Дніпропетровський національний університет
залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

ВЕРНИГОРА РОМАН ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК 656.212

підвищення ефективності функціонування залізничних станцій як ергатичних систем

05.22.20- Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі „Станції та вузли” Дніпропетровського
національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Бобровський Володимир Ілліч,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені
академіка В. Лазаряна, завідувач кафедри "Станції та вузли"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шафіт Євген Миронович,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені
академіка В. Лазаряна, професор кафедри „Електронно-обчислювальні машини”

кандидат технічних наук, доцент Ломотько Денис Вікторович,

Українська державна академія залізничного транспорту, доцент кафедри
„Управління вантажною та комерційною роботою”

Захист відбудеться "22" лютого 2008р. о 13-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.820.02 при Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. Акад. Лазаряна, 2, к. 314, зал засідань

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. Акад. Лазаряна, 2,

Автореферат розісланий " 18 " січня 2008р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Жуковицький І. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Залізничні станції є одним з найважливіших елементів транспортної інфраструктури держави. Від якості їх роботи суттєво залежить рівень конкурентноздатності залізничного транспорту на ринку транспортних послуг. В зв’язку з цим особливої актуальності набувають питання удосконалення залізничних станцій та приведення їх у відповідність до сучасних вимог ринкової економіки. При цьому виникає проблема вибору раціонального комплексу заходів, спрямованих на удосконалення конструкції, технічних та технологічних параметрів залізничних станцій з урахуванням їх місця та ролі у системі організації вагонопотоків на мережі залізниць України. Масштабність та значення планованих з цією метою організаційно-технічних заходів висувають підвищені вимоги до якості проектних рішень та потребують їх достовірної кількісної оцінки. Не менш важливою складовою комплексної проблеми удосконалення станцій є підвищення ефективності ергатичної системи керування, основною ланкою якої є оперативно-диспетчерський персонал станцій.

Ефективним засобом аналізу та оцінки показників функціонування станцій, їх техніко-технологічних та економічних параметрів є імітаційне моделювання станційних процесів на ЕОМ. Як показує аналіз, існуючі моделі станцій, як правило, орієнтовані на вирішення вузькоспеціалізованих задач і в багатьох випадках – тільки для конкретної станції. Крім того, в цих моделях недостатньо уваги приділяється питанням керування технологічними процесами станцій. Разом з тим, ефективність функціонування станції в значній мірі залежить від якості оперативного керування, яке здійснює диспетчерський апарат. В той же час, в існуючих моделях станцій управлінська діяльність диспетчерського персоналу практично не враховується, що не забезпечує достатній рівень адекватності цих моделей. В цьому зв’язку розробка методів підвищення ефективності функціонування залізничних станцій як ергатичних систем на основі їх імітаційного моделювання представляє собою важливу науково-практичну задачу. Таким чином, тема дисертації, що присвячена вирішенню даної задачі, є досить актуальною.

Зв'язок теми з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з пріоритетними напрямками розвитку залізничної галузі, які визначені у Державній програмі реформування залізничного транспорту (розпорядження Кабінету Міністрів України від 26.12.2006 №651-р), а також пов’язана з НДР, що виконані Дніпропетровським національним університетом залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна для Придніпровської залізниці: „Комп’ютерний тренажер для підготовки ДСП станції Нижньодніпровськ-Вузол” (договір №43.14.02.03, №ДР 0103U008726) та „Автоматизація проектування залізничних станцій” (договір №43.00.05.06, №ДР 0105U001800), а також Східним науковим центром Транспортної академії України: „Комп’ютерний тренажер для підготовки ДСП станцій Одеської залізниці” (договір №02/04-СНЦ) та „Комп’ютерний тренажер ДСП для підготовки студентів Миколаївського технікуму залізничного транспорту” (договір №26/05-СНЦ).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування залізничних станцій за рахунок удосконалення їх технічного оснащення, технології роботи та ергатичної системи керування на основі системного підходу. Засобом для досягнення зазначеної мети є функціональне моделювання станційних процесів, що використовується для кількісної оцінки можливих варіантів удосконалення конструкції та технології роботи станцій, а також для створення імітаційних тренажерів, що є ефективним інструментом удосконалення ергатичної системи оперативного керування станцій. У зв’язку з цим у дисертації були поставлені та вирішені наступні задачі:

1. Аналіз сучасних методів дослідження та оцінки ефективності функціонування залізничних станцій.

2. Розробка методики побудови ергатичних функціональних моделей залізничних станцій для дослідження станційних процесів.

3. Розробка методики ідентифікації функціональних моделей станцій.

4. Формалізація задачі оптимізації техніко-технологічних параметрів залізничних станцій та її вирішення з використанням методів векторної оптимізації.

5. Розробка методики побудови імітаційних тренажерів на базі сучасних ЕОМ для підготовки диспетчерського персоналу залізничних станцій.

