Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

                               На правах рукописи

Воробьев Павел

Алгоритмы  централизованного  управления движением  поездов  ДЛЯ  иниЙ  метрополитена   г. МЕХИКО

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждения высшего профессионального образования Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС (МИИТ)) на кафедре Управление и информатика в технических системах.

Научный руководитель         -        доктор технических наук, профессор

                 Баранов Леонид Аврамович

Официальные оппоненты - Сотников Евгений Александрович - доктор технических наук, профессор, ОАО Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО ВНИИЖТ), главный научный сотрудник;

-        Астрахан Владимир Ильич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО ВНИИАС), руководитель Центра обучения ОАО ВНИИАС.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования Петербургский государственный университет путей сообщения.

Защита диссертации состоится 19 декабря 2012г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д218.005.04 в Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 127055, г. Москва, ГСП-2, ул. Новосущевская 22, стр. 1, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа.

Автореферат разослан 19 ноября 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д218.005.04

д.т.н, доцент                                                         В.Г. Сидоренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день в большом числе городов многих стран мира имеются метрополитены. Постоянно растущие потоки пассажиров требуют повышения эффективности использования пропускной способности линий. Известно, что централизованное автоматизированное управление движением поездов метрополитена (ЦАУДПМ) обеспечивает повышение степени использования пропускной способности и увеличение провозной способности линии за счет более точного выполнения графика движения, повышение безопасности движения за счет уменьшения вероятности опасного сближения поездов, уменьшение затрат энергии на тягу поезда за счет выбора энергооптимальных режимов управления поездом и оптимального, по критерию минимума энергозатрат, распределения времени хода по линии на времена хода по перегонам. Большой вклад в разработку систем автоматизированного управления движением поездов внесли исследовательские коллективы таких организаций, как МГУПС (МИИТ), ПГУПС, ВНИИЖТ, ГТСС, ВНИИАС, НИИ Точной механики, Транс-ИТ и др., в том числе, такие ученые как Балакина Е.П., Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Козлов В.П., Логинова Л.Н., Сидоренко В.Г. и др.

Выбор темы исследования данной диссертационной работы определяется рекомендацией Национального Совета по Науке и Технике Мексики (CONACyT, Mexico, грант №210646). На данный момент метрополитен г. Мехико оснащен системой централизованного управления движением поездов, разработанной для относительно малых размеров движения несколько десятилетий назад. При этом архитектура системы является закрытой, что делает возможность ее адаптации к условиям растущих пассажиропотоков весьма затруднительной. Следствием этого является неравномерность движения, снижение комфортности перевозки пассажиров и перерасход энергии на тягу поездов. В связи с этим, актуальной становится разработка алгоритмов централизованного автоматизированного управления движением поездов для линий метрополитена г. Мехико, позволяющих повысить качество движения в современных условиях эксплуатации метрополитена. Одной из самых востребованных линий метрополитена является линия №3, на ней присутствуют все основные особенности линий метрополитена г.Мехико, описанные далее, в связи с чем она была выбрана для моделирования и проведения имитационных экспериментов в данной работе.

Объектом исследования в данной работе является автоматизация и управление технологическими процессами на метрополитене г. Мехико.

В качестве предмета исследования рассматриваются алгоритмы централизованного управления движением поездов метрополитена.

Целью диссертации является создание алгоритмов централизованного управления движением поездов для линий метрополитена г. Мехико, учитывающих его особенности и позволяющих повысить безопасность движения, комфортность перевозок пассажиров и уменьшить энергозатраты на тягу поездов. Для выполнения этой цели необходимо решение следующих задач:

    • создание модели линии метрополитена г. Мехико;
    • выбор законов управления движением поездов с учетом влияния зависимости ограничений на управление от состояния системы при заданных возмущениях и различных размерах движения, с учетом особенностей метрополитена г. Мехико;
    • получение временных и регулировочных характеристик перегонов линии;
    • разработка моделей длительности стоянки и времени хода поезда, позволяющих прогнозировать соответствующие величины на впереди лежащих станциях и перегонах;
    • разработка алгоритмического и программного обеспечения централизованного управления движением поездов для линии метрополитена г. Мехико;
    • разработка программного обеспечения комплекса для исследования характеристик и законов управления движением поездов на линиях метрополитена г. Мехико;
    • проведение имитационных экспериментов с целью анализа качества управления в системе централизованного управления движением поездов.

       Методы исследований. Результаты диссертационной работы получены на основе использования теории автоматического управления, электрической тяги, статистического анализа, системного анализа и методов имитационного моделирования.

       Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена  корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, соответствием результатов, полученных на модели линии метрополитена г. Мехико при невозмущенном движении, графикам исполненного движения (ГИД), большим числом имитационных экспериментов при различных возмущениях, получением известных результатов, как частного случая результатов данной работы.

