Автоматизированная система управления перевозочным процессом железнодорожного транспорта в оперативном режиме (сетевой и региональный уровни)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗОЧНЫМ ПРОЦЕССОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА В ОПЕРАТИВНОМ РЕЖИМЕ

(сетевой и региональный уровни)

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Поплавский Андрей Адольфович

Москва - 2008

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является основным звеном транспортного комплекса России при годовом отправлении - более 1,3 млрд. тонн грузов и перевозке более 1,3 млрд. пассажиров.

В современных рыночных условиях общая структура «железнодорожный транспорт» организационно разделена на множество самостоятельно управляемых компаний-собственников подвижного состава и инфраструктурных объектов, основной и крупнейшей из которых является ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»), выступающее в роли общенациональной транспортной компании. Поэтому так важно достижение высокого уровня управления ее работой.

Перевозочный процесс - это основной вид деятельности ОАО «РЖД». График движения и план формирования поездов, месячные технические нормы, технологические процессы работы объектов инфраструктуры определяют технологию перевозок. При оперативном управлении, являющемся одной из наиболее сложных функций перевозочного процесса, требуется в режиме реального времени (при суточном планировании) обеспечивать выполнение заданий по управляемым параметрам - объемам погрузки и выгрузки, передаче вагонов по стыковым пунктам и другим. В диссертации рассматривается система оперативного управления перевозками на сетевом и дорожном (региональном) уровнях.

Отметим, что перевозочный процесс организуется на сети протяженностью 85,5 тыс. км, на которой одновременно в движении находится множество управляемых объектов - более 3 тыс. грузовых поездов, сотни тысяч вагонов, тысячи локомотивов и локомотивных бригад. Их функционирование обеспечивают: 4,7 тыс. станций (в том числе около 1 тыс. крупных), взаимодействующих с 20-ю тысячами подъездных путей; сотни локомотивных и вагонных депо, дистанций пути, сигнализации и связи и другие структуры. Необходимо в условиях ограниченных ресурсов и значительных возмущающих воздействий обеспечить единое управление перевозочным процессом, поскольку сбой в одном месте сети может негативно влиять на работу участков, направлений и целых регионов.

Создание и организация работы автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО) основываются на использовании в качестве управляющих устройств иерархически структурированных диспетчерских центров управления. Эти взаимоувязанные центры имеют мощное техническое, информационное и программное обеспечение, крупнейшие базы и системы передачи данных, сотни автоматизированных рабочих мест диспетчеров (АРМ)..

Обеспечение эффективного функционирования и развития таких диспетчерских центров в качестве управляющих устройств системы АИСО является одной из важнейших и актуальных задач ОАО «РЖД».

Объектом исследования являются информационные системы диспетчерских центров управления, где организуется выполнение перевозочного процесса в оперативном режиме работы ОАО «РЖД».

Целью исследования является - теоретическое обоснование принципов построения, функционирования и развития автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО) с разработкой практических решений по обеспечению эффективной работы ее управляющих устройств - диспетчерских центров ОАО «РЖД» на сетевом и дорожном (региональном) уровнях.

Методика исследования основана на положениях теории управления большими производственными системами, методах исследования операций, теории множеств, теории графов, теории надежности и математической статистики. Использованы достижения информатики с учетом экономических принципов организации производства.

Научная новизна основных положений диссертации, выносимых на защиту, заключается в том, что:

- впервые в теории и практике организации оперативного управления перевозочным процессом железнодорожного транспорта использованы принципы, характерные для систем АСУ ТП отраслевого уровня, что позволило установить логически четкие взаимосвязи в сложной иерархической управляющей структуре ОАО «РЖД» и построить эффективную автоматизированную систему управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО);

- разработаны: структура АИСО (включающая управляемые объекты, управляющие устройства, исполнительные органы и систему обратной связи), основные положения функционирования и развития системы;

- в условиях структурной реформы ОАО «РЖД» для иерархии диспетчерских центров сетевого и дорожного уровней, на основе нового технологического критерия и методики привязки полигонов сети к регионам разработаны варианты перехода к региональной структуре управления;

- определены дополнительные, соответствующие современным требованиям, положения обеспечения эффективной и устойчивой работы АИСО на основе: включения в контур диспетчерского управления подмножества новых функций - по выполнению договорных требований клиентуры на перевозки грузов, контролю состояния инфраструктуры и подвижного состава, взаимодействию с внешними системами; определения предельных размеров вагонного парка на полигонах управления, при которых могут устойчиво выполняться плановые нормативы; минимизации используемых ресурсов применительно к выполняемым функциям с учетом отношений предшествования;

- разработано формализованное описание взаимосвязей и возможных переходов состояний системы во времени; сформулирована целевая функция оперативного управления;

- разработана новая постановка задачи обеспечения заявок грузоотправителей погрузочными ресурсами с учетом динамики поступления и потребления ресурсов, отвечающая требованиям рыночной экономики;

- обоснована интегрированная диспетчерская структура для выполнения традиционных и новых функций с делением диспетчеров на две группы - первая, когда необходим коллективный мониторинг перевозочного процесса и вторая - при выполнении локальных функций; предложена методика резервирования в работе диспетчеров с учетом их пиковой загрузки в отдельные периоды;

- впервые разработана подсистема автоматизации процесса слежения за текущим состоянием контролируемых параметров и их соответствия нормативам на основе использования: принципа активного пользовательского интерфейса, обоснованных времени реакции подсистемы и периода обновления информации, установленных видов статистических зависимостей изменения параметров в течение оперативного планового периода, организации взаимоувязанного функционирования табло коллективного пользования и АРМ с единым циклом принятия решений;

- определены направления дальнейшего совершенствования АИСО на основе существенного развития математического и программного обеспечения системы; предложена матрица выбора целей для разработки математических моделей работы управляемых объектов и классификация таких моделей, позволяющая организовать их скоординированную разработку с выделением первоочередных работ;

- разработаны теоретические основы определения характеристик диспетчерских центров, устанавливающих степень их приспособленности к выполнению функций оперативного управления.

