Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ задач управления грузовыми перевозками 9
1.1. Формализация процесса управления грузовыми перевозками 9
1.2. Автоматизация задач управления грузовыми перевозками 21
1.3. Задачи исследования автоматизированной системы управления грузовыми перевозками .
Глава 2. Аналитическая модель автоматизированной системы управления грузовыми перевозками 47
2.1. Постановка задачи автоматизации слеженияза процессами грузовых перевозок 47
2.2. Нормирование операций грузовых перевозок.. 59
2.3. Постановка задачи синтеза сети передачи данных для слежения за грузовыми перевозками 65
Глава 3. Модель существующей системы слеления за грузовыми перевозками. Синтез автоматизированной системы слежения 79
3.1. Принципы построения информационной модели. 79
3.2. Синтез моделирующего алгоритма для слежения за процессом перевозок 92
3.3. Организация информации 99
3.4. Синтез алгоритмов контооля за выполнением операций обработки поездов и вагонов 114
Глава 4. Синтез сети передачи данных автоматизированной системы сложения за грузовыми перевозками 127
4.1. Принципи разработки алгоритмов синтеза сети передачи данных 127
4.2. Исследование основных алгоритмов синтеза сети передачи данных 136
4.3. Оценка экономической эффективности методики составления технического задания на проектирование системы передачи данных Закавказской ж.д І43
Заключение 148
Список литературы 150
Приложение
- Задачи исследования автоматизированной системы управления грузовыми перевозками
- Постановка задачи синтеза сети передачи данных для слежения за грузовыми перевозками
- Синтез моделирующего алгоритма для слежения за процессом перевозок
- Исследование основных алгоритмов синтеза сети передачи данных
Введение к работе
Железнодорожный транспорт СССР, выполняя основной объем грузовых перевозок, объединяет тридцать две железные дороги. В результате непрерывного изменения дислокаций тысяч. единиц подвижного состава на железных дорогах могут создаваться критические производственные ситуации, которые требуют оперативного анализа и принятия конкретных мер. Решение этих задач зависит в первую очередь от эффективности системы управления грузовыми перевозками.
Разработка моделей и совершенствование методов управления грузовыми перевозками в рамках автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом /АСУЖТ/ позволяют осуществлять эффективное управление грузовыми перевозками. Очевидно, что цель системы управления грузовыми перевозками с использованием современных методов теории управления, средств железнодорожной автоматики и вычислительной техники заключается в том, чтобы поддерживать требуемые значения показателей процесса перевозок, что соответствует основному направлению технического прогресса в IX-XI пятилетках и решениям партии и правительства /3-5/. Одной из важных задач такой системы является слежение за продвижением подвижного состава. В настоящей работе из совокупности фрагментов процесса грузовых перевозок выделен целый класс объектов /поезда, вагоны, грузы/, слежение за которыми включает функции сбора, обработки и выдачи соответствующим пользователям данных о месте нахождения этих объектов слежения.
Следует отметить, что при решении задач, связанных с автоматизацией управления, значительную роль смогут сыграть методы имитационного моделирования, так как по данным моделирования может быть оценена эффективность различных принципов управления грузовыми перевозками.
С другой стороны эффективное управление грузовыми перевозками зависит от своевременности информации и исходных данных, сведений об отклонениях перевозочного процесса, передаваемых через сеть передачи данных. При этом структура сети передачи данных существенным образом влияет на ценность получаемой информации, так как при прохождении по сети передачи данных она может терять свою ценность из-за задержек и искажений. Для решения этой проблемы необходимо создавать методы синтеза оптимальных сетей передачи данных, обеспечивающие требования по доставке информации при минимальных затратах.
Как известно /24/, решение задачи синтеза сети передачи данных в общем виде связано с необходимостью решения многоэкстремальной задачи. С целью упрощения решения этой задачи предусматривают её декомпозицию на ряд более простых подзадач, что является проблемным вопросом.