Научная новизна работы  состоит в следующем.

    • Разработаны модели и методики:
      • имитационная модель линии, отличающаяся от известных учетом особенностей метрополитена г. Мехико (специфические возмущения и схемы оборотов);
      • модель длительности стоянки, отличающаяся от известных возможностью прогнозирования длительности стоянки впереди идущего поезда на впереди лежащей станции;
      • модель времени хода, отличающаяся от известных возможностью прогнозирования времени хода впереди идущего поезда по расположенному впереди перегону;
      • методика получения временных и регулировочных характеристик для перегонов с промежуточных станций на трехплатформенные конечные станции линий метрополитена г. Мехико, отличающаяся от известной учетом особенности трехплатформенных конечных станций с возможностью режима одновременного оборота двух поездов.
    • Предложены алгоритмы управления движением поездов для линий метрополитена г. Мехико, отличающиеся от известных учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы  с одновременным прогнозированием величин длительности стоянки впереди идущего поезда на впереди лежащей станции и времени хода поезда на расположенном впереди перегоне.
    • Показано влияние границ диапазона используемых временных и регулировочных характеристик  перегонов на качество работы алгоритмов централизованного управления движением поездов метрополитена г. Мехико с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы.
    • Показано, что при точном учете зависимости ограничений на управление от состояния системы с одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода впереди идущих поездов количество внеплановых остановок приближается к числу поездов, находящихся на ближайшем перегоне перед станциями, на которых возникает задержка отправления поезда при условии того, что величина возмущения не выходит за границы диапазона полученных временных и регулировочных характеристик.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

    • разработан программный комплекс для исследований характеристик и законов управления на линиях метрополитена г. Мехико, позволяющий проводить имитационные эксперименты при заданных возмущениях с использованием алгоритмов централизованного управления движением поездов при различных размерах движения и производить расчет показателей качества для оценки работы алгоритмов;
    • показано, что учет зависимости ограничений на управление от состояния системы с одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода впереди идущих поездов привел к улучшению выбранных показателей качества по сравнению с существующими алгоритмами централизованного управления движением поездов. Так, использование разработанных алгоритмов позволило сократить количество внеплановых остановок и соответствующее им суммарное время простоя поездов в тоннеле до величин, близких к минимальному порогу для задаваемых возмущений и размеров движения, при этом экономия электроэнергии составила 3 Ц  9%, в зависимости от разновидности алгоритма, характера возмущения и размера движения на линии;
    • получены временные и регулировочные характеристики для 40 перегонов линии №3 метрополитена г. Мехико, позволяющие учитывать зависимость ограничений на управление от состояния системы. Эти характеристики являются составной частью базы данных централизованной системы управления движением поездов метрополитена.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 3-й Российской конференции с международным участием Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения, ИПУ, 2012г., научно-практических конференциях Безопасность движения поездов в МИИТе (2010г., 2011г., 2012г.), научных конференциях Неделя науки МИИТа (2009г., 2010г., 2011г.), заседаниях кафедры Управление и информатика в технических системах МИИТа (2009г., 2010г., 2011г., 2012гг).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры Управление и информатика в технических системах (УИТС) и переданы в дирекцию метрополитена г. Мехико.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 работ, 2 из которых опубликованы в ведущих изданиях из перечня, определенного ВАК России.

Положения, выносимые на защиту:

  • алгоритмы централизованного управления движением поездов для линий метрополитена г. Мехико, отличающиеся от известных учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы с одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода впереди идущих поездов;
      • модель длительности стоянки поезда, отличающаяся от известных возможностью прогнозирования длительности стоянки впереди идущего поезда на впереди лежащей станции;
  • модель времени хода поезда, отличающаяся от известных возможностью прогнозирования времени хода впереди идущего поезда по расположенному впереди перегону;
  • имитационная модель линии, отличающаяся от известных учетом особенностей метрополитена г. Мехико (возможность одновременного параллельного оборота двух поездов на трехплатформенных конечных станциях линий, специфика возмущений, связанных с дождем на открытых перегонах линий);
  • методика получения временных и регулировочных характеристик для перегонов с промежуточных станций на трехплатформенные конечные станции линий метрополитена г. Мехико.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 94 наименования, изложена на 236 страницах (из них 42 в приложении), поясняется 192 рисунками (из них 126 в приложении) и 28 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе приведено описание традиционной структуры и принципов построения систем автоматического управления движением поездов метрополитена (САУДПМ), а также описаны особенности линий метрополитена г. Мехико. В главе рассматриваются известные графиковые, интервальные и графиково-интервальные алгоритмы управления движением поездов на линии метрополитена. Приведены традиционные критерии качества для сравнения работы алгоритмов, а также введен дополнительный показатель комфортности - суммарное время простоя поездов в тоннеле, определяющийся как суммарное в течение сбоя время простоя поездов в тоннеле по причине внеплановых остановок по запрещающим сигналам системы безопасности движения:

,                                (1)

где - количество внеплановых остановок на перегоне, совершенных n-м поездом во время сбоя,

N - количество поездов на линии,

- длительность k-й внеплановой стоянки n-го поезда.

