Методы и алгоритмы синтеза и оптимизации кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики на станциях

Вид материала

Автореферат

Содержание Василенко Михаил Николаевич Общая характеристика работы Цель работы Объектом исследования Методы исследования. Достоверность научных положений Научная новизна работы Практическая ценность Реализация результатов работы Апробация работы Структура и объем работы. Краткое содержание работы Во втором разделе В третьем разделе В четвертом разделе В пятом разделе Публикации по теме диссертации

Подобный материал:

• Завьялов Антон Михайлович (ф и. о.) учебно-методический комплекс, 223.45kb.
• Расписани елекций, консультаций, практических и лабораторных работ, зачетов и экзаменов, 130.54kb.
• Расписани елекций, консультаций, практических и лабораторных работ, зачетов и экзаменов, 131.85kb.
• Курсовой проект проектирование электропитающих устройств дома связи по дисциплине:, 530.67kb.
• Повышение помехоустойчивости передачи информации по рельсовой цепи в системах железнодорожной, 217.48kb.
• Курсовая работа по дисциплине: " электропитание устройств железнодорожной автоматики,, 457.25kb.
• Интернет-экзамен в сфере профессионального образования Специальность, 195.12kb.
• О. В. Тараканов московский инженерно-физический институт (государственный университет), 30.79kb.
• «Численные методы в химии» Общая трудоёмкость дисциплины составляет, 22.46kb.
• И публичных слушаний по вопросу проектирования и строительства объекта Система дальней, 22.06kb.

На правах рукописи

ГОРБАЧЕВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ

СИНТЕЗА И ОПТИМИЗАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

НА СТАНЦИЯХ


Специальность 05.22.08 – Управление процессами перевозок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Василенко Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кокурин Иосиф Михайлович

кандидат технических наук

Симаков Евгений Владимирович


Ведущее предприятие – «Московский государственный университет путей сообщения»


Защита состоится 10 ноября 2010 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-320.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 8 октября 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Е.Ю. Мокейчев


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В процессе создания и внедрения автоматизированных технологических комплексов управления движением поездов важное место занимают методы и алгоритмы синтеза и оптимизации кабельных сетей (КС) железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). В связи с широкой модернизацией, реконструкцией и заменой устройств СЦБ, внедрением компьютерных технологий во всей отрасли для сокращения сроков разработки и повышения качества технической документации необходимо совершенствовать методы и алгоритмы синтеза и оптимизации схем ЖАТ.

КС ЖАТ являются важным звеном, обеспечивающим правильное функционирование напольных устройств ЖАТ. В то же время на практике в настоящее время достаточно сложно отслеживать фактическое размещение кабелей на местности под землей. Данная информация, как правило, практически не отражается в документации на станцию или перегон. Внедрение недавно разработанной технологии прокладки КС ЖАТ с использованием подземных муфт еще более осложняет точное определение местоположения объектов КС под землей. Это делает актуальным разработку методов и технологий обнаружения и хранения информации о подземных объектах КС ЖАТ.

В области синтеза дискретных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики широко известны фундаментальные работы Н.О. Рогинского, М.И. Вахнина, Н.В. Лупала, В.В. Сапожникова, Вл.В. Сапожникова, Х.А. Христова, Д.В. Гавзова и ряда других. В развитие современной теории управления перевозками большой вклад внесли отечественные ученые В.А. Буянов, Ф.П. Кочнев, В.А. Кудрявцев, Ю.А. Муха, В.Е. Павлов, Е.А. Сотников, А.К. Угрюмов, и другие. В создании и развитии теории и практики синтеза, анализа и моделирования автоматизированных систем управления движением поездов велика роль таких ученых, как Л.А. Баранов, А.М. Брылеев, В.Н. Иванченко, И.М. Кокурин, Н.Ф. Котляренко, Ю.А. Кравцов, В.М. Лисенков, А.С. Переборов, М.Н. Василенко, В.П. Быков, Е.В. Симаков, М.С. Трясов, О.А. Максименко и других. Однако проблема синтеза и оптимизации КС ЖАТ так и не была решена.

В настоящее время при разработке кабельных планов методы и алгоритмы оптимизации практически не применяются в связи со сложностью проблемы формализации. При создании технической документации КС ЖАТ качество работы в значительной мере зависит от опыта и интуиции специалистов, выполняющих построение кабельных планов.


