CC BY
116
Проблематика транспортных систем 5
ISSN 1815-588X © Петербургский государственный университет
путей сообщения, 2007
Проблематика транспортных систем
УДК 656.224/225
Р. В. Кучумов
ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПЕРАТИВНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗОЧНЫМ ПРОЦЕССОМ НА КРУПНОЙ СТАНЦИИ
Развитие современных систем оперативного управления на ж.-д. станциях идёт по пути совершенствования технических средств, но никак не технологии работы оперативного персонала (ОП), работающего с внедренными системами. Предлагается развивать автоматизированные системы в сторону увеличения интеллектуальности, перенося часть функций ОП на компьютерную систему. Задача оперативного планирования - основная, с которой сталкивается дежурный по станции (ДСП) в процессе работы. Система автоматического оперативного планирования должна улучшить условия труда ОП, уменьшить роль человеческого фактора и оптимизировать ход технологического процесса на станции. Задача оптимизации работ особенно актуальна на крупных станциях, где человеку сложно справиться с качественным её исполнением из-за большой размерности этой задачи.
оперативное планирование, автоматизированная система управления, интеллектуальная система.
Введение
Работа оперативного персонала на крупной железнодорожной станции характеризуется необходимостью выполнения большого объёма поездной и маневровой работы. При этом дежурный по станции (ДСП), руководствуясь суточным планом-графиком, распределяет работу станции таким образом, чтобы обеспечить выполнение заявленных задач. В условиях автоматизации создаются предпосылки для создания системы автоматического оперативного планирования на станции.
1 Трудности, возникающие у станционного оперативного персонала
Для реализации поставленных перед ним задач оператор вынужден "держать в голове" всю технологическую модель станции, что требует не-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
6
Проблематика транспортных систем
прерывного слежения за передвижениями. Установлено, что ДСП более половины рабочего времени наблюдают за табло. Для облегчения запоминания наличия на путях подвижных единиц они вешают на кнопки колпачки, треугольники и т. д. В компьютерных системах возможно помещать на экран картинки с условными обозначениями того или иного объекта.
Как показывает практика, большое число браков на станции связано с ошибкой оператора. С ростом уровня автоматизации производства эта тенденция наблюдается по всему миру во всех отраслях экономики. Так, в результате анализа большинства аварий и происшествий на всех видах транспорта, в промышленности и энергетике были получены следующие данные. В 60-х годах XX века ошибка человека-оператора была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х годов доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80%.
Исследования показывают, что наиболее крупная категория ошибок, совершаемая станционным оперативным персоналом, - это ошибки подмены (54%) и ошибки памяти (24%) [1].
Ошибки подмены проявляются в выполнении неправильных действий взамен требуемых или невыполнение вообще. Примерами может служить случайное управление стрелками, имеющими контроль требуемого положения, или перепутывание поездной и маневровой категорий при задании маршрутов.
Ошибки памяти проявляются в забывании выполнения управляющих воздействий или проверок в нужный момент. Например, несвоевременное открытие сигнала для принимаемого поезда.
В список ошибок можно включить и более редкие ошибки, но характерные для работы в режиме реального времени с большим объёмом информации, - это ошибки недостатка внимания. Они обнаруживаются как в виде несвоевременного обнаружения сигналов, так и при формировании команд. Например, задержка приема поездов у входного светофора. Существуют также ошибки, совершаемые в результате неспособности выполнить требуемое действие по причине растерянности, оцепенения.
По данным исследований, затраты времени ДСП на выдачу команд не превышают 10% длительности смены, тогда как обмен информацией - до 80%.
Однако несмотря на все предпосылки и проблемы современные станционные автоматизированные системы управления (АСУ) не привнесли ничего нового в работу оперативного персонала. Современные АСУ просто заменяют пульт-табло на современное компьютерное рабочее место (АРМ) и не более того.
