Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблем внедрения и эксплуатации автоматизированных систем контроля и управления движением поездов 8
1.1 Анализ внедрения автоматизированных систем контроля подвижного состава и управления движением поездов 8
1.2 Анализ информационных процессов в системах контроля и управления на основе формализованных логических схем 20
1.3 Статистическое исследование информационных процессов в распределенных системах управления 31
1.4 Система контроля и управления.движением поездов на основе интеграции смежных устройств автоматизации 41
2 Разработка методов оптимизации процессов внедрения автоматизированных систем управления 54
2.1 Методы оптимизации взаимного расположения компонентов распределенных систем на этапе внедрения 54
2.2 Оптимизация распределенных систем на основе совместного решения задач размещения, назначения и выбора маршрута 70
2.3 Метод оптимизации проверки управляющих воздействий на основе генетических алгоритмов 82
3 Разработка методов интеллектуальной поддержки принятия решений в распределенных системах контроля и управления на основе продукционных моделей 97
3.1 Формализация принятия решения по результатам контроля подвижного состава 97
3.2 Метод принятия решения о соответствии количества и последовательности сообщений 106
3.3 Метод принятия решения о типе сообщения устройств контроля подвижного состава 112
3.4 Метод принятия решения о типе неисправности тракта передачи данных аппаратуры контроля подвижного состава 117
3.5 Метод принятия решения о типе подвижной единицы 124
4 Практическая реализация и оценка экономической эффективности разработанных методов 130
4.1 Разработка программных средств для оптимизации распределенных систем контроля и управления на этапе внедрения 130
4.2 Разработка программы оптимизации последовательности проверки управляющих воздействий 136
4.3 Разработка программно-аппаратных средств для принятия решения по результатам контроля подвижного состава 139
Заключение 148
Список использованных источников 150 П
риложения 164
- Анализ внедрения автоматизированных систем контроля подвижного состава и управления движением поездов
- Методы оптимизации взаимного расположения компонентов распределенных систем на этапе внедрения
- Формализация принятия решения по результатам контроля подвижного состава
- Разработка программных средств для оптимизации распределенных систем контроля и управления на этапе внедрения
Введение к работе
Актуальность работы. Работа отрасли в новых экономических условиях, характеризующихся изменениями объемов и направлений железнодорожных перевозок, требует создания автоматизированных систем и их интеграции на всех уровнях управления перевозочным процессом.
Для повышения эффективности функционирования железнодорожного транспорта необходимо внедрение систем, имеющих не просто более совершенные характеристики, а обладающих принципиально новыми функциональными возможностями.
Одним из направлений совершенствования систем управления является передача от человека машине некоторых функций, носящих интеллектуальный характер. Применение подсистем интеллектуальной поддержки принятия решений позволит существенно повысить эффективность принятия решений. Применение интеллектуальных методов при принятии решений в задачах управления определяется сложностью формализации динамических процессов на железнодорожном транспорте.
Среди основных этапов разработки, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления, в работе рассматриваются два этапа -внедрение и эксплуатация. Выбор для исследования процессов внедрения объясняется недостаточно глубоким изучением этих вопросов, а также необходимостью внедрения систем в минимальные сроки и с минимальными затратами. Этапы внедрения и эксплуатации рассматриваются в совокупности, так как решения, принятые на этапе внедрения, оказывают непосредственное влияние на последующую эксплуатацию автоматизированных систем управления. Поэтому актуальной является проблема совершенствования существующих и разработка новых методов внедрения автоматизированных систем.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью развития интеллектуальных методов принятия решений при внедрении и эксплуатации автоматизированных систем в связи с появлением
5 новых вычислительных платформ и развитием новых компьютерных технологий.
Степень разработанности проблемы. Исследования основаны на работах отечественных и зарубежных ученых в области автоматизации технологических процессов и производств.
