Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ПОПЛАВСКИЙ АНДРЕЙ АДОЛЬФОВИЧ
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗОЧНЫМ ПРОЦЕССОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
В ОПЕРАТИВНОМ РЕЖИМЕ
(сетевой и региональный уровни)
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и
производствами (транспорт)
05.22.08 - Управление процессами перевозок
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва - 2008
Работа выполнена в ОАО Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматики и связи.
Научный консультант - доктор технических наук, профессор
Сотников Евгений Александрович
Официальные оппоненты:
- доктор технических наук, профессор Доенин Виктор Васильевич;
- доктор технических наук, профессор Абрамов Валерий Михайлович;
- доктор технических наук, профессор Шмулевич Михаил Израильевич.
Ведущее предприятие: ОАО Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО ВНИИЖТ)
Защита состоится 8 апреля 2009 г. в Е.. часов на заседании диссертационного совета Д218.005.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский Государственный университет путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15, аудитория Е.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации (в двух экземплярах), просим направлять по адресу Университета.
Автореферат разослан ЕЕЕЕЕ. 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, доктор технических наук, В.Г. Сидоренко
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является основным звеном транспортного комплекса России при годовом отправлении - более 1,3 млрд. тонн грузов и перевозке более 1,3 млрд. пассажиров.
В современных рыночных условиях общая структура железнодорожный транспорт организационно разделена на множество самостоятельно управляемых компаний-собственников подвижного состава и инфраструктурных объектов, основной и крупнейшей из которых является ОАО Российские железные дороги (ОАО РЖД), выступающее в роли общенациональной транспортной компании. Поэтому так важно достижение высокого уровня управления ее работой.
Перевозочный процесс - это основной вид деятельности ОАО РЖД. График движения и план формирования поездов, месячные технические нормы, технологические процессы работы объектов инфраструктуры определяют технологию перевозок. При оперативном управлении, являющемся одной из наиболее сложных функций перевозочного процесса, требуется в режиме реального времени (при суточном планировании) обеспечивать выполнение заданий по управляемым параметрам - объемам погрузки и выгрузки, передаче вагонов по стыковым пунктам и другим. В диссертации рассматривается система оперативного управления перевозками на сетевом и дорожном (региональном) уровнях.
Отметим, что перевозочный процесс организуется на сети протяженностью 85,5 тыс. км, на которой одновременно в движении находится множество управляемых объектов - более 3 тыс. грузовых поездов, сотни тысяч вагонов, тысячи локомотивов и локомотивных бригад. Их функционирование обеспечивают: 4,7 тыс. станций (в том числе около 1 тыс. крупных), взаимодействующих с 20-ю тысячами подъездных путей; сотни локомотивных и вагонных депо, дистанций пути, сигнализации и связи и другие структуры. Необходимо в условиях ограниченных ресурсов и значительных возмущающих воздействий обеспечить единое управление перевозочным процессом, поскольку сбой в одном месте сети может негативно влиять на работу участков, направлений и целых регионов.
Создание и организация работы автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО) основываются на использовании в качестве управляющих устройств иерархически структурированных диспетчерских центров управления. Эти взаимоувязанные центры имеют мощное техническое, информационное и программное обеспечение, крупнейшие базы и системы передачи данных, сотни автоматизированных рабочих мест диспетчеров (АРМ)..
Обеспечение эффективного функционирования и развития таких диспетчерских центров в качестве управляющих устройств системы АИСО является одной из важнейших и актуальных задач ОАО РЖД.
Объектом исследования являются информационные системы диспетчерских центров управления, где организуется выполнение перевозочного процесса в оперативном режиме работы ОАО РЖД.
Целью исследования является - теоретическое обоснование принципов построения, функционирования и развития автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО) с разработкой практических решений по обеспечению эффективной работы ее управляющих устройств - диспетчерских центров ОАО РЖД на сетевом и дорожном (региональном) уровнях.
Методика исследования основана на положениях теории управления большими производственными системами, методах исследования операций, теории множеств, теории графов, теории надежности и математической статистики. Использованы достижения информатики с учетом экономических принципов организации производства.
Научная новизна основных положений диссертации, выносимых на защиту, заключается в том, что:
- впервые в теории и практике организации оперативного управления перевозочным процессом железнодорожного транспорта использованы принципы, характерные для систем АСУ ТП отраслевого уровня, что позволило установить логически четкие взаимосвязи в сложной иерархической управляющей структуре ОАО РЖД и построить эффективную автоматизированную систему управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО);
- разработаны: структура АИСО (включающая управляемые объекты, управляющие устройства, исполнительные органы и систему обратной связи), основные положения функционирования и развития системы;
- в условиях структурной реформы ОАО РЖД для иерархии диспетчерских центров сетевого и дорожного уровней, на основе нового технологического критерия и методики привязки полигонов сети к регионам разработаны варианты перехода к региональной структуре управления;
- определены дополнительные, соответствующие современным требованиям, положения обеспечения эффективной и устойчивой работы АИСО на основе: включения в контур диспетчерского управления подмножества новых функций - по выполнению договорных требований клиентуры на перевозки грузов, контролю состояния инфраструктуры и подвижного состава, взаимодействию с внешними системами; определения предельных размеров вагонного парка на полигонах управления, при которых могут устойчиво выполняться плановые нормативы; минимизации используемых ресурсов применительно к выполняемым функциям с учетом отношений предшествования;
- разработано формализованное описание взаимосвязей и возможных переходов состояний системы во времени; сформулирована целевая функция оперативного управления;
- разработана новая постановка задачи обеспечения заявок грузоотправителей погрузочными ресурсами с учетом динамики поступления и потребления ресурсов, отвечающая требованиям рыночной экономики;
- обоснована интегрированная диспетчерская структура для выполнения традиционных и новых функций с делением диспетчеров на две группы - первая, когда необходим коллективный мониторинг перевозочного процесса и вторая - при выполнении локальных функций; предложена методика резервирования в работе диспетчеров с учетом их пиковой загрузки в отдельные периоды;
- впервые разработана подсистема автоматизации процесса слежения за текущим состоянием контролируемых параметров и их соответствия нормативам на основе использования: принципа активного пользовательского интерфейса, обоснованных времени реакции подсистемы и периода обновления информации, установленных видов статистических зависимостей изменения параметров в течение оперативного планового периода, организации взаимоувязанного функционирования табло коллективного пользования и АРМ с единым циклом принятия решений;
- определены направления дальнейшего совершенствования АИСО на основе существенного развития математического и программного обеспечения системы; предложена матрица выбора целей для разработки математических моделей работы управляемых объектов и классификация таких моделей, позволяющая организовать их скоординированную разработку с выделением первоочередных работ;
- разработаны теоретические основы определения характеристик диспетчерских центров, устанавливающих степень их приспособленности к выполнению функций оперативного управления.
Практическая значимость выполненных исследований:
- разработанная методологическая база позволила на принципах АСУ ТП отраслевого уровня создать автоматизированную систему управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО) с использованием в качестве управляющих устройств иерархически структурированных диспетчерских центров ОАО РЖД;
- на сетевом и дорожных уровнях практически осуществлен переход к интегрированному диспетчерскому оперативному управлению с учетом новых направлений деятельности - оперативного обеспечения функционирования элементов инфраструктуры, взаимодействия с внешней средой, решения специфических задач оперативного управления перевозочным процессом в условиях рыночной экономики;
- на основе разработанных положений внедрена подсистема слежения за текущим состоянием управляемых параметров (ОСКАР-М) с исполь-зованием распределенных программно-технических комплексов в ЦУП и ДЦУП и реализацией функции активного пользовательского интерфейса;
- предложенный комплекс математических моделей элементов перевозочного процесса и порядок их разработки обеспечивают переход к наиболее эффективному решению имеющихся оптимизационных задач;
- предложенная методика позволила начать реализацию в опытном режиме информационной системы оперативного управления для одного из сетевых направлений.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждаются тем, что полученные на базе проведенных исследований выводы стали основой построения системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме, причем фактические показатели ее работы соответствуют полученным теоретическим результатам.
Реализация полученных результатов. Разработанные предложения по системе АИСО нашли практическое внедрение в департаменте управления перевозками ОАО РЖД и соответствующих службах железных дорог, в сетевом и дорожных диспетчерских центрах управления - ЦУП ОАО РЖД (до 2004 г. - ЦУП МПС), ДЦУП Северо-Кавказской, Северной, Куйбышевской, Октябрьской, Юго-Восточной, Южно-Уральской, Привол-жской, Дальневосточной и Московской железных дорог. Элементы системы внедряются и на остальных железных дорогах. Сдача в эксплуатацию конкретных систем подтверждена актами, утвержденными в 2000-2007 гг. руководителями ОАО РЖД (до 2004 г. - МПС) и железных дорог.
