автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Автоматизированное структурно-технологическое исследование железнодорожных станций

На правах рукописи

Колокольников Виталий Сергеевич

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.02.22 - Организация производства (транспорт)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005542983

Екатеринбург - 2013

005542983

Работа выполнена на кафедре «Управление эксплуатационной работой» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Пазойский Юрий Ошарович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Железнодорожные станции и узлы» Московского государственного университета путей сообщения;

Ппахотич Сергей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Станции, узлы и грузовая работа» Уральского государственного университета путей сообщения.

Ведущая организация - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»).

Защита состоится « 24 » « декабря » 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.013.02 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, аудитория

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения, на официальном \уеЬ-портале УрГУПС www.usurt.ru.

Автореферат разослан « 22 » « ноября » 2013 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес Диссертационного совета по почте.

УчеНЫЙ Секретарь ДИССерТа1™пннпгп гпиетя

Пермикин Вадим Юрьевич

Б2-15.

доктор технических наук

Сирина Нина Фридриховна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В соответствии со «Стратегией развития транспортной системы страны» предполагается интенсивное развитие транспортной инфраструктуры, в том числе увеличение мощности существующих и строительство новых железнодорожных станций. Перерабатывающая способность, уровень полного и полезного использования путей, сортировочных и грузовых устройств, а также время нахождения вагонов на станции могут в реальности существенно отличаться от предложенных в проекте. Оценка станции в проектных организациях осуществляется с использованием, как правило, стохастических аналитических и графоаналитических методов, которые в большинстве случаев не позволяют достоверно определить ее перерабатывающую способность.

Имитационное моделирование, применяемое при расчете станций, основано на не автоматизированном (то есть ручном) построении моделей. Поэтому крайне затруднительно, а порой и невозможно не только построить модель, но и адекватно описать сам организационно-технологический процесс. Как правило, такое описание составляет 500 - 700 тысяч строк текста на специализированном языке, что с одной стороны весьма трудоемко, а с другой зачастую субъективно (влияние человеческого фактора). Ошибки при проектировании (обосновании мощностей) крупных станций приводят к большим экономическим потерям не только на железнодорожном транспорте, но в экономике страны в целом.

Таким образом, для построения имитационных моделей таких сложных организационно-технических систем, которыми являются крупные станции, необходима научно-обоснованная имитационная система с автоматизированным построением имитационных моделей и анализом результатов.

Степень разработанности проблемы. Имитационному моделированию транспортных систем и в частности моделированию железнодорожных станций посвящено множество трудов ученых отрасли. Однако необходимо отметить, что наиболее разработанной на сегодняшний день является имитационная система ИСТРА, вобравшая в себя лучшие разработки в области имитационного моделирования. При этом в системе ИСТРА процессы автоматизации при имитационном моделировании нашли первое применение и развитие.

Исследования в представленной диссертации направлены на развитие автоматизированного построения имитационных моделей и анализа работы станций, обозначенных в системе ИСТРА.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - разработка имитационных моделей для автоматизированного структурно-технологического исследования железнодорожных станций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методов расчета железнодорожных станций;

- разработать принципы построения, структуру и функции автоматизированной имитационной системы для исследования железнодорожных станций;

- разработать технологию автоматизированного структурного, технологического и структурно-технологического анализа станций;

- разработать принципы и методику совершенствования технической структуры и технологии работы станций.

Объект исследования - имитационные модели транспортных систем.

Предмет исследования - автоматизированные имитационные модели железнодорожных станций.

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являлись теория вероятностей и теория моделирования сложных систем, фундаментальные положения теорий функционального и имитационного моделирования, теория планирования экспериментов, ситуационное управление, теория математической статистики, а также труды известных российских учёных в области организации производства на транспорте.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены принципы построения автоматизированных имитационных систем для исследования железнодорожных станций;

- разработаны принципиальная структура и функции имитационной системы для детального структурно-технологического исследования железнодорожных станций;

- разработана технология автоматизированного построения имитационных моделей и интеллектуальной обработки результатов;

- разработана методика совершенствования структуры и технологии работы станций с помощью имитационных систем.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке для целей исследования транспортных систем принципов построения автоматизированных имитационных систем, их структуры и функций, технологии автоматизированного построения моделей, интеллектуальной обработки результатов.

В теоретическом плане данная работа является развитием теории имитационного моделирования сложных железнодорожных транспортных систем.

Практическая значимость исследования состоит в следующем: на основе разработанных для целей исследования транспортных объектов принципов построения автоматизированных имитационных систем, их структуры и функций, технологии автоматизированного построения моделей, интеллектуальной обработки результатов становится возможным автоматизировать процесс имитационного моделирования станций, выполнять автоматизированное структурно-технологическое исследова-

4

ние железнодорожных станций, обосновать проектные решения развития транспортной инфраструктуры.

Практическая реализация результатов исследования подтвердила наличие технологического эффекта при совершенствовании работы железнодорожных станций. Ряд предложений диссертационной работы используется при разработке системы автоматизированного построения имитационных моделей железнодорожных станций и узлов ИСТРА-САПР.

Достоверность результатов подтверждается использованием при исследованиях и разработке имитационных моделей фундаментальных общепризнанных положений и теорий, а также сопоставлением результатов расчетов на моделях реальным объектам - железнодорожным станциям.

Достоверность научных выводов диссертации подтверждается применением основных результатов работы при использовании системы ИСТРА-САПР в проектных и научно-производственных организациях.

