Разработка средств и методов учета влияния климатических условий в управлении сортировочными процессами

Актуальность темы

исследования:

Концепция управления сложными транспортными объектами в настоящее время претерпела значительные изменения1. 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 работы2 связаны, прежде всего, с применением интеллектуальных механизмов управления работой станции3.

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 и солнечного излучения 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.

С. Е. Ададуров, В. А. Гапанович, Н. Н. Лябах, А. Н. Шабельников. Железнодорожный транспорт: на пути к интеллектуальному управлению. Монография. — Ростов-на-Дону: 2009. С.-322.

2С. Е. Ададуров. Комплексная технология автоматизированного управления. — М.: Железнодорожный транспрот, № 11 2008г.

Гапанович В. А. Системы автоматизации и информационные технологии управления перевозками на железных дорогах: учебник для вузов железнодорожного транспорта // Гапанович В. А. и др. — М.: Маршрут, 2006. — 544 с. 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, JI.A. 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, A.C. Переборов, Н. Ф. Пенкин, Д. В. Шалягин, В. А. Шаров и другие.

Возможности и проблемы автоматизации технологических процессов на сортировочных горках подробно исследованы В.Н. Иванченко4, H.A.

4Иванченко В. Н. Исследование и разработка алгоритмов функционирования информационно-логической системы автоматизированной сортировочной горки. // Труды РИИЖТа — Ростов-на-Дону: РИИЖТ. 1976, № 3.-С. 18−24.

Никифоровым, А. Г. Савицким, Е.М. Тишкиным5, Н. М. Фонаревым, В.И. Шелухиным6 и другими.

Воздействие климатических факторов на работоспособность машинистов локомотивов и исполнительных устройств исследована в работах Козубенко В. Г. Оценку суровости условий эксплуатации и разработку методик корректировки нормативов эксплуатации автомобильного транспорта проводили Бындикова Ю. А.7, Карнаухов В. Н., Резник JI. Г8., Чайников Д. А.

Влияние погодных условий на надежность устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики и на время выполнение технологических процессов описано в работах Сапожникова В. В., Сапожникова Вл. В., Шаманова В. И., Шапкина И. Н9., 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., Орлов А. И.10, Карнаухов В. Н.11, Хаблак К. А.

5 Тишкин Е. М., Кулаев К. В. Методы и модели автоматизированного управления перевозками на советских железных дорогах // Железные дороги мира. 1982 г. № 8. С. 2−18.

6 Шелухин В. И. Автоматизация технологических процессов роспуска составов на сортировочных горках. // Шелухин В. И., Малышев В. Н. МИИТ. Москва: 1996. А также: Автоматизация и механизация сортировочных горок: учебник. — М.:Маршрут, 2005. — 240 с.

7Бындикова Ю. А. Оценка приспособленности автомобилей к низкотемпературных условиям эксплуатации // Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. -Тюмень: ТюмГНГУ. — 2004. — 150 с.

8 Резник JI. Г. Индекс суровости условий эксплуатации машин // Нефть и газ. — 2000. — № 1.

9 Шапкин И. Н., Юсипов Р. А., Кожанов Е. Н. Нормирование и прогнозирование на железных дорогах: методы, алгоритмы, технология расчета. Москва: 2006 г. — 265 с.

10 Орлов А. И. Экспертные оценки. Учебное пособие. // Орлов А. И. Москва: 2002.

1'Проблемы применения экспертных оценок в научно-техническом прогнозировании //.

Карнаухов В. Н., Бындикова Ю. А. Нефть и газ Западной Сибири. Мат. науч.-техн. конф., посвященной 40-летию Тюм. госуд. нефтег. универ. (Индустриальный институт). Т.2. -Тюмень: ТюмГНГУ. — 2003. — С. 116−117.

Методы оценки и обеспечения надежности и живучести систем железнодорожной автоматики и телемеханики разрабатывались Линденбаум М.

1 Г) 1Л.

Д., Савченко П. В. Сапожниковым В. В.. Проблемы и методы повышения безопасности систем железнодорожной автоматики и движения поездов рассмотрены в работах Ададурова С. Е.14, Горелика А. В.15, Кайнова В. М.16,.

