Разработка структуры интегрированной системы управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте, основанной на обработке пространственно-ориентированной информации

К важнейшим приоритетам развития железнодорожного (ж. д.) транспорта, в условиях проводимых экономических реформ, следует отнести задачи создания принципиально новых транспортных систем автоматизации и управления технологическими процессами (ТП) на ж.д. транспорте с использованием перспективных информационных технологий. Для успешного создания указанных транспортных систем действующая Концепция информатизации ж.д. транспорта [74] требует первоочередного решения проблемы формирования единой, интегрированной информационной среды, реализуемой с помощью системы баз данных и знаний. Решение указанной проблемы основывается на использовании новейших компьютерных средств хранения, обработки и представления информации о перевозочном процессе, об объектах инфраструктуры и другой информации, необходимой для решения задач управления ТП на ж. д. транспорте.

Действующей Концепцией информатизации ж. д. транспорта поставлена задача разработки развитой и дружественной информационной среды, в которой все заинтересованные пользователи могут быть повсеместно обеспечены необходимой и достоверной информацией в нужное время и в удобной форме. Однако использование, разрабатываемого традиционным способом, программного обеспечения или стандартных пакетов программ, зачастую, не может обеспечить решение этой задачи. Так, к примеру, табличное представление данных не всегда наглядно и удобно для работы и решения задач управления ТП на ж.д. транспорте в силу специфики такого представления данных и нередко больших их объемов. Решение поставленной задачи требует изыскания принципиально новых способов работы с информацией, содержащейся в имеющихся и вновь создаваемых базах данных. Кроме этого, существующая структура информационной среды ж.д. транспорта, реализованная системой разнородных и практически не увязанных между собой баз данных, обслуживающих автономные автоматизированные системы и комплексы функциональных задач, не может обеспечить выполнения важнейшего требования Концепции по интеграции различных данных, выраженного в необходимости однократного ввода данных и многократного и многоаспектного их использования, что дополнительно препятствует широкому внедрению информационных технологий во все сферы деятельности ж. д. транспорта.

Важнейшим и эффективным инструментом интеграции данных и создания дружественного интерфейса между пользователем и информационной средой является подход, использующий парадигму пространственного представления данных. Указанный подход реализуется автором в рамках Интегрированной Системы управления ТП на ж.д. транспорте, основанной на обработке пространственно-ориентированной информации с помощью Электронной Карты сети Железных Дорог, сокращенно — ИС ЭКЖД. Важным достоинством ИС ЭКЖД, помимо обеспечения дружественного интерфейса с пользователем и интеграции данных, является также возможность интеграции в ИС ЭКЖД и различных задач управления ТП на ж.д. транспорте с помощью единой пространственной структуры, заданной сетью железных дорог. Многие из этих задач являются сложными комбинаторными задачами оптимизации на графах с весами. Оптимальное решение данных комбинаторных задач позволяет существенно улучшить эффективность использования технических средств ж.д. транспорта и существенно снизить транспортные расходы. Наиболее важной из представленных комбинаторных задач является задача управления ТП переработки грузовых вагонопотоков, напрямую связанная с пространственной структурой сети опорных сортировочных станций, на которых может осуществляться эта переработка.

Принципиальной особенностью разрабатываемой ИС ЭКЖД является то, что она призвана функционировать и в условиях нечеткой информации. Это вызвано тем, что пространственно-ориентированная информация, с которой приходится иметь дело на ж.д. транспорте, не всегда является абсолютно точной и достоверной и часто встречаются, так называемые «нечеткие данные», которые не являются ни четкими, т. е. имеющими конкретное значение, ни даже вероятностными и для которых можно лишь указать их возможные значения относительно некоторого интервала достоверности. В первую очередь это относится к случаям, когда человек-эксперт представляет собой единственный источник сведений. Поэтому современным и злободневным является решение в рамках ИС ЭКЖД проблемы обработки нечеткой информации о пространственно-распределенных объектах и ТП на ж.д. транспорте, возникающей в условиях, когда по разным причинам невозможно оперировать точными данными. Указанные выше обстоятельства определяют насущную необходимость разработки системы, обеспечивающей:

— удобные и эффективные средства взаимодействия (дружественный интерфейс) пользователя с информационной средой ж.д. транспорта, основанные на аналитической обработке данных и их графическом представлении;

— доступ к различным существующим данным и ранее разработанным задачам управления ТП на ж. д. транспорте и интеграция этих данных и задач с вновь создаваемыми на основе единой пространственной структуры (Электронной карты сети железных дорог);

— реализацию задач управления ТП на ж. д. транспорте в условиях нечеткой информации.

