автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Теоретические и методологические основы построения систем поддержки принятия решений по управлению движением поездов на участках железных дорог

На правах рукописи

БЫКОВ Валерий Павлович

УДК 656.25:521.317.0)9

pre од

" а ОКГ J99S

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ НА УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.08 — Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1996

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

КО КУРИН И. М.; доктор технических наук, профессор

МИКОНИ С. В.; доктор технических наук, профессор БОЧКОВ К. А.

Научный консультант —

доктор технических наук, профессор САПОЖНИКОВ Вл. В.

Ведущее предприятие — Главное управление перевозок МПС РФ (г. Москва).

Защита состоится 24 октября 1996 г. в 13 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 114.03.03 Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 24 сентября 1996 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета Университета.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук

В. Б. КУЛЬТИН

ску»я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность пробеги. Автоматизация производственно-технологических процессов железнодорожного транспорта является ваянейиш средством повышения его эффективности, начиная с обеспечения пропускной и провозной способности, безопасности двихения, точности регулирования, экономии материальных ресурсов, экономической фективности и охраны окружающей среды.

В развитии транспортных автоматических систем важную роль играет создание и внедрение систем поддержи принятия решений (СППР) для участков железных дорог, которые позволяют сформулировать требования к созданию пакетов прикладных программ в данной предметной области и. по существу, сделать общедоступными разработки . которые ведутся> специалистами различных научно-исследовательских и проектных организаций для железнодорожного .транспорта. Общая теория анализа, синтеза,- оптимизации и особенности эксплуатации СППР на железнодорожном транспорте находятся в настоящее время в стадии разработки. Объектами экспертизы в СППР являются автоматизированные технологические комплексы управления движением поездов на участках железных дорог (АТК-УДЛ).

- Однако, большинство исследований проблемы анализа эффективности функционирования автоматизированного технологического комплекса (АТК-УДП) рассматриваются либо на уровне отдельных подсистем управления, либо в отрыве от процессов управления движением поездов и алгоритмов функционирования технологических устройств.

Разработка СППР для АТК-УДП (СПЛР-УДП) представляет собой актуальную научную проблему, для решения которой необходимо выполнение, с одной стороны, теоретических исследований и. с другой -максимальное использование возможностей современных средств вычис-

дательной техники.

В создании и раззитш теории и практики построения различных подсистем и элементов АТК-УДП велика роль таких ученых, как Б. Н. Акулиничев, в. А. Буянов, Ф.Л. Кочнев, В. А. Кудрявцев, А. К. Угрзз-}.:ов. Ю.А. Муха, И.М.' Кокурин, Л.А. Баранов, A.M. Брылеев, М.Н, Василенко, В. Н. Иванченко. Н. Ф-. Котляренко. O.A. Кравцов, В. и. Ли-сенков.' A.A. Эйлер, A.C. Переборов, В. Е. Павлов. Е.А. Сотников. Е.М. Шафит и других [1-5. 9-17.1. В области синтеза дискретных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики известны, фундаментальные работы Н. 0. Ропшского, М. И. . Вахнина. Н. В. Лупала, В. В. Сапозкникова. Ел. В. Сапояникова и ряда других ученых.

Анализ результатов известных исследований по созданию сложных систем управления, ■ выполненных .. специалистам железнодорожного транспорта,- а также в смешных областях, показывает, что наиболее успешное решение задачи построения таких систем может быть достигнуто с ростом мощности математического и аппаратного обеспечения современных ЭВМ. Это обстоятельство открывает возможность построена СППР, позволяющей совместить в одной системе.решение следующих задач: - \ - ' " - - . ■ "•-• , •.'

анализ различных характеристик АТК-УДГ1; . синтез математических и алгоритмических "моделей■ исследуемых систем управления двияением поездов на участке яелезной дороги;

оптимизация по выбранным критериям показателей качества функционирования АТК-УДП.

Кроме решения этих, задач, использование СППР дает возможность оперативного прогнозирования в реальном масштабе времени показателей качества функционирования АТК-УДП на всех этапах его создания. Изложенное вше отличает СППР / от существующих разработок в

области создания и исследования АТК-УДП на железнодорожном транспорте и позволяет в комплексе решать поставленные.выше задач! на более качественном уровне специалистами в данной предметной области без необходимости специальной подготовки для работы с программными продуктами.

В условиях технического перевооружения •нелезнодорожного транспорта и применением новых технологий и систем использование СППР в процессе разработки, проектирования и эксплуатации систем железнодорожной автоматики и телемеханики (CSAT) является весьма эффективным и актуальны:.!. Кроне решения задач анализа, синтеза и оптимизации СППР- УЯП создает возможность решать в оперативном режиме задачу оптимизации затрат электроэнергии в составе бортовой автоматизированной системы управления поездом (БАСУ), при возникновении сбоев, и нештатных ситуаций на участке железной дороги.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом работ по теме: "Разработка новых информационных технологий на/трансПорт е, основанных на компьютеризации"(иифр проекта НЭБ. 002) отраслевой программы работ на 1986 .-' 1990 г. г. и на период до 2000 года.

Цеяьи диссертации является разработка теоретических и методологических основ построения такой компьютерной системы поддержки принятия решений для управления движением поездов на участках железных дорог, которая являлась бы эффективным и доступны!.! инструментом инженера-проектировщика и эксплуатационника при принятии рациональных и ответственных решений как при проектировании, так и при оперативном управлении движением поездов (СППР-УДП).

В диссертационной работе выполнено теоретическое обобщение исследований в , области построения СППР, по моделированию сложных систем управления на железнодорожном транспорте и разработаны тео-

ретические и методологические основы построения СГСПР-УДП. Использование СЛПР-УДП способствует повышению качества функционирования сложных систем управления двиаением поездов, эффективности их проектирования и эксплуатации.

Основные направления выполненных исследований: анализ существующих и разрабатываемых в настоящее время СПЛР и разработка концепций построения СПЛР-УДП;

разработка методологических основ синтеза СППР-УДП на основе выдвинутых концепций и классификации решаемых-ею задач;

разработка теоретических основ построения основных блоков системы, которые являются универсальными для любого участка железной дороги;

разработка универсальной имитационной модели движения поездов на участке железной дороги, которая учитывает алгоритмы интервального регулирования и автоведения и включает в себя базовые имитационные модели перегона и станции; '

разработка аналитического метода определения резерва графикового времени следования поездов на участке келезной 'дороги как элемента базы знаний СППР-УДП и его использование для определения области применения оптимизации траектории движения по энергетическому критерию; •

разработка метода определения энергетически оптимальной траектории движения поездов на основе имеющегося резерва графикового времени при возникновении сбоев в даиязнии;

разработка методики выбора энергетически оптимального режима движения поездов при наруиешш графика двиаения и использования расчетных параметров выбранного реет.» в бортовой автоматизированной системе управления поездом;

синтез алгоритмов для автоматического построения планового графика движения поездов на метрополитене или участке Еелезной дороги и их использование в СППР-УДП;.

проведение с помощь» СШШ-УЛП экспериментальных исследований, прогнозирование показателей.эффективности реальных систем и разработка рекомендаций по их совершенствовании;

использование результатов применения СППР-УДП в проектных организациях,. на предприятиях :хелезнодорояного транспорта и метрополитене.

Кзтода исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе теорий системного анализа, моделирования, алгоритмов с использованием эвристических методов решения слоеных задач, математической статистики и планирования эксперимента, систем массового обслуживания.

В качестве' одного из методологических приемов аргументации и доказательства научных положений использовались эвристические методы научного исследования, которые в настоящее время широко и успешно используются в технической кибернетике. Их использование сводится к схеме: анализ аналогий - выдвижение гипотез решения проблемы - экспериментальное исследование гипотезы и представление ее в виде стратегии принятия решений - реализация данной стратегии в виде методик» или алгоритма для решения на ЭВМ.

Достоверность научных положений подтверждается экспериментальной проверкой адекватности разработанной базы имитационных моделей (БИМ), положительным эффектом от внедрения рекомендаций, полученных с использованием СППР-УДП при проектировании новых систем управления для высокоскоростной магистрали, внедрением в опытную и постоянную эксплуатацию системы на метрополитене для автоматинес-

кого построения графиков движения поездов, .которое дает значительный эконодачесетй эффект.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Предложены состав, структура и концепция построения и использования универсальной СПЕР-УДП, которая позволяет решать широкий класс задач анализа, синтеза, оптимизации в автоматическом ре-зиме после начального диалога с системой, доступная для любого специалиста в данной области, и применяемая на этапах разработки, проектирования и эксплуатации систем управления движением поездов на участках яелезных дорог.

2. Разработаны теоретические и методологические основы построения блоков СШ1Р-УДП, объединяющие разнородные математические и имитационные ходели и методы в сочетании с эвристическими методами построения алгоритмов решения поставленных задач на основе предложенной классификации.

