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高铁乘务人员基于云服务优选的调度系统设计

2023-08-22 151 上传者：管理员

摘要：为提高工作人员的调度效果，提出基于云服务优选的高铁乘务人员调度系统设计。系统硬件部分由微控制器LPC2368、云服务优选软件模块、通信模块、GPS模块以及数据采集模块组成，设计各模块的电路。系统软件部分采用云服务优选算法规划乘务人员的排班计划，并采用三角模糊函数层次分析评价影响云服务优劣的指标，实现高铁乘务人员调度。仿真实验验证，系统的登录功能、人员信息管理功能及排班合理性达标，可以完全实现实验预期，实际应用价值较高。

关键词：
GPS定位
云服务优选
微控制器LPC2368
数据采集模块
高铁技术
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1、引言

我国高铁技术已经发展成规模较大，运行公里较长且速度较快的一种轨道运输。2020年高铁客运专线已超过1.6万公里，在经济发达地区，例如珠三角、湘东、中原等地区构建了城际高铁网络，并通过四纵四横干线将各个城市的高铁网络连成一个整体。与普通铁路列车相比，高铁运行速度较高导致其对列车性能、运行条件、运行环境以及人员配备的要求也有所改变，因此对乘务人员合理调度也变得尤为重要。1971年，日本学者开始对使用计算机完成乘务人员调度进行了研究。我国对乘务调度的研究起步较晚，但是经过多年探索也构建了较多排班模型，但是由于其中的大部分数学模型限制条件较多，仅仅适用于规定区域乘务的排班情况，但是各地区的高铁运行情况均有所不同，站点位置、运行时长、车次密集程度的改变均会影响模型的最优解生成结果，使算法的适用性较低。

基于此，本文提出一种基于云服务优选的高铁乘务人员调度系统设计。首先根据系统的功能要求给出各硬件部分的电路设计方案，随后结合云服务优选设计出系统软件部分，最后实验所提方法设计出的系统根据实际情况自定义输入排班规则，并通过云服务优选完成最佳排班方式的计算。

2、基于云服务优选的乘务人员调度系统总设计

系统由微控制器LPC2368、通信模块、GPS模块、云服务优选软件模块以及数据采集模块组成，具体框架如图1所示。

图1系统总结构设计

首先通过数据采集模块完成乘员工作情况以及车辆信息，随后通信模块将信息传输至微控制器内，通过GPS给出车辆及乘务人员的具体定位，并且通过通信模块将定位信息传输给微控制器，微控制器对多方面信息进行整合后，实现基于云服务优选的乘务人员调度。

3、系统硬件设计

3.1微控制器设计

微控制器是调度系统的核心模块，模块中采用了32位LPC2368芯片，该芯片具有丰富的内部资源和外部接口。其具体电路如图2。

图2微控制器电路设计

图2电路图中若将供电电压与WP管脚直接相连那么整个系统将处于只读模式，若将WP管脚和GND直接连接，则进行读/写操作[1]。本文采用GND-WP的连接方式，并通过图中R14电阻对电路进行限流保护。

3.2通信电路设计

通信电路主要负责系统各模块的数据交互，本模块选用SIM300C芯片，其能够将微控制器与60脚的ZIF相连[2]。在电路开启的同时还需要报出CALLRDY才能正常使用。用户可以使用系统默认速率完成通讯，也能够根据实际需求通过AT+1PR=<rate>命令自定义选择其他通信速率。在系统正常进行通信时，可以互相连接电路中的GND、RXD、TXD三种引脚，余下引脚悬空。当电路中DTR为低时，通信模块正常运行，可以进行数据的缓冲传输，在DTR为高时，通讯模块将停止工作。

3.3数据采集电路设计

数据采集电路主要负责汇总高铁乘务员及车辆的相关信息，例如乘务员所乘车次、工作时间、工作地点等，具体电路设计如图3所示。

图3数据采集模块电路设计

图3中，ADI与微控制器P0.24引脚连接，并通过采集点和电路板接插件连接进行各模块之间的数据传输。为防止电压过高引起系统崩溃[3]，在电路中加入两个电阻进行分压，并串联了另外一个电阻对系统进行保护，确保系统能够正常运行，同时为降低采集点电压波动，在电路中并联了一个电容器。在信号入口处并联了一个二极管，以避免电源开启时产生的瞬时脉冲对信号采集的干扰，并通过A/D口将采集点状态传输给微控制，以实现各模块之间的信息交互。

