站的系统熵为 H，由到达场、调车场、上行出发场、下行出发场、货场 5 个子系统的熵组成，结合不同权重，系统熵的计算式为：表 12011 年昆明东站主要指标极值对比表年度项目日期指标差值波动比率/%2011办理车数/车最高值1月3日9 3172 98947.23最低值2月7日6 328接入列数/列最高值6月4日992839.43最低值2月7日71发出列数/列最高值1月3日1023041.67最低值2月7日72解体列数/列最高值2月5日762035.71最低值3月
13、17日56编组列数/列最高值9月25日802033.33最低值4月26日60待卸车数/车最高值12月26日4123771 177最低值2月12日35保有量/车最高值12月31日2 1351 296154最低值2月12日839基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江铁道运输与经济 学术论坛学术论坛第34卷 第10期40 式中：j 为整数，0 j 5，分别代表到达场、调车场、上行出发场、下行出发场、货场 5 个子系统；nj 为各子系统的车辆保有量；Rj 为各子系统按车辆保有量的权重参数。其中，公式是计算车站的系统熵，公式是计算子系统的权重。（2）子系统的熵值计算式为：式中：c 为各
14、子系统实际车列占用股道数，0c到发线数(或调车线、货物线股道数)；k 为车列占用股道的序号，0kc；nk 为各子系统内第 k 条股道内车列的实际车数，0nk第 k 条股道的容车数；m 为该方向列车可能输入方向组号数(或调车线、货物线可能出现的车流组号)；i 为该到发线内车列所含实际到达组号(或为调车线、货物线车列所含实际车流组号)，0im；t 为实际组号的序号，0t i。其中，公式是计算子系统的熵，公式是计算第 k 条股道车组的熵，公式是计算第 k 条股道中车辆实际组号组合的发生概率，公式是计算第 k 条股道的权重。3.2 建立熵判断对于开放系统，熵 H 的变化可以分为两部分。一部分是系统本身
15、由于不可逆过程，产生自组织熵(Hi )，且Hi0；另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵流，即交换熵(He)，该项可正可负3。整个系统熵的变化H是两项之和，即：HHi+He。H的变化关系表如表 2所示。4车流堵塞原因分析及对策4.1 车流堵塞原因由于系统熵持续增加，达到临界阀域并发生巨涨落，系统部分或全部能力受到制约而明显下降，导致堵塞发生。按照耗散结构系统熵的变化原理分析，引发系统熵增加的原因可归纳为以下两个方面。（1）自组织熵(Hi)增加：货装组织不当，诱发整体组织能力下滑；发生故障或事故，导致局部系统功能丧失；组织决策失误，导致系统组织效能降低。（2）交换熵(He)增加：待卸车集中到
16、达，超过货场卸车组织能力：车流不均衡到达，造成车流积压：到达车流结构乱，诱发系统车流混乱：出发车流中断，导致车流积压。4.2 对策类型分析基于耗散结构系统熵的变化原理，可以从减少自组织熵 Hi 的增加、减少交换熵 He 的正输入、增加交换熵 He 的负输入 3 个方面考虑。4.2.1 减少自组织熵 Hi 增加的对策（1）组织整场。利用驼峰、峰尾、货场调车机车进行整场作业，使站存车成组同方向比例增加，以减少 Hi。其优点在于能够提高车流组织质量，并且不会对外围车站产生压力；其缺点在于不能及时腾空到发线，延长列车等线时间，占用调车机车的能力。（2）增加调机。在相应作业区域增加临时调表 2 H 的变
17、化关系表HeHi 0=0 0，且绝对值Hi 0，且绝对值=HiHi=0缓慢增加不变快速下降 0快速增加缓慢增加缓慢增加不变缓慢下降基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江铁道运输与经济学术论坛学术论坛第34卷 第10期41车机车，增强整场和取送作业能力，减少Hi 的增加。其优点在于针对性强，易操作，见效快，不产生熵输出；其缺点在于组织难度较大，增加作业干扰，有安全风险，成本高。（3）货物窜卸。通过打破按收货单位卸车的限制，根据“就近”和“空闲”的原则，组织到达货物车辆就近卸车，迅速压缩到达作业车保有量，减少货场作业区域 Hi 的增加。其优点在于操作简单，减少车辆反复调动，提高货
