Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующей системы диспетчерского управления работой грузовой станции 9
1.1. Состояние системы оперативного управления работой грузовой станции в условиях АСУ 9
1.1.1. Содержание задач диспетчерского управления работой грузовой станции 9
1.1.2. Состояние диспетчерского управления на грузовых станциях Московского узла II
1.1.3. Результаты внедрения информационно- справочной системы в Московском узле 16
1.1.4. Анализ процесса управления. Организация планирования как одного из элементов управления. 23
1.2. Обзор научных трудов в области диспетчерского управления работой грузовых станций. Оценка применимости различных типов математического обеспечения при решении задач диспетчерского управления 30
1.2.1. Математический аппарат теории принятия решений. 30
1.2.2. Оценка разработанных ранее оптимизационных задач по управлению подразделениями и техническими средствами станции 37
1.2.3. Анализ научных трудов, посвященных оперативному планированию работы грузовой станции 39
1.2.4. Определение обобщающих показателей работы станции и возможность их применения в
практике управления 47
1.3. Постановка задачи и цели исследования 52
Выводы 53
2. Направления совершенствования диспетчерского управления работой ГС 56
2.1.Анализ использования рабочего времени диспетчерским аппаратом ГС 56
2.2. Содержание операций управления в условиях АСУ. Распределение функций управления в системе "человек-машина" 67
2.3. Развитие систем искусственного интеллекта и вычислительной техники. Общие принципы построения ЭС 76
2.3.1. Характеристики экспертной системы 77
2.3.2. Представление знаний 81
2.3.3. Области применения экспертных систем и возможность их построения для решения задач на ж.д. транспорте 82
Выводы 86
3. Использование экспертных систем для решения задач планирования работы ГС 88
3.1. Пример построения экспертной системы для решения задач сменно-суточного планирования 88
3.2. Применение ЭС для решения задач оперативного планирования на ГС 97
3.2.2. Обеспечение информационного взаимодействия между ИСС ГС и СППР диспетчера 101
3.2.3. Определение возможных вариантов плана 103
3.2.4. Использование фреймовых стркуктур при представлении знаний 105
3.2.5. моделирование процесса принятия решений 109
3.2.6. Принципы построения матрицы предпочтений... 117
з.з. Пример решения задачи определения оптимального оперативного плана работы ГС 119
Выводы 128
4. Экономическая эффективность внедрения АРМ диспетчера на грузовых станциях крупнейших узлов 129
4.1. Состав аппаратно-программного комплекса (АПК) АРМ диспетчера. Оценка затрат на оборудование... 129
4.2. Определение эффективности затрат на создание АРМ диспетчера 132
Выводы 138
Заключение 140
Список использованной литературы
- Состояние диспетчерского управления на грузовых станциях Московского узла
- Оценка разработанных ранее оптимизационных задач по управлению подразделениями и техническими средствами станции
- Содержание операций управления в условиях АСУ. Распределение функций управления в системе "человек-машина"
- Обеспечение информационного взаимодействия между ИСС ГС и СППР диспетчера
Введение к работе
Грузовые станции яявлются важным элементом организации перевозочного процесса. Они являются местами зарождения и погашения мощных вагонопотоков, а также местом, где взимаются платы, сборы и штрафы с клиентов, что в условиях рынка является источником доходов железных дорог. Особенно хорошо это видно на примере грузовых станций в крупных узлах и, в частности, крупнейшего ж.д. узла России - Московского. Отсюда интерес к проблемам управления работой грузовых станций - ведь от рациональности управления ими зависят доходы, распределяемые затем в рамках более крупных подразделений и сети ж.д. в целом. При этом необходимо отметить, что приблизительно 30 % оборота вагона приходятся на грузовые станции (что составляет в среднем около 36 ч.) /1/. Из этого времени лишь 11-20 % (в среднем - 16 %) составляет простой под грузовыми операциями, величина которого практически не зависит от качества управления. На величину других элементов простоя (в ожидании подачи - 33-51 %, отправления - 30-50 Я), напротив, выбор диспетчером того или иного плана действий может оказывать решающее воздействие. Исследования функционирования ГС позволили разработать модели процессов грузовой работы, дающие оптимальные или близкие к ним решения по организации отдельных элементов технологического процесса. Сложность расчетов по этим моделей и развитие вычислительной техники привели к осознанию необходимости применения ЭВМ сначала для проведения самих расчетов, а затем и для сбора, хранения и систематизации текущей информации. Таким образом, была сформулирована концепция улучшения управления работой грузовых станций на базе АСУГС. Первым этапом стало создание
- 7 -информационно- справочной системы с построением информационно-динамической модели станции. Дальнейшее развитие связано с расширением применения получаемых от информационно- справочной системы сведений в практике управления как за счет увеличения объема выдаваемой информации, так и за счет изменения ее представления.