Апробация работы. Полученные результаты рассматривались на:
- международной конференции Совершенствование транспортного обслуживания перевозок грузов на основе внедрения информационных систем, перевозки-Инфо-2001, Москва, 2001 год;
- международной конференции Транстэк Ц2005,Санкт-Петербург,2005г;
- международной конференции Современные тенденции развития средств управления на железнодорожном транспорте, Москва, 2006 г.;
- межведомственных конференциях ТелекомТранс, Сочи, 2003-2005 гг., 2008 г.;
- международных конференциях Инфотранс, Санкт-Петербург 2002-2006 г., 2008 г.;
- технических советах департаментов перевозок и информатизации и связи ОАО РЖД (до 2004 г. - МПС России) в 2000-2008 годах;
- технических советах Северо-Кавказской, Северной, Куйбышевской, Южно-Уральской, Юго-Восточной, Дальневосточной, Октябрьской и Московской железных дорог в 2000-2008 годах.
Публикации. Список из 30 основных работ приведен в конце автореферата в том числе 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; 12-ти глав (4 раздела), заключения, списка использованных источников. Общий текст включает 334 стр., 61 рис., 9 табл.
Содержание работы
В первом разделе диссертации выполнен анализ условий организации оперативного управления перевозочным процессом, определен объект исследования, рассмотрен отечественный и зарубежный опыт в рассматриваемой области, сформулирована цель исследования.
- К концу 1990-х годов уровень информатизации железнодорожной отрасли создал условия для организации оперативного управления перевозочным процессом на принципах АСУ ТП отраслевого уровня. Создаваемая система АИСО включила в себя управляемый объект управляющее и исполнительное устройства, подсистему обратной связи.
- Управляемым объектом является совокупность поездов, вагонов и грузов, продвижение потоков которых осуществляется на основе исполнения комплексной технологии перевозочного процесса.
- Выработка управляющих решений по множеству реализуемых в системе АИСО традиционных (F1 - обеспечение заявок погрузочными ресурсами, F2 - продвижение поездо- и вагонопотоков, F3 - доставка груженых вагонов к пунктам выгрузки, F4 - организация перевозок специальных грузов) и новых функций осуществляется управляющим устройством - иерархической структурой автоматизированных диспетчерских центров сетевого (ЦУП) и дорожного (регионального) уровней (ДЦУП, РЦУП), включающих в себя программно-технические комплексы (ПТК) и штат диспетчеров и руководителей, ответственных за выполнение оперативной работы ОАО РЖД.
- В управляющие устройства на основе принципа обратной связи поступает текущая информация Х(t) о контролируемых нормативах, которые сравниваются с плановыми Хо(t). Управляющие решения должны приниматься с учетом различных видов внутренних и внешних возмущающих воздействий (W), а также на основе целевой функции оперативного управления.
- Использование принципов АСУ ТП дало возможность логически правильно установить взаимосвязи в сложной иерархической структуре железнодорожного транспорта выстроить четкую схему оперативного управления перевозками. В диссертации представлена разработанная на этой основе автоматизированная система управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте в оперативном режиме (АИСО), которая к настоящему времени в значительной степени реализована.
В системе АИСО учтен опыт создания зарубежных диспетчерских центров и их иерархическое структурирование, набор контролируемых параметров для оперативного управления, опыт комплексного использования АРМ и табло коллективного пользования (ТКП).
Развитие системы оперативного управления перевозками основывается как на общетеоретических работах, так и на исследованиях в этой области на железнодорожном транспорте.
В выполненном исследовании автор опирался на известные положения науки об оптимальном управлении, разработанные в трудах Н. Винера, В.М. Глушкова, Л.В. Канторовича, Н.П. Бусленко, А.Я. Лернера, Я.З. Цыпкина и других ученых, а также на работы в области автоматизированных систем управления железнодорожным транспортом. Здесь широко известны труды ученых ВНИИЖТ (ныне ОАО ВНИИЖТ), ВНИИАС (ныне ОАО НИИАС), Московского, Петербургского, Ростовского, Сибирского, Уральского, Иркутского, Дальневосточного, Самарского, Омского Государственных университетов путей сообщения, РГОТУПС, Института проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН, Института системного анализа РАН, Государственного университета управления (Москва), ЗАО Промтрансниипроект, специалистов МПС СССР, МПС РФ (ныне ОАО РЖД), Минтранса РФ и других организаций.
Эти исследования дают определенный задел для построения системы оперативного управления. В то же время требуется ее существенное развитие на основе использования принципов АСУ ТП отраслевого уровня с выработкой новых решений по созданию автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО).
В настоящее время на оперативное управление перевозочным процессом существенно влияют - работа в рыночной среде с усилением роли экономических факторов, проведение структурной реформы железнодорожного транспорта, высокий уровень использовании пропускной и перерабатывающей способности объектов инфраструктуры, существенное влияние внутренних и внешних возмущающих воздействий.
В этих условиях построение системы АИСО (рис. 1) и организация ее эффективного функционирования представляет собой комплексную проблему, включающую в себя целый ряд взаимоувязанных вопросов, основными из которых являются:
- построение структуры управляющего устройства системы АИСО в виде иерархически увязанных диспетчерских центров сетевого и дорожного (регионального) уровней в условиях структурной реформы ОАО РЖД;
- определение расширенного комплекса функций и интегрированного состава функциональных диспетчеров в центрах управления; обеспечение условий для устойчивого и качественного выполнения контролируемых нормативов;
- обоснование и выбор эффективной организации подсистемы обратной связи с определением и компенсацией отклонений текущих значений учитываемых показателей Х(t) от их плановых значений Хо;
- разработка основных требований к ПТК системы - архитектура, основные принципы устройства и функционирования;
- выработка требований и решение конкретных задач в АИСО;
- определение путей дальнейшего развития системы с повышением уровня эффективности диспетчерских решений на основе математического моделирования составляющих перевозочного процесса.
Во втором разделе рассмотрены технологические и экономические условия построения системы АИСО с учетом проводимой структурной реформы на железнодорожном транспорте.
Образование в конце 1990-х - начале 2000-х годов двух уровней диспетчерских центров ЦУП и ДЦУП, которые в целом представляют собой управляющее устройство системы АИСО, в значительной степени определялось административной структурой железнодорожного транспорта. Проводимая структурная перестройка определяет разделение функций содержания инфраструктуры и организации перевозочного процесса. В этом случае функцию управления перевозочным процессом следует рассматривать применительно к некоторым регионам управления, протяженность которых должна определяться исключительно с точки зрения эффективности выполнения перевозочного процесса. Следовательно, при проведении структурной реформы должен быть осуществлен переход от схемы:
ЦУП
где N - число железных дорог, к схеме:
ЦУП
где РЦУП - центры управления регионального уровня (1, 2ЕM).
Региональный уровень в части оперативного управления перевозочным процессом тождественен дорожному уровню. Взаимосвязи при оперативном управлении на уровнях ЦУП - ДЦУП и ЦУП - РЦУП аналогичны. Это же относится и к взаимосвязям между ДЦУПами смежных железных дорог и РЦУПами смежных регионов. Вопрос заключается в определении количества регионов и соответственно управляющих устройств в новой структуре.
Для определения значения M необходим выбор критериев, непосредственно определяющих условия организации оперативного управления перевозочным процессом. Предложен двухэтапный способ решения данной задачи, на первом из которых используются методы экономической оценки организации укрупненных регионов. С уменьшением значения М (а значит и расширением полигонов оперативного
управления) производственные затраты снижаются, т.к. возрастает вариантность формируемых решений. Экономические расчеты позволяют получить примерную количественную оценку получаемого эффекта. Однако дать им привязку к конкретным регионам затруднительно. Задача объединения железных дорог в регионы решается на втором этапе на основе технологического критерия управления перевозочным процессом.
Прогнозируемая экономия затрат по перевозкам Х (или максимизация прибыли) при создании регионов определяется функционалом:
F(X) = min (max), X к D(Y), (1)
где F(X) - критерий оптимальности прогноза;
D(Y) - множество допустимых прогнозов;
Y - факторы, определяющие допустимые прогнозы.
В качестве ограничений выступает ресурсное обеспечение. Основным следует признать число поездных диспетчерских участков nd в одном агрегате (диспетчерском центре). Опираясь на известный опыт, принимаем nd 80100. Тогда протяженность сети, обслуживаемой одним агрегатом, составит LA 15-17 тыс. км с количеством станций, выполняющих грузовую работу, nсг 600-800 станций.
Установлены факторы снижения производственных затрат при создании регионов - сокращение задержек поездов на стыках; улучшение условий оборота локомотивов, регулирования поездопотоков, расчета внутрирегионального плана формирования; снижение порожнего пробега вагонов; экономия энергоресурсов. Расчеты выполнены на основе использования укрупненных расходных ставок на единицу работы подвижного состава. Суммарная экономия издержек при формировании 5-7 регионов составляет более 900 млн.руб. Достигается также экономия инвестиционных расходов на подвижной состав.