18、场作业效率；其缺点在于容易引发铁路与货主、地方企业之间的矛盾。（4）减少失误。不断提高调度、运转、货装部门人员素质，完善协调机制，优化作业组织，减少组织指挥失误。其优点在于成本投入低，综合效益高；其缺点在于实施难度大，见效慢，不易量化评判。4.2.2 减少交换熵 He 正输入的对策（1）中断进车。具体做法为到达列车在周边车站将车列甩下，本务机车继续运行至编组站牵引出发列车，使 He=0。其优点在于见效快，组织简单；其缺点在于对周边车站影响大，列车运行秩序被打乱，后续恢复时间较长。（2）无调中转。具体做法为组织开行不需要解体和编组、可直接进入出发场或通过编组站的列车，使 He=0。其优点在于见效
19、快，干扰小；其缺点在于受车流衔接、机车交路等因素限制，周边车站组织难度大。（3）限制装车。具体做法为减少或停止货场装车，将卸空车成组排空，使货场因货流产生的 He=0。其优点在于见效快，易操作；其缺点在于影响运输市场和运营收入，损害铁路信誉。4.2.3 增加交换熵 He 负输入的对策（1）货运分流。具体做法为将到达作业车集结后向其他车站分流卸车4，使 He 0。其优点在于见效快，易操作；其缺点在于对被分流车站造成较大压力，浪费运力。（2）错峰卸车。具体做法为将超过能力的作业车集结，向外围车站排出临时放置，使 He 0；待到达高峰缓和后再次接入卸车。其优点在于易操作，见效快；其缺点在于对车流放置
20、车站造成压力，货车停时激增，浪费运力，车辆运用效率低。（3）调整编组。具体做法为合并出发列车同方向组号，放宽列车编组技术指标要求，及时组织出发列车上线，使 He 1 850车；（2）某几个方向车流、货场待卸车激增，接近或达到子系统历史最高限存车数(昆明东站各子系统最高限存车数见表 3)，系统远离平衡状态；（3）系统熵 H 0.14，变化熵 H 持续增加；（4）列车等线、交路紧张、卸车困难、干扰严重等现象叠加出现；（5）远期预报车流保持高位，超过 8 000 辆。当以上 5 个特点出现时，预示系统正在进入巨涨落的阀域，可以根据系统具体情况，立即采取单表 3 昆明东站各子系统最高限存车数 车项目最
21、高限存车数到达场361上行场248下行场328调车场809南货场202北货场选车线23北货场货物线87西货场31专用货物线192专用存车线37禁溜线11全站合计2 329注：以上数据来自昆明东站的历史统计。基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江铁道运输与经济 学术论坛学术论坛第34卷 第10期42项或多项对策进行干预和引导，减少系统发生巨涨落的负面影响，增加正面收益。4.4 对策评价4.4.1 对策量化评估（1）对于减少自组织熵 Hi 增加的对策货物窜卸，以及增加交换熵 He 负输入的对策调整编组，其评估算式为：H评=H原H措 式中：H原 为未采取对策的系统熵；H措 为采取对
22、策后的系统熵。（2）对于减少交换熵 He 正输入的对策中断进车、无调中转、限制装车，以及增加交换熵 He 负输入的对策货运分流、错峰卸车，其评估算式为：H评=Hj Rj 式中：Hj 为对策引起的第 j 个子系统熵的变化值，Rj 为第 j 个子系统按车辆保有量对应的权重参数。（3）对于减少自组织熵Hi 增加的对策组织整场、增加调机和减少失误，因为需在实施过程中才能得到实证，所以主要以经验值作为参考评估。4.4.2 对策分析评价对策分析评价采用层次分析法评价5，选择可行性、有效性、时效性、终止性组成第一层判断矩阵要素。其中，可行性是指采取对策的难易复杂度，有效性是指对策降低系统熵的有效度，时效性是
23、指对策对降低系统熵的快慢度，终止性是指采取对策后对系统后续作业的影响度。再分别以可行性A1、有效性 A2、时效性 A3、终止性 A4 为目标，以 10 种对策组成第二层判断矩阵要素，将各要素按准则进行两两对比，构建判断矩阵A：将判断矩阵 A 和各个行向量采用几何平均，然后归一化，得到权重向量：i=1，2，n 设一致性指标为 C.I.，有：C.I.=(maxn)/(n1)，其中，max 为判断矩阵 A 的最大特征值。若C.I.0.01，则判断矩阵 A 满足一致性，由 A 计算得到的权重 W=(w1，w2，wn)T 可以接受。设定评估指数 Sn：Sn=H评 wn n=1，10 将 Sn 由大到小排