Метрополитен г. Мехико обладает следующими особенностями: большое количество открытых наземных перегонов, подверженных влиянию дождя, и использование на линиях подвижного состава с резиновыми колесами, что приводит к необходимости введения дополнительного скоростного ограничения на открытых перегонах для предотвращения проскальзывания колесных пар при дожде; грубое квантование пути (относительно малое количество рельсовых цепей), что делает необходимым повышение точности учета зависимости ограничений на управление от состояния системы; наличие на линиях трехплатформенных станций с возможностью реализации одновременного параллельного оборота двух поездов, а также относительно высокая стоимость электроэнергии в Мексике.

Сформулирована цель и определены задачи исследования.

Во второй главе  представлен способ получения временных и регулировочных характеристик, основанный на известной методике, однако отличающийся учетом особенностей метрополитена г. Мехико с приведением примеров характеристик, полученных путем имитационного моделирования. Представлено описание разработанной адаптивной модели длительности стоянки поезда, отличающейся от известных возможностью прогнозирования длительности стоянки впереди идущего поезда на впереди лежащем перегоне. Также представлено описание разработанной адаптивной модели времени хода поезда, отличающейся от известных возможностью прогнозирования времени хода впереди идущего поезда по впереди лежащему перегону. В главе представлены блок-схемы алгоритмов, отличающихся от известных учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы с одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода впереди идущих поездов (алгоритмы УЗОУСС+ПРО).

Управление движением поездов на линии метрополитена осуществляется в соответствии с выбранными алгоритмами управления. Рассматриваемые алгоритмы имеют на входе данные о плановом графике движения, прибытии каждого поезда на станцию, вычисляют рассогласование планового и исполненного графиков, в соответствии с которым определяют время отправления и время хода поезда по перегону. При этом алгоритм оперирует с рядом ограничений, в частности таких, которые не постоянны, а зависят от состояния системы, а именно: минимально допустимый интервал по отправлению поезда и минимально допустимое время хода по перегону для следования по разрешающим сигналам системы обеспечения безопасности движения. Приведенные ограничения возможно учесть путем использования 1-й временной характеристики (минимально допустимый интервал по отправлению поезда как функция длительности стоянки и времени хода впереди идущего поезда), 2-й временной характеристики (минимально допустимый интервал по отправлению поезда как функция длительности стоянки и дополнительного скоростного ограничения на перегоне) и регулировочной характеристики перегонов (минимально допустимое время хода как функция длительности стоянки, интервала по отправлению и времени хода впереди идущего поезда), получаемых по методике, предложенной учеными кафедры УИТС МИИТа.

Автором предложен способ получения 1-й временной характеристики для конечных перегонов линий метрополитена г. Мехико с возможностью реализации одновременного параллельного оборота двух поездов на трехплатформенных конечных станциях. Рассмотрим схему такого оборота на примере конечного перегона УDeportivo 18 de Marzo - Indios VerdesФ линии №3 метрополитена г. Мехико (рис. 1): 1-й поезд прибывает на платформу л12 (указание рельсовой цепи), выполняет высадку пассажиров и уходит на маневровую платформу л24; стрелка л11 меняет положение, 2-й поезд прибывает на платформу л22, стрелка л11 меняет положение. В то время как 1-й поезд совершает смену головы на маневровой платформе л24 и отправляется к платформе л42, 2-й поезд выполняет высадку и посадку пассажиров, совершает смену головы на платформе л22, стрелка л21 меняет положение и 2-й поезд отправляется на перегон в сторону рельсовой цепи л20; 1-й поезд выполняет посадку пассажиров на платформе л42 и отправляется на перегон после 2-го поезда.

Рис. 1. Схема параллельного оборота на трехплатформенной станции.

Обозначим 3-й поезд как поезд [n], 2-й поезд - [n-1] и 1-й поезд - [n-2] соответственно. Из приведенной последовательности действий схемы оборота видно, что на момент прибытия 2-го поезда на конечную платформу л22 1-й поезд успевает освободить платформу с рельсовой цепью л12 (при условии выполнения плановой длительности стоянки) и уже совершает смену головы на маневровой платформе л24. Следовательно, на момент отправления n-го поезда, платформа с рельсовой цепью л12 свободна. Нахождение [n-1]-го поезда на платформе с рельсовой цепью л22 не влияет на движение поезда [n], так как стрелка л11 переведена в положение для принятия поезда [n] на платформу с рельсовой цепью л12, длительность стоянки [n-1]-го поезда не влияет на минимальный интервал по отправлению n-го поезда. Нахождение поезда [n-2] на маневровой платформе с рельсовой цепью л24 также не влияет на движение поезда [n], так как платформа с рельсовой цепью л12 свободна. Из этого следует, что длительность стоянки [n-2]-го также не влияет на минимальный интервал по отправлению n-го поезда, при условии, что на момент отправления n-го поезда toj[n] поезд [n-2] уже отправился под оборот на маневровую платформу в момент to(j+1)[n-2] и минимальный интервал по отправлению Тиоminj[n] (рис. 2) есть функция времени хода Тхj[n-1]:

Тиоminj[n] = f{Тхj[n-1]}, при to(j+1)[n-2] < toj[n].                        (2)

Подобным способом определяется 2-я временная характеристика  (рис. 2) для конечных перегонов на трехплатформенные станции с параллельным оборотом на линиях метрополитена г. Мехико:

Тиоminj[n] = f{Vдоп j}, при to(j+1)[n-2] < toj[n],                                (3)

где Vдоп j - дополнительное скоростное ограничение на j-м перегоне.

По аналогии находится регулировочная характеристика (рис. 2) для конечных перегонов на трехплатформенные станции с параллельным оборотом на линиях метрополитена г. Мехико:

Тхjminдоп[n] = f{ Тиоj[n], Тхj[n-1]}, при to(j+1)[n-2] < toj[n],                        (4)

где Тхjminдоп[n] - минимально допустимое время хода по перегону.

Если же отправление под оборот поезда [n-2] с платформы с рельсовой цепью л12 на маневровую платформу задерживается настолько, что на момент отправления n-го поезда с промежуточной станции  платформа л12 занята, то на трехплатформенной станции образуется пробка. В этом случае параллельный оборот становится невозможным и необходимо использовать, как и в случае промежуточных перегонов, известную методику снятия временных и регулировочных характеристик, разработанную на кафедре Управление и информатика в технических системах МИИТа, в которой обязательным аргументом является фактическая длительность стоянки впереди идущего поезда на впереди лежащей станции Tсф(j+1)[n-1]. Вкратце, методика заключается в следующем: создается виртуальное депо непосредственно перед станцией, за которой располагается изучаемый перегон; поезд, выпущенный из виртуального депо, выполняет задаваемую стоянку на станции и отправляется на изучаемый перегон с заданным временем хода, прибывает на впереди лежащую станцию, выполняет заданную стоянку и отправляется со станции; следом за первым, депо выпускает второй и последующие поезда, которые соблюдают заданный интервал по отправлению и отправляются на изучаемый перегон с заданным временем хода; если один из поездов совершает внеплановую остановку на перегоне по запрещающим сигналам системы обеспечения безопасности движения, задаваемый минимальный интервал или время хода (в зависимости от вида рассчитываемой характеристики) увеличивается и эксперимент повторяется до тех пор, пока по перегону успешно не проследуют 5 поездов.

       

Рис. 2. 1-я временная (слева), 2-я временная (справа) и регулировочная (в центре) характеристики перегона с промежуточной на трехплатформенную конечную станцию линии метрополитена г. Мехико, находящуюся в режиме параллельного оборота двух поездов.

Для большинства перегонов величина минимально допустимого интервала по отправлению зависит от фактической длительности Tсф(j+1)[n-1] стоянки [n-1]-го поезда на (j+1)-й станции. В момент принятия решения об отправлении n-го поезда с j-й станции [n-1]-й поезд может находиться на перегоне и, следовательно, величина Tсф(j+1)[n-1] неизвестна. Замена фактической длительности стоянки [n-1]-го поезда на (j+1)-й станции на графиковую при формировании управления может привести к дополнительным остановкам n-го поезда на перегоне. Поэтому в данной работе предложена модель стоянки, называемая адаптивной, которая автоматически определяет, с заданной погрешностью, в любой момент величину отклонения Fс(j+1)[n-1], которая, будучи суммирована с длительностью стоянки Tсг(j+1)[n-1],  заданной  графиком  движения, позволяет  получить  оценку величины Tсф(j+1)[n-1]. Величина  оценки Tсф(j+1)[n-1],  обозначаемая  как Tс*(j+1)[n-1], определяется:

Tс*(j+1)[n-1] = Tсг(j+1)[n-1]+ Fс*(j+1)[n-1],                                (5)

где Fс*(j+1)[n-1] рассчитывается по известным фактическим значениям этой величины на (j+1)-ой станции для предыдущих поездов с помощью экстраполятора первого или второго порядка по методу наименьших квадратов по известному выражению.

Для оценки погрешности прогноза  была рассмотрена эффективность данного метода в зависимости от степени корреляции величин Fсф(j+1)[n], что позволило определить пороговые количества учитываемых в предыстории поездов, для которых прогноз отклонения времени стоянки от графикового эффективен. Было определено, что число поездов варьируется от 3 до 5. Схема алгоритма прогнозирования представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема алгоритма прогнозирования.

Величина минимально допустимого интервала по отправлению поезда также зависит от фактической величины Tхфj[n-1] времени хода впереди идущего поезда. При больших размерах движения на момент отправления n-го поезда вероятность того, что впереди идущий поезд уже прибыл на станцию, крайне мала и фактическое время хода неизвестно. Замена фактического времени хода графиковым также может привести к дополнительным остановкам. В связи с этим, в данной работе предложена адаптивная модель времени хода поезда по перегону, которая автоматически определяет, с заданной погрешностью, в любой момент величину Fхj[n-1], которая, будучи суммирована с временем хода Tхгj[n-1],  заданным  графиком  движения, позволяет  получить  оценку величины Tхфj[n-1]. По аналогии с адаптивной моделью длительности стоянки поезда:

Tх*j[n-1] = Tхгj[n-1]+ Fх*j[n-1],                                        (6)

где Fх*j[n-1] экстраполируется по известным фактическим значениям этой величины на j-м перегоне для предыдущих поездов, прошедших перегон. Найдено число поездов, учитываемых в предыстории, для которого прогноз эффективен. Число поездов варьируется от 3 до 5.

Схема разработанного алгоритма централизованного управления движением поездов УЗОУСС+ПРО представлена на примере разновидности И1 интервального алгоритма с первоочередным использованием ресурса длительности стоянки (рис. 4). Расчет управляющих величин производится по авторским формулам (2-6), а так же известным формулам для алгоритмов управления движением поездов, разработанных учеными кафедры Управление и информатика в технических системах МИИТа. В блоке 1 инициализируются переменные; в блоке 2 вычисляется отклонение фактического интервала по прибытию от планового; в блоке 3 корректируется длительность стоянки для компенсации отклонения интервала по прибытию; в блоке 4 рассчитывается время отправления; в блоках 5-6 производится проверка и учет ограничения по минимальной длительности стоянки поезда; в блоке 7 вычисляется длительность стоянки и время хода впереди идущего поезда по схеме алгоритма прогнозирования (рис. 3); в блоке 8 - проверяется наличие дополнительного скоростного ограничения на перегоне или группе перегонов; в блоке 9 по 2-й временной характеристике определяется минимально допустимый интервал по отправлению поезда, при этом, если ограничение вводится на группе перегонов, выбирается значение минимального интервала максимальное для группы; в блоке 10 минимальный интервал определяется по 1-й временной характеристике; в блоках 11-12 проверяется и учитывается ограничение по минимальному интервалу; в блоке 13 вычисляется отклонение планового интервала по отправлению от графикового; в блоках 14-15 - рассчитывается время хода поезда с учетом коррекции отклонения интервала по отправлению; в блоке 16 по регулировочной характеристике определяется минимально допустимое время хода поезда по перегону; в блоках 17-18 производится проверка и учет ограничения по минимально допустимому времени хода, в случае необходимости корректируется задаваемое плановое время хода.

Рис. 4. Схема интервального алгоритма И1+УЗОУСС+ПРО.

В третьей главе представлено описание модели линии №3 метрополитена г. Мехико, созданной для исследования работы алгоритмов централизованного управления движением поездов. В модели используются традиционные принципы построения САУДПМ и учитываются особенности метрополитена г. Мехико (специфика параллельного оборота поездов на трехплатформенных конечных станциях линий и специфика возмущений, связанных с дождем на открытых перегонах). Подмодель возмущающих воздействий пополнена режимами - Дождь 1 и Дождь 2. Дождь 1 представляет собой введение дополнительного скоростного ограничения 35 км/ч одновременно на всех открытых перегонах линии. Дождь 2 включает режим Дождь 1 и дополнительно вводит многократную задержку отправления поезда со станций, находящихся в конце наземных перегонов, моделируя таким образом чрезмерное скопление пассажиров как следствие увеличения времени незанятости платформы по причине дождя. Описаны особенности подмодели маршрутно-релейной централизации (МРЦ) и блока алгоритмов управления движением поездов, связанные со спецификой параллельных оборотов поездов на конечных трехплатформенных станциях линий метрополитена г. Мехико.

В четвертой главе приведены результаты имитационного моделирования функционирования линии во время сбоев для известных алгоритмов ЦАУДПМ, таких как графиковые, интервальные и графиково-интервальные с присущими им разновидностями, а так же для соответствующих им разработанных алгоритмов с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы и одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода поездов. При моделировании использовались такие возмущения как единичная задержка отправления поезда, многократная задержка отправления поезда, введение дополнительного скоростного ограничения на перегоне (УVdopФ), а также возмущениях типа Дождь 1 и Дождь 2 для разных размеров движения (час пик с плановым интервалом движения 120 с и час не пик с плновым интервалом 160 с).

Рассмотрим результаты, полученные для единичной задержки поезда [n-1] на (j+1)-ой станции на 40 с на примере разработанного (Г1*) и существующего (Г1) графикового алгоритма  с первоначальным использованием ресурса длительности стоянки. Количество остановок снижается с 3 до 1 (рис. 5).

Момент начала возмущения непредсказуем, поэтому первая остановка неизбежна и совершается поездом [n], находящимся на перегоне перед проблемной станцией (j+1) на момент возникновения возмущения. Зависимость ограничений на управление от состояния системы может учитываться только поездами, находящимися на станции, так как расчет величин плановых длительностей стоянок и плановых времен хода и формирование соответствующих команд управления не производится для поездов, находящихся на перегоне. Для сзади идущего [n+1]-го поезда, прибывающего или уже находящегося на j-ой станции, учет изменения состояния системы становиться возможным. Далее алгоритм обеспечивает возвращение в график без дополнительных внеплановых остановок при условии, что величина возмущения находится внутри диапазона снятых характеристик.

Рис. 5. Фрагмент ГИД при единичной задержке для алгоритмов Г1 (слева) и Г1+УЗОУСС+ПРО (справа). Точками указаны остановки на перегоне.

Моделирование других разновидностей алгоритмов приводит к подобным результатам (рис. 6-8). Аналогичные результаты получены при многократной задержке поезда.

Рис. 6. Сравнение работы алгоритмов по количеству внеплановых остановок по запрещающим сигналам системы обеспечения безопасности движения поездов при единичной задержке отправления поезда на 40 с.

Рис. 7. Сравнение работы алгоритмов по времени простоя поездов в тоннеле при единичной задержке поезда на 40 с.

Рис. 8. Сравнение работы алгоритмов по удельному расходу энергии на тягу поездов при единичной задержке поезда на 40 с.

На примере единичной задержки поезда также описано влияние выхода величины возмущения за границы диапазона снятых характеристик. В таких случаях алгоритм использует пограничные значения диапазона. В ходе имитационного эксперимента верхняя граница диапазона намеренно опускалась ниже уровня возмущения. Было показано, что по мере выхода величины возмущения за границы диапазона снятых временных и регулировочных характеристик, эффективность приближается к значениям, соответствующим работе алгоритмов, не учитывающих зависимость ограничений на управление от состояния системы.

Рассмотрим результаты, полученные при введении на перегоне дополнительного скоростного ограничения 35 км/ч на примере разработанного (И1*) и существующего (И1) интервального алгоритма с первоначальным использованием ресурса длительности стоянки (рис. 9-11). Количество внеплановых остановок снизилось с 104 до 25 в час пик и с 51 до 15 в час не пик. Большее число внеплановых остановок по сравнению с таким возмущением, как задержка поезда, объясняется следующим. При введении дополнительного скоростного ограничения вся линия переводится на новый интервал движения, полученный по 2-й временной характеристике. На момент перехода часть поездов находится на перегонах, остальные - стоят на станциях. Поезда, находящиеся на станциях, получают команду на выполнение сверхрежимной программной задержки по отправлению для выполнения нового интервала. Вследствие этого, поезда, уже отправившиеся на перегон, совершают внеплановую остановку по запрещающим сигналам светофоров.

Рис. 9. Сравнение работы алгоритмов по количеству внеплановых остановок по запрещающим сигналам системы обеспечения безопасности движения поездов при возмущениях, связанных с введением дополнительных скоростных ограничений на перегоне или группе перегонов линии.

Рис. 10. Сравнение работы алгоритмов по времени простоя поездов в тоннеле при возмущениях, связанных с введением дополнительных скоростных ограничений на перегоне или группе перегонов линии..

Рис. 11. Сравнение работы алгоритмов по удельному расходу энергии на тягу поездов при возмущениях, связанных с введением дополнительных скоростных ограничений на перегоне или группе перегонов линии..