На втором этапе прикрепление железных дорог к регионам основывается на использовании критерия оперативной самоуправляемости регионов (р), который определяется как доля обеспечения заявок на погрузку собственными ресурсами и избытка порожних вагонов.
Наличие многих собственников вагонов, казалось бы, снижает роль ОАО РЖД в вопросе регулирования вагонных парков для обеспечения заявок на погрузку. Однако, как показал уже первый опыт использования приватного и инвентарного (принадлежащего ОАО РЖД) вагонных парков вне рамок общей потребности в отправлении грузов на сети железных дорог, в этом случае возрастает порожний пробег вагонов и потребность в общем их количестве. Но это недопустимо, т.к. неизбежно увеличивается дефицит пропускных и перерабатывающих способностей объектов инфраструктуры, потребуются ничем не обоснованные капиталовложения в развитие участков и станций, возрастут транспортные расходы. Разрешение этого противоречия возможно на основе предложенного ОАО РЖД укрупнения функций оперирования подвижным составом с созданием отдельной категории пулов, объединяющих операторов и собственников подвижного состава, с учетом как финансовой взаимовыгоды, так и потребностей транспортной системы страны. В результате управление парком приватных и инвентарных вагонов становится. Поэтому поставленная в диссертации задача актуальна и для условий наличия различных собственников вагонов.
Необходим выбор такого варианта объединения железных дорог в регионы, когда p max . В качестве ограничения также выступает ресурсное обеспечение, т.е. nd 80100 поездных диспетчерских участков.
Постановка и решение данной задачи заключается в следующем.
Пусть {Di} - имеющиеся железные дороги, i=1,2,Е,N, { Gj} - объединенные в регионы группы железных дорог, j = 1,2,Е,M.
Вводим { j} - матрицу размером (N х M),
1, если Di ∈ Gj
ij = { (2)
0, если Di ∉ Gj.
Тогда ij = 1, т.е. Di принадлежит ровно одной группе.
Каждая i-я железная дорога характеризуется величинами:
, , Е Е - размеры погрузки за период tс (удобно принять величину tс равной суткам) по l (эль лат.) учитываемым родам вагонов;
, , Е Е - то же по величине выгрузки.
Обозначим + = mi (3)
а | (- )| = ri (4)
Тогда, величина mi - ri
Рi = (5)
mi
определяет значение оперативной самоуправляемости i-ой железной дороги.
Средневзвешенный показатель оперативной самоуправляемости для сети железных дорог рср,i составляет (до образования групп железных дорог):
mi - ri
Рср,i =
mi (6)
Эти показатели аналогичны для группы железных дорог Gj. Тогда
величина ij = nj определяет собой число железных дорог, входящих в группу Gj , nj > 0 - условие того, что группа Gj содержит по крайней мере одну железную дорогу.
Имеем для группы Gj однозначно определяющие ее показатели:
mj = ij mi (7)
rj = | (ij - ij )| , (8)
mj - rj
pj = . (9)
mj
Средневзвешенный показатель для сети из групп железных дорог рср,j представляет собой целевую функцию, которая должна стремиться к максимуму: mj - rj
Рср,j = maх (10)
mj
Ограничения на возможность включения железных дорог в группы:
- определяем матрицу связности {ik} размером N х N. При этом
1, если между железными дорогами Di и Dk
ik = { может быть прямой обмен вагонопотоками, (11)
0, в противном случае;
- определяем матрицу связности { jq } размером М х М.
1, если между группами Gj и Gq
jq = { может быть обмен вагонопотоками (12)
0, в противном случае;
- наличие в любой группе по крайней мере одной железной дороги.
Для решения целевой функции (10) предложен эвристический алгоритм оптимизации с использованием методов, апробированных ранее во ВНИИЖТе (2001 г.). Выполнены расчеты по прикреплению железных дорог к регионам. В оценку вариантов для лиц, принимающих решение (ЛПР), дополнительно включен показатель снижения размеров передачи вагонов по стыкам - nп.
В целом, в перспективе при завершении реформирования ОАО РЖД рекомендуется в иерархической структуре управляющего устройства системы АИСО использование 5-7 регионов оперативного управления (табл. 1).
Функциональное обеспечение системы АИСО с учетом расширения функций представим в виде:
F = F1 U F2 U F3 U F4 U F5 U F6 U F7 , Е. (13)
где: F1, F2 , F3 , F4 - подмножества традиционных функций;
F5 , F6 , F7 - подмножества функций соответственно: по выполнению
требований рыночной экономики (F5), оперативного контроля за состоянием технических устройств (F6), взаимодействия с внешними системами (F7).
Таблица 1
Результаты расчетов выбора регионов управления перевозочным процессом
Показатели | Результаты расчетов выбора регионов управления перевозочным процессом (по вариантам) | ||
Варианты объединения групп дорог | А (5 регионов) | Б (6 регионов) | В (7 регионов) |
P ср.j | = 0,82 | = 0,76 | =0,74 |
nп, тыс.ваг. в сутки | = - 86,9 | = - 78,8 | = - 66,6 |
F5 = F51 U F52 U F53 U F54,
где F51 , F52 , F53 , F54 Ц подмножества функций соответственно: по контролю за договорными перевозками с особыми и оплаченными требованиями (F51); определяющих воздействия экономического регулятора (диспетчеры структуры ОАО РЖД - ЦФТО) на очередность подачи вагонов под погрузку и очередность подачи вагонов под выгрузку (F52); связанных с минимизацией штрафов на несоблюдение сроков доставки грузов (F53); связанных с использованием вагонов других собственников (F54, чужих).
При этом
F51 = F511U F512 U F513 U F514,
где: F511 , F512 , F513, F514 - подмножества функций соответственно: по организации подачи вагонов точно в срок (F511) или по определенным периодам (F512); следования грузовых поездов по заданным ниткам графика (F513 ); с повышенной скоростью (F514).
F52 = F521 U F522 ,
где: F521 , F522 Ц подмножества функций соответственно связанных с: наложением ограничений на подачу или оптимизацией очередности подачи порожних вагонов (F521); очередностью подачи груженых вагоннов (F522).
F54 = F541 U F542
где: F541, F542 Ц подмножества функций: по сокращению сроков возврата
чужих вагонов (F541), организации их попутной загрузки (F542).
F6 = F61 U F62 U F63 U F64 U F65 U F66 ,
где F61, F62 , F63 , F64 , F65 , F66 - подмножества функций по контролю за работой хозяйств: пути, локомотивного, вагонного, электроснабжения, автоматики и телемеханики, по контролю за безопасностью движения.
F7 = F71 U F72 U F73 U F74 , Е
где: F71 , F72, F73, F74 Ц соответственно подмножества функций взаимодействия: с морскими и речными портами (F71), с крупными предприятиями (F72), с зарубежными железнодорожными администрациями (F73), с собственниками вагонов (F74 ).
Выполнение функций F71 и F72 учитывается при организации логистических центров (ЛЦ), обеспечивающих взаимодействие ЦУП и ДЦУП с информационными системами морских портов и крупных предприятий.
Установлены пересечения некоторых множеств и подмножеств функций:
F1 F51 , F1 F52 , F1 F54 , F1 F7 ,
F2 F51 , F2 F6 , F2 F7 , F3 F5 ,
F3 F7 Е (14)
Носителями традиционных и новых функций выступают диспетчеры ЦУП и ДЦУП, а при переходе к региональной структуре - ЦУП и РЦУП. Пересечения множеств и подмножеств функций должны учитываться при: организации взаимодействия диспетчеров за счет идентичного информационного обеспечения их АРМов, выдаче информации на ТКП, при размещении рабочих мест диспетчеров.
При выполнении функций F1 - F7 должны обеспечиваться минимальные задержки в движении поездо- и вагонопотоков. Назовем это устойчивым функционированием системы.
Современные условия организации перевозочного процесса характеризуются высоким уровнем использования ресурсов - пропускной способности участков (Nпр), перерабатывающей (Nпер) и выгрузочной (Nвыгр) способности станций. Под влиянием возмущающих воздействий (W) фактические значения этих величин могут быть ниже нормативных, иногда существенно (при крушениях, сильных метелях и т.п.). На использование ресурсов значительное влияние оказывают нарушения при взаимодействии с внешними системами, особенно с морскими портами, пограничными переходами. Выполнение функций F6 и F7 направлено на своевременное выявление возмущений и быстрейшее устранение возникающих последствий. Но исключить их технически и технологически невозможно.
С другой стороны, нормальное распределение колебаний посуточных вагонопотоков ni указывает на возможность поступления вагонопотоков существенно (на 20-25%) выше среднесуточных значений (сут).
