Автоматизированная система планирования поездообразования на сортировочной станции

Проблема

В настоящее время назрел переход от информационных к информационно-планирующим и информационно-управляющим системам. В статье рассматриваются основные принципы построения информационно-планирующей системы поездообразования на сортировочной станции. Существует несогласованность между моментами времени готовности составов и наличием локомотивов и бригад на сортировочной станции. Возникают длительные интервалы ожидания локомотивами и бригадами составов и наоборот. Поэтому важной задачей для диспетчерского аппарата станции является планирование работы локомотивов и бригад. Моменты их готовности в рейс должны быть увязаны с моментами окончания накопления составов на соответствующие назначения. Управление составообразованием на сортировочной станции является сложной многовариантной задачей. Ее совместно должны решать станционный, дорожный и узловой диспетчеры. В процессе решения задачи определяется очередность подвода поездов в разборку и транзита, очередность обработки поездов по прибытию и отправлению, очередность надвига, роспуска и окончания формирования. Еще более сложной является задача прогнозирования составообразования. При ее решении важно учитывать текущие приоритеты в работе станции и направления, их технологию работы и ограничения, накладываемые технической оснащенностью и схемой путевого развития.

Сегодня прогноз составообразования рассчитывается диспетчерским персоналом практически «вручную». Информация о поездном положении существует отдельно по каждому примыкающему направлению. Интегрированная картина подвода строится на бумаге или существует только в сознании диспетчера. При этом прогнозирование моментов прибытия делается диспетчером самостоятельно на основе его опыта. Далее необходимо на бумаге или только в сознании построить картину работы станции на ближайшие 4-6 часов и в конечном счете определить, когда и на какие назначения будет закончено накопление составов. Достоверность результата при таком подходе не превышает 30%. Анализ сложности проблемы позволяет сделать вывод, что получение достаточно точного прогноза возможно только на основе его автоматизации.

Выбор метода расчета

Как показывает опыт внедрения различного рода информационных и управляющих систем у нас и за рубежом, расчетный эффект от применения системы редко совпадает с реальным. Железнодорожная станция имеет ряд особенностей, затрудняющих оценку будущих показателей работы при изменении тех или иных факторов:

• сильная связность. Отдельные устройства и технологические операции сильно связаны между собой;

• влияние случайных факторов. Взаимодействие случайных процессов (неравномерность поступления поездов на станцию, колебания времени выполнения технологических операций) приводит к результату, который трудно предсказать заранее;

• влияние управления. Управляющие решения зависят от состояния станции. Управляющие воздействия влияют на показатели работы станции, но это влияние тоже трудно оценить заранее;

• влияние сложной структуры. Схема путевого развития имеет качественные особенности, которые влияют на показатели работы. Если изменяется уровень загрузки устройств или технологический процесс, то могут возникнуть новые «узкие места», а характер и величина межоперационных простоев могут существенно отличаться от предыдущих.

Все эти факторы трудно формализуемы. Поэтому на практике все чаще для оценки работы сложных систем прибегают к использованию имитационных моделей. Имитационная модель принципиально отличается от строгих. В ней не требуется строго формировать критерий оптимизации, задавать формальные ограничения и т.п. С одной стороны, это недостаток, ибо невозможно получить строго доказанный оптимум, с другой — достоинство, поскольку здесь можно использовать частично-формализованные знания, знания опытного характера. А так как формализованных знаний о железнодорожных объектах, таких как сортировочная станция, накоплено мало, то формальным моделям доверять серьезную оценку нельзя. Модели эти слишком бедны и оттого слишком велико несоответствие их реальным объектам.

Имитационная модель должна быть построена так, чтобы могла хорошо отображать схему путевого развития, технологические и информационные процессы, а также процессы управления. Случайные колебания величин должны также найти здесь свое отображение.

Принципы построения имитационной модели в системе планирования поездообразования

Отображение структуры станции в имитационной модели

Представление схемы путевого развития в элементах модели. В рамках процесса разбиения на элементы считается, что пути, перегоны и стрелки имеют только два состояния — «занято» и «свободно».

Критерием разбиения принято минимальное количество элементов на схеме при следующих ограничениях:

• все части схемы должны быть отражены в элементах;

• все виды реально возможных передвижений должны быть возможны на схеме после разбиения;

• все одновременно происходящие передвижения должны быть возможны после разбиения;

• все виды одновременно невозможных передвижений должны быть невозможны на схеме в виде элементов;

• все виды невозможных передвижений должны быть невозможны на схеме после разбиения.

Отображение дополнительных технологических устройств

Работа таких технологических объектов, как бригады осмотрщиков, маневровые локомотивы и т.д., в модели может отображаться двумя различными способами — обезличенным и полным.

Обезличенный способ отображения технологических объектов применяется в том случае, когда по условиям технологического процесса не требуется контроля за каждым объектом. Такая ситуация возможна, например, для маневровых локомотивов, если по условиям технологии определенные локомотивы не закреплены за определенными районами путей или парками. Во всех таких случаях важным является только наличие требуемого объекта в определенный момент времени. При данном способе отображения технологических устройств в модели задается количество работающих устройств на станции, например, число маневровых локомотивов.

В случаях, когда необходимо отслеживать работу каждого конкретного технологического устройства, в модели применяется полное отображение таких объектов.

Отображение технологии работы станции

Технология работы станции в имитационной модели описывается набором операций. Под операцией понимается законченная часть технологического процесса работы станции, например, прием поезда, расформирование и т.д. В модели операция представляет собой набор записанных в определенной последовательности элементов, участвующих в выполнении части технологического процесса, с указанием параметров их работы. Все операции модели условно можно разделить на три группы — технологические, информационные и управляющие.

Технологические операции имитируют передвижения по станции и, как следствие, продвижение какого-то потока в пространстве и времени. Информационные и управляющие операции в модели служат для имитации процессов передачи информации и принятия управляющих решений диспетчерским персоналом. Операции подразделяются на внешние и внутренние. Внешние обозначают части технологического процесса, начинающиеся за пределами моделируемой транспортной системы (например, прием поездов с направления); внутренние — начинающиеся в пределах системы. Для внешних операций до начала расчета составляется исходное расписание поступления, которое в данной системе формируется на основании прогнозируемых времен прибытия поездов на станцию. Между собой операции увязываются при помощи «таблицы взаимосвязи операций».

Моделирование передвижений в операциях

Передвижения в модели имитируются при помощи маршрутов. Под маршрутом понимается любое передвижение на станции, начинающееся и заканчивающееся на пути, участке пути или перегоне.

Маршрутом в модели считается последовательность логических элементов, отображающих схему путевого развития, которая удовлетворяет следующим требованиям:

• начальным и конечным элементами маршрута могут быть толь ко элементы, отображающие путь, участок пути или перегон;

• смена направления движения в маршруте возможна только на элементе, отображающем путь, участок пути или перегон.

Маршрут считается свободным, если на периоде (t,t+τ) одновременно свободны все входящие в него элементы. Маршрут занят, если на периоде времени (t,t+τ) занят хотя бы один из входящих в него элементов.

Продолжительность занятия элемента маршрута может задаваться фиксированным значением или по случайному закону:

где τ_min и τ_max — соответственно минимальная и максимальная продолжительность занятия элемента; law() — закон распределения с параметрами.

Любое перемещение по маршруту является, по сути, перемещением какой-либо емкости от начала маршрута в его конец. Под емкостью

можно понимать перемещаемые составы, группы вагонов, одиночные локомотивы и т.д.

Для отображения перемещения емкости в модели используются бункерные элементы—носители емкости. Они характеризуются такими величинами, как предельная емкость q_i и текущая емкость в определенный момент времени q_i(t). Для любого элемента пути станции существует соответствующий бункерный элемент для отображения емкости.

Таблица взаимосвязи операций

Операции увязываются в технологический процесс с помощью так называемой «таблицы взаимосвязи операций». В ней указывается, в какой последовательности выполняются операции и при выполнении каких условий. Условия задаются в виде пределов для состояния технологических элементов:

где q_i(t) q_j(t) —текущее состояние i,j-го бункерных элементов;

q_i q_i — нижний и верхний пределы состояния i-го бункерного элемента;

q_j q_j — нижний и верхний пределы состояния j-го бункерного элемента.

Для построения и расчета модели в автоматизированной системе планирования поездообразования используется имитационная система «ИСТРА». Модель станции Свердловск-сортировочный содержит порядка 1040 элементов, 965 операций и представляет собой программу на специализированном языке объемом более 60 тысяч операторов. Модель формируется в основном автоматически в диалоге с пользователем. Программный комплекс прогнозирования поездообразования написан на объектно-ориентированном языке C++.

Связь имитационной модели и автоматизированных систем

Исходные данные для расчета имитационной модели в систему прогнозирования поездообразования поступают из трех источников:

Рис. 1. Обработка информации АСОУП

АСОУП, АСУСС, АРМ нормировщика локомотивных бригад (АРМ ТЧБ). Доступ к АСОУП (рис. 1) осуществляется через базу данных АРМа ДГП разработки фирмы «Инфотэкс». Данные в базе этого АРМа хранятся в преобразованном виде. Такая схема обеспечивает высокий уровень надежности и быстродействия в получении следующей информации: натурных листов и данных о дислокации поездов. Доступны данные сразу по всем подходам. Натурные листы на поезда берутся из «02» сообщения или из фразы «1012» сообщения «1042». По мере движения поезда информация о его дислокации оперативно обновляется.

Рис.2. Обработка данных АСУСС

Вторым основным источником данных для описываемой автоматизированной системы служит АСУСС (рис.2). Множество запросов, адресуемых в АСУСС, имеют своей целью зафиксировать текущую ситуацию на станции. Эта ситуация служит отправной точкой для расчета прогноза поездообразования. Однако этот источник не обеспечивает модель всеми необходимыми данными. Нет информации о текущем количестве маневровых локомотивов и бригад технического и коммерческого осмотра, их специализации. Не фиксируется стадия обработки составов в парках приема и отправления. Для ввода недостающей информации организован удобный диалог с пользователем.

Последний технологический блок—расчет на имитационной модели и представления результатов в форме, удобной для диспетчера. Расчет позволяет определить моменты накопления составов по плану формирования станции с учетом действующих норм длины и веса поездов. Результаты выводятся в табличном и графическом виде. Диспетчеру доступна интегрированная информация по прогнозу прибытия поездов в разборку со всех направлений и рассчитанное время начала и окончания выполнения всех операций от прибытия до расформирования составов. В графическом виде в стандартной форме суточного плана-графика либо в более концентрированной табличной форме представлена информация о прогнозируемых моментах окончания накопления составов по путям сортировочного парка и назначениям. Это позволяет принимать обоснованные решения по корректировке нарядов бригад, переброске бригад с одного направления на другое. Анализ опыта эксплуатации системы на станции Свердловск-сортировочный показал, что она обладает достаточной точностью прогноза. Среднее отклонение составляет примерно 15 мин. Непосредственно из поля фрагмента суточного плана графика может быть получена справка о разложении состава поезда с пересчитанным по условной длине количеством вагонов на каждое назначение.

После отработки системы в процессе опытной эксплуатации ее предлагается тиражировать на другие сортировочные станции.