Цель работы – формализация процесса синтеза станционных КС и оптимизация их прокладки по критерию стоимости работ и материалов с учетом накладываемых ограничений по безопасности.


Объектом исследования являются КС ЖАТ на станциях.


Областью исследования являются методы и алгоритмы синтеза и оптимизации КС ЖАТ.

В диссертационной работе поставлены следующие задачи:

– разработка формализованной технологической схемы синтеза КС ЖАТ;

– разработка формализованной методики автоматизированного синтеза и оптимизации КС ЖАТ;

– разработка модуля автоматизированного синтеза и оптимизации КС ЖАТ и испытание предложенной методики на примерах;

– разработка технологии создания и ведения документации в электронном виде для КС ЖАТ;

– экономическое обоснование внедрения разработанных технологий и программных продуктов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались математические методы теории алгоритмов, теории графов и теории множеств.


Достоверность научных положений обоснована практическими результатами опытной эксплуатации и внедрения разработанных методов и алгоритмов в составе программного обеспечения автоматизированных рабочих мест ведения технической документации (АРМ ВТД) на сети дорог РФ, в проектных и учебных организациях.


Научная новизна работы заключается в следующем:

– обоснована актуальность задач автоматизации синтеза и оптимизации КС ЖАТ и разработана формализованная технологическая схема синтеза и оптимизации станционных КС ЖАТ;

– предложены формализованные методы и алгоритмы составления кабельных планов на основе двухниточного плана станции и дополнительной информации, содержащейся в пользовательских настройках и базах данных нормативно-справочной информации;

– на основе формализованного представления возможных вариантов прокладки трассы кабеля и отдельных кабелей в виде графа разработаны метод и алгоритмы оптимизации прокладки трассы кабеля и построения КС в целом, включая вопросы определения мест установки оборудования (дополнительных релейных шкафов и муфт), группировки объектов по муфтам и кабелям.


Практическая ценность диссертационной работы состоит в получении программных модулей, позволяющих автоматизировать процесс синтеза и оптимизации КС ЖАТ, повысить производительность и качество работы с технической документацией, снизить расходы на прокладку кабеля путем выбора минимального по стоимости варианта прокладки трассы кабеля.


Реализация результатов работы. Полученные в работе теоретические и практические результаты используются в составе комплекса АРМ ВТД, внедренного на сети дорог РФ, в проектных и учебных организациях. Объемы внедрения модуля по работе с кабельными сетями составляют 1222 рабочих мест на 17 дорогах.


Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на XI Санкт-Петербургской международной конференции “Региональная информатика-2008” (Санкт-Петербург, ПГУПС, 5-8 декабря 2008г.), на международных конференциях «Инфотранс 2008» и «Инфотранс 2009» в Санкт-Петербурге, пятьдесят восьмой, пятьдесят девятой, шестьдесят первой и шестьдесят второй научно-технических конференциях с участием студентов, молодых специалистов и ученых (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг.).


Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.


Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 109 страниц основного текста, 23 рисунка, 15 таблиц.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность выбранной темы, определены направления и задачи исследования.


В первом разделе диссертационной работы проанализированы причины, обусловливающие необходимость разработки методов синтеза и оптимизации КС ЖАТ. Принятая в настоящее технология разработки проектов, основанная на последовательности выполнения и согласования документации на различных этапах, без средств синтеза создает дополнительные трудности и делает сложной и трудоемкой оптимизацию КС ЖАТ. Это связано с тем, что для оптимизации КС по стоимости работ и материалов необходимо выполнять сметно-финансовый расчет уже на начальных стадиях разработки кабельного плана при прокладке трассы кабеля, а не по окончании всех проектных работ.

Проведенный анализ показал принципиальное несоответствие традиционного подхода к синтезу и оптимизации кабельных планов и поставленных в методических указаниях по проектированию задач по оптимизации КС.

В работе показано, что в современных отечественных и зарубежных разработках в области систем синтеза проектных решений нет полнофункционального программного продукта для синтеза и оптимизации кабельных планов и необходима разработка специализированных программных пакетов, обеспечивающих синтез и оптимизацию КС ЖАТ.

В диссертационной работе показана неотделимость оптимизации КС от синтеза.

