铁路智能运输系统的本质特征研究

文章编号:100124632(2002)0520018205

Vol123No15　

October,2002　

铁路智能运输系统的本质特征研究

贾利民,蒋秋华

(铁道科学研究院智能系统技术研究中心,北京　100081)

　　摘　要:提出了铁路智能运输系统(RITS)的两个本质特征———开放系统结构和分布式智能系统结构。首先描述了铁路运输系统中环境与任务的复杂性,正是由于铁路智能运输系统目标的多样性与组成结构的复杂性和系统进化的要求,使得铁路智能运输系统必须具备开放的系统结构以实现异种系统、技术、规范、标准的包容;必须具备分布式智能问题求解能力以实现系统内部各子系统之间的协商协调处理,达到系统全局目标。指出分布式智能系统理论是铁路智能运输系统体系结构研究的理论基础。　　关键词:铁路智能运输系统;复杂性;开放结构　　中图分类号:U29239　　文献标识码:A

1　引　言

　　铁路智能运输系统技术是研究如何以信息技术和智能技术为核心,来构造一种全新高效的现代铁路交通运输系统,解决目前铁路运输面临的来自效率方面、安全方面和服务方面的关键难题,以获得铁路运输的持续发展。

在以往关于铁路智能交通运输系统的概念,发展目标,体系结构等关键问题研究成果中,人们普遍只注意到了铁路智能运输系统技术层面上信息技术的核心作用,强调了高新技术包括电子技术、通信技术、控制技术以及人工智能技术对传统铁路交通运输系统的改造功能[1,2]。但是,铁路智能运输系统无论从物理上、逻辑结构上、功能上、体系结构组成上都具备开放复杂巨型系统的一些本质特征[3],因此对铁路智能交通运输系统的研究不能只囿于工程技术的研究层面,还需要从系统科学的研究角度出发,用系统的观点来研究铁路智能交通运输系统中复杂性问题,包括环境复杂性、对象行为复杂性和系统进化过程中体现出来的复杂性徽征,从更加深刻的层次和更宏观的角度来界定铁路智能运输系统的本质特征和体系结构。

中国铁路的复杂程度之高远远超出其它国家铁路的复杂程度。中国铁路覆盖地域面积跨度大,运

输组织模式复杂,市场需求复杂,运输旅客流量大而且难以控制,所有这些复杂性的问题一直给中国铁路运输系统效率和安全方面带来了巨大的困难;另一方面,中国铁路在自身的发展历史中也产生了一些复杂性问题,从半军事化的管理体制、条块化的管理模式到铁路发展的不平衡性等;最后一点是,在中国铁路信息化进程中,已经形成了一些具体应用的信息系统,如TMIS,DMIS和铁路计算机售票系统,这些系统在结构上、在开放性上存在很大的个性差异,进一步加大了铁路运输系统的环境复杂性。铁路智能运输系统在解决这些复杂问题时,很难采用单一的系统结构,单一的规范,单一的技术标准来构造,因此铁路智能运输系统必须具备开放的系统结构,能够有机的融合各种结构,各种规范和各种标准的子系统。从系统进化的要求来说,铁路智能运输系统中的子系统的功能和结构并不是僵死不变的,应该具备足够的动态行为特性来处理各种复杂问题,必须是一个具备自主和自治能力的智能体,个个智能体之间依赖通信进行信息共享,获得理解,形成一种竞争与协作的处理问题机制。这要求铁路智能运输系统必须具备分布式的智能系统结构。

2　铁路运输系统的复杂性

　　传统的系统科学研究的成果大多集中在技术科

　收稿日期:2001212214

),男,新疆阿勒泰人,研究员,博士导师。　作者简介:贾利民(1963—

　基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2001X27)

第5期　　　　　　　　　　　　　　　　铁路智能运输系统的本质特征研究19

学领域,当研究对象涉及到社会系统和生命系统时,原有基于还原论和基础性公理演绎的近现代科学研究方法论和观念慢慢陷入困境[3]。在这种情况下,系统科学家开始反思社会生命系统与非生命系统的巨大差别,许多具有类似生命性质现象的复杂性得到关注和研究,因此可以认为复杂性研究是系统科学研究的近一步延伸和发展。到目前为止,许多人工生命与混沌系统、自学习自适应系统、复杂智能系统中内涵的复杂性本质被逐渐揭示,人们开始以一种全新的看待问题角度来研究社会系统和生命系统。