Вышеуказанные факторы определяют актуальность настоящей работы, целью которой является разработка структуры системы автоматизированного управления грузовыми перевозками, разработка и проектирование оптимальной сети передачи данных.
Основные теоретические исследования направлены на разработку моделей и методов управления грузовыми перевозками и проводились с использованием аппарата имитационного моделирования, исследования операций, теории графов, теории потоков, математического программирования; таюке проводились экспериментальные расчеты для реального объекта на ЭВМ.
Научная новизна теоретических и практических положений работы обусловлена как получением некоторых общих методических и практических решений по автоматизации управления грузовыми перевозками, так и выбранным подходом к исследованию операций грузовых перевозок: для формализации процесса управления грузовыми перевозками в отличие от известных моделей предложено использовать имитационную модель операций обработки поездов и вагонов, вырабатывающую информацию о требуемых изменениях технологического режима операций процесса перевозок, и модель сети связи в виде графа, обеспечивающего заданные требования по доставке этой информации;
- для первичных сообщений, используемых на железнодорожном транспорте для управления грузовыми перевозками, определена оптимальная емкость буферной памяти концентраторов информации. С этой целью для каждого типа сообщений были исследованы объемы трафика в географических пунктах, соответствующих узлам графа связи;
- определена аналитическая зависимость величин избыточности каналов связи от требуемой надежности подсистемы с учетом вероятности безотказной работы одного канала.
Основные научные результаты работы следующие:
1. Выполнена математическая постановка задачи слежения за грузами и вагонами. Предложено решение этой задачи на базе алгоритмов, синтезированных методом имитационного моделирования.
2. Выполнена математическая постановка задачи нормирования операций грузовых перевозок. Предложен математический аппарат для определения расчетного оптимального времени выполнения заданного цикла перевозок.
3. Выполнена математическая постановка задачи эффективного проектирования и оптимизации сети связи с точки зрения повышения ее надежности. Решена задача синтеза надежной системы.
4. На основе исследования существующей системы управления грузовыми перевозками построена ее информационная модель, для анализа которой использована матричная модель, синтезированы моделирующие алгоритмы операций грузовых перевозок.
5. Разработана инженерная методика проектирования сети связи.
Решение этих вопросов осуществлялось с позиций системного подхода к созданию автоматизированной системы управления грузовыми перевозками, предусматривающего взаимосвязанный синтез информационно-функциональной структуры и сети связи на выделенном полигоне.
Основными практическими результатами работы являются:
1. Разработка, программирование и экспериментальная проверка с помощью моделирования на ЭВМ основных унифицированных алгоритмов синтеза сети связи.
2. На основе предложенных унифицированных алгоритмов на примере Закавказской ж.д. синтезирована конкретная сеть связи. Предложения приняты для внедрения на Закавказской ж.д. при разработке перспективной схемы связи по полигону дороги.
Диссертация состоит из четырех глав.
В I главе выделяется исследуемый подкласс объектов перевозочного процесса, анализируются проблемы и задачи, связанные с процессом грузовых перевозок. Дается перечень возмущающих воздействий, характерных для данного процесса, и рассматривается их влияние на функцию старения информации. Предлагается формальное определение зависимости ценности информации от временных параметров производственного процесса. Выполняется аналитический обзор литературы по проблеме автоматизации управления процессом грузовых перевозок. Обосновывается необходимость автоматизации процесса оперативного слежения за грузовыми перевозками, определяются задачи процедуры слежения за процессом грузовых перевозок.
В главе 2 представляется математическая модель задачи автоматизации управления процессом грузовых перевозок как задачи слежения за грузами и вагонами на выделенном полигоне. Для определения оптимальной величины времени на выполнение заданного цикла грузовых перевозок предлагается математическая модель задачи нормирования операций грузовых перевозок. Дается математическая модель варианта общей задачи синтеза сети связи, предусматривающая ее декомпозицию на ряд подзадач.