В результате при повышенных значениях ni и пониженных Nпр, Nпер, Nвыгр возникает избыточное, по сравнению с нормативным, число вагонов рабочего парка на участках и станциях ( > ), что снижает их маневренность и ухудшает условия выполнения контролируемых параметров Хо. Например, на основе посуточных данных за январь-март 2008 года значений величины участковой скорости Vуч и рабочего парка для Куйбышевской железной дороги получена зависимость
= 49,335 - 0,2948
То есть в данном случае линейно снижается по мере роста .
Поэтому условием обеспечения состояния устойчивого функционирования системы АИСО является сохранение величины рабочего парка вагонов в некоторых пределах:
+ n , (15)
где - нормативная величина рабочего парка вагонов в комплексе
плановых параметров Хо; n - допустимое ее увеличение.
Величина , в этом случае служит важнейшим индикатором устойчивого функционирования системы АИСО.
Значение n может определяться исходя из возможностей диспетчерского аппарата удерживать значения контролируемых параметров перевозочного процесса Хо в нормативных пределах при увеличении фактической величины рабочего парка вагонов в пределах + n за счет комплекса управляющих воздействий. Применительно к основному показателю качества продвижения поездопотоков - величине участковой скорости значение n может быть установлено из графика, представленного на рис. 2:
- Vуч = а - b ( + n), Е
где Vуч - величина изменения Vуч, при которой за счет диспетчерских
управляющих воздействий может быть сохранено ее
нормативное значение при увеличении рабочего парка вагонов. Тогда
- (Vуч - Vуч) + (а - b )
n = Е (16)
b
Исходя из экспертной оценки возможностей влияния диспетчерского аппарата на величину участковой скорости за счет использования оперативных регулировочных мер, принимаем Vуч = 0,2 0,3 км/ч.
В этом случае, например, для Куйбышевской дороги критическим значением прироста среднесуточной величины рабочего парка вагонов при выполнении контролируемого параметра Vуч является (при = 40 км/ч, =31,7 тыс. ваг.): n = 0,8 тыс. вагонов. Тогда, при 32,5 тыс. вагонов следует принимать управляющие решения по уменьшению рабочего парка вагонов, находящегося на железной дороге.
В формуле (15) величину следует принимать за некоторый период, определяемый в качестве периода устойчивого поступления вагонопотоков, устанавливаемого на основе известной в математической статистике зависимости, вытекающей из неравенства Чебышева:
сут
Р (|ni - сут| t ) > Ф (t),
сут
где t - параметр репрезентативности выборки,
nсут - число опытов (расчетное число суток, определяющее устойчивое
поступления вагонопотоков),
сут - среднеквадратическое отклонение ni ,
Ф (t) - табулированная нормированная функция Лапласа.
В выполняемых расчетах вместо значения сут удобно использовать коэффициент вариации сут . Тогда
t2 2сут
nсут ,
2
где - точность измерений, определяющая допустимое отклонение ni
от математического ожидания за nсут.
Задаваясь надежностью , определяем обратным табличным поиском значение t при = Ф (t). В эксплуатационных расчетах значение =0,95 ( = 0,05). Тогда t = 1,96.
Для суммарного поступающего на железную дорогу вагонопотока справедливо выражение
сут q = 2сут i ,
где сут q - среднеквадратическое отклонение суммарного вагонопотока,
поступающего на железную дорогу по q стыкам (для
современных условий: 4 q 11);
сут i - то же по i-му стыку.
В этом случае q = сут = 0,05. Соответственно, расчетный период поступления вагонопотоков, определяемый как устойчивый, nсут = 4 суток.
Таким образом, устойчивое функционирование АИСО требует соблюдения условия (15), обеспечиваемого,в первую очередь, непревышением предъявляемых поездопотоков и вагонопотоков пропускной способности участков, перерабатывающей способности технических и выгрузочной способности грузовых станций (включая подъездные пути):
n пi Nпр , Nпер , Nвыгр , Е (17)
где nпi - поездопоток, следующий по участкам;
- вагонопоток с переработкой для технических станций;
- вагонопоток, поступающий под выгрузку.
Работа в условиях рыночной экономики накладывает жесткие требования по минимизации используемых ресурсов т.к. только в этом случае ОАО РЖД может обеспечить конкурентоспособность, достигнуть максимизации прибыли. Поэтому в контур управления выполнением комплекса функций (13) необходимо вводить условие минимизации используемых ресурсов
Арес min. (18)
В системе АИСО осуществляются взаимодействия по горизонтальным и вертикальным связям, которые могут быть формализованы.
Имеются характерные моменты текущего времени: начало плановых суток - tо и корректировки оперативных планов - t1, t2 Еtх, (где х - число
корректировок) для учета возмущающих воздействий W (обычно х=3).
Переход системы из состояния в момент времени to к состоянию в момент времени t1 можно описать определенными соотношениями. Например, для железной дороги D1 состояние управляемых объектов D в момент времени t1 можно представить в виде следующего функционала:
D1 ( y1,1, y2,1 Е..) (t1 ) = FD1 [D1 ( y1,0, y2,0 Е..) (tо ),
D1(а1,01, а2,01Е..,w1,01 , w2,01,Е.., ( y1,01, y2,01 Е.) (tоt1 ),
D1 ( аr1,01, аr2,01 Е.., wr1,01 , wr2,01, Е., (yr1,01, yr2,01 Е.) (tо , t1 )]Е (19)
здесь y1,1, y2,1 Е - соответственно состояние управляемых объектов
железной дороги D1 в момент времени t1;
y1,0, y2,0 Е - соответственно состояние управляемых объектов
железной дороги D1 в момент времени tо;
а1,01, а2,01Е - соответственно параметры, характеризующие техническое
и технологическое состояние объектов железной дороги
D1 (ресурсов), определяющих выполнение планов в
период времени (tо , t1 );
w1,01 , w2,01, Е- соответственно неучтенные при планировании в момент
времени tо возмущающие воздействия на оперативный
ход перевозочного процесса; эти возмущения возникают
в период времени (tо , t1 );
y1,01, y2,01 Е - соответственно состояние управляемых объектов
(y1, y2 Е) в период времени (tо , t1 ).
Составляющая D1 (Е) характеризует воздействие агрегата сетевого уровня на ход выполнения плановых заданий в период времени (tо ,t1).
Аналогично строятся функционалы для D2 , D3 и другие.
Общая схема и установленные соотношения при раскрытии значений а, w, y могут служить основанием для построения операторов в виде моделей
выработки управляющих решений.
Определена целевая функция решения задачи выбора варианта управления из множества возможных вариантов на основе сравнения отклонений фактических показателей от плановых с учетом их весовых коэффициентов по стоимости затрат единицы изменения показателей:
где:
Сопс - стоимость сетевых затрат, возникающих из-за отклонений
фактических значений показателей от плановых;
Mвп - множество рассматриваемых вариантов управления (планов);
i - номер текущего варианта плана;
Кпокр - количество показателей при выполнении функций оперативного
управления;
k - номер текущего показателя;
М - количество регионов;
J - номер текущего региона;
Хk - отклонение значения k-го показателя;
Сk - cтоимость затрат единицы измерения показателя.
В качестве ограничений принимаются:
- допустимые значения отклонений параметров, например,
Хk ≥ Хk нес,
где: Хkнес - отклонение, априорно оцениваемое, как несуществен-
ное, например одна минута в графике движения;
- допустимые изменения состояния управляемых объектов, с использованием ресурсов которых оказывается воздействие на выполнение управляемых параметров, например:
Кпдл ≤ Кдпдл,
где: Кдпдл - допустимое по работоспособности региона-донора количество
передислоцируемых локомотивов ( Кпдл).
Ограничения определяются для конкретных железных дорог (регионов) и составляют часть нормативно-справочной информации.
Решение целевой функции (20) осуществляется методами оптимизации с использованием, как правило, эвристических методов, например, метода ситуационно-эвристического программирования (автор Л.П. Тулупов).
В третьем разделе разработаны основные вопросы диспетчерского управления в системе АИСО, включая: принципы организации диспетчерской структуры, условия построения и функционирования подсистемы обратной связи (ОСКАР-М), методы оценки и компенсации текущих значений контролируемых параметров системы при их отклонении от нормативных.
Интегрированная диспетчерская структура в ЦУП и ДЦУП основывается на диспетчерском обеспечении полного комплекса функций управления перевозочным процессом с установлением диспетчерской иерархии на основе функциональных отношений предшествования и приоритетов.
Функция F1 определяется выполнением подусловий А, В и С. Здесь:
А - подусловие выполнения новых функций: рыночных требований по функции F1 - F511, F512, F521, F542; взаимодействия с внешними системами (F7), контроля инфраструктуры (F6 );
В - подусловие обеспечения всех принятых заявок на погрузку порожними вагонами;
С - подусловие минимизации затрат; для функции F1 - минимизация порожнего пробега вагонов при подаче под погрузку.
При этом имеются отношения предшествования:
А (F511 , F512 , F521 , F542) В, С (21)
Выполнение рыночных требований по функции F1 должны обеспечивать диспетчеры ЦФТО (сетевой уровень) и ДЦФТО (дорожный уровень); соответствующие их условные обозначения: ЦДГФТО и ДГФТО.
