автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Автоматизация сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги

На правах рукописи

Сурин Александр Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СКВОЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОПЕРАТИВНОГО СМЕННО-СУТОЧНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЕЗДООБРАЗОВАНИЯ И ПОЕЗДНОЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Специальность 05.02.22 - Организация производства (транспорт)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Екатеринбург - 2013 005542941

005542941

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательно учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственны" университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС).

Научный руководитель - Александров Александр Эрнстович, докто

Официальные оппоненты:

Бородин Андрей Федорович — доктор технических наук, профессор ОАО «НИИАС», руководитель Научно-технического комплекса по управленш перевозками.

Брусянин Дмитрий Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, ФГБО' ВПО УрГУПС, доцент кафедры «Путь и железнодорожное строительство».

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетно образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирски государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО СГУПС).

Защита состоится 24 декабря 2013 года в 10 часов в ауд. Б2-1 на заседании диссертационного совета Д 218.013.02 при Уральском государственно; университете путей сообщения по адресу: 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета или в сет Интернет на сайте www.usurt.ru.

Автореферат разослан 22 ноября 2013 года.

Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять в адрес диссертационного совета по почте.

технических наук, профессор.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н. Ф. Сирин;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время структура управления перевозками на железнодорожном транспорте оснащена комплексом автоматизированных управляющих систем. Эти системы достаточно хорошо выполняют функцию информационно-справочной поддержки в принятии решений управленческим персоналом. В то же время процесс решения задач прогнозирования, планирования, принятия оперативных решений в управлении перевозками во многом сохраняет черты ручных технологий. Оперативное планирование поездообразования и поездной работы железной дороги производится по сквозным технологиям, определяющим взаимодействие всех уровней управления эксплуатационной работой при использовании единых информационных баз. Современный уровень достоверности поездной и вагонной моделей позволяет детально оценивать и прогнозировать варианты поездообразования и текущего управления вагонопотоками для станций, узлов и полигонов. Но воспользоваться этими преимуществами информатизации диспетчерский аппарат железных дорог не может. Невозможно без автоматизации расчетов, то есть на листе бумаги, выполнить необходимый расчет рационального варианта плана работы для крупных сортировочных станций, регионов управления и железной дороги в целом. Поэтому данный вид планирования выполняется в упрощенном варианте, без достаточного учета сложного процесса взаимодействия структуры и технологии работы станций, узлов и участков железной дороги. При этом диспетчерский персонал, отвлекаясь от оперативного регулирования перевозок, в течение нескольких часов планирует работу и, в конечном итоге, принимает решения зачастую интуитивно.

Таким образом, разработка моделей и методик, позволяющих автоматизировать сквозную технологию оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги, является актуальной темой диссертационных исследований.

Степень разработанности. Вопросам повышения эффективности управления и автоматизации работы железнодорожных полигонов, участков, технических станций посвящены работы российских и зарубежных ученых. Однако в сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы нужный уровень автоматизации не был достигнут.

Целью диссертационной работы является автоматизация сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги для ее дальнейшего совершенствования.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- выполнить системный анализ сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования работы железной дороги;

— разработать имитационную модель поездной работы железной дороги как основу для автоматизации расчетов оперативного плана работы железной дороги;

— разработать методику построения имитационных моделей поездообразования для технических станций железной дороги и модели продвижения поездов по участкам;

— разработать методику выполнения взаимосвязанных расчетов на имитационных моделях поездообразования и поездной работы для оперативного сменно-суточного планирования;

— разработать автоматизированную сквозную технологию оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.

Объектом исследования является технология работы регионального центра диспетчерского управления дирекции управления движением ОАО «Российские железные дороги».

Предметом исследования является организационно-техническая структура и сквозная технология оперативного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой являлись исследование операций, теория множеств, теория моделирования сложных систем и теория вероятностей, фундаментальные положения теорий функционального и имитационного моделирования, а также труды известных российских ученых в области организации производства на транспорте.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— выполнен системный анализ сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования работы железной дороги с использованием методологии ГОЕБО, позволивший выявить узкие места технологии, определить функции, требующие автоматизации, и виды моделей для реализации этих функций;

— разработана имитационная модель поездной работы железной дороги, адекватно учитывающая пропускную способность участков и технических станций, а также время хода поездов по участкам;

— предложена методика построения имитационных моделей поездообразования технических станций железной дороги и моделей продвижения поездов по участкам, позволяющая формировать расчетные имитационные модели работы сортировочных станций и продвижения поездов по участкам на период до 48 ч.;

— разработана методика выполнения на имитационных моделях взаимосвязанных расчетов поездообразования и поездной работы на железнодорожном полигоне, позволяющая осуществлять оперативное сменно-суточное планирование работы железной дороги;

— создана автоматизированная сквозная технология оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги, основанная на автоматизации наиболее сложных интеллектуальных функций

прогнозирования и планирования с применением имитационных компьютерных моделей.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость исследования состоит в разработке математических моделей и алгоритмов, позволяющих разрабатывать методики автоматизированного оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы.

Практическая значимость исследования состоит в следующем: на основе разработанных математических моделей, предложенных методик и алгоритмов становится возможным автоматизировать процесс сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы. Это позволяет вырабатывать научно обоснованные управленческие решения.

Достоверность результатов. Достоверность результатов подтверждается использованием фундаментальных положений теории систем, теории логистики, методов теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания. Достоверность научных выводов диссертации подтверждается применением основных результатов исследования в технологическом процессе работы регионального центра управления перевозками Свердловской дирекции управления движением.