Положения, выносимые на защиту:

- принципы построения, структура и функции имитационных систем с автоматизированным построением моделей;

- методика целенаправленной интеллектуальной обработки результатов моделирования;

- технология структурно-технологического исследования станций с помощью автоматизированных имитационных систем;

- методика совершенствования структуры и технологии работы станций с помощью имитационных систем.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования доложены и одобрены на конференциях: «Молодые ученые - транспорту» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2009-2010); XIV Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г. Пенза, ПГСХА, 2010); X Международная научно-практическая конференция «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, ОГУ, 2011); Международная научно-практическая конференция «Инновации и исследования в транспортном комплексе» (г. Курган, КГУ, 2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты изложены в 8 печатных работах, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК. Статьи опубликованы в журналах «Транспорт Урала», «Инновационный транспорт», сборниках научных трудов УрГУПС и других вузов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержание изложено на 151 машинописной странице, в том числе включает 7 таблиц и 103 рисунка. Библиографический список содержит 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность проблемы и степень ее разработанности, цели и задачи исследования, научную новизну материала диссертации, теоретическую и практическую значимость результатов, методы исследования, положения, выносимые на защиту, достоверность и апробацию результатов.

В первой главе рассмотрены существующие методы расчета станций, выполнен анализ их достоинств и недостатков. Обосновано заключение, что имитационное моделирование является наиболее адекватным методом для всестороннего исследования станций.

Начало работ по имитационному моделированию положили профессора В. А. Персианов и Н. С. Усков. Научные основы этого направления и практика применения развиваются в последнее время в основном в научной школе профессора П. А. Козлова. Значительный вклад внесли ученые А. Э. Александров, И. П. Владимирская, И. В. Иванов, В. П. Козлова, В. Ю. Пермикин, Е. Н. Тимухина, А. Ю. Фрейберг.

На основании анализа предыдущих исследований и задач развития отрасли обоснована цель диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена разработке принципов построения, структуры и функций имитационных систем для автоматизированного структурно-технологического исследования станций.

Сильная структурная и функциональная связность на железнодорожном транспорте устанавливает сложные нелинейные зависимости между потоками и структурой, которые не поддаются исследованию ни одним методом, кроме имитационного моделирования. В имитационной модели не решается строгая математическая задача, поэтому здесь не присутствуют ограничения применяемого математического аппарата. Однако в этом случае появляются другие трудности. Опыт показывает, что полное подробное описание в модели крупной железнодорожной станции представляет собой массив из более чем 600 тысяч строк. Высокая трудоемкость и вероятное появление большого числа ошибок тормозили применение имитационного моделирования на железнодорожном транспорте. Только автоматизация процессов построения модели и работы с ней может расширить применение имитационного моделирования. Для выведения закономерностей структурно-технологического исследования железнодорожных станций используется имитационная система ИСТРА, как наиболее развитая и в которой процессы автоматизации нашли максимальное развитие. Имитационная система должна иметь не только подсистему собственно имитации (которая существует в настоящее время), но и подсистемы автоматизации процесса построения модели и работы с нею (рисунок 1).

ИСТРА-

(ИСТРА |

ИСТРА-З

Ф

Рисунок 1 - Структура имитационной системы ИСТРА

Подсистема автоматизированного построения модели должна выполнять основную часть этой работы, освобождая человека. Функции подсистемы довольно сложные. Здесь не только отображение схемы путевого развития и технологического процесса, но и, что не менее важно, - описание диспетчерского управления. И, естественно, должен быть развитый сервис для отладки модели и проведения экспериментов. Поэтому подсистема должна иметь соответствующие структурные блоки (рисунок 2).

Во-первых, необходим блок «Дизайнер», который позволяет в автоматизированном режиме выстраивать компьютерные версии схемы путевого развития и технологического процесса. Блок «Мультипликатор» должен автоматически находить все варианты выполнения операций и записывать параметры всех участвующих элементов. Блок «Советник» накапливает опыт работы с моделями и дает необходимые рекомендации неопытному пользователю (например, как отображать сложные технологии и управляющую деятельность диспетчера). Электронный справочник должен содержать обширные сведения о параметрах станций, различных технологических процессах, нормативном времени выполнения различных операций и т.п. Блок «Контролёр» должен определять ошибки пользователя при построении технологии и проверять правильность построения модели.

Подсистема имитации должна осуществлять собственно моделирование и накапливать результаты. Она формирует динамическую очередь заявок на выполнение операции с учетом времени поступления и приоритетов, имитирует выполнение очередной операции с выбором наилучшего варианта, фиксирует занятость стрелок, путей, локомотивов, бригад, грузовых фронтов. В конце работы подсистема формирует исходный массив результатов для последующей обработки.

Дизайнер |

1 и К Мультипликатор ||

Советник

Электронный справочник

Контролёр

Претранслятор

Рисунок 2 - Структура подсистемы автоматизированного построения моделей

Имитационная система должна иметь подсистему интеллектуальной обработки результатов. Для крупной станции объем результатов весьма значителен. Цели исследования могут отличаться, поэтому результаты должны быть обработаны и упорядочены по-разному. Оценка пропускной и перерабатывающей способности станции, совершенствование проектируемой схемы, выбор места размещения грузовых фронтов, определение рационального числа локомотивов - всё это различные задачи, для которых требуемая обработка результатов будет отличаться. Подсистема обработки должна предоставлять такую возможность. Важным аспектом является не только набор результатов, но и удобная форма представления, в том числе для формирования отчетов.

Схема станции представляется в виде связанных элементов модели. Стрелки автоматически объединяются в группы (элементы модели), если во всех передвижениях они занимаются одновременно (фактически или по враждебности).