В главе 3 исследуется неавтоматизированная система слежения за грузовыми перевозками. В качестве метода исследования предлагается построение информационной модели и пути его анализа. Синтезируются данные, необходимые для осуществления процедуры слежения, реализуется задача синтеза алгоритмов, осуществляющих в масштабе реального времени контроль за выполнением грузовых и технических операций процесса грузовых перевозок.
В главе 4 на примере Закавказской ж.д. рассматривается процесс синтеза сети связи. С целью решения подзадач общей задачи синтеза сети излагаются принципы разработки алгоритмов, способствующих проектированию оптимальной структуры сети связи. Приводятся результаты исследования на ЭВМ этих алгоритмов и структурная схема организации связи.
В приложениях приведены перечень реквизитов, используемых для информационного обеспечения грузовых перевозок и их условные обозначения, данные, на которые рассчитывается сеть связи, унифицированные алгоритмы, результаты расчетов с помощью ЭВМ.
Задачи исследования автоматизированной системы управления грузовыми перевозками
Очевидно, что применительно к грузовым перевозкам задача сложения заключается в том, чтобы поддерживать требуемые значения показателей процесса грузовых перевозок. При автоматизации этой функции управления в рамках АСУЖГ образуется АСУ грузовыми перевозками.
Будем считать, что задачей разработки АСУ грузовыми перевозками является реализация процедуры слежения за грузами и вагонами на основании синтеза алгоритмов, осуществляющих в масштабе реального времени контроль за выполнением грузовых и технических операций перевозочного процесса,
Следует отметить, что при исследовании и проектировании оптимальных систем /50/ обычно решаются следующие задачи: задача анализа какой-либо готовоц системы; задача выбора параметров для удовлетворения требуемых условий; задача синтеза системы, надлежащим образом выполняющей свои функции.
Регулирование процесса грузовых перевозок осуществляется в пределах такого сложного объекта, как железная дорога, характерной особенностью которой является широкое разветвление источников информации. Для решения задачи анализа заданной системы, отображения состава объекта, характера взаимодействия его элементов необходимо построить схему получения, обработки, накопления и передачи данных - информационную модель.
В настоящее время разработано значительное количество методов исследования информационных потоков /17/. Выбор того или иного метода определяется условием наиболее полного удовлетворения требований разработчика. В результате количественного и качественного анализа материалов, полученных от применения выбранного метода исследования информационных потоков, можно создать алгоритмическое описание процесса автоматизации задач, отраженных в информационной модели. При этом возникает ряд вопросов, связанных с обработкой информации. В первую очередь обработка информации представляет собой приведение конкретных вводимых данных к желаемому виду. Поэтому с учетом принципов минимизации суммарного объема и интегрированной обработіш первичных данных при формировании исходных сообщений необходимо определять ценность информации, которую может принести каждый элемент исходного сообщения для задачи слежения за грузами и вагонами. С этой точки зрения на первый план выдвигается проблема определения структуры записей банка данных и построения применительно к ним форматов сообщений с учетом временной последовательности операций, отраженных в информационной модели. Как известно, процесс обработки информации в банке данных заключается в чередовании этапов информационного поиска в различных массивах кодов и этапов выполнения логических и арифметических операций над результатом поиска /18/. В свою очередь информационный поиск представляет собой ряд логических операций, в результате выполнения которых по заданным признакам находится информация, удовлетворяющая условиям запроса /19/. Поэтому на время информационного поиска существенным образом влияет организация данных.
Решение вопросов об организации данных значительно упрощается в случае применения уже разработанного банка данных, так как они определяются требованиями банка. Отпадают вопросы разработки языковых средств описания данных, программы поиска данных и т.д. На первый план выдвигаются задачи организации соответствующих информационных массивов согласно требованиям банка и увязка прикладных программ внешнего математического обеспечения с системой управления базой данных. При разработке специального банка данных с учетом требований конкретной системы необходимо решать в первую очередь эти вопросы, что создает дополнительные затруднения в проектировании. Однако этот вариант предполагает разработку наиболее эффективной схемы организации данных без внешних ограничений, вносимых возможностями того или иного банка данных.