На защиту выносятся:

- результаты системного анализа сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги;

- имитационная модель поездной работы железной дороги;

- методика построения имитационных моделей поездообразования технических станций железной дороги и моделей продвижения поездов по участкам;

- методика выполнения взаимосвязанных расчетов оперативного сменно-суточного плана поездообразования и поездной работы дороги на имитационных моделях;

- технология автоматизированного сквозного оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.

Апробация работы. Основные положения доложены и получили одобрение на X Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбургский государственный университет, г. Оренбург, 2011 г.), на ежегодных научно-технических конференциях «Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура» (Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург, 2009-2012 гг.), заседаниях и научных семинарах кафедры «Управление эксплуатационной работой» УрГУПС (г. Екатеринбург, 20092013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять работ, из них три - из перечня изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 150 наименования. Общий объем диссертации составляет 188 страниц, в том числе 76 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается обоснование актуальности проблемы, формулируется цель и задачи исследования.

В первой главе по литературным источникам выполнен анализ методов формирования прогнозов и расчета планов работы сортировочной станции и железнодорожного полигона в целом. Выполнен системный анализ существующей сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования работы железной дороги с применением функционального моделирования на основе методологии IDEF0. Выбраны методы и модели для проведения исследования.

В своих исследованиях автор опирался: в области организации работы транспорта - на труды ученых В. М. Акулиничева, В. И. Апатцева, А. П. Батурина, А. Ф. Бородина, Ю. В. Дьякова, Ю. И. Ефименко, П. А. Козлова, Л. С. Крохина, В. А. Кудрявцева, П. В. Куренкова, В. Я. Негрея, В. Н. Образцова, А. Т. Осьминина, Ю. О. Пазойского, В. А. Персианова, А. П. Петрова, Н. В. Правдина, С. М. Резера, И. Б. Сотникова, Е. А. Сотникова, Е. М. Тишкина, А. К. Угрюмова, Н. С. Ускова, H. Н. Шабалина, В. А. Шарова, М. И. Шмулевича; в области методов моделирования - на труды А. Э. Александрова, Н. П. Бусленко, В. Н. Буркова, О. В. Евсеева, H. Н. Моисеева, В. Ю. Пермикина, Д. А. Поспелова. Также использовались разработки ведущих научных организаций отрасли.

Важной частью управления и организации процесса перевозок на железной дороге является сквозная технология оперативного сменно-суточного планирования. Для эффективного планирования необходимо не только наличие своевременной и точной информации о нахождении вагонов, поездов, локомотивов на полигоне управления, но и обработка ее до уровня, достаточного для принятия рационального управляющего решения.

Системный анализ существующей технологии оперативного сменно-суточного планирования работы дороги позволил выявить ее недостатки. К ним относятся:

- отсутствие необходимой информации о поездах и вагонах в одной информационной системе;

- выбором информации о поездах и вагонах из разных источников и обработкой занимается диспетчерский персонал, и на это уходит значительная часть рабочего времени;

- расчет плана выполняется вручную на бумаге;

- в процессе планирования диспетчеры отвлекаются от оперативного регулирования перевозочного процесса;

- качество планирования зависит от опыта работника.

Таким образом, сквозное оперативное сменно-суточное планирование работы железной дороги в настоящее время во многом основывается на ручной технологии и требует автоматизации интеллектуальных прогнозных функций. Интеллектуальные функции планирования должны выполнять блоки АСУ, построенные на основе математических моделей двух типов. Это модели прогноза продвижения поездов по полигону дороги и участкам соседних дорог, которые требуются для реализации функций 1, 3, 4 и 5 диаграммы представленной на рисунке 1. Функцию блока 2 должны выполнять модели, позволяющие подробно отображать структуру и технологию работы сортировочных станций.

Очевидно, что для расчета прогноза поездообразования и поездной работы дороги

Рисунок 1 - ГОБО диаграмма функций прогноза поездообразования и продвижения поездов

необходим достаточно большой набор моделей конкретных объектов. Общая модель должна обеспечить взаимодействие частных моделей при проведении взаимоувязанной серии расчетов для получения прогноза работы всей дороги.

Для расчета продвижения поездов по участкам необходимо разработать имитационную модель, позволяющую учесть структуру станций и перегонов, входящих в состав участков, управление процессом продвижения поездов по участкам.

Вторая глава посвящена теоретическому описанию моделей прогноза поездообразования и поездной работы железной дороги.

В качестве инструмента моделирования работы сортировочных станций выбрана система ИСТРА.

Структура абстрактной модели строится таким образом, чтобы получить наиболее адекватное описание транспортных процессов и наиболее экономную реализацию на компьютере.

Элементом е X называется линейный дискретный полуавтомат, который определяют следующие параметры:

- состояние из пространства £),, (1) е £),;

- а={0,1,2,...,ё,},'еЗ>,2Ь={0,1,2,...};

- вход Д^+(/)еД0+;

- выход ДдГ(0 е &0[;

- линейная функция перехода в новое состояние

Элемент функционирует в дискретном времени. Переменная Г принимает значения из некоторого интервала, называемого расчетным периодом г = О, Г.

На множестве X задаются два непересекающихся подмножества: числовых элементов.А^с Хи логическихХлсХ,Х = Хч и ХЛ,ХЧПХЛ= 0.