2 Постановка задачи
Для того чтобы уменьшить роль человеческого фактора, оптимизировать выполнение технологических операций и улучшить условия труда
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
7
ОП, необходимо вводить в станционные автоматизированные системы управления интеллектуальные составляющие. Это должно освободить оператора от рутинных операций, необходимости "держать в голове" всю технологическую ситуацию, помнить о прошедших и предстоящих событиях, выполнять на ходу планирование и оптимизацию, при этом активно обмениваться информацией с "внешней средой".
Система должна выполнять оперативное планирование работ, то есть выполнять производственное и исполнительское планирование, ориентированное на дополнение, детализацию, внесение коррективов в намеченные ранее планы и графики работ.
Система должна иметь следующие возможности:
• предоставление ДСП возможности работы не напрямую с элементами топологии станции, осуществляя элементарные операции по заданию маршрутов, а оперировать цельными технологическими задачами. При этом разделением технологических задач на элементарные действия система занимается самостоятельно;
• осуществлять оперативное предоставление технологических задач на исполнение, осуществляя оптимизацию станционных работ по выбранному оператором критерию.
3 Требования к системе автоматического оперативного планирования
Строя интеллектуальную систему управления, необходимо перенести часть управляющих функций на программные средства, которые должны принимать решения.
Известно, что принятие решений осуществляется при следующих условиях [2].
1. Наличие цели (целей). Необходимость принятия решений диктуется наличием некоторой цели, которую нужно достичь. Если цель не поставлена, нет никакой необходимости принимать какое-либо решение.
2. Наличие альтернативных линий поведения. Решения принимаются в условиях, когда существует более одного способа достижения цели или, иначе, несколько альтернатив достижения цели. С различными альтернативами могут быть связаны различные затраты и различные вероятности достижения цели. Эти затраты и вероятности не всегда могут быть точно определены. Поэтому часто принятие решений сопряжено с неясностью и неопределенностью. Если же существует лишь одна линия поведения, то выбора нет и, следовательно, решение принимать не требуется, оно очевидно.
3. Наличие ограничивающих факторов. Решение обычно принимается в условиях действия большого числа факторов, ограничивающих возможность выбора способов действий.
Выявление всех трех указанных основных элементов задачи принятия решения должно обязательно предшествовать её непосредственному ре-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
8
Проблематика транспортных систем
шению.
ДСП в процессе сменной работы руководствуется суточным планом-графиком. Среднесуточные задания месячных технических норм могли бы приниматься как задания для оперативных планов, если бы система оперативной организации перевозочного процесса (обозначим ее S) не испытывала множества нередко весьма существенных возмущающих воздействий как внутри системы, так и от внешней среды [3]. Такие воздействия внутри системы обозначим как xs, а возмущающие воздействия при взаимодействии системы S со средой обозначим: xi - входные, yi - выходные воздействия.
Получение и использование текущей информации о внутренних и внешних возмущающих воздействиях является необходимым условием разработки оперативных планов и заданий, а также их выполнения.
Рассмотрим сначала взаимодействие системы S со средой. Ниже представлены события внешние, оказывающие воздействия на объект управления - станцию.
1. Изменение заявок на отправления грузов по сравнению с месячными планами и организацией погрузочно-выгрузочных работ.
2. Изменение организации подвода груженых и порожних вагонов. Следует отметить, что предприятия, осуществляющие выгрузку, могут особенно заметно влиять на оперативную работу, когда предъявляемый объем грузов к выгрузке не соответствует выгрузочной способности таких предприятий в конкретный период времени. Это имеет место, например, при сгущенном подводе вагонов под выгрузку или при временном снижении выгрузочной способности грузовых фронтов по различным причинам.
3. Погодные условия, влияющие на ход перевозочного процесса.
4. Другое.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
9
На рисунке 1 представлены условия взаимодействия системы S с указанными объектами внешней среды. По каждому из них перед составлением оперативных планов и в процессе их выполнения необходимо получать текущую информацию и определять, как это влияет на показатели разрабатываемых оперативных планов и заданий, а в последующем - и на их выполнение.