Для выполнения функции F7 в диспетчерских центрах выделяются:
- по F71 - диспетчеры по морским и речным портам - ЦДГМР (сетевой уровень), ДГМР (дорожный уровень при наличии крупных портов);
- по F72 - диспетчеры блока погрузки массовых грузов (уголь, нефтяные и др.) - ЦДГр (сетевой уровень); ДГр, ДВз (дорожный уровень: по грузам или по крупным предприятиям);
- по F73 - диспетчеры по регулированию вагонных парков - ЦДГВ и ДГВ, а также по взаимодействию, с сопредельными железными дорогами - ЦДГВСНГ;
- по F74 - диспетчеры по использованию собственных вагонов - ДГСВ.
Для выполнения функции F6 выделяются специализированные по хозяйствам диспетчеры сетевого и дорожного уровней: пути (F61) - ЦПГ и ПГ; локомотивного хозяйства (F62) - ЦТГ и ТГ; вагонного хозяйства (F63) ВГ и ВГ; хозяйства энергоснабжения (F64) - ЦЭГ и ЭГ; хозяйства автоматики и телемеханики (F65) ШГ и ШГ; по безопасности движения (F66) - ЦРБГ и РБГ. Эта группа диспетчеров образует блок диспетчеров инфраструктуры, соответственно ЦДГИ и ДГИ.
Выполнение подусловия В обеспечивают диспетчеры по регулированию вагонных парков и диспетчеры блока массовых грузов. В выполнении подусловия С основную роль выполняют ЦДГВ (сетевой уровень) и ДГВ. Выполнение этого подусловия при реализации функции F5 (F511, F512, F521) требует постановки задачи оптимального распределения порожних вагонов с учетом динамики их поступления и потребления.
Необходимо найти минимум суммарного пробега порожних вагонов
, при ограничениях
1) , ,
2) , ,
где - количество порожних вагонов, которые надо отправить из - ого района избытка порожних вагонов с количеством моментов поступления при времени их поступления в - ый район недостатка порожних вагонов с количеством моментов потребления ко времени ,
- расстояние в километрах между - ым и - ым районами;
аi, bj - соответственно избыток и недостаток вагонов.
Решение данной задачи можно произвести на основе метода, предложенного докт. техн. наук, проф. Ивницким В.А., основанном на расширении пространства состояний с последующим решением стандартной транспортной задачи.
Функция F2 определяется выполнением подусловий D, Е, G и H. Здесь:
D - подусловие выполнения новых функций F51 , F53 , F6;
Е - подусловие обеспечения минимума отклонений от плановых заданий по передаче поездов по стыкам,
G, Н - подусловия минимизации затрат соответственно вагоно-часов и локомотиво-часов.
Подобно (21) :
D (F51, F53) E, G, H Е (22)
Подусловие Е является приоритетным по отношению к подусловию В:
Е В , Е (23)
Практически это означает, что в случае задержек в продвижении поездов (нарушение подусловия Е) может ограничиваться или даже прекращаться погрузка в адрес затрудненного полигона сети и другие меры.
Для управления передачей поездов на сетевом уровне выделяются укрупненные регионы, возглавляемые диспетчерами - ЦДГП, которые взаимодействуют со всеми другими диспетчерами по кругу выполняемых ими функций. На дорожном уровне выделяются районы управления во главе с диспетчером по району управления - ДГП.
Выполнение подусловия Е осуществляют также локомотивные диспетчеры сетевого - ЦДГЛ и дорожного - ДГЛ уровней, диспетчеры по плану формирования сетевого (ЦДГПФ) и дорожного (ДГПФ) уровней.
Диспетчеры ЦДГП, ДГП, ЦДГЛ и ДГЛ определяют выполнение подусловий G и Н.
Функция F3 определяется выполнением подусловий I, T и K. Диспетчерское обеспечение подусловия I аналогично диспетчерскому обеспечению подусловия А функции F1 с учетом корректировки функций диспетчеров ЦДГФТО и ДГФТО и исключения подмножества функций F73.
Соответственно (22)
I (F51 , F522 , F53 ) T, K (24)
Выполнение подусловия Т требует диспетчерского руководства развозом местного груза с обеспечением минимального отклонения от плановых заданий по количеству вагонов, доставляемых к местам выгрузки. Это в свою очередь должно обеспечить соблюдение заданных сроков доставки грузов, если они были нарушены при выполнении функции F2. Если это имело место, то требуется выполнение заданий экономического регулятора по функции F53.
Выполнение подусловий Т и К (минимизация вагоно- и локомотиво-часов) обеспечивают диспетчеры по выгрузке сетевого - ЦДГВГ и дорожного - ДГВГ уровней.
Что касается функции F4 (специальные перевозки), то ее реализация определяется соответствующими инструкциями, правилами и регламентами, контроль за выполнением которых осуществляют специальные диспетчеры - ЦДСпец, ДСпец.
Структура диспетчерского руководства включает в себя также диспетчеров верхнего иерархического уровня, которые координирует работу всех диспетчеров соответственно в ЦУП и ДЦУП в круглосуточном режиме. На сетевом уровне это главный диспетчер ЦУП - ЦДГПС, а на дорожном - старший дорожный диспетчер ДЦУП - ДГПС. Эти диспетчеры участвуют в контроле выполнения всех функций F1 , F2 , ЕF7.
При распределении диспетчерских функций требуется минимизировать время ожидания решения всех Кз задач, поступающих в систему:
Тож (Кз) min
В качестве ограничений выступают: допустимые сроки решения задач в интервале (0, Т), где Т - сменный период; а также предельное значение информационной загрузки каждого диспетчера в соответствии с установленными нормативами. Последнее положение требует развития.
В известных работах загрузка диспетчеров определяется отноншением времени непосредственного управления процессами к длительности смены. Установлено, например (Г.М. Грошев), что для поездных диспетчеров допустимый уровень загрузки составляет 75% днем и 70% - ночью. Этот уровень может быть принят и для всех диспетчеров ЦУП и ДЦУП, т.к. для них характерно поступление большого числа запросов, требующих срочного решения, напряженный темп работы. В то же время в работе диспетчеров можно выделить интервалы пиконвых загрузок, когда им приходится одновременно заниматься несколькими задачами. Для снижения влияния таких ситуаций на качество принимаемых решений в диспетчерской структуре целесообразно использовать принцип резервирования диспетчерских функций. Задача рассмотрена на примере диспетчеров укрупненных регионов ЦУП по направлениям Север, Юг, Восток.
Работу каждого такого диспетчера можно формализовать как систему массового обслужинвания. Обозначим через случайную величину- время решенния задачи, а интервал между поступлением задач через . Максимальное количество задач, которое диспетчер должен решать одновременно - . Требуется найти периоды времени, когда он должен решать одновременно более задач, <, где - допустимое число одновременно решаемых задач.
На основании натурных наблюдений для рассматриваемых диспетчеров время обслуживания имеет экспоненциальное распределение: , где = 2,8 мин. (- интенсивность обслуживания), а средняя длительность интервала между послендовательными моментами поступления задач имеет экспоненциальное распределение: , где = 4 мин. ( - интенсивность входящего потока).
Математическая постановка задачи заключается в следующем:
Имеем - линейную систему масснового обснлуживания (СМО), в которую поступает пуассоновский поток тренбований с паранметнром . Время обслуживания имеет экспоненциальное распределение с параметром . Требуется найти нестационарное распреденление вероятностей ее состояний при произвольных начальных условиях.
Введем случайный процесс - число требований в СМО в момент времени . Этот процесс является марковским. Обозначим
.
Система дифференциальных уравнений для вероятностей состояний этой СМО , имеет вид
Е.
. }
Е
с произвольными начальными условиями , .
Решение этой системы линейных дифференциальных уравнений пернвонго порядка возможно с использованием преобразования Лапласа.
Данная методика является универсальной для расчета пиковых нагрузок диспетчеров. В практических условиях важно определить значение . Изучение условий работы диспетчеров укрупненных регионов показало, что = 2. Точность определения вероятности состояний для практических целей может быть порядка 10-15%. С учетом этого расчеты для рассматриваемого случая показали, что эта вероятность высока Р(k>2) = 0,2 0,23, что говорит о необходимости резервирования работы диспетчеров укрупненных регионов.
Практически было предложено ввести четвертого диспетчера (ЦДМс), который выполняет мониторинг ситуации и взаимодействует с главным диспетчером (ЦДГПС). При возникновении пиковых нагрузок он включается в решение поступающих задач. Функции резервирования при необходимости выполняет и главный диспетчер. Схема резервирования с учетом принципов формализации, принятых в теории надежности, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема резервирования работы диспетчеров: ЦДГПСев, ЦДГПСЮ, ЦДГПВ - диспетчеры регионов Север, Юг, Восток; ЦДМс - диспетчер по мониторингу, ЦДГПС - главный диспетчер.
