基于模糊评价的协同设计冲突仲裁技术研究.doc

面向高速铁路协同设计模糊冲突消解方法研究
陈浩

摘要：针对高速铁路协同设计中采用单一的冲突消解方法难以消解复杂多样的冲突的问题，采用多种冲突消解方法集成的方式消解冲突，提出了协同设计中冲突消解过程模型，对该集成冲突消解过程中的重要环节——冲突仲裁问题进行了描述。采用模糊评价法作为协同设计过程中出现的冲突仲裁问题的求解方法，并给出该算法的具体实现过程和冲突仲裁流程。建立了基于模糊评价方法的冲突仲裁系统的体系结构，详细介绍了该结构的主要功能模块，并对原型系统进行了开发。最后，高速铁路某区间的过分相应答器布置设计为例，详细介绍基于模糊综合评判的冲突仲裁方法，说明了该算法在冲突仲裁中的应用。

关键词：冲突消解；模糊评价；协同设计；冲突仲裁

中图分类号：TP391.9　　

创新点：将模糊评价应用到了高铁应答器仲裁领域

0　引言
在复杂系统协同设计过程中，由于参与协同开发人员的技术标准不同、开发目标及侧重点不同，以及各自有限的认知能力不同等因素，冲突的产生是不可避免的。为了保证系统协同设计过程的顺利进行，需要对协同设计过程中的冲突进行及时、有效的处理，国内外学者已在这方面进行了不少研究[1~3]。冲突各方人员对于检测到的具体冲突，根据自己的经验知识、各自领域的利益，提出自己的冲突消解方案，并提交给其他有关人员进行讨论。但由于各领域设计人员的利益和目标不同，各冲突人员对冲突解决方案的接受程度也有所不同。在提出冲突解决方案之后，冲突各方人员依据自身的指标、经验和偏好等对方案进行评价，判断该方案在多大程度上符合本部门的要求，最后根据评价结果做出部分接受、完全接受、完全拒绝等决定。若完全拒绝，则要提交上一级决策机构进行仲裁，仲裁人的目的是试图寻求具有一定公平性的冲突消解后果。本文从模糊评判的角度探讨冲突仲裁问题。基于计算机技术、网络技术等先进技术，提出集成的冲突消解方案体系结构，与传统的有关人员面对面直接交流的冲突仲裁方式相比，提高了效率和自动化程度，并开发出原型系统，能够在适当的时候为冲突消解人员提供有效的冲突仲裁方案。

1　基于模糊评价的冲突消解问题的数学模型
1．1 冲突描述
应答器做为铁路“地面—列车”控制信息传输的重要设备,在我国列车运行时速200km/h以上的高速线路和城际、地铁等方面,TCS-2级和CTCS-3级列车运行控制系统中都有广泛的应用。
应答器根据信息的传输的方式分为两种：有源应答器、无源应答器。其基本上作原理是：基于电磁祸合原理而构成的高速点式数据传输设备，在特定地点实现列车与地面间的数据交换。应答器一般安装在两根钢轨中心的枕木上，或整体道床上。
但是应答器在整个高铁线路中的安装位置的选定则是一个需要综合高铁相关部门业务的一个问题。整个位置选定过程，是一个需要相关部门协同设计的过程，要求相关部门不能只考虑自己的需求和利益，需要综合考虑，统筹安排。但是在实际的位置选定设计过程中，各个相关部门的业务是不相干的，这就需要我们在取得各个部门的设计方案的时候，进行一个综合评价和设计。
在协同设计过程中，由于各专业设计者内部所对应的子模型之间的约束不满足，以及不同专业设计者之间对应的约束与总体模型内部的约束不相等而产生的需要系统加以协调的事务称为冲突，设为K，冲突只在约束域内产生。
在协同设计过程中，不仅存在着单个学科模型内部的冲突，而且还有大量的冲突产生于学科模型和总体模型之间。根据其冲突范围的不同，可以分为以下两类不同层次的冲突:
(1)学科模型内部的冲突　它是由于子模型对应的显示对象层和约束层的不匹配，而产生于客户端模型内部的冲突。该类冲突主要产生于同一客户端模型中的不同子模型之间。当它们不能在单个客户端模型中协调，将传输到服务器而转变为客户端模型和主模型之间的冲突。
(2)学科模型和总体模型之间的冲突　它是由于不同学科模型中的子模型和系统总体模型中的子模型之间的约束不一致，导致属于不同学科模型对应的同一子模型之间产生的约束冲突。它是基于约束的协同设计过程中所需要协调的冲突的主要部分。
采用从专业知识中抽象出的约束建立总体模型及学科模型后，整个协同设计过程是通过设计者和特定的学科模型中子模型显示对象之间的交互来进行的。当设计者在作为子模型集合的某学科模型Ci上作了某种修改，将导致学科模型之间或与总体模型Mi之间的不相等，从而产生冲突，如图1所示。