Лисенкова В. М.17 Оценку рисков реализации инновационных проектов.

18 проводил Орлов А. И.

Также в настоящей работе анализируются и развиваются подходы к интеллектуализации сортировочного процесса19, предложенные в работах Берштейна Л. С., Бутаковой М. А., Денисова А. В., Ковалева С. М., Лябаха Н. Н., Одикадзе В. Р., Розенберга И. Н., Соколова В. Н., Уманского В. И., Шабельникова А. Н.

12 Савченко П. В. Методы обеспечения и оценки живучести станционных систем железнодорожной автоматики // Савченко П. В. диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — М.: РГОТУПС, 2007. 1.

Сапожников В. В. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи // Сапожников В. В., Сапожников Вл. В., Шаманов В. И. Учебное пособие для вузов ж. д. транспорта. — М.: Маршрут. — 2003. — 263 с.

14Ададуров С. Е. Научно-технический прогресс в повышении безопасности движения поездов // Ададуров С. Е. — М.: «Содружество», октябрь, 2008.

15Горелик A.B. Модель оценки безопасности систем железнодорожной автоматики по параметрам движения поездов // Горелик А. В., Тарадин Н. А. — М.: Наука и техника транспорта, № 4, 2008.

1бКайнов В. М. Поднять устройства автоматики и телемеханики на качественно новый уровень // Кайнов В. М. — М.: «Содружество», октябрь, 2008.

17 Лисенков В. М. Статистическая теория безопасности движения поездов // Лисенков В. М. -М: ВИНИТИ РАН, 1999. 332 с.

18 Орлов А. И. Методология оценки рисков реализации инновационных проектов. -Управление большими системами. Материалы Международной научно-практической конференция (22−26 сентября 1997 г., Москва, Россия) // Орлов А. И., Семенов П. М., Жихарев В. Н., В. А. Цупин В.А. — М.: СИНТЕГ, 1997.

19Иванченко В. Н., Лябах Н. Н., Ковалев С. М. Принятие решений на железнодорожном транспорте на основе использования теории нечетких множеств: Методические указания. -Ростов-на-Дону: РИИЖТ. 1987.-28 с.

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 давно было замечено. Так Ю. А. Муха в системе АСУ РСГ пытался косвенным образом учесть влияние среды за счет применения «зимних» и «летних» настроек алгоритмов. В системе КГМ РИИЖТ В. Н. Иванченко и его последователи предусмотрели саму возможность учета влияния погодных факторов, влияющих на технологические процессы и поддающихся измерению.

Использование данных о текущих погодных условий заложено изначально в структуре устройства управления прицельным торможением20. 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.

20Шабельников А.Н., Соколов В. Н. Устройство управления прицельным торможением / Патент на полезную модель № 54 348. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 июня 2006 г.

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 нашей страны.

— 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 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: методы идентификации влияния суровости среды на сортировочный процесс, теоретические основы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, входящих в КСАУ СП.

Работа выполнена в соответствии со следующими 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.

Ю.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 ССразработки формализованного описания объекта исследования и среды его погружения;

— оптимизации структуры и параметров системы;

— внедрения передовых образцов техники и современных технологийобеспечения сопровождения и эксплуатации «человеко-машинной» системы.

Положения, выносимые на защиту:

1. 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.

2. 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.

3. Влияние климатических факторов на технологические процессы опосредованно отражено в накопленной статистике и опыте экспертов. Это определяет необходимость разработать формализованные методы анализа и количественные показатели этого влияния при помощи статистических и экспертных данных.

4. 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.

5. 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 компенсации влияния трудно формализуемых климатических факторов необходима разработка интеллектуальных функций синтезируемой системы учета климатических условий.

Научная новизна исследований:

1. 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.

2. 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 и обеспечивающий адаптацию моделей и параметров управления отцепами.

3. 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 алгоритмы и методы внедрены в комплексную систему автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях, а именно:

— 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 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 железной дороги, «Инская» и «Входная» ЗападноСибирской железной дороги, «Челябинск-Главный» Южно-Уральской железной дороги. 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.

Выводы:

1. В силу различных объективных и субъективных причин (как то: производственная необходимость, различная степень проработанности процессов, различное время года), внедрение результатов исследования проводилось по нескольким направлениям и на разной стадии создания разрабатываемого модуля.

2. Одновременно с внедрением разрабатываемого модуля в КСАУ СП производилось внедрение полученных наработок в учебный процесс РГУПС для повышения квалификации персонала обслуживающего различные поколения системы КСАУ СП на сортировочных горках страны и СНГ.

3. Логическим завершением данной работы стала разработка и патентование полезной модели устройства компенсации влияния параметров внешней среды на сортировочный процесс.

Заключение

.

Интеллектуализация функционирующих управляющих комплексов является следующей ступенью повышения эффективности функционирования СС там, где автоматизация основных процессов уже выполнена.

Для достижения поставленной в работе цели были проработаны следующие задачи: анализ среды функционирования различных сортировочных станцийсистематизация факторов погодных условий, влияющих на сортировочный процессанализ отечественного и зарубежного опыта в автоматизации сортировочных станций в части компенсации влияния суровости климатических условийформализация влияния среды на функционирование объекта исследованиястратегия управления в условиях дефицита управляющих ресурсовприменение программно-аппаратных советчиковнадежность синтезируемой подсистемыразработка устройства компенсации влияния параметров внешней среды на сортировочный процесс. В рамках решения этих задач были получены конкретные результаты:

1. Собраны статистические данные и рассчитаны показатели изменения состояния среды на различных объектах внедрения КСАУ СП, обосновывающие необходимость разработки и применения подсистемы компенсации влияния параметров среды.

2. Определены конкретные факторы среды, оказывающие наибольшее влияние на технологический процесс роспуска и персонал, а также технические и технологические проблемы учета и компенсации влияния данных факторов.

3. Усовершенствован механизм работы с экспертами, предложенный Хаблак К. А., в части расчета веса каждого эксперта для исключения неопределенностей при большом разбросе экспертной информации и использование этого веса при каждой итерации опроса экспертов для расчета разброса мнений.

4. Проведены расчеты показателей экспертных оценок, собранных у операторов станции «Челябинск Главный», использованные при адаптации разрабатываемого модуля на этой станции.

5. Разработан алгоритм определения влияния климатических факторов по статистическим данным.

6. Разработана программа для моделирования влияния климатических факторов.

7. Разработан механизм формализации и идентификации текущего состояния внешней среды, позволяющий однозначно определить размер текущего влияния среды на объект управления.

8. Разработана стратегия управления сортировочных процессом в условиях дефицита управляющих ресурсов, использующая эталонные значения, корректируемые на внесистемном уровне, и обеспечивающая адаптацию моделей и параметров управления отцепами.

9. Разработан программно-аппаратный советчик «автомат — дежурный по горке» для компенсации влияния трудно формализуемых погодных факторов.

10. Разработан механизм определения состава технических средств для обеспечения надежности синтезируемой подсистемы.

11. Получен патент на «полезную модель устройства компенсации параметров внешней среды на сортировочный процесс», которая использует данные метеостанции, современные информационные технологии передачи и обработки информации.

Поставленные задачи получили в силу различных объективных и субъективных причин различную степень теоретической проработки и практического применения.

В качестве нерешенных проблем, ухудшающих количественные и качественные показатели работы СС и усложняющих применение методов компенсации влияния климатических параметров на технологические процессы и персонал, следует назвать следующие аспекты:

1. Несовершенство используемых средств контроля текущих погодных условий. Универсальные метеостанции с требуемым набором функциональных возможностей и точностью регистрации параметров имеют стоимость в несколько сотен тысяч рублей и более.

2,Отсутствие в номенклатуре производства отечественной промышленности специализированных технических устройств, позволяющих компенсировать влияние погодных условий (например, таких как специальные буксировочные устройства).

Основные положения, вынесенные на защиту, и результаты диссертационного исследования нашли свое реальное применение и развитие в учебном процессе РГУПС, а также в составе системы автоматизации СС — КСАУ СП на ряде сортировочных станций ОАО «РЖД». Повысилась стабильность заполнения путей сортировочного парка, что привело к уменьшению маневровой работы по осаживанию вагонов. Уменьшилось количество механических поломок, возникающих при превышении скоростей соударения отцепов.