автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка методов и средств интерактивного моделирования асинхронных систем роспуска железнодорожных составов

Л л

О

Самарский Государственный аэрокосмический университет им. Академика С.П. Королева

На правах рукописи Павлов Андрей Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИНТЕРАКТИВНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ СИСТЕМ РОСПУСКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СОСТАВОВ

Специальность 05.13.16 — Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Кораблин М.А.

Самара - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................6

ВВЕДЕНИЕ................................................7

ГЛАВА1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РОСПУСКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СОСТАВОВ НА СОРТИРОВОЧНЫХ ГОРКАХ..................14

1.1. Технологический процесс роспуска железнодорожных составов.................................................14

1.2. Автоматизация технологического процесса роспуска на сортировочных горках................................. .17

1.3. Основные задачи роспуска составов на сортировочной горке . . ....................................................26

1.3.1. Управление маршрутами движения................27

1.3.2. Регулирование скорости надвига...................27

1.3.3. Регулирование скорости скатывания отцепов........30

1.4. Формализация процесса роспуска составов на сортировочной горке...............................................35

1.5. Методы исследования систем управления технологическим процессом роспуска...................................42

1.6. Имитационная технология исследования систем управления технологическим процессом роспуска....................44

Выводы и основные результаты..............................46

ГЛАВА2. ИМИТАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РОСПУСКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СОСТАВОВ НА СОРТИРОВОЧНЫХ ГОРКАХ.......49

2.1. Основные концепции объектно-ориентированного подхода . 51

2.1.1. Инкапсуляция...................................51

2.1.2. Наследование....................................54

2.1.3. Полиморфизм...................................57

2.2. Имитация систем с параллельно функционирующими и асинхронно взаимодействующими процессами................58

2.3. Определение и основные понятия сетей Петри............64

2.4. Методика представления СУ ТП РЖС....................62

2.5. Родовые классы.......................................63

2.5.1. Класс объектов "Object"...........................64

2.5.2. Класс объектов "StreamStorage".....................64

2.5.3. Класс объектов "Container"........................65

2.5.4. Класс объектов "Window".........................66

2.6. Слой управления.....................................67

2.6.1. Класс объектов "Фишка"..........................67

2.6.2. Класс объектов "Место"..........................68

2.6.3. Класс объектов "Переход".........................70

2.7. Слой элементов системы управления технологическим процессом роспуска железнодорожных составов................73

2.7.1. Классы объектов системы управления роспуском, наследуемые из класса "Фишка"........................73

2.7.2. Классы объектов системы управления роспуском, наследуемые из класса "Место"........................77

2.7.3. Классы объектов системы управления роспуском, наследуемые из класса "Переход"........................84

Выводы и основные результаты..............................87

ГЛАВА 3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ ИМИТАЦИОННОЙ СРЕДЫ....................90

3.1. Управление имитацией................................90

3.1.1. Пересчет времени................................92

3.1.2. Схема поведения динамических компонентов........93

3.2. Инструментальные средства имитации..................100

3.2.1. Редакторы......................................102

3.2.2. Система исполнения.............................105

Выводы и основные результаты.............................107

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ СУ ТП РЖС...............................109

4.1. Достоверность имитации..............................109

4.2. Оптимизация работы сортировочной горки...............110

4.2.1. Оптимальный надвиг состава.....................117

4.2.2. Оптимальное скатывание отцепов в стрелочной зоне 120

4.2.3. Оптимальное движение отцепов на сортировочных путях........................................... 122

4.3. Разработка индивидуальных рекомендаций по автоматизации управления сортировочной горкой......................124

4.3.1. Методика проведения имитационного эксперимента .124

4.3.2. Имитация свободного скатывания отцепа...........129

4.3.3. Имитация скатывания отцепов с управлением стрелками и скоростью надвига............................131

4.3.4. Имитация скатывания отцепов с управлением I и II тор-

мозными позициями.............................132

4.3.5. Имитация скатывания отцепов с управлением III тормозной позицией...................................134

Выводы и основные результаты.............................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............143

Работы автора по теме диссертации.......................143

Другие источники......................................144

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................164

Приложение 1. Спецификация классов предметной области

«Сети Петри».............................................165

Приложение 2. Спецификация классов ПО "Автоматизированная система управления технологическим процессом роспуска

железнодорожных составов"................................187

Приложение 3. Акты внедрения результатов диссертации.......210

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

АСУ ТП РЖС - автоматизированная система управления технологическим процессом роспуска железнодорожных составов

ПО - предметная область

ГАЦ - горочная автоматическая централизация

АЗСР - автоматическое задание скорости роспуска

АРС - автоматическое регулирование скорости

СУГС - система управления горочным светофором

ИСУ - измеритель скорости и ускорения

СУКС - схема управления-контроля стрелки

СКЗП - схема контроля занятости путей

СУЗ - схема управления замедлителем

АСУ СС - автоматизированная система управления сортировочной станцией

ГОЗУ - горочное оперативное запоминающее устройство

ТГЛ - телеуправление горочным локомотивом

РИС - радиолокационный измеритель скорости

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация систем управления, осуществляемая с целью повышения производительности, часто не приводит к желаемым результатам, и используемые автоматизированные системы управления, хотя и повышают по сравнению с ручным управлением эффективность функционирования объекта управления, не решают должным образом всех эксплуатационных задач, связанных с обеспечением высокой производительности и требуемой безопасности работы такого объекта. В этом случае повысить производительность и безопасность функционирования таких систем можно за счет использования полученных опытным путем управляющих воздействий, оптимизирующих управление требуемым объектом.

Ярким примером автоматизированных систем управления, требующих использования опытных управляющих воздействий, являются автоматизированные системы управления технологическим процессом роспуска железнодорожных составов (АСУ ТП РЖС). Внедрение этих систем позволило лучше использовать техническое оснащение сортировочных горок, увеличить их перерабатывающую способность, сократить межоперационные интервалы между роспусками составов, сократить объем работы по осаживанию вагонов на сортировочных путях и повысить культуру работы. Однако, имеющиеся в настоящее время АСУ ТП РЖС характеризуются невысокой точность задания и реализации регулирующих скоростей, высокими скоростями соударения отцепов на путях сортировочного парка, большими "окнами" между отцепами [А2,1,2,39,40]. Поэтому, для осуществления безопасного и эффективного роспуска необходимо, чтобы в процессе расформирования состава использовались бы такие скорости надвига и погашаемые на тормозных позициях энерге-

тические высоты, которые бы позволили на заданной сортировочной горке, для данной автоматизированной системы управления провести роспуск состава с оптимальной скоростью, с сохранением "окон", достаточных для разделения маршрутов отцепов, и обеспечением допустимых скоростей соударения отцепов с вагонами, стоящими на сортировочных путях.

Определение скоростей надвига и погашаемые на тормозных позициях энергетических высоты возможно лишь опытным путем. Проведение опытов с реальной сортировочной горкой опасно и экономически нецелесообразно, поэтому определение оптимальных скоростей надвига и погашаемых на тормозных позициях энергетических высот осуществляется путем моделирования систем управления роспуском на ЭВМ.

Система управления технологическим процессом роспуска (СУ ТП РЖС) — это сложная динамическая система реального времени, характеризующаяся непредсказуемостью воздействия на нее внешних факторов, статистической зависимостью параметров компонентов, параллельностью их функционирования и асинхронностью взаимодействия происходящих в ней процессов.

На сегодняшний день методологической основной анализа СУ ТП РЖС является имитационное моделирование с использованием дифференциальных уравнений скатывания отцепов [2, 11, 23, 24, 73, 74, 79, 119]. Программирования и отладка имитационной модели системы управления роспуском задача неординарная, требующая разработки гибкой компьютерной технологии, предоставляющей пользователю автоматизированные средства создания моделей, проведения экспериментов на этих моделях и анализа результатов, полученных в экспериментах. Попытки по созданию такой системы предпринимались научными коллективами под руководством В.Н. Иванченко, Ю.А. Мухи, В.А.

Буянова, Е.А. Сотникова, П.С. Грунтова, Г.А. Красовского. Однако, несмотря на значительные успехи в этом направлении в целом задача осталась нерешённой.

Следовательно, задача разработки гибкой открытой технологии исследования систем управления технологическим процессом роспуска железнодорожного состава на сортировочных горках, обеспечивающей создание, отладку и анализ моделей, не требующей от пользователя специальных знаний в области программирования и дающей возможность изучать и оптимизировать работу сортировочной горки, является актуальной.

Из всех известных на сегодняшний день декомпозиций: алгоритмической, потоковой и объектной, при реализации имитационной модели СУ ТП РЖС до сих пор применялась лишь алгоритмическая.

Учитывая же тот что, СУ ТП РЖС, как сложная система, имеет разлагаемую на составляющие иерархическую структуру, а это является главным фактором, позволяющим понять, описать и даже "увидеть" систему в целом и её подсистемы, в разрабатываемой компьютерной технологии исследования предлагается использовать объектную декомпозицию.

Объектно-ориентированная модель позволяет отразить статическую структуру СУ ТП РЖС и показать объекты, отношения между объектами, атрибуты и операции каждого класса объектов системы управления роспуском.

Кроме того, объектный подход, как средство описание предметных областей позволяет инкапсулировать в имитационную среду любые схемы поведения моделей, в частности, схему дискретно-событийного управления. Дискретно-событийное управление, в рамках которого функционирование системы во времени отождествляется с последовательностью событий, возникающих в

модели исследуемой системы в соответствии с закономерностями её функционирования, широко используется для программной имитации систем с параллельно функционирующими и асинхронно взаимодействующими процессами. Наиболее часто при этом используются сети Петри, систематическому изучению которых посвящены работы П. Штарке, В. Райзига, Дж. Питерсона, В.Е. Котова и ряда других ученых.