Большой вклад в совершенствование автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте внесли ученые Л.А. Баранов, Ю.А. Кравцов, Е.Н. Розенберг, И.Н. Розенберг, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Е.М. Ульяницкий, Д.В. Шалягин, А.А. Явна, и др. Методы построения автоматизированных систем управления сложными организационно-технологическими объектами рассмотрены в работах А.Н. Гуды, В.Н. Иванченко, В.М. Лисенкова, Н.Н. Лябаха и др. Методы интеллектуальной поддержки принятия решений на основе опыта и интуиции оператора эксперта рассматривались Л.С. Бернштейном, СМ. Ковалевым и др. Основные положения теории распознавания образов разработали Дж. Ту, Р. Гонсалес, Э. Патрик и др. Вопросы совершенствования эксплуатационной работы рассмотрены в трудах В.А. Буянова, Е.М. Тишкина и др.
Цель работы - разработка методов интеллектуальной поддержки принятия решений в системах диспетчерского контроля и управления.
В работе поставлены и решены следующие задачи: анализ автоматизированных систем диспетчерского управления; разработка методов принятия решений на этапе внедрения систем диспетчерского управления; -разработка метода поддержки принятия оперативных решений диспетчерским персоналом; - проведение экспериментальных исследований, для обоснования эффективности предложенных методов.
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы теории вероятностей, теории графов, исследования операций, генетические алгоритмы и продукционные модели.
Научная новизна работы заключается в интеллектуализации принятия решений в системах контроля и управления на основе эволюционной оптимизации и продукционных моделей.
Для этого разработаны: модель контролируемого пункта как распределенной системы сбора и первичной обработки информации, учитывающая тип информационного обмена, структуру сообщений, скорость передачи данных, качество каналов связи и количество блоков первичной обработки информации; метод оптимизации систем автоматизированного управления на этапе внедрения, основанный на одновременном решении задач размещения, назначения и выбора маршрута; эволюционный метод проверки управляющих функций автоматизированных систем управления на этапе внедрения, основанный на решении оптимизационной задачи с нелинейной целевой функцией и взаимозависимыми аргументами; метод обработки данных, обеспечивающий интеллектуальную поддержку принятия оперативных решений диспетчерским персоналом, на основе продукционной модели, использующей экспертные знания о технологии диагностирования подвижного состава и последствиях возможных неисправностей.
Теоретическая значимость. Разработанные в результате диссертационного исследования модели и методы могут применяться при анализе и синтезе распределенных систем управления, а также при разработке систем интеллектуальной поддержки принятия решений.
Практическая ценность. На основе предложенных методов разработаны: - программное обеспечение для оптимизации распределенных систем контроля и управления движением поездов на основе совместного решения задач оптимального размещения, назначения и выбора маршрута;
7 программное обеспечение для оптимизации последовательности проверки управляющих функций при внедрении систем управления движением поездов; технические средства и программное обеспечение подсистемы интеллектуальной поддержки принятия решений в составе системы «ДЦ-ЮГ с РКП».
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» РГУПС, на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава РГУПС (Ростов-на-Дону, 1999-2005 гг.); аппаратура распределенного контролируемого пункта, в которой использованы результаты диссертационного исследования, демонстрировалась на выставке-ярмарке «ЭКСПОЖД - 98» Всероссийского выставочного центра. Автор в числе разработчиков аппаратуры распределенного контролируемого пункта отмечен медалью «Лауреат ВВЦ».