Операция щ е N является элементарной моделью, входящей в абстрактную модель. Операция щ определяется на множестве элементов Л] с X и задает:

- ориентированный граф бу = (X},) связей на X/,

- закон движения г/в'¡) дискретной единицы потока во времени по графу С,;

- регулирование 1}^) потока на графе Оу

Закон движения потока г^О^ представляет собой последовательность моментов времени прохождения порции потока по графу — поступления емкости

на элемент хи и убытия - + г~). Параметр ^ задается также в исходной

информации. При этом моменты времени ^ связаны соотношением ^ = + , где ц — номер элементов в графе; т^*1'1 - время хода потока от (|л -1) -го элемента до ц -го элемента. Параметр Гу определяет и индекс (+) или (-) времени Л..

Регулирование £/у(<) максимизирует поток на графе

с одновременной минимизацией задержек внутри операции

I ЕЧм+Е ЕЧ(о->1шп.

хвеХ, 1=1, х)еХ1

Оператор управления /(0 объединяет элементарные модели в единую модель. Оператор /(У выполняет две функции:

- задает структуру на множестве графов б;, б = {С^};

- реализует управление в пространстве состояний Н абстрактной модели.

Таким образом, оператор управления строит из множества графов структуру

конкретной (идентифицированной, настроенной) модели.

При прогнозе поездной работы в процессе сменно-суточного планирования предсказать исходное поездное положение на момент начала периода расчета с высокой долей достоверности невозможно. Построение полностью корректного графика движения не даст достоверного результата по причине недостоверности исходных данных, имеющихся на момент выполнения расчета. Для прогноза в этом случае будет полезна модель, которая корректно отображает пропускную способность участка и время следования отдельных поездов по участку.

Имитационная модель поездной работы отвечает за прогноз движения поездов и включает множество участков Р = Рх + Рг + Рз + ••• + Рп- Каждый участок состоит из двух подмножеств: множества раздельных пунктов Р5 и множества перегонов Рш, их соединяющих = ■

Во множество станций Ps входят раздельные пункты, имеющие путевое развитие. Одна станция относится только к одному участку, за исключением участковых и сортировочных станций, которые являются границами смежных участков.

Входным потоком / для полигона являются поезда, поступающие на полигон по стыковым участковым станциям

/=/1 + /2 + /3+...+ /т.

Входной поток по каждому стыковому пункту можно разделить на составляющие - в зависимости от работы с ним на полигоне: транзитный поток 1Т и поток в разборку Iя на сортировочные станции полигона.

Выходной поток О для полигона - поезда, сдаваемые с полигона по стыковым станциям

о=ох+о2+о3+...+ от.

Выходной поток по каждому стыковому пункту можно разделить на составляющие — в зависимости от способа его зарождения на полигоне: транзитный поток О , поток сформированный на сортировочных станциях, и поток О , сформированный станциями погрузки и выгрузки маршрутов или на станциях концентрации подвижного состава.

Модель продвижения поездов М по железнодорожному полигону Р представляет собой объединение множеств согласованных моделей Рж движения поездов по участкам, входящим в состав полигона, моделей обработки поездов на участковых В™ и сортировочных ^ станциях, расположенных на маршруте движения поезда:

М-ГиР™ и/®.

Модели из множеств и .Р® строятся при помощи системы ИСТРА. Далее приведем описание модели движения поездов по участку Fw.

Входной поток для модели формируют выходные потоки моделей и ^ или данные из информационных систем. Элементом этого потока является поезд. Поезд

щ

как элемент входного потока для модели г порождает в ней цепочку операции движения его по участку.

Каждая из моделей представляет собой совокупность подмножества элементов полигона, относящихся к данному участку множества операций АТ, и оператора управления

В модели Р1¥ элементы отличаются от элементов системы ИСТРА. Элементы разделены на два типа: перегон и станция. Для этих элементов определяется максимальное количество поездов, которые на расчетном периоде могут находиться на станции или перегоне.

Операциями являются движение поезда между двумя соседними станциями и запланированная в расписании стоянка для обработки поезда. Операция движения поезда занимает соответствующие элементы (перегоны и станции) и имеет множество возможных длительностей выполнения (на проход, с разгоном, с замедлением, уменьшение времени хода по перегону на допустимое время нагона, увеличение времени хода по перегону на допустимое время замедления, с ограничением по скорости). В модели учитывается возможное изменение длительности выполнения операций с поездами по технологическим и техническим причинам.

Оператор Zi распознает ситуацию и выбирает длительность выполнения операции. Ситуация определяется на основе уже выполненных операций и по состоянию элементов - станций и перегонов. При выполнении операции определяется время ее поступления на обслуживание. Оно равняется времени поступления поезда на участок по данным из информационных систем, из моделей и Р® или времени окончания предыдущей операции для данного поезда в модели /гГ. Оператор управления корректирует время начала выполнения операции в модели В1*.

При расчете прогноза продвижения по полигону дороги модели станций и участков рассчитываются в последовательности, обеспечивающей поступление необходимых данных из одних моделей в другие. Так, например, вначале считаются подходы к участковым и сортировочным станциям на моделях Далее прогноз подходов, полученный на моделях г , используется в качестве исходных данных для расчета прогноза поездообразования в моделях и Р®. Прогноз поездообразования на второй итерации прогона моделей г дополняет их исходными данными и позволяет увеличить глубину прогноза. При этом потоки с одних сортировочных и участковых станций передаются на соседние через соединяющие их участки. Так формируются исходные данные для более глубокого прогноза на второй итерации прогона моделей

и Последовательность продолжает работать до завершения прогноза на заданном периоде оперативного планирования.