Одной из основных задач автоматизированной системы слежения за грузами и вагонами, т.е. за процессом грузовых перевозок, является контроль за выполнением операций обработки вагонов и составов. В работе /20/ предлагается решение вопроса создания АСУ грузовой станции. Однако железная дорога состоит из целого ряда станций, которые классифицируются по своему назначению, объему и характеру работы. Следовательно, необходимо иметь возможность контроля за сложившейся ситуацией на всех станциях, входящих в состав железной дороги. Такая возможность предоставляется моделированием в памяти ЭВМ операций обработки вагонов и составов с учетом их классификации.
Постановка задачи синтеза сети передачи данных для слежения за грузовыми перевозками
Синтез сети передачи данных связан с решением большого числа задач. Попытка решения задачи синтеза сети передачи данных в общем виде приводит к необходимости решения многоэкстремальной задачи, которая усложняется еще тем, что для разных сетей значения параметров оптимизации могут изменяться в достаточно широких пределах /24/. Отсюда возникает проблема декомпозиции общей задачи синтеза сети передачи данных на ряд более простых подзадач, реализация каждой из которых возможна при заданных ограничениях на время решения задачи.
Основная задача проектирования сетей передачи данных заключается в получении конфигурации, обеспечивающей заданные технические характеристики и параметры сети /43/. Так как линии связи являются наиболее дорогой частью Е большинстве сетей, то естественно, что любая задача оптимизации должна включать некоторые стоимостные ограничения. Поэтому введем ограничение на стоимость линий связи в виде матрицы С $ элемент Cj? которой принимает определенное значение тогда и только тогда, когда есть ребро из узла 2 в узел J Очевидно, что где JJL - количество каналов связи между двумя узлами из множества с - стоимость 7-ого канала связи.
С учетом стоимостных ограничений можно предположить, что наиболее общим вариантом декомпозиции будет такой, в котором на этапе построения структуры первичной сети связи будет осуществляться оптимальное размещение концентраторов, для выделенных узлов концентрации будет определяться значение среднего использования буферной памяти и оптимальные размеры блоков этой памяти, оптимальное соединение с АП, для обеспечения требуемой надежности будет определяться оптимальная величина избыточности числа каналов связи между каждой парой узлов графа связи.
Очевидно, что оптимальное размещение концентраторов можно будет осуществлять путем оценки той потенциальной экономии, которую дает размещение концентраторов в вершинах графа связи G- = flY,/ . Потенциальная экономия определяется фактором стоимости используемых каналов связи для каждой пары /!, J узлов множества и/ /26/ где I - пункт установки концентратора; У - пункт установки АП; Q - пункт установки инфорлационного процессора ИЇЇ; CTOIM4 - стоимость высокоскоростного канала связи, соответствующая ребру JQ ; L/LJ-L fez _ стоимость низкоскоростного канала связи, соот ветствующая ребру iy ; L /ulМЗ - стоимость низкоскоростного канала связи, соответствующая ребру ?Q Следует отметить, что фактор стоимости можно будет использовать в качестве ограничения при решении вопроса о подключении того или иного Ш к выбранному пункту концентрации. Следовательно, рассматривая матрицу смежности графа связи размера Я П где элемент сх? =1, если между вершинами Т и J имеется ребро, а в противном случае Бх =0, на основании значения фактора стоимости F /A J можно определять Если F/Т, JFJ О , то пункт о?" выгоднее подключать к пункту Q .
Очевидно, что при использовании различных типов концентраторов может быть получено несколько вариантов размещения концентраторов, удовлетворяющих заданным ограничениям.
Исходя из этого, оптимальным вариантом расположения концентраторов будет вариант, удовлетворяющий критерию: где М - множество номеров вариантов расположения концентраторов; А - множество номеров концентраторов. Результатом решения этой подзадачи должен быть близкий к оптимальному набор географических пунктов концентрации.
