Введение к работе
Актуальность темы исследования:
Концепция управления сложными транспортными объектами в настоящее время претерпела значительные изменения. Сложность исследуемых на транспорте объектов зачастую принципиально исключает возможность полного автоматического режима их функционирования. В этой связи, развитие прогрессивных технологий в работе сортировочных станций (СС), как жизненно важных узлов железнодорожной транспортной системы, а также оптимизация эксплуатационной работы связаны, прежде всего, с применением интеллектуальных механизмов управления работой станции.
Необходимо создать универсальную систему автоматизации СС для всей сети железных дорог страны. Однако, географическое местоположение СС на территории нашей страны преподносит порою совершенно разные проблемы перед одинаковыми системами механизации, автоматизации и персоналом. Так, максимальные, минимальные и среднегодовые значения температуры, скорости ветра, количества осадков, влажности, атмосферного давления на разных станциях существенно различаются. Требования же к количественным и качественным показателям работы технологических процессов, персоналу и станций в целом на всей территории страны одинаковы. СС должны обеспечивать необходимый объем и качество переработки составов независимо от своего географического местоположения, времени года и суток.
Это ставит новые требования по мониторингу и компенсации влияния климатических условий на функционирование СС. Таким образом, система, имеющая универсальное ядро автоматизации станционных процессов и подсистему учета влияния погодных условий, является актуальной задачей. За счет второй составляющей будет выполняться адаптация системы к каждому конкретному объекту внедрения - сортировочной станции.
В рамках данной задачи необходимо рассмотреть следующие вопросы:
охарактеризовать суровость среды и проблемы сортировочного комплекса, возникающие в этой связи;
проанализировать накопленный в данной области опыт;
- разработать методы получения и обработки статистической и экспертной
информации о влиянии среды на сортировочный процесс;
- разработать механизм идентификации текущего состояния среды;
- разработать устройство компенсации параметров внешней среды на
сортировочный процесс;
- обеспечить надежность синтезированной подсистемы.
Степень разработанности проблемы: значительный вклад в разрешение задач автоматизации управления перевозочным процессом, обеспечения безопасности движения поездов с помощью средств автоматики, телемеханики и связи внесли известные ученые: В.М. Абрамов, Л.А. Баранов, И.В. Беляков, П.Ф. Бестемьянов, A.M. Брылеев, М.Н. Василенко, Д.В. Гавзов, И.Е. Дмитренко, Н.Ф. Козлов П.А., Котляренко, Ю.А. Кравцов, И.М. Кокурин, В.М. Лисенков, А.С. Переборов, Н.Ф. Пенкин, Д.В. Шалягин, В. А. Шаров и многие другие.
Возможности и проблемы автоматизации технологических процессов на
сортировочных горках подробно исследованы В.Н. Иванченко,
Н.А. Никифоровым, А.Г. Савицким, Е.М. Тишкиным, Н.М. Фонаревым, В.И. Шелухиным и другими.
Воздействие климатических факторов на работоспособность машинистов локомотивов и исполнительных устройств исследована в работах В. Г. Козубенко. Оценку суровости условий эксплуатации и разработку методик корректировки нормативов эксплуатации автомобильного транспорта проводили Резник Л.Г., Чайников Д.А., Бындикова Ю.А., Карнаухов В.Н.
Влияние погодных условий на надежность устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики описано в работах Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В., Шаманова В.И., Юсипова Р.А.
Некоторые возможности компенсации влияния климатических факторов были заложены в алгоритмах Ю.А. Мухи.
Возможности, способы и методики получения экспертных оценок рассматривали в своих работах Бындикова Ю.А., Карнаухов В.Н., Орлов А.И, Хаблак К.А.
Методы оценки и обеспечения надежности и живучести систем железнодорожной автоматики и телемеханики разрабатывались Линденбаум М.Д., Савченко П.В., Сапожниковым В.В.
Проблемы и методы повышения безопасности систем железнодорожной автоматики и движения поездов рассмотрены в работах Ададурова С.Е., Горелика А.В., Каинова В.М., Лисенкова В.М.
Также в настоящей работе анализируются и развиваются подходы к интеллектуализации сортировочного процесса, предложенные в работах Берштейна Л.С., Денисова А.В., Ковалева СМ., Лябаха Н.Н., Одикадзе В.Р., Розенберга И.Н., Соколова В.Н., Уманского В.И., Шабельникова А.Н.