图1 冲突的产生
1．2　基于层次分析法的模糊评价基本原理
模糊评价方法应用模糊数学的理论和方法进行多因素决策和选择，较好地解决了决策中的模糊性信息。其模糊综合评价决策的建模求解过程如下[5]：
（1）确定参评的对象集，其表示有个方案参评备选，这里参评对象为候选的冲突解决方案集合。
（2）确定因素(目标)集，其是影响评判对象的各因素所组成的集合，表示影响评判的因素有个，对不同的冲突解决问题，因素不尽相同。
（3）确定各因素评语集，该集中评价尺度的个数为。
（4）构造隶属度矩阵

其中表示对候选的冲突解决方案而言，因素在评价尺度上的结果称为隶属度。是方案的所有评判因素的隶属度组成的隶属度矩阵。
（5）确定权重集以权衡各因素的相对重要性。
采用层次分析法，具体步骤如下：
（1）确定各层次的目标和评价因素集。
（2）建立判断矩阵。判断矩阵元素的值反映了各元素的相对重要性，采用1-9及其倒数的标度方法，具体见文献[6]。判断矩阵是以对上一层的某要素而言，将本层次诸要素两两比较来确定的，当相互比较元素的重要性可以用具有实际意义的比值说明时，判断矩阵相应元素则取该比值。
（3）用积法计算判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，此特征向量就是各评价因素的重要性排序。取，，并将归一化，得到判断矩阵的特征向量的各分量，，则各方案权系数的分配为。
（4）一致性检验。对判断矩阵进行一致性检验，计算一致性指标，引入平均随机一致性指标，其值见文献[6]。判断矩阵的一致性比例，当随机一致性比例时，认为该判断矩阵有满意一致性，即权系数的分配是合理的；否则，要调整判断矩阵的元素取值，重新分配权系数的值。
（5）合成运算决策集，根据模糊变换关系，进行合成运算。
（6）确定最优对象，选择决策集中的最大值为最优方案。本文采取计算各方案优先度的方法，，根据优先度的大小确定最优方案。
利用模糊评价法可以对一些表达不完全和不确定的冲突方案的属性进行定量化评价，从而便于冲突仲裁人员做出决策。该方法综合模糊评价法与层次评价法的特点，将冲突方案中主观、定性的因素量化处理，能综合不同设计者的不同观点，促使相关人员达成一致，并最终根据评价值选择策略。该冲突仲裁方法的实质是冲突方案选择算法，没有分析冲突产生的本质原因，有时候冲突各方不一定服从冲突仲裁人的仲裁，这时候就要依靠层次转换，将冲突消解转移到协同设计的上一个层次，通过设计进程监控，重新规划协同设计，从根本上分析冲突产生的原因。
1．3　协同设计冲突消解流程
由于协同设计中冲突的复杂性和多样性，采用单一的冲突消解方法难以消解冲突。首先，系统通过冲突检测模块对协同设计过程中产生的冲突进行检测，并将检测到的冲突加以分类，根据冲突类型，选择不同的冲突消解策略。例如，对于计划冲突和知识冲突，采用基于知识的冲突消解策略；对于数据冲突，采用约束松弛策略。对于难以处理定性冲突信息，先将其定量化，然后采用基于层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)的模糊评价原理对协同设计中的冲突进行处理，通过选择适当的模糊合成运算，得出最优设计方案。
基于模糊评价的协同设计冲突消解的具体流程如图2所示。首先启动冲突消解模块，冲突各方提出自己的建议方案，系统记录各方的建议，对评价目标进行层次划分，建立层次关系图，并借助上述的层次分析法确定各评价指标权重。系统分析冲突各方对建议解的满意度指标，由参评对象的隶属度确定评判矩阵，利用模糊评价算法对建议方案进行最终评定。系统根据最终评价结果，对局势进行判断，权衡冲突方的利益做出决策，并将最终的设计结果通知冲突各方。

