назад

НОВЫЙ ЭТАП В РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

П.А. КОЗЛОВ, директор ВНИИАС МПС России, доктор техн. наук, профессор

"Автоматика, связь, информатика", N 4, 2000

До недавнего времени информационные системы (АИС) и системы железнодорожной автоматики (СЖАТ) проектировались обособленно. Без особого взаимодействия работали и головные организации - ПКТБ АСУЖТ, НИИЖА и ГТСС. Сегодня становится все более очевидным, что полный эффект не может быть получен от разрозненного внедрения отдельных систем, они должны стать элементами системы более высокого уровня. Устройства низовой автоматики становятся начальным звеном информационной среды. Автоматически собираемая информация от устройств СЦБ, ДИСК и ПОНАБ и т. п. по сетям передачи с линейных пунктов поступает на уровень поездного диспетчера. Здесь эта информация стыкуется с содержательной информацией из АСОУП о поезде, и затем автоматически строится график исполненного движения. На сортировочной станции устройства ЭЦ, горочной и локомотивной автоматики должны гармонично объединяться с АСУСС для создания подлинной системы автоматизированного управления. В эту систему предстоит органично вписать и оперативно-технологическую связь. В теории системы говорят: структура есть застывшая функция. Изменилась функция — меняется структура для обеспечения ее выполнения. Поэтому создание единого института ВНИИАС на базе НИИЖА и ПКТБ АСУЖТ - веление времени. Но этого мало. Создание единой информационной среды отрасли требует четкого согласования действий всех исполнителей. Поэтому ВНИИАС был определен как головной по этой проблеме, создан Совет главных конструкторов отдельных систем во главе с генеральным конструктором - директором института. В соответствии с указанием 17у Министра путей сообщения все начинающиеся работы в области информатизации и связи должны пройти системную экспертизу во ВНИИАС.

Определен единый заказчик по информационным системам — Департамент информатизации и связи. Институт структурно перестраивается для организации единого процесса разработки АСУ в отрасли. В частности, организовано отделение научно-технического обеспечения разработок, где формируется банк данных о внедренных и разрабатываемых системах на всех дорогах, о фирмах-разработчиках, о новых зарубежных программных продуктах и др. Организованы центры компетенции по всем направлениям. Создан отдел системной экспертизы, задачи которого давать заключение по всем начинающимся разработкам на дорогах на предмет соответствия их общей концепции. Под эгидой института создаются советы разработчиков по тематической направленности работ. Предполагается передача разработки подсистем сетевого уровня из ГВЦ МПС во ВНИИАС.

Институт становится главным организатором разработки и внедрения систем информатизации и автоматизации. Так, ВНИИАС определен МПС головным исполнителем по программе комплексной модернизации систем железнодорожной автоматики.

В институте проводится энергичная работа по кадровому укреплению и обновлению.

Таким образом, создаются условия для разработки в отрасли единой информационной системы. Однако назрел переход к созданию автоматизированных управляющих систем (АУС).

В рыночных условиях произошло резкое усложнение функций. Если раньше основная задача железных дорог формулировалась как "перевозки", то теперь это -"транспортное обслуживание". Экономическая разница между ними существенная. При взаимодействии транспорта и производства возникают "стыковые потери". Предприятия создают резервы перерабатывающей способности грузовых фронтов, складов, содержат дополнительные пути, вагоны, локомотивы, штат. Из-за несвоевременного подвода порожняка и грузов простаивает оборудование. Так вот при первой задаче стыковые потери относились на производство, а при второй - на железные дороги. Транспорт во втором случае старается обеспечить надежные и эффективные транспортные связи между поставщиками и потребителями, т. е. сделать территориально распределенную производственную систему высокоорганизованной. Теперь нужно не просто привезти груз (допустим, выдержав срок доставки), а осуществлять транспортное обслуживание по различным классам качества, минимизируя стыковые потери. Ранее эта задача не могла ставиться из-за чрезвычайной перегрузки железных дорог. Качественное транспортное обслуживание с минимальными резервами не может быть эффективно осуществлено без автоматизации управления.

Управление можно разделить на два класса (рис. 1).

Согласованный подвод грузов к поездам, пограничным переходам, крупным потребителям. Управление многоструйными потоками порожняка.
Экономический уровень управления
(+) Доходы
Оптимизация технологического процесса и использования технических средств.
Технологический уровень управления
(-) Затраты
Объект управления.

Рисунок 1

Первый - это оптимизация технологического процесса работы железных дорог, оптимизация сменно-суточного планирования, выбор очередности и характера выполнения технологических операций. Это позволит улучшить использование технических средств и сократить внутренние затраты. Второй - это управление грузопотоками для обеспечения нужного класса транспортного обслуживания, что позволит уменьшить стыковые потери и заработать железным дорогам дополнительные средства. Если говорить об управлении потоками, то существует три их слоя управление грузопотоками, вагонопотоками и поездопотоками. Для выполнения задачи "перевозки" достаточно было двух последних. В рыночных условиях на первое место выходит управление грузопотоками.

Сейчас резко усложнилась задача управления потоками порожняка. Во-первых, теперь есть вагоны "свои" и "чужие", во-вторых, вагоны подразделяются на годные под тот или иной груз, в-третьих, транспортное обслуживание предполагает подвод требуемых вагонов в требуемом ритме. Находить оптимальные решения по управлению грузопотоками в приемлемое время диспетчерскому аппарату уже не под силу. Нужны специальные управляющие программы. Потребуется доработка информационных систем, ибо продвижение струй грузопотоков там отслеживается недостаточно. Для этого нужно усилить связь с ВЦ отправителей и получателей. Разработка и внедрение управляющих систем потребуют создания гибкой технологии организации вагонопотоков и поездопотоков. И в этой области предстоит серьезная работа.