Практическая значимость выполненных исследований:

- разработанная методологическая база позволила на принципах АСУ ТП отраслевого уровня создать автоматизированную систему управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО) с использованием в качестве управляющих устройств иерархически структурированных диспетчерских центров ОАО «РЖД»;

- на сетевом и дорожных уровнях практически осуществлен переход к интегрированному диспетчерскому оперативному управлению с учетом новых направлений деятельности - оперативного обеспечения функционирования элементов инфраструктуры, взаимодействия с внешней средой, решения специфических задач оперативного управления перевозочным процессом в условиях рыночной экономики;

- на основе разработанных положений внедрена подсистема слежения за текущим состоянием управляемых параметров (ОСКАР-М) с исполь-зованием распределенных программно-технических комплексов в ЦУП и ДЦУП и реализацией функции активного пользовательского интерфейса;

- предложенный комплекс математических моделей элементов перевозочного процесса и порядок их разработки обеспечивают переход к наиболее эффективному решению имеющихся оптимизационных задач;

- предложенная методика позволила начать реализацию в опытном режиме информационной системы оперативного управления для одного из сетевых направлений.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждаются тем, что полученные на базе проведенных исследований выводы стали основой построения системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме, причем фактические показатели ее работы соответствуют полученным теоретическим результатам.

Реализация полученных результатов. Разработанные предложения по системе АИСО нашли практическое внедрение в департаменте управления перевозками ОАО «РЖД» и соответствующих службах железных дорог, в сетевом и дорожных диспетчерских центрах управления - ЦУП ОАО «РЖД» (до 2004 г. - ЦУП МПС), ДЦУП Северо-Кавказской, Северной, Куйбышевской, Октябрьской, Юго-Восточной, Южно-Уральской, Привол-жской, Дальневосточной и Московской железных дорог. Элементы системы внедряются и на остальных железных дорогах. Сдача в эксплуатацию конкретных систем подтверждена актами, утвержденными в 2000-2007 гг. руководителями ОАО «РЖД» (до 2004 г. - МПС) и железных дорог.

Апробация работы. Полученные результаты рассматривались на:

- международной конференции «Совершенствование транспортного обслуживания перевозок грузов на основе внедрения информационных систем», перевозки-Инфо-2001, Москва, 2001 год;

- международной конференции Транстэк -2005,Санкт-Петербург,2005г;

- международной конференции «Современные тенденции развития средств управления на железнодорожном транспорте», Москва, 2006 г.;

- межведомственных конференциях «ТелекомТранс», Сочи, 2003-2005 гг., 2008 г.;

- международных конференциях «Инфотранс», Санкт-Петербург 2002-2006 г., 2008 г.;

- технических советах департаментов перевозок и информатизации и связи ОАО «РЖД» (до 2004 г. - МПС России) в 2000-2008 годах;

- технических советах Северо-Кавказской, Северной, Куйбышевской, Южно-Уральской, Юго-Восточной, Дальневосточной, Октябрьской и Московской железных дорог в 2000-2008 годах.

Публикации. Список из 30 основных работ приведен в конце автореферата в том числе 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.

2. Содержание работы

В первом разделе диссертации выполнен анализ условий организации оперативного управления перевозочным процессом, определен объект исследования, рассмотрен отечественный и зарубежный опыт в рассматриваемой области, сформулирована цель исследования.

К концу 1990-х годов уровень информатизации железнодорожной отрасли создал условия для организации оперативного управления перевозочным процессом на принципах АСУ ТП отраслевого уровня. Создаваемая система АИСО включила в себя управляемый объект управляющее и исполнительное устройства, подсистему обратной связи.

Управляемым объектом является совокупность поездов, вагонов и грузов, продвижение потоков которых осуществляется на основе исполнения комплексной технологии перевозочного процесса.

Выработка управляющих решений по множеству реализуемых в системе АИСО традиционных (F1 - обеспечение заявок погрузочными ресурсами, F2 - продвижение поездо- и вагонопотоков, F3 - доставка груженых вагонов к пунктам выгрузки, F4 - организация перевозок специальных грузов) и новых функций осуществляется управляющим устройством - иерархической структурой автоматизированных диспетчерских центров сетевого (ЦУП) и дорожного (регионального) уровней (ДЦУП, РЦУП), включающих в себя программно-технические комплексы (ПТК) и штат диспетчеров и руководителей, ответственных за выполнение оперативной работы ОАО «РЖД».

В управляющие устройства на основе принципа обратной связи поступает текущая информация Х(t) о контролируемых нормативах, которые сравниваются с плановыми Хо(t). Управляющие решения должны приниматься с учетом различных видов внутренних и внешних возмущающих воздействий (W), а также на основе целевой функции оперативного управления.

Использование принципов АСУ ТП дало возможность логически правильно установить взаимосвязи в сложной иерархической структуре железнодорожного транспорта выстроить четкую схему оперативного управления перевозками. В диссертации представлена разработанная на этой основе автоматизированная система управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте в оперативном режиме (АИСО), которая к настоящему времени в значительной степени реализована.

В системе АИСО учтен опыт создания зарубежных диспетчерских центров и их иерархическое структурирование, набор контролируемых параметров для оперативного управления, опыт комплексного использования АРМ и табло коллективного пользования (ТКП).

