Содержание к диссертации
Введение
Перспективы развития метрополитена 6
1 Анализ развития средств автоматизации метрополитена б
2 Вопросы безопасности метрополитена 12
3 Принципы формализации задач планирования и управления перевозочным процессом 22
4 Постановка задачи исследований 3 О Основные результаты и выводы по главе 31 CLASS Синтез структуры ситуационного центра 33 CLASS
1 Принципы построения и задачи ситуационного центра 33
2 Структура ситуационного центра 36 Основные результаты и выводы по главе 47 CLASS Методика оценки ситуаций 48 CLASS
1 Алгоритмы оперативной оценки показателей работы метрополитена 48
2 Методика организации обработки сообщений, поступающих в ситуационный центр 58
3 Анализ видеоинформации, поступающей в ситуационный центр 77
Основные результаты и выводы по главе 79
Методика выбора управления в рамках ситуационного центра 81
1 Методика построения оперативного графика движения поездов 81
2 Методика учета временных ограничений скорости в графике движения поездов
Основные результаты и выводы по главе 10 ]
Внедрение и практическое использование результатов работы 102
1 Результаты применения систем анализа и отображения информации Службы движения 102
2 Результаты применения методики учета временных ограничений скорости в плановом графике движения поездов 1 ] 4
3 Принципы построения системы передачи и оперативной обработки информации, поступающей в ситуационный центр метрополитена 119
4 Принципы построения системы передачи видео и данных из вагонов в Ситуационный центр метрополитена 135
Основные результаты и выводы по главе 139
Заключение 140
Литература 142
- Анализ развития средств автоматизации метрополитена
- Принципы построения и задачи ситуационного центра
- Алгоритмы оперативной оценки показателей работы метрополитена
- Методика построения оперативного графика движения поездов
Введение к работе
Основными направлениями развития метрополитена являются увеличение объемов перевозок, расширение сети метрополитена, повышение безопасности и культуры обслуживания пассажиров. Решение этих задач требует создания новых систем управления перевозочным процессом и форм работы с пассажирами. Актуальным является создание на метрополитене центра ситуационного управления (ситуационного центра, СЦ) - качественно новой системы управления, предназначенной для комплексного решения следующих задач:
- совершенствование системы обеспечения безопасности пассажиров, обслуживающего персонала и объектов метрополитена;
-повышение оперативности и эффективности стратегических управленческих решений при сбоях в работе метрополитена, принимаемых на основе визуализации и углубленной аналитической обработки оперативной информации;
- осуществление интерактивной информационной работы с пассажирами.
Целью работы является определение функций СЦ, разработка принципов построения центра и его систем, создание математического обеспечения СЦ.
В диссертационной работе реализуется следующая последовательность решения задач:
1. Анализ задач по автоматизации управления перевозочным процессом и повышению безопасности на метрополитене, выбор формализации для решения задач ситуационного управления и оценки качества управления.
2. Разработка концепции построения СЦ, включающей" в себя принципы построения СЦ, формализацию задач, решаемых центром, синтез его структуры и образующих его систем, распределение задач между системами СЦ.
3. Формализация критериев автоматической оценки качества управления движением поездов.
4. Анализ работы СЦ по обработке поступающих с колонн экстренного вы-ова сообщений и информационных запросов; разработка методики построения системы информационного обмена между пассажирами и работниками СЦ.
5. Синтез алгоритма оперативного планирования движения поездов, реализующего восстановление после сбоя последовательности движения маршрутов в соответствии с заданной расстановкой составов на ночь.
6. Разработка структуры системы оперативного учета временных ограничений скорости в графике движения поездов и алгоритма ее функционирования,
7. Разработка структуры и принципов построения системы информационного обмена между пассажирами и работниками СЦ, а также системы видеонаблюдения в вагонах пассажирских поездов.
Данная работа направлена на реализацию постановления Правительства Москвы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе проводится анализ развития средств автоматизации управления метрополитеном и вопросов обеспечения безопасности метрополитена, ставятся задачи проводимых исследований.
Вторая глава посвящена разработке структуры СЦ, постановке целей и задач центра в целом, его уровней и каждой из его составных частей.