В соответствии с установленными зависимостями (21)-(24) можно выделить три уровня в иерархической диспетчерской структуре центров управления. Верхний (первый) уровень определяет приоритетное руководство выполнением всех функций F1 - F7 на всем управляемом пространстве, а также управляющие воздействия экономического регулятора. Второй уровень определяет реализацию приоритетного подусловия Е на выделенной части управляемого пространства: укрупненные регионы в ЦУП и районы управлении в ДЦУП.
Третий (локальный) уровень определяется выполнением функций на ограниченной части сети, где расположены управляемые объекты, или локальных функций на сетевых или дорожных управляемых объектах.
Прикрепляя каждого функционального диспетчера к своему уровню, получаем иерархическую диспетчерскую структуру интегрированного управления функционированием системы АИСО.
Структурно диспетчерский аппарат необходимо также разделить на две группы в зависимости от использования для информационного обеспечения средств программно-технического комплекса центров управления:
А(К) - диспетчеры, для которых необходим коллективный мониторинг перевозочного процесса с использованием табло коллективного пользования -ТКП; (диспетчеры, обеспечивающие выполнение подусловий В и Е);
Б(Л) - когда коллективный мониторинг процессов не требуется.
В целом, разработанная диспетчерская структура определяет интегрированную среду оперативного управления перевозочным процессом на сетевом и дорожном (региональном) уровнях.
Для организации обратной связи в АИСО требуется, прежде всего, получение плановых и текущих данных о контролируемых параметрах. Для функций АИСО такие параметры определяются пространством: дислокация по уровням управления - время - количественная оценка. Их информационное обеспечение достигается при использовании действующих информационных систем, в основном АСОУП-2. Поэтому ПТК АИСО встраивается в ПТК общей автоматизированной системы управления перевозочным процессом ОАО РЖД при максимально возможном использовании имеющихся БД, СУБД, СПД и вычислительных комплексов ГВЦ и ИВЦ.
Однако, при прямом подключении пользователей АИСО к действующим БД имеются трудности с достижением необходимого времени реакции системы (tрц) на запросы диспетчеров. Кроме того в действующих системах в должной степени не учитывается специфика организации обратной связи для АРМ диспетчеров ЦУП и ДЦУП.
Поэтому под руководством и при участии автора была разработана и реализована концепция формирования новой специальной структуры ПТК АИСО, обеспечивающей сравнение показателей Хо и Х(t). При недопустимых отклонениях значений Х(t) от Хо такая структура должна обеспечивать выдачу рекомендаций по устранению отклонений (если задача устранения рассогласований Х(t) и Хо решается в автоматизированном режиме) или выдачу по запросу диспетчера необходимых данных для ее решения в неавтоматизированном режиме (с использованием или без использования вспомогательных программ). В настоящее время в основном используется неавтоматизированный режим. Концепция предусматривает включение в ПТК АИСО специальной подсистемы контроля и анализа работы - ОСКАР-М.
Подсистема ОСКАР-М имеет трехуровневую схему клиент-сервер, включающую: серверы базы данных (БД АСОУП-2, mainframe), серверы приложений (Web-серверы), где проводится специализированная обработка информации, и клиентские рабочие места (ПЭВМ).
Программное обеспечение клиентских рабочих мест строится по модульному принципу для обеспечения любых функций с минимальной загрузкой клиентского компьютера и пользовательского интерфейса.
Разработаны принципы построения и работы подсистемы ОСКАР-М:
1) максимальное использование информационного потенциала действующих систем управления перевозочным процессом;
2) обеспечение требуемого времени реакции подсистемы tрц;
3) использование принципа активного пользовательского интерфейса (АПИ) в работе ТКП и АРМ диспетчеров по всем выполняемым функциям;
4) единый цикл принятия решений при использовании ТКП и АРМ;
5) использование статистических зависимостей при сравнении значений Х(t) и Хо.
При определении tрц следует исходить из условия обработки системой запроса за такое время tрц, в течение которого к диспетчеру с заданной степенью вероятности может поступить не более одной очередной (новой) задачи. Тогда будет соблюдено условие одновременного решения не более ко =2 задач.
Вероятность поступления за время (0,t) не более одной новой задачи:
( t)o ( t)1
P0,1 (0,t) = P0 (0,t) + P1 (0,t) = е - t + е - t
0 ! 1 !
Принимая P0,1 (0,t) = 0,95 и = 0,25 требований/мин (для диспетчеров укрупненных регионов ЦУП, обеспечивающих выполнение приоритетного подусловия Е), получим t = 1,38 1,4 мин, т.е. tрц 1,4 мин. Выполнение этого условия требует специальных решений по подсистеме ОСКАР-М.
Время реакции при трехуровневой схеме подсистемы:
tрц = tдзвс + tозвс + tозсбд + tдрп + tотп, Е (25)
где tдзвс - время доставки запроса на Web-сервер от ПЭВМ пользователя;
tозвс - время обработки запроса на Web-сервере;
tозсбд - время обработки запроса на сервере базы данных;
tдрп - время доставки результата из вэб-сервера на ПЭВМ пользователя;
tотп - время отображения результатов Web-браузером на ПЭВМ.
В современных системах пропускная способность СПД достаточно высока. Поэтому tдзвс < 1 сек и tдрп < 1 сек. Время tотп зависит от характеристик ПЭВМ. Разработаны требования, при которых tотп < 2 сек. В целом tдзвс + tдрп + tотп < 4 сек. Основные затраты времени в выражении (25) связаны с обработкой запросов.
Сокращение этого времени достигается за счет заблаговременной подготовки информации со строгой ее ориентацией на пользователей АИСО. Это, в свою очередь, требует определения допустимого периода обновления информации tобн , а также разработки процедур обработки запросов.
Чем больше tобн = (ti+1 - ti), тем больше отставание данных, поступающих в ПЭВМ в момент времени ti от реального оперативного состояния системы АИСО, фиксируемого системами АСОУП-2 и другими. Величину (ti+1 - ti) можно определить исходя из интервала корректировки нормируемых показателей, равного 46 ч. В этом случае надежности 0,95, характерной для расчетов в системах управления перевозочным процессом, соответствует интервал времени 0,20,3 ч. Соответственно в подсистеме ОСКАР-М типовой период =0,25 ч (15 мин). В конце суток (15 ч 18 ч), интервал планирования для показателей прием и сдача поездов (вагонов) по стыкам, погрузка и выгрузка может сокращаться до 2 ч, соответственно tобн в конце суток = 5-10 мин.
Таким образом, появляется возможность заблаговременной подготовки данных для запросов на основе использования двух процедур: формирования в Web-сервере специальных расчетных таблиц, ориентированных на возможные запросы пользователей, и непрерывного ведения репликационных таблиц (для запросов с неопределенным набором параметров). Тогда, tозвс + tозсбд < 30 сек, что обеспечивает выполнение требований к tрц.
Значительное влияние возмущающих воздействий W1 (задержки поездов при следовании по участкам и на станциях), W2 (необеспечение сроков погрузки, выгрузки, брошенные поезда на подходах к морским портам и др.), W3 (снижение уровня выполнения всех показателей при сильных метелях и др.) на оперативную работу требуют непрерывного контроля перевозочного процесса с целью обнаружения сбойных ситуаций (СС). Хронометраж времени, затрачиваемого диспетчерами на восприятие и изучение СС - tви , показал, что tви = 47 мин. Существенное его снижение обеспечивается на основе разработанных положений по использованию в подсистеме ОСКАР-М функций АПИ, которые предусматривают:
а) непрерывное получение информации из АСОУП-2;
b) обработку в подсистеме ОСКАР-М массива входной информации с выявлением сбойных ситуаций (СС), их оценкой и автоматизированной специальной информацией (цветовой, звуковой) об этом диспетчеров;
c) выработку вариантов решения СС и предложения их диспетчеру;
d) мониторинг выполнения управляющих воздействий;
e) оценку действий диспетчера;
f) формирование оперативных и отчетных форм в электронном виде для диспетчера, руководителей и исполнителей.
Разработан и реализован алгоритм работы подсистемы с функциями АПИ по устранению СС. В настоящее время на ТКП ЦУП ОАО РЖД в автоматизированном режиме более чем для 100 нормируемых показателей определяются отклонения с их оценкой (функции АПИ - а, b) при частичной реализации функций с, d и f. Оценка отклонений, а также их прогнозирование выполняются на основе следующих установленных видов статистических зависимостей изменения Xo = f (ti) в планируемый период:
- равномерный характер в течение суток, например, для величины Vуч;
- равномерно - нарастающий, например, для передачи поездов по стыкам при равномерном распределении ниток грузовых поездов;
- равномерно-нарастающий с изменяющейся интенсивностью, например, для объемов погрузки в 1-ю и 2-ю половины суток (рис. 4);
- нарастающий с перерывами, например, при предоставлении локон;
- нарастающий с переменной интенсивностью.