6. Розробка методики формалізованої оцінки рівня професійної підготовки диспетчерського персоналу станцій на основі сучасних математичних методів класифікації.

Об'єктом дослідження є процес функціонування залізничних станцій. Предмет дослідження – конструкція, технологія та система керування станцій.

Методи дослідження. Теорія графів, методи імітаційного моделювання, теорія масового обслуговування, теорія кінцевих автоматів, що використані для розробки методики побудови ергатичних функціональних моделей станцій.

Методи теорії ймовірностей, математичної статистики та регресійного аналізу використані для ідентифікації моделі станції та оцінки її адекватності.

Методи векторної оптимізації, що використані при розробці методики оптимізації техніко-технологічних параметрів залізничних станцій.

На основі методів дискримінантного та кластерного аналізу розроблено методику оцінки рівня підготовки оперативно-диспетчерського персоналу залізничних станцій з використанням імітаційних тренажерів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1) Вперше створено функціональну ергатичну модель залізничної станції, у якій людина приймає безпосередню участь у процесі моделювання, виконуючи функції диспетчера. Використання таких моделей дозволяє врахувати управлінську діяльність персоналу (людський фактор) при моделюванні роботи станції і за рахунок цього підвищити достовірність отриманих результатів.

2) Вперше технологічний процес роботи станції формалізовано на основі детермінованого скінченного автомату, що дозволяє адекватно моделювати функціонування залізничних станцій всіх типів без обмежень по складності та структурі технологічного процесу та забезпечує можливість інтерактивної участі людини-диспетчера у процесі моделювання.

3) Вперше формалізовано та вирішено задачу удосконалення техніко-технологічних параметрів станцій як задачу векторної оптимізації, що дозволяє визначати раціональний комплекс заходів, спрямованих на удосконалення конструкції та технології роботи станцій, та приймати обґрунтоване рішення з урахуванням вартості проекту та ефекту від його реалізації.

4) Вперше запропоновано критерій оцінки рівня професійної підготовки диспетчерського персоналу залізничних станцій, який базується на методах дискримінантного та кластерного аналізу. Визначення критерію здійснюється з використанням імітаційних тренажерів і дозволяє отримати об’єктивну оцінку функціональної готовності персоналу станцій, пов’язаного з оперативним керуванням їх роботою.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результати, отримані у дисертаційній роботі, а також розроблені моделі та методи можуть бути використані при створенні автоматизованих систем підтримки прийняття рішень для оцінки варіантів удосконалення конструкції, технології роботи та системи керування станцій, при розробці АРМ диспетчерського персоналу станцій для вирішення задач оперативного планування та управління, при побудові комп’ютерних тренажерів для підготовки оперативно-диспетчерського персоналу станцій. Ергатичні моделі залізничних станцій, побудовані на основі розробленої методики, доцільно використовувати для прогнозування показників функціонування залізничних станцій у різних умовах роботи. В даний час отримані результати використані:

1. При створенні імітаційних комп’ютерних тренажерів для підготовки ДСП станцій Нижньодніпровськ-Вузол Придніпровської залізниці, Одеса-Сортувальна та Миколаїв-Сортувальний Одеської залізниці.

2. При розробці рекомендацій щодо удосконалення конструкції та технології роботи парної підсистеми розформування станції Нижньодніпровськ-Вузол Придніпровської залізниці.

3. В учбовому процесі при підготовці студентів факультету „Управління процесами перевезень” та підвищенні кваліфікації слухачів ІПО ДНУЗТу за допомогою імітаційних тренажерів.

Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними документами, що наведені у додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Всі результати теоретичних та експериментальних досліджень, наведені в роботі, отримані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок автора полягає у наступному. В статті [1] розроблена математична модель управління стрілками та світлофорами залізничних станцій. В статті [2] розроблена методика побудови інформаційної моделі в тренажері ДСП та запропонована методика оцінки рівня підготовки персоналу з використанням тренажера. В роботі [3] розроблена структура ергатичної моделі залізничної станції. В статті [4] сформульовано принципи побудови моделі технологічного процесу роботи станції на основі теорії скінченних автоматів. В статті [5] отримані та проаналізовані результати використання розробленої ергатичної моделі при удосконаленні конструкції підсистеми розформування сортувальної станції. В статті [6] запропоновано методику удосконалення техніко-технологічних параметрів залізничних станцій на основі методів векторної оптимізації, сформульовано векторний критерій оптимізації та отримані практичні результати для однієї зі станцій України.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та були схвалені на міждержавній науково-методичній конференції "Комп'ютерне моделювання" (Дніпродзержинськ, 2000 р.); на 15-й , 16-й та 17-й міжнародних школах-семінарах "Перспективні системи керування на залізничному, промисловому і міському транспорті" (Алушта, 2002, 2003, 2004 рр.); на ІІІ-й міжнародній науковій конференції “Проблеми економіки транспорту” (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2003 р.); на І-й та ІІ-й науково-практичних конференціях „Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем” (Київ, КУЕТТ, 2003 та 2004 рр.); на науковому семінарі “Удосконалення технології перевізного процесу” (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2004 р.); на 65-й, 66-й та 67-й науково-практичних конференціях Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, ДНУЗТ, 2005, 2006, 2007 рр.); на наукових семінарах кафедри "Станції та вузли" ДНУЗТ 2000-2007 рр. У повному обсязі дисертація доповідалась і була схвалена у Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна на міжкафедральному науковому семінарі (2007 р.)