Дополнительно к перечисленным объектам внешнего воздействия следует учитывать еще один системный фактор - посуточную и внутрисуточную неравномерность грузовых перевозок. Посуточные отклонения погрузки, выгрузки, размеров движения поездов по участкам, переработки вагонов на станциях от среднесуточных размеров перевозок, определяемых месячными техническими нормами, являются объективным условием работы железнодорожного транспорта, поскольку предприятия, как правило, отправляют со станций каждые сутки разное количество вагонов, в разное время и с тем или иным изменением маршрута следования вагонов.
В условиях массовости погрузки (более 100 тыс. грузоотправителей) для этого процесса действует закон больших чисел. В результате, как показали выполненные ранее исследования ряда авторов, суточные размеры передачи вагонов по междорожным стыкам колеблются по закону, близкому к нормальному распределению. Изменяются размеры движения и по внутрисуточным периодам. Обозначим возмущающее воздействие внешней среды в виде образующейся суточной и внутрисуточной неравномерности через х0.
Внутрисистемные возмущающие воздействия связаны с условиями и технологией работы объектов системы S. К ним относятся:
1) технические средства системы S (путь, подвижной состав, устройства электроснабжения, СЦБ и связи, станционные устройства и др.), которые имеют определенную надежность и соответственно отказы при их эксплуатации. Обозначим такие возмущающие воздействия как xs 1;
2) нарушения технологии работы оперативным персоналом (нарушения плана формирования, передержки «окон» по ремонту пути, нарушения в регулировании вагонных парков и т. п.) - xs2;
Рис. 1. Возмущающие воздействия на систему оперативной организации перевозочного процесса на станции (S) при взаимодействии со средой (х - входные воздействия, у - выходные воздействия)
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
10
Проблематика транспортных систем
3) избыточное насыщение вагонным парком и поездами имеющейся емкости путевого развития станции. При определенном уровне заполнения вагонами и поездами путей станции и перегонов возникают затруднения в оперативной работе, что следует учитывать при планировании и выполнении планов, - xs3;
4) предъявление объемов работы более наличной пропускной способности участков и перерабатывающей способности станций, что вызывает простои подвижного состава на подходах к таким объектам системы S, -xs4;
5) несоответствие исходных условий эксплуатационной обстановки на полигоне сети условиям нормальной работы станций, участков и направлений, т. е. уже при разработке оперативных планов на полигоне сети возможна ситуация, не соответствующая тем принятым нормальным условиям, на которые разрабатывались месячные технические нормы. Этот тип возмущающего воздействия обозначим xs5.
Общая схема и условия разработки и выполнения оперативных планов представлены на рисунке 2. Следует отметить, что необходимо различать возмущающие воздействия, учитываемые при оперативном планировании (первого рода), и фактические, имеющие место при выполнении планов (второго рода). Они могут в какой-то степени совпадать, но могут и существенно различаться. Поэтому для диспетчерского аппарата необходима непрерывная информация по всем видам возмущающих воздействий: х0,
х1-х7, xs1-xs5.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
11
Рис. 2. Общая схема и условия разработки и выполнения оперативных планов
Задачи планирования поездной и грузовой работы - многокритериальные. Поэтому для их решения необходимо сведение задачи к одному критерию. Сделать это можно, предоставив возможность оператору задавать необходимые критерии и получать оптимальные (по заданному критерию) и близкие к нему варианты. Так, при нормальной рабочей обстановке могут быть использованы традиционные критерии, к числу которых относятся:
• минимальные затраты на выполнение прогнозируемого объема работы;
• сокращение эксплуатационных расходов;
• уменьшение величины отклонения от технических норм и технологических алгоритмов;
• максимальная прибыль от выполнения работы (операции);
• ускорение продвижения вагонопотоков;
• четкое выполнение графика движения поездов;
• повышение участковой скорости движения поездов.
Исходные данные, необходимые для функционирования информационной модели, условно можно разделить на две группы: условнопостоянные и оперативные (динамические).
К условно-постоянным исходным данным относятся:
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
12
Проблематика транспортных систем
• информация, характеризующая расчетный участок в целом, включая его технико-эксплуатационные особенности;
• данные, характеризующие схему, техническую оснащенность и технологию работы станции.