3.4 GPS模块设计

GPS芯片主要用于精准获得列车及乘务人员的经纬度、列车运行速度以及当前时间等信息。该模块中本文选用GPS9805芯片，如图4所示。

图4 GPS芯片

将GPS模块芯片的UARTA和微控制器的UART3相连接，确保GPS模块所得数据信息能够传输至微控制器。数据进入微控制器内被解析即可获取到各相关信息。GPS9805芯片的18脚为复位信号输入引脚[4]，直接与微控制器的I/O连接，运行一段时间后微控制器对芯片进行复位处理，使其在运行时间较长时仍可以维持高精度定位，并通过接插件连接天线，实现信号的接收，将电路中的R10设为3.3 V，使得芯片处于省电工作模式中。

4、系统软件设计

4.1系统功能需求

系统的主要功能为高铁乘务人员的排班计划规划，而排班计划也直接取决于列车的换乘点数量、运营计划[5]。高铁的人员复杂，为适应各阶层人员操作，系统的设计页面应具备简洁、美观的特点，并且可以进行一些业务逻辑警告，例如某乘务人员请假，或所选司机不能被排入该排班时系统会主动给出提示并自动选择预备人员再次调整班次。系统需根据列车的运营计划，途径车站属性，在符合相关法律法规的前提下，设计出交路计划，随后将轮班任务分配给各乘务班组，并给出班次表。本文采用云服务优选算法完成系统的软件计算。

本文系统中云服务优选模块主要是筛选出符合各方面需求的排班序列[6]，即优选过程为一种对多种指标进行综合评价的问题。通常该类问题是确保用户需求后，对各指标的权重[7]进行分析，并根据权重实施综合评估。高铁乘务人员调度系统需要实现的功能如下：

(1）乘务交路计划生成

系统应具备设置排班限制条件的功能，若排班结果不符合管理人员的实际需求，可以直接再次排班，或者也可以在原有基础上对个别人员进行重新调整。编制好排班结果后将其储存至数据库中系统可以直接调用已保存的排班结果，一定程度上提高了工作效率。

(2）乘务轮班调整

当列车运行图有所改动或乘务人员临时请假时，需要对当前机队进行合理调整，使个人原因的任务量已知，不能发生一人工作量较高，而另一人一直休息的情况发生。

4.2基于服务云优化的乘务人员排班规划

采用云服务优劣[8]进行排班规划，使系统排班等既能满足高铁管理人员的主观愿望的同时合理性和有效性也较高。

假设云服务需要结合多个指标完成乘务人员的排班，即p=(p1,p2,…,pi,…pn),pi为第i个评价指标，在获得客观、主观权重αi、βi后，通过式（1）进行组合赋权获得pi的组合权重ωi。

采用三角模糊计算法求解出主观权重αi、熵值法求解出客观权重βi，具体流程如下：

构建判断矩阵，根据排班需求的重要性通过三角模糊函数构建判断矩阵，记作B=(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n)。其中且。表示B内各项指标所对应的三角模糊函数。，，为指标pi和pj的进行比较时。

在对两两指标进行评价时可能发生逻辑不一致的情况，因此需要再次检测矩阵B的一致性，采用期望值一致性法完成检测，其过程如下：

式中，。通过式（2）构建矩阵B的期望矩阵E与E的互反叛矩阵H，随后通过下式确定一致性。

式（3）中，为H的最大特征根，那么可得随机一致性比率如下：

式中，CI表示一致性指标，RI表示随机一致性指标，最后对CR值进行判定，若CR<0.1，那么矩阵具有满意一致性，即云服务优选结果能够符合排班要求，反之矩阵H(B)不具备一致性，还需进行进一步修正。随后确定各指标的主观权重完成排班制定，设α=(α1,α2,…,αi,…αn)表示主观权重向量，则：

5、仿真实验

5.1实验环境

为验证所提系统的有效性，对系统进行自动化测试。系统的开发环境如下：

(1）开发平台：Microsoft NET 4.5

(2）开发语言：javascript,C#

(3）操作系统：Windows7企业版

(4）数据库：Micrisoft SOL 2012

根据高铁乘务人员调度的实际要求，本系统采用javascript和C#两种语言联合开发。前端界面运用javascript，后端业务运用C#语言使得前后端构架分离，有效降低系统耦合性。