Публикации. По теме исследования опубликовано 15 печатных работ, общим объемом 5 п.л., из них 4 в центральной печати и 13 без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 174 страницах, работа содержит 48 рисунков и 18 таблиц. В библиографию включено 117 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Анализ внедрения автоматизированных систем контроля подвижного состава и управления движением поездов
Улучшение эксплуатационных характеристик объектов железнодорожного транспорта осуществляется путем внедрения автоматизированных систем, отвечающих высоким требованиям сегодняшнего дня. Разработка таких систем основана на применении устройств сбора, хранения, предварительной обработки данных, информационно-логических автоматов, средств вычислительной техники и других устройств, позволяющих построить системы автоматизированного управления технологическими процессами. Для повышения эффективности функционирования железнодорожного транспорта необходимо внедрение систем, имеющих не просто более совершенные характеристики, а обладающих принципиально новыми функциональными возможностями, которые позволят изменить методы управления движением поездов. История развития автоматизированных систем управления движением состоит из нескольких этапов. На применении релейно-контактной и полупроводниковой техники основаны системы, разработанные на первом этапе. Это станционные системы электрической централизации (ЭЦ) и горочной автоматической централизации (ГАЦ), перегонные системы блокировки (ПАБ, АБ) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС), системы диспетчерской централизации (ДЦ), и др. С появлением новой элементной базы, мощных по вычислительным возможностям ЭВМ и персональных компьютеров, новых технических средств сбора, обработки и передачи информации начались разработки нового поколения средств автоматизации, представляющих собой сложные мультипроцессорные системы. Были разработаны микропроцессорные информационно-управляющие системы: микропроцессорная система автоматизации сортировочной горки III, микропроцессорная система управления движением поездов 121, микропроцессорная система защиты электроэнергетических объектов 131, информационно-управляющий комплекс тяговых подстанций /4/ и др. Вышеуказанные системы осуществляли сбор, передачу и обработку информации в реальном масштабе времени, что позволило перейти к новому этапу в развитии средств автоматизации. Разработка и внедрение автоматизированной системы оперативного управления перевозочным процессом (АСО УП) позволили перейти к комплексной автоматизации перевозочных процессов на железнодорожном транспорте /5, 6/.
Железнодорожный транспорт является распределенным объектом, для повышения эффективности которого необходимо создание систем управления информационными потоками II, 8/. Перевозки являются отражением транспортных связей поставщиков и получателей. При организации транспортных услуг необходимо учитывать постоянно меняющуюся интенсивность и направления перевозок, осуществлять резервирование ресурсов транспортной системы 19, 10/. Осуществление транспортного качественного обслуживания территориально распределенной производственной системы возможно только на основе применения автоматизации управления и его оптимизации. Наилучшее использование технических средств обеспечивает метод диспетчерского руководства. Поездной диспетчер (ДНЦ) осуществляет руководство оперативной работой, планирование и контроль поездного положения на участке, взаимодействует с диспетчерскими звеньями смежных участков, диспетчером-распорядителем вагонов, энерго-диспетчером, локомотивным диспетчером, дежурными по станциям и операторами средств контроля подвижного состава /11/. Современная система управления перевозочным процессом /12, 13, 14, 15/ состоит из трех уровней: - сетевой центр управления перевозками; - региональный центр диспетчерского управления; - опорный центр управления линейным районом. Первые системы диспетчерской централизации строились с использованием релейно-контактной аппаратуры /16, 17, 18/. Их сменили микропроцессорные системы, обеспечивающие практическую реализацию широких функциональных возможностей ЭВМ /19/.
Первая отечественная микропроцессорная система контроля и управления движением поездов ДЦМ-ДОН /20, 21/ была разработана специалистами РИИЖТа. Системой было оборудовано более 70 станций на Северо-Кавказской, Северной и Восточно-Сибирской железных дорогах.
Среди первых зарубежных микропроцессорных систем следует отметить систему диспетчерского управления движением поездов на основе применения аппаратуры телемеханики DUS 602 производства фирмы Siemens. Внедрение системы происходило на участке Рим-Формия (Италия). На линиях Национального общества французских железных дорог был создан пост централизации с микропроцессорным управлением (PRCI). В США разработаны системы Esplen и Microlok. В микропроцессорных системах диспетчеризации, кроме основных функций управления стрелками и сигналами, реализуются дополнительные сервисные функции /22/. Разработаны системы индикации номеров поездов ZN 800 фирмы Siemens, ZNA фирмы Telefunken и др. Устройства служат для отображения номеров поездов на информационном табло с мнемосхемой путевого развития станции. Унифицированная система слежения за движением поездов SNST разработана для французских железных дорог. Система позволяет установить местонахождение поезда, ведет сбор необходимой информации и протоколирует ее, отображает данные на экране дисплея и ведет диалог с оператором. Среди отечественных микропроцессорных систем диспетчерского контроля и управления следует выделить системы "Диалог", "Сетунь", "Тракт", "ДЦ-МПК", "ДЦ-ЮГ с РКП" / 23/. Учеными кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» и НИЛ «Диалог-Транс» РГОТУГТС разработан комплект устройств и систем, получивший общее наименование «Диалог» /24/.