Эти данные являются условно-постоянными, так как изменяются только в результате реконструктивных мероприятий либо при существенном изменении технологии работы.
На основе условно-постоянной информации создаётся модель станции, которая будет использована при выборе путей приема и маршрутов следования поездов различных категорий. Для более детального рассмотрения выделены следующие характерные группы поездов, имеющих индивидуальные особенности при приеме и отправлении:
• скорые, пассажирские, пригородные поезда (пути их приема);
• поезда, выполняющие развоз и уборку местных вагонов (сборные, сборно-участковые, вывозные и т. д.); указывают все возможные пути приема и работы;
• участковые и сквозные поезда;
• грузовые поезда с негабаритными грузами с указанием степени не-габаритности (определение конкретных путей, по которым может быть принят или пропущен груз с данной негабаритностью);
• грузовые поезда, имеющие в составе вагоны с опасными грузами (ВМ).
Специализация путей для приема, отправления и пропуска поездов рассматривается детально для каждой группы поездов. Проводится специализация по следующим признакам:
1) по роду движения (пассажирское/грузовое);
2) по направлению движения (четное/нечетное/оба направления);
3) по роду тяги (постоянный ток, переменный, нет контактной сети).
Указывается, какие приемо-отправочные пути оборудованы пассажирской платформой, имеется ли пешеходный мост или подземный переход для пассажиров.
Все пути должны быть ранжированы по очередности их выбора для определения маршрута приема и пропуска поездов всех категорий.
К оперативным исходным данным можно отнести:
• наличие ограничений в движении (технологические «окна» или другие временные перерывы в движении). Указывается точное место и время начала и, если известно, время окончания «окна»;
• наличие временных предупреждений (указывается точное время и место начала и окончания действия предупреждения, ограничение скорости);
• подходы поездов к станции;
• информацию о локомотивах: серия локомотива, номер локомотива,
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
13
пробег с момента последнего ТО-2, дорога и депо приписки локомотива, категория годности;
• информацию о локомотивных бригадах: время явки бригады, фамилия машиниста, квалификация локомотивной бригады;
• информацию о поездах, включающую следующие сведения: номер и индекс поезда, категория поезда, коды начального и конечного пунктов следования на заданном полигоне, время прибытия (прогноз прибытия) на начальную станцию участка, перечень кодов станций, на которых поезд имеет обязательные стоянки, признак опоздания, местонахождение, признак негабаритности, признак наличия опасного груза в составе поезда.
В практической деятельности пользователей железнодорожного транспорта (оперативного и обслуживающего персонала) информационная модель является источником информации, на основе которого формируется образ реальной поездной обстановки, производится анализ и формируются управляющие действия в системе. Полнота описания информационной модели определяют ее адекватность, а следовательно, и эффективность системы управления. Действительно, чтобы принять решение об установке маршрута необходимо предварительно оценить ситуацию на станции по многим составляющим технологического процесса. Поскольку конечной целью перевозочного процесса является целенаправленное перемещение подвижных единиц (поездов, вагонов, локомотивов), то для организации любого перемещения исходными данными является точное знание места, назначения, состояния каждой единицы, технологического состояния систем и подразделений, технического состояния устройств.
Источниками информации для динамического функционирования моделей являются прежде всего технические средства автоматизации - средства автоматической идентификации подвижных объектов, контроля состояния напольных устройств (стрелок, сигналов, рельсовых участков), устройства ПОНАБ, ДИСК, КТСМ и др., а также формируемые на основе данных о перемещениях сведения о расположении подвижных единиц на станции. Трудноформализуемые процессы сбора информации о технологическом положении на станции (динамика процессов погрузки/выгрузки на фронтах, исправность технических средств механизации и др.) компенсируются путем переговоров и запросов данных.