Рассмотренная ранее ситуация при единичных задержках отправления поезда со станции показывает, что алгоритмам с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы достаточно 1 или 2 остановок для настройки и дальнейшего успешного парирования возмущения. В результате, количество внеплановых остановок приближается к числу поездов, находящихся на перегонах на момент введения программной сверхрежимной задержки по отправлению на станциях (рис. 12, рис. 13).

Данный анализ указывает на то, что алгоритм, аналогичный разработанному, но дающий возможность корректировать заданное время прибытия внутри перегона, будет способен дополнительно снизить количество внеплановых остановок, так как сможет корректировать оставшееся время хода по завершающей части перегона, получая команду управления во время движения.

Рис. 4.6. Фрагмент ИГД при введении 15-минутного дополнительного скоростного ограничения на перегоне в час пик. Алгоритм И1. Точками указаны внеплановые остановки на перегоне.

Рис. 4.7. Фрагмент ИГД при 15-минутном дополнительном скоростном ограничении на перегоне в час пик. Алгоритм И1+УЗОУСС+ПРО. Точками указаны внеплановые остановки на перегоне.

В пятой главе приведено описание разработанного программного обеспечения комплекса для исследования характеристик и законов управления движением поездов на линиях метрополитена г. Мехико и описан его пользовательский интерфейс. Комплекс основан на разработках ученых кафедры УИТС МИИТа и дополнен соответствующими модулями для решения задач, поставленных в данной работе (модуль системы МР - со спецификой одновременного параллельного оборота двух поездов; модуль возмущающих воздействий со спецификой возмущений, связанных с дождем на открытых перегонах; модуль получения временных и регулировочных характеристик для конечных перегонов с промежуточных станций на трехплатформенные конечные станции линии, находящиеся в режиме параллельного оборота; модуль прогнозирования длительностей стоянок и времен хода впереди идущих поездов; блок задания алгоритмов централизованного управления движением поездов с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы и одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода впереди идущих поездов).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

  1. Алгоритмы централизованного управления движением поездов для линии метрополитена г. Мехико, эффективность которых достигается учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы с одновременным прогнозированием длительностей стоянок и времен хода поездов, учетом возможности одновременного оборота двух поездов на трехплатформенных конечных станциях и учетом специфики ограничений на открытых участках линии.
  2. Сокращение количества внеплановых остановок поездов и соответствующего им суммарного времени простоя в тоннеле до величин, близких к минимальным для задаваемых возмущений и размеров движения. Как следствие, снижение расхода электроэнергии на 3 - 8% в зависимости от разновидности алгоритма и вида возмущения.
  3. Модель линии метрополитена г. Мехико, отличающаяся от известных учетом следующих особенностей: использование режима одновременного параллельного оборота двух поездов на трехплатформенных конечных станциях, введение дополнительного скоростного ограничения одновременно на группе наземных перегонов линии.
  4. Модель длительности стоянки поезда, отличающаяся от известных возможностью прогнозирования длительности стоянки впереди идущего поезда на впереди лежащей станции. Установлено, что число учитываемых в предыстории поездов, обеспечивающее эффективность прогноза отклонения фактической длительности стоянки от плановой, варьируется в диапазоне от 3 до 5 поездов.
  5. Модель времени хода поезда по перегону, отличающаяся от известных возможностью прогнозирования времени хода впереди идущего поезда по расположенному впереди перегону. Найдено число учитываемых в предыстории поездов, обеспечивающее эффективность прогноза отклонения фактического времени хода от планового эффективен. Данное число варьируется в диапазоне от 3 до 5 поездов.
  6. Методика получения временных и регулировочных характеристик для перегонов с промежуточных станций на трехплатформенные конечные станции линий метрополитена г. Мехико, отличающаяся от известной учетом особенности трехплатформенных конечных станций с возможностью режима одновременного оборота двух поездов.
  7. Получены временные и регулировочные характеристики для 40 перегонов линии №3 метрополитена г. Мехико, позволяющие учитывать зависимость ограничений на управление от состояния системы. Эти характеристики являются составной частью базы данных централизованной системы управления движением поездов метрополитена.
  8. Разработан программный комплекс для исследований характеристик и законов управления на метрополитене г. Мехико, позволяющий проводить имитационные эксперименты на линиях при заданных возмущениях с использованием алгоритмов централизованного управления движением поездов при различных размерах движения и производить расчет показателей качества для оценки работы алгоритмов. Разработанный комплекс имеет модульную структуру, что позволяет относительно быстро адаптировать его к работе с новыми линиями метрополитена г. Мехико.
  9. Анализ работы предложенных алгоритмов по выбранным согласно цели работы показателям качества (количество остановок, суммарное время простоя в тоннеле и расход энергии) показал, что одни из лучших результатов продемонстрировали разработанные графиковый (Г1*) и интервальный (И1*) алгоритмы с первоначальным использованием ресурса длительности стоянки по сравнению с известными соответствующими им алгоритмами. В частности, при размере движения час пик, показатели улучшились следующим образом:
    • при единичной задержке поезда на 40 с количество остановок снизилось с 3 до 1 для Г1*, время простоя Ц  с 141 до 55 с, экономия энергии составила 3,9%;
    • при 10-кратной задержке поездов на 20 с количество остановок снизилось с 8 до 1 для Г1*, время простоя Ц  с 383 до 51 с, экономия энергии составила 6,2%;
    • при введении дополнительного скоростного ограничения 35 км/ч в течение 15 минут количество остановок снизилось с 104 до 25 для И1*, время простоя Ц  с 3146 до 567 с, экономия энергии составила 8%;
    • при 15-минутных дождевых возмущениях на открытых участках количество остановок сократилось с 141 до 24; время простоя в тоннеле - с 4198 до 532 с, экономия энергии составила 6,5%.
  1. Проведенный анализ позволяет рекомендовать разработанные алгоритмы для использования на линиях метрополитена г. Мехико. Наилучшим образом себя проявили алгоритмы с первоначальным использованием ресурса длительности стоянки, так как точность управления величиной длительности стоянки выше точности управления величиной времени хода поезда.
  2. Для эффективного использования алгоритмов с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы разработана методика выбора требуемых границ диапазона изменений аргумента при снятии временных и регулировочной характеристик перегонов.
  3. Показано, что при учете зависимости ограничений на управление от состояния системы количество внеплановых остановок приближается к числу поездов, находящихся на ближайшем перегоне перед проблемной станцией (в случае такого возмущения как задержка поезда) или на всех перегонах линии (в случае такого возмущения как введение дополнительного скоростного ограничения) на момент возникновения возмущения при условии точного выполнения команд управления длительностью стоянок и временами хода поездов, а также при условии того, что величина возмущения не выходит за границы диапазона полученных временных и регулировочных характеристик.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

