Автоматизированная система управления перевозочным процессом железнодорожного транспорта в оперативном режиме (сетевой и региональный уровни)

Железнодорожный транспорт является основным звеном транспортного комплекса России, выполняя около 40% объема перевозок грузов и пассажиров в стране. При этом годовое отправление грузов превышает 1,3 млрд. тонн, перевозится более 1,3 млрд. пассажиров.

В современных рыночных условиях общая структура «железнодорожный транспорт» организационно разделяется на множество самостоятельно управляемых компаний-собственников подвижного состава и инфраструктурных объектов, основной и крупнейшей из которых является ~ Открытое акционерное общество «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»), выступающее в роли общенациональной транспортной компании. Именно работа компании ОАО «РЖД» оказывает превалирующее влияние на организацию процесса железнодорожных перевозок в стране. Поэтому так важно достижение высокого уровня управления ее работой.

Перевозочный процесс является основным видом деятельности ОАО «РЖД». Оперативное управление этим процессом представляет из себя одну из наиболее сложных функций в работе железнодорожного транспорта, поскольку необходимо обеспечивать выполнение комплекса задаваемых выходных значений параметров при ограниченных ресурсах многомерного управляемого объекта и значительных возмущениях.

Отметим, что перевозочный процесс организуется на сети протяженностью 85,5 тыс. км, на которой одновременно в движении находятся тысячи грузовых поездов, обращаются сотни тысяч вагонов, тысячи локомотивов и локомотивных бригад. Их технологическое функционирование обеспечивают* тысячи станций (в том числе около 1 тыс. крупных) — сотни локомотивных и вагонных депо, дистанций пути, сигнализации и связии другие структуры. Необходимо на всей сети обеспечить единое управление перевозочным процессом, поскольку сбой в поездной или грузовой работе в одном месте может негативно влиять на работу участков, направлений и целых регионов сети.

Повышение качества оперативного управления перевозочным процессом требует создания и развития соответствующей автоматизированной системы АСУ ТП. Она, подобно другим аналогичным системам, должна включать в себя управляемые объекты, управляющие и исполнительные устройства. При этом следует в полной мере использовать возможности уже созданных информационных систем, таких как АСОУП, ДИСПАРК и других.

Построение и организация работы АСУ ТП для оперативного управления перевозочным процессом железных дорог основываются на~ использовании в качестве управляющих устройств на сетевом и региональном уровнях иерархически структурированных автоматизированных диспетчерских центров управления, имеющих сложный программно-технический комплекс.

Обеспечение эффективного функционирования и развития таких диспетчерских центров представляет собой одну из важнейших задач ОАО «РЖД».

Целью исследования является обоснование и выбор принципов построения АСУ ТП отраслевого уровня — автоматизированной системы управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте в оперативном режиме (АИСО), технологии ее функционирования с разработкой конкретных решений по обеспечению эффективной работы основного звена этой системы — сетевого и дорожных (региональных) автоматизированных диспетчерских центров ОАО «РЖД».

Все это определяет актуальность, а также научное и практическое значение выполненного исследования.

Основные задачи, требующие решения для выполнения поставленной цели, рассмотрены в первом разделе диссертации.

Выводы по четвертому разделу

1. Внедрение иерархической структуры автоматизированных диспетчерских центров сетевого и дорожного уровней с использованием в оперативном управлении принципов АСУ ТП (управление по отклонениям) позволило на современном этапе на основе создания системы АИСО повысить эффективность оперативного управления перевозочным процессом. Однако, этим возможности созданной системы далеко не исчерпываются. Дальнейшее ее совершенствование с существенным развитием математического и программного обеспечения на основе математического моделирования составляющих перевозочного процесса по всем уровням управления: сетевой — дорожный (региональный) — местной работы — структурных подразделений линейного уровня, с тем, чтобы в режиме реального времени диспетчерам предлагались конкретные решения с учетом влияния возмущающих воздействий по вводу перевозочного процесса в нормативные рамки (переход от АИСО к программному уровню системыАИСО-П).

