Алгоритмы обработки информации в системе управления электроснабжением железных дорог

В системах управления сложными техническими системами приходится обрабатывать большое количество разнообразной информации для принятия необходимых управленческих решений. Эффективность принятия решений зависит от своевременной и качественной обработки исходной информации. Анализ и обработка информации в сложных технических системах обусловлены необходимостью повысить их эффективность и надежность. В таких системах большое значение имеют алгоритмы прогнозирования, оценки эффективности, качества и надежности функционирования и эксплуатации.

В развитых стран мира (Германии, Франции, Англии, США, Канады) сейчас интенсивно ведутся исследования по пересмотру существующей нормативной базы, по обеспечению прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем при действии максимальной (заданного уровня вероятности) нагрузки. Обеспечение безопасности объектов при эксплуатации осуществляется посредством повышения эффективности системы управления, разработки алгоритмического обеспечения, включающего в частности алгоритмы прогнозирования и корреляционно-экстремальные системы (КЭС) и алгоритмы обработки информации. В практических приложениях использование алгоритмического обеспечения системы управления сопряжено с рядом особенностей связанных со спецификой объекта приложения управляющих воздействий, в частности не явно выраженной связью элементов. Обработка информации, прогнозирование и контроль основных параметров технического объекта является важной и дорогостоящей задачей.

Разработка новых и совершенствование существующих алгоритмов и средств анализа обработки информации и управления, повышение эффективности надежности и качества сложной системы является актуальной задачей. Для ее эффективного решения предлагается применить алгоритмы и средства исследований КЭС, самоорганизации, интенсивно совершенствующиеся в настоящее время, а также генетические алгоритмы построения прогнозирующих моделей.

Прогнозирование и контроль основных параметров технического объекта является важной и дорогостоящей задачей. Решение ее достигаются при помощи системного подхода, теории оптимального управления, теории самоорганизации, генетических подходов, аналитических и численных методов, статистических методов обработки информации и математические методы обработки оцифрованных данных на ПЭВМ.

В связи со значительным износом парков технических объектов и средств, проблема оценивания остаточного ресурса таких объектов становится все более актуальной. На основе имеющейся статистики отказов в нормальном и форсированных режимах эксплуатации объектов, по известным моделям накопления нагружений (МНН), а также при наличии диаграммы на-гружения объекта, можно прогнозировать долговечность каждого конкретного объекта.

В настоящее время цифровые карты получили широкое распространение, базы данных на основе цифровых карт включают самые разнообразные данные. В том числе, в состав базовой цифровой карты местности, как правило, входит слой «Состояние объекта», содержащий сведения о состоянии основных параметров интересующего объекта [1]. Зная их, можно на основе методов картографического моделирования построить специальный тематический слой, а по нему, в свою очередь, диаграмму нагружения объекта. То есть при помощи информации о положении объекта (или его перемещении) и по содержанию тематического слоя, можно определить, сколько времени исследуемый объект эксплуатируется в каждом из режимов нагружения, а затем на основе существующих моделей накопления нагружений оценить долговечность исследуемого объекта.

Исследование изложенных проблемных вопросов в части разработки методов, алгоритмов и программ, позволяющих прогнозировать появление отказов и накопления остаточных деформаций технических объектов представляются актуальными.

Одной из множества таких систем является система управления электрифицированной железной дороги (СЭЖД), которая состоит из информационной системы, контактной сети (КС), включающей воздушную линию (BJT) — железнодорожного полотна (рельсы, шпалы), подшпального основанияземляного полотна, системы анализа и принятия решений.

Целью диссертационной работы является создание новых алгоритмов, позволяющих определять отклонение параметров и накопление остаточных деформаций в однородных средах и двухслойных системах на основе самоорганизации, генетических подходов и КЭС.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

— на основе анализа сложной технической системы разработать способы решения задач обслуживания элементов этой системы и выделить доминирующие параметры, влияющие на ее качественные характеристики, которые целесообразно использовать для управления и прогнозирования;

— разработать алгоритмы построения прогнозирующих моделей на основе генетического подхода и метода самоорганизации;

— модифицировать разработанные модели, используемые для анализа накопления нагружений и остаточных деформаций в однородных средах и двухслойных системах;

— разработать корреляционно-экстремальные алгоритмы для расчета отклонения параметров элементов двухслойных систем;

— разработать методики, алгоритмы и программы для анализа, принятия решений и управления в системе электрифицированной железной дороги (СЭЖД);

— провести апробирование разработанных алгоритмов, моделей и методик посредством вычислительных и натурных экспериментов.

Основными методами для достижения цели являются системный анализ, включающий комплексное использование теоретических и экспериментальных средств и методов, фундаментальные исследования в области аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела, статистические методы обработки информации и математические методы обработки оцифрованных данных на ПЭВМ.

Предметом исследований является совокупность теоретических, методологических и практических аспектов оценки накоплёния остаточных деформаций контактной сети при эксплуа тации СЭЖД.

В диссертации получены новые научные положения:

— разработаны алгоритмы построения самоорганизующихся прогнозирующих моделей с априорным выбором редуцированного ансамбля базисных функций;

— предложен редуцированный генетический алгоритм с резервированием моделей-претендентов, позволяющий осуществлять прогноз параметров двухслойной системы;

— предложена методика обработки информации в КЭС двухслойной системы, учитывающая фактическое расположение объекта в пространстве в пространстве;

— разработаны алгоритмы и программы, реализующие расчет накопления остаточных деформаций, основанные на применении КЭС;

— разработана новая методика решения задач расчета накопления остаточных деформаций и отклонения параметров СЭЖД, основанный на применении КЭС.

Практическая значимость работы.

— Разработанные методики, алгоритмы и программы могут быть использованы при проектировании и анализе систем, использующих прогнозирующие модели и корреляционно-экстремальные методы обработки информации.

— Разработанные методики, алгоритмы и программы позволяют рассчитывать остаточный усталостный ресурс элементов двухслойной системы, позволяют выполнять моделирование накопления усталостных повреждений при различных параметрах функционирования.

— Разработанный программный комплекс позволяет значительно сократить затраты за счет компьютерного определения отказов, сокращения организации «окон» на участках железных дорог для выполнения контроля выгоном-лабораторией.

— Состоит в решении важной народно-хозяйственной проблемы — определении отказов СЭЖД, используя современные информационные технологии.

Апробация и публикации по теме диссертации. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:

1) на семинарах и заседаниях кафедры «Компьютерные системы и сети» МГТУ им. Н. Э. Баумана;

2) на V, VII, IX международных симпозиумах «Интеллектуальные системы (ИНТЕЛС 2002, ИНТЕЛС 2006, ИНТЕЛС 2010)» МГТУ им. Н. Э. Баумана (Калуга 2002 г., Краснодар 2006 г., Владимир 2010 г.);

3) на семи Всероссийских научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии в приборои машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе», (г. Калуга 2001, 2003;2006, 2008, 2009 г. г.);

4) на III-V, VII Российских научно-технических конференциях «Новые информационные технологии в системах связи и управления» 2004;2006, 2009 г. г. ФГУП КНИИТМУ (Калуга 2004 -2006, 2009 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, отражающих основные результаты работы, в том числе:

— 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций основных результатов диссертационных работ;

— 8 тезисов докладов — в трудах конференций и международных симпозиумов.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на Московской железной дороге — филиал «ОАО РЖД» в службе Электрификации и электроснабжения и Дистанции электроснабжения Москва — Павелецкая для определения отклонения от номинальных параметров воздушной линии контактной сети относительно железнодорожного полотна и прогнозирования отказов элементов контактной сети на участках электрифицированной железной дороги, что подтверждено актами внедрения.

Предложенная методика внедрена в КНИИТМУ в процессе выполнения ОКР «ГИСавтодороги», для определения отклонения состояния дорожного полотна от номинальных значений.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана для выполнения практических и лабораторных работ по дисциплине «Моделирование».

На защиту выносятся следующие научные результаты.

— Алгоритм построения прогнозирующих моделей с редуцированным набором базисных функций.

— Редуцированный генетический алгоритм с резервированием моделей на каждом ряду селекции.

— Методика решения задач накопления остаточных деформаций, основанный на применении КЭС.

— Алгоритмы, реализующие расчет накопления остаточных деформаций основанные на применении КЭС.

— Модифицированные модели накопления нагружений на электрифицированных участках железных дорог, позволяющие учитывать интенсивность движения и объемы перевозок.

— Методика построения КЭС, позволяющая учитывать фактическое расположение объекта (КС в пространстве) и структуру двухслойной системы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка литературы и приложений.

9. Результаты работы внедрены в КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана, Калужском научно-исследовательском институте телемеханических устройств и на Московской железной дороге и имеют технический и экономический эффект, указанные в актах о внедрении.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан новый алгоритм решения задач определения накопления остаточных деформаций, основанный на применении генетических алгоритмов и технологий, позволяющий оценить состояние системы электрифицированной железной дороги и значительно сократить технические и материальные затраты при планировании и принятии решений о выполнении профилактических и ремонтных работах.

2. Модернизированы модели накопления нагружений на электрифицированных участках железных дорог, учитывающие накопление деформаций железнодорожного полотна и поездную нагрузку.

3. Предложен новый метод разработки информационной модели, отражающей фактическое расположение объекта (КС в пространстве), содержащей тематические слои в электронной карте и статистику изменения состояния элементов СЭЖД;

4. Разработаны алгоритмы и программы, а также новый подход к решению задач для определения накопления остаточных деформаций, основанные на применении информационных технологий.

5. Исследованы особенности существующих методов решения задач обслуживания СЭЖД, определены новые задачи, которые необходимо решить для построения модели и определения отклонения параметров СЭЖД от номинальных значений методом картографического моделирования.

6. Разработаны новые модели и алгоритмы для определения отклонения параметров СЭЖД от номинальных значений, повышающие эффективность эксплуатации и обслуживания участков железной дороги, за счет сокращения затрат на проведение испытаний ВИКС, что подтверждается актами внедрения.

7. Разработан алгоритм построения прогнозирующих моделей, представляющий собой алгоритм самоорганизации с резервированием моделей и выбором ансамбля базисных функций. Обоснован набор базисных функций для алгоритма определения параметров системы управления железнодорожным транспортом.

8. Предложен простой в реализации генетический редуцированный алгоритм с резервированием удачных моделей на каждом ряду селекции.