Практическая ценность от создания такой системы на ж.д. транспорте определяется следующими факторами:

— за счет дружественного интерфейса с информационной средой улучшаются эффективность использования информации и условия труда всех пользователей этой информации;

— за счет интеграции данных и задач управления ТП снижаются расходы на создание, сопровождение и развитие баз данных и задач управления;

— за счет реализации задач управления ТП в условиях нечеткой информации повышается эффективность использования технических средств ж.д. транспорта и снижаются транспортные расходы.

Внедрение и практическое использование подобной системы на ж.д. транспорте до последнего времени сдерживалось целым рядом факторов, среди которых следует отметить недостаточную теоретическую проработку проблемы, отсутствие развитой методологии разработки, современной системотехнической платформы, информации о пространственно-распределенных объектах и ТП, а также необходимого инструментария. В настоящее время сложились объективные предпосылки для разработки такой системы на ж.д. транспорте: возможность использования современной системотехнической платформы и необходимого инструментария разработкиширокое распространение геоинформационных технологий в различных научных и практических сферах деятельностиразвитие систем баз данных, содержащих необходимую информацию, и т. д.

Представленные выше условия обуславливают актуальность исследований, направленных на получение научных и практических результатов в разработке структуры интегрированной системы управления ТП на ж.д. транспорте, основанной на обработке и представлении пространственно-ориентированной информации.

Основной целью настоящего исследования является разработка и реализация методологии и соответствующего методологического инструментария построения структуры интегрированной системы управления ТП на ж.д. транспорте, основанной на обработке и представлении пространственно-ориентированной информации (ИС ЭКЖД). Для достижения основной цели в диссертации также определяются и вспомогательные подцели исследования, которые связаны с формированием функциональных требований к создаваемой системе и выработкой механизмов их реализации, разработкой моделей, алгоритмов и программ решения наиболее актуальных и эффективных 9 задач управления ТП на ж.д. транспорте, использующих обработку пространственно-ориентированной информации, и реализацией этих задач в составе ИС ЭКЖД.

Общая методика представленного комплексного исследования осуществляется в рамках процесса информатизации ж.д. транспорта, базируется на достижениях фундаментальных наук в области применения современных математических методов и информационных технологий и учитывает результаты исследований отечественных и зарубежных ученых, полученные ими при разработке систем обработки и представления информации о пространственно-распределенных объектах и явлениях в различных сферах деятельности. В зависимости от конкретных подцелей исследования использовался следующий методологический инструментарий: методы структурного системного анализа больших системметоды автоматизированного анализа и проектирования информационных системметоды проектирования баз данныхметоды представления знаний с помощью семантических сетейметоды теории геоинформационных системметоды математического моделирования с помощью теории графов и сетейметоды комбинаторной оптимизацииметоды организации вагонопотоковмодели выбора решений, основанные на построении дерева целейметоды теории нечетких множествметоды быстрой разработки приложенийметоды объектно-ориентированного программирования и др.

4.4. Выводы.

1. Методология разработки структуры ИС ЭКЖД не может быть обоснована только теоретически. Она должна доказать свое право на существование путем создания работающей системы, предназначенной для решения определенного круга задач. Поэтому к результатам настоящего научного исследования следует отнести и созданный рабочий прототип ИС ЭКЖД, который реализует структуру, разработанную во второй главе диссертации, с помощью быстрого спирального цикла ее проектирования.

2. Основой прототипа ИС ЭКЖД является, разработанная на принципах геоинформационных технологий, электронная схема, достаточно полно отражающая состояние сети железных дорог России и стран СНГ и Балтии, размерность которой превышает 9 ООО раздельных пунктов.

3. Разработанный прототип ИС ЭКЖД обеспечивает:

— удобные и эффективные средства взаимодействия (дружественный интерфейс) пользователя с информационной средой ж.д. транспорта, основанные на аналитической обработке данных и их графическом представлении;

— доступ к различным существующим данным и ранее разработанным задачам управления ТП на ж.д. транспорте и интеграция этих данных и задач с вновь создаваемыми на основе единой пространственной структуры (электронной схемы);

— реализацию отдельных задач управления ТП на ж.д. транспорте в условиях нечеткой информации.

4. Прототип ИС ЭКЖД позволил реализовать функциональные требования, определенные в архитектуре функциональных требований. В настоящей работе представлены многочисленные примеры, иллюстрирующие обширные возможности прототипа по обеспечению этих требований. Перечислены основные принципы и описаны ключевые структуры данных, используемые при программной реализации прототипа ИС ЭКЖД. Для хранения данных в архитектуре данных прототипа ИС ЭКЖД используется открытый формат хранения данных shape.