3. Синтезирована универсальная модель движения поездов ка участке Еелезной дороги в составе (ВЯЛ), которая учитывает алгоритмы интервального регулирования и автоведения, может автоматически настраиваться и адаптироваться в зависимости от слокности поставленной перед СГШР-УДП задачи.

4.. Разработанный метод выбора энергетически оптимальной траектории движения поездов позволяет использовать СППР-УДП в качестве "соЕетчика" в составе бортовой автоматизированной системы управления поездом при сбоях в движении и имеет быстродействие ка порядок выае по сравнению с существующими.

5. Разработан аналитический метод определения резерва графикового времени, используемый для определения области применения оптимизации траектории движения поездов по энергетическому критерию при возникновении нештатных ситуаций на участки дороги.

6. Разработана универсальная програнмно-кзтодическая структура синтеза эвристических алгоритмов автоматического построения графиков движения поездов. Ога позволила синтаззровать алгоритм принятия решения при построении плановых графиков движения поездов на метрополитена я ;;с~ег быгь использована дта реиения ¡аналогичной задачи для других видов транспорта.

Практическая цеяг:оать получениях в диссертации результатов заклвчается: в разработке катода построения систем поддержи принятия решений (СШР-УДП), , позволлЕгцего повысить качество проектирования управлешя и создали еоеых систем АТК-УДП: з разработке и внедрппш гролжшных средств для реализация предлогенгаи методов анализа, синтеза и ептижецта с использованием ксвых информационных технологий. Результаты исследований лзг.га в основу рекоменда-цкЛ па повкевнив эффективности и безопасности проектируешх и су-врствуззци олсгвах спстен ущшлешея, использования сппр-удп для ■ автоматического построения графиков двигягая на метрополитене. что позволило значительно сократить вре:1я на их разработку и повысить качество.

Реализация резугг.татоз работа. Диссертация выполнялась в рамках 10 теп научно-исследовательских работ в период с 1979 года по настоящее время, включающих основные теоретические результаты.

Вазкяое народно-хозяйственное значение решенной проблемы подт-верздается:

результатами практического использования СППР-УДП при проектировании и выборе систем управления на основе их сравнительного анализа, при синтезе зависимостей основных эксплуатационных показателей работы лелезнодорозного участка от влияющих факторов (высокоскоростная магистраль С.Петербург-Москва), а также выборе

энергетически оптимальной траектории движения поездов при возникновении сбойных ситуация (С. Петербургский метрополитен), что подтверждено справками о внедрении;

использованием для ' автоматического построения планового графика движения поездов на линиях метрополитена СППР-УДП, которая введена в настоящее время в промышленную эксплуатацию в Петербургском метрополитене в службе движения с последующим еэ использованием в системе автоведения в оперативном режиме при сбоях в движении. открывающим перспективы применения этой системы при построении плановых графиков для пригородного и магистрального транспорта.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебнкй процесс при подготовке студентов по специальности "Автоматика, телемеханика на железнодорожном транспорте" и включены в учебные программы по дисциплине "Математические модели в задачах на ЭБМ". '

Апробация работа. Основные положения диссертационной работа докладывались и обсуждались на:

межвуз. научн. -техн. конф. "Проблемы совершенствования перевозочного процесса на а. д. транспорта" в Ленинграде (1979г.): Всесоюзного научно-практического семинара "Статистические методы исследования функционирования сложных технических систем" в Москве (1933г.): Всесоюзной конф. "Моделирование систем и процессов управления на транспорте" в Москве (1991г.): Всесоюзной конференции "Моделирование систем и процессов управления на транспорте" в Москве (1991г.); Республиканской научно-техн. конференции "Прогресс и экология" в Актау, Казахстан (1992г.); 3-я Международная конференция "Моделирование сложных систем (MODA- 3) в С.Петербурге (1992г.); научно-технические конференции в ПГУПСе, С.-Петербург

(1993,1994гг.); Международная конференция "Математические методы и модели в машинном моделировании" в С.Петербурге (1994г.); международной школы-семинара "Ыикропроцессоркые системы связи и управления на железнодорожном транспорте" в Алуште, Украина (1994,1905гг.); Международной конф."Региональная информатика - 90 (Рй-95)" а С.Петербурге (1996г.); Главном управлении перевозок

I

(1996г.); управлении Движения Московского метрополитена (1990г.); заседаниях кафедры "Автоматика и телемеханика на ж.д." и специальных кафедрах фзкультета "Управление процессом перевозок" ПГУПС.

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 30 научных работ и выпущено 12 отчетов по.НИР, выполненных при непосредственном участии и научном руководстве азтора."

ООьем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содернит 207 страниц основного текста, 58 иллюстраций, на .52 листах, 16 таблиц, список литературы из 204 наименований, 11 приложений. .

- ОСНОВНОЕ ИКАНИЕ РАБОТЫ

Ео лвелзкки обоснована актуальность проблеет анализа, синтеза и оптимизации показателей качества функционирования АТК-УДП и разработки для этой цели теоретических и методологических основ построения СППР-УДП, определена цель работы, перечислены задачи и направления выполненных исследований, определены основные научные результаты, выносим® на заздату. ,

В первой глзгэ диссертации определено понятие СППР-УДП как сложной системы и предложена универсальная блок-схема ее построения.

Показано, что задача построения СППР-УДП представляет научпув проблему, что связано со следующая! особенностями ее построения:

больашы количеством и разнородность» математических и имитационных моделей и методов; вероятностна-) характером отклонения параметров, влияющих на процесс движения поездов; многофункциональностью АТК-УДП; необходимостью обеспечения безопасности функционирования комплекса в оперативном рязэга при вознпкнозенш сбоев и нештатных ситуаций в движении поездов. ••

Приведен анализ,результатов известных исследований Функционирования сложных систем, выполненных специалиста:.® келезкодорожного транспорта, а такае в скевяых .сбластях, который показывает, что успевшее решение задач анализа, синтеза и оптимизации показателей функционирования АТК-УЛЛ ножет быть получено с помощьп СППР-УДП.

При этой под СППР-УДП понимается система, . которая может быть использована для совета пользователю с количественной оценкой показателей функционирования АТК-УДП й вклачаащая базу имитационных моделей система; адекватно- отраяаа>дей процесс функционировать! комплекса. ,

Отмечены слодуидае . омгавпыз особещостк известных исследований в области построения 1Штацвоннкх поделай АТК-УДП: большинство работ не ориентировано на комплексное исследование данных систем к малодоступно для парового круга пользователей; разработанные модели решают частные .задача, и требуют специальной подготовки пользователя для работы-с моделям! и ЭВМ."

Для преодоления указанных, недостатков сформулированы следуш-;дае концептуальные пелогегшя построения СППР-УДП: ■ доступность системы по отяояешга к -пользователя.. что дает возмовность использовать СППР специалисту в предметной области и не требует углубленных знаний , в вычислительной технике: "открытость", что позволяет расширить круг решаемых задач в данной предметной области на базе

использования общего системного, математического и програмнога обеспечения; "модульность", обеспечивающая декомпозицию задач при создании и расширении системы; "реконфигурируемость", реализующая адаптации СППР-УДП при изменении условий решаемой задачи.

Показано, что основным блоком в СППР-УДП является Б1Я.1. Набор математических, имитационных моделей, составляющих БИЛ, позволяет решать широкий круг задач анализа, синтеза и оптимизации показателей функционирования АТК-УДП.

В данной работе разработана классификация задач, решаемых СППР-УДП (рис.1), и включающая четыре раздела: разбиение N задач по типу исследуемого факторного пространства КФ; по объектам исследования М0; по типу задачи Кэ; по виду исследуемого показателя Ип. Так как любые из перечисленных задач могут встречаться в произвольном сочетании, то общее число задач,- решаемых СППР-УДП, монет оцениваться величиной:

N = Нф * Н0 * N3 * Щ. (1)

Сложность построения СППР-УДП значительно возрастает при переходе от задач анализа к'синтезу и оптимизации, что в основном обусловлено выбором математических методов, обеспечивающих компромисс между достаточной точностью и быстродействием решения этих задач на ПЭВМ. '

На основании проведенного анализа состояния поставленной научной проблемы определены задачи диссертации.

Во второй глава диссертации разработаны теоретические и методические основы построения систем поддержки принятия решений для участков железных дорог. Предложена методика синтеза основных блоков СППР-УДП, представленная в виде блок-схем и алгоритмов моделей, входящих в БИМ. базирующаяся на выдвинутых концепциях разработанной классификации задач.

Рис.1. Классификация задач СППР-УДП.