图2 冲突消解流程

2　基于模糊综合评价的冲突消解系统的实现
　　基于模糊算法的冲突消解系统是“面向高速铁路的协同设计支持环境”(其系统运行界面如图3所示)研究工作的一部分，系统结构如图4所示，采用三层B/S结构。其系统结构为：
（1）客户端浏览器　客户端浏览器是用户观察冲突仲裁过程、浏览仲裁结果、修改在线数据库与知识库，并输入各种用于冲突仲裁信息的工具。设计专家可以在任何能够接入互联网的地方使用浏览器进行冲突检测和冲突仲裁等各种操作。
（2）Web服务器层　处理浏览器发送的请求，获取浏览器提交的建议信息，并传递给应用服务器；在得到应用服务器返回的结果后，动态生成结果，并返回给浏览器。
（3）应用服务器层　运行多学科知识集成的协同设计冲突消解算法程序。在得到Web服务器传递过来的浏览器请求后，从数据库服务器中获取特定信息，并传递给Web服务器；利用模糊评价算法进行计算求解，并根据评价结果对冲突做出仲裁，再将仲裁结果通过Web服务器通知相应的设计者。
（4）数据库服务器层　存放协同设计过程中多学科专家的知识和系统共享的数据，提供数据连接功能并进行安全性管理，对数据进行存储并返回特定信息给应用服务器。

图3 系统设计系统运行界面

该冲突消解系统主要组成模块的功能如下：
（1）获取建议方案　辅助用户输入自己的冲突消解建议，并将建议存入数据库中，同时根据该建议涉及的约束，从系统数据库中提取相应的模型数据。
（2）建立评价指标集　用户通过人机界面输入待评价方案的各项指标，并将各项指标分类存放。
（3）评价模块　根据评价指标集，以上述模糊评价算法为基础对建议方案进行正确评价。
（4）消解模块　根据冲突方案的评价结果，权衡冲突各方的利益，对冲突进行仲裁。
（5）冲突消解历史记录　记录整个冲突消解的过程，记录每次冲突消解的信息，包括每次消解的发生时间、发起人、各方利益的权重及各方一致性程度，这样，通过对冲突消解的记录，系统就能判断哪些是被频繁消解的冲突。
（6）系统数据库　该库中保存了进行冲突消解所需的数据和知识，如方法库、资源库、知识库和规则库等。

图4 系统B/S设计流程

采用动态服务器网页(Active Server Pages，ASP)与Visual C#语言对系统进行开发，图5为其运行界面的一部分，采用Microsoft SQL Server2005建立系统全局数据库。应用服务器上的冲突检测服务、评价和消解、冲突消解历史记录等服务均使用Visual C#编程语言编写。当客户端通过访问Web服务器站点下载ASP页面，在页面表单上输入建议方案信息和各评价指标的评价值，系统调用相应的评价算法进行冲突消解。全部的消解过程将通过历史记录工具保存在数据库中，并将已有决策结果的冲突通过网络由Web服务器传送给客户端的浏览器，从而可以随时将冲突消解的中间或最终结果告知用户，使用户及时更新设计。

图5 动态网页

3　实例分析
以高速铁路某区间的过分相应答器布置设计为例，详细介绍基于模糊综合评判的冲突仲裁方法。该过分相应答器的设计要求参与协同设计的各专业人员分别规定自己领域的主要设计约束。
高铁相关系统有信号，供电，工务和设计。信号系统设计人员规定的约束为：应答器位于分相区外方且至分相区的距离为列车在该区段的线路允许速度运行5s+0.5m的距离；等级转换点不宜设在过分相区；牵引供电系统设计人员规定的约束为：分相区应设置在进站信号机外方1500m处；工务工程设计人员规定的约束为：分相区宜设置在6%以下的坡度区段。设计人员在进行分相区设计校核前，利用新的设计参数值更新约束网络，检测到下述冲突：分相区位于闭塞分区的分界处，从而因违反了信号系统设计规定而产生了设计冲突。
正向运行时，宜有三组区间无源应答器组发送分相区信息，第一组宜为分相区外方第7个闭塞分区入口处的区间应答器组，第二组宜为20秒外方最近的区间应答器组，最后一组宜为10秒外方最近的区间应答器组，如图6所示。