В третьей главе решаются вопросы организации автоматической оценки качества управления движением поездов и анализа работы СЦ по обработке поступающих вызовов.
В четвертой главе решаются задачи оперативного управления движением поездов, связанные с организацией заданной ночной расстановки маршрутов после сбоя и движения поездов в условиях снижения пропускной способности.
Пятая глава посвящена анализу опыта практического использования результатов диссертации.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по работе.
Анализ развития средств автоматизации метрополитена
Метрополитен является сложной развивающейся распределенной системой, включающей в себя большое количество различных объектов [48, 62, 66, 71]. На сегодняшний день Московский метрополитен является одним из крупнейших в мире. На Московский метрополитен приходится более половины пассажирских перевозок города, годовой объем перевозки превышает 3 млрд. чел. [34]. Радиально-кольцевая структура Московского метрополитена воспроизводит исторически сложившуюся планировку Москвы. Из- ;а сокращения перевозок наземным транспортом число пассажиров в метро резко возрастает (рис. 1.1) [69]. Метрополитену в последнее время становится все труднее справляться со своими задачами, общая протяженность сети метрополитена не соответствует потребностям города.
Выполненный автором анализ достижений метрополитенов России, СНГ и мира в области автоматизации позволяет определить актуальные направления автоматизации управления движением поездов метрополитена, для которых уже создан теоретический и технический фундамент [8, 12, 64, 68, 77, 83]; - создание комплексных многоуровневых автоматизированных систем управления движением поездов метрополитена (АСУ ДПМ), включающих в себя системы автоведения и обеспечения безопасности [1, 6, 23, 26, 32, 54, 56, 59,73,75,80,92]; - построение на базе современных средств вычислительной техники, телекоммуникаций и отображения информации систем телемеханического управления стрелками и сигналами, устройствами электроснабжения, электромеханическими устройствами, эскалаторами [42]; - создание единых диспетчерских центров управления [63]; - создание и ввод в эксплуатацию СЦ [36]; - автоматизация диспетчерского управления путем разработки систем поддержки принятия решения (СППР) в сложных ситуациях, автоматического
Динамика изменения пассажиропотока и количества преступлений построения графика исполненного движения поездов, автоматизации управления стрелками и сигналами в соответствии с плановым графиком движения [7, 9, 11, 17,20,33]; - внедрение на Диспетчерском участке Службы движения автоматизированной системы отдачи приказов с электронной подписью; - совершенствование систем оплаты проезда, на базе которых реализуются автоматизированные системы учета и пропуска пассажиропотоков, что позволит вырабатывать оперативные и стратегические решения, связанные с управлением метрополитеном [24, 60, 84, 88, 95, 96]; - автоматизация составления планового графика движения пассажирских поездов [10, 19, 41, 79, S6, 87]; - внедрение энергооптимальных технологий, реализующих оптимальные по расходу энергии режимы ведения поездов и распределения участкового времени хода по перегонам [58, 67]; - совершенствование систем учета расхода электроэнергии и использование полученных в них данных при внедрении энергосберегающих технологий; - использование тренажерных комплексов как для диспетчерского аппарата, так и для машинистов с целью повышения квалификации специалистов и улучшения условий подготовки кадров [13]; - создание широкой сети систем видеонаблюдения [39].
В настоящее время накоплен значительный опыт по созданию СЦ как в нашей стране, так и за рубежом в различных отраслях народного хозяйства [3, 4, 15, 30, 50, 52, 55, 57]. СЦ представляет собой комплекс специально организованных рабочих мест для персональной и коллективной аналитической работы группы руководителей. Основной задачей СЦ является поддержка принятия стратегических решений на основе визуализации и углубленной аналитической обработки оперативной информации. Эффективность СЦ выражается в том, что он позволяет подключить к активной работе по принятию решения резервы образного, ассоциативного мышления, обеспечивающего обобщенное восприятие происходящих событий [16, 31, 47 49,90,91].