5. Прототипная система предоставляет пользователю — ЛПР разнообразные средства анализа данных с целью выбора управляющих воздействий. Результаты анализа отображаются ЛПР в виде многочисленных тематических карт, которые строятся по определенным критериям и могут представлять как количественные, так и качественные характеристики объектов, отображаемых на этих картах. Выбираемые с помощью различных критериев данные выделяются на картах определенными цветами и символами. В диссертации рассмотрены реализации различных тематических карт: принадлежность перегонов дорогамраспределение перегонов по видам СЦБ, тяги и числу главных путейраспределение раздельных пунктов по типамраспределение грузопотоков и вагонопотоков и др.

6. Прототип ИС ЭКЖД позволяет произвести агрегацию сети железных дорог по заданным ЛПР условиям. Представлены результаты агрегации полигона Московской ж. д. относительно опорных сортировочных станций.

7. Важной характеристикой прототипа является возможность учета нечеткости информации при выборе оптимальных управляющих воздействий. Для обеспечения возможности облегченной работы с нечеткими данными был разработан класс объектов, включивший в себя необходимые переменные для задания нечетких интервалов, а также необходимые для работы методы. С целью облегчения выполнения операций над нечеткими интервалами в разработанном классе был использован механизм перегруженных операторов. Программная реализация задачи оптимального прикрепления вагонопотоков к заданной системе назначения в условиях нечетких исходных данных осуществлена с помощью разработанного класса. Представлены структура исходных нечетких данных и результаты опытных расчетов по оптимальному прикреплению.

8. Результаты применения разработанной методологии построения структуры ИС ЭКЖД при создании прототипа ИС ЭКЖД показали ее высокую эффективность и подтвердили необходимость применения данной методологии как на стадиях и этапах создания прототипа, так и при проектировании системы в целом.

9. Прототип ИС ЭКЖД позволил наглядно продемонстрировать возможности применения геоинформационных технологий на ж.д. транспорте, а также разработать эффективные структурные решенйя при проектировании систем управления ТП на ж.д. транспорте, основанными на обработке пространственно — ориентированной информации. Открытость и гибкость прототипа позволяет неограниченно расширять его возможности, путем интеграции в его состав новых задач управления, которые имеют достаточную методическую и информационную поддержку.

10. Разработанный прототип ИС ЭКЖД представляет собой готовый к практическому применению программный продукт, который используется в нескольких департаментах и диспетчерском центре МПС, а также эксплуатируется в рамках КИВС МПС и ПКБ ГПУ МПС. Прототипный программный комплекс был представлен на выставках: «ЭкспоТранс 99», «ЭкспоЖд», «Международная транспортная 2000», где получил высокие оценки. В 2000 году на выставке «Корпоративные сети и системы связи» комплекс был удостоен золотой медали Всероссийского Выставочного Центра (ВВЦ), а сам автор — присвоения звания «Лауреат ВВЦ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате анализа отечественного и зарубежного опыта установлено, что создание информационно-управляющих систем, основанных на обработке и представлении пространственно-ориентированной информации является одним из прорывных направлений информатизации ж.д. транспорта России. При исследовании данных, предназначенных для управления ТП на ж.д. транспорте, обнаружено, что основная масса этих данных имеет пространственно — временную организацию, а также встречаются нечеткие данные. Предложено позиционировать эти данные относительно единой пространственной структуры, представленной электронной картой сети железных дорог России, стран СНГ и Балтии, что дает принципиально новые возможности для управления ТП на ж.д. транспорте.

2. Обоснована необходимость создания на ж.д. транспорте информационно-управляющих систем, использующих электронную карту сети железных дорог, сокращенно ИС ЭКЖД. Разработана общая структурная схема управления ТП с помощью ИС ЭКЖД, главной особенностью которой является наличие большого и малого управляющих контуров, различающихся между собой способами обработки пространственно-ориентированной информации и выработки управляющих воздействий.

3. Сформулированы требования к составу общей методологии разработки исследуемого класса информационно-управляющих систем (ИС ЭКЖД). Установлено, что важную и значительную часть общей методологии составляет частная методология построения структуры ИС ЭКЖД. Разработана и реализована методология построения структуры ИС ЭКЖД, основанная на архитектурной концепции, модельном подходе и спиральной модели реализации жизненного цикла проектирования.

4. Разработана структура ИС ЭКЖД путем построения шести базовых архитектур: функциональных требований, концептуальной, данных,.