Третья глава посвящена разработке методики построения моделей и методики взаимосвязанного расчета прогноза поездообразования и поездной работы на примере реальной железной дороги. В качестве объекта исследования выбрана Свердловская железная дорога, имеющая разветвленную схему с достаточно высокой степенью загрузки. Интенсивность перевозок здесь превышает среднесетевую, в особенности по главному ходу. Поэтому принципы, выработанные на этом объекте исследования, будут универсальны и применимы для других железных дорог.

Расчет прогноза производится при помощи имитационных моделей для каждой из трех сортировочных станций главного хода дороги: Войновка, Екатеринбург-Сорт., Пермь-Сорт, и моделей продвижения поездов по участкам главного хода.

В методике определена вся необходимая информация для построения моделей, источники и способ ее получения.

Рассмотрим подробно важный фрагмент методики на примере одной из сетевых сортировочных станций. Построение имитационной модели станции Войновка осуществляется путем наполнения шаблона модели информацией о поездах и вагонах. Данные из информационных систем не обеспечивают их полноту.

В четном направлении перед станцией Войновка располагаются сортировочные станции Пермь-Сорт, и Екатеринбург-Сорт. В данных из информационных систем о подходе к станции Войновка отсутствуют поезда, которые могут быть сформированы станциями Пермь-Сорт, и Екатеринбург-Сорт, за текущие и последующие сутки. Таким образом, в качестве источников исходных данных необходимо использовать и результаты расчета прогноза поездообразования станций Пермь-Сорт, и Екатеринбург-Сорт.

В итоге в состав источников исходных данных для формирования модели станции Войновка входят:

- информационные системы как источник данных о начальной ситуации на станции Войновка и текущем поездном положении на примыкающих к ней участках на момент начала расчета;

- результаты расчета прогноза поездообразования станции Пермь-Сорт, как источник данных о поездах, отправляемых в направлении станции Войновка;

- результаты расчета прогноза поездообразования станции Екатеринбург-Сорт, как источник данных о поездах, отправляемых в направлении станции Войновка.

Поездопотоки, учитываемые в модели станции Войновка, представлены на рисунке 2.

Формирование модели продвижения поездов по участку включает в себя два этапа: создание общей структуры, которая не изменяется, и наполнение ее информацией о поездах, находящихся на подходе к участку и на самом участке.

Рисунок 2 - Исходные данные о поездопотоках для модели станции Войновка

Источниками информации для наполнения шаблона модели являются информационные системы. Данных для обеспечения информацией модели расчета прогноза поездной работы участка на предстоящие сутки в информационных системах недостаточно. По состоянию на текущее время информационные системы не могут обеспечить информацией о подходе поездов на период 48 ч. Свое влияние на наличие информации оказывает и специфика исследуемого объекта. Поезда могут быть обработаны на станциях Пермь-Сорт., Екатеринбург-Сорт., Войновка или некоторых из них. На этих станциях будут расформированы и сформированы поезда, которые изменят поездную обстановку на полигоне дороги. При расчете прогноза продвижения поездов необходимо учитывать влияние работы этих сортировочных станций. Учесть влияние возможно за счет получения исходных данных из результатов расчетов моделей поездообразования сортировочных станций дороги.

Для расчета прогноза поездообразования и поездной работы железной дороги на предстоящие сутки необходимо выполнить серию взаимосвязанных расчетов прогноза поездообразования станций Войновка, Екатеринбург-Сорт., Пермь-Сорт, с периодами расчетов 48 ч. и прогноза продвижения поездов по участкам между сортировочными и стыковыми станциями.

Расчет прогноза для станции Войновка выполняется в три шага. На первом выполняется расчет прогноза поездообразования станции Пермь-Сорт, (рисунок 3). Она

Войновка

Екатеринбург-Сорт.

Поезда на станции Пермь-Сорт.

Момент расчета

В пути В пути

77

11; 11 і 111 требуемый

ПРОГ

11.LU.JJ .1,1

(ЮЗА 11111.1.1-11

Период прогноза

I I П II II I ИНТЕРВАЛ

Рисунок 3 - Первый шаг расчета прогноза поездообразования для станции Войновка

самая дальняя от Войновки и оказывает влияние на подход поездов как к станции Войновка, так и к станции Екатеринбург-Сорт. На втором - выполняется расчет прогноза поездообразования станции Екатеринбург-Сорт, (рисунок 4). На третьем -выполняется расчет прогноза поездообразования станции Войновка (рисунок 5). Расчет прогноза продвижения поездов между сортировочными станциями выполняется на моделях продвижения поездов по этим участкам.

Для станций Екатеринбург-Сорт, и Пермь-Сорт, расчеты выполняются аналогичным образом. Завершающим шагом расчета прогноза поездообразования и поездной работы является расчет моделей продвижения поездов по участкам, примыкающим к стыковым станциям дороги. После выполнения расчета получаем прогноз поездообразования и поездной работы железной дороги на предстоящие сутки.

Результатами расчета прогноза являются:

- взаимосвязанный прогноз поездообразования сортировочных станций главного хода;

- прогноз размеров движения поездов по межрайонным стыковым пунктам по отчетным периодам (смена, сутки);

- прогноз размеров движения поездов по междорожным стыковым пунктам по отчетным периодам (смена, сутки).

На основе прогноза поездообразования и поездной работы на полигоне дороги формируется план работы железной дороги на следующие сутки. По плану определяется потребность в локомотивах и локомотивных бригадах для обеспечения перевозочного процесса на сутки вперед.