5.2测试工具

采用测试工具Robot Framework，该工具是基于可扩展的驱动框架完成测试的，具有较好的兼容性并且可以跨平台测试，主要适用于验收测试驱动的开发，测试结束后会输出测试日志及测试报告，实现功能测试。

5.3测试过程及结果

根据本文所设计系统特点，本文采用黑盒测试法来检测，黑盒测试主要检测系统的功能实现与预期是否一致，并不考虑系统究竟是如何实现相关功能的。并通过测试工具Robot Framework完成测试用例的验证。测试的主要内容为系统是否易于操作，各项功能是否齐全，系统能否将各项功能一一实现。测试方法如下：

a.输入正确数据，观察系统是否能够将数据正确输出。

b.输入错误数据，观察系统是否能给出相应的错误提示。

c.系统的事件响应和预期设计是否一致。

d.系统业务流程与实际业务是否保持一致。

接下来对系统的各项功能进行验证。

(1）用户登录功能验证

每个管理人员的登录名及密码均不相同，且各用户的角色不同，其在系统中的权限也不同。测试出各用户间的关系如图5所示。

图5用户间权限关系

根据实际用户登录案例编写测试案例，随后根据该高铁站的实际情况输入相应参数。最后根据以上数据运行案例，测试系统给出测试报告表明本文设计的调度系统用户登录功能完全可以正常运行。

(2）乘务人员信息选择功能测试

编写乘务人员班组信息管理功能测试案例，测试结果如表1所示，此时系统界面如图6。

表1乘务人员信息管理功能测试结果

图6修改班组信息页面

从表1与图6可以看出，本文系统能够成功进行乘务人员的信息管理，且系统弹出页面与预期效果完全一致。

(3）乘务人员排班合理性测试

进行排班前，需要排班规则输入系统当中，测试时输入的规则如图7所示。测试结果如表2所示。从结果可以看出，本文系统的测试结果与预期保持一致，能够给出符合规则的排班方案。

图7系统排班规则编辑页面

表2排班测试结果

经过上述对系统的主要功能进行测试表明，系统可以完全满足客户需求，正常实现高铁乘务人员调度的相关操作。

6、结束语

乘务人员调度为高铁管理系统中的重要组成部分，因此本文提出了一种基于云服务优选的高铁乘务人员调度系统设计，首先详细介绍了系统硬件电路，并且通过系统软件部分的服务云优选完成的乘务人员的排班规划，实验结果表明，本文的各项功能均能达到预期效果，实际应用价值较高。

参考文献:

[1]周艳榕基于ASP的城市物流配送调度系统化设计[J]现代电子技术,2020 43(7):159-162.

[2]孙鹏举刘俊李博高速铁路列车调度员应急场景处置仿真系统设计研究[J]铁道运输与经济, 2019,41(5):77-82.

[3]郭小乐,宋瑞何世伟等高铁车站接运公交时刻表与车辆调度综合优化[J]铁道学报2019,41(1):20-28.

[4]张春杰,武智博,张硕桐基于云平台的城市轨道交通线网综合指挥调度系统设计[J]集成电路应用,2020,37(6):154-156.

[5]杨美皓潘佩芬基于北斗的铁路作业人员安全监控系统研究[J]中国安全科学学报,2019,29(S2):168-173.

[6]丁涛,闫光荣,雷毅,等-种多层次制造服务建模和组台优选方法[J].北京航空航天大学学报,2019, 45(7):1398-1405.

[7]金莹基于贝叶斯粒子群算法的控制权重矩阵优化[J].机械制造与自动化,2020,49(3):130-133.

[8]江泽豪,伊德景,朱光宇考虑剔除虚假云服务的制造云服务优选[J].计算机集成制造系统,2020,26(8):2020-2029.

文章来源:梁烨,孙瑞娟.基于云服务优选的高铁乘务人员调度系统设计[J].自动化技术与应用,2023,42(08):111-114+122.

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期刊名称：自动化技术与应用

期刊人气：997

期刊详情

主管单位：黑龙江省科学院

主办单位：中国自动化学会,黑龙江省自动化学会,黑龙江省科学院自动化研究所

出版地方：黑龙江

专业分类：科技

国际刊号：1003-7241

国内刊号：23-1474/TP

邮发代号：14-37

创刊时间：1982年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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