Трудозатраты на разработку кабельного плана занимают 15 % от общего объема работ, связанных с созданием технической документации на станцию.

Указанные обстоятельства определили направление исследований, проводимых в следующих разделах диссертации.


Во втором разделе диссертационной работы осуществлена разработка алгоритмов синтеза и оптимизации КС железнодорожной автоматики и телемеханики.

Все множество объектов двухниточного плана станции разделено на объекты, влияющие на построение КС и объекты, не влияющие на построение КС. Множество объектов, влияющих на построение КС, {U_cpg} состоит из следующих подмножеств:

- {U_io} – множество ограничивающих объектов (пути, стрелки, линии энергоснабжения и пневмоочистки стрелок, участки с вредными веществами и т.д.)

- {U_vo} – множество «значимых» объектов КС – все объекты, к которым подводятся провода (светофоры, стрелочные электроприводы (СЭП), питающие и релейные концы и др.);

- {U_t} – множество элементов, из которых состоит трасса кабеля, если на момент синтеза КС траектория трассы кабеля уже задана: в частности, при проведении модернизации и реконструкции:


{U_cpg} = {U_io} + {U_vo} + {U_t} (1)


Каждый элемент множеств {U_io}, {U_vo}, {U_t} обладает списком атрибутов, характеризующих его состояние.

В множество ограничивающих объектов {U_io} входят следующие множества – путей {U_p}, стрелок {U_sw}, линий энергоснабжения {U_e}, пневмоочистки стрелок {U_ps}, участков с вредными веществами и любых других объектов, накладывающих ограничения на прокладку КС {U_dpa}.


{U_io} = {U_p} + {U_sw} + {U_e} + {U_ps} + {U_dpa} (2)


Каждый элемент этого множества имеет атрибут, характеризующий его влияние на прокладку КС, – специальный индекс I_i, характеризующий возможность наложения КС на данный объект.

В множество значимых объектов {U_vo} входят следующие множества –светофоры {U_s}, стрелочные приводы {U_p}, трансформаторные ящики {U_tb}, путевые ящики {U_pb}, кабели {U_c}, муфты {U_m}, источники питания объектов (пост ЭЦ, транспортабельный модуль) {U_p}, а также любые другие объекты, к которым подводятся провода {U_a}.


{U_vo} = {U_s} + {U_p} + {U_tb} + {U_pb} + {U_c} + {U_m} + {U_p} + {U_a} (3)


Каждый элемент этого множества имеет специальный атрибут, характеризующий список его проводов.

В множество элементов трассы кабеля {U_t} входят элементы, которые обозначают на двухниточном плане трассу кабеля.

Назовем множество {U_t} полным, если все его элементы последовательно соединены друг с другом и при этом отсутствуют циклические связи, то есть по этому множеству можно однозначно определить трассу кабеля. Во всех остальных случаях множество {U_t} неполное.

Для синтеза и оптимизации КС ЖАТ предложен обобщенный алгоритм, представленный на рисунке 1.




Рисунок 1 – Обобщенный алгоритм синтеза и оптимизации КС ЖАТ


В рамках представленного на рисунке 1 алгоритма можно выделить следующие основные этапы синтеза и оптимизации.

1. Формирование предварительного чертежа КС на основе ДП станции, представляющего информацию в удобном для пользователя виде. Задача сводится к формированию чертежа, на котором будут представлены только множества объектов {U_io, U_vo, U_t}. С технологической точки зрения этот этап можно назвать «Перенос объектов с ДП на КС».
   

Формализованная запись алгоритма переноса объектов на языке логических схем-автоматов (ЛСА) представлена ниже.


А ↓⁴ p₁↑¹ B p₂↑² p₃ ↑³ C↓³D C ω↑⁴ p_5s ↑⁵ E F ω↑⁴↓⁵ p₆ ↑⁶ G ω↑⁴↓⁶ ω↑⁴↓¹О (4)


В формализованной записи алгоритма использованы следующие операторы и логические условия.

A – оператор, осуществляющий ввод исходных данных (ДП станции и настройки пользователя), и инициализацию временных переменных (i=0, n – число объектов ДП, DP – список объектов ДП, El - текущий объект ДП, инициализация списков Uio, Uvo, Ut, соответствующих множествам {U_io, U_vo, U_t} и списков Сio, Сvo, Сt, соответствующих спискам классов объектов, входящих в множества {U_io, U_vo, U_t}. Также инициализируется S – объекта, в котором хранятся пользовательские настройки и список Li ограничительных коэффициентов li для различных классов объектов.

B – оператор выполняет присвоение El=DP[i] и увеличивает счетчик обработанных элементов на единицу i++.

С – оператор добавления объекта в список Uio и переноса объекта в нижний слой нового чертежа.

D – оператор назначения коэффициента ограничений: El → li = S → Li[Class].

E – оператор создание значимого элемента КС KEl на основе текущего элемента двухниточного плана El.

F – оператор добавления объекта KEl в список Uvo.

G – оператор добавления объекта El в список Ut.

О – оператор выдачи результатов с последующим выходом из алгоритма.

p₁ = 1 – i < n, иначе p₁ = 0.

p₂ = 1 – класс текущего объекта входит в список Сio, иначе p₂ = 0.

p₃ = 1 – ограничительный коэффициент li > 0, иначе p₃ = 0.

p₅ = 1 – класс текущего объекта входит в список Сvo, иначе p₅ = 0.

p₆ = 1 – класс текущего объекта входит в список Сt, иначе p₆ = 0.

2. На основе указанных множеств инициализируется граф ключевых точек Graph.
   

Определение 1.

Ключевая точка – точка возможного прохождения кабеля, в которой изменяется направление, жильность, либо другая характеристика кабеля, либо находится питающий объект.

Определение 2.

Вершины - элементы множества ключевых точек {U_k} , а веса дуг характеризуют возможность и минимальную стоимость соединения этих точек.

На основе графа ключевых точек создается бинарное дерево подключения значимых объектов. Корнем дерева является объект, от которого подводится питание (питающий объект). В случае, если питающих объектов несколько, то формируется несколько деревьев подключения значимых объектов. Ветви этого дерева характеризуют варианты подключения значимых объектов к питающему.

На основе бинарного дерева подключения значимых объектов формируется дерево возможных решений D, содержащее в себе множество возможных вариантов прокладки КС {CP}.

Определение 3.

Множество вариантов прокладки КС станции {CP} – это множество всех вариантов построения КС, включающее в себя топологию траншей прокладки кабеля, марки и жильности используемых кабелей, марки используемых муфт.

Множество {CP} формируется на основе графа ключевых точек.

Граф ключевых точек состоит из множества ключевых точек {Point} и ограничений, которые накладываются на соединения между этими точками. Часть такого графа в качестве примера изображена на рис. 4. Этот граф может быть представлен в виде матрицы ключевых точек MP:


, (5)

где .


Множество {CP} вычисляется по формуле (6)


{CP} = Combin({Point}, {Point_vo}, MP ), (6)


где Combin – специальная операция, вычисляющая набор возможных вариантов соединения кабелем элементов множества {Point_vo} на основе матрицы ключевых точек MP.

Для ускорения расчетов перед оптимизацией достаточно синтезировать только часть бинарного дерева возможных решений D, и уже в процессе оптимизации принимать решение о целесообразности полного построения отдельных .ветвей.

3. Синтез начального варианта построения КС CP0 и оценка стоимости ее прокладки Cost0.
   

Определение 4.

Начальное приближение при использовании метода ветвей и границ для оптимизации КС – это направление трассы кабеля вдоль ближайшего к посту ЭЦ пути станции или перегона.

4. Далее в цикле с помощью метода ветвей и границ осуществляется поиск оптимального по стоимости прокладки варианта прокладки КС на основе дерева решений D.
   

В качестве критерия оптимизации выбрана функция минимизации стоимости прокладки КС.

Для расчета стоимости всей КС или ее части необходимо выполнить построение по имеющемуся графу объектов с указанной прокладкой кабелей.

Для этого необходимо:

1. осуществить трансляцию жил и расстановку разветвительных муфт;
   
2. выполнить дублирование жил кабелей с учетом возможной необходимости перераспределения жил между кабелями и добавления новых кабелей.
   

Формализованные записи на языке ЛСА для перечисленных функций представлены ниже.

Формализованная запись алгоритма трансляции на языке ЛСА


А ↓⁹ p₁↑¹ B ↓⁶ p₂↑² C ↓⁴ p₃ ↑³ D ω↑⁴↓³ p_5s ↑⁵ E ω↑⁶ ↓⁵ ω↑⁶ ↓² p₆↑⁶ F ↓⁸ p₇ ↑⁷ G ω↑⁸↓⁷ ω↑⁹_s ↓¹ О (7)


В формализованной записи алгоритма использованы следующие операторы и логические условия.

A – оператор, осуществляющий получение исходных данных (список ключевых точек и соединений между ними, включая информацию о подключении каждой точки к питающему объекту) и инициализацию счетчиков (i = 1, j = 0, k=1).

B – оператор инициализации временных переменных minс = максимальное значение вещественного числа на данной ЭВМ.

C - оператор инициализации временных переменных curc =0 – длина кабеля от текущего объекта до питающего объекта и pathj – индекс варианта подводки кабеля к объекту.

D – оператор добавления минимальной стоимости прокладки к curc.

E – оператор присвоения: pathj = j, minс = curc.

F – оператор выбора пути по индексу pathj, k=1.

G – оператор добавления жил к списку жил соединителя.

О – оператор выдачи результатов с последующим выходом из алгоритма.

p₁ = 1 – i < n, где n – число ключевых объектов, p₁ = 0 в противном случае.

p₂ = 1 – j< x, где x – число различных вариантов путей до питающего объекта, p₂ = 0 в противном случае.

p₃ = 1 – k< m, где m – число точек до питающего объекта, иначе p₃ = 0.

p₅ = 1 – curl < l, p₅ = 0 в противном случае.

p₆ – условие, тождественное p_2.

p₇ – условие, тождественное p_3.


Формализованная запись алгоритма дублирования жил на языке ЛСА


А ↓⁶ p₁↑¹ B ↓⁵ p₂↑² C ↓⁴ p₃ ↑³ D ω↑⁴↓³ ω↑⁵ ω↑⁶↓¹О (8)


В формализованной записи алгоритма использованы следующие операторы и логические условия.

A – оператор, осуществляющий получение исходных данных (список ключевых точек и соединений между ними, включая информацию о подключении каждой точки к питающему объекту) и инициализацию счетчиков (i = 0).

B – оператор инициализации счетчика j = 0 и получения из базы дублирования жил для данного значимого объекта.

C - оператор инициализации счетчика k=0.

D – оператор обновления списка проводов в кабеле с учетом дублирования.

E – оператор присвоения: pathj = j, minс = curc.

F – оператор выбора пути по индексу pathj, k=1

G – оператор добавления жил к списку жил соединетеля.

О – оператор выдачи результатов с последующим выходом из алгоритма.

p₁ = 1 – i < n, где n – число ключевых объектов, p₁ = 0 в противном случае.

p₂ = 1 – j< x, где x – число различных вариантов путей до питающего объекта, p₂ = 0 в противном случае.

p₃ = 1 – k< m, где m – число кабелей по j-ому пути до питающего объекта, p₃ = 0 в противном случае.

Стоимость прокладки КС fc вычисляется согласно формуле (9).


fc = Min(Cost), (9)


где Cost – функция стоимости прокладки КС

Показано, что функция расчета стоимости прокладки КС вычисляется по формуле (10):


Cost = C_c+C_m+C_add+C_w, (10)


где Cost – полная стоимость прокладки всей КС,

С_с – стоимость кабелей,

C_m – стоимость муфт,

С_add – стоимость дополнительных материалов (трубки, гравий, песок и т.д.), используемых при прокладке КС

C_w – стоимость работ.

Стоимость кабелей С_с линейно зависит от длины кабелей (11):


С_с = , (11)


где n – число различных марок кабелей одной жильности, встречающихся на чертеже,

P_i – цена единицы длины кабеля i марки и жильности,

L_ci – длина кабеля i марки и жильности.

Длина кабеля L_ci вычисляется согласно (12)


L_ci = k • (L_o + L_p•n_p + L_в + L_h + L_с), (12)


где: L_o – расстояние от оси поста до объекта централизации по ординатам, указанным на двухниточном плане станции;

L_p – расстояние среднего перехода под путями (путь и междупутье);

n_p – количество переходов;

L_в – длина кабеля на ввод в здание поста;

L_h – длина кабеля на подъем со дна траншеи и разделки;

L_с – запас кабеля на случай перезаделки;

k – коэффициент, учитывающий увеличение на длины кабеля на изгибы в траншее и просадки грунта.

Стоимость C_m муфт вычисляется согласно (13):


C_m = , (13)


где m – число марок муфт, используемых на станции,

P_mi – цена муфты i марки,

C_mi – число муфт i марки.

Стоимость работ является сложной характеристикой, которая зависит как от используемых материалов и путевого развития станции (железнодорожный объект), так и от климатической зоны, где расположена данная станция (железнодорожный объект).


C_w = f(CP, z), (14)


где CP – вариант прокладки КС или ее части,

z – климатическая зона расположенная железнодорожного объекта.

При этом стоимости C_w и С_add нелинейно зависят от общей длины кабелей, так как несколько параллельно расположенных кабелей могут укладываться в одну траншею.

Запись алгоритма расчета стоимости КС станции на языке ЛСА представлена ниже.

Таким образом, предлагается осуществить выбор наименьшего по стоимости варианта прокладки КС из всех допустимых.

В диссертационной работе для приблизительного решения задачи поиска оптимального пути на графе предлагается использовать модифицированный алгоритм Флойда — Уоршелла или алгоритм Дейкстры.

Сложность алгоритма Дейкстры S составляет:


S = O(n² + m), (15)


где n – число возможных ключевых точек прохождения кабеля;

m – число возможных соединений точек.

Применение данного метода дает только приближенный результат при построении КС в связи с тем, что цена пути между точками при синтезе КС изменяется при переходе от точки к точке: при подключении каждого следующего объекта жильность кабеля, и, соответственно, его цена возрастают.

Для устранения указанного несоответствия, предложено использовать более общий метод – метод ветвей и границ.

Согласно экспериментальным оценкам сложность данного метода составляет:


S = O(exp^n+m), (16)

где n – число возможных ключевых точек прохождения кабеля;

m – число возможных соединений точек.

Для автоматизированного синтеза КС были разработаны алгоритмы следующих функций: расстановки муфт, определения длин кабелей, трансляции и ретрансляции жил кабеля, а также дублирования жил кабеля. По принципам своего построения они аналогичны алгоритмам, используемым при автоматическом синтезе и оптимизации, однако имеют ряд особенностей, обусловленных следующими факторами:

1. необходимость работы алгоритма в различных условиях, в том числе и в тех, когда изменение параметров отдельных объектов (например, уложенных кабелей) недопустимо;

2. необходимость тщательной проверки входных поступающих входных данных в каждой из функций по причине возможности их независимого запуска пользователем.

В третьем разделе диссертационной работы на основании анализа разработанных алгоритмов синтеза и оптимизации КС ЖАТ осуществлена их программная реализация.


Рисунок 3 – Схема построения системы синтеза и оптимизации КС


В рамках реализации схемы построения системы синтеза и оптимизации КС были обоснованы следующие положения.

1. В качестве формата хранения данных был использован отраслевой формат хранения технической документации ОФ ТД СЦБ, созданный на базе языка гипертекстовой разметки XML.

2. В качестве баз данных нормативно-справочной информации (БД НСИ) использованы АСУ Ш2 и базы АРМ ПТД и ВТД.

3. Для визуализации промежуточных этапов и результатов построения использован универсальный графический редактор Ungred, входящий в состав комплекса АРМ ПТД и АРМ ВТД. Взаимодействие с редактором обеспечивалось при помощи технологии COM.

4. С учетом возможностей графического редактора предложены принципы поддержки специальных режимов работы с чертежами кабельных планов – для режимов модернизации, чтения, внесения изменений.

С учетом требований по взаимодействию с существующим программным обеспечением (ПО) и необходимостью работать с базами данных был осуществлен качественный анализ основных сред разработки и языков программирования, используемых для разработки высокоуровневых приложений. Результаты сравнения представлены в таблице 1.


Таблица 1. Сравнение языков программирования для реализации технологии синтеза КС

Язык	Существование эффективной среды разработки	Встроенная в среду разработки и/или язык поддержка COM	Автоматическое управление выделением памяти	Встроенная в среду разработки и/или язык поддержка АОП и шаблонов проектирования
C++	Borland C++ Builder, Microsoft Visual Studio	+	-	-
C#	Microsoft Visual Studio	+	+	-
Nemerle	+/-	-	+	+

Пояснения к таблице:

+ – характеристика (возможность) реализована;

+ – характеристика (возможность) не реализована;

+/- – характеристика реализована частично.


Учитывая необходимость взаимодействия со сторонними базами данных и сторонним ПО с использованием технологии COM, а также наличие эффективной среды разработки, в качестве языка реализации был выбран язык программирования C#.

Оценки затрат машинного времени, которое требуется для расчетов оптимизации трассы кабеля, полученные на основе таблицы 3, приведены в таблице 2.


Таблица 2. Затраты машинного времени на выполнение оптимизации прокладки трассы кабеля

Размер станции, стрелок	Затраты времени, мин
	Оптимизация методом ветвей и границ	Оптимизация с помощью модифицированного алгоритма Дейкстры
10	0,046	0,017993
20	0,13	0,143943
30	0,362	0,485809
50	1,009	1,151547
100	475,4	17,99292

В четвертом разделе диссертационной работы проведены испытания методов синтеза и оптимизации технической документации КС.

Рисунок. 4 – Фрагмент двухниточного плана станции «Тарховка» с наложенным на него графом точек возможного прохождения кабеля для подключения

светофоров. Заштрихована прямоугольная область, где прокладывать

кабель нельзя (зона под стрелкой).


На основе двухниточного плана построено дерево возможных путей для подключения кабелей к светофорам (рисунок 5).



Рисунок 5 – Дерево возможных путей для подключения кабелей

к светофорам


На основе полученного графа выбрана оптимальная по критерию стоимости трасса кабеля согласно (9) и осуществлен перенос трассы на двухниточный план.

{L}= min(Cost({1},{4},{5},{8},{10})), (9)

где {L} – множество путей для подведения кабеля к объектам, минимальное по стоимости прокладки КС;

{1},{4},{5},{8},{10})), – ключевые точки, где находятся значимые объекты КС, к которым необходимо подвести кабель.

Функция Cost получает на вход список ключевых точек и производит направленный поиск решения с наименьшей стоимостью с учетом ограничений по безопасности.

На основе экспериментальных данных, полученных в ходе тестирования функций автоматизации синтеза и оптимизации прокладки трассы кабеля, составлена таблица 3.


Таблица 3. «Уменьшение расхода кабеля и сокращение

расходов на проведение работ»

Станция	Число стрелок, шт	Экономия по длине кабеля, %	Экономия по цене работ, %	Общая экономия, %
Тарховка	2	0	5	5
Листвянка	17	5	10	15
Галич	37	7	15	23
Ковдор	77	8	17	25

Из полученных данных видно, что с увеличением размеров станции экономия, полученная благодаря использованию автоматизации, возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением числа объектов сложность анализа возможных вариантов прокладки кабеля значительно возрастает.

В рамках синтеза КС ЖАТ, где вся документация является графической, проведена оценка трудозатрат при использовании традиционных методов построения кабельных планов (по нормативам) и с использованием методов автоматизированного синтеза и оптимизации (таблица 4).

Таблица 4. Затраты времени на синтез КС ЖАТ по нормативам и с использованием методов автоматизированного синтеза

Наименование работ	Затраты времени, часов для станций с числом стрелок
	10		20		30		50		100
	Норм	Авт.	Норм	Авт.	Норм	Авт.	Норм	Авт.	Норм	Авт.
КС светофоров	7,8	1,5	14,5	2,0	19,9	3,0	30,1	5,0	60,3	10,0
КС стрелок	8,1	1,0	14,9	3,0	20,6	4,5	31,2	7,7	62,4	15,0
КС релейных трансформаторов	4,7	1,0	8,7	2,0	12,0	1,5	18,2	2,5	36,4	5,0
КС питающих трансформаторов	7,8	1,0	14,5	2,0	19,9	1,5	30,1	2,5	60,3	5,0
Корректировка чертежей	5,4	5,4	9,9	9,9	13,6	13,6	20,6	20,6	41,2	41,2
Итого	333,8	99,9	662,5	118,9	886	224,1	1130,2	338,3	2260,6	776,2

Данные по сокращению трудозатрат времени на синтез были получены при испытаниях модуля синтеза КС на станциях, приведенных в таблице 3.

