На правах рукописи

Броновицкий Сергей Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МОНИТОРИНГА,

ИДЕНТИФИКАЦИИ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ПОДДЕРЖКА

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА СОРТИРОВОЧНЫХ СТАНЦИЯХ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (на транспорте)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2008

Работа выполнена на кафедре Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)

Защита диссертации состоится л 9 октября 2008 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.03 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового полка народного ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.

Автореферат разослан л24 июля 2008 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового полка народного ополчения, 2, РГУПС, диссертационный совет.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор технических наук, доцент М.А. Бутакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Стратегия развития железнодорожного транспорта, принятая ОАО РЖД на заключительном этапе реформирования, предусматривает решение, в первую очередь, трех ключевых задач, к которым относятся: обеспечение роста эффективности, устойчивости и безопасности перевозок; развитие новейших систем управления технологическими процессами на основе инновационных технологий; снижение негативного влияния человеческого фактора за счет внедрения современных информационных и компьютерных технологий.

Одним из приоритетных направлений работ является повышение эффективности процессов расформирования и формирования поездов на сортировочных станциях (СС).

Для этого в ОАО РЖД разработана Программа совершенствования и развития сортировочных станций железных дорог на 2006-2015 годы, которая предусматривает расширение зоны автоматизации и контроля на всю территорию станции, построение систем мониторинга на базе модульных подсистем реального времени, объединённых с исполнительными устройствами и разработку интеллектуальных АРМов.

В рамках Программы информатизации станций Департаментом управления перевозками предусматривается: создание новых интеллектуальных АСУ; повышение достоверности информации о дислокации и наличии подвижных единиц в реальном масштабе времени; автоматический ввод в АСУ информации о перестановках вагонов на станции; создание графических и табличных интерфейсов по дислокации вагонов на путях; оборудование АРМов дополнительными мониторами и информационными экранами, дающими достаточную информацию для планирования и управления маневровой работой; автоматическое прогнозирование нештатных и опасных ситуаций.

Одной из возможностей ведения достоверной динамической модели СС, функционирующей в рамках единого информационного пространства и реального масштаба времени, является автоматизация мониторинга и идентификации процессов расформирования и формирования поездов.

Решение такой проблемы на основе локальных компьютерных подсистем с интеллектуальными возможностями вызывает необходимость адаптации фундаментальных принципов теории ситуационного управления и искусственного интеллекта, методов и теоретических подходов современных информационных и компьютерных технологий, что позволяет считать тему диссертационного исследования актуальной.

Степень разработанности проблемы. Постановке перечисленных задач предшествовали многочисленные теоретические исследования, труды и практические разработки ученых и специалистов в России и за рубежом.

Решению важных теоретических и практических вопросов создания современных технологий управления на железнодорожном транспорте, формированию стратегии дальнейшего развития эксплуатационной работы посвящены труды Апатцева В.И., Батурина А.П., Бородина А.Ф., Буянова В.А., Грунтова П.С., Елисеева С.Ю., Ефименко Ю.И., Зубкова В.Н., Осьминина А.Т., Павлова В.Е., Сотникова Е.А., Тишкина Е.М., Тулупова Л.П., Числова О.Н. и др. ученых.

Разработке теории и методологии создания систем на микропроцессорной базе посвящены труды Гуды А.Н., Долгого И.Д., Ефимова В.Е., Кочеткова А.А., Кравцова Ю.А., Лисенкова В.М., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В. и др.

Вопросам теории построения, методологии разработки и внедрения систем автоматизации сортировочных процессов посвящены труды Боровкова Ю.Г., Дудниченко А.М., Иванченко В.Н., Кузнецова Л.П., Кулькина А.Г., Лябаха Н.Н., Никифорова Н.А., Одикадзе В.Р., Савицкого А.Г., Самойленко Ю.А., Соколова В.Н., Фонарева Н.М., Шабельникова А.Н., Шелухина В.И. и др.

Большой вклад в теорию и практику управления сложными динамическими объектами с использованием искусственного интеллекта внесли Аверкин А.Н., Берштейн Л.С., Белявский Г.И., Вагин В.Н., Гуда А.Н., Еремеев А.Г., Ковалев С.М., Курейчик В.М., Поспелов Д.А., Попов Э.В., Осипов Г.С., Фоминых И.Б. и др.

В качестве объекта исследования в работе выступает интегрированная система управления СС на основе локальных подсистем мониторинга, идентификации и визуализации сложных оперативно-технологический ситуаций в реальном режиме времени.

Предметом исследования являются методы и модели мониторинга оперативно-технологических ситуаций, идентификации нарушений технологических процессов, а также алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений и визуализация состояния СС на АРМах диспетчерского и дежурного персонала.

Цель диссертационного исследования - разработка методов, моделей мониторинга и идентификации процессов расформирования и формирования поездов, а также алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия решений на основе интеграции вновь создаваемых локальных подсистем информационного обеспечения (ПИО) и АРМов с АСУ СС и устройствами СЦБ.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1. Предложен новый подход к интеграции АСУ СС, систем управления сортировочной горкой (СГ), устройств СЦБ и АРМов диспетчерских звеньев для достижения целей мониторинга, идентификации и интеллектуализации процессов расформирования и формирования составов.

2. Разработана методология построения локальных подсистем информационного обеспечения (ПИО), обеспечивающих в реальном времени ведение динамической модели технологических процессов в парках СС и на СГ, расширение зоны мониторинга подвижных единиц и идентификацию за счет увязки с устройствами СЦБ.

3. Разработан метод ведения пространственно-временных моделей перемещения вагонов и локомотивов.