Рисунок 4 — Второй шаг расчета прогноза поездообразования для станции Войновка

Рисунок 5 - Третий шаг расчета прогноза поездообразования для станции Войновка

В четвертой главе представлена автоматизированная сквозная технология оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы дороги с использованием системы «Расчет прогноза сдачи поездов по стыкам» применительно к региональному центру управления перевозками Свердловской дирекции управления движением. В процессе опытной эксплуатации системы имитационные модели сортировочных станций и поездных участков прошли верификацию, которая позволила сделать вывод о том, что модели достаточно адекватно и полно отображают структуру и технологию работы объекта исследования. Методики построения моделей и проведения расчетов согласуются с общими отраслевыми инструкциями по оперативному планированию работы железной дороги и позволяют совершенствовать эту технологию за счет автоматизации интеллектуальной функции прогнозирования.

В процессе настройки имитационных моделей на объект исследования были продемонстрированы возможности гибкого учета вариантных технологий. Примерами могут служить отклонение поездов на обход для разгрузки железнодорожного узла, прием поездов в неспециализированную по направлению систему сортировочной станции.

В процессе разработки автоматизированной системы были решены вопросы информационного взаимодействия с используемыми в РЦУП АСУ и АРМ, разработан интерфейс пользователя, разработана новая организационно-техническая структура для реализации и использования автоматизированного прогноза (рисунок 6).

Для определения технологического эффекта от внедрения автоматизированной системы планирования проведены эксперименты по сравнению с результатами ручной технологии. Экспериментами был подтвержден существенный технологический эффект автоматизации, выраженный в уменьшении затрат времени и загрузки диспетчерского аппарата и увеличении точности прогнозирования и планирования. Для определения эффекта процесс расчета сдачи поездов по междорожным стыкам был разделен на действия, выполняемые диспетчерским аппаратом при расчете плана вручную. Проведена серия хрономегражных наблюдений для каждого действия и в целом для всего расчета, определены диапазоны затрачиваемого времени для двух способов расчета.

Рассчитывая план сдачи по стыкам вручную, без отвлечения на управление, диспетчер затрачивает от 70 до 90 мин. Автоматизация расчета плана позволила сократить это время до 15-20 мин. При этом автоматически рассчитываются и другие плановые показатели работы дороги. При выполнении этого же расчета с отвлечением на управление процессом перевозок диспетчер затрачивает на него до 2,5-3 часов.

Подход НЛ на прибывающие поезда, данные о ТО на станциях

БД АСУ станций

Поезда на станции, наличие составов на путях станции

НСИ станции назначения ПФ, специализация путей

АРМТЧ_

Локомотивные йригады:

Ф. И. О., табельный №, депо приписки, время _явки_

Уточнение подхода

Планирование

пропуска

Уточнение ситуации на станции

Уточнение и корректировка ипформаци^

ГИР

■ДНІІУ-

Согласование ^»чередност^

выполнения операций

Очередности ^ выполнения

депп

лсд

операций в

пп

Очередность выполнения операций в^

Пути станции, состояние обработки составов на станции

по

Уточнение и корректировка информации

депо

Дои

8 з а

г;

дои 3 о »

» о д\

Технология, моменты времени выполнения операций

Откорректированный подход поездов к станции

Уточненная ситуация по _станции_

Расчет прогноза поездообразования и формирование результатов

ДНЦ ДГПРУ Оперативное планирование отправления поездов с технических станций

ДНЦУ ДСЦ

Прогноз выполнения всех технологических операций на станции

ТЧД ТНЦ НРУ

Оперативные управляющие решения

по использованию поездных локомотивов и локомотивных бригад

ГИР

Сравнение результатов прогноза и фактической работы. Оперативный контроль выполнения прогноза

Рисунок 6 - Структурно-технологическая схема автоматизированной сквозной технологии оперативного сменно-суточного

планирования поездообразования и поездной работы дороги

Сравнение качества планирования выполнено путем определения среднесуточного отклонения количества сдаточных поездов по стыкам, рассчитанного вручную и с использованием автоматизированной системы, от количества фактически сданных поездов. В среднем отклонение по ручной технологии составило 23 поезда, или примерно 10 % от суммарного количества поездов, а ошибка в случае автоматизированной технологии составила 7 поездов, или примерно 3 %.

Таким образом, автоматизация сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования позволяет сократить время расчета плана более чем в три раза и увеличить точность планирования также более чем в три раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований получены результаты, представляющие собой совокупность актуальных научно-практических решений, направленных на совершенствование сквозной технологии оперативного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги за счет автоматизации.

1. Системный анализ сквозной технологии сменно-суточного планирования работы железной дороги, выполненный на основе методологии функционального моделирования ШЕБО, позволил определить «узкие места» исследуемой технологии. Ими оказались интеллектуальные функции прогнозирования и планирования поездообразования и поездной работы, которые выполнялись в основном по ручной технологии, отвлекали диспетчерский аппарат от текущего оперативного руководства и не использовали возможные резервы повышения точности расчетов за счет применения математических компьютерных моделей.

2. По результатам системного анализа поставлена цель ликвидировать «узкие места» за счет автоматизации проблемных функций с использованием имитационных компьютерных моделей. Для этого был сделан выбор имитационной системы ИСТРА для построения моделей сортировочных станций и разработана новая имитационная модель движения поездов по участкам железной дороги, адекватно отображающая пропускную способность и время движения поездов.

3. Разработаны методика построения имитационных моделей сортировочных станций и движения поездов по участкам и методика проведения расчетов. Указанные методики верифицированы на примерах сетевых сортировочных станций Пермь-Сорт., Екатеринбург-Сорт., Войновка и участков, примыкающих к этим станциям. В результате исследований установлено, что появляется возможность учесть следующие элементы вариантных технологий: прием поездов в противоположные по назначению системы сортировочных станций; отклонение на Южный обход Екатеринбургского железнодорожного узла; выбор междорожного стыкового пункта в зависимости от наличия порожних и груженых вагонов в составе сдаточного поезда; выбор междорожного стыкового пункта в зависимости от времени сдачи поезда.

4. В диссертационной работе для внедрения предложенных разработок по автоматизированной сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования решены вопросы информационного взаимодействия с используемыми в РЦУП АСУ и АРМ. В частности, разработан интерфейс пользователя, разработана новая организационно-техническая структура для реализации и использования автоматизированного прогнозирования и планирования.

5. Определен технологический эффект от внедрения автоматизированного прогнозирования и планирования на основе более чем 30 экспериментов, в которых планирование выполнялось ручным способом и на основе автоматизации. При расчете плана вручную, с отвлечением на управление процессом перевозок, диспетчер затрачивает на планирование до 2,5-3 часов. Автоматизация расчета плана позволила сократить это время до 15-20 минут и увеличить точность расчета в три раза.

6. Для увеличения эффективности оперативного планирования предлагается на всех железных дорогах сети использование предложенной в диссертации и апробированной на Свердловской железной дороге автоматизированной системы сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: По перечню ВАК:

1. Сурин А. В. Системный анализ сквозной технологии оперативного планирования поездообразования и поездной работы / А. Э. Александров, А. В. Сурин // Транспорт Урала. - 2011. - № 4 (31). - С. 63-66.

2. Сурин А. В. Имитационные модели и их взаимодействие в автоматизированной сквозной технологии оперативного планирования поездообразования и поездной работы / А. Э. Александров, А. В. Сурин // Транспорт Урала. - 2012. - № 3 (34). -С. 54-57.

3. Сурин А. В. Функциональный анализ оперативного планирования поездообразования и поездной работы // Транспорт: наука, техника и управление. -2012,-№9.-С. 61-65.

В других рецензируемых изданиях:

4. Сурин A.B. Автоматизация сквозной технологии оперативного планирования поездообразования и поездной работы / А.Э. Александров, A.B. Сурин // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения, 2013. №3. С. 50-59. В сборниках научных трудов:

5. Сурин А. В., Кабанов А. В. Развитие системы прогноза поездообразования на полигоне дороги в части стыковки с АСУТ / А. В. Сурин, А. В. Кабанов // Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития : материалы Всероссийской научно-технической конференции, поев. 130-летию Сверд. ж. д. -

Екатеринбург : УрГУПС, 2008. - С. 93-94.

6. Сурин А. В. Требования к прогнозному графику при организации движения длинносоставных и сдвоенных поездов / А. В. Шипулин, А. В. Сурин // Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития : материалы Всероссийской научно-технической конференции, поев. 130-летию Сверд. ж. д. -Екатеринбург : УрГУПС, 2008. - С. 116-117.

7. Сурин А. В. Анализ составления оперативного плана поездной работы дороги / А. В. Шипулин, А. В. Сурин // Прогрессивные технологии в транспортных системах : сб. ст. X Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. проф. Щурина К. В. -Оренбург : Оренбург, гос ун-т. ; ООО «Руссервис», 2011. - С. 298-303.

8. Сурин А. В. Функциональный анализ планирования сдачи поездов по стыковым пунктам с помощью IDEF-технологии // Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура : материалы научн.-техн. конф., поев. 55-летию УрГУПС. - Екатеринбург : УрГУПС, 2011. - Вып. 97 (180). - Т. 1. - С. 1036-1041.

9. Сурин А. В. Использование результатов прогноза движения поездов в системе поездообразования / А. В. Шипулин, А. В. Сурин // Прогрессивные технологии в транспортных системах : сб. ст. X Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. проф. Щурина К. В. - Оренбург : Оренбург, гос ун-т. ; ООО «Руссервис», 2011. - С. 395-398.

Сурин Александр Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СКВОЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОПЕРАТИВНОГО СМЕННО-СУТОЧНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЕЗДООБРАЗОВАНИЯ И ПОЕЗДНОЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

05.02.22 - Организация производства (транспорт)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19.11.13. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,16. Тираж 120 экз. Заказ 144

Издательство УрГУПС 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

(УрГУПС)

04201454362 На правах рукописи

Сурин Александр Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ СКВОЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОПЕРАТИВНОГО СМЕННО-СУТОЧНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЕЗДООБРАЗОВАНИЯ И ПОЕЗДНОЙ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Специальность 05.02.22 - Организация производства (транспорт)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор А.Э. АЛЕКСАНДРОВ

Екатеринбург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение...........................................................................................................5

Глава 1. Анализ существующего положения практики и теоретических исследований....................................................................................................11

1.1 Анализ теоретических исследований......................................................11

1.2 Анализ практики. Детализация проблемы..............................................19

1.3 Системный анализ сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.......................................................................................22

1.4 Выбор метода исследования....................................................................29

Выводы по главе 1............................................................................................36

Глава 2. Методы и модели ..............................................................................37

2.1 ИСТРА в модели поездообразования......................................................37

2.1.1. Элементы имитационной системы ИСТРА..........................................37

2.1.2. Отображение технологии работы станции...........................................40

2.1.3. Основные алгоритмы моделирования...................................................47

2.1.4. Формируемые результаты......................................................................54

2.2 Взаимодействие моделей сортировочных станций в системе сквозной технологии планирования поездообразования абстрактного полигона.............................................................................57

2.3 Модель продвижения поездов по участкам............................................63

2.3.1Элементы продвижения поезда по участку............................................63

2.3.2 Отображение продвижения поезда по участку......................................67

Выводы по главе 2............................................................................................81

Глава 3. Методика построения моделей и расчетов оперативного плана

поездообразования и поездной работы железной дороги..............................82

3.1. Характеристика объекта исследования...................................................82

3.2 Методика построения имитационных моделей планирования

поездообразования...................................................................................84

3.2.1 Методика построения имитационной модели планирования поездообразования для станции Войновка...........................................85

3.2.2 Методика построения имитационной модели планирования поездообразования для станции Екатеринбург-Сорт...........................87

3.2.3 Методика построения имитационной модели планирования поездообразования для станции Войновка Пермь-Сорт......................89

3.2.4 Методика построения имитационной модели продвижения

поездов по участкам...............................................................................92

3.3 Методика расчетов оперативного плана поездообразования и

поездной работы главного хода железной дороги.................................97

3.3.1 Методика расчета оперативного плана поездообразования

станции Войновка...................................................................................98

3.3.2 Методика расчета оперативного плана поездообразования

станции Екатеринбург-Сорт...................................................................102

3.3.3 Методика расчета оперативного плана поездообразования

станции Пермь-Сорт..............................................................................107

Выводы по главе 3............................................................................................114

Глава 4. Совершенствование сквозной технологии оперативного планирования железной дороги на основе автоматизации прогноза поездообразования и продвижения поездов...................................................115

4.1 Организационно-техническая структура автоматизированной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы дороги.......................................115

4.1.1 Задачи диспетчерского аппарата Регионального

центра управления перевозками...........................................................115

4.1.2 Организационно-техническая структура..............................................119

4.2 Автоматизированная сквозная технология оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы на примере Свердловской железной дороги................................................126

4.2.1 Информация о подходе поездов и вагонов............................................126

4.2.2 Регламент оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы дороги.....................................128

4.2.3 Учет вариантов поездообразования и поездной работы.......................129

4.2.4 Автоматизация сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования

и поездной работы..................................................................................135

4.3 Эффект автоматизации сквозной технологии сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной

дороги.........................................................................................................159

Выводы по главе 4............................................................................................171

Заключение.......................................................................................................172

Литература........................................................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы сеть железных дорог России живет в процессе реформирования системы оперативного управления перевозочным процессом. Развитие автоматизированных информационных систем создало предпосылки для концентрации диспетчерского управления поездной и грузовой работой. На железных дорогах созданы и успешно функционируют диспетчерские центры управления, запущен в промышленную эксплуатацию Центр управления перевозками ОАО «РЖД».

Структура управления перевозками, оснащенная комплексом автоматизированных информационно-справочных систем, позволяет существенно увеличить горизонты и глубину оперативного управления. Увеличилась протяженность диспетчерских кругов, удлиняются участки работы локомотивов и локомотивных бригад, гарантийные участки технического обслуживания и коммерческого осмотра составов поездов, повышается вес и длина формируемых поездов. Существующий уровень достоверности поездной и вагонной моделей позволяет точнее оценивать и прогнозировать варианты поездообразования и текущего управления вагонопотоками для станций, узлов и полигонов на основе характеристик поездов и вагонов.

Тем не менее, современный этап развития отрасли характеризуется значительным усложнением организации работы железных дорог и оперативного управления процессом перевозок. Ужесточаются требования клиентов по срокам доставки грузов и вагонов, усиливаются требования по соблюдению безопасности движения поездов, выполнению маневровой работе на станциях. Разделение вагонного парка по принадлежности стран СНГ и Балтии, передача вагонов инвентарного парка ОАО «РЖД» в собственность дочерним предприятиям, а также появление частных владельцев подвижного состава предъявляют особые требования к работе с

таким подвижным составом. Эти и многие другие причины требуют развития существующих, разработку и внедрение в практику новых методов управления, средств автоматизации и документального обеспечения.

Существующая система оперативного управления построена на ручном выполнении операций сбора и переработки исходной информации, выдачи приказов исполнителям. Контроль и анализ исполнения приказов выполняется с частичным использованием автоматизированных информационно-справочных систем. Принятие решения осуществляется по большей части интуитивно, опираясь на опыт работника. Ведение форм планирования осуществляется на бумаге. Таким же образом оперативное управление осуществляется большим количеством работников, как диспетчерского персонала, так и руководства подразделений железных дорог на всех уровнях управления.

В настоящее время структура управления перевозками на железнодорожном транспорте оснащена комплексом автоматизированных управляющих систем. Эти системы достаточно хорошо выполняют функцию информационно-справочной поддержки в принятии решений управленческим персоналом. В то же время процесс решения задач прогнозирования, планирования, принятия оперативных решений в управлении перевозками во многом сохраняет черты ручных технологий. Оперативное планирование поездообразования и поездной работы железной дороги производится по сквозным технологиям, определяющим взаимодействие всех уровней управления эксплуатационной работой при использовании единых информационных баз. Современный уровень достоверности поездной и вагонной моделей позволяет детально оценивать и прогнозировать варианты поездообразования и текущего управления вагонопотоками для станций, узлов и полигонов. Но воспользоваться этими преимуществами информатизации диспетчерский аппарат железных дорог не может. Невозможно без автоматизации расчетов, то есть на листе бумаги,

выполнить необходимый расчет рационального варианта плана работы для крупных сортировочных станций, регионов управления и железной дороги в целом. Поэтому данный вид планирования выполняется в упрощенном варианте без достаточного учета сложного процесса взаимодействия структуры и технологии работы станций, узлов и участков железной дороги. При этом диспетчерский персонал, отвлекаясь от оперативного регулирования перевозок, в течение нескольких часов планирует работу и, в конечном итоге, принимает решения зачастую интуитивно.

Таким образом, разработка моделей и методик, позволяющих автоматизировать сквозную технологию оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги, является актуальной темой диссертационных исследований.

Вопросам повышения эффективности управления и автоматизации работы железнодорожных полигонов, участков, технических станций посвящены работы российских и зарубежных ученых. Однако в сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования

поездообразования и поездной работы нужный уровень автоматизации не был достигнут.

Целью диссертационного исследования является автоматизация сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги для ее дальнейшего совершенствования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— выполнить системный анализ сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования работы железной дороги;

— разработать имитационную модель поездной работы железной дороги как основу для автоматизации расчетов оперативного плана работы железной дороги;

- разработать методику построения имитационных моделей поездообразования для технических станций железной дороги и модели продвижения поездов по участкам;

— разработать методику выполнения взаимосвязанных расчетов на имитационных моделях поездообразования и поездной работы для оперативного сменно-суточного планирования;

- разработать автоматизированную сквозную технологию оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.

Объектом исследования является технология работы регионального центра диспетчерского управления дирекции управления движением ОАО «Российские железные дороги».

Предметом исследования является организационно-техническая структура и сквозная технология оперативного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой являлись исследование операций, теория множеств, теория моделирования сложных систем и теория вероятностей, фундаментальные положения теорий функционального и имитационного моделирования, а также труды известных российских учёных в области организации производства на транспорте.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— выполнен системный анализ сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования работы железной дороги с использованием методологии ГОЕРО, позволивший выявить узкие места технологии, определить функции, требующие автоматизации, и виды моделей для реализации этих функций;

- разработана имитационная модель поездной работы железной дороги, адекватно учитывающая пропускную способность участков и технических станций, а также время хода поездов по участкам;

- предложена методика построения имитационных моделей поездообразования технических станций железной дороги и моделей продвижения поездов по участкам, позволяющая формировать расчетные имитационные модели работы сортировочных станций и продвижения поездов по участкам на период до 48 ч.;

- разработана методика выполнения на имитационных моделях взаимосвязанных расчетов поездообразования и поездной работы на железнодорожном полигоне, позволяющая осуществлять оперативное сменно-суточное планирование работы железной дороги;

- создана автоматизированная сквозная технология оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги, основанная на автоматизации наиболее сложных интеллектуальных функций прогнозирования и планирования с применением имитационных компьютерных моделей.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость исследования состоит в разработке математических моделей и алгоритмов, позволяющих разрабатывать методики автоматизированного оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы.

Практическая значимость исследования состоит в следующем: на основе разработанных математических моделей, предложенных методик и алгоритмов, становится возможным автоматизировать процесс сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования

поездообразования и поездной работы. Это позволяет вырабатывать научно-обоснованные управленческие решения.

Достоверность результатов. Достоверность результатов подтверждается использованием фундаментальных положений теории

систем, теории логистики, методов теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания. Достоверность научных выводов диссертации подтверждается применением основных результатов исследования в технологическом процессе работы регионального центра управления перевозками Свердловской дирекции управления движением.

На защиту выносится:

— результаты системного анализа сквозной технологии оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги;

— имитационная модель поездной работы железной дороги;

— методика построения имитационных моделей поездообразования технических станций железной дороги и моделей продвижения поездов по участкам;

— методика выполнения взаимосвязанных расчетов оперативного сменно-суточного плана поездообразования и поездной работы дороги на имитационных моделях;

— технология автоматизированного сквозного оперативного сменно-суточного планирования поездообразования и поездной работы железной дороги.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ПОЛОЖЕНИЯ ПРАКТИКИ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Анализ теоретических исследований

До настоящего времени планирование поездообразования на подавляющем большинстве станций сети осуществляется практически «вручную». Однако значительные объемы информации, которые необходимо обработать в сознании в течение крайне сжатых сроков, не позволяют рассчитывать на удовлетворительное качество «ручного» расчета. Достоверность результатов при таком подходе не превышает 30%.

Бурное развитие вычислительной техники во второй половине XX века послужило толчком к развитию теории и практики оперативного управления вагонопотоками и, в частности, текущего планирования работы на сортировочных и участковых станциях. Было разработано и предложено к рассмотрению немало методов планирования сортировочной работы станций и поездообразования.

Первый упрощенный метод расчета плана поездообразования -интервальный табличный метод - применительно к возможностям электронно-цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) «Урал-2» был предложен в отделении вычислительной техники ЦНИИ МПС в 1962 году Л.П. Тулуповым и В.А. Буяновым.

В Уральском отделении ЦНИИ МПС Н.Д. Иловайским был разработан метод двухступенчатого планирования очередности расформирования составов. На основе предложенного метода им был разработан алгоритм детализированного расчета плана поездообразования. Разработанный программный продукт, внедренный в опытную эксплуатацию на станции Пермь-Сорт., проявил повышенную чувствительность к точности прогноза прибытия поездов. �