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 6 науково-технічних статей у фахових виданнях та 15 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків і 5 додатків. Повний обсяг роботи становить 230 сторінок; з них основний текст на 171 сторінці, 17 рисунків та 1 таблиця на 15 сторінках, список використаних джерел з 151 найменування на 13 сторінках, додатки на 31 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, сформульовані мета і задачі досліджень, відображені наукова новизна, практичне значення одержаних результатів та особистий внесок автора, наведено відомості про апробацію та публікацію результатів досліджень.

В першому розділі виконано аналіз сучасного стану проблеми підвищення ефективності функціонування залізничних станцій на основі удосконалення їх техніко-технологічних параметрів та ергатичної системи керування. Розглянуто вітчизняний та закордонний досвід у моделюванні станційних процесів та створенні автоматизованих навчальних систем для підготовки персоналу залізниць.

Сучасні ринкові умови роботи залізниць України висувають якісно нові вимоги до рівня наданих послуг по перевезенню вантажів і пасажирів. Рівень конкурентноздатності і привабливості залізниць на ринку транспортних послуг у значній мірі залежить від якості роботи залізничних станцій. В даний час на мережі залізниць України функціонує близько 1,5 тисячі станцій і спорудження нових є економічно не доцільним. В зв’язку з цим необхідно розробити комплекс заходів щодо удосконалення конструкції і технології роботи існуючих станцій. При цьому виникає проблема отримання достовірної кількісної та якісної оцінки планованих заходів. Ефективним засобом аналізу й оцінки показників функціонування станцій у різних умовах, прогнозування їх техніко-технологічних і економічних параметрів є математичні та імітаційні моделі, що у сполученні із сучасними засобами обчислювальної техніки є потужним інструментом для дослідження станцій і оптимізації їх роботи.

Досвід використання методів моделювання для дослідження та удосконалення роботи станцій є досить значним. Суттєвий внесок у становлення та розвиток теорії моделювання станційних процесів у різний час внесли вчені: В.М. Акулінічев,О.В. Бикадоров, В.І. Бобровський, А.А. Босов, Т.В. Бутько, П.С. Грунтов, І.В. Жуковицький, Г.І. Загарій, Д.М. Козаченко,
А.М. Котенко, Д.В. Ломотько, Ю.О. Муха, Є.В. Нагорний, В.Я. Негрей, В.О. Персіанов, М.В. Правдін, І.Б. Сотніков, Є.О Сотніков, К.К. Таль, М.І. Федотов, Н.Н. Шабалін, Є.М. Шафіт, М.Р. Ющенко та інші.

Аналіз робіт по моделюванню залізничних станцій показав, що суттєвим недоліком існуючих моделей є те, що в них або взагалі не враховується, або досить спрощено моделюється діяльність оперативно-диспетчерського персоналу (ОДП). Разом з тим, ефективність функціонування станції залежить не тільки від рівня її технічного оснащення і технології роботи, а й від діючої системи керування, основною ланкою якої є людина-диспетчер. Неврахування цього фактору при моделюванні може привести до одержання неточних результатів і, в кінцевому результаті, до прийняття не оптимального чи, навіть, помилкового рішення.

Для усунення вказаних недоліків при виконанні досліджень доцільно створити ергатичні функціональні моделі залізничних станцій, у яких людина бере безпосередню участь у моделюванні, виконуючи функції ОДП. При цьому методика побудови таких моделей повинна забезпечувати простоту та універсальність представлення вихідних даних за рахунок ускладнення внутрішньої організації програмних комплексів. Такий підхід дозволить значно спростити створення моделей для конкретних станцій і, таким чином, суттєво розширити коло науково-практичних задач, що можуть бути вирішені з їх використанням. За допомогою вказаних моделей можливо отримувати оцінки показників роботи станцій в різних експлуатаційних умовах; при цьому для визначення найбільш ефективних варіантів організації роботи станцій необхідно розробити методику оптимізації їх техніко-технологічних параметрів.

Комплексний підхід при плануванні заходів, спрямованих на удосконалення залізничних станцій, повинен передбачати не тільки зміни в їх конструкції та технології роботи, але й підвищення ефективності ергатичної системи оперативного керування за рахунок навчання та підвищення кваліфікації ОДП станцій. Ефективним засобом покращення якості підготовки ОДП є імітаційні тренажери на базі сучасних ЕОМ. Слід зазначити, що проблемі створення ефективних засобів підготовки ОДП у вітчизняній залізничній науці приділялося недостатньо уваги. Серед дослідницьких робіт, присвячених даному питанню, особливий інтерес викликають праці Л.Г. Аверьянова, Бернардо дел рио Салседа, В.П. Гауса, Г.Ф. Пахомової, М.А. Сапунова, Х.Н. Тімергаліна, Є.В. Тітова.

