CC BY
96
Интегрированная система управления железной дорогой с применением спутниковых
технологий
И. Н. РОЗЕНБЕРГ, докт. техн. наук, профессор, первый заместитель генерального директора ОАО «НИИАС», О. В. ТОНИ, канд. экон. наук, вице-президент ОАО «РЖД», В. Я. ЦВЕТКОВ, докт. техн. наук, докт. экономич. наук, профессор
Железная дорога как геотехническая система нуждается в регулярном всестороннем мониторинге, который бы обеспечивал оперативное получение и обобщение данных на разных уровнях. Открытая инновационная разработка «Ин тегрированная система управления железной дорогой» позво лит сформировать единое информационное пространство и те лекоммуникационную среду транспортного комплекса России обеспечить безопасность его информационного пространства решить задачу интегрированного управления транспортными сетями страны.
Развитие транспортной инфраструктуры играет важную роль для устойчивого развития России и вхождения ее в международную систему хозяйства. Надежность работы всех коммуникаций во многом зависит от оперативной и достоверной оценки пространственно-временных параметров при-родно-техногенных условий и процессов. При этом важно знать существующее состояние объекта, динамику ситуации и возможные направления ее развития.
Железная дорога представляет собой геотехническую систему (ГТС), имеющую внутреннюю структуру и инфраструктуру, активно взаимодействующую с внешней средой и решающую важные экономические и социальные задачи страны.
Информационная обеспеченность всех уровней управления геотехническими системами — от регионального до локального — в настоящий момент недостаточна. Возникают критические ситуации, ликвидация ущерба от последствий которых имеет экстремальный характер и неоправданно большую стоимость, чего можно было бы избежать при своевременной системной оценке взаимодействия природных и техногенных факторов.
Одним из эффективных способов получения оперативной информации
о состоянии дороги, грузопотоков на ней и окружающей среды является космическое зондирование. Для управляющих органов необходим регулярный мониторинг ГТС, обеспечивающий оперативное получение и обобщение данных на разных уровнях.
В соответствии с современными представлениями о ГТС исследование взаимодействия природных факторов и инженерных сооружений на всех стадиях их создания и эксплуатации должно обеспечиваться интегрированным подходом, формирующим информационную основу разработки управленческих мероприятий по экологической и технической безопасности природы и общества и оптимизации транспортных потоков.
Представляется весьма актуальной задача разработки структуры и содержания специального геоинформационного обеспечения для управления ГТС с оценкой ее состояния и динамики, прогнозом критических ситуаций и рекомендациями по инженерной защите как составной части системы комплексного управления транспортными сетями страны.
Данная разработка включает в себя:
• решение задачи формирования единого информационного пространства транспортного комплекса России;
• решение задачи формирования телекоммуникационной среды транспортного комплекса России;
• решение задачи обеспечения информационной безопасности единого информационного пространства транспортного комплекса России;
• решение задачи интегрированного управления транспортным комплексом России;
• концепцию создания автоматизированной системы управления транспортного комплекса России (АСУ ТК).
На рис. 1 представлены основные стратегические цели инвестиционного проекта.
Одна из причин выполнения проекта в виде открытой инновационной разработки заключается в том, что вследствие ограниченности собственных интеллектуальных и технологических ресурсов многие подразделения ОАО «РЖД» не могут полагаться исключительно на собственные ресур-
Интеграция исследовании проектных, научных, учебных и производственных организаций
Интеграция интеллектуального капитала специалистов разных организаций
Создание единого информационного пространства
Создание системы мониторинга объектов железнодорожного транспорта
Повышение качества планирования и управления перевозочным процессом
Оптимизация управления инфраструктурой и сокращение эксплуатационных затрат
Обеспечение безопасности лерееозочного процесса
Поддержка и наращивание интеллектуального капитала
Рис. 1. Основные стратегические цели инновации
сы. Для них с экономической точки зрения целесообразнее купить лицензию, технологию, программу или патенты других компаний, а также интегрировать свои усилия с усилиями специалистов, работающих в данном направлении.
Кроме того, были приняты во внимание расширение технологий аутсорсинга, широкое распространение знаний и все сильнее проявляющаяся тенденция к открытым разработкам (открытый программный код, свободное программное обеспечение и пр.). Также учитывалось и то обстоятельство, что на местах накоплен позитивный опыт диспетчеризации и управления, требующий использования и широкого внедрения, которое выходило бы за рамки участков железной дороги. Все эти факторы обусловили первые две цели.
Железная дорога представляет собой сложную распределенную геотехническую систему. Оперативное управление такой системой в современных условиях возможно только на основе единого информационного пространства, что и определило третью цель. Это пространство объединило различные информационные потоки: оперативную информацию диспетчерских служб, электронный документооборот, ситуационный анализ в ситуационных комнатах, информационные потоки спутниковых навигационных систем и др.
Телекоммуникационные системы служат основой создания информационного пространства и управленческой информационной среды. В совокупности эти компоненты дают возможность интеграции данных в единую систему и тем самым обеспечивают возможность комплексного использования всей информации.
Использование космических технологий определило четвертую цель проекта — создание информационного подпространства оперативного мониторинга подвижных объектов на основе спутниковых технологий.
Интеграция различных информационных потоков и систем данных позволила создать общую информационную основу единого информационного пространства. На этой основе стал возможен новый комплексный анализ информации, что, в свою очередь, обеспечило повышение качества перевозочного процесса и его планирования.
Разработка и использование новых информационных моделей, включаю-
щих динамические и статические составляющие, позволили поставить и реализовать шестую цель проекта, заключающуюся в оптимизации управления инфраструктурой железнодорожного транспорта и снижении на этой основе эксплуатационных затрат.
Обеспечение безопасности перевозочного процесса определило седьмую цель проекта. Интеграция данных и новых информационных моделей создали возможность применения технологии spin-off, что позволило получить дополнительный эффект обеспечения безопасности перевозочного процесса.
Информационная поддержка процесса управления определяется не только качеством и количеством программно-технологических средств, но и кадровой подготовкой специалистов. В более широком аспекте это выражается в необходимости поддержания и наращивания человеческого и интеллектуального капитала, что и стало восьмой целью проекта.
Все цели в совокупности определили направленность инновационной разработки.
В настоящее время общепризнанным является положение, что управление и эксплуатация геотехнических систем (включая железные дороги) базируется на своевременном и всестороннем изучении прямых и обратных связей между взаимодействующими природными компонентами и инженерными сооружениями на всех стадиях и этапах их создания и эксплуатации. Поэтому достижение стратегических целей было основано на геоинформационных технологиях, которые в методологическом плане при изучении природной среды и пространственных объектов являются наиболее интегрированными технологиями.
При реализации проекта применялось не каскадное проектирование, а итеративное, с использованием метода встречных информационных потоков.
На рис. 2 приведена структурная схема инновации, которая послужила основой решения стратегических задач.
На первом этапе проводились комплексные аналитические исследования, включая теоретические, патентные и технологические. Далее на основе их результатов был сформулирован ряд концептуальных решений, которые являются объектами интеллектуальной собственности авторского коллектива.
Затем в ходе формирования и накопления объектов интеллектуальной
Рис.2. Структурная схема инновации
собственности создавалась интегрированная информационная система управления. В качестве ее основы использовалась интегрированная геоинформационная среда.
Геоинформационный подход продиктован целым рядом факторов, при этом в числе основных — выявление и использование пространственных отношений, что достижимо только с помощью методов геоинформатики. Еще одна причина состоит в том, что геоинформационные технологии обеспечивают максимальную по сравнению с другими информационными технологиями степень сбора и интеграции разнообразных данных.
Геоинформационные технологии позволяют использовать визуальные модели ситуаций, что существенно повышает оперативность анализа и принятия управленческих решений. Соответственно, геоинформационный мониторинг является самым емким в аспекте качественного и количественного использования информации.
Геоинформационные технологии позволяют без особых проблем интегрировать космические технологии спутниковой навигации и космического позиционирования подвижных объектов в единое информационное пространство и управленческую среду.
В совокупности новые технологические и теоретические решения позволили создать интегрированную систему управления, основой которой является интегрированная геоинформационная среда и система комплексного мониторинга. Комплексный мониторинг основан на применении спутниковых радионавигационных систем ГЛО-rn.CC/GPS.
ИСУ
АС ОКСО
АС УЭ
АС ОППР
АС СПУКПО
АС УПЛ В КС АС ТН
АБТЦ-М ЦМП АСОПП
АС МК СМПО АС ФСПГП
АС РАПО АС ОС АС ОППУ
АС ВТП
АС БСУКПС
АС ПД
АС ОГС
Рис. 3. Циклическая информационная модель оценки
Рис. 4. Компоненты интегрированной системы управления
Интегрированная геоинформационная среда базируется на новой модели геоданных, ядром которой являются данные спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Геоданные и среда кроме пространственных данных включают в себя временные характеристики, экономическую информацию и данные о потоках и перемещении грузов.
В совокупности новый подход привел к возникновению синергетическо-го эффекта и достижению лучшего качества организации и управления железной дорогой. Это качество обусловило появление новой технологии управления железной дорогой и нового средства организации движения.
Геоинформационные технологии (ГТ) реализуют сбор, обработку и представление пространственной и временной информации. Управленческие технологии обеспечивают выполнение функций учета, анализа, координации, планирования, согласования, оценки, преобразования управляющих решений в форму компьютерных моделей. Они предполагают комплексные подход, основанный на возможности использования информации из всех возможных источников.
Особенность и значимость геоинформационного подхода обусловлена следующими факторами:
• цифровые модели и цифровые карты обладают интегрирующей функцией, объединяя ссылками разнородные информационные ресурсы;
• интегрирующая функция ГИС и ГТ, объединяя ссылками разнородные информационные ресурсы, дает возмож-
ность создания гипертекстовой структуры, скрывающей за графическим изображением обширное информационное пространство, включая множество отношений между пространственными объектами и их атрибутами;
• временной интервал сбора информации приводит к избыточности данных; этот фактор заставляет вводить в состав ГИС подсистему хранилища данных, ее задачей является управление переопределенной информацией значительного объема;
• восприятие потока зрительной информации осуществляется быстрее, чем анализ цифровой информации.
Была разработана информационная модель оценки эффективности проекта. Экономическая эффективность — это комплексная категория, отражающая экономичность (оптимальность потребления ресурсов) функционирования хозяйствующего субъекта железной дороги (ЖД) и его результативность (степень достижения поставленных целей).
При построении модели были выделены две взаимодополняющие характеристики качества функционирования ЖД: внешняя и внутренняя эффективность. На основе интеграции результатов оценки внешней и внутренней эффективности стало возможным определение итогового уровня эффективности деятельности ЖД.
Модель эффективности учитывает результативность работы ЖД по трем основным направлениям деятельности: текущей, финансовой и инвестиционной. Оценка эффективности присутствует на всех этапах процесса принятия управленческого решения.
Методический подход оценки эффективности работы ЖД является объектом интеллектуальной собственности. Особенность методического подхода заключается в совокупности следующих концепций:
• категория «эффективность» рассматривается как с позиций оптимальности потребления ресурсов, так и с точки зрения степени достижения поставленных целей с учетом воздействия внешней среды на ЖД;
• происходит комплексное использование как финансовых, так и нефинансовых показателей;
• ЖД рассматривается как открытая система, следовательно, показатели, характеризующие ее внутреннюю структуру как внешнюю среду, считаются взаимосвязанными;
• ЖД рассматривается как динамически развивающаяся и адаптируемая к условиям внешней среды система; следовательно, признается необходимость учитывать временной фактор;
• в соответствии с различными стадиями жизненного цикла, в которых может пребывать ЖД, выделяются три основные группы стратегических целей:
— цели, связанные с ростом (например, увеличение объема грузоперевозок, увеличение прибыльности или увеличение доли рынка);
— цели, связанные со стабильностью состояния (устойчивое развитие и совершенствование);
— цели, сопряженные с сокращением (например, сокращением затрат);
• используются временные концепции оценки эффективности: ретроспективная оценка, которая дает обоб-
щение опыта и учет реальных ситуаций, и перспективная оценка;
• для управления и оценки эффективности управления применяются технологии непрерывного мониторинга;
• применяется циклическая информационная модель оценки (рис. 3).
Циклическая информационная модель оценки (ЦИМО) является объектом интеллектуальной собственности и применима не только для оценки эффективности управления, но и для других оценок. Ее особенность состоит в возможности циклического совершенствования технологии управления или технологии оценивания на основе циклического подхода, включающего информационное обеспечение, методическое обеспечение, программное или компьютерное моделирование и технологическую реализацию результатов моделирования.
Инновационная разработка «Интегрированная система управления железной дорогой» была реализована в виде рабочего проекта «Электрификация участка Сызрань — Сенная Куйбы-шев-ской и Приволжской железных дорог со строительством второго главного пути». В целом эта работа является важным шагом на пути практической реализации инновационной стратегии ОАО «РЖД» на период до 2030 г.
«Интегрированная система управления железной дорогой», внедренная на участке Сызрань — Сенная, включает в себя совокупность автоматизированных систем (АС) по ключевым направлениям планирования и управления перевозочным процессом. Каждая из систем имеет одну или две основных и несколько вспомогательных функций. Пример основных систем с их краткими и полными названиями приведен в таблице 1 (курсивом выделены слова, из которых образовано сокращенное название системы).
На рис. 4 представлены системы, которые являются основой создания общей интегрированной системы управления. Особо выделены ВКС, ЦМП, СМПО и АС ОС, которые выполняют координирующую и связующую функции по отношению к остальным системам.
Поскольку ИСУ должна реализовы-вать функции управления, декомпозиция ее на перечисленные компоненты (подсистемы) осуществляется с целью реализации отдельных функций и осуществления взаимосвязи в процессе управления.
Внедрение данной разработки позволяет осуществлять подборку вагонов в формируемых многогруппных поездах на любом, даже ограниченном числе сортировочных путей или на концах этих путей в соответствии с такими критериями, как подборка вагонов по станциям их назначения, по грузополучателям, по собственникам подвижного состава, по родам вагонов и по их текущему состоянию (груженые и порожние), по родам перевозимого груза и видам налива, с выделением в отдельные группы вагонов с охраной и без охраны и т. п.
Эффективность внедрения разработки обеспечивается за счет следующих факторов:
• сокращения эксплуатационных расходов, связанных с формировани-
ем многогруппных составов, в том числе за счет двух-трехкратного сокращения времени на формирование мно-гогруппных составов и снижения энергозатрат при выполнении маневровой работы;
• освобождения маневровых локомотивов прикрепленных станций от необходимости детальной подборки вагонов;
• высвобождения дополнительных мощностей при формировании местных поездов и дополнительных путей сортировочных парков при применении автоматизированного метода комбинаторной сортировки вагонов;
• ускорения подачи вагонов под грузовые операции и, соответственно, сокращения простоя местных вагонов на станциях.
Таблица 1. Комплекс взаимосвязанных систем, образующих основу интегрированной системы управления
Краткое обозначение Полное название
1 АС ТН АС технического нормирования эксплуатационной работы
2 АС ОПП АС оптимальной технологической модели организации перевозочного процесса
3 АС ФСПГП АС оптимизации формирования многогруппных составов сборных поездов и грузовых подач
4 АС ОППУ АС оптимизации планирования подач и уборок местных вагонов по подъездным путям и грузовым фронтам
5 АС ВТП АС ведения технологических процессов сортировочных станций
6 АС БСУКПС АС бортовых и стационарных устройств контроля подвижного состава
7 АС ПД АС передачи данных и АРМы контроля подвижного состава
8 АС ОГС АС по обеспечению грузовых составов поездными локомотивами и локомотивными бригадами
9 АС УПЛ АС по организации управления поездных локомотивов
10 АБТЦ-М Система автоблокировки АБТЦ-М на перегоне Сызрань — Сенная
11 ВКС Высокоточная координатная система
12 ЦМП Цифровая модель пути участка Сызрань — Сенная Куйбышевской ж. д., созданная на основе ДГНСС ГЛОНАCC/GPS
13 СМПО Система моделей подвижных объектов
14 АС МК АС использования мобильных комплексов для обслуживания объектов инфраструктуры участка
15 АС РАПО АС регистрации аварийных процессов и отказов оборудования, расчета остаточного ресурса силового оборудования, оптимизации обслуживания
16 АС ОКСО АС оперативного контроля режимов работы силового оборудования, соотношения потребления активной и реактивной энергии тяговых подстанций участка Сызрань — Сенная
17 АС УЭ АС централизации энергодиспетчерского и энергосбытового управления и оптимизации режимов электроснабжения
18 АС ОППР АС проектной оценки показателей поездной работы на электрифицированном участке Сызрань — Сенная
19 АС СПУКПО АС спутникового позиционирования подвижных объектов,управления ими и контроля над ними при работе в «окнах»
20 АС ОС АС оперативной связи (распределенная система)
21 АС ДО АС дистанционного обучения