对铁路运输系统的思考角度也需要从传统的单纯技术科学领域的束缚中解脱出来,将铁路运输系统当作一个复杂的社会系统来研究。伴随着思考角度的转变,复杂性就应该作为铁路运输系统最重要的特征来研究。研究中国铁路这样一个巨大的社会系统的复杂性,首先思考的是中国铁路运输系统目标的复杂性。目标复杂性来源于铁路运输系统的社会性:首先需要满足货运、客运市场需求;必须持续的提高自身的技术装备水平;满足社会政治经济改革的需求,甚至国家军事安全的需求。这些需求之间存在着非常复杂的关系,很难同时满足这些复杂的需求,达到全局最优。即使从技术科学领域思考角度出发,中国铁路运输系统的运输技术体系也是相当复杂的。包括了国内的和国外的铁路运输技术,高速列车、重载列车运行技术与常规列车运行技术,数字技术和模拟技术,有线通信技术与无线通信技术等等,这些不同技术之间的信息资源共享一直是个难题。中国铁路运输系统针对一些具体目标而形成的不同系统技

层面上,通过应用电子技术、计算机技术、通信技术等高新技术,对铁路运输技术进行数字化和信息化改造,希望通过信息化实现资源共享,提高铁路运输效率,保障铁路运输安全。铁路运输系统信息化在一定程度上完成了上述目标,大大提高中国铁路运输系统的效率和运行安全性。但是,由于中国铁路运输系统是一个复杂的社会系统,传统的信息处理系统很难完成复杂的目标、处理复杂的对象和适应复杂的环境,使得现有铁路运输系统中各种信息处理系统之间的信息共享能力、协作处理问题能力难以解决铁路运输系统中存在的各种复杂的现象,持续地提高中国铁路运输系统的运营效率和运营安全性。因此,中国铁路智能运输系统不能够再局限于技术科学层面,将思考的注意力只集中在信息化技术等高新技术的应用上,而应该从系统科学的角度出发,从各个科学层面上研究中国铁路运输系统的复杂性,处理好技术与系统复杂性之间的关系,从而有效地解决各种复杂问题。

人类文明的发展过程中,人的个体智能水平不断进化,人类社会组织与团体的分工协作更加有效。人类在处理复杂社会关系过程中体现出来的有效性给予系统科学研究提供了许多启示。首先人类社会的开放系统结构不断地推动着人类文明的进化,其次是人类社会组织与团体在分工协作过程中展示的智能性是人类社会区分其它生物组织的本质特征,而正是分工协作过程中的智能性启发了计算机科学家研究分布式人工智能系统。因此,面对中国铁路巨大的复杂性,中国铁路智能运输系统的系统结构应该同时具备开放性和分布智能性的双重特征,才能够有效地处理各种复杂问题、应付复杂的

术包括:列车调度运输技术、列车运行控制技术、运营环境、实现铁路运输的复杂目标,产生持续的铁路运输经营管理技术等等,这些技术之间需要通发展动力。过复杂的输入输出驱动关系来形成铁路运输系统这个大联动机。3　铁路智能运输系统的开放系统结构中国铁路运输系统处在一个复杂的社会环境中。货运、客运市场需求是社会化的,受到了地域、季节、社会经济环境、其他运输系统的影响,难以预测,变化剧烈;铁路运输系统中的组织与体制作为整个社会组织与体制的一部分,必定受到整个社会组织与体制改革的影响。即使从技术科学的角度来说,中国铁路运输技术面临的环境也相当恶劣:地域跨度大,干扰强烈。

面对各种复杂性问题,现有的中国铁路运输系统也做出了相应的反应。主要的解决思路是在技术

　　开放性的系统结构是自然界许多生命系统的共同特征,对应的许多的社会组织也具有开放性结构。在生物进化和社会进化的过程中,只有具备开放性系统结构的系统,才能从外界获取更多的能量与信息,完成能量与信息的有效自组织,从而形成自身的竞争优势。而不具备开放性系统结构的系统则难以充分汲取外界的能量与信息,更不能产生有效的能量信息自组织行为,最终将在进化过程中被淘汰。