Чем сложнее система, тем выше цена управленческих ошибок, тем больше сил и средств требуется для выхода из критических положений [5]. Возрастание цены ошибок вызывает необходимость проведения предварительных расчетов принимаемых решений. Для этого в СІД используют не только средства сбора и обработки информации, но и инструменты моделирования. Современные компьютерные инструменты моделирования в составе СЦ способны обеспечивать руководителей полноценной информацией, касающейся в первую очередь ресурсов, необходимых для нормального функционирования и жизнедеятельности хозяйствующей системы, и взаимодействующих субъектов, потребляющих и производящих различные виды ресурсов. Информация, обработанная в едином информационном пространстве, характеризующая динамику ресурсных взаимоотношений субъектов, является основой создания новой по качеству системы управления функциями хозяйствующей системы. Направление процессов в нужное русло проводится на основе прогнозных оценок, отборе наиболее реалистичных вариантов развития и утверждении плановых значений конечных и промежуточных целевых результатов [18, 43, 45, 85, 89, 93].
В настоящий момент в мире существует около трехсот СЦ, используемых правительствами различных стран, а также руководителями крупных корпораций. В России одним из первых прообразов СЦ стал оперативный штаб по ликвидации последствий Чернобыльской катастрофы в 1986 году. На основе отработанных в нем решений был создан СЦ руководства Министерства по чрезвычайным ситуациям.
Более подробно остановимся на опыте создания СЦ на метрополитенах мира. Такие центры созданы на крупнейших метрополитенах [2, 76]. Выполненный автором анализ показал, что такие центры, как правило, имеют структуру, обладающую следующими характерными чертами (рис. 1.2): - создание объединенного диспетчерского центра управления движением поездов, устройствами энергоснабжения, электромеханическими устройствами, эскалаторами; - наличие диспетчеров, готовых принять тревожные вызовы с объектов метрополитена, поступающие как от его работников, так и пассажиров; - информационная поддержка пассажиров; - тесное взаимодействие с работниками правоохранительных, медицинских и противопожарных служб; - передача аудио и видео информации со станций и из вагонов в СЦ по запросам; - использование большого количества средств визуального представления информации; - удаленный доступ к сервису; - использование различных каналов передачи информации, как правило, ранее внедренных; - проектирование на базе стандартных систем сбора данных и управления; - постоянное присутствие персонала, отвечающего за работоспособность технических средств.
Принципы построения и задачи ситуационного центра
В основу создания СЦ на Московском метрополитене положены следующие принципы, с формулированные автором [36]: - интеграция информации о работе служб и линий метрополитена, что позволит преодолеть их автономность; - прием тревожных вызовов с объектов метрополитена, поступающих от его работников и пассажиров; - проведение информационной работы с пассажирами; - визуализация информации о состоянии объектов метрополитена, в том числе контроль доступа к объектам и в служебные помещения метрополитена; - включение СЦ в единое информационное пространство метрополитена, что подразумевает использование единых трактов передачи информации и банка данных, родственных формализации и методов решения задач на различных уровнях планирования и управления; - вхождение в состав СЦ не только средств сбора и обработки информации, но и инструментов моделирования технологических процессов, что позволяет определять рациональные пути выхода из сложившейся ситуации; - комплексность и модульность СЦ, поэтапность его создания, позволяющие в скорейшие сроки ввести СЦ в действие и постепенно наращивать его возможности.
Множество пользователей СЦ включает в себя руководителей метрополитена и его служб; ревизоров; главных и старших диспетчеров служб; работников, отвечающих за подготовку и повышение квалификации кадров; работников правоохранительных органов; непосредственно работников центра.
Каждый пользователь характеризуется множеством решаемых им задач. Множество задач всех пользователей СЦ определило цели и задачи создания СЦ. Проведенный автором анализ множества задач, решаемых каждым из пользователей, показал тесную информационную связь между ними, иерархическую структуру и наследственность задач управления, оценки качества управления и диагностики, общность принципов и законов управления, и, как следствие, наличие пересечений множеств задач различных пользователей.