Критерием группирования является минимальное количество элементов на схеме. Имеем следующие ограничения:

- все части схемы должны быть отражены в элементах:

РиЯиЬ = Е, (1)

где Р, Я, Ь - множества путей, перегонов и стрелок;

Е - множество элементов.

Конкретный г -тый путь, перегон, стрелка и элемент обозначим через р,, г:, I,, е: соответственно;

- все виды реально возможных передвижений должны быть возможны на схеме после разбиения:

V*!*=((4 (£). (/>,*))=> зМу =(к)> (4)' (<))' (2)

где (г/), (р?) - соответственно элементы множеств перегонов, стрелок, путей на схеме до разбиения;

(<•"), - элементы, отображающие перегоны, стрелки и пути на схеме

после разбиения;

х, у - передвижения соответственно на реальной схеме и на схеме в виде элементов;

- все одновременно происходящие передвижения должны быть возможны после разбиения:

где ((г/),(/;),(р')\ ((г/),(/;),(ргя))~ маршруты передвижений на реальной схеме;

((<*), (е*), ((е™),^), (е%")) - маршруты передвижений на схеме в виде элементов;

х,г - номера передвижений на реальной схеме;

\>,лу — номера передвижений на схеме в виде элементов;

- все виды одновременно невозможных передвижений должны быть невозможны на схеме:

=> о ' (4)

где ((г/)' )>(/>?)) -маршруты передвижений на реальной схеме;

((еГ)>(ер')>(еГ)}((еГ)'(е8Л')'(е<Г))_маРшРУТЬ1 передвижений на схеме в виде элементов;

х,г - номера передвижений на реальной схеме;

V, м/ — номера передвижений на схеме в виде элементов;

- все виды невозможных передвижений должны быть невозможны на схеме после разбиения:

Ч*=(М. ('№»=> =(4Ш <5>

где (г^),(_£>* ) - маршруты передвижений на реальной схеме;

(е?),(е£),(е?) - маршруты передвижений на схеме в виде элементов; х, у - номера передвижений на реальной схеме и на схеме в виде элементов.

Значительно сложнее набор действий при построении технологического процесса. Здесь выстраиваются логические цепочки из различных операций, на стыке операций могут быть разнообразные логические условия, в операциях необходимо задавать параметры и варианты выполнения. В диссертации приведены требования к имитационной системе в этой части и описан набор приемов, которые позволят авто-матизированно и удобно отображать в модели не только разнообразную технологию, но и управляющую деятельность диспетчера.

Общесистемная оценка станции

Обработка результатов ведётся следующим образом. Прибыло поездов на станцию р

Р4 = 11й(0,Аб{0,1}, (6)

«'„, "О

где /пр — множество операций приёма; Т - расчётный период;

рХО = 1, если в момент ( закончилась операция приёма; Д (0 = 0, в противоположном случае. Прибыло вагонов

е+ = Е2>,(0-Л<7,(0, (7)

/€/цр /=0

где А<7, (/) - число вагонов в составе прибытия.

Аналогично рассчитываются общесистемные параметры по отправлению Р~,

ОТ-

Среднее время нахождения вагона на станции тср рассчитывается в модели по формуле:

2-¿У (О

—г (0,1,2,...Г)мин, (8)

ср 60-(£Г+£П где - число вагонов на станции в момент

По типам поездов прибытие считается по времени

а =2>,(0- (9)

1=0

Для анализа работы парков подсчитываются показатели

?,*+ = Е£л*(0-?І*(0, (ю)

іє/пр/=0

где рЇ (?) - г-тая операция приёма в парк к.

<7Г=11>,*(0-<7,*(0- (П)

¡чЗ /=0

Простои в парках считаются аналогично простою на станции. Для более точного расчёта можно использовать учёт точного времени нахождения на станции каждого вагона.

Поэлементный анализ загрузки элементов станции Система должна выдавать полную и полезную загрузку путей, стрелок, локомотивов и других элементов станции в графическом виде, в таблицах и на схеме станции. Это удобно для исследователя. Загрузка стрелок т(

где ^ — множество операций, в которых используется г-тая стрелка;

уД?) е {0,1} - занята (уДО = 1) или свободна (у, (О = 0) г-тая стрелка ву'-той

операции по технологии.

Загрузка путей технологическими операциями рассчитывается аналогично. Однако путь может заниматься межоперационными простоями или вагонами в ожидании операции.

Занятость путей межоперационными задержками при выполнении технологических операций

т;=т~-т„ (13)

< = (14)

/еУ, /=0

где ос, е {ОД} - индекс занятости пути технологией и межоперационными простоями при выполнении операций.

Так как задержка осуществляется внутри технологической операции, рассчитать параметр т" нетрудно.

Занятость пути вагонами вне операций х можно рассчитать следующим образом.

(15)

(-0

где р,(0 е {0,1,2,...р(} - индекс занятости пути и внутри технологических операций, и без них вагонами.

= 0 - путь свободен, р,(0 > 0 - путь занят.

Автоматический подсчёт показателей

Система моделирования должна выполнять анализ результатов, чтобы можно было определить «узкие места» структуры и технологии с дополнительной детализацией. Суммарная задержка из-за занятости элемента по всем операциям, использующим этот элемент

de)

jejj 1=0

где 5 j(t) е {0,1} - индекс занятости некоторого элемента в у-той операции задержкой из-за занятости г'-того элемента.

Для определения «узких мест» структуры задержки располагаются в порядке не возрастания. «Узкие места» технологии определяются аналогичным образом. Суммарная задержка при выполненииу'-той операции

Ъ = ЕЕ5/М> (17)

ietj 1=0

где 5/(t) - занятость /-того элемента задержками при выполнении у'-той операции; 5/(0 е {ОД}.

Находятся «узкие места» в технологическом процессе, то есть операции, при выполнении которых межоперационные простои были наибольшими.

В третьей главе разработаны методические основы автоматизированного структурно-технологического исследования, интеллектуальной обработки результатов моделирования и совершенствования структуры и технологии работы железнодорожных станций.

Задачей структурно-технологического исследования является определение того, как и в какой мере взаимодействие структуры и технологии влияет на выходные параметры станции - пропускную и перерабатывающую способность, время нахождения вагонов, степень и характер использования технических средств.

Детальное структурно-технологическое исследование может быть только автоматизированным, то есть с использованием развитой имитационной системы. Во-первых, технология и структура находятся в тесном взаимодействии. И взаимодействие это характеризуется нелинейными, трудно предсказуемыми процессами. Во-вторых, только имитационная система может выдать такой объем целенаправленно упорядоченных результатов, по которым можно судить о гармоничности взаимодействия структуры и технологии и определить проблемные места в той и другой. Так что имитационная система должна являться законным «соавтором» исследования. Опыт показывает, что структурно-технологическое исследование должно иметь вполне определенные этапы (рисунок 3).

Рисунок 3 - Этапы структурно-технологического исследования

Построить технологию, гармонично адаптированную к структуре, задача для проектировщика совсем не простая. На примере системы ИСТРА можно увидеть, какие инструменты может иметь имитационная система для адаптивного совершенствования технологического процесса (рисунок 4).

Изменяя последовательность вариантов, можно перераспределить загрузку элементов структуры. При увеличении предельной задержки повышается вероятность выполнения операции, но при этом увеличивается занятость межоперационными простоями соответствующих путей. Приданием статических и динамических приоритетов операциям, гибким перераспределением локомотивов можно создать адаптивную технологию, которая увеличивает перерабатывающую способность станции.

Главное в структурном анализе - определить «узкие места» структуры, то есть элементы, вызывающие наибольшие задержки. И соотнести уровень задержек с уровнем загрузки устройств. Результаты должны быть представлены в удобной форме и в упорядоченных таблицах, и непосредственно на схеме станции.

Технологический анализ выявляет проблемные места технологии. Здесь «узкие места» технологии могут быть показаны и на схеме технологического процесса.

Структурно-технологический анализ ставит задачей детальный анализ структуры и технологии в их взаимодействии. Первым этапом необходимо показать, какими операциями и в какой степени занят тот или иной элемент структуры. Затем оценить, в каких операциях возникают основные задержки из-за этого элемента (рисунок 5). И потом выполнить обратную процедуру - поэлементный анализ задержек в каждой операции. Это также можно посмотреть и на схеме технологического процесса.

Структурный, технологический и в особенности структурно-технологический анализ позволят выполнять детальное исследование железнодорожных станций, что даст возможность выбирать наиболее эффективные решения по совершенствованию их структуры и технологии.

Рисунок 4 - Методы адаптации технологии к структуре в модели

Стр. 1. 3.7 "^10:5 61

...../-¡\ ' ~-V

Задержки из-за элемента Стр. 1,3.7 (10 \

Разбивать на подсистемы

Операция | Среднесуточная задер...

Перестановка состава 08:1 6 Перестановка состава (КМ) 01 :ЗЭ Расформирование (с маршрутами) 00:40 Полурейс локомотива резервом 00:20 Следование локомотива резервом 00:06 Перестановка состава на минимальн... 00:02

Детализация операций: ОБОЄ1 Изменить ОПЕРАЦИИ

** ' ' ......... . . . — .....

Рисунок 5 — Задержки в операциях из-за конкретного элемента

В диссертации предложены специальные методы совершенствования структуры и технологии работы станции. Для совершенствования технологии предлагается метод управления процессами по конечным ритмам (по требуемым ритмам поездооб-разования, ритмам обслуживания грузовых фронтов и т.п.). Конечные ритмы обеспечиваются технологическими цепочками, состоящими из последовательности нескольких технологических операций. То есть цепочки будут разной продолжительности. Рассчитать ритмы начала цепочек в зависимости от заданных конечных ритмов и ситуации и осуществляет встроенный метод оптимизации (рисунок 6).

Оптимизирующий блок

Оценка ситуации ^

И-МДС

Выбор решения

Информационные системы

('зад}

Корректирующие параметры

Рисунок 6 - Процесс построения оптимальной технологии

Для совершенствования структуры станции рекомендуется метод планирования направленных экспериментов - «имитационный спуск». Последовательность имитационных экспериментов позволяет выстроить рациональную структуру системы. Кратчайший путь - это устранение «узких мест» в структуре системы. Итак, процессом оптимизации будет движение по траектории от одного множества задержек к другому и, наконец, к оптимальному варианту. В этом случае модель строится так, чтобы оптимизируемый показатель был пропорционален (прямо или обратно) суммарной величине задержек

где а, - стоимость единичной задержки из-за элемента х};

ДХ(/(0 _ задержка в операции из-за элемента в момент

Стоимость задержки определяет тип выполняемой операции (число участвующих вагонов, тип локомотива, возможный ущерб производству и т.д.) Пусть на ¿-том шаге расчёта возникли задержки {Лт'}

Дт* = - суммарная задержка по операции Р1.

I

Сопоставим задержкам Дт* весовые коэффициенты а]. Преобразуем его в множество {а,Дт*} таким образом, что

(18)

I х.еЛ" Р^Р

I I )

В этом случае коэффициент а; является средневзвешенной по операциям стоимостью единичной задержки из-за элементах,. Очередной шаг (эксперимент) делается в направлении Аы с координатами = -(а.Лт^Дт^Дт',...).

Это означает, что изменение параметров модели выполняется таким образом, чтобы в следующем расчёте задержки предположительно уменьшились пропорционально их величине на предыдущем шаге с учётом удельной стоимости.

Итерации прекращаются, когда выполняется условие

(20)

I Р^Р х^Х

где Ат - допустимая суммарная задержка в модели, выбирается исследователем.

В каждой системе при заданных условиях существует такой уровень задержек, дальнейшее снижение которого практически невозможно. Это и будет считаться оптимумом. Весьма распространено мнение, что основные задержки вызывают наиболее загруженные элементы. То есть существует зависимость - чем больше занятость, тем больше задержек. Моделирование ряда станций показало, что это далеко не так. Структура и технология преобразовывают потоки так, что к одним элементам они подходят более равномерно, а к другим со сгущениями. Это можно продемонстрировать на примере моделируемой станции (рисунок 7). Наглядно видно, что никакой прямой зависимости не существует. Поэтому убеждение проектировщиков и технологов, что наиболее проблемными элементами структуры являются самые загруженные, расчетами не подтверждаются.

В четвертой главе приводятся результаты применения разработанных подходов в реальных проектах развития станций. Дана профессиональная оценка проектов и степень достижения поставленных целей.

Станция Курган Южно-Уральской железной дороги. Ставилась задача - определить основные структурные проблемы станции и оценить эффективность применяемых мероприятий.

Основными отрицательными факторами, негативно влияющими на работу станции и сдерживающими продвижение поездопотоков, являются (рисунок 8):

- несвоевременное обеспечение поездов локомотивами и бригадами;

- неприемы поездов соседними железными дорогами и станциями;

- несовершенство структуры горловин.

Для поездов в расформирование в существующей ситуации перерабатывающая способность практически исчерпана. При своевременном обеспечении поездов локомотивами и бригадами и отсутствии неприемов поездов другими станциями уровень межоперационных простоев на станции сократится более чем в три раза. Проверена эффективность укладки съездов и размещения стационарных установок для зарядки тормозной магистрали. Указанные мероприятия позволят существенно уменьшить уровень межоперационных простоев на станции.

Стрелки 60,64,68...

30

Стрелки 5,101 Стрелки 47,53 35 40

Стрелки 9,13,17... Стрелки 49,50,51

50

Рисунок 7 - Взаимосвязь загрузки стрелок и задержек из-за них

Суммарные задержки 427 часов

Ман. локомотивы парка "К"; 17,34

Сортировочные пути парка "К"; 66,97

Локомотивные бригады; 42

Неприем другими станциями; 32

Поездные локомотивы-128

Ман. локомотив парка "В"; 17,23 Стрелки четной

парка "В"; 9,87

Стрелки нечетной "орловины парка "В"; 9,19

Стрелки межпарковой горловины "3" - "П"; 7,83

Бригада сокращенного ОТ парк 3; 7,57

Элементы с задержками менее 5 часов; 76,4

Ман. локомотив "межпарковый"; 5,75

Стрелки четной

парка "3"; 7,04

Рисунок 8 - Причины технологических трудностей станции Курган

Заводская сортировочная станция Новолипецк. Станция обслуживает металлургический комбинат и предприятия промышленного района. В связи с развитием комбината увеличивается входной поток. Целью расчётов являлась проверка целесообразности развития станции для обработки возросшего поездопотока за счёт строи-

17

тельства в парке приема двух путей, а также определение параметров работы станции при этих условиях. На разработанной модели станции проводились направленные серии экспериментов:

- проверка адекватности модели существующей станции при работе в нынешних условиях;

- проверка возможности пропуска возрастающего потока без проведения дополнительных мероприятий по реконструкции и изменений в технологии;

- оценка работы реконструированной станции с возросшим поездопотоком при сохранении числа локомотивов и их увеличении.

При росте входного потока станция не успевает перерабатывать его. С дополнительно построенными двумя путями и при работе с шестью локомотивами станция может переработать поток, соответствующий перспективному.

Заводская сортировочная станция завода Енакиево. Основными ограничениями являются короткие пути и уклоны. Поэтому стрелки зачастую заняты вагонами, а маневры выполняются с двумя и даже с тремя локомотивами. Завод развивается. Здесь нужно было ответить на два вопроса: имеет ли станция резерв перерабатывающей способности и достаточно ли мощности реконструируемой станции для переработки возросшего потока.

Построена модель в двух вариантах. По первому - станция работает на пределе возможностей. Даже изменение в структуре потока может приводить к срывам. Выполнено полное исследование станции и выдана исчерпывающая структурно-технологическая характеристика.

Второй эксперимент исследования направлен на оценку перерабатывающей спосбности реконструируемой станции для освоения возросшего потока. Мощность реконструируемой станции достаточна. Для обеспечения перевозки возросшего потока потребуется добавление одного маневрового локомотива серии ТЭМ2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решены следующие задачи: предложены принципы построения автоматизированных имитационных систем для исследования железнодорожных станций, принципиальная структура и функции имитационной системы для структурно-технологического исследования станций, разработана технология автоматизированного построения имитационных моделей и интеллектуальной обработки результатов, разработана методика совершенствования структуры и технологии работы станций.

В том числе получены следующие результаты:

1. Автоматизированная имитационная система для структурно-технологического исследования должна включать в себя подсистемы автоматизиро-

ванного построения модели, имитации и интеллектуальной обработки результатов моделирования.

2. Автоматизированное структурно-технологическое исследование железнодорожных станций позволяет провести детальный анализ структуры и технологии работы; определить узкие места на станции, несоответствие технологии работы и структуры станции, что позволит выбирать наиболее эффективные решения по её совершенствованию.

3. Структурно-технологическая оптимизация транспортных систем (целенаправленная технология работы системы по конечным ритмам; методика выполнения расчетов по устранению узких мест) позволяет существенно улучшить использование путей, сократить межоперационные простои, улучшить работу локомотивов, терминалов и т.п. на станции.

4. Предложенная в работе автоматизированная имитационная система позволяет учитывать взаимное влияние элементов структуры станции между собой, а также влияние элементов структуры на технологию, задержки поездов и многое другое, что в результате может повысить перерабатывающую способность станций на 10 - 30 %.

Перспективы дальнейших исследований и внедрения:

1. Результаты работы могут быть использованы в проектных и научных транспортных организациях при разработке проектов новых или исследовании действующих железнодорожных станций; в учебных организациях при подготовке специалистов по транспортным специальностям.

2. Разработанные в диссертации принципы и методики использованы в системе имитационного моделирования ИСТРА-САПР, которая находит применение при разработке проектов развития железнодорожных станций в проектно-изыскательских организациях, в частности, в институте «Росжелдорпроект».

3. Дальнейшие исследования в области автоматизации построения имитационных систем могут быть направлены на взаимодействие систем имитационного моделирования с автоматизированными системами управления, применяемыми на транспорте.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

По перечню ВАК:

1. Колокольников В. С. Автоматизированное построение имитационных моделей крупных транспортных объектов / П. А. Козлов, В. Ю. Пермикин, В. С. Колокольников // Транспорт Урала. - 2013. -№ 2 (37). - С. 3-6. ISSN 1815-9400.

2. Колокольников В. С. Теоретические основы гибкого взаимодействия станций в узле / П. А. Козлов, В. С. Колокольников // Транспорт Урала. - 2013. - № 2 (37). - С. 28-32. ISSN 1815-9400.

В других изданиях:

3. Колокольников В. С. Имитационная экспертиза проектов развития сортировочных станций / И. А. Ковалев, В. С. Колокольников // Информационно-вычислительные технологии и их приложения: сб. статей XIV междун. науч.-техн. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2010. - С. 118-121.

4. Колокольников В. С. Повышение эффективности работы промышленных транспортных систем с использованием контактного графика / И. А. Ковалев, В. С. Колокольников // Общие вопросы транспорта. Моделирование и оптимизация в логистических транспортных системах: сб. науч. трудов / под науч. ред. Е. Н. Тимухиной, канд. техн. наук - Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2011. - С. 144-148.

5. Колокольников В. С. Оценка возможности развития путевой инфраструктуры промышленных предприятий // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сб. ст. десятой междун. науч.-практ. конф. / под ред. проф. К. В. Щурина - Оренбург: Оренбург, гос. ун-т.; ООО «Руссервис», 2011. - С. 164-166. ISBN 978-5-904627-15-7.

6. Колокольников В. С. Проблемы развития железнодорожных узлов на современном этапе / В. Ю. Пермикин, В. С. Колокольников // Молодой ученый. - 2012.

- № 11. - С. 73-75. ISSN 2072-0297.

7. Колокольников В. С. Активизация динамических резервов в транспортном узле за счет гибкого взаимодействия // Инновационный транспорт. - 2013. - №2.

- С. 67-70.

8. Колокольников В. С. Построение имитационных моделей в автоматизированных системах // Инновации и исследования в транспортном комплексе: материалы I междун. науч.-техн. конф. - Курган, 2013. - С. 333-336. ISBN 978-904064-082.

Колокольников Виталий Сергеевич Автоматизированное структурно-технологическое исследование железнодорожных станций 05.02.22 - Организация производства (транспорт)

Подписано к печати 19.11.2013 Формат 60 х 84 1/16 Объем 1,2 п.л. Заказ Тираж 120 экз.

Издательство УрГУПС 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи

04201453714

Колокольников Виталий Сергеевич

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.02.22 - Организация производства (транспорт)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент В.Ю. Пермикин

Екатеринбург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................8

Выводы к главе 1..........................................................................................................................................19

2 ПОСТРОЕНИЕ АППАРАТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................................20

2.1 Выбор метода исследования........................................................................................................20

2.2 Структура современной имитационной системы..................................................21

2.3 Блок «Дизайнер»..................................................................................................................................25

2.4 Блок «Мультипликатор»..............................................................................................................38

2.4.1 Построение маршрутов..............................................................................................................38

2.4.2 Моделирование времени занятия маршрута..........................................................41

2.5 Электронный справочник..............................................................................................................43

2.6 Блок «Контролёр»..............................................................................................................................45

2.7 Подсистема имитации....................................................................................................................47

Выводы к главе 2..........................................................................................................................................53

3 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОВЕДЕНИЯ СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................54

3.1 Общие положения................................................................................................................................54

3.2 Общая оценка станции....................................................................................................................56

3.3 Адаптация технологии к структуре......................................................................................59

3.3.1 Методы адаптации технологии..........................................................................................59

3.3.2 Изменение последовательности операций..............................................................59

3.3.3 Изменение последовательности вариантов выполнения

операции..............................................................................................................................................................................60

3.3.4 Изменение предельной задержки......................................................................................62

3.3.5 Изменение приоритетов..............................................................................................................62

3.3.6 Перераспределение локомотивов......................................................................................63

3.3.7 Введение операций с восстановлением......................................................................66

3.4 Организация структурно-технологического исследования..........................68