В диссертационной работе разработана технология применения электронных карт для хранения информации о подземных объектах КС ЖАТ и их последующего обнаружения. В качестве таких карт могут быть использованы уточненные двухниточные планы станций и перегонов. Для определения точных географических координат местоположения устройств ЖАТ может быть использована любая глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), обладающая достаточной для нужд железной дороги точностью определения объектов, или совокупность таких систем.

В пятом разделе диссертационной работы разработаны вопросы оценки экономической эффективности внедрения модулей автоматизации синтеза и оптимизации КС ЖАТ.

Экономический эффект от внедрения модулей синтеза и оптимизации в научно-исследовательских и проектных организациях достигается за счёт повышения производительности труда инженеров, разрабатывающих техническую документацию, и повышения качества разрабатываемой технической документации. Все это ведет к комплексному уменьшению стоимости проведения проектно-изыскательских работ, а также к повышению культуры труда инженеров-проектировщиков.

Экономический эффект от внедрения модулей оптимизации прокладки трассы кабеля для железной дороги проявляется в сокращении расходов на прокладку КС. На основе данных, полученных в результате внедрения модуля синтеза и оптимизации КС, экономический эффект от внедрения составляет 10 – 150 тыс. руб. на стрелку в зависимости от размеров станции.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные выводы и результаты.

1. Предложен алгоритм синтеза и оптимизации КС ЖАТ, основанный на применении модифицированного метода ветвей и границ.

2. Предложенная методика распределения объектов по кабелям и муфтам обобщает требования нормативно-технической документации по оптимизации и безопасности КС ЖАТ.

3. Особенностью предложенной методики синтеза и оптимизации является проведение сметно-финансового расчета на этапе оптимизации с целью обеспечить возможность принятия оптимизационных решений.

4. Разработан программный модуль синтеза и оптимизации КС станций, являющийся средством повышения производительности труда в несколько раз.

5. Разработана методика использования глобальных навигационных спутниковых систем для обнаружения подземных кабельных муфт при прокладке КС по новой технологии с использованием трубок и подземным размещением всех кабельных муфт. На основе предложенных в диссертационной работе методов и алгоритмов разработано программное обеспечение, активно внедряемое в составе АРМ ВТД на железной дороге и в различных организациях, разрабатывающих и использующих техническую документацию КС ЖАТ. Также рассчитана эффективность применения созданных модулей.


ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ


Список трудов, опубликованных в изданиях, входящих в

перечень рекомендованных ВАК РФ

1. Василенко М.Н., Горбачев А.М. «Автоматизация синтеза кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики» // Вестник Ростовского университета путей сообщения – Ростов-на-Дону: РГУПС. – 2009.

2. Василенко М.Н., Горбачев А.М. Оптимизация синтеза кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики // Автоматика, связь, информатика, № 2. – Москва. – 2010.

3. Горбачев А.М. Методика и алгоритм оптимизации синтеза кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики // Известия Петербургского университета путей сообщения, № 3, – СПб: ПГУПС. – 2010.

4. Василенко М.Н., Горбачев А.М., Булавский П.Е. Оптимизация проектирования трассы кабеля по критерию стоимости работ и материалов // Вестник ВНИИЖТ, № 4, М.: ВНИИЖТ. – 2010.


Остальные публикации

1. Горбачев А.М., Денисов Б.П. Автоматизированный синтез станционных кабельных сетей // Неделя науки-2007. Программа и тезисы докладов. – СПб: ПГУПС. – 2007.

2. Горбачев А.М. «Алгоритм автоматизированного проектирования кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики» // Автоматика и телемеханика железных дорог России. Техника, технология, сертификация: сборник научных трудов – СПб: ПГУПС. – 2008.

3. Горбачев А.М., Аксаментов Г.Н. «Методика автоматизированного проектирования кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики» // Автоматика и телемеханика железных дорог России. Техника, технология, сертификация: сборник научных трудов – СПб: ПГУПС. – 2008.


Подписано к печати ____.____.2010г. Печ.л. – 1,0

Печать – ризография. Бумага для множит. апп. Формат 60х84 1/16

Тираж 100 экз. Заказ №

Тип. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9