Подключение АН через каналы связи к определенному пункту концентрации из множества W создает ситуацию, когда целый ряд источников информации может работать с общим буферным ЗУ В любой момент времени общее содержимое буферного устройства есть где SUML [б) - емкость буферного устройства, отведенная і-ому источнику; количество источников информации, подклю ченных к пункту концентрации. Используемая каждым источником емкость буферной памяти будет время от времени изменяться, причем независимо от других источников, то есть предполагается, что jSUMi /б)і статистически независимы и распределение указанных изменений близко к нормальному /80/. Для определения значения среднего использования памяти пункта концентрации необходимо располагать информационными характеристиками выделенных источников информации: о средней длине каждого из сообщений в символах BLSBfe) ;длине блока буферного ЗУ в символах скорости передачи данных по каналу связи в символ/сек / & /; среднем числе каждого из сообщений в сек Следовательно Так как предполагается делить буферное З У на блоки равных размеров, то необходимо определять оптимальный размер блока. Оптимальный размер блока зависит от конкретного применения и этот вопрос можно исследовать путем варьирования вели чины . В результате этого исследования будет получено множество значений среднего использования буферной памяти.
Синтез моделирующего алгоритма для слежения за процессом перевозок
Информационно-функциональный граф (У iW/отраяаві последовательность работ по планированию грузовых перевозок и составлению отчетности об исполненной работе по хозяйствам движения и грузовой. Декадные задания на погрузку представляют собой оперативный план перевозок, отражающий потребность в вагонах на плановый период. Для составления декадных заданий на погрузку используют месячные планы перевозок по станции и декадные заявки на погрузку.
Планы грузовых перевозок и отчетность об исполненной работе по хозяйствам движения и грузовой служат базой для оперативного управления перевозками. Любое отклонение от плана перевозок означает нарушение в обеспечении заявок грузоотправителей и способствует возникновению сбойных ситуаций в работе станций.
Следует отметить, что информация о наличии вагонов и грузов, используемая на любом уровне управления, начиная от начальника станции и кончая станционными работниками, характеризуется определенной специфичностью в зависимости от задач, стоящих перед пользователем, методов и форм его работы. Как видно из функционально-информационного графа (HP, Q) , на уровне станций используется более детализированная исходная информация, зафикси рованная в перевозочных документах, а высшему уровню управления представляются сведения и данные, отражаемые в отчетностях об исполненной перевозочной работе.
Очевидно, что плановую и текущую информацию о состоянии процесса грузовых перевозок следует организовать таким образом, чтобы она отражала все изменения в объеме и структуре перевозок и пользователи могли ею пользоваться для своевременного принятия решений по воздействию на процесс перевозок.
Для того, чтобы система управления отвечала этим требованиям, необходимы преобразования процессов обработки информации, зафиксированной в информационно-функциональном графе.
При этом особенно важно совершенствование существующей системы контроля за временем выполнения грузовых и технических операций перевозочного процесса, т.к. данные, полученные в результате обработки поездов и вагонов служат отправным моментом для всей системы управления грузовыми перевозками.
Поэтому естественно, что изменение методики составления и содержания перевозочных документов, заполняемых при обработке поездов и вагонов, может отразиться на любом из документов, зафиксированных в информационной модели, и тем самым на работах, в процессе выполнения которых их составляют. Следовательно, прежде чем принять предложения, направленные на совершенствование существующей системы управления, следует проверять, не приведут ли эти изменения к нежелательным последствиям, проявляющимся в других документах об исполненой перевозочной работе.
Для совершенствования существующей системы и автоматизации процедуры слежения 8а процессом перевозок необходимо осуществить моделирование процессов по реализации функций информационного графа. Результатом этого моделирования является представление функций информационного графа в виде моделирующего алгоритма /МА/.