2. Определено деление управляющих задач на две больших группы, характеризующихся: возможностью достижения оптимизационных решений на основе частной формализации процессов (1-я группа) решением задач при невозможности достаточно строгой формализации процессов на основе имеющегося опыта управления (2-я группа). Такое существенное различие между этими группами управляющих задач является основой различных подходов к их разработке и организации функционирования.

Установлены основные закономерности управляющих задач оперативного управления перевозочным процессом и особенности разработки управляющих задач различных типов.

3. Предложено понятие интегрированного комплекса моделей (ИКМ), разработка которых требуется в АИСО-П. Установлен комплекс целей (матрица целей) на основе которых должны разрабатываться модели работы управляемых объектов в соответствии с функциями диспетчерского аппарата.

Предложена классификация моделей, порядок организации работ по моделированию перевозочного процесса в оперативном режиме и перечень первоочередных моделей для внедрения в АИСО-П.

4. Разработаны теоретические основы характеристики диспетчерских центров управления. При этом степень их приспособленности к выполнению функций оперативного управления перевозочным процессом определяются характеристиками: отображаемости объекта, достоверности информации, своевременности информации, своевременности решения задач и управляемости по отношению к задачам.

5. Выполнены расчеты по определению технико-экономических результатов внедрения разработок, которые показали их высокую эффективность.

Заключение

Общие выводы

1. На основании выполненных исследований решена крупная, имеющая важное хозяйственное значение, научная проблема построения АСУ ТП отраслевого уровня — автоматизированной системы управления перевозочным процессом железнодорожного транспорта в оперативном режиме (АИСО), обеспечивающей реализацию основных функций по управлению грузовыми перевозками в сетевом и дорожных автоматизированных диспетчерских центрах — основных управляющих устройствах перевозочным процессом в Компании ОАО «РЖД», обеспечивающие основные перевозки к стране на железнодорожном транспорте общего пользования.

Использование при построении АИСО, впервые в практике управления эксплуатационной работой, принципов, характерных для АСУ ТП отраслевого уровня, позволило установить логически четкие взаимосвязи в сложной иерархической управляющей структуре железнодорожного транспорта, построить эффективную систему управления грузовыми перевозками.

2. Установлена структура АИСО, включающая в себя: управляемые объекты (УО) — совокупность поездов, вагонов и грузов, продвижение потока которых осуществляется на основе исполнения технологий перевозочного процессапринимающие управляющие решения (УР) управляющие устройства (УУ) — иерархическая структура автоматизированных диспетчерских центров сетевого (ЦУП) и дорожного (ДЦУП) уровней, состоящие из программно-технического комплекса (ПТК) и штата диспетчеров и руководителей, ответственных за выполнение оперативной работы ОАО «РЖД" — исполнительные устройства (ИО) совокупность технических и программных средств, а также работники уровня организации местной работы (отделений дорог) и уровня линейных предприятий (станции, депо и др.), а также руководители движения на участках, т. е. поездные диспетчеры независимо от места расположения их рабочих мест. В ИО определяются рациональные пути выполнения УР без изменения заданных параметров.

На вход УУ на основе принципа обратной связи поступает текущая информация о контролируемых показателях Х (Ч), которые сравниваются с плановыми Х0(1-). УР принимаются с учетом различных видов внутренних и внешних возмущающих воздействий (?), а также на основе предложенной целевой функции оперативного управления.

В целом АИСО представляет собой известную в теории автоматизированных систем управления замкнутую систему с обратной связью.

3. Образование в конце 1990;х — начале 2000;х годов двух уровней диспетчерских центров ЦУП и ДЦУП в значительной степени было определено административной структурой железнодорожного транспорта. Проводимая структурная перестройка ОАО «РЖД», сопровождающаяся разделением функций содержания инфраструктуры и организации перевозочного процесса, определяет необходимость рассматривать последнюю применительно к некоторым регионам управления, протяженность которых должна определяться исключительно исходя из эффективности выполнения перевозочного процесса.

Выполнена математическая постановка решения данной задачи, определены целевая функция, ограничения и факторы изменения производственных затрат при переходе к иерархической структуре ЦУП-РЦУП (РЦУП — диспетчерские центры регионального уровня). На основе проведенных расчетов для перспективных условий предложены варианты объединения полигонов железных дорог в 5−7 регионов.

4. В целях обеспечения соответствия АИСО современным условиям функционирования ОАО «РЖД» определены следующие дополнительные требования к ее эффективной и устойчивой работе: включение в контур управления перевозочным процессом подмножества новых функций: по выполнению договорных требований клиентуры на перевозки грузов, оперативного контроля за состоянием технических средств железных дорог, взаимодействия с внешними системамипри этом установленные пересечения подмножеств функций являются основой организации взаимодействия диспетчерского аппарата;

— обеспечение установленного в диссертации предельного уровня размеров вагонного парка, находящегося на полигонах управления, при которых могут устойчиво выполняться плановые нормативы;

— минимизация используемых ресурсов применительно к выполняемым функциям с учетом отношений предшествования при первоочередном выполнении функций связанных с обеспечением грузов, следующих с особыми и оплаченными требованиями на перевозкуминимизирующих пени (штрафы) за просрочку доставки грузовобеспечивающих устойчивую передачу поездопотоков по стыкам;

— построение операторов в виде моделей выработки УР на основе установленного функционала формализации взаимосвязей в структуре оперативного управления с учетом: многомерного состояния системы, связанного с расположением УОпараметров, характеризующих техническое и технологическое состояние ресурсовфактического выполнения плановых параметроввозмущающих воздействий.

Для собственников вагонных парков, а также для пулов вагонных парков при оперативном руководстве ими соответствующими структурами ОАО «РЖД» разработана новая постановка задачи распределения порожних вагонов с учетом динамики поступления и потребления ресурсов (вагонов), отвечающая требованиям рыночной экономики.

5. Обоснована интегрированная структура диспетчерского управления обеспечивающая в целом выполнение традиционных и новых функций. В диссертации последовательно по функциям определен состав диспетчеров сетевого и дорожных центров управления, их иерархия и организация взаимодействия с учетом предшествования функций в процессе выполненияпри этом преимущество получают задачи, решаемые диспетчерами, выполняющими на сетевом и дорожном уровнях роль экономического регулятора.

Предложена схема деления диспетчерского аппарата центров управления на две группы: А (К) — диспетчеры, для которых необходима реализация коллективного мониторинга перевозочного процесса с устройством табло коллективного пользования (ТКП) и Б (Л) — диспетчеры, управляющие относительно локальными объектами или процессами.

6. Разработана методика решения вопроса резервирования в работе диспетчеров с учетом периодически возникающих периодов пиковых загрузок. На основе критерия максимально возможного числа одновременно решаемых диспетчером задач 1<0 (к0 = 2) разработана общая методика определения вероятности возникновения пиковых периодов, а на примере диспетчеров укрупненных регионов ЦУП ОАО «РЖД» определено конкретное значение такой вероятности и предложено практическое решение резервирования работы этой группы диспетчеров.

7. Разработано решение задачи реализации функции обратной связи на основе создания подсистемы контроля и анализа выполнения оперативных планов (ОСКАР-М) включая:

— информационное обеспечение подсистемы за счет использования информационного потенциала действующих автоматизированных систем управления перевозочным процессом путем встраивания ПТК ОСКАР-М в ПТК общей автоматизированной системы ОАО «РЖД» (ГВЦ, ИВЦ железных дорог);

— использование принципа активного пользовательского интерфейса (АПИ) в работе ТКП и АРМ диспетчеров по всем выполняемым функциям и уровням управления на основе непрерывной обработки массивов информации с выявлением сбойных ситуаций;

— разработки логической организации базы данных при управлении по отклонениям фактических значений показателей работы управляемых объектов от плановыхпредложены методы оценки и компенсации отклоненийорганизация взаимоувязанного использования ТКП и АРМ диспетчеров с единым циклом принятия решений;

— использование установленных основных видов статистических зависимостей изменения в течение планового периода фактических значений контролируемых показателей при сравнении текущих и нормативных значений контролируемых параметров перевозочного процессапостроение иерархической структуры выходных документов подсистемы ОСКАР-М;

— обоснование требуемого времени реакции подсистемы 1р11 <1,4 мин и его обеспечение за счет заблаговременной подготовки информации в подсистеме ОСКАР-М со строгой ее ориентацией на различных пользователей при обоснованном типовом периоде обновления информации т об, =15 мин.