Враховуючи практичну відсутність в Україні ефективних тренажерних систем для підготовки диспетчерського персоналу залізниць, в дисертації була поставлена задача на основі принципів ергатичного функціонального моделювання станційних процесів розробити структуру та методику побудови імітаційних комп’ютерних тренажерів для підготовки ОДП станцій, а також методику оцінки рівня професійної підготовки ОДП за допомогою таких тренажерів.

В другому розділі сформульовано основні принципи та розроблено методику побудови функціональних ергатичних моделей залізничних станцій.

Залізнична станція розглядається як складна керована система масового обслуговування (СМО), що складається з множини різних елементів, які у процесі роботи тісно взаємодіють між собою, впливаючи один на одного. Тому функціональна модель станції (ФМС) повинна відображати як структуру станції, так і взаємодію її окремих елементів.

В цьому зв’язку для побудови функціональних ергатичних моделей станцій, орієнтованих на вирішення задач різного класу, були розроблені наступні універсальні моделі їх елементів: модель колійного розвитку станції (МКР), модель системи керування пересуваннями рухомого складу (МКП), модель руху транспортних об’єктів (МР), модель технологічного процесу (МТП), інформаційна модель (ІМ). Структура ФМС з відображенням взаємодії окремих моделей наведена на рис. 1.

Рис. 1. Структура функціональної ергатичної моделі залізничної станції

Всі моделі реалізовані на ЕОМ у вигляді окремих програмних модулів, побудованих з використанням об’єктно-орієнтованого підходу. Синхронізація моделей виконується в дискретні моменти системного часу Tс за допомогою спеціально розробленої системи повідомлень. Така організація дозволяє легко модифікувати ФМС відповідно до конструкції і технології конкретної станції та в залежності від характеру поставленої задачі. Функції системи оперативного керування роботою станції в процесі моделювання виконує людина-диспетчер (ЛД).

Модель колійного розвитку (МКР) станції використовується для представлення геометричних параметрів її плану, відображення поточного стану стрілочних переводів і положення рухомого складу на коліях станції. Для реалізації вказаних функцій МКР включає геометричну модель плану колійного розвитку і модель заняття колійних ділянок.

Геометрична модель плану колійного розвитку побудована на основі орієнтованого зваженого графа G(V, E) і відображає склад елементів станції (ділянки колій, стрілочні переводи, світлофори, кінці колій, ізольовані стики), їх взаємозв'язки, геометричні розміри та поточний стан. В графі G виділено три підмножини вершин: VS, VC, VZ. Вершини viVS відповідають центрам стрілочних переводів (ЦП); вершини vjVC – світлофорам (СВ); вершини vl VZ –ізольованим стикам та кінцям колій. Для розділу множини вершин V на підмножини кожній з них виділено непересічні групи номерів: NS={1,...199}, NC={200,…399}, NZ={400,…999}. Дугам графа eE поставлені у відповідність ділянки колій між окремими вершинами.

У пам'яті ЕОМ граф G представляється списком дуг. При цьому кожна дуга графа позначається упорядкованою парою вершин e=(vu), де v – початкова, а
u – кінцева вершини; при цьому прийнято, що всі дуги орієнтовані зліва направо. Кожна дуга eE характеризується довжиною l відповідної ділянки колії.

Вершинам підмножини viVS (ЦП) поставлені у відповідність наступні параметри: s – положення стрілки; qs – напрямок укладання стрілки (0 – пошерсний, 1 – протишерсний); e1, e2, e3 – дуги графа, що інциденті вершині vi та відповідають ділянкам колій у напрямках рамних рейок, а також прямої і бокової колій хрестовини. Вершинам vjVC (СВ) поставлено у відповідність напрямок відповідного світлофора qс (0 – парний світлофор, 1 – непарний). Для прикладу на рис.2 наведено фрагмент схеми станції і відповідний їй граф G(V, E).

Рис. 2. Геометрична модель колійного розвитку станції: а) схема колійного розвитку; б) формалізоване представлення графа G(V, E) в ЕОМ

Модель зайняття колійних ділянок (МЗК) містить відомості про поточне положення об'єктів рухомого складу на коліях станції. Це дозволяє контролювати фактичний стан кожної колійної ділянки (зайнята/вільна), ідентифікувати розташовані на ній об'єкти і моделювати їх рух. Для реалізації МЗК використовується динамічно поновлюваний список, кожний з елементів якого містить інформацію про дислокацію певного об’єкта рухомого складу. На кожному кроці системного часу Tс здійснюється оновлення моделі.