Модель - упрощённое представление объектов или явлений реального мира. Модель строится с целью формализации законов функционирования объекта моделирования. Модель строится с упрощениями и допущениями, не свойственными объектам реального мира. В нашем случае создание информационной модели станции необходимо для возможности её представления в программном виде, удобном для работы АСУ.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
14
Проблематика транспортных систем
Структуру взаимодействия составляющих элементов информационной модели станции можно увидеть на рисунке 3.
Технологическая модель получает информацию о текущем состоянии технологического процесса посредством обратной связи с технической моделью, информация об объектах управления (в рамках технологического процесса) поступает от локомотивной, вагонной, поездной моделей. Дополнительная координирующая информация доступна от распоряжений диспетчера (например, распоряжение о пропуске поезда вне графика) и от эксплуатационнотехнического персонала.
В действующих инструкциях даны нормы времени для всех видов работ с поездами, следующими через станции. Однако многообразие составов поездов, ситуаций и условий работы приводит к значительным отклонениям от технологических норм. Необходимо более достоверное моделирование работы станции по обработке поездов в конкретных условиях, т. е. расчет продолжительности операций, выполняемых с поездом, расчет времен занятия путей, горловин.
Характерные особенности обработки имеют следующие группы поездов:
1) транзитный поезд со сменой локомотива на стыковой станции;
2) транзитный поезд со сменой локомотива на пограничной станции с таможенным контролем документов;
3) транзитный поезд со сменой локомотива на пограничной станции с полным циклом пограничных операций;
4) поезд своего формирования;
5) поезд своего формирования пограничной станции с таможенным контролем документов;
6) поезд своего формирования пограничной станции с полным циклом пограничных операций.
В связи с этим предлагается использовать приёмы нормирования времени хода технологических операций, основанные на обучении управляющей системы, например метод многофакторного ситуационноэвристического нормирования (СЭМН) [4]. Суть этой методики заключается в том, что в целях повышения достоверности моделирования перевозочного процесса используются не усредненные нормативы затрат времени
Рис. 3. Иерархия составляющих информационной модели станции
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
15
на выполнение технологических операций, а оперативно рассчитанные, учитывающие не только массу поезда, но и весь комплекс влияющих факторов.
Целесообразно учитывать:
1) всего вагонов в поезде;
2) всего груженых вагонов (в том числе по типам вагонов);
3) всего порожних вагонов в поезде (в том числе по типам вагонов);
4) число групп и работников в бригадах: коммерческого осмотра (4.1), технического осмотра (4.2), таможенного досмотра (если проводится) (4.3), пограничного контроля (если проводится) (4.4);
5) техническое состояние вагонов в поезде;
6) коммерческое состояние вагонов в поезде;
7) особенности таможенного досмотра вагонов в прибывающем поезде (если проводится);
8) техническое состояние локомотива;
9) квалификация локомотивной бригады;
10) количество проработанных бригадой часов;
11) состояние междупутий;
12) погодные условия (температура, скорость и направление ветра, осадки);
13) видимость.
Например, расчет оперативных норм работы на пограничной станции проводится для следующих объектов управления (в скобках указаны номера факторов, влияющих на продолжительность операций, выполняемых объектом управления):
• бригада ПТО (1, 2, 3, 4.2, 5, 11, 12, 13);
• бригада ПКО (1, 2, 3, 4.1, 6, 11, 12, 13);
• бригада таможенников (1, 2, 3, 4.3, 7, 11, 12, 13);
• бригада пограничников (1, 2, 3, 4.4, 7, 11, 12, 13);
• работники технической конторы (1, 2, 3, 5, 6, 7);
• локомотив и прикрепленная к нему локомотивная бригада (8, 9, 10, 12, 13).
После выполнения каким-либо объектом управления определенной операции и получения величины ее фактической продолжительности проводится самообучение массива опыта, соответствующего данной операции.
К исходным данным для моделирования работы станции относятся также характеристика путей (длина в четном и нечетном направлении, специализация, категории обрабатываемых на этом пути поездов), характеристика маневровых локомотивов и районов их работы (выполняемые операции, маршруты следования, максимальные масса и длина составов при маневрах по каждому из маршрутов).