ЦЕЛЬ ДАННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ состоит в разработке методов повышения уровня автоматизации управления работой ГС на базе анализа функций диспетчерского аппарата, его роли в формировании и использовании циркулирувдих в системе информационных потоков с учетом возможности применения современных технических средств и методов получения рациональных управленческих решений. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ: основан на анализе и обобщении опыта оперативного управления работой ГС в рамках существующей системы управления;
изучении научно-исследовательских работ и инструктивных материалов МПС;
применения современных программных средств и вычислительной техники; НАУЧНАЯ НОВИЗНА: исследования заключается в следующем:
в результате анализа содержания функций диспетчера определена возможность снижения его информационной загрузки за счет совершенствования существующей информационно-справочной системы;
на основе известных схем управления, адаптированных к условиям ГС, определена этапность перехода от неавтоматизированной системы управления к автоматизированным, вплоть до СППР;
обоснован выбор в качестве программной основы СППР класса
- 8 -программных продуктов, известных как экспертные системы и
определен способ их применения.
диссертационная работа выполнена на кафедре "Технология грузовой и коммерческой работы" московского государственного университета путей сообщения (МЖГ).
Состояние диспетчерского управления на грузовых станциях Московского узла
Московский железнодорожный узел является уникальным образованием на сети железных дорог бывшего СССР, как по количеству станций в узле и по количеству примыкающих направлений, так и по объемам грузовой работы. Следует также отметить меньшее, по сравнению с другими участками сети, снижение объемов перерабатываемого грузопотока, и , особенно, сохранение доходов от выполнения работы по приему и отправлению грузов, в т.ч., и за счет применения договорных тарифов за дополнительные услуги, оказываемые грузоотправителям (грузополучателям). Соответственно работа ГС этого узла и решаемые в процессе управления ею задачи обладают спецификой, хотя в целом достаточно характерны для ГС, обслуживающих крупные промышленные центры. Так, одной из характерных черт является значительное преобладание выгрузки над погрузкой, что практически исключает дефицит порожних вагонов для обеспечения погрузки. Другой особенностью является тупиковое расположение станций и соответственно поездная работа сводится к обработке местных поездов, к тому же отправляемых на одно, реже два назначения. Это упрощает решение оперативных задач при определении оптимального порядка отправления вагонов со станции.
Управление крупными ГС осуществляется на основе диспетчеризации. Структура управления в значительной степени зависит от наличия различных подразделений на станции, а также количества однотипных подразделений (контейнерных площадок, складов и т.п.) а также их ведомственной подчиненности. Это определяет штат не только управляющей подсистемы грузовой станции, но и в целом штатное расписание станции, а, следовательно, и круг выполняемых диспетчерами обязанностей.
Так, для наиболее крупных ГС московского узла - москвы-тов-Курской , Москвы-тов-Павелецкой , Кунцево-2 характерна развитая система диспетчерского управления, со штатной должностью оператора при маневровом диспетчере (на Кунцево-2 приемосдатчика при маневровом диспетчере), основная часть рабочего времени диспетчера занята непосредственно управлением. При этом в обязанности диспетчера входит ведение документов, фиксирующих выполненную работу станции, а при отсутствии оператора - выполнение и его обязанностей. На других станциях, с меньшим путевым развитием и объемом переработки ведущее положение занимает грузовой диспетчер, должность маневрового диспетчера отсутствует, а часть его функций выполняет ДСП (ДСПП). Это, например, Москва-Бутырская, Москва-тов-Ярославская, близкая схема управления на Москве-тов-Киевской. Работа диспетчера включает в себя ведение различных установленных и неустановленных форм отчетности, документов, связана с необходимостью лично убеждаться в положении дел на грузовых фронтах, иногда - принимать участие в коммерческом осмотре прибывшего поезда.
На станциях с небольшим объемом переработки функции как маневрового, так и грузового диспетчера выполняет ДСП.
В целом существующую систему управления работой ГС можно охарактеризовать как неавтоматизированную. При этом полностью неавтоматизированы функции принятия решений и лишь частично и то на крайне небольшом числе станций (в первую очередь на рассматриваемых выше) автоматизированы функции сбора и представления информации. Основными средствами связи, по которым проходит информация, используемая диспетчером, являются радио- и телефонная связь, важным источником информации также является натурная перепись вагонов на путях, а также личное наблюдение. А в различные формы графиков или других документов диспетчер или оператор заносит от 770 до 4400 буквенно- цифровых знаков за смену.
В силу большого разнообразия в путевом развитии и наличии различных грузовых объектов на станциях не существует установленных форм документов (графиков исполненной работы), по которым осуществляется контроль положения на станции, хотя аналогичность функционального назначения определяет сходство форм (приложение 2). В то же время на ряде станций, с меньшим объемом работы отсутствует вообще такой документ как график исполненной работы, а ведутся записи в книге неустановленной формы, содержащие важнейшие для руководства станцией сведения (наличие остатков под выгрузку, наличие заявок, вагонов на грузовых фронтах, распоряжения и т.д.). Однако такие графики не всегда обеспечивают высокую наглядность представления информационно-динамической модели станции. На ряде ГС диспетчер имеет возможность видеть пульт управления (табло МРЦ), где информация меняется автоматически, что позволяет контролировать положение вагонов на путях. Согласно (6) на ряде грузовых станций используется мнемосхема станции, на которой посредством фишек вручную отображается положение вагонов на станции. Аналогичная система применяется на станции Москва-тов-Павелецкая, где мнемосхема заменена столом, разбитым на ячейки, соответствующие путям, а перекладываются карточки, на которых имеются сведения о вагоне.
Оценка разработанных ранее оптимизационных задач по управлению подразделениями и техническими средствами станции
Однако все эти метода предлагаются в рамках прескриптивного подхода, что выходит за рамки данного исследования. 1.2.2. Оценка разработанных ранее оптимизационных задач по управлению подразделениями и техническими средствами станции.
Как было указано в і.і., целью управляющей подсистемы ГС является выработка решений и воздействий, направленных на обеспечение устойчивого эффективного функционирования станции и ее подразделений. Очевидно, эффективность работы станции определяется по экономическим критериям. В условиях перехода к рыночной экономике эти показатели приобретают еще более важное значение. В разработанных оптимизационных задачах значением критерия чаще всего являлось именно денежное выражение экономии, затрат (или приведенных расходов). Также (в связи с не всегда правомерно установленными ценовыми соотношениями между натуральными показателями) в качестве критерия оптимизации выбирался один из этих показателей, иногда как "приведенный", если натуральных показателей было несколько.
Основная сложность при этом состояла в выборе адекватной математической модели, однако такая модель зачастую требовала сложных расчетов и больших объемов информации, что затрудняло ее применение в практике управления. В частности, при ручном вводе информации о положении вагонов на путях ценность полученного решения значительно снижается, из-за изменений, происшедших за время до его получения. Таким образом, применение таких оптимизационных задач целесообразно прежде всего для общего руководства станции и при разработке технологического процесса. Результаты их решения могут использоваться при оперативном планировании, в т.ч. в качестве ограничений. Перечень разработанных задач взят из работ /20,21/. і) Определение оптимального числа подач вагонов на грузовые фронты станции; 2) Определение минимально- целесообразного количества вагонов в подаче на грузовой фронт; 3) Выбор оптимального режима работы грузовых фронтов; 4) Оптимальное распределение подвижного состава для загрузки его грузами с различным объемным весом. 5) Выбор приоритетов в обслуживании входящих и выходящих потоков заявок (подача и уборка вагонов на грузовые фронты).
Существуют также математические модели решение таких задач оперативного управления, как: 6) Планирование работы маневрового локомотива по подаче- уборке вагонов на грузовые фронты станции. 7) Распределение груженых вагонов по грузовым фронтам станции; 8) Оптимальное расформирование состава с одновременной подборкой групп вагонов для подачи на грузовые фронты; 9) Оптимальное планирование работы грузовых фронтов по переработке различных видов груза. 10) Распределение взаимозаменяемых ПРМ между грузовыми фронтами станции. Однако вышеприведенные факторы затрудняют их практическое использование. Предпринимались попытки решать задачи в процессе оперативного управления. Рассмотрим подробнее подхода, в т.ч. и математический аппарат, использованный при оптимизации процессов оперативного управления.
В 1949-50 гг. был разработан метод выбора рациональной очередности подач и уборок вагонов на грузовые пункты станций /22/, основанный на следующих правилах: - подачи и уборки осуществляются в порядке возрастания средних затрат времени локомотива (локомотиво- минут), приходящихся на один подаваемый (убираемый) вагон (затраты времени на производство подач и уборок считаются постоянными). - устанавливается сначала порядок обслуживания кустов, а потом-обслуживание внутри куста; - период планирования принимается из расчета Тпл = и - т )/2 Т6ХН где j - интервал времени от момента прибытия вагонов на станцию до времени отправления их по графику - Т - технологические нормы времени на операции по прибытию, расформированию с подборкой вагонов, подлежащих подаче, формирование и отправлению.
Содержание операций управления в условиях АСУ. Распределение функций управления в системе "человек-машина"
В предыдущем разделе дана характеристика существующей системы управления работой ГС при традиционной системе руководства : приведен перечень технологических задач, которые предполагается решать при использовании АСУГС. Рассмотрим подробнее возможные варианты взаимодействия человека с техническими средствами АСУ, различающиеся распределением функций сбора информации и управления в системе "человек- машина".
Итак, традиционная система управления предполагает получение информации по речевым каналам (радио, телефонная связь) и визуально; ручное формирование информационной модели станции; доведение распоряжений до исполнителей также по речевым каналам. Решение задач оперативного управления осуществляется лицом, принимающим решение (ЛПР) на основании опыта его работы в результате анализа информационной модели (ИМ), получаемой, в свою очередь при использовании средств отображения информации (рИС.2.5)
Схема автоматического управления (рис. 2.6.) практически является альтернативой ручному управлению. В этой системе предусмотрен специальный блок, в котором на основе информации, поступающей от датчиков (Д), на базе заранее построенной модели поведения объекта вырабатывается управляющее решение и на исполнительные органы передаются команды, оптимальные с точки зрения принятого критерия эффективности. Роль человека (ЛПР) сводится в этих системах к наблюдению (контролю) за правильностью функционирования всей системы, а также к установке (изменению) значения критерия эффективности. Однако существуют объективные трудности в процессе создания автоматической системы управления работой ГС.Основной из них является низкий уровень существующей технической базы автоматизации, масштаб необходимых изменений и инвестиций. Технические проблемы, возникающие при этом, вряд ли будут разрешены в ближайшее время.
Между этими двумя принципиально отличающимися по участию в процессе управления человека классами систем располагаются так называемые автоматизированные системы, в которых участие человека в контуре управления обязательно. В этих системах часть функций управления выполняется техническими средствами системы аппаратно - программным комплексом (АПК АСУ), а остальная часть функций управления - человеком. В работе /39/ выделены 4 типа АСУ по степени автоматизации процесса управления. Рассмотрим их применительно к ГС. В наиболее простых АСУ автоматизированы функции сбора информации об объекте управления и предъявления их человеку оператору (диспетчеру). Такая схема приведена на рис. 2.7. Информация о положении станции поступает к диспетчеру непосредственно, а также через средства отображения, входящие в состав АПК АСУГС. При этом информация, предъявляемая диспетчеру, поступает в АСУГС как через различного рода датчики, так и при вводе информации исполнителями (техническими конторщиками, товарными кассирами, приемосдатчиками и т.д.), что в условиях сохранения бумажной технологии влечет формирование и печать первичных документов, соответствующих введенным сведениям. За диспетчером остается процесс выработки управляющего решения на основе его концептуальной модели. Передача управляющих решений до исполнителей производится через средства передачи (СП), которые могут входить в состав АПК АСУГС, либо являться существующими телефонными и радиоканалами. Фактически такая система близка к неавтоматической (ручной). Отличие заключается в характере работы со средствами отображения, в роли которых могут использоваться современные технические средства (в частности, ПЭВМ с цветными графическими дисплеями в рамках АРМ диспетчера). В условиях АСУГС обработанная АПК информация выдается именно в том виде, в котором она необходима для принятия управленческого решения, и в то же время нет необходимости в обязательном изменении состояния средств отображения самим диспетчером, ведь информация поступает от исполнителей непосредственно в ЭВМ. Повышение качества информационной модели и способов предъявления информации должно снижать загрузку диспетчера, оставлять больше времени для принятия управленческих решений. По мере развития АСУГС и доработки АРМ ДСЦ информационная модель, получаемая с использованием ЭВМ, становится все более полной, что сокращает потребность в использовании речевых каналов связи (таб.2.і). В первую очередь это касается связей с исполнителями, в дальнейшем - связей с вышестоящим уровнем управления (в рамках АСУЖТ).
Обеспечение информационного взаимодействия между ИСС ГС и СППР диспетчера
Рассмотрим подробнее этот процесс. При обращении к фрейму ГФ (происходит перебор всех таких фреймов) выбирается очередной слот "номер вагона" (НВ) или из слота "номера вагонов на ГФ" выбирается очередная группа символов, составляющая номер вагона. Этому слоту ставится в соответствие одноименный с ним слот фрейма В, обладающий к тому же одинаковым значением. Согласно процедуре "если совпадает" происходит перенос из слотов мГВ, КМС, НМГР (масса груза в вагоне, количество мест, наименование груза) фрейма В в одноименные слоты фрейма 0Н5. В результате выполнения процедур, относящихся к 0Н5, определяются атрибуты слотов ВНГФ (вагоны на ГФ) и Т этого фрейма и переносятся в одноименные слоты фрейма ГФ, значение слота НМТФ (наименование ГФ) которого совпадает с текущим значением соответствующего слота фрейма 0Н5. Далее для парков Пх и П2 , имеющих значение слота НАЗВ соответственно СП и ПОП, производится перебор слотов НВ, также содержащих номера вагонов, им ставятся в соответствие фреймы В, далее происходят процедуры в рамках фрейма ОНі, исходные данные для которого содержаться в слотах РВ (разметка вагона), ГП (груженый/порожний), МГВ, значения которых перенесены из фрейма В, а результаты записываются в слоты N , значение которого переносится во фрейм Ф, слот N - соответственно во фрейм 0Н4, и слот ННГФ (вагонов назначением на ГФ)- во фрейм ГФ, наименование которого совпадает со значением слота РВ. Далее из фрейма П, имеющего атрибут ПОП слота НАЗВ, происходит выборка номеров вагонов и перенос информации из соответствующего фрейма В во фрейм Р (слот РВ- "расформируемые вагоны"). Результат выполнения процедур фрейма Р записывается в слот Т
Далее для каждого фрейма ГФ производится определение обобщенных показателей МПГФ, в добавление к уже имещимся ННГФ и ВНГФ, являющимися атрибутами соответствующих слотов, а также атрибутов слотов Т , Т в рамках процедур фреймов 0Н2, ОНз, 0Н4, при этом кроме информации, содержащейся в слотах фрейма ГФ, фрейм ОНз использует данные фрейма МЛ (слот Р ). Фреймы У и Ф моделируют процесс уборки и формирования, используют слоты ВНГФ, Т , НМГФ фрейма ГФ, при этом происходит перебор всех фреймов ГФ.
Таким образом описана последовательность действий, определяющую множество возможных маневровых операций для составления оперативного плана на грузовых станциях крупнейших узлов. Модель обладает высокой адаптивностью к условиям конкретной станции за счет изменения содержания правил продукции и процедур расчета во фреймах, описывающих получение каких- либо результатов (окончательных и промежуточных).
Моделирование процесса принятия решений. На основании полученного множества возможных за период Ч операций необходимо перейти к следующим этапам решения задачи.
Предположим, что автоматизированно получены п вариантов оперативного плана на период Т д, путем перебора всех возможных последовательностей укрупненных маневровых операций: подача, уборка, расформирование, формирование. Тогда все варианты оперативного плана могут быть представлены как множество х=Гх ,...,хпз, элементы которого сравниваются попарно с точки зрения предпочтительности, желательности, важности и т.п., а результаты записываются в виде матрицы парных сравнений АЧІ чИп отражающих возникающее отношение предпочтения/ безразличия на множества X. Согласно /54/, возможно представление структуры предпочтений как простой, когда парное сравнение выявляет лишь факт превосходства одного варианта плана над другим или их равноценности (несравнимости), или взвешенной, если результат сравнения отражает не только факт, но и степень превосходства, выраженную показателем а. . .
На структуру предпочтений накладываются калибровочные ограничения, связывающие элементы а., и а., матрицы А. При любых калибровочных ограничениях должно выполняться соотношение а.. а.. если вариант і предпочтительнее варианта J. В работе /54/ рассматриваются 5 типов калибровок: простая, турнирная, степенная, кососимметричная, вероятностная. Отмечается, что есть возможность перехода от одного типа калибровки к другой, так что вопрос о выборе наиболее подходящей рассмотрим ниже, с учетом содержательных особенностей задачи.
Цель решения задачи принятия решений (ЗПР) можно сформулировать как построение оптимального упорядочения вариантов плана. В связи с обилием конкретных приложений и несомненной актуальностью рассмотрим в первую очередь проблему линейного упорядочивания. В числе работ, посвященных этой теме можно отметить /7,55-60/. Все они ориентированы на разработку и анализ конкретных моделей линейного упорядочивания.