Модель системи керування пересуваннями рухомого складу (МКП) використовується для моделювання технологічних функцій станційних систем автоматики і телемеханіки, що забезпечують регулювання руху поїздів і маневрових составів. МКП контролює стан колійних та стрілочних ізольованих секцій (ІС) станції, імітує переведення стрілок і перемикання світлофорів по маршрутам руху, а також забезпечує відображення їх поточного стану в інформаційній моделі.

МКП побудована на основі орієнтованого зваженого графа D(U, Q), що відображає топологічні зв’язки між елементами системи електричної централізації (ЕЦ). Множина вершин U включає дві підмножини: стрілочні переводи US та світлофори і ізольовані стики UС; кожній з них виділені непересічні групи номерів: Is={1,…199}, IC ={201…399}. Дугам qlQ відповідають ділянки колій МКР, що входять до складу ізольованих секцій (стрілочних чи колійних). В зв’язку з цим в МКП передбачається множина R, кожний елемент якої rj відповідає певній ізольованій секції системи ЕЦ. Кожному елементу rjR поставлено у відповідність список w номерів колійних ділянок МКР, що входять до її складу. При визначенні поточного стану кожної ІС за допомогою відповідного запиту до МКР перевіряється стан колійних ділянок, номери яких містяться у списку w. У пам'яті ЕОМ граф D представляється списками інцидентності його вершин. При цьому для можливості поділу маршрутів парного і непарного напрямку, для кожної вершини графа D ставляться у відповідність два списки суміжних з нею вершин (uп, uн), що інцидентні їй, відповідно, у парному та непарному напрямках.

Для моделювання функцій станційної автоматики граф D доповнюється списками технічних параметрів, що характеризують елементи станції (стрілочні переводи, світлофори, ізольовані секції) і їх функціональні зв’язки. На рис. 3 наведено фрагмент схеми станції з виділеними ІС і вершинами відповідного графа D, а також його формалізоване представлення в ЕОМ.

Рис. 3. Модель системи керування пересуваннями: а) схема колійного розвитку; б) формалізоване представлення відповідного графа D(U, Q) в ЕОМ

Маршрут руху представляє собою орієнтований шлях на графі, початковою і кінцевою точками якого є вершини множини UС (світлофори). При побудові маршруту відбувається обхід графа D у напрямку, що відповідає напрямку початкового світлофора. При цьому перевіряється стан ІС по маршруту та правильність положення стрілочних переводів. Розроблена методика побудови МКП передбачає можливість як ручного, так і маршрутного переведення стрілок для приготування маршруту руху. Керування стрілками та сигналами в процесі моделювання виконує людина-диспетчер за допомогою відповідних моторних елементів, передбачених в інформаційній моделі. На кожному кроці системного часу ДTс МКП контролює поточний стан всіх елементів; зміна стану будь-якого елемента відповідним чином відображається в ІМ.

Модель руху транспортних об’єктів призначена для імітації пересувань одиниць рухомого складу в межах станції та на підходах до неї. При цьому використовуються дані про параметри об’єктів та інформація про поточний стан елементів станції (стрілок, світлофорів, колійних ділянок). Для моделювання руху об’єктів запропонована методика, що базується на припущенні про рівноприскорений (рівноуповільнений) характер пересувань. На кожному кроці ДTс виконується коригування параметрів руху (прискорення та швидкості) кожного рухомого об’єкта, на основі чого визначаються його нові координати.

Модель технологічного процесу (МТП), містить дані про об'єкти, що обслуговуються на станції (локомотиви, поїзди, состави), і використовується для моделювання комплексу операцій їх обробки. В розробленій МТП станція розглядається як керована багатофазна багатоканальна СМО, в якій вхідний потік утворюють об'єкти, що вимагають обслуговування на станції, а фазами обслуговування є окремі технологічні операції (закріплення состава, технічний огляд та ін.), що виконуються в певній послідовності відповідно до технологічного процесу (ТП). Тривалості цих операцій моделюються як випадкові величини, параметри яких залежать від характеристик об'єкту. Обслуговуючими пристроями є виконавці технологічних операцій (маневрові локомотиви, сигналісти, бригади ПТО та ін.). Дисципліну обслуговування (черговість обробки об'єктів) в процесі моделювання встановлює людина-диспетчер в залежності від характеру задачі.

Формалізація ТП обробки об'єктів здійснюється з використанням детермінованого скінченного автомата (СА), який забезпечує виконання з кожним об'єктом всього комплексу технологічних операцій відповідно до їх взаємної обумовленості:

А = {X, Z, S, Fz, Fs},

Вхідний алфавіт X автомата включає дві підмножини вхідних сигналів:
X = {X1, X2}; тут X1, – зовнішні команди, що надходять від диспетчера для ініціалізації певних технологічних операцій з об'єктом; X2 – внутрішні сигнали ФМС, що надходять від об'єкта після закінчення кожної технологічної операції.