8. Разработан комплекс требований к устройству и работе ТКП, включающий: формирование топологии полигона управления, укрупнено отражающей схему путевого развития на основе выделения технологических зон общего внимания (ТЗОВ);

— использование принципа выделения ТЗОВ для отражения на ТКП событий (функциональных видов деятельности диспетчерского аппарата);

— разработку выходных форм для ТЗОВ, включающих группу информационных элементов, часть из которых (или все) являются активными в соответствии с принципами АПИ;

— обеспечение комплексного использования ТКП и АРМ на основе замкнутого цикла получения информации, принятия и реализации диспетчерских решений.

Комплекс этих требований реализован при создании ЦУП и ДЦУГТ.

9. На основе разработанных в диссертации решений в настоящее время с использованием подсистемы ОСКАР-М в системе АИСО на ТКП ЦУП ОАО «РЖД» в автоматизированном режиме определяются отклонения с их оценкой более чем для 100 показателей оперативного плана (погрузка общая и по родам грузов, выгрузка, размеры вагонных парков, передача поездов и вагонов по междорожным стыкам и др.). Эти же показатели могут детализироваться диспетчерами ЦУП по железным дорогам, отделениям и станциям в АРМ диспетчеров ЦУП. Принцип управления по отклонениям соответствующими показателями оперативного плана с использованием подсистемы ОСКАР-М реализован и в ДЦУП (Октябрьская, Северная, Куйбышевская, Северо-Кавказская и др.).

Показана возможность использования предложенных принципов управления по отклонениям для отдельных составляющих перевозочного процесса на примерах — технологического процесса обращения замкнутых кольцевых маршрутов с лесными грузами и организации управления согласованной доставкой сырья в адрес металлургического комбината.

10. Дальнейшее развитие АИСО в направлении повышения эффективности оперативного управления перевозочным процессом связано с существенным развитием математического и программного обеспечения на основе математического моделирования составляющих перевозочного процесса по всем уровням управления: сетевой — дорожный (региональный) — местной работы — структурных подразделений линейного уровня, что позволит предлагать диспетчерам в режиме реального времени конкретные решения по вводу перевозочного процесса в нормативные рамки (переход от АИСО к программному уровню системы — АИСО-П).

Определено деление управляющих задач на две больших группы, характеризующиеся: возможностью достижения оптимизационных решений на основе частной формализации процессов (1-я группа) и решением задач при невозможности достаточно строгой формализации процессов на основе имеющегося опыта управления (2-я группа). Такое существенное различие между этими группами управляющих задач является основой выявления их закономерностей и определения различных подходов к разработке.

Предложено понятие интегрированного комплекса моделей (ИКМ), разработка которых требуется в АИСО-П для решения управляющих задачопределен комплекс целей (матрица целей), на основе которых должны определяться и разрабатываться необходимые математические модели работы управляемых объектов в соответствии с функциями диспетчерского аппарата.

Предложена классификация математических моделей, порядок организации работ по моделированию перевозочного процесса (оперативные процессы) и перечень первоочередных моделей для внедрения в АИСО-П.

11. Разработаны теоретические положения определения характеристик диспетчерских центров управления. При этом степень их приспособленности к выполнению функций оперативного управления перевозочным процессом определяются характеристиками: отображаемости объекта, достоверности информации, своевременности получения информации, своевременности решения задач и управляемости по отношению к задачам.

12. Разработанные предложения по созданию автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме работы железнодорожного транспорта (АИСО) с обеспечением принципа обратной связи и управления по отклонениям (подсистема ОСКАР-М), предложения по структуре диспетчерского управления с использованием ТКП и АРМ нашли практическое внедрение в ЦУП ОАО «РЖД» и ДДУП СевероКавказской, 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.