3.4.1 Структурный анализ....................................................................................................................68

3.4.2 Технологический анализ..........................................................................................................72

3.4.3 Структурно-технологический анализ..........................................................................74

3.5 Методы структурно-технологической оптимизации............................................77

3.5.1 Метод построения управляемой по конечным ритмам технологии........................................................................................................................................................................77

3.5.2 Оптимизация процесса совершенствования структуры................................82

3.5.3 Схема анализа взаимозависимости занятости и задержек..........................84

Выводы к главе 3..........................................................................................................................................86

4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИЧЕСКИХ

ОСНОВ ДЛЯ СТРУКТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

РЕАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ........................................................................................................................................................87

4.1 Железнодорожная станция Курган......................................................................................87

4.1.1 Техническая и технологическая характеристика станции........................87

4.1.2 Исследование железнодорожной станции Курган..............................................90

4.1.3 Оценка эффективности от изменений в технологии и инфраструктуре станции......................................................................................................................................100

4.1.4 Краткая оценка результатов структурно-технологического исследования..................................................................................................................................................................105

4.1.5 Сравнение расчетов пропускной способности станции Курган, выполненных с помощью программ ИСКРА-ППСС и ИСТРА-САПР......................106

4.2 Оценка проекта развития станции Новолипецк......................................................109

4.2.1 Техническая и технологическая характеристика станции........................109

4.2.2 Проведение расчётов и анализ результатов............................................................111

4.2.3 Оптимизация технологии работы станции с помощью метода И-МДС..................................................................................................................................................................120

4.3 Оценка проекта развития Енакиевского металлургического

завода..............................................................................................................................................................................................................................................123

4.3.1 Техническая и технологическая характеристика станций

Енакиево и Сортировочная................................................................................................................................123

4.3.2 Проведение расчётов и анализ результатов............................................................124

Выводы к главе 4..........................................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В соответствии со «Стратегией развития транспортной системы страны» предполагается интенсивное развитие транспортной инфраструктуры, в том числе увеличение мощности существующих и строительство новых железнодорожных станций. Перерабатывающая способность, уровень полного и полезного использования путей, сортировочных и грузовых устройств, а также время нахождения вагонов на станции могут в реальности существенно отличаться от предложенных в проекте. Оценка станции в проектных организациях осуществляется с использованием, как правило, стохастических аналитических и графоаналитических методов, которые в большинстве случаев не позволяют достоверно определить ее перерабатывающую способность.

Имитационное моделирование, применяемое при расчете станций, основано на не автоматизированном построении моделей. Поэтому крайне затруднительно, а порой и невозможно не только построить модель, но и адекватно описать сам организационно-технологический процесс. Как правило, такое описание составляет 500 - 700 тысяч строк текста на специализированном языке, что с одной стороны весьма трудоемко, а с другой зачастую субъективно. Ошибки при проектировании крупных станций приводят к большим экономическим потерям не только на железнодорожном транспорте, но в экономике страны в целом.

Таким образом, для построения имитационных моделей таких сложных организационно-технических систем, которыми являются крупные станции, необходима научно-обоснованная имитационная система с автоматизированным построением имитационных моделей и анализом результатов.

Степень разработанности проблемы. Имитационному моделированию транспортных систем и в частности моделированию железнодорожных станций посвящено множество трудов ученых отрасли. Наиболее разработанной на сегодняшний день является имитационная система ИСТРА, вобравшая в себя лучшие разработки в области имитационного моделирования. При этом в системе ИСТРА процессы автоматизации при имитационном моделировании нашли первое применение и развитие.

Исследования в представленной диссертации направлены на развитие автоматизированного построения имитационных моделей и анализа работы станций, обозначенных в системе ИСТРА.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - разработка имитационных моделей для автоматизированного структурно-технологического исследования железнодорожных станций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ методов расчета железнодорожных станций;

- разработать принципы построения, структуру и функции автоматизированной имитационной системы для исследования железнодорожных станций;

- разработать технологию автоматизированного структурного, технологического и структурно-технологического анализа станций;

- разработать принципы и методику совершенствования технической структуры и технологии работы станций.

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являлись теория вероятностей и теория моделирования сложных систем, фундаментальные положения теорий функционального и имитационного моделирования, теория планирования экспериментов, ситуационное управление, теория математической статистики, а также труды известных российских учёных в области организации производства на транспорте.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены принципы построения автоматизированных имитационных систем для исследования железнодорожных станций;

- разработаны принципиальная структура и функции имитационной системы для структурно-технологического исследования железнодорожных станций;

- разработана технология автоматизированного построения имитационных моделей и интеллектуальной обработки результатов;

- разработана методика совершенствования структуры и технологии работы станций с помощью имитационных систем.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке для целей исследования транспортных систем принципов построения автоматизированных имитационных систем, их структуры и функций, технологии автоматизированного построения моделей, интеллектуальной обработки результатов.

В теоретическом плане данная работа является развитием теории имитационного моделирования сложных железнодорожных транспортных систем.

Практическая значимость исследования состоит в следующем: на основе разработанных для целей исследования транспортных объектов принципов становится возможным автоматизировать процесс имитационного моделирования станций, выполнять автоматизированное структурно-технологическое исследование железнодорожных станций, обосновать проектные решения развития транспортной инфраструктуры. Практическая реализация результатов исследования подтвердила наличие технологического эффекта при совершенствовании работы железнодорожных станций.

Достоверность результатов подтверждается использованием при исследованиях и разработке имитационных моделей фундаментальных общепризнанных положений и теорий, а также сопоставлением результатов расчетов на моделях реальным объектам - железнодорожным станциям.