разработка моделей представляет собой итерационный процесс с контролем и анализом адехеатйсстя на катдей стадии их построения. На рас. 2 прзлегавяека Фуккцясизльиал охет СППР-УДП. лицо, продзвд-дае решше (Л1Р), работает с СППР-УДП через программу организации диалога (ИОД) поерздетрем задания вопросов \'(<-}t) к пользосатола по »1 заддче. рспоскоЯ системой. и ответов 0(c»j). rwrcpve ЛПР взодит в СППР-УЛП. Пользоватез предоставляется прззо ошгателкгого га-Ссрн п принятия ресспия Ri из кнокества ¥ (Rj). котори* предлагает систе'/з. Все -агогсстпо садом реслспх СПЯР-УД1 , р^збизг.етея га три груягн: задачи яизягсг. синтеза, ппткккадгпа. По ::ед-1ияп Л1Р вкЗкрастся одел кз групп п уклснвязтся, какой показатель зф-¿•октивдеста -йутщкошфеглнпя объекта необходимо определить, в соответствии с выбранной задачей щ ПОД выбирает требуеказ колели Uj в БКЯ и сбредается it nporpotste вывода рспзониа ШВР). которая про-:гэсожгг кзстроЛку тбршшк тдеяеП на эксперимент. Ксходние дчя-ns? ;i характеристика у»т?.стка гялззноЗ лороп; находится п баге даи-нж (El). Ка c:ic.3 прязедспа структура базн дзтдах, г.оторая шеет одедув^с разделы: ■ херчстеркстикя трасси: харзхтерчетоки тохноло-гячозкего оборудокойот; списание алгоритмов упраолзш;~; параметры, определяете процесс движения. В начало работы СШР-УДП образуется оперативная база дчкинх (ОВД) (копия ЕЛ), с котлруа поступает запрос пз ПБР для EtiCcpn. исходной янИрмакяя в Ш и ПЕР (гэдачи сии-тета или оптттяиа). Оперхътм база дэннк-: ксхот просматриваться и редактироваться ЛПР с яоиозь» ГЮЛ. Исходная информация поступает из ОБЛ в ВМ я ПСР для решим выбранной задачи "»V Результат работы ПЕР по обработке стлтастпчосксй информации, лосту-nawstj из БШ1 (иатя'атическоо оядатш Н0. средне'шадратическое отклонение sf) выводится ПОД на экран дисплея или печать d виде

запрашиваемом ЛПР (значений, . таблиц, графиков, зависимостей показателей функционирования от влияющих факторов (В3). Влияющие факторы обозначены на блок-схеме С ПНР информационным потоком А(ь>1).

Обработанные результата работы ПВР по.слэ соответствующей интерпретации и определения по разделам знаний (£4). записываются в базу знания по различным направлениям исследований, которые в дальнейшем используются при решении задач управления движением поездов на участке Еелезной дороги. При использовании СППР-УДП в реальном масштабе времени предлагается блок ввода параметров объекта

Рис.2. Функциональная схема СППР-УДП.

Рис.3. База данных СППР-УДП. (БВПО), который передает необходимые сигналы от датчиков объекта управления в СППР-УДП. Система обрабатывает их по своим алгоритмам и предоставляет ЛПР варианты решения требуемой задачи. Пользователь (ЛПР) просматривает их и выбирает по своему усмотрении нужный вариант для реализации принятого решения (К() в системе управления объектом. Анализ результатов известных исследований функционирования сложных систем, выполненных специалистами келезнодороя-ного транспорта а такие в сменных областях показывает, что наиболее успешное решение поставленных в настоящей работе проблем, «о-

кет быть осуществлено метода!® машинного имитационного моделирования. База имитационных моделей в совокупности с алгоритмами их взаимодействия представляют собой "ядро" С1ШР-УДП.

Методика синтеза обобщенной блочной и функциональной схем БИМ основывается на исследованиях, проведенных в работах ученых Московского и Петербургского университетов путей сообщения. Отличительной особенностью настоящего исследования является взаимодействие моделей БКМ при ресешк задач анализа, синтеза и оптимизации без участия пользователя, функции которого ограничены начальной постановкой задачи. При моделировании двикения поездов на участке зелезной дороги учитываются алгоритмы интервального регулирования. автоведеиия поездов, что позволяет решить сложную задачу выбора и расчета энергетически рациональной траектории движения поездов при сбоях на участке.

В главе 1 была показана актуальность ислользоваши СППР-УДП для исследования показателей качества функционирования '(М^ АТК-УДП , как слокной система Б. Задача СППР-УДП сводится к исследованию функционала вида

И1- КИ'Е.А.Р.У^УсУо.Т), (2)

где Е - множество элементов, составляющих данную систему Э;

А - алгоритм -функционирования элементов множества Е;

Р - параметры элементов, существенные для процесса функционирования;

С - характеристики структурной организации системы Б;

Ут - вектор технологической нагрузкисистемы. заданный параметрами входного потока поездов;

Ус - вектор влияния на систему 3 внешней среды;

У0 - вектор влияния системы технического обслукивания;

Т - Брега, в течение которого определяется показатель эффективности b'j.

. 3 выражении (2). формализующем постановку задачи исследования. реализован один из основных принципов системного подхода, который заключается в выделении непосредственного объекта анализа S(t) и его внешней среды (векторы VT(t).V<,(t),VB(t),V0(t)}. Следующем шагом формализации является определение множества элементов системы Б3 и структуры их соединения С9. Под элементом с;:стекн е € Е3 погашается любые ее производные часта, внутренняя структура которых нэ рассматривается, а процесс функционирования каздой определяется:

алгоритмом функционирования элемента а„, устанавливающим связь между входными и выходными данными на элементе е„;

параметрами юа, опредаляюпрши количественные характеристики функционирования элемента ак.

Используя структурко-фушсщгональныЯ подход к описанию систем как множества взаимодействующих элементов, процесс функционирования системы можно описать выражением:

Sit) = Sf a„(t). 0)„(t). Ca ], И - ( 1. Na ] (3)

где Né - множество элементов подмножества Еа. Выбор структурно-функционального подхода к описанию системы S определяется особенностями задач исследования. С учетом (2) и (3). поставленная проблема анализа эффективности функционирования системы S в формализованном виде может быть описана следующим образом.

Заданной системе S ставится в соответствие ее математическая модель Ms, определенная на множестве элементов е„е.Е3. m =0 l,Ne ] и структуры С3 их взаимодействия. Множество элементов модели Е3 описывается множеством алгоритмов { а„ }, га = [ 1, Ne ] и парамет-

ров { ии }, ю = [ 1, Не ] их функционирования. В процессе функционирования кодели требуется определить показатели качества за время Т, т.е.:

>;3(т) = И [ами),ш*и).С8.\\шлошлпи)дси).т]. (4)

Выражение (4) описывает обобщенную блочную структуру БИМ (рис.4), составленную из блоков, моделирующих заданнув систему М3, ее Епеа-нюи среду М„ и вид эксперимента, необходимого для определения показателя эффективности Ыа. Учитывая большое разнообразие элементов

Рис.4. База имитационных моделей СППР-УДП. множества Е3 и, соответственно, математических моделей для их описания, выделены четыре класса моделей элементов БИМ.

Модели элементов класса Р соответствуют элементам путевых планов АТК-УДП , Т - основному технологическому оборудованию, М -

упрг:оляе;г,!! объекта;,! (?ж<спта?4> спиты и А - твхаолэпгаэскш ан-гсриткага управления дкпэгаен. щаззчая алгоригн работа оперативного персонала п операглвно-дчспет'рского оборудовании. В процессе работа да СППР-УДП воздейежга на ,'13 осуществляется гак из модели снесшей среда Му. таи н векторам:! настройки ка вид объекта Уао и управления экспериментом , которые реализуэтея ПВР в автоматическое регшз. Рассмотренная Олок-схе%:а Е'Д! СППР-УДП полностью соответствует Форп?л:!зоп?.:тотГ! постановке задачи (см. выражение 3) и удовветзоряет сссм пршхяты! концепциям построения шо:-типоших неделей. Это в зшгготэлыюй стелена позволяет унифицировать програкшое обеспечение БШ СШР-УДП. Программа вывода реге-]шй (ПВР), приведенная на рис, 5, выполняет оледукле функция: взаимодействие БД и ЕПМ в процессе решезся экспертных задач;

Рис.5. Программа вывода решений СППР-УДП.