Методы оптимизации взаимного расположения компонентов распределенных систем на этапе внедрения
Распределенные системы управления широко используются при построении автоматизированных систем управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте. Оптимизацию распределенных систем сбора и первичной обработки информации предлагается производить по критерию минимума затрат при внедрении и последующей эксплуатации. Для этого необходимо: - определить оптимальный вариант выполнения строительно монтажных работ с учетом последующих эксплуатационных расходов; оптимизировать последовательность выполнения пусконаладочных работ. Системы диспетчерской централизации являются территориально распределенными системами управления. Длина участка управления может превышать 100 километров. Кроме этого, даже в пределах одной станции, объекты контроля и управления имеют распределенный характер. При внедрении автоматизированной системы управления движением поездов выполняются следующие операции: - определение свободных мест на стативах аппаратуры электрической централизации для расположения блоков первичной обработки сигналов; - размещение блоков первичной обработки информации на свободных местах; соединение блоков первичной обработки информации с объектами контроля и управления; - прокладка кабеля межблочных связей блоков первичной обработки информации. При проведении строительно-монтажных работ учитываются следующие особенности расположения оборудования и электромонтажа. Щ Свободные места Рис.2.1 Пример расположения оборудования в релейном помещении Блоки первичной обработки сигналов так же, как и приборы электрической централизации, располагаются на горизонтальных полках. На каждой полке может быть установлено от 1 до 8 приборов. На каждом стативе может располагаться не более 14 полок. Ряд стативов может содержать от 1 до 5 стативов. Монтаж внутри одного статива осуществляется проводом. В вертикальном направлении соединения осуществляются по каналам с левой и правой стороны статива. По горизонтали соединения выполняются вдоль полок статива. Монтаж между стативами, непосредственно примыкающими друг к другу, осуществляется через соединительные колодки, расположенные в боковой части стативов. Монтаж остальных межстативных соединений осуществляется кабелем. Кабель прокладывается над стативами по кабелеводу и соединяется со стативами через соединительные колодки, расположенные в верхней части статива.
При различном взаимном расположении устройств, составляющих систему, на реализацию межблочных связей расходуется различное количество материалов, а на выполнение монтажных работ затрачивается различное количество рабочего времени. Оптимизация взаимного расположения оборудования позволяет свести к минимуму затраты на оборудование, материалы и строительно-монтажные работы. Указанная оптимизация производится на этапе внедрения, при этом в рассмотрении не участвует последующий этап эксплуатации системы.
В настоящее время при эксплуатации устройств железнодорожной автоматики и телемеханики осуществляется профилактическая стратегия технического обслуживания. Техническое обслуживание включает в себя осмотр, проверку действия, измерение характеристик, регулировку, чистку, смазку, замену износившихся деталей и узлов. Техническое обслуживание устройств автоматики и телемеханики осуществляется в соответствии с годовым и четырехнедельным планами-графиками.
В соответствии с нормативной документацией срок эксплуатации систем автоматизированного управления движением поездов составляет 15 лет. За это время эксплуатационные расходы могут значительно превысить средства, сэкономленные на этапе разработки и внедрения.
Например, при эксплуатации систем железнодорожной автоматики и телемеханики для достижения требуемого уровня безопасности движения поездов производится периодическая проверка правильности функционирования отдельных приборов. Для этого проверяемый прибор отключается от системы управления и заменяется аналогичным. Проверяемый прибор направляется в испытательную лабораторию, где осуществляется проверка правильности функционирования и в случае необходимости производится его ремонт или настройка.
Формализация принятия решения по результатам контроля подвижного состава
При принятии решения по результатам контроля подвижного состава необходимо отличать три ситуации: F] - данные находятся в пределах допустимых значений, неисправности подвижного состава не обнаружены, вмешательство оператора не требуется. F2 - данные находятся в пределах допустимых значений, обнаружена неисправность подвижного состава, требуется вмешательство оператора для проверки показаний системы и в случаи подтверждения показаний организации ремонта подвижного состава; F3 - данные не соответствуют принятому формату, произошел сбой в работе или возникла неисправность, требуется вмешательство оператора для организации ремонта аппаратуры СКПС или системы передачи данных (рис.3.1). Данные системы контроля подвижного состава представляют собой последовательность сообщений. Для принятия решения об отсутствии необходимости вмешательства оператора необходимо выполнение следующих условий (рис.3.2): - соответствие количества и последовательности сообщений; определение типов всех сообщений и соответствие всех параметров в сообщении; отсутствие неисправностей тракта передачи данных. Проследование поезда по участку контроля Неисправностей не обнаружено Обнаружены неисправности данные находятся в пределах допустимых значений данные не соответствуют принятому формату данные находятся в пределах допустимых значений, обнаружена неисправность подвижного состава вмешательство оператора не требуется требуется вмешательство оператора Рис.3.1 Результаты контроля подвижного состава соответствие количества и последовательности сообщений определение типов всех сообщений и соответствие всех параметров в сообщении отсутствие неисправностей тракта передачи данных. Рис.3.2. Последовательность принятия решения Для снижения загрузки поездного диспетчера предлагается разработать блок автоматического контроля данных, поступающих от средств контроля подвижного состава.
Структурная схема управления движением поездов в условиях работы средств контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда включает следующие элементы: поезд (П), являющийся объектом контроля и управления; средства контроля подвижного состава (СКПС); устройства управления (УУ) и оператор (ОП). Существующую схему предлагается дополнить блоком принятия решения (БПР) (рис.3.3). Схема управления движением поездов Описываемая система функционирует следующим образом. Информация о параметрах объекта П поступает в СКПС. Параметры и характеристики объекта управления поступают в блок принятия решения, где принимается решение о сложившейся ситуации /92/. Принятое решение передается оператором на объект через устройство управления. В результате контроля поезда оператор получает данные, представленные на рис.3.4. Это время начала контроля, данные об обнаруженных неисправностях, результаты выполнения контрольной программы и время окончания контроля. Эти данные можно описать в виде базового множества, включающего следующие понятия: Time - сообщение время, Noun - сообщение ось, Carriage - сообщение вагон, Train - сообщение поезд, для получения функционально полного множества введем дополнительный тип сообщения Error - сообщение с искаженной информацией. Сообщения о результате контроля поезда представляют собой массив данных, которые имеют определенную последовательность.
Эту последовательность можно описать, используя отношение rl, означающее «следуют друг за другом» /93/. Отношение A rl В предполагает последовательную смену следующих состояний: отсутствие событий А и В, наличие события А и отсутствие события В, наличие событий А и В. Допустимые последовательности сообщений описываются соотношениями: (Time rl Noun), (Noun rl Noun), (Noun rl Carriage), (Carriage rl Noun), (Carriage rl Train), (Train rl Time). Недопустимые последовательности сообщений описывается соотношениями: (Time rl Time), (Time rl Carriage), (Time rl Train), (Noun rl Time), (Noun rl Train), (Carriage rl Time) (Carriage rl Carriage), (Train rl Noun), (Train rl Carriage), (Train rl Train). Все допустимые варианты последовательностей сообщений в массиве данных о результатах контроля поезда описываются графом G(L). Эффективность методов контроля определяется способом математического описания принципов функционирования контролируемых устройств. Описание работы цифровых устройств осуществляется на основе функций алгебры логики /94, 95/. y=f(x,,x2,...,xn). При решении задач контроля объем обрабатываемых данных стремительно возрастает при увеличении сложности устройств. Определим длину контролирующей функции СКПС на основе функций алгебры логики для данных, имеющих минимально возможную длину и состоящих из 9 сообщений по 10 символов в каждом. Рис.3.5. Граф G(L) Для определения длины контролирующей функции произведем расчет количества различных вариантов, которые могут принимать исходные данные.
Разработка программных средств для оптимизации распределенных систем контроля и управления на этапе внедрения
Если объект контроля находится на этом же стативе, то потребуется четыре пайки и два отрезка монтажного провода общей длинной L. Если объект контроля находится на соседнем стативе, то потребуется шесть паек и три отрезка монтажного провода общей длинной L. Если объект контроля не находится на этом стативе и не находится на соседнем стативе, то потребуется восемь паек, три отрезка монтажного провода общей длинной L и один отрезок кабеля длинной LK. При этом учитываются следующие виды затрат: 1- припайка, 2- прокладка, 3- разделка, 4-кроссирование, 5- провод, 6- кабель. Затраты, связанные с техническим обслуживанием V блоков РКП-ТС, будут составлять Со = О/ VL+ CH-VH, где Сь Сц - затраты при техническом обслуживании блока РКП-ТС расположенного в области легкого и затрудненного доступа за все время его эксплуатации; VL, VH - количество блоков, установленных в областях легкого и затрудненного доступа. В табл.4.3 представлены результаты всех расчетов. Таблица 4.1. Стоимость монтажных работ Этапы Комментарии Затраты Подключениеобъектовконтроля кблокамРКП-ТС Вариант взаимного расположения: 1) на одном стативе 2.499 +29.81-L 2) на соседнем стативе 3.748 + 29.81-L 3) на любом стативе 9.106+29.808-L+34.833-U Организация линий связи Количество блоков равно V 1.34-V+59.93-LK Техническое обслуживание Количество блоков равно V Со = CL VL+ CH-VH, Программа оптимизации распределенных систем осуществляет: ввод информации о местах расположения объектов контроля; - ввод информации о свободных местах на стативах электрической централизации для установки распределенных блоков РКП-ТС; - определение кратчайшего пути прокладки линий связи и расчет значения фитнес-функции; - загрузку данных и запуск оптимизатора; - преобразование хромосомы в вариант расположения блоков РКП-ТС, назначения им объектов контроля и определение маршрута межблочных связей.
При вводе информации о местах расположения объектов контроля осуществляется заполнение следующих полей: 1) номер ряда стативов; 2) номер статива; 3) номер полки на стативе; 4) номер места на полке; 5) имя объекта контроля; 6) номер тройника (табл.4.2). Информация о свободных местах для установки блоков первичной обработки сигналов включает следующие данные: 1) порядковый номер свободного места; 2) номер ряда стативов; 3) номер статива; 4) номер полки на стативе; 5) номер места на полке (табл.4.3). В результате работы программы формируется файл, содержащий следующие данные: 1) места размещения блоков РКП-ТС; 2) вариант подключения объектов контроля; 3) маршрут кабеля связи. Информация о размещении блоков указывается в первой строке файла в виде (ряд стативов, статив, полка, место). Информация по каждому блоку состоит из трех столбцов. В первом столбце указан порядковый номер объекта контроля на станции. Во втором столбце указывается расположение объекта контроля в виде (ряд стативов, статив, полка, место). В третьей строке указывается название объекта контроля. В последней строке указывается маршрут кабеля связи. Экономическая эффективность метода оптимизации распределенных систем сбора и обработки информации определяется уменьшением объемов строительно-монтажных работ и соответственно уменьшением их стоимости. Проверка экономической эффективности модуля оптимизации распределенной системы сбора и первичной обработки информации выполнялась на примере распределенной системы, имеющей следующие характеристики: 1) количество объектов контроля - 69; 2) количество возможных мест установки блоков РКП-ТС - 6; 3) максималыюе количество объектов контроля, подключаемых к одному блоку РКП-ТС - 20. В результате оптимизации был получен вариант размещения блоков РКП-ТС, вариант назначения объектов контроля и маршрута кабеля связи, представленный в табл.4.4. Затраты на реализацию полученного варианта составляют 8331 руб. в ценах 2005 г., что на 220 руб. меньше чем при реализации варианта, предложенного человеком - опытным специалистом технического отдела дистанции сигнализации и связи. В результате оптимизации на основе предложенного метода возможно сокращение затрат при производстве работ на 3%. На основании проведенных расчетов можно сделать вывод о целесообразности оптимизации распределенных систем, даже при небольшом количестве распределенных блоков. При проведении оптимизации более крупных систем следует ожидать еще большего уменьшения затрат при внедрении распределенных автоматизированных систем контроля и управления.