Множество задач пользователей СЦ подразделяется на следующие подмножества: - задачи информационного обмена, - задачи управления, - задачи оценки качества управления, - задачи диагностики. Задачи информационного обмена включают в себя: - обмен информацией с другими участниками технологического процесса; - оповещение руководящих работников метрополитена и служб о возникновении сбойных (чрезвычайных) ситуаций; - сбор и анализ оперативной информации, поступающей от различных объектов метрополитена; - сбор и анализ информации, поступающей по системе видеонаблюдения; - сбор и анализ оперативной информации, поступающей от пассажиров; - сбор, анализ и интеграция статистических данных как по происшествиям, так и по восприятию безопасности со стороны пассажиров и персонала; - контроль развития сбойных ситуаций. Задачи управления включают в себя: - организацию и согласование действий служб и подразделений метрополитена в соответствии с оперативной информацией, поступающей с объектов метрополитена, от пассажиров и по системе видеонаблюдения; - планирование управления перевозочным процессом и объектами метрополитена в соответствии с пассажиропотоком с целью предотвращения сбойной ситуации; - планирование управления перевозочным процессом и объектами метрополитена в соответствии со сбойной ситуацией; - планирование управления перевозочным процессом и объектами метрополитена после выхода из сбойной ситуации с целью вхождения в плановый график; - выработку технических и организационных решений для повышения безопасности пассажиров и обслуживающего персонала в сложившейся ситуации. Задачи оценки качества управления включают в себя: - оценку качества управления перевозочным процессом и объектами метрополитена на соответствие плановому графику; - оценку качества управления перевозочным процессом и объектами метрополитена на соответствие сбойной ситуации; - оценку качества управления перевозочным процессом и объектами метрополитена на соответствие пассажиропотоку с целью предотвращения сбойной ситуации; - оценку качества управления перевозочным процессом и объектами метрополитена после выхода из сбойной ситуации с целью вхождения в плановый график; - оценку согласованности действий служб и подразделений метрополитена в чрезвычайных ситуациях; - контроль и оценку безопасности метрополитена; - оценку качества подготовки персонала; - совершенствование процесса подготовки и повышения квалификации кадров. Задачи диагностики включают в себя контроль работоспособности технических средств метрополитена и выявление их неисправностей.
В зависимости от ранга пользователя и поставленных задач их решение проводится в разном объеме: - по линиям; - по службам; - по сменам; - по метрополитену в целом. Выполненный анализ целей и задач, стоящих перед СЦ, и структур аналогичных систем [4, 57, 89] позволил автору разработать структуру СЦ метрополитена, которая включает в себя три уровня (рис 2.1): уровень сбора информации; уровень отображения информации; уровень анализа информации и принятия решения [38]. Каждый из уровней включает в себя несколько систем. Уровень сбора информации предназначен для сбора оперативной информации о ситуации на линиях метрополитена, включая: - движение поездов; - состояние объектов системы электроснабжения и электромеханической службы, работу эскалаторов; - результаты видеонаблюдения на станциях и в вагонах поездов; - результаты оперативной связи между пассажирами и дежурными СЦ.
Алгоритмы оперативной оценки показателей работы метрополитена
Эффективность управленческих решений зависит от обладания лицом, принимающим решения, (ЛПР) необходимой информацией. Создание СЦ позволило расширить круг получаемой ЛПР информации, улучшить ее качество, повысить оперативность и доступность ее получения. Анализ оперативной информации, поступающей в СЦ по различным каналам, является важной и непростой функцией СЦ. Современный уровень развития информационных технологий позволил значительно расширить набор данных, характеризующих состояние объектов управления, поэтому актуальной является задача сжатия информации и усовершенствования системы показателей, характеризующих функционирование системы в целом и описывающих сложившуюся в ней ситуацию. При сжатии теряется качество информации, поэтому необходим баланс между размерностью сжатого пространства и уровнем качества информации. Удовлетворение требований к сжатию информации требует правильной организации системы показателей и структурирования информации в такой форме, которая упрощает ее восприятие[30, 45, 57, 89]. В связи с этим актуальной является выполненная автором в данном разделе формализация системы критериев оценки качества организации перевозочного процесса на метрополитене, к которым в первую очередь относятся эксплуатационные измерители и показатели графика исполненного движения.