Основой для разработки МА явились результаты анализа функционально-информационного графа Операторы МА соответствуют типовым событиям, возникающим в ходе выполнения операций перевозочного процесса. Преимущества использования МА сводятся к уменьшению времени оборота вагона и сокращению его порожнего пробега.
Важным условием эффективности функционирования МА является информационная увязка моделируемых процессов. Поэтому при разработке МА учтены информационные связи, зафиксированные между сообщениями, циркулирующими в функционально-информационном графе.
Разработка алгоритма, моделирующего процедуру слежения за процессом перевозок, в данной работе осуществлена с учетом принципа интегрированной обработки информации на основании следующих операторов
Исследование основных алгоритмов синтеза сети передачи данных
В соответствии с генеральной схемой развития АСУЖТ на Закавказской ж.д., запроектированной институтом "ГИПРОТРАНО-СИГНАЛСВЯЗЬ" / 47 /, по материалам обследования определен КТО, который моясет быть использован и для задачи слежения за грузами и вагонами. Однако следует отметить, что яодология сети передачи данных в этом проекте является неоптимальной, так как в ней не учтен фактор потенщальной экономии. Поэтому для решения задачи проектирования оптимальной сети передачи данных следует рассматривать вопросы синтеза сети передачи данных, предложенные в диссертации. В соответствии с предложенными в предыдущем параграфе диссертации принципами синтеза сети передачи данных автоматизиро ванной системы слежения за грузовыми перевозками был разработан комплекс унифицированных алгоритмов, предназначенных для проектирования системы передачи данных Закавказской ж.д.
Основные алгоритмы этого комплекса были исследованы на ЭВМ ВС - 1022. Целями исследования были : I/ проверка с помощью моделирования правильности функционирования разработанных алгоритмов; 2/ определение количественных и качественных показателей проектируемой сети передачи данных. Исходные данные для синтеза сети передачи данных в диссертации задаются с помощью программы VVODK . При раз раоотке алгоритма программы worn исходные данные были определены таким образом , чтобы реализующие алгоритмы обеспечивали решение поставленных задач. С учетом изложенного для исследования были выбраны алгоритмы определения расстояний, оценки потенциальной экономии, определения числа каналов между узлами сети передачи данных , расчета необходимых емкостей буферной памяти в узлах концентрации. Реализация этих алгоритмов позволяет решить задачу синтеза сети передачи данных в общем виде. В приложении 5 приводится исследованный алгоритм програм мы формирования справочника станции SPST ,файла уз лов RSI/2L и среднемесячного трафика основных первичных доку ментов, используемых для управлеїшя грузовыми перевозками. Фун кционирование исследуемого алгоритма заключалось в последовательной обработке перфокарт массива S7/W? и печати содержимого выходных массивов. Результаты функционирования этого алгоритма приведены в приложении 6. В справочнике SPSI приводятся данные, характеризующие географическое положение каждой станции согласно предложенных вариантов расположения станций /рис.4.2-4.7/. В файле пнсываютея расстояния между"узловымиистанциями /всего на Закавказской ж.д. их 16/ по регионам, выделенным для каждой пары узловых станций. При этом количество регионов определяется числом сочетаний из 16 "узловых"станций по 2, т.е. L —J20
Следует отметить., что процесс проектирования сети связи был начат в главе 3 диссертации с определения типа передаваемых сообщений. Было установлено, что основной поток сообщений, поступающих по каналам связи на входы узлов графа связи, составляют макеты о месячном планировании грузовых перевозок М , декадных заявок /у , о разрешении на перевозку М , о выполнении операции выгрузки грузов местного сообщения И и грузов прямого сообщения И , телеграмм-натурных листов /v Примерные длины этих сообщений приведены в приложении 4. Поэтому объем среднемесячного трафика по каждой станции определяется количеством таких первичных документов, как месячные планы, декадные заявки, дорожные ведомости прямого и местного сообщений, натурные листы.