Развитие системы оперативного управления перевозками основывается как на общетеоретических работах, так и на исследованиях в этой области на железнодорожном транспорте.

В выполненном исследовании автор опирался на известные положения науки об оптимальном управлении, разработанные в трудах Н. Винера, В.М. Глушкова, Л.В. Канторовича, Н.П. Бусленко, А.Я. Лернера, Я.З. Цыпкина и других ученых, а также на работы в области автоматизированных систем управления железнодорожным транспортом. Здесь широко известны труды ученых ВНИИЖТ (ныне ОАО «ВНИИЖТ»), ВНИИАС (ныне ОАО «НИИАС»), Московского, Петербургского, Ростовского, Сибирского, Уральского, Иркутского, Дальневосточного, Самарского, Омского Государственных университетов путей сообщения, РГОТУПС, Института проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН, Института системного анализа РАН, Государственного университета управления (Москва), ЗАО «Промтрансниипроект», специалистов МПС СССР, МПС РФ (ныне ОАО «РЖД»), Минтранса РФ и других организаций.

Эти исследования дают определенный задел для построения системы оперативного управления. В то же время требуется ее существенное развитие на основе использования принципов АСУ ТП отраслевого уровня с выработкой новых решений по созданию автоматизированной системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме (АИСО).

В настоящее время на оперативное управление перевозочным процессом существенно влияют - работа в рыночной среде с усилением роли экономических факторов, проведение структурной реформы железнодорожного транспорта, высокий уровень использовании пропускной и перерабатывающей способности объектов инфраструктуры, существенное влияние внутренних и внешних возмущающих воздействий.

В этих условиях построение системы АИСО (рис. 1) и организация ее эффективного функционирования представляет собой комплексную проблему, включающую в себя целый ряд взаимоувязанных вопросов, основными из которых являются:

- построение структуры управляющего устройства системы АИСО в виде иерархически увязанных диспетчерских центров сетевого и дорожного (регионального) уровней в условиях структурной реформы ОАО «РЖД»;

- определение расширенного комплекса функций и интегрированного состава функциональных диспетчеров в центрах управления; обеспечение условий для устойчивого и качественного выполнения контролируемых нормативов;

- обоснование и выбор эффективной организации подсистемы обратной связи с определением и компенсацией отклонений текущих значений учитываемых показателей Х(t) от их плановых значений Х_о;

- разработка основных требований к ПТК системы - архитектура, основные принципы устройства и функционирования;

- выработка требований и решение конкретных задач в АИСО;

- определение путей дальнейшего развития системы с повышением уровня эффективности диспетчерских решений на основе математического моделирования составляющих перевозочного процесса.

Во втором разделе рассмотрены технологические и экономические условия построения системы АИСО с учетом проводимой структурной реформы на железнодорожном транспорте.

Образование в конце 1990-х - начале 2000-х годов двух уровней диспетчерских центров ЦУП и ДЦУП, которые в целом представляют собой управляющее устройство системы АИСО, в значительной степени определялось административной структурой железнодорожного транспорта. Проводимая структурная перестройка определяет разделение функций содержания инфраструктуры и организации перевозочного процесса. В этом случае функцию управления перевозочным процессом следует рассматривать применительно к некоторым регионам управления, протяженность которых должна определяться исключительно с точки зрения эффективности выполнения перевозочного процесса. Следовательно, при проведении структурной реформы должен быть осуществлен переход от схемы:

Рис. 1

где N - число железных дорог, к схеме:

где РЦУП - центры управления регионального уровня (1, 2…M).

Региональный уровень в части оперативного управления перевозочным процессом тождественен дорожному уровню. Взаимосвязи при оперативном управлении на уровнях ЦУП - ДЦУП и ЦУП - РЦУП аналогичны. Это же относится и к взаимосвязям между ДЦУПами смежных железных дорог и РЦУПами смежных регионов. Вопрос заключается в определении количества регионов и соответственно управляющих устройств в новой структуре.

Для определения значения M необходим выбор критериев, непосредственно определяющих условия организации оперативного управления перевозочным процессом. Предложен двухэтапный способ решения данной задачи, на первом из которых используются методы экономической оценки организации укрупненных регионов. С уменьшением значения М (а значит и расширением полигонов оперативного управления) производственные затраты снижаются, т.к. возрастает вариантность формируемых решений. Экономические расчеты позволяют получить примерную количественную оценку получаемого эффекта. Однако дать им привязку к конкретным регионам затруднительно. Задача объединения железных дорог в регионы решается на втором этапе на основе технологического критерия управления перевозочным процессом.

Рис. 2. Развитие системы управления перевозочным процессом в оперативном режиме работы железнодорожного транспорта (сетевой и региональный уровни) 1 - построение структуры АИСО, определение числа агрегатов регионального уровня в условиях структурной реформы, функциональное взаимодействие в центрах управления; 2 - расширенный комплекс функций по управлению оперативной работой; 3 - устойчивое и качественное выполнение диспетчерских функций; 4 - реализация функций обратной связи, управление по отклонениям (подсистема ОСКАР-М); 5 - ПТК подсистемы ОСКАР-М; 6 - принципы использования метода математического моделирования перевозочного процесса; 7 - решение конкретных задач оперативного управления;

Прогнозируемая экономия затрат по перевозкам Х (или максимизация прибыли) при создании регионов определяется функционалом:

F(X) = min (max), X Є D(Y), (1)

где F(X) - критерий оптимальности прогноза;

D(Y) - множество допустимых прогнозов;

Y - факторы, определяющие допустимые прогнозы.