Кожному символу zi вихідного алфавіту Z ставиться у відповідність функція i, яку повинна виконати ФМС у момент надходження в СА вхідного сигналу xi. Функції i включають набори команд двох типів i = {Ki1, Ki2}; тут Ki1 – список команд ініціалізації окремих технологічних операцій з об'єктом; Ki2 – список команд і повідомлень, які повинні бути передані структурним моделям ФМС.

Кожний стан автомата sq S відповідає певному стану ТП обслуговування об'єкту, який характеризується рівнем завершеності кожної технологічної операції (не може бути почата, може бути почата або виконується, закінчена).

Функції виходів Fz і переходів Fs автомата А виконують перетворення вхідної послідовності сигналів xj={x1, x2,... xк} у відповідну вихідну послідовність
zj={z1, z2,... zк} і представляються в ЕОМ у вигляді графа переходів. Вершинам графа поставлені у відповідність стани автомата sq S, а дугам – можливі переходи між ними. Для прикладу на рис. 4. наведено граф СА, що моделює ТП обслуговування групи місцевих вагонів в підсистемі розформування.

ТП обслуговування окремого об'єкту моделюється послідовністю переходів СА з одного стану в інший, по мірі виконання передбачених операцій. На початку моделювання ТП обслуговування кожного об'єкту відповідний СА знаходиться в початковому стані s0 (автомат є ініціальним). Після виконання всіх операцій, передбачених ТП, автомат переходить в кінцевий стан sк, після чого відповідний об'єкт виключається з системи обслуговування.

Рис. 4. Граф переходів СА для моделювання процесу обслуговування групи місцевих вагонів у підсистемі розформування

Розроблена методика дозволяє моделювати ТП станцій будь-якого рівня складності і з будь-яким ступенем деталізації. При цьому використання СА допускає моделювання різних варіантів обслуговування об'єктів, що забезпечує істотну гнучкість моделі. Крім того, формалізація ТП у вигляді СА робить можливою інтерактивну участь людини в процесі моделювання роботи станції і дозволяє імітувати його взаємодію з виконавцями технологічних операцій.

В ергатичних моделях людина бере безпосередню участь у керуванні роботою станції і виконує функції диспетчера, втручаючись в процес моделювання при виникненні конфліктних ситуацій, що потребують прийняття управлінських рішень. З цією метою до складу ФМС уведена інформаційна модель, що використовується людиною-диспетчером при моделюванні для контролю поточної ситуації і передачі керуючих команд.

У розробленій ергатичній моделі ІМ імітує робоче місце ДСП станції. При цьому на дисплеї ЕОМ відображається мнемосхема станції з усіма необхідними в роботі елементами (стрілочними рукоятками, сигнальними лампочками, кнопками та ін.). Зовнішній вигляд ІМ для ергатичної моделі парку прийому сортувальної станції представлений на рис. 5.

Рис. 5. Зовнішній вигляд ІМ ергатичної моделі станції

У процесі моделювання дані, необхідні для розрахунку показників роботи станції, записуються до протоколу. Крім того, при моделюванні автоматично ведеться графік виконаного руху встановленої форми, що дозволяє виконувати детальний аналіз результатів моделювання. Для прискорення процесу моделювання всі елементи ТП, що не потребують втручання диспетчера, виконуються в автоматичному режимі; в інтерактивний режим ФМС переводиться тільки при виникненні конфліктних ситуацій, для вирішення яких необхідне втручання людини-диспетчера. Експерименти з моделлю показали, що при такому підході для моделювання добової роботи станції необхідно близько 20 хвилин.

В третьому розділі для апробації розробленої методики побудови ФМС виконано ідентифікацію ергатичної моделі та оцінку її адекватності.

З цією метою було виконане комплексне обстеження підсистеми розформування (ПР) однієї з сортувальних станцій України. За результатами обстеження на основі розробленої методики були формалізовані технічне оснащення і технологічний процес роботи ПР, а також побудована відповідна інформаційна модель. Крім того, отримані числові характеристики законів розподілу випадкових величин, що характеризують вхідний потік поїздів та систему обслуговування ПР.

Для визначення параметрів вхідного потоку об’єктів (поїздів і маневрових составів), що надходить у ПР, виконана статистична обробка даних графіків виконаного руху та натурних листів на вантажні поїзди. По результатам обробки отримані дані, необхідні для моделювання процесу надходження об’єктів в підсистему розформування: моментів прибуття, кількості вагонів, їх призначення та ін.

З метою одержання числових характеристик законів розподілу випадкових величин тривалості виконання окремих технологічних операцій був виконаний хронометраж процесу обслуговування составів у ПР станції. При цьому для кожного состава фіксувалися наступні дані: кількість вагонів Nваг, кількість відчепів Nо, тривалість закріплення Tзакр, тривалість огляду поїзда Тто, тривалість прибирання гальмівних башмаків Тприб, тривалість розпуску Tр, тривалість обробки документів Tдок, тривалість підготовки сортувального листка Tсл. Для визначення параметрів законів розподілу відповідних випадкових величин виконана статистична обробка даних, отриманих у результаті хронометражу. Слід зазначити, що випадкові величини Tзакр, Тто, Тприб та Tр не є незалежними, так як тривалість виконання відповідних операцій залежить від параметрів об’єктів, що обслуговуються (кількості вагонів, відчепів та ін.). На основі методів регресійного аналізу для цих величин був встановлений характер відповідних залежностей, які дозволяють адекватно моделювати тривалості виконання цих технологічних операцій.