доступ пользователя к БД к' БШ через программу организации диалогового реника: организация машинного эксперимента с имитационной моделью для получения регрессионных зависимостей или "новых" знаний и объяснения полученных в СПЛР-УДП результатов. Предложен подход настройки на необходимую задачу синтеза, который предусматривает описание объекта путем уточнения и дополнения модели, выбор варианта факторного пространства с учетом поставленной задачи экспертизы. Пользователь выбирает задачу синтеза \12 для получения зависимости исследуемого показателя Фх от влияющих факторов В3(Ф2.= » Г (В])), где г = [1 - г], 3 « Г.1 - Н]. К - количество основных влияющих факторов. Обозначим Г(В3) через У(х). где Вл - X, ;) = [1- N1. Нелинейная парная регрессия сводится к получению заданной нелинейной зависимости У(х) (нелинейной по независимой переметой х, но линейной по параметрам этой зависимости), прибликающеЯ совокупность чисел X! и У1 с наименьшей среднеквадратичной погрешностью. Сведение нелинейной регрессии к линейной выполняется с помощью линеаризующих преобразований в ходе ввода хь У1 и при выводе а0. а,, приведенных для предлагаемых основных 16-ти зависимостей и представленных в таблице 1. Параметры нелинейной регрессии помечены штрихами. Программы, реализующие функции таблицы 1, разработаны автором к приведены в приложении диссертации. Данные программные модули включены в ПВР СППР-УДП. которая определяет наилучшую по сходимости результата регрессию из 16 предложенных при решении задач синтеза. Кроме этого, разработан программный модуль ПВР для задач синтеза многофакторных зависимостей. В основе их получения -лежит метод полного факторного эксперимента (ПФЭ), который служит для получения математического описания процесса в виде отре-

зка ряда Тейлора, содержащего линейные члены и парные взаимодействия переменных величии

У=а0+а,х,+.....+апхп+а12х1хг+.....+а,я., )0х„,1хп. (5)

Таблица 1.

Я С-уикцз5л У(х) X' У* ао а1

1. а0 + а1х X • У а„' а^

г. 1/(а0 + й1Х) X 1/У ав' »1'

3. а0 + а^х 1А У ав' аГ

4. х/(а0 + й!Х) X х/У а„' 31'

5. а0*а!Х X ШУ> 10ао' 10а,'

6. а0*ехр(а!/х) X 1П(Х) ехр(а0') аГ

7. а^Ю3/ X ШУ) 10% а,'

8. 1/(а0 + а,*й"х ) е"*- 1/У а.' аГ

9. а0*ха1х 1£(Х) ШУ) 10\' а,'

10. а0 + а^ЗеСх) 1Я(х) У а«' аГ

11. а0 +а1*1п(х) 1п(х) . у' а0' 'а»'

12. а.о/(&1 + х) X 1/У 1/31' а«'/аг

13. ао*х/(а, + х) 1/Х 1/У 1/а,' а0'/аГ

14. 'а0*ехр(а!/х) 1/Х 1п(х) ехр(а0') »1*

15. ав*10*1/х 1/Х 13(Х) . 10ао' а,' •

16. а0 + а»*хп хп . у а0' а»'

Коэффициенты этого уравнения, определяемые по экспериментальным данным, включают в себя погрешность эксперимента и являются выборочными оценками истинных значений коэффициента регрессии.

Отличительной особенностью использования ПФЭ является то, что он проводится на машинной имитационной модели участка ирлряной до-

poní СППР-УДП. Для получения впрзйашя (5) црсгаздятся серия экспериментов, содергацая. все возшшшз непсоторяюадеся комбинации уровней варьирования факторов. Для удобства вычислений коэШщион-тоз регрессии все факторы в ходе полного факторного эксперимента варьируются на двух уровнях. Обцее число опытов ПФЭ определяется по. формуле К - 2®, где п - число факторов. Далее составляется мат рица плакирования в безразмерных (кодированных) значениях переменных. Переход к кодированным переменным осуществляется го следусцйй Оормуле:

Хг - х10 ■

Xi « - , ■ (1 - 1,2.....п). (6)

ÙKj

где Xj. Xi - значение фактора в физических и кодированных переменных, соответственно; Xi0 - значение фахтора на базовом уровне; Axi - интервал варьирований по данному фактору. Интервал варьирования выбирается таким образом, чтобы он был бы достаточно велик по сравнению с оаибксй эксперимента и достаточно кал, чтобы более точно определить направление двнгсения к оптимальной области. В данной работе интервал варьирования принимается в размере 50% от значения фактора па нулевой (базовой) уровне. В качестве базовых jровней выбрано среднее значение фактора. Построение многофактор-iiiix регрессий и их 'проверку по критериям Стьадента и Фикера СГШР-УДП проводит без участия пользователя, что соответствует предложенным в диссертации концепциям.

В третьей глпзо диссертации на основе методологического подхода к построешш СППР-УДП предлояена математическая. схема разработки базы имитационных моделей (ВЫ) для всех классов объектов

(р, И, Г, а) и типов элементов, входящих в функциональные схемы СППР-УДП. Так как основной целевой функцией системы является управление движением поездов, то разработка имитационной модели отдельных элементов технологического комплекса начинается с рассмотрения вопросов моделирования процессов движения (модели класса М). Для управления процессом движения поездов уже разработаны различные варианты построения математических моделей движения на участках железных дорог. Применив выше предложенную математическую схему, основные результата исследований в рассматриваемой области мокно обобщить следующими основными положениями.

1. При моделировании процессов движения на участке длиной Ь в качестве обслуживающего прибора рассматривается этот участок. В общем случае он характеризуется набором параметров, существенных для расчетов времени его занятия и освобождения. К таким параметрам относятся характеристики плана и профиля участка, величина постоянных и временных ограничений скорости и др.

2. При моделировании процессов движения в качестве заявок рассматриваются поезда, характеризующиеся множествами статистических и динамических параметров. Мнокество статистических параметров в общем случае включает такие параметры, как сила тяги и торможения состава, вес состава и другие характеристики подвижного состава. В качестве основных динамических параметров принимаются скорость и время движения поезда по'дискретным отрезкам пути (дискрет-участкам) длиной А1. Обслуживающий прибор Д1 рассматривается в виде многоканального устройства с динамическим числом каналов обслуживания, которое определяется выражением

У. =

Д1 1пх

(7)

где 1п1 - длина 1-го поезда.

В процессе движения поезда по дискрет-участкам Д1 (рис. 6) складывается следующая технологическая ситуация по времени: (t1.t3.t2. и 14). где ^ обозначает время занятия поездом данного участка Д^; - освобокдение предыдущего Л^-! ; 13 - занятие' следующего ди + ь 14 - освобоадение занятого участка Д14.

Значения скоростей движения поезда в моменты времени Ъд^з, гг. соотносятся в зависимости от режима движения следующим

У

образом:

(v, = у3 = уг = у4) - при равномерном движении поезда;

(V! < у3 < уг < V«) - в режиме ускорения движения поезда;

(V! > у3 > уг > V«) - в резшме торможения поезда.

Предложенный подход позволяет свести моделирование непрерывного процесса движения к расчету значений скоростей ' в заданных точках пути, где эти значения существенны для моделирования работы всего технологического комплекса.

-^--Н

£= = = = = :===-] • ь ---1--?-1-1--

Д11-] Д11 Д11*1

Ь £ 2 £4 т

-1-1-1-1--

V, у3 уг v^ v

Рис. 6. Движение поезда по дискрет-участкам.

3. Функция обслуживания заявки по динамическому параметру (определение скоростей - рассчитывается по заданному уравнению движения V - 1(5) в двух возможых режимах - без прерывания (уравнение в пределах участка не изменяется) и с прерыванием (уравнение движения изменяется).

4. Функция обслуживания заявки по времени определяется по вы-

«

численным значениям скоростей VI - '/4 с учетом принятой аппроксимации уравнения движения в пределах участка нелозной дорога Ь. При оценке точности аппроксимации установлено, что во всех случаях достаточная точность моделирования достигается при "аппроксимации по средней скорости движения с расчетом времени занятия обслуживающего прибора длиной Д1 по следующим уравнениям:

V! +■ у3 Д1 г &1

г,--- - ; (3)

2 VI VI +

+ ^ 1п1 ' 2 1,1 - ■ Уг , - - Тг „ - . - - (9)

2 у2

т = -С1 + Тг .

где V, - средняя•скорость движения первой оси; - время двиаения первой оси; у2 - средняя скорость движения последней оси; тг - время движения последней оси; т - время занятия обслуживавшего прибора длиной Л1. В случае прерывания процесса обслуживания заявки во время двиаения первой оси (момент г' . 1;, < 1' < г3 ) время занятая равно

2 Д1 2 1в1 х „ -- + ---- (10)

v, + ^з +

При прерывании процесса обслуживания заявки во время выхода последней оси (момент I", Ьг < ^ < время занятия Л1 будет равно

2 А1 2 1„1 1 = XI + хг - - + -г" . (И)

Уц + У3 уг + V*

Приведенная математическая модель обеспечивает минимальное время счета, но точность вычислений определяется принятой длиной обслуживающего прибора Д1 и адекватностью зависимостей V - ИЗ) реальному процессу движения поездов. При этом эти зависимости не учитывают взаимодействие соседних поездов при их движении. Блок-схема имитационной модели представлена на рис.7. Результаты моделирования обрабатываются программой вывода решений (ПВР). Таким образом, моделирование процессов движения сводится к математической схеме, включающей модель элемента класса Р (элемент пути) в качестве обслуживающего прибора я и позволяющей свести непрерывный процесс движения по заданному интегральному уравнению к численному его решению. А движение поездов свести к событиям занятия и освобождения ими кандого дискрет-участка пути. В отличии от существующих разработана имитационная модель движения поездов на участке. железной дороги, которая может работать по среднему времени хода, с использованием тяговых раочетов, алгоритмов интервального регулирования и автоведения. При этом СППР-УДП адаптируется в зависимости от поставленной перед ней задачи. Указанные принципы организации движения могут использоваться СППР-УДП как по отдельности, так и в сочетании по возрастающей слокности решаемой задачи, что делает ее универсальной.

В данной главе предложен метод решения задачи расчета энергетически оптимальной траектории движения поезда при ограничении

Рис.7. Блок-схема имитационной модели движения поездов.

Бремени хода по участку железной дороги. Для решения задачи в первом приближении использовался метод максимума Понтрягина. Для решения нелинейных дифференциальных уравнений с начальными условия-«и. полученными при использовании метода Понтрягина. применялся 'ззсленный метод Ньютона. Для отыскания минимального значения функции. определяющей энергозатраты при движении поезда на основании данных решения по методу Ньютона, использовался метод "золотого" сечения. Модель для описания дви&ения поезда в линеаризованном виде ковно представить в следующем виде

S(t) = V(t); V(t) - y(t) - К * V(t). (12)

где y(t) £ ( -FT, F, ]; -FT < F < Fy ; Fr - максимальная сила торможения поезда ; Fr - максимальная сила таги поезда ; S(t) -мгновенное значение-пройденного пути Seco.Sj); V(t) - мгновенное значение скорости V(t)€ (O.V„); y(t) - управляющая величина, тон-дественная изменении силы F во времени.

Мгновенное состояние управляемой система объекта описывается вектором состояния Vit) = (S(t).V(t), t)T. Нормализованная величина управляющей сшы y(t) находится в интервале

'-1 < y(t) с у(t) / ув . (13)

гдсз y(t) = Fy/uio : Ув = FI/ra0 : га0 - масса движущегося поезда.

Допустимая область пространства состояний для S и скорости V ограничена максимальной скорость» Vs, а такае поступательным движением. и имеет вид

О < V(t) < V„; S(t) > 0; S(Tt) = Sx. (H)

третьей переменной состояния является время t . которое имеет следующие значения: для решения задачи в положительном направлении зремени ti(t) = t. для решения задачи в отрицательном направлении времени t](Т) = Т. Здесь, Т « Т„ - t - время, которое в соответс-

твил с временем движения поезда до конечного пункта Т, убывает по мере приближения к нему. Таким образом, задача оптимизации формулируется следующим образом: требуется определить такое изменение управляющей величины y(t), при котором вектор состояний V(t) -[Sft),V(t),t]T переходит из произвольного начального состояние ¥(Т0) в конечное состояние ?(ТК) при .скорости V < V» на данном отрезке пути Sк и минимальном функционале Ф(у). Согласно методу Понтрягина среда допустимых управлений y(t) оптимальным является такое управление, которое максимизирует функцию Гамильтона Н. Необходимо получить функцию H , по которой можно определить оптимальное правило управления движущимся поездом. Исходим из того, что

3

H («.У.Х. t) -2 Xt(t) $i(t) + X«(t) f„(if. У. t). (15) dH (<?,y.X. t)

Xo ( t) ---1- , (16)

à%

откуда X0 = с < 0. Примем, что X0 - -1. Вспомогательная переменная Xi(у) должна удовлетворять системе уравнений dH (if, у,Х. t)

Xi ---1- . 1 = 1,2,3. (17)

где ф, = S(t). sv = V(t), if3 = t,.

Гамильтониан для линеаризованной математической модели, описывающей движение поезда , имеет вид

H (if.y.x.t) = Xt(t)*(t) - Xa(t)*k*V(t) + Хз + A. (18) Здесь A = (X(t) - V(t)) для y > 0; A = X(t)*y для y < 0, . Найдем максимальную величину гамильтониана M(X,if, t) = = supH(i]j.X.y, t) при значениях X(t) и t) . Очевидно, что значение

гамильтониана будет максимальным в зависимости от переменной уп-

V(t) получаем зависимость М (Х.у, t). Отсюда следует, что правило для управляющей величинь! у(t) зависит от изменения вспомогательной переменной X2(t). Решение имеет следующий вид:

при начальных условиях:

Б(0) = О; Б(ТК) = Б,; У(О) = О; У(ТК) = О; 1,(0); Ь,(ТЯ) = Тк. Найдем такое решение, при котором функционал

был бы минимальным. Для выполнения условия максимальности гамильтониана Н из уравнения (15) необходимо, чтобы

Р(Х.ф)*У - (Х2 - при У > 0. , откуда Х2 > 0; . (21) Р(Х,$)*у = Х2*у при у < 0, откуда Х2 < 0. Если Х2 > 0 и Х2 > V, то Ч/Хг <1. и у = т.е. управляющая величина у равна силе тяга Гу. Если Х2 > 0 и Х2 < V, то У/Х2 > 1 и у = 0. Если Х2 < 0, то УЛг < 0 и у ='- ?т. Кроме того, существуют следующие неопределенные решения:

если Х2 - 0 и (-V + Х2) < 0, то у не определено на интервале ( ~РХ. о );

если Х2 = 0 и (-V + Х2) *■ 0, то у не определено на интервале ( 0, Ру ).

При использовании численного метода решения оптимизационная задача формулируется в следующей постановке. Необходимо найти точки переключения двигателей в моменты Т1,Т2,Т3 и соответствующие им

равляющей величины у. С учетом ограничений для y(t) и скорости

S(t) = V(t): V(t) = у(t) - k*V(t); t,(t) - l

(19)

(20)

скорости V(Ti), V(T8). V(T3). a также значения пути S,, Sa. S3 та-kj'h образок, чтобы функционал Ф(У) был кгавшэльным, гдз Tt - момент шиючешш дсигателей по окончании разгона, те - момент времен:! скончания реяама поддерзаяня скорсстч (стабилизации), Т3 -г*о::епт врпзин начала торможения. Рассмотрим Функционал Ф(у) ■ для четырех рекзшсз двигетгая поезда (разгона, стабилизации, выбега и торможния). Полотка То •* О н решим спстену до<фереиккахл?шх и га-теградышх уравпегай. При разгоне на интервале < о - Tj ) ропаоч следуичуо систему уравнений

Ti

VСt) " [ F - ïc=*V(t) ]; О(у) - I F>v(t)at . (22)

о

При дшкепия с постопнаой скоростью, т.е. на интервале <Tt - Т2)

Та

Y(t) - 0; Ф(у) --» ! U*V( t)*V(t)rtt. • (23)

Ti •

При дси:':с!тли по шерцни на интервале ( Т2 - Ts )

V(t) » - ÎC*V(t); Ф(у) - 0. (24)

ßpa тормо^пии, т; е. на интервале ( Т3 - Т, )

V(t) " I -? - bV(t) ]; Ф(у) - 0. (25)

Гешп;з систета урашс!Е*а производится методом Ньвтояа при начальных условиях:

s(0) - о; S(T.) - s~; v(0) =» о.- V(TK) - о. (26) Потод Ньвтсиа трзбуот кепкю времени для счета на ЭВМ по сравнения с другими. В каздоа точке переключения Tj существует единое множество патрат энергии на движение поезда W(Tj). которое зависит от значения Tj. Лля размве значений Ti - (Т}',Т,".....Tj") определим

последовательность W(Tj').....W(Т,*). Б последовательности

W(Ti').....iv(T,M) существует минимальное значение ЩТ,°пт). которое определяет оптимальное значение времени TV". Так как аналитическое выражение для W(Ti) неизвестно, то необходимо использовать численный метод нахондения минимума функции. Для определения Tt*"* применяется метод "золотого" сечения, при использовании которого требуется минимальное время счета на эвм.

Таким образом, для нахождения энергетически оптимального управления используется аналитическое решение в сочетании с численными методами, что обеспечивает относительно высокую точность результатов при минимальных упрощениях. При этом решение задачи является достаточно простым и быстры;,!. Предложенная модель решения данной задачи использовалась для анализа движения поезда на участке железной дороги.

Предлагаемая модель программно реализована и использовалась й БЗ СШ1Р-УДП при проектировании высокоскоростной магистрали -и в метрополитене. Время счета на 2ВМ типа ibm PC/AT - 486 составило около 1с.

В данной главе также предложена методика проверки адекватности разработанной имитационной модели дзияения поездов на участке железной дороги. .

В четвертой главе диссертации приведены данные экспериментального исследования проектируемой высокоскоростной железнодорожной магистрали С.Петербург-Москва с использованием СППР-УДП.

При однофакторном анализе и построении зависимостей использовались функции, приведенные в таблице 1. из которых по результатам аппроксимации выбиралась функция с минимальной среднеквадратичной погрешностью, не превышающей 55?. Результаты синтеза однофакторных

зависимостей, записанных в базе знаний СППР-УДП. приведем в таблице 2. Полученные результаты анализа и синтеза бЕым использованы при проектировании ВСМ С.-Петербург-Москва, что подтверждается справками о внедрении во ВНККЯСГе и РАО ВСМ в приложении диссертации. Разработанная СППР-УЯП позволяет регать задачу определения энергетически оптимальной траектория двишш поездов в реальном масштабе време;ш с учетом сложившейся ситуации на трассе ¿три сбоях в графике движения и выполнения требований по быстродействию решения на ПЗВМ. Брега решения составляет менее секунды.

Таблица 2.

На/п Аргумент Зависимость Исходно дзктга

1. У„а* Уср= -826,5+191*Ьп(¥рах) Т = 420*ехр(203/УИах) а - -6977У1!ах/(У„ах-929) и - 3000В. Г'? =12. Р = 50Т. Ьтр = 600км

2. 5-пр усР= Ппр+21)/(-4, 8*10"* + +4*10 (1пп+21) Т=801*ехр(1.3*10 (1вр+21)) Ц-2927+3,7*(1пр+21) 300Ю1/Ч

3. N Уси= N/(-4.6*10"3+4*10"Э*И Т=781+0, 3*Л <М620*М/(36+Ю = ЗООкм/Ч

4. Р У£Р= Р/(-О. 23+3.9*Ю;3*Р) Т=Р/(1.9*10 ,+8. 4*10"**?) Ц=Р/(5,1*10" +2, 7*10" *Р) ЬТр = 600км

5. Ьтр а=2.б*1Тр0'87 Утах = 100КМ/Ч

6.. Ьт р Ус„=Ьтв/(2*10"г+5*10"3*Ьтр' Т=72+18*Ьтп 0=24, 3+2,88*Ьтр Уяах = 200КМ/Ч

7. ьтр Уср=ЬТр/(2.9*10~г+3,3*10"3* Т=104+?2*ЬТп а=б,8*ьтрп-а6 Умах = 300КМ/Ч

N

Критерием оптимальности выбран расход электроэнергии шчгзяш при условии соблюдения графика докения и учетом их взаимовлияния друг на друга при дзюкяши по участку. При определенных характеристиках подшпаного состава и трассы минимально расход злоктроа-иэргии будет определять оптимальную средой) участковую скорость двиаоний на участке, которая, в свою очередь, позволит рассчитать оптимальный графж движении на данной участке пути. Траектории дзияешш поезда по участку пуп; иошо представить графически (рис. 8), где ЧЛ - соответственно, скорость и время движения поезда; Ушах - максимально допустимая скорость двжэния поезда на данном участке; \'р - расчетная скорость движения; Уу - средняя (участковая) скорость дашзния на участке; УИ.УК - соответственно, скорость лишения поезда в начале п конце участка пути; Тк - цреыя прибытия поезда в конечную точку участка. На рис.8 представлен че-тырехфазныП рении движения, состоящий из сведущих Фаз: (О - Тс) -реиим ускорения (разгон); (Тс - Тв) - резшм стабилизации (поддержание расчетной скорости); (Тв - Тнг) - резм выбега (двиаение по инерции); (Тмт - Тк) - реши тормопешш. Введем следующие ограничения и допущения, которые несущественно влияют на конечный результат. Допустим, что ускорение разгона и торконенил постоянно (скорость изменяется линейно), а его значение определено максимально допустимой величиной по услошям комфортности пассажиров и сохранности груза. При расчете ускорения в резане выбега используем известные выражения и соотношения.

Скорость, которая используется для расчета ускорения выбега, определяется как

V = -(27)

В дальнейшие расеукдеаяях принято, что торможение с максимально допустимым по нормам ускорением, начинается в момент времени Тмт, соответствующий участковой скорости V,,. Максимально возможное ускорение разгона определяется с учетом характеристик подвижного состава и трассы, а также допустимых нг.ри комфортности пассажиров и сохранности грузов. Площадь фигура ОавТкО равна расстоянию между начальной и конечной станцией участка дороги и определяется как

5Й = V, * Т* . (28)

Чтобы данное расстояние 3 было пройдено поездом за вреня Тк. необходимо, чтобы выполнялось условие

ДБр + Д Эт = ДБ! + Двг + Д33 . (29)

После преобразований получим уравнение: А = (Чу - У„)г + В(Уу - Ук)г = УР(0,5С + А) + УР(ТК - 2ВУу + + 2В\''К + СУ„ + 2АУН) +■ (-ТкУу + 2ВУуг - 2ВУуУк - 0,5СУуг -- 2АУ,У„ + АУуг). • (30}

Приведем уравнение (30) к виду

аУрг + с4УР + а = 0 . (31)

где а - ускорение выбега. ' равное удельному сопротивлении движению поезда; а - (-0.5С - А); с, - Тк - 2ВУу + 2ВУХ + СУу + 2АУ„ ;

(3 = - ТкУу + ВУу2 - 0,5СУуе - АУ„2 - В\'кг . . Решая уравнение (31), находим значение Ур . т.е. скорость, которая необходима и достаточна для того, чтобы поезд прибыл на конечную станцию участка в расчетное время Тк . Далее.определяем значения Тс и Тв из уравнений (30.31). Учитывая исходные ограничения и условия оптимальности метода Понтрягина, можно сказать, что моменты перехода из первой фазы движения во вторую и из третьей фазы в четвертую будут оптимальными. Так как предельно возможным значением может бить только Утах , то можно в первом приближении спре-

делить минимально возможное значение Тк . Оптимальное значение графикового времени Тк зависит от рассчитанного значения скорости Чр . которая, в свою очередь, определяет энергетически оптимальный режим ведения поезда. Трехфазный рении управления движением поезда. представлен на рис.9. Находим необходимую и достаточную скорость УР, чтобы выполнялись следующие условия:

v

v«

'¡з3 а'Т44^^ g ■

/1 1 ч 1б

V, дэр /II о ^ ^ 1 |\ 1 ^ ^¡хх

V« _£ + +-------. 1 1 1 1 1 1.1 1 1 !

С Тир Тс Тс Тит Тк t

Рис.8. Четырехфазный режим движения.

Рис.9. Трехфазный режим движения.

Ур < 3« = У,*ТК: ЛЬкр + АЭкт - АЗ* ^ЛЗя^ДЗвз+ДЗ^. (32)

После преобразований получим:

„ • Ур - а,(Т„ + 2ВУу - Те) УР - УЛ а„*Тс

Ут = - ; ^ = - . (33)

1 - 2авВ ап

аУр + с»Ур + с1 - 0. (34)

1 + 2авА

где а - К4(А + В); К4

1 - 2а-в

С1-0.5т,р-0.5тит-ВК1-ВУзГ-ВК1уу - АУ, - ^АУ« - К^ - 0.5К1Тит;

(1 - к4 ; К4 - к2 + к3 : К2 = а(У, - Уи)г * В(у, - Уя)2 - 0,5Уут„р + 0.5уутк, : кз - 0.5уутит + ВК^у + ВУу2 + ауиуу + К,АУ„ + 0.5к,ТК1 .

По разработанной методике сначала производится расчет для трехфазного реяима движения, который является априори оптимальным. Если Ур> У„ах, то осуществляется переход на четкрехфазный резеим движения с вычислением параметров оптимальной траектории. Таким образом, при заданных ускорениях разгона и тормоаения. времени Т* и Ума* производится выбор энергетически оптимального режима движения с, построением его траектории с указанием времени, координаты перехода от одной фазы движения к другой и соответствующего в этих точках значения скорости поезда. В результате работы СППР-УДП экономия затрат электроэнергии составила (10-12)%.

Показано, что для решения вопроса энергетически оптимальной траектории движения необходимо решение вопроса о допустимой области суммарного времени движения поездов со сниженной скоростью на участке, равной или нняе маршрутной, что фактически является ре-

зервом времени хода поездов. Установление графика движения без резерва времени вызвало бы значительное снижение пропускной способности участка, поскольку возникаете опоздания поездов, вследствие нештатных ситуаций, не удалось бы скомпенсировать за счет использования резерва времени. Резерв времени может быть использован, также, для оптимизации энергозатрат при движении поезда. Если такого резерва нет, то участок преодолевается за минимальное время с максимально возможной скоростью. В этом случае нет возможности говорить о какой-либо оптимизации с позиции экономии электроэнергии. Суммарное время сюшения скорости ТС1! определяется как

1 -

Уср

Тс, < - * (Тв - Тр - Тт) (35)

[ Ь

V )

Анализизуя это выражение, можно сделать следующие выводы:

если расчетная скорость меньше средней (Ур < Чср) , то поезд прибудет на конечную станцию с отставанием от графикового времени

(т > тк): •

если Ур > Уср, то значение Ур определяет максимально допустимую величину Гсмм , т.е. резерв времени хода поезда на участке, который используется для компенсации,нештатных ситуаций.

Таким образом, соблюдение условия выполнения графика движения на участке обусловливается с одной стороны, расчетной скоростью движения на отрезке пути с.ее поддержанием, а с другой - принятой

Ь

или расчетной для данного участка средней (маршрутной) скоростью движения. В свою очередь Vp определяет максимально допустимое суммарное время снижения скорости Тсн на данном участке, которое представляет собой резерв времени по отношении к заданному графиком движения времени Тх. Рассчитанный таким образом резерв времени

хода поезда на участке Тс» кокет быть использован для компенсации

»

нештатных ситуаций, когда происходят по тем или иным причинам задержи поездов, приводящие к снинента скорости движения. Имея требование к резерву врешш Тс„ можно определить в первом приближении допустимый объем нештатных ситуаций, приводящих к снижению скорости движения. Такие ситуации представляются в виде вектора нештатных ограничений скорости, который записывается'следуюпда образом:

V„0 - { tj.lj.V,.....tl.ll.Vj.....t„. 1и, Va }. (36)

В пятой глэпз диссертации приведены результаты использования СППР-УДП для автоматического построения графиков движения поездов в Петербургском метрополитене.

В полностью автоматизированной системе достаточно слояно реализовать свойственные человеку возможности анализа поездной работы и управления ею, если учесть, что эти задачи существенно различаются для разных линий метрополитена. Тем не менее, применение ЭВМ при построении графика движения оказывается целесообразным, поскольку обеспечивает снижение нагрузки на оператора, предупреждение ошбок и активацию возможностей персонала за счет создания более благоприятных условий работа. Более того, с помощью диалога с системой расширяется' сфера применения новых подходов в процессе принятия решений пользователем.

Предлагаемая технология составления планового гра£::ка движения поездов устраняет такие работы кап планирование графика движения, вычерчивание и разине .гчшз графика, расчет эксплуатационных показателей плановог'о графика движения я др.

Недостатком сушзстеувгдак подходов при . построении плановых графиков на хелезнодорокноя транспорте и метрополитене по шевио автора является исключение имитационного коделлрегания, использовании которого становится'наиболее зуфйстизгшм как при разработке вариантных графиков двккеши поездов па период рс-мо;тю-путевых работ, так и при создании общей модели дкшвия поездов, которая способна прогнозировать последстска нештатных ситуаций на линии. На основании выполненного оСследоишля и зиаягя возможностей СППР-УДП молю выделить следуящке задл'1!1 систсш: заполнение и ведение базы данных линий иетрошлитыга. необходимой для построения графика движения поездов; автоматическое построение графика движения поездоз по Формализованным «лгорнтеам путем обработки 'базы данных, включая подзадача организации начала движения составов, увеличения количества составов на линии. уненывекие количества составов на линии, организации окончания движения составов; авто-".атазадал режимов визуализации к шсигабароЕания построенного графика движения поездов; формирование выходного файла данных построенного графика для вывода на печать.

В работе предлагается следующая структура програк.'ло-методн-ческого обеспечения СППР-УДП для метрополитена, приведеная на рис. 10.'

Нзтодэтоскоз обсспеченчо

îîpofpci у я:се обесг!эчвн:!£

Рис.10. Структура программно-методического обеспечения СППР-УДП.

Главной задачей методического 'обеспечения является формирование технологического алгоритма построения графика для заданного варианта линии метрополитена. Набор таких алгоритмов положен в основу программного модуля построения графиков (МЯТ), который может наращиваться при проектировании новых линий метрополитена и модернизации существующих. По существу МИГ является базой знаний системы, которые накапливаются с помощью приведенного на рис.10 методического обеспечения. Остальные модули программного обеспечения являются универсальными и служат для организации диалога с пользователем (ПОД), графического интерфейса и защиты от ошибок оператора (МОД); создания базы данных линий метрополитена, необходимой для построения графиков (БД): моделирования процессов движения поездов и расчета эксплуатационных показателей построенного графика движения (ММД); формирования выходного файла графика движения поездов и расчета эксплуатационных показателей построенного графика (НМД); формирования выходного файла графика движения (ММФ); визуализации (МВ) и мультипликации графика движения заданной линии метрополитена (ММ).

График движения поездов на метрополитене разрабатывается гра-фистами на основании личного опыта с использованием методических рекомендаций по разработке и построению графиков, постоянной схеме расстановки составов на ночной отстой (утвержденной начальником метрополитена), графиком оборота составов, утвержденным на определенный срок, и других руководящих документов.

В шестой главе диссертации обосновано народно-хозяйственное значение выполненного исследования и предложены перспективные направления применения СППР-УДП для решения задач анализа, синтеза и оптимизации показателей работы АТК-УДП. Показано, что разработан-

нке теоретические и методологические основы построения СППР-УДП обеспо'ясзют универсальность их работа, начиная с этапов разработки и кончая процессами их технической эксплуатации. Эта системы не требуют специальной компьютерной подготовки специалистов в данной предметной области. Основные результаты применения СППР-УДП в процессе пуско-нзладочных работ и во время эксплуатации реальных сис-

*

теп управления на железнодорожном участке документально подтверждены в приложениях к диссертации.

Разработашпй автором дталоговкй репга формулировки поставленной задачи, автоматическая кастроПка моделей на объект автоматизации. открытость СППР-УДП н удобство пользователя при работе позволяет успеето притенять ое в процессе обучения сйецкалистов в данной предметней области. В частности, основные положения предложенной теории использовались в дисциплине "Катекатические модели в задачах на зе!!" для студентов специальности "Автоматика и телемежника на келэзнодоропгси транспорте". .

Эффективность результатов ' внедрения СППР-УДП в различных организациях и на предприятиях железнодорожного транспорта подтверждена в приложениях к диссертации.

ЗДКГГПЗПЕ

1. Сшпезиропгша универсальная блочная и функциональная схемы СППР-УДП с использование:.! системного подхода и выдвинутых в работе концептуальных пологешШ па основе предложенной классификации задач.

2. разработана изтояяка синтеза комплекса БИЛ СППР-УДП, которая обобщает извести достге?ия теории имитационного кодвлпрова-иия СЛ023Ш систем с использованием эвристических методов и спет»-

фики работы АТК-УДП.

3. Предложена структура обобщенной блочной модели участка железной дороги, которая определяется .формализованной постановкой задачи исследования и отвечает принятым концепциям имитационного моделирования.

4. Разработана универсальная методика построения диалога и программы вывода решений в СППР-УДП. которая апробирована на примере решения задач анализа, синтеза и оптимизации при проектировании высокоскоростной магистрали и в метрополитене.

5. Разработанная программа вывода решений СППР-УДП позволяет решать задачи синтеза однофакторных и многофакторных зависимостей основных показателей работы АТК-УДП от влияющих факторов.

6. Построена имитационная модель управления двикением поездов на участке железной дороги, на которую можно накладывать различные алгоритмы интервального регулирования и автоведения, что делает её универсальной . и позволяет использовать в составе СППР-УДП для сравнительной оценки различных систем-управления с учетом детерминированных и вероятностных воздействующих факторов. Отличительной особенностью разработанной БИМ СППР-УДП от существующих является то, что она может автоматически перестраиваться с нарастающей сложностью, которая определяется поставленной перед системой задачей.

7. • Разработана методика обеспечения заданной точности и . достоверности статистической .оценки показателей качества функционирования БИМ СППР-УДП, на основании которой проведена проверка адекватности полученных в СППР-УДП данных с реальными контрольными выборками. Погрешность не превышает 5%, что является допустимы!.! в теории моделирования.

8. База имитационных моделей СППР-УДП позволяет определять энергетически оптимальные траектории движения поездов как при нормальной, так и при сбойкой ситуациях на участке аелезной дороги с учетом координат, параметров и режимов движения впередиидущего поезда,

9. Предложен численно-аналитический метод определения энергетически оптимальной траектории движения поездов, учитывающий характеристики движения впередиидущего поезда при ограничении по времени хода в соответствии с графиком и имеющий быстродействие на порядок выше существующих методик и разработок. Метод1 имеет погрешность вычислений, не превышающую (5-7)%. что позволяет использовать СППР-УДП в составе БАСУ поезда для подсказки машинисту по выбору энергетически оптимальной траектории движения поезда при возникновении нештатных и сбойных ситуаций-

10. Разработан аналитический метод определения резерва графикового времени, реализованный в виде программного модуля БЗ и являющийся универсальным для любых участков железной дорога при определении области решения 'задачи по расчету оптимальной траектории движения поезда по энергетическому критерию.