В качестве ограничений выступает ресурсное обеспечение. Основным следует признать число поездных диспетчерских участков n_d в одном агрегате (диспетчерском центре). Опираясь на известный опыт, принимаем n_d = 80ч100. Тогда протяженность сети, обслуживаемой одним агрегатом, составит L_A ? 15-17 тыс. км с количеством станций, выполняющих грузовую работу, n_сг ? 600-800 станций.

Установлены факторы снижения производственных затрат при создании регионов - сокращение задержек поездов на стыках; улучшение условий оборота локомотивов, регулирования поездопотоков, расчета внутрирегионального плана формирования; снижение порожнего пробега вагонов; экономия энергоресурсов. Расчеты выполнены на основе использования укрупненных расходных ставок на единицу работы подвижного состава. Суммарная экономия издержек при формировании 5-7 регионов составляет более 900 млн.руб. Достигается также экономия инвестиционных расходов на подвижной состав.

На втором этапе прикрепление железных дорог к регионам основывается на использовании критерия оперативной самоуправляемости регионов (р), который определяется как доля обеспечения заявок на погрузку собственными ресурсами и избытка порожних вагонов.

Наличие многих собственников вагонов, казалось бы, снижает роль ОАО «РЖД» в вопросе регулирования вагонных парков для обеспечения заявок на погрузку. Однако, как показал уже первый опыт использования приватного и инвентарного (принадлежащего ОАО «РЖД») вагонных парков вне рамок общей потребности в отправлении грузов на сети железных дорог, в этом случае возрастает порожний пробег вагонов и потребность в общем их количестве. Но это недопустимо, т.к. неизбежно увеличивается дефицит пропускных и перерабатывающих способностей объектов инфраструктуры, потребуются ничем не обоснованные капиталовложения в развитие участков и станций, возрастут транспортные расходы. Разрешение этого противоречия возможно на основе предложенного ОАО «РЖД» укрупнения функций оперирования подвижным составом с созданием отдельной категории пулов, объединяющих операторов и собственников подвижного состава, с учетом как финансовой взаимовыгоды, так и потребностей транспортной системы страны. В результате управление парком приватных и инвентарных вагонов становится. Поэтому поставленная в диссертации задача актуальна и для условий наличия различных собственников вагонов.

Необходим выбор такого варианта объединения железных дорог в регионы, когда p стремится к max. В качестве ограничения также выступает ресурсное обеспечение, т.е. n_d = 80ч100 поездных диспетчерских участков.

Постановка и решение данной задачи заключается в следующем.

Пусть {D_i - имеющиеся железные дороги, i=1,2,…,N, { G_j - объединенные в регионы группы железных дорог, j = 1,2,…,M.

Вводим {б _j - матрицу размером (N х M),

(2)

Тогда б ij = 1^, т.е. Di принадлежит ровно одной группе.

Каждая i-я железная дорога характеризуется величинами:

, , … … - размеры погрузки за период t_с (удобно принять величину t_с равной суткам) по l (эль лат.) учитываемым родам вагонов;

, , … … - то же по величине выгрузки.

Обозначим ⁺ = mi (3)

а | (- )| = ri (4)

Тогда, величина

Р_i = (m_i - r_i = ) / m_i (5)

определяет значение оперативной самоуправляемости i-ой железной дороги.

Средневзвешенный показатель оперативной самоуправляемости для сети железных дорог р_ср,i составляет (до образования групп железных дорог):

Р_ср,i = ( ^mi - ^ri ) / ^{mi (6)}

Эти показатели аналогичны для группы железных дорог G_j. Тогда величина бij = nj определяет собой число железных дорог, входящих в группу Gj , nj > 0 - условие того, что группа Gj содержит по крайней мере одну железную дорогу.

Имеем для группы G_j однозначно определяющие ее показатели:

mj = бij mi (7)

rj = ^{| (бij - бij} )| , (8)

p_j =(m_j - r_j)/ m_j. (9)

Средневзвешенный показатель для сети из групп железных дорог р_ср,j представляет собой целевую функцию, которая должна стремиться к максимуму:

Р_ср,j = ( ^{mj - rj}) / ^mj maх (10)

Ограничения на возможность включения железных дорог в группы:

- определяем матрицу связности {в_ik размером N х N. При этом

(11)

- определяем матрицу связности { г_jq размером М х М.

(12)

- наличие в любой группе по крайней мере одной железной дороги.

Для решения целевой функции (10) предложен эвристический алгоритм оптимизации с использованием методов, апробированных ранее во ВНИИЖТе (2001 г.). Выполнены расчеты по прикреплению железных дорог к регионам. В оценку вариантов для лиц, принимающих решение (ЛПР), дополнительно включен показатель снижения размеров передачи вагонов по стыкам - ?n_п.

В целом, в перспективе при завершении реформирования ОАО «РЖД» рекомендуется в иерархической структуре управляющего устройства системы АИСО использование 5-7 регионов оперативного управления (табл. 1).

Функциональное обеспечение системы АИСО с учетом расширения функций представим в виде:

F = F₁ U F₂ U F₃ U F₄ U F₅ U F₆ U F₇ , …. (13)

где: F₁, F₂ , F₃ , F₄ - подмножества традиционных функций;

F₅ , F₆ , F₇ - подмножества функций соответственно: по выполнению требований рыночной экономики (F₅), оперативного контроля за состоянием технических устройств (F₆), взаимодействия с внешними системами (F₇).

Таблица 1 Результаты расчетов выбора регионов управления перевозочным процессом

Показатели	Результаты расчетов выбора регионов управления перевозочным процессом (по вариантам)
Варианты объединения групп дорог	А (5 регионов)	Б (6 регионов)	В (7 регионов)
P ср.j	= 0,82	= 0,76	=0,74
?nп, тыс.ваг. в сутки	? = - 86,9	? = - 78,8	? = - 66,6

F₅ = F₅₁ U F₅₂ U F₅₃ U F₅₄,

где F₅₁ , F₅₂ , F₅₃ , F₅₄ - подмножества функций соответственно: по контролю за договорными перевозками с особыми и оплаченными требованиями (F₅₁); определяющих воздействия экономического регулятора (диспетчеры структуры ОАО «РЖД» - ЦФТО) на очередность подачи вагонов под погрузку и очередность подачи вагонов под выгрузку (F₅₂); связанных с минимизацией штрафов на несоблюдение сроков доставки грузов (F₅₃); связанных с использованием вагонов других собственников (F₅₄, «чужих»).

При этом

F₅₁ = F₅₁₁U F₅₁₂ U F₅₁₃ U F₅₁₄,

где: F₅₁₁ , F₅₁₂ , F₅₁₃, F₅₁₄ - подмножества функций соответственно: по организации подачи вагонов точно в срок (F₅₁₁) или по определенным периодам (F₅₁₂); следования грузовых поездов по заданным ниткам графика (F₅₁₃ ); с повышенной скоростью (F₅₁₄).

F₅₂ = F₅₂₁ U F₅₂₂ ,

где: F₅₂₁ , F₅₂₂ - подмножества функций соответственно связанных с: наложением ограничений на подачу или оптимизацией очередности подачи порожних вагонов (F₅₂₁); очередностью подачи груженых вагонов (F₅₂₂).

F₅₄ = F₅₄₁ U F₅₄₂

где: F₅₄₁, F₅₄₂ - подмножества функций: по сокращению сроков возврата «чужих» вагонов (F₅₄₁), организации их попутной загрузки (F₅₄₂).

F₆ = F₆₁ U F₆₂ U F₆₃ U F₆₄ U F₆₅ U F₆₆ ,

где F₆₁, F₆₂ , F₆₃ , F₆₄ , F₆₅ , F₆₆ - подмножества функций по контролю за работой хозяйств: пути, локомотивного, вагонного, электроснабжения, автоматики и телемеханики, по контролю за безопасностью движения.

F₇ = F₇₁ U F₇₂ U F₇₃ U F₇₄ , …

где: F₇₁ , F₇₂, F₇₃, F₇₄ - соответственно подмножества функций взаимодействия: с морскими и речными портами (F₇₁), с крупными предприятиями (F₇₂), с зарубежными железнодорожными администрациями (F₇₃), с собственниками вагонов (F₇₄ ).

Выполнение функций F₇₁ и F₇₂ учитывается при организации логистических центров (ЛЦ), обеспечивающих взаимодействие ЦУП и ДЦУП с информационными системами морских портов и крупных предприятий.

Установлены пересечения некоторых множеств и подмножеств функций:

F₁ ? F₅₁ ? ш, F₁ ? F₅₂ ? ш, F₁ ? F₅₄ ? ш, F₁ ? F₇ ? ш,

F₂ ? F₅₁ ? ш , F₂ ? F₆ ? ш, F₂ ? F₇ ? ш, F₃ ? F₅ ? ш,

F₃ ? F₇ ? ш … (14)

Носителями традиционных и новых функций выступают диспетчеры ЦУП и ДЦУП, а при переходе к региональной структуре - ЦУП и РЦУП. Пересечения множеств и подмножеств функций должны учитываться при: организации взаимодействия диспетчеров за счет идентичного информационного обеспечения их АРМов, выдаче информации на ТКП, при размещении рабочих мест диспетчеров.

При выполнении функций F₁ - F₇ должны обеспечиваться минимальные задержки в движении поездо- и вагонопотоков. Назовем это устойчивым функционированием системы.

Современные условия организации перевозочного процесса характеризуются высоким уровнем использования ресурсов - пропускной способности участков (N_пр), перерабатывающей (N_пер) и выгрузочной (N_выгр) способности станций. Под влиянием возмущающих воздействий (W) фактические значения этих величин могут быть ниже нормативных, иногда существенно (при крушениях, сильных метелях и т.п.). На использование ресурсов значительное влияние оказывают нарушения при взаимодействии с внешними системами, особенно с морскими портами, пограничными переходами. Выполнение функций F₆ и F₇ направлено на своевременное выявление возмущений и быстрейшее устранение возникающих последствий. Но исключить их технически и технологически невозможно.

С другой стороны, нормальное распределение колебаний посуточных вагонопотоков n_i указывает на возможность поступления вагонопотоков существенно (на 20-25%) выше среднесуточных значений (_сут).

В результате при повышенных значениях n_i и пониженных N_пр, N_пер, N_выгр возникает избыточное, по сравнению с нормативным, число вагонов рабочего парка на участках и станциях ( > ), что снижает их маневренность и ухудшает условия выполнения контролируемых параметров Х_о. Например, на основе посуточных данных за январь-март 2008 года значений величины участковой скорости V_уч и рабочего парка для Куйбышевской железной дороги получена зависимость

= 49,335 - 0,2948

То есть в данном случае линейно снижается по мере роста .

Поэтому условием обеспечения состояния устойчивого функционирования системы АИСО является сохранение величины рабочего парка вагонов в некоторых пределах:

? + д_n , (15)

где - нормативная величина рабочего парка вагонов в комплексе плановых параметров Х_о; д_n - допустимое ее увеличение.

Величина , в этом случае служит важнейшим индикатором устойчивого функционирования системы АИСО.

Значение д_n может определяться исходя из возможностей диспетчерского аппарата удерживать значения контролируемых параметров перевозочного процесса Х_о в нормативных пределах при увеличении фактической величины рабочего парка вагонов в пределах + д_n за счет комплекса управляющих воздействий. Применительно к основному показателю качества продвижения поездопотоков - величине участковой скорости значение д_n может быть установлено из графика, представленного на рис. 2:

 - Д V_уч = а - b ( + д_n), …

где Д V_уч - величина изменения V_уч, при которой за счет диспетчерских управляющих воздействий может быть сохранено ее нормативное значение при увеличении рабочего парка вагонов. Тогда

д_n = - (V_уч - Д V_уч) + (а - b ) / b … (16)

Рис. 3. Зависимость величины д_n от изменения величины участковой скорости

Исходя из экспертной оценки возможностей влияния диспетчерского аппарата на величину участковой скорости за счет использования оперативных регулировочных мер, принимаем Д V_уч = 0,2 ч 0,3 км/ч.

В этом случае, например, для Куйбышевской дороги критическим значением прироста среднесуточной величины рабочего парка вагонов при выполнении контролируемого параметра V_уч является (при = 40 км/ч, =31,7 тыс. ваг.): д_n = 0,8 тыс. вагонов. Тогда, при ? 32,5 тыс. вагонов следует принимать управляющие решения по уменьшению рабочего парка вагонов, находящегося на железной дороге.

В формуле (15) величину следует принимать за некоторый период, определяемый в качестве периода устойчивого поступления вагонопотоков, устанавливаемого на основе известной в математической статистике зависимости, вытекающей из неравенства Чебышева:

где t - параметр репрезентативности выборки,

n_сут - число опытов (расчетное число суток, определяющее устойчивое поступления вагонопотоков),

у_сут - среднеквадратическое отклонение n_i ,

Ф (t) - табулированная нормированная функция Лапласа.

В выполняемых расчетах вместо значения у_сут удобно использовать коэффициент вариации г_сут . Тогда

n_сут ?t² г²_сут / е²,

где е - точность измерений, определяющая допустимое отклонение n_i от математического ожидания за n_сут.

Задаваясь надежностью з, определяем обратным табличным поиском значение t при з = Ф (t). В эксплуатационных расчетах значение з =0,95 ( е = 0,05). Тогда t = 1,96.

Для суммарного поступающего на железную дорогу вагонопотока справедливо выражение

у_{сут q} = у²_{сут i} ,

где у_{сут q} - среднеквадратическое отклонение суммарного вагонопотока, поступающего на железную дорогу по q стыкам (для современных условий: 4 ? q ? 11);

у_{сут i} - то же по i-му стыку.

В этом случае г_q = г_сут = 0,05. Соответственно, расчетный период поступления вагонопотоков, определяемый как устойчивый, n_сут = 4 суток.

Таким образом, устойчивое функционирование АИСО требует соблюдения условия (15), обеспечиваемого,в первую очередь, непревышением предъявляемых поездопотоков и вагонопотоков пропускной способности участков, перерабатывающей способности технических и выгрузочной способности грузовых станций (включая подъездные пути):

n _пi ? N_пр , ? N_пер , ? N_выгр , … (17)

где n_пi - поездопоток, следующий по участкам;

- вагонопоток с переработкой для технических станций;

- вагонопоток, поступающий под выгрузку.

Работа в условиях рыночной экономики накладывает жесткие требования по минимизации используемых ресурсов т.к. только в этом случае ОАО «РЖД» может обеспечить конкурентоспособность, достигнуть максимизации прибыли. Поэтому в контур управления выполнением комплекса функций (13) необходимо вводить условие минимизации используемых ресурсов

А_рес min. (18)

В системе АИСО осуществляются взаимодействия по горизонтальным и вертикальным связям, которые могут быть формализованы.

Имеются характерные моменты текущего времени: начало плановых суток - t_о и корректировки оперативных планов - t₁, t₂ …t_х, (где х - число

корректировок) для учета возмущающих воздействий W (обычно х=3).

Переход системы из состояния в момент времени t_o к состоянию в момент времени t₁ можно описать определенными соотношениями. Например, для железной дороги D₁ состояние управляемых объектов _D в момент времени t₁ можно представить в виде следующего функционала:

_D1 ( y_1,1, y_2,1 …..) (t₁ ) = F_D1 [_D1 ( y_1,0, y_2,0 …..) (t_о ),

_D1?(а_1,01, а_2,01…..,w_1,01 , w_2,01,….., ( y_1,01, y_2,01 ….)? (t_оt₁ ),

_D1 ? ( а_r1,01, а_r2,01 ….., w_r1,01 , w_r2,01, …., (y_r1,01, y_r2,01 ….)? (t_о , t₁ )]… (19)

здесь y_1,1, y_2,1 … - соответственно состояние управляемых объектов железной дороги D₁ в момент времени t₁;

y_1,0, y_2,0 … - соответственно состояние управляемых объектов железной дороги D₁ в момент времени t_о;

а_1,01, а_2,01… - соответственно параметры, характеризующие техническое и технологическое состояние объектов железной дороги

D₁ (ресурсов), определяющих выполнение планов в период времени (t_о , t₁ );

w_1,01 , w_2,01, …- соответственно неучтенные при планировании в момент времени t_о возмущающие воздействия на оперативный ход перевозочного процесса; эти возмущения возникают в период времени (t_о , t₁ );

y_1,01, y_2,01 … - соответственно состояние управляемых объектов

(y₁, y₂ …) в период времени (t_о , t₁ ).

Составляющая _D1 (…) характеризует воздействие агрегата сетевого уровня на ход выполнения плановых заданий в период времени (t_о ,t₁).

Аналогично строятся функционалы для _D2 , _D3 и другие.

Общая схема и установленные соотношения при раскрытии значений а, w, y могут служить основанием для построения операторов в виде моделей выработки управляющих решений.

Определена целевая функция решения задачи выбора варианта управления из множества возможных вариантов на основе сравнения отклонений фактических показателей от плановых с учетом их весовых коэффициентов по стоимости затрат единицы изменения показателей:

, (20)

где С^опс - стоимость сетевых затрат, возникающих из-за отклонений фактических значений показателей от плановых;

M^вп - множество рассматриваемых вариантов управления (планов);

i - номер текущего варианта плана;

К^покр - количество показателей при выполнении функций оперативного управления;

k - номер текущего показателя;

М - количество регионов;

J - номер текущего региона;

?Х_k - отклонение значения k-го показателя;

С_k - cтоимость затрат единицы измерения показателя.

В качестве ограничений принимаются:

- допустимые значения отклонений параметров, например,

?Х_k ?Х_k ^нес,

где: ?Х_k^нес - отклонение, априорно оцениваемое, как несущественное, например одна минута в графике движения;

- допустимые изменения состояния управляемых объектов, с использованием ресурсов которых оказывается воздействие на выполнение управляемых параметров, например:

К^пдл К^дпдл,

где: К^дпдл - допустимое по работоспособности региона-донора количество передислоцируемых локомотивов ( К^пдл).

Ограничения определяются для конкретных железных дорог (регионов) и составляют часть нормативно-справочной информации.

Решение целевой функции (20) осуществляется методами оптимизации с использованием, как правило, эвристических методов, например, метода ситуационно-эвристического программирования (автор Л.П. Тулупов).

В третьем разделе разработаны основные вопросы диспетчерского управления в системе АИСО, включая: принципы организации диспетчерской структуры, условия построения и функционирования подсистемы обратной связи (ОСКАР-М), методы оценки и компенсации текущих значений контролируемых параметров системы при их отклонении от нормативных.

Интегрированная диспетчерская структура в ЦУП и ДЦУП основывается на диспетчерском обеспечении полного комплекса функций управления перевозочным процессом с установлением диспетчерской иерархии на основе функциональных отношений предшествования и приоритетов.

Функция F₁ определяется выполнением подусловий А, В и С. Здесь:

А - подусловие выполнения новых функций: рыночных требований по функции F₁ - F₅₁₁, F₅₁₂, F₅₂₁, F₅₄₂; взаимодействия с внешними системами (F₇), контроля инфраструктуры (F₆ );

В - подусловие обеспечения всех принятых заявок на погрузку порожними вагонами;

С - подусловие минимизации затрат; для функции F₁ - минимизация порожнего пробега вагонов при подаче под погрузку.

При этом имеются отношения предшествования:

А (F₅₁₁ , F₅₁₂ , F₅₂₁ , F₅₄₂) Н В, С (21)

Выполнение рыночных требований по функции F₁ должны обеспечивать диспетчеры ЦФТО (сетевой уровень) и ДЦФТО (дорожный уровень); соответствующие их условные обозначения: ЦДГФТО и ДГФТО.

Для выполнения функции F₇ в диспетчерских центрах выделяются:

- по F₇₁ - диспетчеры по морским и речным портам - ЦДГМР (сетевой уровень), ДГМР (дорожный уровень при наличии крупных портов);

- по F₇₂ - диспетчеры блока погрузки массовых грузов (уголь, нефтяные и др.) - ЦДГр (сетевой уровень); ДГр, ДВ_з (дорожный уровень: по грузам или по крупным предприятиям);

- по F₇₃ - диспетчеры по регулированию вагонных парков - ЦДГВ и ДГВ, а также по взаимодействию, с сопредельными железными дорогами - ЦДГВСНГ;

- по F₇₄ - диспетчеры по использованию собственных вагонов - ДГСВ.

Для выполнения функции F₆ выделяются специализированные по хозяйствам диспетчеры сетевого и дорожного уровней: пути (F₆₁) - ЦПГ и ПГ; локомотивного хозяйства (F₆₂) - ЦТГ и ТГ; вагонного хозяйства (F₆₃) -ЦВГ и ВГ; хозяйства энергоснабжения (F₆₄) - ЦЭГ и ЭГ; хозяйства автоматики и телемеханики (F₆₅) -ЦШГ и ШГ; по безопасности движения (F₆₆) - ЦРБГ и РБГ. Эта группа диспетчеров образует блок диспетчеров инфраструктуры, соответственно ЦДГИ и ДГИ.

Выполнение подусловия В обеспечивают диспетчеры по регулированию вагонных парков и диспетчеры блока массовых грузов. В выполнении подусловия С основную роль выполняют ЦДГВ (сетевой уровень) и ДГВ. Выполнение этого подусловия при реализации функции F₅ (F₅₁₁, F₅₁₂, F₅₂₁) требует постановки задачи оптимального распределения порожних вагонов с учетом динамики их поступления и потребления.

Необходимо найти минимум суммарного пробега порожних вагонов

, при ограничениях

1) , ,

2) , ,

где - количество порожних вагонов, которые надо отправить из - ого района избытка порожних вагонов с количеством моментов поступления при времени их поступления в - ый район недостатка порожних вагонов с количеством моментов потребления ко времени ,

- расстояние в километрах между - ым и - ым районами;

а_i, b_j - соответственно избыток и недостаток вагонов.

Решение данной задачи можно произвести на основе метода, предложенного докт. техн. наук, проф. Ивницким В.А., основанном на расширении пространства состояний с последующим решением стандартной транспортной задачи.

Функция F₂ определяется выполнением подусловий D, Е, G и H. Здесь:

D - подусловие выполнения новых функций F₅₁ , F₅₃ , F₆;

Е - подусловие обеспечения минимума отклонений от плановых заданий по передаче поездов по стыкам,

G, Н - подусловия минимизации затрат соответственно вагоно-часов и локомотиво-часов.

Подобно (21) :

D (F₅₁, F₅₃) Н E, G, H … (22)

Подусловие Е является приоритетным по отношению к подусловию В:

Е Н В , … (23)

Практически это означает, что в случае задержек в продвижении поездов (нарушение подусловия Е) может ограничиваться или даже прекращаться погрузка в адрес затрудненного полигона сети и другие меры.

Для управления передачей поездов на сетевом уровне выделяются укрупненные регионы, возглавляемые диспетчерами - ЦДГП, которые взаимодействуют со всеми другими диспетчерами по кругу выполняемых ими функций. На дорожном уровне выделяются районы управления во главе с диспетчером по району управления - ДГП.

Выполнение подусловия Е осуществляют также локомотивные диспетчеры сетевого - ЦДГЛ и дорожного - ДГЛ уровней, диспетчеры по плану формирования сетевого (ЦДГПФ) и дорожного (ДГПФ) уровней.

Диспетчеры ЦДГП, ДГП, ЦДГЛ и ДГЛ определяют выполнение подусловий G и Н.

Функция F₃ определяется выполнением подусловий I, T и K. Диспетчерское обеспечение подусловия I аналогично диспетчерскому обеспечению подусловия А функции F₁ с учетом корректировки функций диспетчеров ЦДГФТО и ДГФТО и исключения подмножества функций F₇₃.

Соответственно (22)

I (F₅₁ , F₅₂₂ , F₅₃ ) Н T, K (24)

Выполнение подусловия Т требует диспетчерского руководства развозом местного груза с обеспечением минимального отклонения от плановых заданий по количеству вагонов, доставляемых к местам выгрузки. Это в свою очередь должно обеспечить соблюдение заданных сроков доставки грузов, если они были нарушены при выполнении функции F₂. Если это имело место, то требуется выполнение заданий экономического регулятора по функции F₅₃.

Выполнение подусловий Т и К (минимизация вагоно- и локомотиво-часов) обеспечивают диспетчеры по выгрузке сетевого - ЦДГВГ и дорожного - ДГВГ уровней.

Что касается функции F₄ (специальные перевозки), то ее реализация определяется соответствующими инструкциями, правилами и регламентами, контроль за выполнением которых осуществляют специальные диспетчеры - ЦДСпец, ДСпец.

Структура диспетчерского руководства включает в себя также диспетчеров верхнего иерархического уровня, которые координирует работу всех диспетчеров соответственно в ЦУП и ДЦУП в круглосуточном режиме. На сетевом уровне это главный диспетчер ЦУП - ЦДГПС, а на дорожном - старший дорожный диспетчер ДЦУП - ДГПС. Эти диспетчеры участвуют в контроле выполнения всех функций F_{1 ,} F₂ , …F₇.

При распределении диспетчерских функций требуется минимизировать время ожидания решения всех К_з задач, поступающих в систему:

Т_ож (К_з) Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

min

В качестве ограничений выступают: допустимые сроки решения задач в интервале (0, Т), где Т - сменный период; а также предельное значение информационной загрузки каждого диспетчера в соответствии с установленными нормативами. Последнее положение требует развития.

В известных работах загрузка диспетчеров определяется отношением времени непосредственного управления процессами к длительности смены. Установлено, например (Г.М. Грошев), что для поездных диспетчеров допустимый уровень загрузки составляет 75% днем и 70% - ночью. Этот уровень может быть принят и для всех диспетчеров ЦУП и ДЦУП, т.к. для них характерно поступление большого числа запросов, требующих срочного решения, напряженный темп работы. В то же время в работе диспетчеров можно выделить интервалы пиковых загрузок, когда им приходится одновременно заниматься несколькими задачами. Для снижения влияния таких ситуаций на качество принимаемых решений в диспетчерской структуре целесообразно использовать принцип резервирования диспетчерских функций. Задача рассмотрена на примере диспетчеров укрупненных регионов ЦУП по направлениям Север, Юг, Восток.

Работу каждого такого диспетчера можно формализовать как систему массового обслуживания. Обозначим через случайную величину- время решения задачи, а интервал между поступлением задач через . Максимальное количество задач, которое диспетчер должен решать одновременно - . Требуется найти периоды времени, когда он должен решать одновременно более задач, <, где - допустимое число одновременно решаемых задач.

На основании натурных наблюдений для рассматриваемых диспетчеров время обслуживания имеет экспоненциальное распределение: , где = 2,8 мин. (м- интенсивность обслуживания), а средняя длительность интервала между последовательными моментами поступления задач имеет экспоненциальное распределение: , где = 4 мин. (л - интенсивность входящего потока).

Математическая постановка задачи заключается в следующем:

Имеем - линейную систему массового обслуживания (СМО), в которую поступает пуассоновский поток требований с параметром . Время обслуживания имеет экспоненциальное распределение с параметром . Требуется найти нестационарное распределение вероятностей ее состояний при произвольных начальных условиях.

Введем случайный процесс - число требований в СМО в момент времени . Этот процесс является марковским. Обозначим

.

Система дифференциальных уравнений для вероятностей состояний этой СМО , имеет вид

….

. }

…

с произвольными начальными условиями , .

Решение этой системы линейных дифференциальных уравнений первого порядка возможно с использованием преобразования Лапласа.

Данная методика является универсальной для расчета пиковых нагрузок диспетчеров. В практических условиях важно определить значение . Изучение условий работы диспетчеров укрупненных регионов показало, что = 2. Точность определения вероятности состояний для практических целей может быть порядка 10-15%. С учетом этого расчеты для рассматриваемого случая показали, что эта вероятность высока Р_(k>2) = 0,2 ч 0,23, что говорит о необходимости резервирования работы диспетчеров укрупненных регионов.

...