Для оцінки адекватності розробленої моделі був виконаний статистичний аналіз випадкових величин часу перебування составів в ПР, отриманих на реальній станції і в результаті моделювання її роботи. З цією метою були досліджені вибірки вказаних значень часу, отриманих в результаті спостережень на станції x=(x1, x2,…,), n=114 і в результаті моделювання y=(y1, y2,…,), m=36. На основі статистичного аналізу встановлено, що випадкові величини X та Y підпорядковуються логарифмічно-нормальному закону розподілу з близькими значеннями параметрів. За даними вказаних вибірок була виконана перевірка гіпотези про їх належність до однієї генеральної сукупності. З цією метою був використаний
U-критерій Уілкоксона. Виконані розрахунки підтвердили, що висунута гіпотеза не суперечить експериментальним даним і може бути прийнята. На основі цього був зроблений висновок про адекватність моделі ПР і можливість її використання для вирішення практичних задач.

У четвертому розділі виконана постановка і вирішення оптимізаційної задачі удосконалення техніко-технологічних параметрів залізничних станцій.

Для апробації рішення поставленої задачі комплексного удосконалення роботи залізничних станцій розроблена в дисертації модель підсистеми розформування була використана для визначення раціональних техніко-технологічних параметрів її парку прийому (ПП) (рис. 6).

Рис. 6 Схема колійного розвитку ПП станції з варіантами реконструкції

Аналіз конструкції колійного розвитку ПП і технології його роботи дозволив виявити певні недоліки. Для їх усунення були розроблені варіанти можливих організаційно-технічних заходів (ОТЗ), спрямованих на підвищення ефективності роботи ПП станції. Кожен варіант ОТЗ гi можна охарактеризувати двома інтегральними показниками: кількісним (витрати на реалізацію варіанта Z(гi)) і якісним (перероблювальна спроможність парку N(гi)). При цьому виникає проблема вибору раціонального варіанта удосконалення техніко-технологічних параметрів станції, який би дозволив отримати максимальний ефект при мінімальних витратах ресурсів. Для вирішення вказаної проблеми розроблено методику, що базується на принципах векторної оптимізації.

Кожний варіант ОТЗ гi, спрямованих на підвищення ефективності функціонування станції, у загальному випадку передбачає виконання певного комплексу робіт:

гi={И1, И2,…Иj…Иn},

де Иj – множина можливих заходів на j-му елементі станції.

На реалізацію кожного з заходів Иij комплексу гi потрібні певні витрати Z(Иij). З іншого боку, реалізація заходу Иij дозволяє одержати певне значення якісного показника N(Иij). Конкретні значення зазначених показників можуть бути отримані за результатами моделювання роботи станції за допомогою її ФМС. Таким чином, значення показників Z(гi) і N(гi) визначаються як:

. (1)

Набір можливих варіантів складає множину Г={г1,…гk}. Рішенням задачі є така підмножина Г*={г1*,…гт*}, для кожного з елементів якої виконується умова:

(2)

Зазначена задача у наведений постановці є задачею векторної оптимізації. При цьому результатом рішення є підмножина точок, кожна з яких при певній величині витрат Z(г*) визначає найбільш раціональний комплекс ОТЗ г*. При цьому отримана підмножина Г* включає лише так звані ефективні варіанти. Варіант ОТЗ г* Г будемо називати ефективним, якщо будь-яке відхилення від нього приводить до погіршення хоча б одного з показників, тобто до збільшення витрат або зменшення переробки вагонів. Таким чином, під рішенням задачі (2) будемо розуміти деякий набір варіантів Г* Г, у якому будь-який варіант є ефективним.

Основною властивістю множини Г* є те, що будь-які два варіанти гq* і гr* цієї множини між собою є непорівнянними за Парето, тобто для них має місце умова:

Розв’язок задачі (2) зводиться до розв’язку задачі на умовний екстремум:

Z(г) > min, N(г) ? N*, г Г(3)

де N* – задана величина перероблювальної спроможності станції.

Для рішення задачі (3) використовується функція Лагранжа:

(4)

Рішенням задачі (3) при фіксованому м буде множина г*(м), що мінімізує функцію Лагранжа, тобто: L(г*, м) > min, г* Г.

У силу співвідношень (1) функцію Лагранжа (4) можна записати як:

(5)

Таким чином, при побудові множини г*(м) в неї необхідно включати тільки такі елементи Иj, які б мінімізували вираз: , що у кінцевому підсумку приведе до мінімуму функції (5).