В момент времени ti прогнозируемое значение нормируемого показателя Хо(ti) определяется так, как показано на рис. 4.
Сокращение времени tви достигается также за счет образования иерархической структуры построения выходных форм для показателей по принципу от общего (сеть) к частному (железная дорога) и еще к более частному (отделение, станция). Это позволяет быстро устанавливать дислокацию и причины СС.
Разработан и реализован замкнутый цикл использования ТКП и АРМ для устранения СС. Для этого на ТКП определяются технологические зоны общего внимания (ТЗОВ) - объекты управления или события, информация о работе которых является основой принятия управленческих решений. Блок информации строится из элементов, часть из которых являются активными (в комплексе АПИ). Сигналы от активных элементов ТЗОВ поступают диспетчеру, который в своем АРМ раскрывает СС с использованием иерархической структуры выходных форм для принятия решения.
На основе данных положений разработаны решения по устройству ТКП в ЦУП и ДЦУП, обеспечивающие выработку управляющих решений в замкнутом контуре: объект управления - ТКП (АПИ) - АРМ (диспетчер) управляющее решение по устранению СС - объект управления.
Для компенсации недопустимых отклонений Х(t) от Хо предложен метод ситуационного управления, в соответствие с которым составляется матрица Мврм выбора типа (r) и количественного значения (zr) регулировочных мероприятий в зависимости от ситуации по отклонениям:
Kрм5 Kпок Крв Косд Кд
Мврм = { z1, { z2, { z3, z4, {z5, O, {r, zr }e }a=1 }b=1 }c=1 }d=1 , (26)
где z1 z2 z3 z4 - реквизиты наименований: железной дороги (1), станции (2),
рода груза (3), рода вагона (4);
z5 - планируемый параметр;
О - взвешенное отклонение;
Количество:
Крм5 - регулировочных мероприятий, которые можно
применить для компенсации отклонений параметра z5.
Кпок - планируемых показателей (для одного диспетчера - до 7);
Крв - учётных родов вагонов или грузов (вагонов -до 10 или
основных грузов - до 15);
Косд - отчётных станций на железной дороге ( до 600);
Кд - железных дорог в ОАО РЖД (= 17);
Перечень возможных регулировочных мероприятий индивидуален для управляемых параметров и условий работы.
В диссертации рассмотрен конкретный пример построения матрицы Мврм выбора мероприятий при наличии недопустимых отклонений для управления технологическим процессам обращения маршрутов с лесными грузами на направлении Буй-Светогорск (Северная и Октябрьская железные дороги).
Исследования, изложенные в разделах I-III диссертации, явились в последнее десятилетие основой разработки, построения и функционирования системы АИСО на сетевом и дорожном уровнях.
В четвертом разделе рассмотрены пути дальнейшего развития АИСО, которое связано с усилением математического и программного обеспечения на основе математического моделирования элементов перевозочного процесса, включая линейный уровень. Это обеспечит переход АИСО к программному уровню системы - АИСО-П. Основу этой системы составит созданная техническая и технологическая база ЦУП и ДЦУП.
Для задач АИСО-П характерно, что с течением времени увеличивается их количество и усложняются методы решения при использования больших объемов информации. Эти задачи делятся на три типа: с четкой формализацией управляемых процессов, формализуемые при агрегированном отображении структуры управляемого объекта и задачи, которые не могут быть в достаточной степени адекватно формализованы. Установлены основные закономерности и пути решения управляющих задач различных типов.
Важнейшей частью АИСО-П являются математические модели элементов перевозочного процесса. Разработка единой модели наталкивается на огромные трудности, определяемые: множеством влияющих параметров, многообразием характеристик, большой размерностью системы и др. Необходима декомпозиция общего процесса с разработкой интегрированного комплекса моделей (ИКМ). Набор конкретных моделей определяется на основе матрицы целей Мху, где х - функциональное направление диспетчерской деятельности, у - уровни управления. Элементы матрицы в этом случае являются возможными целями оперативного управления в комплексе целей (КЦ). Тогда:
КЦ ИКМ АИСО
Предложена классификация моделей - типовые; базовые и модели, разрабатываемые на их основе; специальные. Установлен первоочередной состав ИКМ при разработке конкретных моделей. В диссертации рассмотрен пример построения матрицы целей и ИКМ для автоматизированной системы оперативного управления работой одного из сетевых направлений.
Требуется развитие информационной базы системы на основе использования БД комплекса примерно десяти информационных систем ОАО РЖД (ДИСПАРК, ГИД УРАЛ-ВНИИЖТ, АСУСС, АСУГС и др.), построенных с использованием различных программных продуктов. Разработана схема поступления таких данных в унифицированную информационную платформу подсистемы ОСКАР-М с последующей их обработкой на Web-сервере и передачей полученных результатов пользователям.
Внедрение АИСО-П выдвигает задачу разработки таких характеристик для ЦУП и ДЦУП (РЦУП), которые дают оценку способности таких центров к решению функциональных задач.
Каждый центр управления представляет собой совокупность функциональных рабочих мест , поэтому характеристики должны быть ориентированы на их использование для решения j задач на каждом i-ом рабочем месте. Для каждой -ой задачи устанавливаются исходные данные: потребная и имеющаяся переменная (текущая) информация (в ЦУП, ДЦУП); потребная и имеющаяся нормативно-справочная информация; потребное и действительное время решения задачи; потребное и действительное время передачи выработанных решений исполнительным органам. Степень приспособленности центров управления к выполнению функций, на - ом рабочем месте, определяется характеристиками: отображаемости объекта, достоверности информации, своевременности получения информации, своевременности решения задач и управляемости по отношению к задачам. Предложены методики их расчета.
Экономическая эффективность от внедрения централизованной диспетчерской системы обеспечивается за счет улучшенния технических показателей оперативной работы. Сокращается продолжинтельность каждого этапа процесса управления (сбор, передача, обработка, выработка решений и команд управления), следовательно, повышается ценность информации. Оперативное воздействие на процесс дает меньше потерь при отклонениях от технологических нормативов, а обоснованные решения оптимизируют затраты на достижение цели. Наряду с повышением эффективности отдельных АСУ достигается и синергетический эффект, обеспечивающий превышение эффекта совместного функционирования всех систем АСУ над суммой эффектов их автономной деятельности.
Величина годового эффекта от использования централизованной диспетчерской системы по результатам расчетов, проведенных в рамках выполненного исследования, оценивается в размере 360-440 млн. руб. с учетом налоговых платежей (в ценах 2007 г.).
Заключение
1. На основании исследований решена крупная, имеющая важное хозяйственное значение, научная проблема построения АСУ ТП отраслевого уровня - автоматизированной системы управления перевозочным процессом (АИСО) в Компании ОАО РЖД, обеспечивающей выполнение основных перевозок на железнодорожном транспорте общего пользования страны.
Системное использование, впервые в оперативном управлении, принципов АСУ ТП отраслевого уровня, позволило установить логически четкие взаимосвязи в иерархической управляющей структуре железнодорожного транспорта, построить эффективную систему управления перевозочным процессом.
2. Разработана структура АИСО, как замкнутая система с обратной связью, включающая: управляемые объекты - совокупность потоков поездов, вагонов и грузов; управляющие устройства - иерархию диспетчерских центров сетевого (ЦУП) и дорожного (ДЦУП) уровней; исполнительные устройства. Управляющие решения принимаются на основе предложенной целевой функции оперативного управления, сравнения текущих значений контролируемых показателей Х(t) с плановыми Хо(t), учета внутренних и внешних возмущающих воздействий (W).
3. Выполнена математическая постановка задачи укрупнения полигонов оперативного управления в условиях структурной реформы ОАО РЖД. Определены: целевая функция, технологический критерий, ограничения и факторы изменения производственных затрат при переходе к региональной структуре. Для перспективных условий предложены варианты управления перевозочным процессом на основе укрупненных регионов.
4. Определены дополнительные требования к системе управления:
- выполнение подмножеств новых функций: по обеспечению рыночных требований, оперативному контролю состояния технических средств, взаимодействию с внешними системами. Установленные пересечения множеств и подмножеств функций должны учитываться в диспетчерской структуре;
- обеспечение условия устойчивого функционирования АИСО на основе непревышения установленного в диссертации предельного уровня размеров вагонного парка, находящегося на полигонах управления;
- минимизация используемых ресурсов применительно к функциям с учетом отношений предшествования;
- построение операторов в виде моделей выработки управляющих решений на основе функционалов формализации взаимосвязей в системе.
5. Обоснована интегрированная структура диспетчерского управления по выполнению традиционных и новых функций. Определен функциональный состав диспетчеров, их иерархия и взаимодействие с учетом предшествования функций при делении диспетчеров на две группы: первая, когда необходим коллективный мониторинг перевозок и вторая Ц при управлении локальными объектами или процессами.
