CC BY
38
«ТРАНСПОРТЫ СИСТЕМИ ТА ТЕХНОЛОГИ ПЕРЕВЕЗЕНЬ»
36ipmtK наукових працъ ДНУЗТ ш. акад. В. Лазаряна. Bun. 13. 2017р.
УДК 656.21.071
1 *
А. В. ГОРБОВА 1
'* Каф. «Компьютерные информационные технологии», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, г. Днепро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373-15-35, эл. почта [email protected], ORCID-0000-0002-5612-2715
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПАРКА ПРИБЫТИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ СТАНЦИИ
Цель. Имитационное моделирование работы станции является одним из основных методов изучения ее работы, позволяющее получить качественные и количественные показатели станции и оценить эффективность ее функционирования. Возникшая задача повлекла исследование и разработку метода моделирования парка прибытия железнодорожных станций с помощью конечных автоматов разных типов, что и является целью данной статьи. Методика. Для описания работы станции в статье применяется расширенный вариант диаграмм Харела, предназначенных для описания конечного автомата. В качестве методов исследования используются методы объектно-ориентированного проектирования, конечных автоматов и теории систем массового обслуживания. Графическое представление технологического процесса реализовано с помощью унифицированного языка моделирования UML. Представление технологического процесса железнодорожной станции реализовано в виде диаграмм состояний и действий программного комплекса IBM Rational Rose. Диаграммы описывают иерархическую организацию конечных автоматов, а также последовательности работ различной степени детализации. Результаты. Предложенная методика позволит с помощью диаграмм Харела строить имитационные модели железнодорожных станций. Ценность предложенного метода состоит в том, что модель представляет собой иерархически организованную совокупность взаимодействующих конечных автоматов, при этом сложная модель на каждом уровне иерархии сохраняет простую и обозримую структуру. Сигналы о начале и окончании работ, которые генерируют при переходе между состояниями, позволяют синхронизовать работу модели, а использование действий при описании состояний и сигналов (расширение, предоставляемое языком UML) позволяет использовать внешние алгоритмы там, где конечно-автоматный формализм становится неудобен. В качестве примеров приведены конечные автоматы, моделирующие работу приёмо-отправочного парка железнодорожной станции. Описанная методология реализована средствами языка UML, что существенно облегчает представление и восприятие модели станции. Научная новизна. Впервые предложено применение иерархических конечных автоматов к моделированию работы станции. Иерархическое представление позволяет моделировать работу станции методом перехода от общего к частному, избежав ошибок при моделировании и получив более достоверные эксплуатационные показатели работы станции. Практическая значимость. Модель железнодорожной станции предназначена для решения задач оперативного планирования и оптимизации работы станции. Кроме этого, предложенный метод позволит упростить графическое представление станции при моделировании технологических процессов.
Ключевые слова: технологический процесс; конечный автомат; диаграмма состояний; диаграмма Харела; язык UML
Вступление также оценить эффективность разнообразных
мероприятий по изменению конструкции, тех-
Железнод°рожная станция представляет с°- нического оснащения или технологии. Для по-бой многоканальную эргатическую систему строения модели применяется: MаCC°B0.Г0.0бCЛУ_ЖИBаHИЯ_ со_ сложной с_трук!у- - моделирование работы с помощью конечного автомата;
- моделирование с помощью математических пакетов;
рой. Данная система состоит из подсистем, которые взаимодействуют между собой в процессе функционирования. Основной целью оптимизации работы станции является увеличение "моделирование с помощью унифици-перерабатывающей способности при уменьше- рованного языка моделирования. нии внутрипроизводственных затрат. В этой Язык иЫЬ не является вполне формализо-
связи важно иметь имитационную модель раб°- ванным в том смысле, что работа описанного с ты станции для моделирования станционных
технологических процессов.