Апробація даної методики була виконана при дослідженні й оптимізації технічного оснащення і технології роботи ПП сортувальної станції. При цьому був розглянутий ряд можливих заходів, кожен з яких може бути представлено множиною Иj: 1) зміна числа колій у ПП И1={4; 5}; 2) реконструкція вхідної горловини для прийому поїздів з Л И2={0; 1}; 3) зміна кількості маневрових локомотивів И3={1; 2}; 4) зміна кількості бригад ПТО: И4={1; 2}; 5) зміна кількості груп оглядачів вагонів у кожній бригаді И5={2; 3; 4}. Таким чином, було отримано 48 варіантів гi, кожен з яких являє собою комбінацію зазначених вище заходів Иj.

Для одержання техніко-експлуатаційних показників, що характеризують функціонування ПП по кожному з намічених варіантів, було виконане моделювання роботи ПП із використанням ергатичної моделі. З урахуванням отриманих значень показників по кожному варіанту ОТЗ гi були розраховані витрати на його реалізацію Z(гi), а також визначене максимальне значення перероблювальної спроможності, яке може бути досягнуте при реалізації даного варіанту. Таким чином, була отримана множина Г = {г1, г2, … г48 }, яка наведена в табл. 1, а також представлена на рис. 7 у вигляді поля точок. На основі рішення задачі векторної оптимізації з множини Г була виділена підмножина Г*, що включає лише ефективні варіанти і є рішенням поставленої задачі. Елементи підмножини Г* виділені в табл. 1. На рис. 7 також виділені точки, що відповідають ефективним варіантам ОТЗ, які доцільно реалізувати на станції.

Отримане рішення дозволяє здійснювати вибір раціонального комплексу заходів, що забезпечують максимальну ефективність роботи ПП станції в залежності від обсягів фінансування проекту. Подібне рішення може бути отримане для всіх технічних станцій залізниці. Це дасть можливість керівництву залізниці визначати найбільш ефективний варіант розподілу ресурсів при модернізації станцій, що дозволить забезпечити максимальну (задану) пропускну здатність станцій і певного напрямку при мінімумі витрат. Розроблена методика та моделі можуть бути покладені в основу сучасної системи підтримки прийняття рішень для керівництва залізниць.

Таблиця 1 – Результати моделювання роботи парка прийому сортувальної станції

№
п/п | Множина гi | Показник | №
п/п | Множина гi | Показник | №
п/п | Множина гi | Показник

И1 | И 2 | И 3 | И 4 | И 5 | Z(гi) | N(гi) | И1 | И 2 | И 3 | И 4 | И 5 | Z(гi) | N(гi) | И1 | И 2 | И 3 | И 4 | И 5 | Z(гi) | N(гi)

1 | 4 | 0 | 1 | 1 | 2 | 2671 | 1540 | 17 | 5 | 0 | 1 | 2 | 3 | 3950 | 2475 | 33 | 4 | 1 | 2 | 1 | 4 | 4281 | 2420

2 | 4 | 0 | 1 | 1 | 3 | 3204 | 1980 | 18 | 5 | 0 | 1 | 2 | 4 | 4230 | 2585 | 34 | 4 | 1 | 2 | 2 | 2 | 4231 | 2475

3 | 4 | 0 | 1 | 1 | 4 | 3490 | 2200 | 19 | 5 | 0 | 2 | 1 | 2 | 3346 | 1705 | 35 | 4 | 1 | 2 | 2 | 3 | 4582 | 2805

4 | 4 | 0 | 1 | 2 | 2 | 3425 | 2200 | 20 | 5 | 0 | 2 | 1 | 3 | 3934 | 2200 | 36 | 4 | 1 | 2 | 2 | 4 | 4832 | 3135

5 | 4 | 0 | 1 | 2 | 3 | 3749 | 2420 | 21 | 5 | 0 | 2 | 1 | 4 | 4188 | 2475 | 37 | 5 | 1 | 1 | 1 | 2 | 3222 | 1595

6 | 4 | 0 | 1 | 2 | 4 | 4016 | 2530 | 22 | 5 | 0 | 2 | 2 | 2 | 4203 | 2585 | 38 | 5 | 1 | 1 | 1 | 3 | 3727 | 2035

7 | 4 | 0 | 2 | 1 | 2 | 3199 | 1705 | 23 | 5 | 0 | 2 | 2 | 3 | 4523 | 2860 | 39 | 5 | 1 | 1 | 1 | 4 | 3932 | 2200

8 | 4 | 0 | 2 | 1 | 3 | 3705 | 2145 | 24 | 5 | 0 | 2 | 2 | 4 | 4756 | 3190 | 40 | 5 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3908 | 2255

9 | 4 | 0 | 2 | 1 | 4 | 4002 | 2420 | 25 | 4 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2973 | 1540 | 41 | 5 | 1 | 1 | 2 | 3 | 4225 | 2475

10 | 4 | 0 | 2 | 2 | 2 |