Примерная последовательность проводимых на станции операций вы-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
16
Проблематика транспортных систем
глядит следующим образом:
• выход на путь приема поезда работников ПТО и ПКО (продолжительность может быть определенной и не рассчитываться);
• отцепка поездного локомотива, отпуск автотормозов и ограждение состава;
• прием грузовых документов от локомотивной бригады;
• следование локомотива на пункт технического осмотра;
• технический осмотр состава и безотцепочный ремонт вагонов;
• коммерческий осмотр и устранение неисправностей, выполнение приемо-сдаточных операций. Эти операции выполняются параллельно с техническим осмотром, но они должны нормироваться, в частности для выявления превышений продолжительности коммерческого осмотра над продолжительностью технического осмотра;
• следование поездного локомотива из пункта технического осмотра под состав;
• прицепка поездного локомотива, проба тормозов, вручение документов машинисту локомотива.
Время занятия маршрута рассчитывается в зависимости от типа локомотива, характеристики бригады, веса и длины состава и других факторов.
Горизонт планирования работы ДСП ограничен периодом времени, на который определены потоки заявок на обслуживание ("прогнозные" времена прибытия поездов и их отправления). С увеличением времени планирования технологических процессов станции хотя бы до суток существенно снижается достоверность прогноза времени прибытия и отправления поездов. Анализ работы дорог и исследования [5] показывают, что, как правило, достаточно точная информация о возможном времени прибытия и отправлении поездов в реальных условиях имеется на ближайшие 3-4 часа: так называемый период принятия управляющих воздействий.
Заключение
Качество работы станции по выполнению технологических операций и соблюдению графика движения поездов определяется решениями, принимаемыми оперативным персоналом в области планирования и оптимизации текущих работ. Дополнение современных управляющих систем интеллектуальным модулем автоматического оперативного планирования, по нашему мнению, уменьшит роль человеческого фактора, улучшит условия труда ОП за счет предоставления возможности оптимально планировать технологический процесс.
Библиографический список
1. Методы и технические средства концентрации и централизации оперативного управления движением поездов (развитие теории и практические приложения) : дис. ... д-ра техн. наук / А. Б. Никитин. - СПб., 2005. - 249 с.
2007/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
17
2. Теория прогнозирования и принятия решений : учеб. пособие / ред. С. А. Саркисян. - М.: Высшая школа, 1977. - 352 с.
3. Принципы выбора исходных данных для организации оперативного управления перевозочным процессом ОАО РЖД / А. А. Поплавский // Вестник ВНИИЖТа. -2006. - № 5. - С. 56-61.
4. Многофакторное оперативное нормирование времени выполнения технологических процессов / Л. П. Тулупов, Ян Юйлиан // Вестник ВНИИЖТа. - 1997. - № 5. -С. 20-24.
5. Использование поездных локомотивов в грузовом движении / В. И. Некра-шевич. - Гомель: БелГУТ, 2001. - 269 с. - ISBN 985-6550-55-6.
УДК 656.21 Н. В. Медведева
ПЕРСПЕКТИВЫ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МАГИСТРАЛЕЙ И СУЩЕСТВУЮЩИХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЛИНИЙ
Рассматриваются варианты совместного использования высокоскоростных специализированных магистралей и реконструированных существующих железнодорожных линий. Приводится методика определения основных показателей вариантов и их технико-экономического сравнения.
высокоскоростная специализированная магистраль, реконструкция существующих железнодорожных линий, технико-экономическое сравнение вариантов.
Введение
В настоящее время в мире продолжает развиваться сеть высокоскоростных специализированных магистралей (ВСМ), вместе с этим повышаются скорости на существующих железнодорожных линиях. Зарубежный опыт показывает, что только совместное использование ВСМ и реконструированных железных дорог является наиболее эффективным, обеспечивая наибольший комфорт пассажиров и позволяя охватить высокоскоростными экспрессами большую территорию, а следовательно, привлекая дополнительный пассажиропоток на ВСМ.
1 Зарубежный опыт и перспективы совместного использования в России ВСМ и существующих железных дорог
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2007/3