Имитационная модель станций позволит получить качественные показатели их работы, а
его помощью автомата не определена однозначно, и нужно ввести дополнительные соглашения о среде исполнения и моделирования временных зависимостей.
doi: https://doi.org/10.15802/tstt2017/110765 © Горбова А. В. 2017
В работе [17] рассмотрен способ моделирования операций с опорой на дополнительные спецификации ИМЬ [15]. Одним из возможных способов формализации являются диаграммы состояний ИМЬ вместе с правилами их перевода в исполняемые автоматы на основе сетей Петри, предложенный в работе [16]. В настоящей работе рассматривается альтернативный подход к решению этой задачи, основанный на описании среды функционирования автомата и протокола обмена сигналами.
Каждый из предложенных подходов нашел свое отражение в работах современных ученых и может быть применен для построения эффективной модели. Представление технологического процесса в виде имитационной системы рассматривалось в [1, 7, 8]. В приведенных работах показаны методы автоматического представления технологического процесса станции, предложены методы построения ее основных элементов и моделирование ее работы. Эти работы ценны тем, что предлагают одну возможные подходы к автоматическому построению модели технологического процесса железнодорожной станции.
В работе [2] предложен другой подход функционального представления работы станции на основании унифицированного языка моделирования ИМЬ. Предложенный подход позволяет моделировать работу станции как системы в виде простых диаграмм, причем каждая из них имеет простую для понимания структуру, не является громоздкой и требует сравнительно небольших временных затрат на моделирование. Но при описанном способе исследования пользователь получает качественную модель работы станции, но не получает количественных характеристик ее работы.
Кроме описанных подходов моделирования, одним из простых методов представления технологических процессов является представление функциональной работы станции методом конечных автоматов [4]. При правильном построение конечного автомата, моделирование работы станции в специализированных средах дает возможность получения не только функциональной модели, но и расчета количественных характеристик работы станции.
Цель
Целью статьи является моделирование парка прибытия железнодорожных станций с помощью конечных автоматов разных типов, организованных в иерархические структуры.
Методика
Рассмотрим возможность применения диаграмм состояния языка UML для описания работы станции. Диаграмма состояний представляет собой расширенный вариант диаграмм Харела [11, 14], предназначенных для описания конечного автомата. При этом используют обычное представление конечного автомата в виде графа с вершинами-состояниями и ребрами-переходами. Эти диаграммы отличают, кроме того, наличие средств, позволяющих описать иерархические отношения (подсостоя-ния), параллельность работ, синхронизацию. С каждым переходом также можно связать действие, позволяющее расширить изобразительные возможности модели за счет обращения к произвольным программам, которые не ограничены конечно-автоматным формализмом. Так, например, с любым состоянием автомата могут быть связаны метки классов entry, exit, do со ссылками на программы, выполняемые при входе в состояние, выходе из него и в течение времени, когда автомат пребывает в рассматриваемом состоянии. Метка перехода содержит:
1) имя события со списком параметра;
2) сторожевые условия (переход выполняется лишь в том случае, когда это условие выполнено);
3) действия (обращение к внешней программе, которая исполняется, когда происходит переход).
Применение диаграммы состояний языка UML делает возможным конечно-автоматное описание сложной системы в виде иерархически организованной совокупности конечных автоматов, причем на каждом уровне иерархии модель остается простой и обозримой, а обращение к внешним программам позволит избежать необходимости применения конечных автоматов в тех случаях, когда это становится неудобным.