  1. Баранов Л.А., Воробьев П. Метрополитен Мехико: алгоритмы движения. // Мир транспорта, 2012 г, №4.С.106-113.
  2. Воробьев П. Изменение конструкции вагона скоростного поезда. // Мир транспорта, 2012г., №2.С.66-68.
  3. Воробьев П. Внедрение элементов открытой архитектуры в системы автоматизированного управления движением поездов метрополитена г. Мехико. // Вестник МИИТа, 2009г, №7.
  4. Баранов Л.А., Воробьев П., Логинова Л.Н. Алгоритмы централизованного автоматизированного управления движением поездов скоростного железнодорожного транспорта. // Труды XIII-й Научно-практической конференции БДП-2012, октябрь 18-19, 2012 г., МИИТ.
  5. Баранов Л.А., Воробьев П. Адаптивная модель длительности стоянки поезда метрополитена для формирования ограничений на управление. // Труды XI-й международной научно-практической конференции Безопасность движения поездов, октябрь 21-22, 2010 г., МИИТ.
  6. Баранов Л.А., Воробьев П. Адаптивная модель длительности стоянки поезда. // Труды межрегиональной конференции с международным участием Модернизация транспортных процессов, систем автоматизации и коммуникации на транспорте, декабрь 9-10, 2010 г., Хабаровск.
  7. Баранов Л.А., Воробьев П. Централизованное автоматизированное управление движением поездов на линии метрополитена. // Труды 3-й Российской конференции с международным участием УКИ-2012, апрель 16-19, 2012г., ИПУ.
  8. Воробьев П. Ускорение высадки и посадки пассажиров метрополитена за счет изменения геометрии вагона. // Труды XII-й научно-практической конференции Безопасность движения поездов, С.VII-19, 2011 г., МИИТ.
  9. Воробьев П. Метрополитен г. Мехико как объект внедрения системы автоматизированного управления движением поездов открытой архитектуры. // Труды научно-практической конференции студентов и молодых ученых Неделя Науки 2009, апрель 2009 г., МИИТ.
  10. Воробьев П. Анализ пассажиропотоков на метрополитене г. Мехико. // Труды научно-практической конференции студентов и молодых ученых Неделя Науки 2010, апрель 2010 г., МИИТ.

Воробьев Павел

Алгоритмы централизованного управления движением поездов на линии метрополитена г. Мехико

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

Подписано к печати ____________                                Объем 1,5  п.л.

Печать офсетная.                                                Формат 60х84/16

Тираж 80 экз. Заказ № ___________

Типография МИИТа, 127994, Москва, ул. Образцова, 15

УП - ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, дом 9, стр.9.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям