автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Метод повышения точности прогнозирования пропуска поездов по участку

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ АЛЕКСЕИ БОРИСОВИЧ

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОПУСКА ПОЕЗДОВ ПО УЧАСТКУ

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

11 НОЯ 2015

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2015

005564236

005564236

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» (ФГБОУ ВПО ПГУПС).

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, доцент Котенко Алексей Геннадьевич доктор технических наук, профессор Дмитренко Алексей Васильевич, профессор кафедры «Железнодорожные станции и узлы» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения»

кандидат технических наук, доцент Левин Дмитрий Юрьевич, старший научный сотрудник кафедры «Управление эксплуатационной работой и безопасностью на транспорте» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

ФГБУН «Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук»

Защита состоится 15.12.2015 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д218.008.02 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке, на сайте ФГБОУ ВПО ПГУПС (www.pgups.ru) и на сайте Минобрнауки России (www.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «15» октября 2015 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу совета Университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета /

кандидат технических наук Ефанов Дмитрий Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В условиях возрастающих потребностей в перевозках одной из важнейших задач является повышение качества текущего планирования пропуска поездов по диспетчерским участкам на основе внедрения в перевозочный процесс современных технологий.

Одной из ключевых задач, возникающих при построении текущих планов, является детализация регулировочных мер, направленных на ликвидацию возможных затруднений пропуска поездов.

Решение этой задачи осуществляется на основе построения прогнозного графика движения поездов, который в настоящее время строится диспетчером с использованием интуиции, опыта, выработанных эвристик. Попытки автоматизировать этот процесс и повысить точность построения прогнозного графика движения в ходе диспетчерского регулирования сталкиваются как с отсутствием надежных алгоритмов выбора станций обгона и скрещения, так и с низкой достоверностью прогноза времени проследования поездов по участку.

Одним из возможных путей решения проблемы является исследование признакового пространства обработки данных для планирования пропуска поездов по участку.

Другим путем решения проблемы может стать использование в расчетах вместо постоянных перегонных времен хода - переменных значений этого параметра, обусловленных различиями веса, длины состава и условий пропуска.

Указанные пути повышения качественных характеристик прогнозного графика движения позволят повысить уровень диспетчерского регулирования при организащш пропуска поездов по участку, уточнить содержание и адресность регулировочных мер и тем самым повысить

качество текущего планирования, что определяет актуальность темы данного диссертационного исследования.

Степень разработанности темы исследования. Повышению качества оперативного управления перевозками и организации пропуска поездов посвящены работы А. К. Угрюмова, Е. М. Тишкина, В. А. Кудрявцева, И. М. Кокурина, Г. М. Грошева, Д. Ю. Левина, Г. А. Кузнецова, Г. А. Платонова и многих др.

Целью диссертационного исследования является повышение точности прогнозирования пропуска поездов по участку в ходе текущего планирования.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основные задачи:

1. Разработать предложения по повышению точности расчета станций обгона и скрещения поездов на основе исследования признакового пространства обработки данных для планирования пропуска поездов.

2. Разработать способы повышения точности прогноза времени проследования поездов по участку путем введения в расчеты переменных значений перегонных времен хода, обусловленных различиями веса и длины состава, а также влияния различных систем интервального регулирования движением поездов.

3. Оценить экономическую эффективность предложенных мер по повышению точности прогнозирования пропуска поездов по участку.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработаны предложения по повышению точности расчета станций обгона и скрещения поездов на основе введения дополнительных приоритетов пропуска, связанных с учетом времени явки и непрерывной работы локомотивной бригады, времени допустимого пробега локомотивов до очередного ремонта, степени выполнения графика движения, значений

веса и длины состава поездов, возможности их сдачи на соседний участок в расчетное время;

- предложен способ прогнозирования перегонных времен хода на основе объединения грузовых поездов по весу и длине состава в группы, различия между которыми оказывают значимое влияние на ходовые характеристики.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертационном исследовании результаты использованы при выполнении научно-исследовательских работ в 2012-2014 гг. Институтом проблем транспорта им. Н. С. Соломенно Российской академии наук на тему «Определение технических и технологических особенностей задачи организации транспортных потоков».

Кроме того, результаты исследования используются при чтении курса «Управление эксплуатационной работой», преподаваемого в ФГБОУ ВПО ПГУПС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применены методы системного анализа, теории алгоритмов, теории вероятностей и математической статистики.

На защиту выносятся: предложение по введению дополнительных приоритетов пропуска поездов, позволяющих уточнить расчет станций обгона и скрещения; способ прогнозирования перегонных времен хода, позволяющих рассчитать время проследования поездов по участку; метод повышения точности прогнозирования пропуска поездов.

Достоверность результатов исследования обоснована практическими расчетами применительно к реальным диспетчерским участкам Октябрьской ж. д.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и получили одобрение: на международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и

3

перспективы» (Санкт-Петербург, 2014 г.); на третьей, четвертой и пятой научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы на транспорте» (Санкт-Петербург 2013, 2014, 2015 гг.); на научно-технических семинарах кафедры «Управление эксплуатационной работой» ПГУПС в 2012-2015 гг.

Публикации по теме диссертационной работы. По материалам диссертационного исследования опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований и 5 приложений. Основное содержание работы изложено на 129 страницах печатного текста, содержит 18 таблиц и 57 рисунков. Приложения представлены на 53 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы организации пропуска поездов по участку на основе изучения трудов ученых и специалистов в области оперативного управления перевозками: А. К. Угрюмова, В. А. Кудрявцева, И. М. Кокурина, А. Т. Осьминина, А. Т. Барткуса, Д. Ю. Левина, Г. А. Платонова, В. Н. Толмачева и др. В области повышения качества диспетчерского регулирования движения поездов и развития его информационного обеспечения исследованы труды Е. М. Тишкина, Г. М. Трошева, Г. А. Кузнецова, В. В. Сапожникова, Вл. В. Сапожникова, А. Б. Никитина, В. И. Линькова, Е. Н. Розенберга, Г. И. Державцева, В. В. Платова, А. В. Карася, А. И. Лизунова, А. В. Шипулина и др. В результате проведенного анализа поставлена

4

проблема исследования.

Вторая глава посвящена формулировке предложений по повышению точности расчета станций обгона и скрещения поездов. На основе изучения практики разработки регулировочных мер в процессе диспетчерского регулирования введены дополнительные приоритеты пропуска поездов:

• пассажирских (высокоскоростные, скоростные, пассажирские, скоростные пригородные, пригородные поезда) - по признаку выполнения расписания;

• грузовых - по признакам:

- времени непрерывной работы локомотивной бригады;

- времени допустимого пробега локомотива до очередного технического обслуживания, ремонта;

- длины состава (возможность приема с остановкой на станции обгона или скрещения);

- веса (наличие дополнительных затрат времени на трогание после остановки);

- выполнения графика движения;

• сквозных грузовых - по признаку возможности сдачи на соседний участок в расчетное время.

Введенные приоритеты служат основой предложений по уточнению расчета станций обгона и скрещения поездов на участке. Так, предлагаемый расчет станции обгона (рисунок 1) поезда (/-1) поездом с более высоким приоритетому выполняется исходя из условий:

тппо;0'-1)' — тппн;0'-1)1

тппо;У-1К1+1) тппн/С/-1)(г+1),

где тппоЯ;_а) = - £-п(/-1) и - ожидаемый и нормируемый

интервалы попутного прибытия поездов (/-1) и у на станции; и £п0'-1) ~~ моменты ожидаемого времени прибытия поездову и (/-1) на станцию.

5

Предлагаемый расчет станции скрещения (рисунок 2) поезда (/—1) и поезда с более высоким приоритетом j осуществляется исходя из условий:

{тнпо;'0'-1)1 — Тнпн/0'-1)[

тнпо;0'-1)(1+1) < тнпн/0'-1)0'+1),

гДе тнпоД;-1)( = — сп(;-1 у и тнпн;0-1)1 - ожидаемый и нормируемый интервалы неодновременного прибытия поезда (/'-1) с остановкой и проследования без остановки встречного поезда j по станции скрещения г.

Рисунок 2 - Упрощенная схема расчета станции скрещения поездов

6

При равном приоритете пропуска поездов предлагается выполнять расчет станции обгона на участке исходя из условия:

твсО'-1)1 < Сп/(1+2) — СпД£+2)< где Гвс0_^ = тст0._1); + тза-а); + трУ_1)£ - затраты времени на стоянку,

замедление и разгон поезда (Н) на станции обгона /; £^(¡+2) - вРемя прибытия поезда у на станцию (¡+2) при невыполнении обгона на станции г, а Гп;-(1+2) - при его выполнении.

Станцию скрещения на участке в этом случае предлагается рассчитывать путем сравнения длительностей стоянок останавливаемого поезда в ожидании пропуска встречного.

На основе предложенных механизмов расчета станций обгона и скрещения в главе разработан алгоритм (рисунок 3) построения прогнозного графика движения, включающий:

определение приоритета пропуска поезда, поступающего на участок (процедура 2, рисунок 3);

прогноз времени прибытия и отправления поступающего поезда по станциям участка (процедура 3, рисунок 3);

расчет станций обгона и/или скрещения поступающего поезда с другими поездами (процедуры 9, 10, 12, 13, рисунок 3);

расчет времени проследования по участку поступающего поезда и уточнение времени проследования для поездов, находящихся на участке; проверка соответствия нормативному графику времен прибытия поездов на станции назначения или их сдачи на соседние участки (процедура 14, рисунок 3).

Процедуры 9, 10, 12, 13 включают проверки наличия на станциях свободных путей достаточной полезной длины, а также возможности трогания с места поезда после его остановки.

Рисунок 3 - Блок-схема предлагаемого алгоритма построения прогнозного

графика

В третьей главе разработан способ повышения точности прогноза времени проследования поездов по участку. С этой целью предлагается проводить процедуру первоначального контроля движения поезда, поступающего на участок. Для организации такого контроля в главе обоснована целесообразность учета и документирования в системах микропроцессорных диспетчерских централизации следующих времен:

- освобождения последней изолированной секции маршрута прибывающим поездом;

- занятия первой секции маршрута отправляемым поездом;

- занятия и освобождения всех блок-участков перегонов;

- освобождения, размыкания и занятия изолированных секций;

- открытия входных и выходных светофоров.

В главе показано, что документирование указанных времен целесообразно осуществлять по категориям поездов с учетом их веса, длины состава, типа локомотива, а также условий пропуска (отсутствие/наличие предупреждений, неисправностей подвижного состава и пр.).

Предлагаемый способ повышения точности прогноза времени проследования поездов по участку состоит из трех этапов.

На первом этапе осуществляется прогноз перегонных времен хода поезда, поступившего на участок. При этом, предложено использовать группировку пропущенных по участку поездов по весу и длине состава, где каждая группа характеризуется своим перегонным временем хода. Для определения групп предлагается оценивать мощность подмножеств £> в различных границах для каждого перегона четного и нечетного направлений движения по участку относительно времен хода, определяя значимые подмножества 0 и их границы. Аналогично, для тех же перегонов предлагается определять подмножества / и их границы. Оценивая принадлежность отдельного поезда к той или иной группе £>т /, находится его перегонное время хода.

На втором этапе выполняется проверка возможности использования полученных перегонных времен хода для прогноза времени проследования поезда по участку. Проверка осуществляется с учетом примененных на участке систем интервального регулирования движения поездов (трех- и четырехзначная числовая кодовая автоматическая блокировка и др.). В основу проверки положена процедура покоординатного расчета проследования поездов по перегону.

Координату (м) поезда (/+1), движущегося вслед за поездом j, предложено определять по формуле:

Р0+1) = +

где 1<1

— координата г-го напольного светофора, определяемая по пикетажу; Кг°Ч1)- скорость движения поезда (/+1) по п-му блок-участку; г'п - время прохождения поездом] блок-участка п, вычисляемое как

4 = 0,06-^, ¥п

где 1п = - К1 - длина и-го блок-участка; ^(¡+1) - координата

следующего по ходу движения светофора (;+1); Уп' - скорость движения поезда у по «-му блок-участку.

Последовательно вычисляя координаты поезда (/+1) относительно поезда у, осуществляется контроль интервала между поездами на участке (рисунок 4). При выявлении нагонов и необходимости снижения скорости нагоняющего поезда делается вывод о невозможности применения перегонных времен хода, полученных на первом этапе, и выполняется их корректировка.

53580 55329 56990 58650 60300 62100 63920 65560 66913 69045

Координата, лл Расстояние, соответствующее трем свободным блок-участкам КЫ Расстояние, соответствующее двум свободным блок-участкам ЕНЗ Расстояние, соответствующее одному свободному блок-участку

Межпоездное расстояние ---Интервал между поездами

Рисунок 4 - Пример контроля интервала между поездами на участке Мга -Волховстрой Окт. ж. д.

На третьем этапе после проверки перегонных времен хода рассчитываются времена проследования поездов по участку (тпр), равные сумме времен хода по перегонам участка, затрат времени на замедление (тз£), разгон (Тр*) и стоянку (тСТ1) при приеме на станциях:

ьпр

П Ш ¡11 ¡и

£ + ^ + £ ТЫ + X Тр°

1=1 ¡=1 ¡=1 ¿=1

где п - количество перегонов на участке; гп - количество станции, преследуемых поездом.

Расчет времени проследования поезда по участку позволяет:

- вычислять время предполагаемой сдачи поезда на соседний участок;

- контролировать своевременность прибытия поезда на станцию смены локомотива и/или локомотивной бригады;

- определять необходимость корректировки приоритета пропуска поезда.

В таблице 1 показан пример сравнения результатов прогноза времени проследования грузового поезда по участку при использовании нормативных и прогнозных перегонных времен хода с фактическим проследованием поезда по участку Дно - Кеб Окт. ж. д.

Таблица 1. Пример результата прогноза времени проследования грузового поезда по участку

Перегонное время хода, Время проследования

мин поезда, мин Повышение точности прогноза, %

Перегоны Нормативное, Фактическое, Прогнозное, 1хп 1 Фактическое, ТцрФ Прогнозное Тпрн по нормативным 1х" Прогнозное Тпрп по полученным 1хп о. с н о к о. п и я я <и к о 5 <5 о. с (-> ё с о. с ь> и а аз и в о О

1 25 30 28

2 13 20 21

3 20 30 26

4 11 12 12 133 102 126 16 5 11

5 И 12 12

6 10 13 12

7 12 16 15

Как видно из таблицы 1, за счет уточнения перегонных времен хода достигнуто повышение точности прогнозирования времени проследования поезда по участку на 11% по сравнению с использованием для прогноза нормативных значений перегонных времен хода.

В четвертой главе осуществлена оценка экономической эффективности от внедрения предложений по повышению точности прогноза станций обгона и скрещения поездов, а также времени проследования поездов по участку. Проведенные в главе расчеты показали, что за счет реализации названных предложений может быть достигнуто значительное сокращение стоянок поездов при выполнении операций обгона и скрещения.

Использование предложенного метода для расчета варианта пропуска поездов по участку за сутки и сравнение его с исполненным на диспетчерском участке Старая Русса - Кеб Окт. ж. д. показало возможность сокращения простоя поездов на 2,5 ч (таблица 2). Это ведет к повышению средней участковой скорости на 1,5 % и позволяет достигнуть экономического эффекта порядка 2 млн. руб/год.

Таблица 2. Пример результата оценки экономической эффективности от внедрения предложенных мер по повышению точности прогнозирования пропуска поездов по участку

Количество поездов, пропущенных по участку за сутки Количество поездов с изменениями варианта пропуска за сутки Снижение простоя поездов при скрещении и обгоне, ч Повышение средней участковой скорости,% Экономический эффект, тыс. руб./год

75 11 2,5 1.5 -2 000

Проведенная в главе оценка срока окупаемости реализации функций учета и документирования данных о движении поездов в системе диспетчерской централизации показала, что срок окупаемости составляет менее одного года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

В диссертационной работе внесены и обоснованы предложения по повышению точности прогнозирования пропуска поездов по участку в ходе текущего планирования.

На основе проведенного исследования сделаны следующие выводы:

1. Основой текущего планирования пропуска поездов служит прогнозный график движения. Одна из проблем его построения заключается в недостаточной точности расчета станций обгона и скрещения поездов, а также низкой достоверности прогноза времени проследования поездов по участку.

2. Возможным решением проблемы является использование в расчетах вместо постоянных перегонных времен хода поездов -переменных значений этого параметра, обусловленных различиями веса, длины состава и условий пропуска.

3. Исследование показало, что для решения проблемы целесообразно ввести дополнительные приоритеты пропуска поездов, связанные с учетом времени явки и непрерывной работы локомотивной бригады, временем допустимого пробега локомотивов до очередного технического обслуживания (ремонта), степенью выполнения графика движения, значениями веса и длины состава поездов, возможностью их сдачи на соседний участок в расчетное время.

4. Разделение планируемых к пропуску поездов на группы по категориям с учетом веса, длины состава, типа локомотива, а также условий пропуска позволяет уточнить перегонные времена хода для прогноза времени проследования поездов по участку.

Получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод повышения точности прогнозирования пропуска поездов по участку, включающий:

- определение порядка пропуска поездов на основе предложенных дополнительных приоритетов;

- уточнение перегонных времен хода на основе оценки степени влияния на них веса и длины состава поездов, пропускаемых по участку;

- проверку возможности использования для прогноза полученных значений перегонных времен хода на основе процедуры покоординатного расчета проследования поездов по перегону с учетом примененной на перегоне системы интервального регулирования движением поездов;

- прогноз времени проследования поездов по участку.

2. Показано, что за счет реализации предложений по повышению точности прогноза станций обгона и скрещения, а также времени проследования поездов по участку может быть достигнуто значительное сокращение стоянок поездов при выполнении операций обгона и скрещения, что приводит к повышению участковой скорости.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных изданиях:

1. Васильев, А. Б. Разработка алгоритма поддержки принятия решений поездного диспетчера при организации движения поездов / А. Б. Васильев, А. Г. Котенко, В. В. Прокофьева // Вестник транспорта Поволжья. -2014.-№1 (43). - С. 52-56.

2. Васильев, А. Б. Математическая модель действий поездного диспетчера при регулировании движения поездов / А. П. Бадецкий, А. Б. Васильев, А. В. Решина, Д. С. Румянцев // Вестник транспорта Поволжья. -2014.-№4(46).-С. 81-86.

3. Васильев, А. Б. Влияние систем интервального регулирования движением поездов на межпоездной и станционные интервалы / А. Б. Васильев // Вестник транспорта Поволжья. - 2014. - №4 (46). - С. 86-96.

4. Васильев, А. Б. Алгоритмизация решений поездного диспетчера по выбору станции обгона поездов на однопутном участке / И. М. Кокурин, А. Б. Васильев // Вестник транспорта Поволжья. - 2015 - №1 (49). - С. 64-73.

5. Васильев, А. Б. Алгоритмизация решений поездного диспетчера по выбору станции скрещения поездов / И. М. Кокурин, А. Б. Васильев // Известия ПГУПС. - 2015. -№2 - С. 47-55.

Другие публикации:

1. Васильев, А. Б. Метод алгоритмизации принятия решений поездным диспетчером по управлению движением поездов / А. Б. Васильев // • Материалы международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы 2014», 1-2 октября 2014 г с 195-200.

2. Васильев, А. Б. Автоматизация информационной поддержки принятия решений поездным диспетчером при организации движения поездов / И. М. Кокурин, А. Б. Васильев // Автоматика на транспорте. - 2015 -Том 1. -№2. - С. 156-167.

3. Васильев, А. Б. Формализация решений поездного диспетчера по организации движения поездов на однопутном участке по диспетчерскому расписанию / И. М. Кокурин, А. Б. Васильев // Материалы V международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс-2015», СПб.- ПГУПС 2015 г, с. 207-213.

Подписано к печати 09.10.2015 г. Печ.л.-1,0

Печать-ризография Бумага для множит, апп. Формат 60*84 1/16

Тираж 100 экз. _Заказ 902.

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