Для представления СУ ТП РЖС предлагается объединить сети Петри и объектную декомпозицию в единое интегрированное целое посредством инкапсуляции базовых понятий и управляющих элементов сетей Петри в иерархию классов объектов, определенных в предметной области роспуска железнодорожных составов. Определенное таким образом, управление моделью образует отдельный слой предметной области, который естественно вписывается в структуру пакета моделирования систем роспуска. При этом абстрактные понятия, присущие моделям Петри (фишка, переход, место), сохраняя способность описывать параллельно функционирующие и асинхронно взаимодействующие процессы, приобретают дополнительные свойства, наследуемые предметными классами объектов системы роспуска, и таким образом трансформируются в объекты, атрибуты и поведение которых присущи элементам системы роспуска (колесная пара, замедлитель, стрелка, соединительный путь, отцеп и т.п.).

Основной целью диссертационной работы является создание гибкой компьютерной технологии исследования технологического процесса роспуска железнодорожных составов на сортировочной горке, предоставляющей пользователю новые возможности создания моделей, проведения имитационных экспериментов, анализа их результатов, и осуществляющей определение управляющих воздействий на отцеп, обеспечивающих надежное

расформирование железнодорожных составов на сортировочной горке.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи исследования:

1) анализ проблем, возникающих при проведении технологического процесса роспуска железнодорожных составов на сортировочных горках,

2) обоснование выбора имитационного моделирования, как наиболее рационального подхода к исследованию и оптимизации технологического процесса роспуска железнодорожных составов на сортировочной горке,

3) выбор и обоснование объектной декомпозиции для представления компьютерного моделирования технологического процесса роспуска железнодорожных составов,

4) обоснование использования схемы асинхронного управления, применяемой для описания динамических свойств процесса роспуска,

5) разработка ассоциативного дерева классов объектов, описывающих основные элементы систем роспуска,

6) разработка имитационной среды, обеспечивающей интерактивное моделирование процессов роспуска железнодорожных составов,

7) программная реализация инструментальных классов объектов и имитационной среды,

8) разработка методики формирования рекомендаций по автоматизации конкретной сортировочной горки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1)применение объектной декомпозиции для представления компьютерных моделей систем роспуска,

2)использование в качестве схемы асинхронного управления обобщенной сети Петри,

3 разработка интегрированной компьютерной имитационной среды для решения практических задач управления процессом роспуска,

4)разработанная в диссертационной работе информационная технология позволяет проводить исследование систем роспуска в условиях, максимально приближенных к реальным, что способствует получению в качестве результатов исследования практически значимых технологических решений.

Основные положения, выносимые на защиту и развиваемые в диссертационной работе:

1. С целью определения оптимальных скоростей надвига и погашаемых на тормозных позициях энергетических высот необходимо проведение большого числа опытов, что возможно лишь при использовании имитации процесса роспуска на ЭВМ.

2. Для представления при имитационном моделировании систем роспуска необходимо использовать объектную декомпозицию, позволяющую структурировать систему в виде иерархии предметно-ориентированных классов объектов.

3. В качестве схемы асинхронного управления моделью систем роспуска целесообразно использовать модель сети Петри, введённую в структуру дерева наследования.

4. Необходимость проведения имитационных экспериментов по исследованию технологического процесса роспуска железнодорожных составов на сортировочных горках требует разработки удобных графических средств, обеспечивающих создание и редактирование имитационных моделей и анализ

результатов моделирования.

ГЛАВА1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РОСПУСКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СОСТАВОВ НА СОРТИРОВОЧНЫХ ГОРКАХ

Для создания компьютерных методов и средств, позволяющих проводить анализ систем управления технологическим процессом роспуска железнодорожных составов на сортировочных горках с целью выработки рекомендаций по автоматизации горки, прежде всего необходимо иметь представление о процессах, протекающих в этих системах, предпринимавшихся способах автоматизации систем, основных задачах роспуска и формализуемости процессов расформирования-формирования железнодорожных составов.

1.1. Технологический процесс роспуска железнодорожных составов

Массовая переработка вагонов и формирование технических маршрутов участковых, сборных и передаточных поездов по назначениям, установленным планом формирования, на железных дорогах выполняется на сортировочных станциях. Для осуществления сортировочных работ на этих станциях проектируются сортировочные горки.

Сортировочная горка (рис. 1.1) — это устройство, предназначенное для расформирования-формирования железнодорожных составов. Горка состоит из надвижной и спускной частей. Сопряжение надвижной и спускной частей горки образует перевальную часть горки. Вершиной горки считается начало вертикальной сопрягающей кривой спускной части.

Надвижная часть представляет собой участок в пределах вытяжного пути или парка приема и его продолжения в сторону сор