Основой организации движения поездов является график движения, объединяющий работу всех подразделений метрополитена [71]. Учет выполнения графика движения поездов осуществляется по всем пассажирским поездам и отражает качество работы станций, электродепо, служб и других подразделений метрополитена, связанных с движением поездов.
Основным документом, по которому оценивается качество управления движением поездов метрополитена, является график исполненного движения.
Он характеризуется фактическими значениями парности и интервалов движения, критериев качества и эксплуатационных измерителей. При наличии сбоя кроме этого оценивается [11, 20, 33, 36, 71]: - запаздывание поездов по сравнению с плановым временем прибытия и отправления с конечных станций линии; - факт и длительность стоянок поездов с пассажирами на перегоне; - количество отмененных поездных ниток; -поддержание равномерности движения поездов при управлении во время сбоя, т.е. отсутствие резкого изменения интервалов между поездами; -время восстановления графика, т. е, время с момента ликвидации причины сбоя до возвращения последнего поезда на свою графиковую нитку.
Начнем с разработки методов расчета эксплуатационных показателей на основе выбранной в п.1.3 формализации. К эксплуатационным показателям относятся: количество поездов, поездо-километры, вагоно-километры, нулевой пробег, вагоно-километры нулевого пробега, пробег с нулевым, поездо-часы в движении, простой, поездо-часы, эксплуатационная скорость, техническая скорость [36].
Количество составов на графике - это количество ниток на графике, имеющих разные номера маршрутов, оно равно количеству маршрутов NM . Основными показателями графика движения пассажирских поездов являются [71]: - количество прибытий поездов, предусмотренных плановым графиком; - количество прибывших поездов на станции назначения; - количество опоздавших поездов; - время опоздания в минутах; - количество отмененных поездов; - процент выполнения графика движения поездов.
Формализуем эти критерии в соответствии с выбранной в п. 1.3 формализацией. Для автоматизации учета выполнения графика необходимо иметь информацию не только о плановом графике движения, но и командах, отдаваемых поездным диспетчером. Эти команды описываются с использованием императивов, ЛТП и функций коррекции планового графика, примененных к расширенным множествам точек остановок и заданий [36, 79]. В результате чего процесс составления оперативного графика представляет собой процесс коррекции множеств ниток графика MN, элементов расписания
Ме и ремонтов Мя. Команды, подаваемые поездным диспетчером и влияющие на учет выполнения графика, приведены в приложении 2.
Интервал движения поездов вычисляется в соответствии с алгоритмом, схема которого представлена на рис. 3.1. Алгоритм начинает свою работу с блока 1. В блоке 2 присваивается начальное значение вспомогательной переменной її,, равное п, т.е. последовательности, описывающей нитку, для которой определяется интервал движения. В блоке 3 происходит выбор нитки, описывающей поезд, предшествующий нитке п,. В блоке 4 проверяется условие существования такой нитки. Если она не существует, т.е. нитка п является первой ниткой, по которой осуществляется движение по главным путям, то управление передается в блок 5, где интервалу движения поездов п:./ присваивается максимальное значение Jt№, после чего алгоритм заканчивает свою работу в блоке 10. Если поезд, предшествующий нитке п, существует, то управление передается в блок 6. Блок 6 содержит логическое условие, проверяющее наличие хотя бы одного иефиктивного задания у нитки її,.
Методика построения оперативного графика движения поездов
Одной из основных задач, решаемых системой ситуационного планирования Р:,5 СЦ, является составление оперативного графика движения поездов после окончания сбоя с целью наискорейшего входа в плановый график [82]. В зависимости от момента завершения сбоя возможны следующие варианты: - вход в стационарный режим постоянной парности, при которых парность остается постоянной в течение времени, большего, чем время полного оборота состава; к таким режимам относятся режимы движения с максимальной и минимальной заданной парностью движения (режимы пик и не лик); - вход в стационарный режим ночной расстановки.
Каждый из этих режимов в первую очередь характеризуется последовательностью движения маршрутов и интервалами движения поездов. Если последовательность движения маршрутов будет соответствовать плановой для того же времени суток даже при небольших отклонениях интервалов движения поездов от заданных, то задачу можно считать решенной. Может сложиться ситуация, при которой достичь цели реализации плановой последовательности движения маршрутов до момента начала ближайшего стационарного режима невозможно, тогда основным становится показатель минимального отклонения от заданного интервала движения поездов.