图6 应答器示意图

采用基于知识的冲突消解方法，从规则库和实例库中均检索出两个成功案例。
P1：x1=2，x2=2.5，v=50，p=21，x3=16；
P2：x1=3，x2=32，v=64，p=29，x3=24；
P3：x1=2.5，x2=28，v=56，p=25，x3=20；
P4：x1=2.5，x2=30，v=60，p=25，x3=20。
冲突人员对4个方案进行协商，无法取得一致意见，因此启动冲突仲裁工具进行冲突仲裁，具体计算过程如下所述：
（1） 确定性能指标　
作为车床进给部件的减速机构，评价其设计水平的因素主要有速度损失程度(A1)、影响程度(A2)、可维护性(A3)和可操作性(A4)等。每一因素按其影响的重要程度分为4个等级，建立评语集E=(优，良，中，差)=(0.9，0.7，0.5，0.3)，用于描述对每一评价指标进行评价的尺度。各方案的性能指标评价如表1所示。

表1 各方案性能指标评价

速度损失
影响范围
可维护性
可操作性
方案1
0.7
0.7
0.3
0.9
方案2
0.7
0.9
0.7
0.5
方案3
0.9
0.9
0.5
0.7
方案4
0.7
0.5
0.3
0.9

每一候选方案的隶属度矩阵为：

(2)利用层次分析法确定各因素的权重　
首先构造判断矩阵，仲裁者认为影响范围A2比可维护性A3重要，速度损失A1比影响范围重要，可操作性A4和可维护性相当，构造判断矩阵如下：

(3)计算各方案的候选综合评定向量

(4)计算每一方案的优先度

由上述计算结果可知，最大，因此方案2为最优方案。

4　结束语
随着全国高铁建设规划和建设的进行，高铁相关设备的应用是必然，应答器作为一种主要的高铁通信设备，是需要充分考虑其位置选定的。在具体位置设计和选定的过程中，我们需要协同信号，供电，工务和设计，进行协同设计。
冲突是协同设计过程中不可避免的现象，如何及时发现和解决冲突是实现协同设计的重要环节。冲突仲裁的关键是找到一个折中的解来满足各种相互矛盾的目标。
本文从模糊评价的角度出发，对协同设计过程中的冲突仲裁问题进行了探讨，详细讨论了协同设计冲突消解过程模型、基于模糊评价的原理与冲突仲裁流程。在理论研究的基础上建立集成的冲突仲裁支持系统，采用ASP和ActiveX相结合的方式，实现了基于Web的协同设计冲突仲裁原型系统。最后，通过某高铁的设计实例说明了冲突仲裁技术的具体应用。

参考文献：
[1]　LOPES F， MAMEDE N J， NOVAIS A Q， et al.Towards ageneric negotiation model for intentional agents[A]. Proceed-ings 11th International Workshop on Database and Expert Sys-tems Applications[C]. USA：IEEE Computer Society，2000.433-439.
[2]　LI Tao， XIONG Guangleng. Conflict resolution strategy basedon optimization[A].2001 IEEE International Conference onSystems， Man and Cybernetics[C].USA：IEEE，2001.1789-1794.
[3]　TARATOUKHINE V. Conflict management in computer sup-ported collaborative design. The methodology and applications[A].Proceedings of 2002 IEEE International Conference onArtificial Intelligence Systems[C]. USA：IEEE，2002.152 -157.
[4]　LI Xiang， WANG Dongzhe， ZHOU Xionghui， et al. Researchon conflict resolution system for collaborative design [J].Aeronautical Manufacturing Technology，2001，(1)：32-35(inChinese).
[李　祥，王东哲，周雄辉，等.协同设计过程中的冲突消解研究[J].航空制造技术，2001，(1)：32-35.]
[5]　HUANG Hongzhong. Fuzzy design[M]. Beijing：China Ma-chine Press，1999.102-111(in Chinese).
[黄洪钟.模糊设计[M].北京：机械工业出版社，1999.102-111.]
[6]　LIU Fei，ZHANG Xiaodong，YANG Dan.Manufacturing sys-tems engineering [ M]. Beijing： National Defence IndustryPress，2000.123-125(in Chinese).
[刘　飞，张晓东，杨　丹.制造系统工程[M].北京：国防工业出版社，2000.123-125.]