Вместе с тем, проблема компенсации влияния среды, в которую погружен объект автоматизации - сортировочная станция - в достаточной мере проработана не была. Влияние климатических факторов на технологические процессы на СС было замечено давно. Так, Ю.А. Муха в своей системе АСУ роспуска на сортировочной горке пытался косвенным образом учесть влияние среды за счет применения «зимних» и «летних» настроек алгоритмов. В системе КГМ-РИИЖТ Иванченко В.Н. и его последователи предусмотрели саму возможность учета влияния погодных факторов, влияющих на технологические процессы и поддающихся измерению. Использование данных о текущих погодных условиях заложено изначально в структуре устройства управления прицельным торможением. Однако, как показал опыт, всего этого явно недостаточно с учетом большой географической протяженности нашей страны и огромных перепадов некоторых климатических факторов, как в течение всего года, так и в течение суток.
Все это и послужило толчком к написанию данной работы, которая бы обобщала накопленный опыт, и на его основе была разработана в определенной степени автономная система, которая брала бы на себя функции компенсации климатических условий, насколько это возможно и экономически целесообразно.
Цель диссертационного исследования: проанализировать комплексное влияние среды на объект исследования, разработать систему поддержки принятий решений (СППР) и устройство компенсации влияния параметров внешней среды на сортировочный процесс, позволяющие учесть воздействие среды, в которой функционирует СС, на технологические процессы и персонал в автоматическом режиме и путем реализации программно-аппаратных советчиков.
Для достижения поставленной цели осуществлялось решение следующих задач:
Анализ существующих подходов и методов, а также систем автоматизации технологических процессов на СС.
Сбор, обработка и анализ статистической и экспертной информации по работе
сортировочных станций в различных природно-климатических зонах.
Разработка механизма идентификации текущего состояния среды, в которую погружен объект управления, и его влияния на технологические процессы объекта управления.
Развитие математического аппарата моделирования влияния факторов внешней
среды на роспуск составов на сортировочной горке.
- Разработка устройства управления для компенсации текущего влияния
параметров внешней среды.
- Внедрение полученных в результате исследования и практических наработок в
комплексную систему автоматизированного управления сортировочным процессом и учебный процесс РГУПС.
Объект исследования: сортировочная станция, технологические процессы расформирования-формирования составов на станции, среда их функционирования, параметры суровости среды.
Предмет исследования: мониторинг среды погружения объекта управления
- текущих климатических условий, формализация влияния среды
функционирования на объект исследования и методы компенсации влияния
климатических условий на технологические процессы и персонал СС,
программно-аппаратные советчики поддержки принятия решений.
Работа выполнена в соответствии с пунктами паспорта специальности 05.13.06: 3. Методология, научные основы и формализованные методы построения
автоматизированных систем управления технологическими процессами
(АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой
производства (АСТПП) и т.д. 6. Научные основы, модели и методы идентификации производственных
процессов, комплексов и интегрированных систем управления.
10. Методы синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей, функциональных и обеспечивающих подсистему АСУТП, АСУП, АСТПП и др. 8. Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизации модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.
Рабочая гипотеза:
Усовершенствование системы автоматизированного управления сортировочным процессом за счет:
- создания методологии исследования влияния погодно-климатических
факторов на процесс сортировки составов на СС;
разработки формализованного описания объекта исследования и среды его погружения;
оптимизации структуры и параметров системы;
внедрения передовых образцов техники и современных технологий;
- обеспечения сопровождения и эксплуатации «человеко-машинной»
системы.
Положения, выносимые на защиту:
Различное географическое местоположение сортировочных станций обуславливает широкий диапазон природных и климатических условий функционирования, различные экономические и технические требования, которые невозможно удовлетворить в рамках одной стандартной сортировочной системы. Попытка создания универсальной системы переусложнит ее, сделает дорогой и мало надежной. Это определяет необходимость внедрения автоматической и одновременно интеллектуальной компенсации влияния внутренней и внешней среды функционирования.
Анализ имеющихся в настоящее время, а также используемых ранее средств и методов учета климатических условий в различных системах автоматизации сортировочных станций показал необходимость разработки специальной подсистемы, объединяющей в себе все необходимые средства компенсации влияния среды. Дефицит управляющих ресурсов определяет задачу разработки стратегии адаптивного управления сортировочными процессами на станциях в таких условиях.
Влияние климатических факторов на технологические процессы опосредованно отражено в накопленной статистике и опыте экспертов. Это определяет необходимость разработки формализованных методов анализа и количественных показателей этого влияния при помощи статистических и экспертных данных.
Погодные факторы имеют различную размерность и степень влияния на объект управления, а результирующее воздействие является комплексным. Поэтому для компенсации влияния текущего состояния среды требуется однозначно идентифицировать это состояние и привести к одному масштабу размерность всех влияющих факторов.
Существуют трудно формализуемые факторы среды, такие как, например, атмосферные осадки в виде снега. Определение влияния данных факторов в автоматическом режиме зачастую невозможно или экономически нецелесообразно. Поэтому для компенсации влияния трудно формализуемых климатических факторов необходима разработка интеллектуальных функций синтезируемой системы учета климатических условий.
Научная новизна исследований:
Разработан механизм идентификации текущего состояния среды относительно ее влияния на объект исследования, использующий обобщенное евклидово пространство и основанный на определении «меры близости» между различными значениями погодных факторов. Этот механизм позволяет однозначно идентифицировать текущее состояние среды, т.е. отнести его к одному из имеющихся эталонных состояний и определить влияющее воздействие данного состояния среды.
Усовершенствован алгоритм принятия решений в условиях дефицита управляющих ресурсов, использующий ряд заблаговременно рассчитанных стратегий управления в зависимости от текущей ситуации и позволяющий выбрать из имеющихся наиболее подходящую в данный момент стратегию управления.
Развит аппарат определения надежности системы с обесценивающими и необесценивающими отказами в части обработки накопленной статистики, позволяющий определить качественные и количественные характеристики оборудования, необходимого для выполнения тех или иных функций
подсистемы. 4. Разработана модель специального устройства для компенсации текущего влияния суровости среды, корректирующая управляющее воздействие согласно текущим параметрам среды и их влиянию на технологический процесс, использующая данные метеостанции, современные информационные технологии передачи и обработки информации и позволяющая повысить качество управления в различных климатических условиях.
Теоретико-методологической основой диссертационного исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых и специалистов, посвященные проблематике автоматизации сортировочного процесса (СП) и влиянию среды функционирования на СП, оборудование СЖАТ и персонал.
Информационно-эмпирической базой исследования послужили нормативные документы, статистические данные мониторинга сортировочного процесса на СС «Инская» и «Входная» Западно-Сибирской железной дороги, «Красноярск-Восточный» Красноярской железной дороги, «Челябинск-Главный» Южно-Уральской железной дороги, «Бекасово-Сортировочная» Московской железной дороги, экспертная информация, полученная на основе авторского исследования.
Теоретическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке общих принципов, конкретных методик и алгоритмов, позволяющих компенсировать влияние среды на системы автоматизации сортировочных станций, технологические процессы и персонал.
Практическая значимость состоит в том, что разработанные в работе методы внедрены в конкретных системах автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях:
алгоритмы определения влияния внешней среды на технологические процессы по статистическим данным;
- модуль автоматического учета влияния основных климатических факторов
на технологический процесс роспуска составов;
- программный советчик режимов работы системы автоматизированного
расчета скорости устройством управления прицельным торможением (АРС
УУПТ) при наличии атмосферных осадков в виде снега.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры «Информатика» РГУПС, студенческих конференциях РГУПС 2005 - 2007 г, международной конференции «Транспорт-2008» в Ростове-на-Дону в 2008 г, девятом всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике в Волгограде и Волжском в 2009 г.
Результаты диссертационного исследования внедрены в системах автоматизации сортировочных процессов на станциях «Красноярск-Восточный» Красноярской ж.д., «Инская» и «Входная» Западно-Сибирской ж.д., «Челябинск-Главный» Южно-Уральской ж. д. Акты о внедрении прилагаются в приложении.
Публикации по теме. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, общим объемом 2,98 п. л., из них авторских - 1,98 п. л.
Структура и объем работы. Диссертация имеет традиционную структуру и состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений. Она содержит 152 стр. машинописного текста, 26 рисунков, 13 таблиц и библиографию, содержащую 97 наименований.