При решении этих задач основным управляющим воздействием является изменение последовательности движения маршрутов при соблюдении ограничений. Именно эти команды диспетчера определяют все остальные его действия. Изменение последовательности движения маршрутов реализуется путем ввода регулировочных отстоев на конечных и промежуточных станциях. Различается несколько типов отстоев: - с фиксированным временем выхода из отстоя, который позволяет маршруту встать на свое место в заданной последовательности; - с фиксированным временем входа в отстой на конечных станциях, который позволяет поддержать постоянное количество поездов на линии после выхода маршрута из отстоя с фиксированным временем выхода и организовать работу станции с путевым развитием в соответствии с автоматическими режимами системы маршруты о-релейной централизации.
Решение задачи входа в заданную ночную расстановку составив возможно путем направленного перебора возможных сочетаний вариантов регулировочных действий при соблюдении ограничений, определяемых связями между множествами ресурсов линии, свойствами каждого из ресурсов и заданием на плановый график [36]. В связи с нестандартностью задачи происходит расширение множеств ресурсов линии, используемых для регулировочных действий, и ослабление связей, ограничивающих регулировочные действия: - расширение множества пунктов отстоя пинии Р01ч; - изменение времени начала заполнения точек ночной расстановки - ослабление ограничений, определяемых правилами обслуживания пассажиров, т.е. ввод маршрутов на главные пути линии на промежуточных станциях (из депо или из точек ночного отстоя) может осуществляться чаще, чем через одну нитку, а уход маршрутов с главных путей линии на промежуточных станциях (в депо или в точки ночного отстоя) может осуществляться чаще, чем через две нитки.
Проверка последнего ограничения осуществляется по алгоритмам, схемы которых представлены на рис. 4.1 и 4.2. Алгоритм определения количества поездов между введенными начинает свою работу с блока 1 (рис. 4.1). В блоке 2 присваиваются начальные значения вспомогательным переменным п, и п2, В блоке происходит выбор нитки, описывающей поезд, предшествующий нитке ni. В блоке 4 проверяется условие существования такой нитки. Если она не существует, то управление передается в блок 5, где счетчику не укороченных с начала ниток спереди выбранной нитки п К{ присваивается минимально-допустимое значение кы, после чего управление передается в блок 10. Если поезд п, существует, то управление передается в блок 6. Блок 6 содержит логическое условие, проверяющее наличие хотя бы одного нефиктивного задания у нитки п,. Если логическое выражение верно, то управление переходит к блоку 7, иначе управление передается в блок З, В блоке 7 проверяется условие начала нитки п, с первой станции главного пути, если это условие выполняется, то управление передается в блок 8, в противном случае в блок 10, В блоке 8 инкрементируется значение счетчика К]. В блоке 9 значение счетчика К{ сравнивается с минимально-допустимым значением Км . Если значение счетчика , больше или равно Км , то управление передается в блок 10, в противном случае - в блок 3. В блоках 10-16 определяется наличие необходимого количества ниток, начинающихся с первой станции главного пути после нитки п. Все действия в этих блоках аналогичны действиям в блоках 3-9 с той лишь разницей, что работа ведется со вспомогательной ниткой п2 и счетчиком К2, о. в блоке 10 переход осуществляется к следующей за ниткой п2 нитке. Алгоритм заканчивает свою работу в блоке .
Схема алгоритма определения количества поездов между снятыми представлена в приложении 4 на рис. 174.1. Отличие этого алгоритма от предыдущего заключается в том, что в блоках 7 и 14 вместо условия начала ниток п, и п, с первой станции главного пути проверяется условие их окончания на последней станции того же пути. Формализуем задачу восстановления последовательности движения маршрутов, необходимой для реализации заданной расстановки составов на ночь. Критерием для выбора оптимального решения этой задачи может служить минимум времени прибытия в точку ночной расстановки последнего поезда [36, 40].
