Развитие технологии и разработка средств мониторинга функционирования систем автоматизации сортировочных процессов

Актуальность проблемы.

Президент ОАО «РЖД» В. И. Якунин, комментируя перечень задач Федеральной целевой программы «Модернизации транспортной системы России», отметил в качестве одной из важнейших задач ряда первоочередных инвестиционных проектов «создание системы сбора и обработки статистической информации по транспортному комплексу», что обеспечивается успешной информатизацией отрасли и развитием новых технологий, базирующихся на интеллектуализации механизмов и процедур моделирования, принятия решений и управления.

В полной мере сказанное касается важнейших составляющих транспортного комплекса страны: сортировочных горок сортировочных станций. Они крайне нуждаются в современной системе сбора и обработки информации не только статистической, но и экспертной, для анализа текущего состояния, прогноза будущего развития и оперативного управления.

Стратегическая идея развития отрасли — инновации, обеспечивающие качество и производительность работы объектов автоматизации в соответствие с требованиями рынка транспортных услуг. В данной работе предлагается инновативность обеспечить через создание системы интеллектуального мониторинга. Интеллектуальность понимается, как способность системы адекватно реагировать на внешние и внутренние возмущения, сохраняя основные параметры технологического процесса, обучаться и обучать принятию решений.

Интеллектуальность функционирования сортировочных горок (СГ) обеспечивается наличием:

— системы адекватных разноуровневых и разноплановых моделей процессов расформирования поездов и процедур принятия решенийсовокупности критериев, определяющих стратегические и тактические направления развития отрасли в целом и объекта автоматизации, в частностиспециальных технологий обработки информации.

Базовым математическим аппаратом математического синтеза системы мониторинга сортировочных процессов избраны: теория массового обслуживания (ТМО), теория информации, статистические процедуры оценивания экспертного опыта горочных операторов.

Модель ТМО позволяет «проиграть» варианты развития процессов расформирования составов при различных условиях функционирования и в базе знаний (БЗ) содержать готовые прогнозы. При заданном критерии в БЗ также заблаговременно готовятся решения. Для этой цели формируются специализированные машинные советчики.

Рассмотренные выше вопросы активно разрабатываются в научной, методической, нормативной литературе.

Степень разработанности проблемы.

Теоретической основой разработки послужили труды учёных и специалистов, объединенных научной школой д.т.н. профессора В. Иванченко: А. Вершинина, А. Кулькина, JI. Кузнецова, Н. Лябаха, Ю. Самойленко,.

A. Сепетого, А. Федорчука, А. Шабельникова. Разрабатываемые в данной диссертации вопросы, учитывают опыт работы созданных ими систем: КГМ РИИЖТ, ЛИУК ПП и ПО, КСАУ КС, АРМ ШН и др.

Проблемы собственно развития отрасли, ориентирующие разработчиков на внедрение инноваций, учет экономических критериев, поставлены и освещены в многочисленных работах С Ададурова, В. Гапановича, В. Кайнова,.

B. Колесникова, В. Шарова, В. Якунина.

Решению важных теоретических и практических вопросов создания современной технологии управления, исследования и моделирования сложных объектов и процессов анализа и синтеза устройств автоматики и телемеханики, разработки микропроцессорных систем, их программного обеспечения и диагностики, формирования технической политики и стратегии дальнейшего развития АСУЖТ, начиная с 1980 г., посвящены работы В. Апатцева, С. Аркатова, JI. Бардинова, В. Буянова, А. Гуды, И. Дмитренко, И. Долгого, Ю. Жаркова, В. Иванченко, В. Карпухина, С. Ковалева, Ю. Кравцова, Е. Лецкого, В. Лисенкова, Н. Лябаха, В. Павлова, В. Сапожникова, Вл. Сапожникова, Е. Сотникова, Е. Тишкина, Л. Тулупова, В. Шелухина, А. Шилейко и других ученых.

Проблемы горочной автоматизации подробно исследованы Ю. Боровковым, В. Иванченко, Н. Никифоровым, А. Савицким, А. Сепетым, Е. Тишкиным, Н. Фонаревым, В. Шелухиным и другими.

Мониторингу сложных систем на транспорте посвящены работы Е. Розенберга, И. Розенберга, В. Соколова, А. Федорчука.

Построение формальных описаний процессов расформирования-формирования поездов на СГ, разработка инструментария планирования и управления объектом исследования осуществлялись на основе трудов А. Баженюка, Л. Берштейна, Е. Вентцель, А. Гуды, Л. Заде, С. Ковалева, А. Мелихова, А. Орлова, В. Соколова, Л. Тулупова и др.

В настоящей работе анализируются и развиваются также различные подходы к интеллектуализации сортировочных процессов (СП), изложенные в работах М. Бутаковой, В. Иванченко, С. Ковалева, Н. Лябаха, В. Соколова, А. Шабельникова, и др.

Вопросы применения ТМО для управления транспортными процессами рассмотрены в работах М. Бутаковой, В. Ивницкого, Н. Лябаха, Г. Поттгоффа.

Вместе с тем, практическая реализация предлагаемых в анализируемых источниках механизмов описания исследуемых технологических процессов на СГ, задача определения оптимального режима функционирования и управления объекта требуют адаптации имеющегося теоретического и методического инструментария, разработки технического и программного обеспечения и применение формализованных процедур моделирования и принятия решений.

В настоящее время, кроме того, отсутствует единая методология построения систем мониторинга СП. Это определило цель и задачи диссертационного исследования.

Цель диссертационного исследования — развитие технологии и разработка средств мониторинга, оперирующих данными прошедшего, текущего и прогнозного состояния системы, формирование принципов и методов поддержки принятия решений в системах управления сортировочным процессом.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены и решены следующие задачи: дано теоретическое обобщение состояния и перспектив развития систем горочной автоматизации, сформулированы актуальные направления исследования функционирования СГразработаны методы моделирования технологических процессов на СГ и процедуры принятия решений в СППР средств мониторинга сортировочных процессовразработаны новые механизмы и инструменты управления процессом роспуска составов, основанные на результатах мониторинга СГразвиты и адаптированы методы информационного обеспечения системы мониторингасоздана структура построения комплекса технических средств, обеспечивающих решение задач мониторинга технологического процессавнедрены методы и методики в действующие системы автоматизации СП и учебный процесс.

Объект исследования: СГ и система мониторинга сортировочными процессами.

Предмет исследования: принципы, математические методы и механизмы поддержки принятия решений в СППР, информационные технологии и технические средства мониторинга. Исследования выполнялись в рамках следующих пунктов паспорта специальности 05.13.06:

8. Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и другие.

9. Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и других, включая базы и банки данных и методы их оптимизации.

15. Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и других).

Концепция диссертационного исследования базируется на следующих аспектах авторской научной позиции:

1. Контроль над деятельностью системы управления должен быть целесообразным (затраты на его организацию не должны превышать эффекта от внедрения) и обоснованным (в результате мониторинга наблюдается минимально необходимое количество параметров объекта для обеспечения заданного уровня управления объектом).

2. Сложность и, как следствие, уровень опасности системы не должны повышаться, а сложность процедуры управления должна снижаться вследствие внедрения и функционирования подсистемы мониторинга.

3. Мониторинг сложных систем должен распространяться не только на данные текущего состояния системы, но и на параметры прогноза развития этого состояния. То есть диагностируется и настоящее, и будущее системы.

4. Мониторинг СП классифицируется на репрезентативныйстатистически достоверный и индикативный, фиксирующий начало изменений в системе, обосновывающий необходимость и своевременность репрезентативного мониторинга.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структура построения средств мониторинга технологического процесса СГ и взаимодействия с системами ТДМ внешнего уровня.

2. Модель мониторинга СГ и механизм расчета её параметров, представленная как системы и сеть массового обслуживания.

3. Метод измерения и расчета динамических параметров скатывающихся отцепов.

4. Методика определения начальных скоростей движения отцепов по путям сортировочного парка с контролем адекватности результатов в реальном времени.

Научная новизна исследований:

1. Разработана структура построения средств мониторинга технологического процесса СГ и взаимодействия с разноуровневыми системами ТДМ внешнего уровня.

2. Систематизированы и развиты модели ТМО, описывающие специфические особенности сортировочного процесса: модели объектов без входного потока с фиксированной очередью, СМО с несанкционированным входом на обслуживание, регулярные СМО, системы без обслуживания накапливающие очередь. Комплекс названных моделей позволяет повысить адекватность моделирования, качество мониторинга, улучшить характеристики разрабатываемых и действующих систем автоматизации СП.

3. Разработана модель роспуска составов в виде графа передач сети массового обслуживания, содержащая процедуры надвига, роспуска и процесс его нормализации. Внедрение данной модели в практику управления сортировочным процессом позволяет имитационным путем оптимизировать параметры сортировочного процесса на различных этапах проектирования, внедрения и эксплуатации автоматизированных горок.

4. Впервые предложен метод расчета характеристик скорости скатывания отцепов, позволивший построить динамическую модель перемещения подвижных единиц с заранее неизвестными параметрами.

5. Разработана и впервые реализована, в рамках осуществления «прогнозного мониторинга», методика определения скоростей движения отцепов по путям сортировочного парка.

Теоретико-методологической основой диссертационного исследования явились научные труды отечественных и зарубежных ученых по данной проблеме, специалистов по управлению сложными (нестационарными, зашумленными) объектами, функционирующими в условиях дефицита времени и информации.

В данном диссертационном исследовании использовались принципы системного (структурно-функционального) и сравнительного анализов, теория массового обслуживания, статистические методы (корреляционно-регрессионный анализ), теория нечетких множеств, позволяющая формализовать опыт и интуицию специалистов по управлению, имитационное моделирование, обеспечивающее реализацию сценарного подхода к управлению СП.

Информационно-эмпирической базой исследования послужили данные, полученные в результате мониторинга автоматизированных сортировочных горок станций Бекасово-Сортировочное МЖД, Инская и Входная ЗСЖД, Красноярск-Восточный КрЖД, Челябинск-Главный ЮУЖД, Тайшет ВСЖД.

Теоретическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке теории построения многоуровневых систем мониторинга АСУ ТП, развития ряда универсальных математических моделей.

Практическая значимость состоит в том, что его основные методологические и методические выводы, инструментарий не ограничены рамками примеров, приведенных в работе, и их можно использовать на различных объектах автоматизмции СП.

Основные научные результаты внедрены на следующих объектах автоматизации: станция Входная ЗСЖД, станция Красноярск-Восточный КрЖД, а также в учебном процессе РГУПС. Акты о внедрении результатов приведены в приложении к диссертации.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры «Информатика» РГУПС, конференциях профессорско-преподавательского состава РГУПС в 2004;2007 годах, на 4-ой международной научно-практической конференции «ТелеКом Транс-2006», г. Сочи, 2006 г., конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления», г. Тверь, 2006 г.

Результаты диссертационного исследования внедрены в системы информационного обеспечения отрасли: контрольно-диагностический комплекс станционных устройств горочной автоматической централизации (КДК СУ ГАЦ), подсистему поддержки принятия решений для оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки в составе КДК СУ ГАЦ (СППР КДК СУ) и в учебный процесс РГУПС по подготовке специалистов на совместных с РостФ ВНИИАС курсах (см. приложение 2).

Публикации по теме. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, общим объемом 5,62 п. л. в том числе авторских 2,28 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация имеет традиционную структуру и состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений. Она содержит 198 стр. машинописного текста, 66 рисунков, 10 таблиц, и библиографию, содержащую 147 наименований.

Выводы по главе.

1. Разработан комплекс технических решений, обеспечивающих мониторинг и автоматизированное управление технологическим процессом расформирования составов на сортировочных горках различной мощности. t.

Вклад автора в представленные разработки состоит в использовании авторских идей, алгоритмов и программ, описанных в главах 2, 3 и 4. В некоторых случаях автор выполнял работу начиная от идеи, составления алгоритмов, разработки и отладки программного обеспечения, используемого в отдельных модулях устройств. Иногда были использованы идеи автора, который участвовал в разработке алгоритмов.

2. Разработаны структура, методика построения и использования автомата-советчика, обеспечивающего прогноз необходимой скорости выхода отцепа из ТП (см. п. 4.2). Дополненный автоматом-советчиком по реализации заданной скорости отцепа с ТП, разработанным В.Н. Соколовым21, он образует комплекс процедур полностью обеспечивающих управление вагонозамедлителями ТП.

21 Соколов В. Н. Комплексная система автоматизации сортировочных процессов: техническое, технологическое, интеллектуальное обеспечение // Канд. дис. Ростов н/Д, 2008. — 182 с.

3. Результаты мониторинга работы реальных систем автоматизации сортировочных горок обеспечивают выполнение целей и задач, поставленных в диссертационной работе.

Заключение

.

Автоматизация сложных технологических процессов на железнодорожном транспорте является одной из приоритетных задач дальнейшего инновационного развития отрасли, повышения интенсивности и качества работы транспортников, улучшения основных экономических показателей подразделений ОАО «РЖД». Базовым элементом крупных железнодорожных узлов и станций является сортировочная горка. От ритмичной, бесперебойной сортировки вагонов на горке зависит пропускная способность всей железнодорожной артерии.

Современные сортировочные горки отличаются высоким уровнем насыщенности устройствами централизации и механизации, средствами управления и контроля. При комплексной автоматизации процесса роспуска (расформирования) составов сортировочная горка дополнительно оборудуется устройствами счета осей, весомерами, индикаторами скорости отцепов, аппаратурой контроля заполнения путей сортировочного парка. Сигналы напольных устройств обрабатывает управляющий вычислительный комплекс (УВК). Он формирует сигналы управления устройствами централизации и механизации для успешного выполнения технологических операцийформирования маршрутов и регулирования скорости скатывания отцепов (вагонов, отделяемых на горке от расформировываемых составов). УВК также инициирует диагностические сообщения эксплуатационному персоналу в соответствии с реальной технологической ситуацией, сложившейся во время роспуска, и результатами диагностики отдельных устройств, подсистем и горочного комплекса в целом. Успешность этого процесса существенным образом зависит от оперативного и репрезентативного мониторинга, своевременной диагности устройств и хода технологического процесса.

Оказать реальную помощь обслуживающему персоналу в контроле состояния, оперативном поиске неисправностей, предотказной диагностике, анализе работы отдельных устройств и систем горочной автоматизации призван комплекс контроля и диагностики станционных устройств зоны ГАЦ (КДК СУ ГАЦ) с рабочим местом горочного электромеханика (АРМ ШН СГ). В целях повышения безопасности расформирования составов, эффективности управления технологическими процессами, технического обслуживания и ремонта напольных и постовых устройств сортировочной горки и уменьшения количества их отказов Ростовский филиал ВНИИАСа дополнил комплекс КДК СУ ГАЦ системой поддержки принятия решений для оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки (СППР КДК СУ). Впервые она была внедрена на автоматизированной сортировочной горке станции Красноярск-Восточный Красноярской железной дороги.

Система поддержки принятия решений обеспечивает обработку технологической и диагностической информации, поступающей в сервер приложений и хранилище данных СППР из сервера баз данных (БД) технологической и диагностической информации подсистем КГМ ПК и КДК СУ, формируемой в реальном времени. СППР КДК СУ оснащена подсистемой мониторинга состояния оборудования горочных систем автоматизации роспуска составов и предупреждений оперативного и обслуживающего персонала в режиме реального времени.

Отказы, а также предотказное состояние устройств фиксируются и на их основе формируются различные виды оповещения обслуживающего и эксплуатационного персонала. Для получения в каждом случае соответствующей реакции применяются графические, анимационные, текстовые, звуковые и голосовые предупреждения.

В сервере приложений осуществляется статистический анализ данных о функционировании устройств и подсистем. В результате формируются предложения и рекомендации по оптимизации проведения технического обслуживания и ремонта контролируемых горочных устройств. Предоставляется аналитическая информация об основных показателях работы сортировочной горки для работников службы управления перевозками в целях выявления и оптимизации отдельных технологических операций.

В работе дано краткое описание задач, функций, технического исполнения комплекса контроля и диагностики станционного устройства, обеспечивающего мониторинг процесса роспуска составов в системе управления сортировочной горкой.

Как не однократно отмечалось выше СГ являются объектами железнодорожного транспорта, имеющими сложную технологию работы и высокую степень технической оснащенности различными устройствами. В то же время СГ, из-за достаточно высокого уровня шума, создаваемого вагонными замедлителями, переговорными устройствами и соударениями автосцепок в сортировочном парке, располагаются, как правило, в удалении от населенных пунктов. Возникает проблема привлечения большого количества высококвалифицированных специалистов, как для ведения роспуска составов в максимально допустимом темпе с обеспечением сохранности вагонов и грузов, так и для грамотного обслуживания большого спектра горочных устройств, оперативного поиска и устранения неисправностей. Указанные проблемы решаются автоматизацией наиболее сложных, ответственных, трудоемких и требующих постоянного внимания технологических процессов. При этом техническая оснащенность СГ резко возрастает. На спускной части устанавливаются напольное оборудование — датчики счета осей, радиолокационные скоростемеры, а в сортировочном парке — аппаратура контроля заполнения путей (КЗП). На посту электрической централизации (ЭЦ) монтируется сложный вычислительный комплекс на базе компьютерного оборудования со средствами сопряжения с напольным оборудованием, мониторами и табло для отображения информации и органами управления автоматизированным роспуском в горочных пультах. Средства автоматизации в свою очередь требуют еще более квалифицированного обслуживающего персонала. Квалифицированное авторское сопровождение систем автоматизации возможно только организациями, осуществляющими разработку и комплексную отладку этих систем. Но данных организаций не много и, как правило, они находятся в крупных городах на значительном удалении от автоматизированных объектов. Выполнить глубокий анализ работы управляющего комплекса, найти причины отклонений от нормального функционирования, дать исчерпывающие рекомендации обслуживающему персоналу невозможно без оперативного получения, статистической обработки, интеллектуального анализа и наглядного отображения большого объема информации непосредственно с сортировочной горки. В поиске решений вышеперечисленных проблем и состояла одна из задач данной диссертации.

Создание в рамках ОАО «РЖД» современной корпоративной системы передачи данных (СПД) с использованием на магистральных направлениях многоканальных оптоволоконных линий связи, дает возможность применения современных информационных технологий для обеспечения многоуровневого мониторинга и контроля функционирования объектов железнодорожного транспорта, не только оперативным и обслуживающим персоналом непосредственно на станции, но и управленческим аппаратом станции, диспетчерским персоналом технической диагностики и мониторинга, а также специалистами предприятия, осуществляющего авторское сопровождение АСУ ТП. Высокий уровень насыщенности СГ устройствами централизации и механизации, средствами управления и контроля, требует применения высокоразвитых и наглядных средств мониторинга технологического процесса, интеллектуального анализа состояния устройств СЦБ в реальном времени для обеспечения своевременного принятия мер при выявлении предотказных состояний.