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研究系统的开放性结构,有两个行为决定了系

统的开放性:首先是系统的能量信息输入、输出行为,另一个是系统的能量信息自组织行为。系统就是在不断地输入、输出能量与信息,对能量与信息进行自组织的过程中进化。其中更为核心的是系统的能量信息自组织行为,几乎决定了系统进化过程的所有动态特点。必须基于开放性的这两种行为,才能够研究铁路智能运输系统的开放型结构。311　铁路智能运输系统的开放性结构

铁路智能运输系统具备开放系统结构的特点[4],必须具备互联性、灵活性和可扩展性,实现信息共享。本文将在这一思想的基础上丰富对铁路智能运输系统开放性的研究内容,从开放性结构的两种根本行为来考察铁路智能运输系统开放性系统结构,而考察的重点应该是铁路智能交通运输系统的信息输入与输出行为和信息的自组织行为。

铁路智能运输系统首先必须具备良好的信息输入、输出行为。从信息论与控制论的观点出发,能量的输入与输出是实现系统控制目标的能控基本要求,信息的输入、输出是系统状态的能观基本要求。铁路运输系统传统信息输入、输出的主要是各种自然信息和模拟信息。这些信息本身语义模糊,在传递的过程中易受到干扰和损失,引起信息污染。这种信息输入、输出方式将阻碍进一步提高铁路运营效率和运营安全。随着电子技术、计算机技术和通信技术在铁路运输系统中的应用,数字信息的输入、输出行为逐渐成为铁路运输系统的主要模式。TMIS(TransportationManagementInformationSys2tem)系统、DMIS(DispatchingManagementInformationSystem)系统和客运售票系统以及RGIS(RailwayGeographicInformationSystem)系统和数字铁路的概念,都是以铁路运输系统信息输入、输出行为数字化为根本目的。因为,数字信息具有语义准确、传递过程中不易受到污染等优点;最根本的是,数字信息能够利用数字计算机强大的计算能力进行数字信息的组织活动。

铁路智能运输系统的信息自组织行为是其开放性结构中最根本的行为,它刻画了铁路智能运输系统进化过程中的动态行为特征。现有的铁路智能运输系统中的数字信息自组织过程是以数据库应用技术为基础的空间组织行为,通过通信技术实现数字信息的空间流动,其目的在于完成数字信息的共享。这种信息组织行为虽然能够大大地提高铁路的运营效率,但是其信息组织行为的模式相对比较简

单,对数字信息只能在较低层面上完成信息交换,是一种较为低级的组织行为,而且在不同数据库技术和数据通信技术之间的信息流动、信息交换效率低成本高。铁路智能运输系统的信息自组织行为应该具有更高的要求,通过其信息自组织行为,能够兼容不同的数据库技术和数据通信技术,能够融合具有不同应用目的的数字信息系统,使得系统具备真正的灵活性与扩展性,从更高的层面上实现信息共享。312　铁路智能运输系统开放性系统结构的形成如前所述,计算机的强大计算能力使得数字信息系统具备更好的系统开放性结构。因此,铁路智能运输系统的首要研究任务是研究如何将传统的铁路运输系统中的各种信息转换成数字信息,从而增加其信息的输入、输出能力。这也就是当前得到普遍重视的“铁路信息化”概念。中国铁路运输系统已经从各个角度、各个方面积极地开始这一项工作,取得的成果更是显而易见的。但是,开放性的系统结构还需要有效的信息自组织行为。目前的铁路运输系统中各种信息子系统还缺乏一种有效的自组织行为。举例来说,铁路客运售票系统与TMIS系统、DMIS系统和RGIS系统中的许多信息都存在着共享的需求,但是当讨论到系统之间的数字信息共享时,至少有三个问题需要考虑:

(1)数据共享行为的描述,究竟共享哪些数据内容,以什么样的形式进行共享?

(2)数据共享行为对本系统的影响分析,各种数据共享行为模式对系统的稳定性将产生什么样的作用,对系统的安全性会有什么样的破坏?

(3)数据共享行为对本系统自身复杂性的影响,是否会引起一些信息混沌的复杂现象?