24、序，确定对策顺位，在时间、能力等因素受限时，合理安排采取对策的先后顺序和取舍。5案例分析以昆明东站 2012 年 3 月份的统计资料为例，日均现车保有量 1 948 车，保有量 1 850 车；货场待卸车激增,货场待卸车保有量 186 车，接近南货场 202 车历史高位；系统熵 H 月均为 0.183 9，H 0.14；列车等线最高 10 列，日均等线 5.28 列，约 418 min；远期预报车流日均 8 052 车，超过 8 000 车。以上数据表明 2012 年 3 月昆明东站已偏离系统平衡状态，进入阀域，将发生严重的堵塞。按照层次分析法评价 10 种对策，得到综合权重如表 4 所示。以
25、 2012 年 3 月 2 日组织情况为例，根据前述 5.3 节评估 10 种对策，评估结果如表 5 所示。昆明东站 2012 年 3 月系统熵值对比及列车等线情况如图 2 所示。由图 2 可知，在 3 月 3 日昆明东站货车保有量为 2 229 车，系统熵 H 为 0.197 的情况下，将 3 月表 4 昆明东站 10 种对策的综合权重排序序号对策权重 w1组织整场0.209 5882增加调机0.055 2793货物窜卸0.057 4044减少失误0.018 4505中断进车0.155 9846无调中转0.192 9487限制装车0.065 7788货运分流0.064 1089错峰卸车0.0
26、72 17910调整编组0.108 282基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江铁道运输与经济学术论坛学术论坛第34卷 第10期43表 5 10 种对策的评估结果序号对策 H评权重 w评估指数 Sn对策排序1组织整场0.209 5880.005 868 4643-Hi说明0.0287次2增加调机0.055 2790-Hi说明不具备条件3货物窜卸0.057 4040-Hi说明不具备条件4减少失误0.018 4500.000 001 8455-Hi说明0.000 1据经验值估算5中断进车0.155 9840.013 258 6402-He说明0.0851 列 42 辆6无调中转0
27、.192 9480.021 610 1761-He说明0.11228 辆7限制装车0.065 7780.000 789 3364-He说明0.0126 辆8货运分流0.064 1080-He说明不具备条件9错峰卸车0.072 1790-He说明不具备条件10调整编组0.108 2820-He说明不具备条件基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江铁道运输与经济 学术论坛学术论坛第34卷 第10期442 日采取“中断进车”对策后，停留站外的85991次列车(42 辆待卸罐车)接入昆明东站，造成4、5、6 日系统熵在采取对策后仍达到 0.20 以上，堵塞程度急速加剧，是由于调度运输组
28、织决策不当造成；3 月 20 日25 日在联合采用货车分流、货物窜卸、增加调机等对策后，系统熵 H 由 20 日的0.22 下降到 25 日的 0.132，消除堵塞现象，运输组织决策正确。6结束语根据昆明东站的车流组织情况，从系统化的角度分析引发车流堵塞的原因，通过运用耗散结构理论和熵原理，量化相关指标，提出解决对策，优化组织方案，实时评估对策效用，形成具有较强针对性和可操作性的应对车流堵塞的对策，从而达到科学分析、合理决策、精细管理的目标。参考文献：1 湛垦华，沈小峰.普利高津与耗散结构理论M.西安：陕西科技出版社，1982.2 邱菀华.管理决策熵学及其应用M.北京：中国电力出版社，2011
29、.3 刘 勇.道路交通系统的熵理论应用研究D.西安：长安大学，2003.4 康山松，刘育君，朱志国.车站班计划数据结构设计与实现J.铁道运输与经济，2011，33(8)：37-41.5 胡 培，赵冬梅.管理科学基本原理与方法M.成都：西南交通大学出版社，2007.收稿日期：2012-05-07修订日期：2012-06-27责任编辑：冯姗姗图 2 昆明东站 2012 年 3 月份系统熵值对比及列车等线情况熵值0.60.50.40.30.20.10日期/日121086420未采取对策熵值 采取对策后熵值 等线列数1 6 11 16 21 26 31基于耗散结构理论的昆明东站车流堵塞现象分析及对策 钟 江等线列数/列