П.. Синтезированы алгоритмы автоматического построения плановых графиков движения поездов на метрополитене с использованием эвристических методов и имитационного моделирования, которые включены в БЗ СППР-УДП, что открывает перспективы применения этой системы при проектировании графиков движения для других видов транспорта.

Основные положения диссертация опубликованы в следующих работах:

1. Баранов л.А.. Ерофеев Е.В.. Сапояшков В.В., Васклзнко H.H., Быков В.П. Сиотеш подвергай принятия решений. //Железнодорожный транспорт. - 1995. К12. С. 19-21.

2. Быков В.Г.. Василенко М. Н. Анализ влияния надежности управляющей вычислительной системы на эффективность автоматизированного технологического комплекса управления на Еелезнодорозшом транспорте. В кн. Тезисы докл. Всесоюзного научно-практического семинара. "Статистические методы -исследования функционирования сложных технических систем." И.: МЭИ, 1983. - С.280-282.

3. Быков В.П., Василенко H.H.-, Рубикотойи H.H. Экспертная система оценки показателей эффективности функционировании высокоскоростной магистрали на основе ыаиашшШ иниташонаой коделя. В кн.: Тезисы докл. Всесоюзной конф..'"КодедлроЕание систем и процессов управления на транспорте". К.: BffiSKT, 1991. - С. 172-174.

4. Быков В.П. Исследование вопросов надежности АСУТП кп сортировочных горках. Автореферат длсс. на соиск.' уч. степени канд. техн. наук. - Л.: ЛКИЕГ. 1983. .

5. Быков В.П., Шацев Н.3. Зависимость надежности АСУРСГ от перспективных вагонопотоков. /ЛКИЖТ.' - Л.: 1931. -Деп. в ЦШ5ГГЭИ МПС, 12с.

6. Василенко М.Н., Гринеяко A.B. Марков Д.С, Быков В.П. Метод минимизации алгоритмического обеспечения .-слоашх систем кассового обслуживания на келезнодороаном транспорте. Труды ЛШИТа "Автоматика и вычислительная техника на железных дорогах". -Л.: ЛИ-ЮКТ. 1989, 7с.

7. Быков В.П.. Василенко H.H., Рубинштейн Н.И. Экспертная

система оценки показателей эффективности функционирования высокоскоростной магистрали (ВСЯ) на основе машинной имитационной модели перегона. В кн. Тезисы докл. Всесоюзной конференции "Моделирование систем и процессов управления на транспорте". - М.: ВНИИЖГ, 1991. с. 172-174.

8. Быков В. П., Василенко М.Н., Баймироз М. Е. Имитационное

I

моделирование в экспертных системах. В кн. Тезисы докл. Республиканской научно-техн. конференции "Прогресс и экология". - Лктау.: 1992, с.6-7.

9. Быков В.П., Василенко М.Н. Синтез формализованных математических схем имитационных моделей систем железнодорожной автоматики и телемеханики. / ШИТ. - Л.: 1992. - 12с. - Деп. з ЦШИТЭИ !!ПС.

10. Быков В.П., Василенко М.Н., Рубинштейн Н.И. Методика проектирования насинных имитацио:шнх экспериментов с моделями технологических комплексов./ПКЙТ. - Л.: 1992.. 23с. - Деп. в ЦККИТЭИ МПС.

11. Еасиленко М.Н.. Быков В.П., Кононов В.А.. Тумин М.Я. Принципы построения языка проектирования путевых объектов жэлезно-дорегной автоматики и телемеханики. ЛШТ. - Л.: 1992. 23с. - Деп. В ЦКИИТЭИ МПС.

12. Vasllenco М.Я.. BycovV. Р., Korotcov D.S., Rubinshteln ПЛ., Tumln M.Y. Complex of the Base models for Tasks of Optimizing Railway Autor.atlc and Telemechanic Complicated Бузterns. -Third International Workshop on Model Oriented Data Analysis (MODA - 3). St.- Petersburg. 1992. p.00-34.

13. Сапожников Вл. В., Быков В.П.. Василенко М.Н. Имитационная модель для исследования процесса движения поездоп па высокоскоростных кагистрплях. Тр. ХШГГа "Элементы и устройства современных

систем нелезнодорозшой автоматики и телемеханики". Вып. 23. -Харьков.: ХЙИТ. - 1993. 12-16с.

14. Быков В.П. Влияние ренина движения высокоскоростного поезда на резерв графикового времени хода. Тр. ПГУПС "Проблемы построения микропроцессорных систем железнодорожной автоматики". -С.Петербург.: 1995, с.23-29.

15. Быков В.П.. Василенко М.Н.. Короткое Д.С. Структура алгоритма программы организации диалога в экспертной системе высокоскоростной магистрали. (ВСМ-эксперт)/Л'р. ПГУПС "Проблемы построения микропроцессорных систем железкодорокной автоматики". - С.Петербург.: 1995. с.54-60.

16. Быков В.П. Определение энергетически оптимальной траектории движения поезда. Тр. ПГУПС "Проблекы построения микропроцессорных систем велезнодорошой автоматики". - С.Петербург.': 1Э95, с.100-106.

17. Быков В.П. Об одном подходе к построению экспертных систем на железнодорожном транспорте. //Элементы и системы автоматического управления на железнодорожном транспорте. Мелшуз. сб. науч. тр. / Хабаровск.: ХабИШГ, 1993. - 18-21.

18. Быков В.П. Система информационного обеспечения режима автоведения на ВСМ. //Автоматика, телемеханика и связь. - М.: 1994. - М. - С. 8.

19. Быков В.П. Об одном подходе к решению задачи терминального управления. //Электронное моделирование. - Киев.: АН Украины. -1994, N5.

20. Быков В.П. Зависимость резерва" графикового времени от скоростного режима движения поезда на высокоскоростной магистрали. Л.: 1994. - Деп. в ЦШОТШ МПС.

21. Быков В. П. Экспертная компьютерная система для высокоскоростного движения поездов. В кн. Тезисы докл. 53 научно-технической конференции. С.-Петербург.: ГОИТ- - 1993.

22. Быков В.П., Коротков Д.С. ВСМ - эксперт. В кн. Тезисы докл. 54 научно-технической конференции. С.-Петербург.: ПИИТ. -1994.

23. М. N. Vasllenco, V.P. Bycov, D.S. Korotcov. Common Mathematical Scheme for Complex Transport Systeas Simulation. - International Workshop'" on Mathematical Methods and Tools In Computer Simulation. St. Petersburg. 1994, p.23-24.

24. V.P. Bycov, M.N. Vasllenco. T.M. Bycova. Optimization of Energy Expenditure for Object Movement Operation, -"international Workshop on Mathematical Methods and Tools In Computer Simulation, St. Petersburg. 1994. p. 70.

25. Быков В. П.. Василенко И. H.. Коротков Д.С. Система поддержки принятая решений для участка железной дороги. В кн. Тезисы доклада вколы-семинара "Микропроцессорные системы связи и управления на. железнодорожном транспорте". Алушта.: ХИИТ. 1S94.

26. Рыков В.П., Василенко М.н. Система поддержки принятия ре-иений. на метрополитене (СППР-М). В кн. Тезисы доклада на международной школе-сешяаре "Микропроцессорные системы связи и управления на железнодорожном транспорте". Алушта.: ХИИТ. 1995.

27. Василенко М. Н., Гриненко А.В.. Быков В. П. Принципы разработки автоматизированных рабочих мест по ведению технической документации. В кн. Тезисц доклада на международной вколе-семинаре "Микропроцессорные' системы связи и управления на железнодорочмом транспорте*. Алушта.: ХИИТ. 1935.

28. Биков В.П.. Василенко "Л!., Лисовский М.П. Компьютерная

система поддергов принятия эффективных решений по управлении движением. //Автоматика, телемеханика и связь. - 1995, КВ. с.27.

29. Василенко М.Н., Быков В. П. Моделирование процессов двоения поездов на участке гелезной дорога. Методические указания к практическим занятиям но курсу "Математические модели в задачах на ЭВМ". С.-Петербург.: ПГУПС. - 1995.

30. Быков В.П., Еасиленко М.Н., Лисовский М.П., Гршшпун Е.Я. Компьютерная система поддержки принятая решений в задачах автоматического построения графиков деикения поездов в системах управления на метрополитене. В кн. Тезисы докл. Международной конф. "Региональная информатика - 96 (РИ-96)". С.Петербург. ПГУПС. 1996.

Подписано к печати Ш.09,96г.

Формат 60x84 1/16. Бумага для множит, апп. Печать офсетная. -Усл. печ. л. 3. Тираж 490 Заказ II Ш, :

Быков Валерий Павлович

Типография ПГУПС, 190031, Санкт-Петербург. Московский пр.,9.