Управление грузопотоками создает удивительный эффект - возникают, так называемые, динамические резервы. Последние замещают по функции фактические резервы вагонов и путей.

В общем случае автоматизированная система управления состоит из информационной и управляющих подсистем. Управляющая подсистема должна включать в себя модели выбора решения. Выбор класса моделей представляет собой непростую задачу. Классические методы строгой оптимизации могут опираться только на формализованные знания. В структуре же знаний об объектах железнодорожного транспорта их немного. Значительная часть знаний имеет опытный характер. Диспетчер с ними оперировать может, а модель оптимизации - нет

Существует класс имитационных моделей, которые могут работать с частично формализованными знаниями. В имитационных моделях не решается задача оптимизации, поэтому сведения об объекте не требуется представлять в виде терминов этого аппарата. Здесь данные об объекте лишь кодируются некоторым образом для ввода в компьютер, и затем воспроизводится (имитируется) технологический процесс, максимально приближенный к реальности, но в ускоренном времени. При этом подсчитываются показатели работы. Чтобы найти вариант, близкий к оптимальному, нужно провести длинный ряд трудоемких экспериментов.

Итак, модели строгой оптимизации находят наилучшее решение без экспериментов, сразу решают оптимизационную задачу. Но они слишком абстрактны, не полны, ибо опираются лишь на малую часть знаний об объекте. Имитационные модели значительно богаче, но, используя их, трудно найти оптимум (строго говоря, невозможно). Имитационная модель - это как бы продукт науки и искусства. Поэтому управляющую подсистему в АСУ строят двухуровневую - сверху модели оптимизации и внизу - имитационная модель
(рис. 2).

Рисунок 2

При выборе конкретного решения используется одна из оптимизационных моделей. Например, при выборе очередности роспуска составов - одна модель, при выборе очередности обслуживания грузовых фронтов - другая. А затем на полной имитационной модели проверяется реализуемость оптимального решения. Если реализуемости нет, то корректируются исходные данные для верхнего уровня, и процесс повторяется.

Институт принял для построения систем управления концепцию с опорой на разработки ученых УрГУПС. Для задач управления грузопотоками в качестве верхнего уровня принята динамическая транспортная задача с задержками (ДТЗЗ) и ее варианты, в качестве нижнего - имитационная система ИСТРА.

Для расчета оптимальной динамической структуры потоков используется динамическая транспортная задача. ДТЗЗ позволяет рассчитать схему грузопотоков и вагонопотоков с минимальными затратами на перевозку с учетом:

Схема потоков может быть рассчитана на несколько суток вперед и может пересчитываться, начиная с любого момента, с учетом того, что часть грузов будет в пути. Параметры задачи могут изменяться во времени - пропускные способности, стоимостные характеристики, ритмы работы отправителей и получателей. На базе ДТЗЗ построен метод динамического согласования (МДС) производства и транспорта. МДС позволяет рассчитывать ритмы согласованного отправления грузов в адрес одних и тех же получателей, чтобы не было очередей при выгрузке. Модели могут учитывать разные скорости доставки груза по одной и той же линии. Можно оптимизировать схему потоков нескольких видов грузов, одновременно следующих по одним и тем же линиям. Все методы программно реализованы на практике. По ним рассчитывались режимы работы кольцевых сырьевых маршрутов на Свердловской дороге.

Для построения моделей нижнего уровня используется имитационная система ИСТРА.

Система позволяет достаточно просто строить модели различных объектов железнодорожного транспорта — станций, узлов, полигонов, стыковых пунктов различных видов транспорта. Модель может быть подробной — вплоть до стрелок, локомотивов, бригад, или укрупненной. После имитации технологического процесса в условиях, максимально приближенных к реальным, выдается исчерпывающий набор количественных и качественных показателей - прибыло, убыло. расформировано, выгружено, а также занятость путей, стрелок, локомотивов и др. Выявляются "узкие места" структуры и технологии, т. е. устройства и операции, вызывающие наибольшие задержки. При необходимости рассчитывается суточный план-график установленной формы. Модель может строиться полуавтоматически и автоматически. Автоматически — это когда рисуется схема станции, и система просит пользователя сообщить параметры станции (структура потоков, число локомотивов и т. п.). Модель строится системой. Эта функция реализована пока только для сортировочных станций. При полуавтоматическом построении пользователь участвует в описании технологического процесса.

Особенностью системы ИСТРА является возможность отображения не только технологических процессов, но и имитации процессов передачи информации с учетом искажений и потерь, а также иерархического управления. Система ИСТРА хорошо отлажена и использовалась в течение ряда лет для расчета и оптимизации работы станций, транспортных средств крупных предприятий. Автоматический вариант внедрен на Свердловской дороге.

Таким образом, наступил действительно новый этап. Формируется единый процесс разработки автоматизированных систем управления во главе с ВНИИАС. Создается единая информационная среда из разрозненных информационных систем и систем автоматики, ранее трудно поддававшихся стыкованию. Начата разработка автоматизированных управляющих систем, и теперь термин АСУ будет иметь новое звучание.