Достоверность научных выводов диссертации подтверждается применением основных результатов работы при использовании системы ИСТРА-САПР в проектных и научно-производственных организациях.

Положения, выносимые на защиту:

- принципы построения, структура и функции имитационных систем с автоматизированным построением моделей;

- методика целенаправленной интеллектуальной обработки результатов моделирования;

- технология структурно-технологического исследования станций с помощью автоматизированных имитационных систем;

- методика совершенствования структуры и технологии работы станций с помощью имитационных систем.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Железнодорожные станции как транспортные системы всегда трудно поддавались исследованиям и расчету в силу следующих особенностей: сложное путевое развитие и его влияние на технологию работы, непостоянство исходной информации, случайный характер взаимодействия с внешней средой, разные технологические особенности работы в разных ситуациях и т.д.

В транспортной науке можно выделить несколько этапов развития. На первом этапе вопросы эксплуатации и проектирования железных дорог рассматривались в трудах И. И. Васильева, А. В. Верховского, Б. Д. Воскресенского, Е. А. Гибшмана, С. Д. Карейши, В. Н. Образцова, В. А. Соковича, А. Н. Фролова [28}, [58], [59]. По мере развития транспортной системы на следующем этапе все большее внимание уделяется исследованию отдельных элементов и характеристик транспортных подсистем. Связанные с эксплуатацией железных дорог транспортные процессы рассмотрены в трудах В. М. Акулиничева, Ф. П. Кочнева, А. М. Макарочкина, В. Н. Образцова, А. И. Платонова, А. П. Петрова, В. В. Пово-роженко, Ф. Ф. Смехова, И. Б. Сотникова, Е. А. Сотникова, Л. П. Тулупова, А. К. Угрюмова, Н. И. Федотова, В. Г. Шубко и др. [3], [47], [49], [74], [79], [80], [89]. Проектирование железнодорожных станций и узлов отражено в работах П. В. Бартенева, С. П. Бузанова, С. В. Земблинова, С. Д. Карейша, Б. С. Козина, И. Т. Козлова, В. Д. Никитина, В. Н. Образцова, В. А. Персианова, К. Ю. Скалова, Н. К. Сологуба, Ф. И. Шаульского, Н. Р. Ющенко и др. [10], [60], [71].

Одновременно с транспортной наукой развивалась теории сложных систем и исследования операций, рассматривающие аспекты оптимизации сложных систем. Широкому применению математических методов в транспортной науке способствовали работы Н. П. Бусленко, Е. С. Вентцель, А. А. Воронова, В. М. Глуш-кова, Е. Г. Голыптейна, Л. В Канторовича, Н. Н. Моисеева, Л. С. Понтрягина, Д. Б. Юдина, Дж. Данцига, Ф. Вулфа, Р. Беллмана, Л. Р. Форда, Д. Р. Фалкерсона, Р. Акофа, М. Сасиени [1], [9], [13], [14], [17], [18], [19], [22], [27], [55], [67], [92].

Одна из наиболее общих классификаций методов исследования транспортных систем предложена в [5]. Классификация научных знаний об изучаемом объекте разделяет их на формализованные и частично формализованные. Формализованные знания — это строгие математические зависимости, составляющие основу аналитических и оптимизационных методов. Частично формализованные - набор полученных опытным (экспертным) путем знаний, которые невозможно свести к ряду четко выраженных критериев и ограничений. О простых системах формализованных знаний накоплено довольно много, хорошо известны законы, по которым ведут себя параметры системы. Исследования сложных транспортных систем показывают, что доля частично формализованных знаний о законах их функционирования пока значительно преобладает над формализованными.

По способам исследования все методы можно разделить на аналитические детерминированные и аналитические вероятностные, графо-аналитические, имитационное моделирование.

Аналитический детерминированный. В основе аналитических моделей находятся формализованные знания о транспортной системе. Аналитическая модель требует четкого, строгого представления о транспортных процессах, выделения важных параметров и установления количественных зависимостей между ними. Расчеты производятся по аналитическим формулам.

В работах первой половины прошлого столетия у многих авторов число путей в парках предлагалось определять по аналитическим формулам. Для «повышения» точности в формулы вносились коэффициенты, влияющие на потребное число путей, например, коэффициент взаимодействия станций и участков, определяемый весьма условно равным 2.

В [23] в формулах расчета пропускной способности станции предложено заменить время занятия пути поездом (по технологической норме) на время, представляющее собой промежуток от поступления одного поезда на путь до поступления на этот путь следующего поезда - для учета взаимосвязи работы станции и прилегающих участков.

Из зарубежных исследований можно отметить Г. Потгоффа [69], разрабатывавшего теорию расчета пропускной способности горловин в табличной форме.

В аналитических детерминированных моделях не отображается взаимодействие случайных процессов. Отображение неравномерности прибытия составов производится в виде некоторого коэффициента неравномерности - такой подход приводит к большим погрешностям. Следовательно, рекомендации моделей нельзя было непосредственно использовать на практике в количественном виде. Аналитическая модель, пишет В. М. Акулиничев, «требует значительного упрощения реальных процессов с вытекающими отсюда последствиями по достоверности результатов, а фактическое постоянное различие жизненных ситуаций ... ограничивает сферы эффективного применения аналитических способов» [2]. Аналитические модели служат больше для понимания взаимосвязи исследуемых процессов. В [92] говорится: «Для объяснения необходимо знать закон управления поведением модели, а его возможно «вычленять» лишь на достаточно простых аналитических моделях... Аналитические же модели, обладая объяснительной способнос