4. Разработан метод качественного нечеткого описания процессов идентификации первоочередных маневровых передвижений на СС.

5. Разработаны на экспертной основе алгоритмы действий маневровых диспетчеров (ДСЦ) и дежурных по горке (ДСПГ) в нештатных оперативно-технологических ситуациях и на их базе предложены алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений.

6. Разработан класс графических интерфейсов визуализации результатов мониторинга, идентификации и интеллектуальной поддержки процессов управления СС.

Методы исследования. Исследования проводились с использованием системного анализа, теории ситуационного моделирования, методов теории искусственного интеллекта, теории нечетких множеств, статистического анализа, логико-алгоритмических подходов инженерной психологии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана методология построения нового поколения подсистем информационного обеспечения, позволяющих в реальном времени автоматизировать процессы мониторинга и идентификации состояния СС;
• разработана новая пространственно-временная модель слежения за подвижными единицами, повышающая достоверность процессов мониторинга и идентификации;
• на основе исследования мультиагентной структуры управления СС выявлен новый класс задач, требующих интеллектуальной поддержки принятия решений;
• предложен подход к интеграции базы данных (БД) и базы знаний (БЗ) и разработан метод оптимизации вывода в БЗ на основе продукционных моделей.
• разработаны метод нечёткого описания процессов идентификации, основанный на конъюнктивном представлении функций принадлежности и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений в нештатных ситуациях.

Практическая ценность работы заключается в применении результатов исследования для построения ПИО и их интеграции с АСУ верхних уровней управления СС с целью автоматизации мониторинга и идентификации нештатных ситуаций и интеллектуальной поддержки принятия решений.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается экспертными оценками диспетчерского и дежурного персонала СС, вычислительными экспериментами на этапе программной реализации алгоритмов и технологических локон АРМов, публикациями и апробацией работы на региональных, отраслевых и международных научно-технических конференциях, а также актами внедрения результатов работы.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты докладывались и одобрены на совместном заседании кафедр Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте и Информатика РГУПС, кафедре Системный анализ и телекоммуникации Технологического института Южного федерального университета (г. Таганрог 2007), на Международном симпозиуме л14-th International symposium. Zilina, Slovensko Rep., 2006, V Международной научно-практической конференции TRANS-MECH-ART-CHEM - М.: МИИТ, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (из них 1 в издании, рекомендованном ВАК), в том числе учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта объемом 144 стр.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложений. Общий объем работы 197 страниц, включая 76 рисунков, 4 таблицы, 14 страниц приложения и актов о внедрении.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, перечисляются полученные результаты, дается краткая характеристика диссертации.

В первой главе осуществлен анализ состояния решаемой проблемы на СС отечественных и зарубежных железных дорог.

Анализ и теоретическое обобщение состояния проблемы комплексной автоматизации и информатизации отечественных и зарубежных СС на базе компьютерных технологий выявил ее нерешенность в контексте достижения единого информационного пространства и ведения непрерывной динамической модели процесса расформирования и формирования поездов в реальном режиме времени.

Установлено, что в различных научных школах эта проблема находит понимание на уровне постановок задач. Однако вопросы теории построения подсистем мониторинга и идентификации процессов управления СС и методология интеграции разрозненных АСУ СС, устройств СЦБ, систем автоматизации горок, АРМов и др. не решены и к настоящему времени остаются за кадром. Отсутствуют теоретические разработки в области использования методов искусственного интеллекта, экспертной поддержки принятия решений в сложных нештатных ситуациях.

Исследования информационных потоков в мультиагентной среде СС и системный анализ процессов расформирования и формирования поездов позволили выявить высокую сложность оперативного управления, многокритериальность задач и необходимость выработки решений в условиях жестких временных ограничений, неоправданную многоступенчатость передачи и приема сообщений, отсутствие подсистем автоматического сбора первичной информации лот колеса. Установлено, что в условиях территориальной рассредоточенности объектов мониторинга и контроля ДС - не представляется возможным без информационной поддержки в реальном времени вести адекватную динамическую модель поездной и маневровой работы. Это позволяет утверждать, что исследуемая в диссертации проблема является актуальной и практически необходимой.

Завершает главу описание предлагаемого нового подхода к интеграции вновь создаваемых распределенных подсистем с существующими устройствами СЦБ, АСУ СС, комплексами управления СГ, системами АДК-СЦБ парков и др. на основе универсальных ИВК-АДК.

Результаты обобщения состояния поставленной в диссертации проблемы позволили сформулировать направления теоретических исследований, представленных в последующих главах.

Во второй главе приведены результаты исследований особенностей объекта автоматизации процессов мониторинга и идентификации, как сложной мультиагентной системы реального времени. К их числу относятся: рассредоточенность объектов контроля и мониторинга; неравномерность и нестационарность процессов расформирования и формирования; подверженность внешней среде; условия безопасности; человеко-машинные факторы, условия неопределенности ситуаций; режим реального времени; дефицит времени на принятие решений и др.

На основе исследования реальных процессов на СС установлены источники и потребители информации, выявлена неоправданная многоступенчатость информационных потоков. Граф информационных потоков отображает связи 32 агентов, непрерывно взаимодействующих друг с другом. Существующая динамическая модель работы СС неадекватно отражает текущее состояние, информация снизу поступает с опозданием и искажениями. Маневровый диспетчер ДС - лишен возможности своевременного планирования, прогнозирования и принятия решений при возникновении нештатных и опасных ситуаций.

Это обусловлено:

- превышением числа трактов обмена оперативными сведениями (К > 15) установленного допустимого значения (Кдоп < 8);

- большими временными затратами на прием-передачу данных при = 0,95, =а(23; 26) мин;