На верхнем уровне модель станции представляет собой совокупность состояний, которые не связаны друг с другом. Каждое из этих состояний представляет собой некоторые подавтоматы, и работа подавтоматов происходит параллельно. Эти состояния соответствуют единицам технологических ресурсов (путь, маневровый локомотив, фронты разгрузки, бригада ПТО и проч.), а также таким объектам, как диспетчер (его основная функция - назначить исполнителя) и генератор входящего потока. Работу последних двух объектов целесообразно описывать с помощью внешних алгоритмов, а в конечно-автоматной модели они представлены
как автомат с единственным состоянием, находясь в котором, они генерирует сигналы, управляющие работой станции. Взаимодействия конечных автоматов друг с другом происходит посредством сигналов, которые генерируются в процессе работы автоматов. В качестве краткой иллюстрации опишем следующую последовательность переходов. Генератор заявок подает сигнал «Прибыл поезд (номер поезда)». Этот сигнал воспринимает диспетчер, который выдает сигнал «Принять поезд (номер поезда, путь)». При этом он выполняет некоторые алгоритмы для того, чтобы определить номер пути, на который следует принять поезд, а этот сигнал воспринимает автомат, представляющий соответствующий путь, последовательность состояний которого соответствует технологическому процессу обработки поезда. Таким образом, мы приходим к тому, что автоматы должны реагировать на следующие сигналы:
1) «Выполнить (работа, объект)» — этот сигнал воспринимает диспетчер, обрабатывает его и назначает исполнителя, генерируя сигнал,
описанный в следующем пункте;
2) «Выполнить (работа, объект, исполнитель)» — исполнитель представляет собой конечный автомат, соответствующей некоторой единице технологического ресурса;
3) «Завершена (работа, объект)» — синхронизирующий сигнал, оповещающий о завершении работы;
4) специальный сигнал т для измерения интервала времени.
Рассмотрим общие принципы описания работы технологического ресурса. При этом в качестве примера будем использовать маневровый локомотив, закрепленный за парком прибытия. Как правило, технологический ресурс, будучи задействован, участвует в операциях, следующих друг за другом, как это предписывает технологический процесс работы станции. Эти операции нетрудно представить в виде графа некоторого конечного автомата. На рис. 1 показаны графы для маневрового локомотива, выполняющего работы по транспортировке групп вагонов на фронтах разгрузки.
СОСТОЯНИЯ
1. Прибытие маневрового локомотива
2. Постановка группы вагонов под выг-рузку на ВО-1.
3. Постановка группы вагонов на путь зернового парка.
4. Постановка группы вагонов на путь угольного парка
5. Постановка группы вагонов на путь рудного парка
6. Постановка группы вагонов под выг-рузку на ВО-2.
7. Постановка группы вагонов под выг-рузку на СРВ-1.
8. Постановка группы вагонов под выг-рузку на СРВ-2.
9. Постановка порожних вагонов на пути приёмо-отправочного парка
10. Постановка группы вагонов под размораживание
11. Постановка группы вагонов под выгрузку контейнеров.
12. Выполнение лабораторного анализа
13. Постановка группы вагонов на путь
Рис. 1 . Граф работ маневрового локомотива на станции
Рассмотрим, как в рамках конечного автоматного формализма представить информацию
о длительности выполнения технологической операции, точнее пусть нужно изобразить пе-
реход из состояния А, где объекты выполнят операции продолжительностью ^ в некоторое состояние В. Что считать сигналом, вызывающим этот переход и где хранить информацию о времени перехода. В работе предлагается считать что все сигналы являются внешними по отношению к состоянию для отслеживания времени и служат последовательностью однородных сигналов х, которые соответствуют равномерно отстающим друг от друга моментов времени. Для отслеживания времени выполнения маневровых работ может применятся два подхода:
1) обработка состояний конечного автомата в каждый момент обработки событий х;
2) обработка событий автомата со сложной структурой.
Каждый из предложенных подходов подразумевает построение конечного автомата со своими правилами переходов между состояниями.
В случае построения конечного автомата первым методом, обработка состояний выполняется в каждый момент событий х. При этом необходимо хранить массив времени изменения состояний конечного автомата, сигнал генерируется в момент х и выполняется проверка перехода в следующее состояние конечного автомата. Работа автомата продолжается до тех пор пока в определённый момент времени х не состояние конечного автомата будет последнее («Поезд отправлен»).
Второй подход генерируется так же на основе конечного автомата, но для такого подхода важным есть построение автомата от общих к детальным, а так же управление автоматов осуществляется через внешние сигналы и переходы сопровождаются количественными данными из одного состояния в другое. На рис. 2 показан конечный автомат, построенный средствами языка ИМЬ для разгрузки вагонов с разными грузами.
Модель представляет собой совокупность иерархических автоматов, каждый автомат соответствует единице технологического ресурса станции (путь, маневровый локомотив, сортировочная горка), рис. 3. Отдельные элементы (конечный автомат) моделирую деятельность диспетчера, стратегии действия этих элементов описывает множество параметров, которые в дальнейшем можно рассматривать, как переменные оптимизационной задачи в первом приближении описать деятельность диспетчера максимально простой стратегии. Вагоны, находящиеся в процессе обработки - параметры состояния.
Результаты
Предложена методика построения иерархических конечно-автоматных моделей железнодорожных станций с помощью диаграмм Харе-ла.
Рис. 2. Конечный автомат разгрузки вагонов с разными типами грузов, построенный средствами языка ИМЬ
Рис. 3. Модель технологического процесса
разгрузки вагонов как совокупность конечных автоматов
Научная новизна и практическая значимость
Предложен усовершенствованный метод функционального моделирования железнодорожных станций на основе применения иерархических конечных автоматов.
Функциональная модель железнодорожной станции может быть использована для анализа изменения конструкции, технического оснащения и технологии ее работы, а также для оценки соответствия технического оснащения существующим и перспективным объемам работы.
Выводы
В статье предложен метод моделирования работы станции. Этот метод позволяет с помощью диаграмм Харела строить модели железнодорожных станций. Ценность предложенного метода состоит в том, что модель представляет собой иерархически организованную совокупность взаимодействующих конечных автоматов, при этом сложная модель на каждом уровне иерархии сохраняет простую и обозри-
мую структуру. Сигналы о начале и окончании работ, которые генерируют при переходе между состояниями, позволяют синхронизовать работу модели, а использование действий при описании состояний и сигналов (расширение, предоставляемое языком UML) позволяет использовать внешние алгоритмы там, где конечно-автоматный формализм становится неудобен. В качестве примеров приведены конечные автоматы, моделирующие работу приёмо-отправочного парка железнодорожной станции. Описанная методология реализована средствами языка UML, что существенно облегчает представление и восприятие модели станции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бобровский, В. И. Функциональное моделирование работы железнодорожных станций : монография / В. И. Бобровский, Д. Н. Козаченко, Р. В. Вернигора, В. В. Малашкин. - Днепропетровск, 2015. - 269 с.
2. Бобровский, В. И. Модели, методы и алгоритмы автоматизированного проекти-рования железнодорожных станций : монография / В.И. Бобровский, Д. Н.Козаченко, Р. В. Вернигора, В. В. Малашкин. - Днепропетровск : Изд-во Маковецкий, 2010. -156 с.
3. Горбова, О. В. Удосконалення методiв тех-шко-експлуатацшно! оцшки роботи залiзничних станцш : дис. ... канд. техн. наук: 05.22.01 / Горбова Олександра Вiкторiвна. - Днепро : ДНУЗТ, 2016. -167 с.
4. Глушков, В. М. Синтез цифровых автоматов / В. М. Глушков. - Москва : Физматлит, 1962. -476 с.
5. Леоненков, А. В. Самоучитель UML / А. В. Леоненков. - Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2002. - 304 с.
6. Шторм, Р. Теория вероятностей. Математическая статистика Статистический контроль качества. / Р. Шторм. - Москва : Мир, 1970. - 370 с.
7. Козаченко, Д. Н. Объектно-ориентированная модель функционирования железнодорожных станций / Д. Н. Козаченко // Наука та прогрес транспорту. - 2013. - № 4 (46). - С. 47-55. - doi: 10.15802/stp2013/16570.
8. Козаченко, Д. Н. Автоматизированное формирование функциональных моделей железнодорожных станций / Д. Н. Козаченко, Р. В. Вернигора, В. В. Малашкин // Транспортш системи та технологи перевезень. - 2014. - Вип. 8. - С. 65-73. - doi : 10.15802/tstt2014/38089.
9. Козаченко, Д. М. Програмний комплекс для iмiтацiйного моделювання роботи залiзничних станцш на основi добового плану граф^ / Д. М. Козаченко, Р. В. Вернигора, Р. Г. Коробйова // Залiзн. трансп. Украни. - 2008. - № 4 (70). - С. 18-20.
10. Мiрошниченко, В. М. 1нформацшна техно-лопя iмiтацiйного моделювання систем залiзнично-
го транспорту в середовищi Anylogic / В. М. Мiрош-ниченко, £. В. Недзельський // Проблеми eKOHOMÎKH та управлiння на залiзничному транспорта : Зб. ма-терiалiв м1жнадр. наук.-практ. конференцiï. - Кшв : ДЕТуТ, 2014.
11. Рахмангулов, А.Н. Особенности построения имитационной модели технологии работы железнодорожной станции в системе ANYLOGIC : [Елект-ронний ресурс] / А. Н. Рахмангулов, П. Н. Мишку-ров // Modern problems and ways of their solution in science, transport, production and education. - 2012. -Режим доступу: http://www.sworld.com.ua/index.php /en/transportation-412/rail-412/15131-412-0744. - Пе-ревiрено 25.05.2017.
12. Gorbova, О. V. Modeling Work of Sorting Station Using UML / O. V. Gorbova // Наука та про-грес транспорту.- 2015. - Вип. 1 (55). - С. 129-138. -doi : 10.15802/stp2015/38260
13. Harel, D. Statecharts: A visual formalism for complex systems / Devid Harel // Science of Computer Programming. - North-Holland, 1987. - P. 231-274.
14. Harel, D., Statecharts: A visual formalisms // Devid Harel - Communications of the ACM, 1988. -
Vol. 31, - Number 5. - P. 514-530.
15. Manuel Silva. On Modelling of Hierarchical and Distributed Discrete-Event Systems / Manuel Silva, José Manuel Colom, Jorgé Julvez, Cristian Mahulea, Jan H. van Schuppen, Rong Su, Jan Komenda, Jörg Raisch8, Stephanie Geist, Philippe Darondeau // The DISC Project Perspective, 2007. - P. 85.
16. Armin Zimmermann. Eine Quantitative Untersuchung des European Train Control System mit UML State Machines / Armin Zimmermann, Jan Trowitzsch // Entwurf komplexer Automatisierungs systeme, Mai 2006, Braunschweig
17. Vieri Del Bianco, A formalization of uml statecharts for real-time software modeling [Текст] / Vieri Del Bianco, Luigi Lavazza, Marco Mauri // Society for Design and Process Science, Printed in the United States of America, June, 2002.
Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. Лаврухиным О.В (Украина)
Поступила в редколлегию 10.04.2017.
Принята к печати 12.04.2017.
О. В. ГОРБОВА
МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ПАРКУ ПРИБУТТЯ ЗАЛ1ЗНИЧНО1 СТАНЦП
Мета. Ыпацшне моделювання роботи станцп е одним з основних методiв вивчення и роботи, що дозво-ляе отримати яшсш i шльшсш показники станцп i оцшити ефектившсть И функцюнування. Виникла задача спричинила дослвдження i розробку методу моделювання парку прибуття залiзничних станцш за допомогою шнцевих автомапв рiзних титв, що i е метою дано! статп. Методика. Для опису роботи станцп в статп за-стосовуеться розширений варiант дiаграм Харела, призначених для опису сшнченного автомата. В якосп методiв дослщження використовуються методи об'ектно-орiентованого проектування, сшнченних автоматiв i теорii систем масового обслуговування. Графiчне представлення технологiчного процесу реалiзовано за допомогою унiфiкованоi мови моделювання UML. Представлення технологiчного процесу залiзничноi' стан-цii реалiзовано у виглядi дiаграм станiв i дш програмного комплексу IBM Rational Rose. Ддаграми описують iерархiчну органiзацiю сшнченних автомапв, а також послiдовностi робгг рiзного ступеня деталiзацii. Ре-зультати. Запропонована методика дозволить за допомогою дiаграм Харела будувати iмiтацiйнi моделi заль зничних станцiй. Цiннiсть запропонованого методу полягае в тому, що модель являе собою iерархiчно орга-нiзовану сукупнiсть взаемодiючих скiнченних автомапв, при цьому складна модель на кожному рiвнi iерар-хii зберпае просту i доступну для огляду структуру. Сигнали про початок i закiнчення робiт, якi генерують при переходi мiж станами, дозволяють синхрошзувати роботу моделi, а використання дш при описi станiв i сигналiв (розширення, що надаеться мовою UML) дозволяе використовувати зовнiшнi алгоритми там, де звичайно-автоматний формалiзм стае незручний. Як приклад наведено сшнченш автомати, що моделюють роботу приймально-вiдправних парку залiзничноi станцii. А методологiя що реалiзована засобами мови UML дозволяе ютотно полегшити уявлення i сприйняття моделi станцп. Наукова новизна. Вперше запро-поновано застосування iерархiчних сшнченних автомапв до моделювання роботи станцп. Iерархiчне представлення дозволяе моделювати роботу станцii' методом переходу ввд загального до детального, уникнувши помилок при моделюванш i отримавши б№ш достовiрнi експлуатацiйнi показники роботи станцп. Практична значимкть. Модель залiзничноi' станцii призначена для вирiшення завдань оперативного планування i оптимiзацii роботи станцп. Крiм цього, запропонований метод дозволить зменшити витрати часу для графь чного представлення станцii при моделюванш технолопчних процесiв.
Ключовi слова: технолопчний процес; кiнцевий автомат; дiаграма станiв; дiаграма Харела; мова UML.
A. V. GORBOVA
MODELING WORK WITH PARK OF ARRIVAL TRAIN STATION
Purpose. Simulation modeling of the station is one of the main methods of studying its work, which allows to obtain qualitative and quantitative indicators of the station and to assess the effectiveness of its operation. This task entailed researching and developing a method for modeling the arrival park of railway stations using finite state machines of various types, which is the purpose of this article. Method. To describe the work of the station, an extended version of the Harel diagrams used to describe a finite automaton is used in the article. As research methods, methods of object-oriented design, finite automata, and the theory of mass service systems are used. The graphical representation of the technological process is realized with the help of a unified UML modeling language. Representation of the technological process of the railway station is realized in the form of diagrams of states and actions of the software complex IBM Rational Rose. Chart describes the hierarchical organization of finite automata, as well as the sequence of works of varying degrees of detail. Results. The proposed technique will allow using the Harel diagrams to build simulation models of railway stations. The value of the proposed method consists in the fact that the model represents a hierarchically organized set of interacting finite automata, with this complex model at each level of the hierarchy retains a simple and accessible for review structure. The signals about the start and end of work that are generated in the transition between the states allow synchronizing the work of the model, and the use of actions in the description of states and signals (the extension provided in the language UML) allows the use of external algorithms where the usual automatic formality becomes uncomfortable. As an example, finite automata that simulate the work of the receiving and sending park of the railway station are shown. A methodology implemented by means of the language UML allows significantly simplify the representation and perception of the model station. Scientific novelty. As a result of the study was first proposed use of hierarchical finite automata to modeling work station. A hierarchical representation allows you to simulate the work of the station by the method of transition from general to detailed, avoiding errors in modeling and obtaining more reliable operational performance of the station. The practical significance. Model of the railway station allows to solve problems of operational planning and optimization of the station. In addition, the proposed method will reduce the time expenditures for the graphical representation of the station during the simulation of technological processes.
Keywords: technological process; finite state machine; state diagram; Harel's diagram; language UML.