面对上述问题,由于缺乏有效的信息自组织行为,现有铁路运输系统中的各种数字信息系统,往往难以给出一种有效的解决方案。除非在建造各个子系统之前对信息共享的需求作出精确的描述和分析,设计出合理的数据信息共享行为模式,对各个子系统之间的数据接口进行准确的定义,才能完成那些被设计好的数据共享,而在进行系统扩展时所产生的不被设计的数据共享行为将得不到支持。信息的自组织行为是由信息在产生、传递和处理过程中的一系列信息技术规范、信息技术标准来决定的。现有的铁路运输系统所采纳的信息技术规范和信息技术标准,主要是面向数字信息的产生和

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传递过程,而对需要进行理解、整合等高层次信息处理的过程则描述不足。因此,必须从一种更加宏观的角度来研究铁路智能运输系统的信息自组织行为,着重研究面向高层次信息处理过程的信息技术规范和标准。

4　铁路智能运输系统的分布式智能系

统结构

411　分布式智能系统

所依据的理论基础。

在讨论铁路智能运输系统时已经提到了它的信息自组织行为。而铁路智能运输系统作为一个大型的智能信息处理系统,其信息自组织行为必须具备“智能”,它的智能体现应该包括三个方面:子系统(智能体)的智能、各个子系统的集体决策能力(协商/妥协机制)以及智能的进化。

目前,铁路运输系统中各种信息系统(客运售票系统,TMIS系统,DMIS系统等)的智能很少被深入地研究,究其原因在于:

(1)图灵“不停机”问题引起了人们对人工智能的怀疑,从而产生了对智能定义、智能本质的深层次思考。而对这些深具哲学涵义问题的探讨,很难有一个明确的答案。

(2)铁路运输系统中各种信息系统对智能的需求还没有凸现出来,这些信息系统的生命周期还刚刚开始,对复杂问题的应付能力还未得到检验,人们对这个问题还未真正地开始重视。但是面对铁路运输系统中的各种复杂问题,包括复杂的目标,复杂的对象和复杂的环境,信息系统必须具备学习和理解问题的能力,必须具备自适应和进化能力,也就是具备类似人的智能去解决那些复杂的问题。而在行为哲学上应该借鉴“飞鸟”学派[7]的思想:应用先行。因为:

(1)“飞鸟”学派认为飞机的发明就是在试验中不断地对飞鸟的飞行行为进行研究而诞生的,是先于空气动力学理论的出现。因此,人工智能的研究过程也可以借鉴这种行为模式。

(2)当前,人工智能理论尤其是智能控制在工程应用领域中取得了丰富的成果加深了人们对智能的理解。模糊控制理论、神经网络理论、专家系统理论、进化计算技术、DNA计算技术正在蓬勃迅速地发展,为研究信息系统的智能提供了大量的理论与技术。

铁路智能运输系统中各个智能体必须通过一些有效的“协商/妥协”机制,个体智能才能够聚合成“集体智能”,共同求解铁路智能运输系统所面临的复杂问题,得到一种全局优化的解答。这种“协商/妥协”机制是传统分布式智能系统理论的主要研究内容,包括多个智能体的控制问题以及多个智能体之间的有效通信问题。对于铁路智能运输系统来说,就是针对提高运营效率、保证运营安全、满足运营市场的需求等多个复杂的目标,应该确定一种什么样的“协商/妥协”机制使得铁路客运售

前面一再提到计算机的强大计算能力,这种能力同时也被许多计算机科学家企图转化为智能。这就是人工智能理论的最初目的。虽然图灵的“不停

[5]

机问题”引起了人们对人工智能的怀疑,但是基于人工智能理论与控制论的智能控制理论最近在工程应用领域的兴起与发展,至少向人们展示了人工智能理论的实际应用价值。而分布式智能系统理论(DAI)则是80年代初在计算机通信技术迅速发展的推动下,研究如何利用具有更强计算能力的分布式计算机网络,来解决相应的人工智能问题求解任务。

在分布式智能系统中,各个计算节点首先被视为一个个智能体,各个智能体之间通过协商/妥协机制,共同进行问题求解。可以看出,分布式智能系统必须具备两个基本要素:

(1)各个计算子系统的“智能”,映射到人类社会团体组织中即是团体中个体的能力,只有在个体具备“智能”的条件下,系统中的协商/妥协机制才能够被理解和运行,复杂问题被分解后的子问题才能够被各个智能体求解。

(2)智能体之间的协商/妥协机制,映射到人类社会团体组织中即是团体中各种成文与不成文的约定,有了这些约定后,各个智能体才能够进行有效的通信,获得相互的理解,将复杂问题进行分解,解决冲突,获得目标的全局优化。

412　铁路智能运输系统分布式智能系统结构

薛文首先在铁路运输系统行车指挥中应用了分布式智能系统理论[6],针对高速列车的行车指挥问题设计了一种协商/妥协的问题求解机制,而如果以铁路智能运输系统作为研究对象,则必须以一种更加系统,更加宏观的角度来讨论分布式智能系统理论的价值与角色。分布式智能系统理论对于铁路智能运输系统不只是作为一种算法,一种应用技术,而应作为在讨论铁路智能运输系统进化特征时

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票系统、TMIS系统、DMIS系统等各个运输业务信

息子系统共同解决铁路运输系统的复杂问题,保证完成的目标是一个全局优化的结果。

分布智能系统的进化是最关键的一个问题,因为所有系统不可能在生命周期的开始就具有充分的智能。但一个智能系统必须具备进化能力,也就是学习能力,通过学习不断地扩充经验知识和提高自己的问题求解能力。即使是在智能控制的工程应用中,具有进化特征的智能系统的应用还是具有相当大的研究难度。铁路智能运输系统也必须具备相应的智能进化能力,因为铁路运输任务的复杂性使得各个业务信息子系统不可能一开始就具备充分的智能,各个子系统必须具备基本的自学习能力和自适

参

考

应能力,在应付处理复杂任务过程中,提高协同工作的能力。

5　结束语

　　在复杂恶劣的环境中完成复杂的运输任务是铁路运输对铁路智能运输系统的要求,因而需要从更加系统和更加宏观的角度去讨论铁路智能运输系统的系统结构。本文在铁路运输任务和运输环境的复杂性分析基础上,指出其必须具备开放的系统结构和分布式智能系统结构。可以说,分布式智能系统结构比开放系统结构具有更高的应用层次,更加具备研究的挑战性。这两个结构特征是研究铁路智能运输系统体系结构的基础。文

献

　[1]　汪希时,等.智能交通系统与智能铁路交通系统分析[J].北方交通大学学报,2000,24(5).　[2]　宋　瑞,等.铁路智能运输系统发展战略研究[J].中国铁路,2000,(8).　[3]　李　夏,等.系统科学与复杂性[J].自动化学报,1998,24(2).

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2001,10.

　[5]　彭罗斯.皇帝新脑[M].许明贤,等,译.长沙:湖南科学技术出版社,1994.

　[6]　薛　文.分布式智能系统理论及其在铁路行车指挥方面应用的研究[D].铁道部科学研究院博士论文,19951　[7]　石纯一,等.人工智能原理[M].北京:清华大学出版社,1993.

StudyontheEssentialCharacteristicsofRailway

IntelligentTransportationSystem

JIALi2min,JIANGQiu2hua

(IntelligentSystemTechnologyResearchCenter,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing　100081,China)

Abstract:TwoessentialcharacteristicsofRailwayIntelligentTransportationSystem(RITS)whicharedescribedastheopenarchitectureandthedistributedintelligentsystemarchitecturehavebeendiscussedinthisarticle.Complexitiesoftheenvironmentandtasksoftherailwaytransportationsystemareinvestigatedatfirst.Onthebasisofthesecomplexities,RITSneedstosatisfyvariousobjectives,sotheopenarchitectureofRITSisrequiredtoconnectheterogenoussystems,tocontaindifferentkindsoftechnology,criteriaandstandards.Atthesametimethedistributedintelligentsystemarchitec2tureisrequiredtoimplementnegotiation/compromisebetweenitssubsystemstoattainaglobaloptimalobjective.AttheendofthisarticleitisputforwardthattheopenarchitectureandthedistributedintelligentsystemarchitecturemustbefirstlyinvestigatedforRITS.

Keywords:Railwayintelligenttransportationsystem(RITS);Complexity;Openarchitecture

(责任编辑　许　江)