6. Разработана методика резервирования в работе диспетчеров с учетом периодов их пиковых загрузок. Практически решен вопрос резервирования работы диспетчеров укрупненных регионов ЦУП ОАО РЖД.
7. Разработана подсистема контроля и анализа выполнения оперативных планов (ОСКАР-М), обеспечивающая: реализацию функции обратной связи в АИСО; использование информационного потенциала действующих АСУ в ОАО РЖД; преодоление сбойных ситуаций с использованием принципа активного пользовательского интерфейса (АПИ); взаимоувязанное функционирование ТКП и АРМ с единым циклом принятия решений; построение иерархической структуры выходных документов подсистемы ОСКАР-М; использование установленных статистических зависимостей изменения значений нормируемых показателей в течение планового периода; реализацию обоснованного времени реакции подсистемы (tрц 1,4 мин) за счет заблаговременной и направленной подготовки информации при установленном типовом периоде ее обновления = 15 мин.
Разработана логическая организация базы данных при управлении по отклонениям, предложены методы оценки и компенсации отклонений.
8. Разработаны требования к ТКП, включающие: условия отражения контролируемых параметров; формирование топологии полигона управления и отражения событий на основе технологических зон общего внимания (ТЗОВ), включающих группы информационных элементов, в том числе активные.
9. На основе разработанных положений для ЦУП ОАО РЖД разработан автоматизированный режим определения отклонений более чем для 100 показателей. Эти положения реализованы и в ДЦУП (Октябрьская, Северная, Куйбышевская, Северо-Кавказская и др.). В диссертации рассмотрен конкретный пример организации оперативного управления технологическим процессом обращения кольцевых маршрутов с лесными грузами на полигонах Северной и Октябрьской железных дорог.
10. Развитие АИСО связано с разработкой программного обеспечения на основе математического моделирования составляющих перевозочного процесса с переходом к программному уровню системы - АИСО-П. На основе разработанной матрицы целей определен интегрированный комплекс моделей (ИКМ) для АИСО-П. Предложенная классификация математических моделей, определяет порядок их разработки с выделением работ первого этапа.
11. Установлены теоретические положения расчета характеристик, приспособленности диспетчерских центров к выполнению функций оперативного управления, в том числе характеристики: отображаемости объекта, достоверности информации, своевременности получения информации, своевременности решения задач, управляемости по отношению к задачам.
12. Разработанные в диссертации теоретические положения и практические предложения нашли внедрение в ЦУП ОАО РЖД и ДЦУП Северо-Кавказской, Северной, Куйбышевской, Октябрьской, Приволжской, Дальневосточной, Южно-Уральской, Юго-Восточной и Московской железных дорог. Элементы системы внедряются и на других железных дорогах. Выполненные расчеты по технико-экономической оценке результатов внедрения подтверждают их эффективность.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Перечень работ, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций (1-8).
1. Поплавский А.А., Лизунов А.И. Сквозное оперативное управление поездной работой на направлениях// Железнодорожный транспорт. - М.: 2007. - № 1. - С. 16-24.
2. Поплавский А.А. Новое в оперативном управлении перевозочным процессом// Железнодорожный транспорт. - М.: 2007. - № 5. - С. 57-61.
3. Поплавский А.А. Автоматизированная система оперативного руководства перевозками ОАО РЖД, моделирование эксплуатационной работы// Железнодорожный транспорт. - М.:Ц 2007. - № 7.- С. 37-39.
4. Сотников Е.А., Поплавский А.А. Общие принципы построения системы оперативного управления перевозочным процессом// Наука и техника транспорта. - М.: 2007. - № 2. - С. 81-85.
5. Поплавский А.А. Горизонты информационных связей// Мир транспорта. - М.: 2007. -№ 03. - С. 108-112
6. Поплавский А.А. Организация диспетчерского руководства в автоматизированных центрах управления// Железнодорожный транспорт. - М.: 2007. - № 10. - С. 20-23.
7. Гапанович В.А., Поплавский А.А. Управление линией Москва-Санкт-Петербург при организации высокоскоростного движения// Железнодорожный транспорт. - М.: 2008. -№ 2. - С. 11-13.
8. Поплавский А.А. Оперативное управление перевозками: новый этап автоматизации// Железнодорожный транспорт - М.: 2008. - № 11. - С. 40-42.
9. Поплавский А.А. Создание эффективной управляющей системы для оперативного руководства перевозочным процессом на железнодорожном транспорте (монография)// Интекст. - М.: 2007. - С. 184.
10. Поплавский А.А. Анализ потоков информации при автоматизации функций поездного диспетчера// Вестник ВНИИЖТ. - М.: 1986. - № 3. - С. 4-8.
11. Поплавский А.А. Математическая модель автоматизированной системы обработки информации на рабочем месте поездного диспетчера// Вестник ВНИИЖТ. - М.: 1988. - № 6. - С. 8-11.
12. Поплавский А.А. Создание сети центров управления перевозками МПС // Сборник докладов международной конференции Совершенствование транспортного обслуживания перевозок грузов на основе внедрения информационных систем - М.: 2001. - С. 199-201.
13. Поплавский А.А. Новые информационные технологии в автоматизированной системе управления перевозочным процессом. // Сборник докладов 8-й Международной практической конференции Инфотранс-2003 - Санкт-Петербург: 2003, октябрь. - С. 28-37.
14. Поплавский А.А., Барановский Л.В. Основные принципы создания информационной среды сети региональных центров управления перевозками МПС// Сборник докладов Международной конференции ТРАНСТЭК-2005. - Санкт-Петербург: - 2005. - С. 23-29.
15. Шаров В.А., Поплавский А.А. Интеграция систем управления перевозками и инфраструктурой железных дорог// Сборник трудов научно-практической конференции Инновационные проекты, новые технологии и изобретения ОАО РЖД, Интекст. - М.: 2005. - С. 58-59.
16. Поплавский А.А. Принципы выбора исходных данных для организации оперативного управления перевозочным процессом ОАО РЖД// Вестник ВНИИЖТ. - М.: 2006. - № 5. - С. 41-43.
17. Поплавский А.А., Иванов М.Т., Ефремов Д.И. Система центров управления перевозками на железных дорогах России (история создания и задачи развития)// Евразия-Вести. - М.: 2006. - №5. - С. 20-21.
18. Поплавский А.А. Автоматизация оперативного управления перевозочным процессом в ЦУП ОАО РЖД // Железные дороги мира. - М.: 2006. - № 12. - С. 59-62.
19. Поплавский А.А. Новые информационные технологии и система центров управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте// Сборник докладов Международной научно-практической конференции Современные тенденции развития средств управления на железнодорожном транспорте - М.: 2006. - С. 22-33.
20. Поплавский А.А.., Основные направления деятельности и целевая задача управления оперативной работой в узлах иерархической структуры// Труды ВНИИАС, вып. 7. - М.: 2007. - С.166-183.
21. Поплавский А.А. Оперативная система контроля и анализа работы железных дорог ОСКАР-М// Автоматика, связь, информатика. АСИ. - М.: 2007. - № 1. - С. 37-39.
22. Поплавский А.А. Экономические принципы совершенствования оперативного управления перевозочным процессом// Экономика железных дорог.- М.: 2007. - № 3. - С. 58-64.
23. Ивницкий В.А., Поплавский А.А. Теоретические основы разработки характеристик центров управления перевозочным процессом// Вестник ВНИИЖТ. - М.: 2007. - № 6. - С. 42-45.
24. Поплавский А.А. Специализированные центры диспетчерского управления движением поездов на высокоскоростных магистралях. Сборник научных трудов научно-практической информации. Научные проблемы технического развития железнодорожного транспорта// ОАО РЖД - ВНИИЖТ. - М.: 2008. - С. 126-128.
25. Поплавский А.А. Развитие системы управления перевозочным процессом при реформировании железнодорожного транспорта // Бюллетень транспортной информации. - М.: 2008. - № 8. - С. 33-35.
26. Поплавский А.А. Контроль состояния пути и подвижного состава - важный элемент системы оперативного управления перевозочным процессом // Сборник трудов научно-практической конференции Устройство и содержание пути и подвижного состава при тяжеловесном и грузовом движении. ОАО РЖД, ВНИИЖТ. - М.: 2008. - С. 228.
27. Поплавский А.А. Автоматизированное управление доставкой лесных грузов кольцевыми маршрутами// М.: Инфотранс. - 2008. - С. 51-58.
28. Ададуров С.Е., Поплавский А.А. Рычаг управления - информационные технологии// РЖД Партнер. - М.: 2008. - № 22. - С. 24-25.
29. Поплавский А.А. Программа контроля обеспечения своевременной доставки грузов//Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008615155 от 24 октября 2008 г.
30. Поплавский А.А. Программа активного контроля выполнения темпов погрузки на сети железных дорог// Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008615168 от 27 октября 2008 г.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям