QUANTITATIVE ASSESSMENT OF THE TECHNICAL AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE RAILWAY STATIONS ON THE BASIS OF ERGATIC MODELS

<jats:p>The report is devoted to a problem of choice of the most effective measure complex for perfection of technical and technological parameters of stations. For the decision of this problem it is offered to use simulation models and methods of vectorial optimization.</jats:p>

section_content: Эффективным средством анализа и количественной оценки показателей функционирования железнодорожных станций, их техникотехнологических и экономических параметров является имитационное моделирование станционных процессов. Одной из основных проблем, возникающих при создании моделей железнодорожных станций, является имитация действующих систем управления, основным звеном которых является человек-диспетчер (ЧД). Очевидно, что без адекватного моделирования указанных систем невозможно получение достоверной количественной оценки показателей функционирования станций. 

Разработке методики имитационного моделирования железнодорожных станций, учитывающей влияние человеческого фактора, посвящено достаточно большое число работ (см. например [1] [2] [3] [4] ). Так, в работе [1] приведена методика моделирования деятельности ЧД с помощью логических схем алгоритмов (ЛСА) предназначенная для исследования загрузки поездных диспетчеров и дежурных по станции. Анализ деятельности оперативнодиспетчерского персонала (ОДП) показывает, что диспетчер в процессе своей работы обычно решает несколько различных задач одновременно, зачастую требующих взаимно исключающих решений. Построение же ЛСА, учитывающих все многообразие ситуаций в деятельности диспетчера, представляется весьма затруднительным. 

Для построения модели деятельности ЧД в [2] разработана методика, в основу которой положены понятия теории информации. Деятельность диспетчера рассматривается как информационный процесс и моделируется как последовательность переходов из одного информативного состояния в другое по мере поступления информации об объекте управления. Предложенную методику рекомендуется использовать для определения загрузки ЧД. 

В работах [3; 4] предложена концепция эргатических моделей, в которых лицо, выполняющее моделирование (ЛВМ), принимает непосредственное участие в процессе моделирования и управляет технологическим процессом станции, выполняя функции диспетчера. Указанные модели по своей природе наиболее точно учитывают бихевиоральные факторы, т. е. факторы ассоциированные с поведением человека. Разработанные модели детально имитируют технологические процессы станций и весьма эффективны при создании компьютерных тренажеров ОДП [6]. Однако, использование указанных моделей для количественной оценки параметров станций осложняется достаточно большими затратами времени, необходимого для моделирования работы станции в течение заданного периода времени. 

Таким образом, для оценки параметров функционирования станций необходимо создание имитационной модели, учитывающей, с одной стороны, влияние человеческого факто-ра, а с другой -уменьшение затрат времени на моделирование работы станции. 

В этой связи поставлена задача разработки функциональной модели станции (ФМС), ориентированной на решение задачи оценки технико-технологических параметров станций. 

ФМС строится на основе эргатической модели, позволяющей устранить указанные выше недостатки. С учетом этого обстоятельства в данной статье сформулированы принципы построения эргатических моделей, предназначенных для определения техникоэксплуатационных параметров станций:

-наличие в ФМС информационной модели станции, обладающей средствами для оценки текущей ситуации и передачи управляющих решений ЛВМ в ФМС;

-выбор очередности обработки и маршрутов движения транспортных объектов лицом, осуществляющим моделирование;

-имитация передвижений подвижного состава по станции с отображением в информационной модели; -максимальное ускорение системного времени в случаях, когда технологический процесс строго формализован и не требует вмешательства ЛВМ;

-автоматический переход в реальный масштаб системного времени на период принятия решений ЛВМ. 

В статье приведена методика создания эргатической модели для количественной оценки параметров станции (МОПС). Указанная модель разработана на основе изложенных выше принципов для парка приема (ПП) крупной сортировочной станции, схема которого приведена на рис. 1. При создании модели использованы отдельные модули, разработанные ранее [3, 5]. В состав МОПС включены модели путевого развития станции (МПР), электрической централизации (ЭЦ), технологического процесса (МТП) и информационная модель (ИМ). В МОПС процесс функционирования электрической централизации реализован с помощью разработанной модели управления перемещениями подвижного состава (УППС), которая решает задачи:

-контролирует процесс приготовления маршрутов, что исключает возможность враждебных передвижений;

-передает и принимает минимум информации от ЛВМ с помощью ИМ. 

-В этой связи УППС выполняет следующие функции:

-контролирует состояния путевых и стрелочных изолированных секций (ИС) станции; -имитирует перевод стрелок и переключение светофоров по маршрутам движения;

-синхронизирует состояния динамических элементов ИМ с состоянием модели путевого развития на каждом шаге моделирования;

-обрабатывает команды от моторных элементов информационной модели (кнопок). 

УППC построена на основе взвешенного ориентированного графа G(V, E). Множество вершин графа V делится на два подмножества вершин: стрелочные переводы V S (вершины S-

Каждой дуге графа G в модели УППС поставлена в соответствие структура:

где N пу -номер путевого участка в МПР; qномер дуги или вершины, инцидентной данной дуге; I -номер изолированной секции системы ЭЦ, в которую включен данный участок; σ иссостояние соответствующей ИС (σ ис = 0 -ИС свободна, σ ис = 1 -замкнута в маршруте, σ ис = 2занята подвижным составом); r -общее количество ИС на станции. Для примера на рис. 2 приведен фрагмент схемы станции в модели УППС. На каждом шаге системного времени УППС осуществляет контроль текущего состояния всех изолированных секций. При этом для каждой ИС проверяется занятость подвижным составом путевых участков в МЗП. Изолирован-ная секция считается свободной, если все путевые участки, входящие в ее состав, не заняты подвижным составом. При изменении состояния секции (замыкание, занятие или освобождение) в информационную модель передается команда, в которой указывается номер ИС I и ее состояние σ ис (1). 

Для моделирования перемещений поездов и маневровых составов по станции необходим полный список всех возможных маршрутов M i, i=1, …, n. Под маршрутом будем понимать список изолированных участков U (1), которые занимает объект при движении по станции. При этом начальными и конечными точками i-го маршрута должны быть вершины С-типа (сигналы) и соответствующие им изолированные участки U. В этой связи отдельный маршрут представляется структурой: Для учета объектов подвижного состава (поездов, локомотивов, групп вагонов), находящихся в парке и на подходах к нему, в ИМ включен динамически изменяющийся список (рис. 4, 3), в котором отображаются тип и номера указанных объектов. 

Для отображения состояния путевых участков, на которых могут находиться стоящие ло-комотивы или группы вагонов, в ИМ предусмотрены информационные поля, в которых указываются номера локомотивов или идентификаторы группы вагонов (рис. 4, 4). 

Управление локомотивами осуществляется при помощи контекстных меню команд (рис. 4, 5). В этих меню приводится список команд, которые может выполнить локомотив в текущий момент времени. Контекстные меню активизируются при выборе указанных выше полей только в тех случаях, когда локомотивы находятся на соответствующих путевых участках в ожидании выполнения определенных действий. 

Для приготовления маршрутов перемещения объектов по станции в ИМ предусмотрены кнопки (рис. 4 Для получения необходимых техникоэксплуатационных показателей проектируемой или реконструируемой станции в модели фиксируются моменты начала и окончания каждой технологической операции с каждым объектом (поездом, локомотивом, составом). Эти данные используются для определения общего времени нахождения объектов в системе, а также простоев в ожидании их обслуживания и задержек отдельных передвижений подвижного состава. 

В процессе моделирования фиксируется продолжительность занятия путевых и стрелочных секций, а также всех обслуживающих устройств (маневровых локомотивов, горки, бригад ПТКО, операторов станционного технологического центра и др. ). Указанные данные используются для расчета загрузки элементов станции и последующего анализа соответствия ее конструкции и технологии работы заданным размерам движения, характеру и объемам переработки. 

Указанные данные позволяют получить количественные значения параметров, характеризующих различные варианты техникотехнологических решений. Каждый вариант можно охарактеризовать двумя интегральными показателями: количественным (например, затраты на реализацию варианта) и качественным (например, простой вагонов на станции, перерабатывающая способность). В большинстве случаев на реализацию комплекса мероприятий, направленных на совершенствование конструкции или технологии работы станции, выделяется определенный лимит ресурсов (денежных, материальных, трудовых и т. д. ). При этом возникает проблема выбора варианта, на который следует направить выделенные средства для получения максимального эффекта. Для решения указанной задачи может быть ис-пользована методика, основанная на принципах векторной оптимизации [7]. 

При формализации задачи станция рассматривается как сложная система, состоящая из множества элементов, к которым можно отнести путевое развитие, систему обслуживания, систему управления и др. Комплекс мероприятий γ i, направленных на повышение эффективности функционирования станции, в общем случае предусматривает проведение работ на каждом таком элементе:

где W j -множество возможных мероприятий на j-м элементе станции (реконструкция горловин, изменение числа путей, количества исполнителей технологических операций и др. ). На реализацию каждого варианта (комплекса мероприятий) требуются определенные затраты средств Z(γ i ); с другой стороны, реализация варианта γ i позволит получить определенное значение качественного показателя Ψ(γ i ). 

Конкретные значения указанных показателей могут быть получены по результатам моделирования работы станции с помощью ее эргатической модели. 

Набор возможных вариантов составляет множество

Указанная задача в изложенной постановке является задачей векторной оптимизации и может быть решена с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа [7]. Результатом решения является подмножество точек, каждая из которых при заданной величине затрат Z(γ * ) определяет наиболее рациональный комплекс мероприятий γ *. При этом полученное подмножество точек |Г * | включает лишь так называемые эффективные решения, каждое из которых предусматривает улучшение значения качественного показателя при увеличении затрат. 

Апробация разработанной методики была выполнена при исследовании и оптимизации технического оснащения и технологии работы парка приема, приведенного на рис. 1. Анализ конструкции путевого развития этого ПП и технологии его работы позволил выявить определенные недостатки. Так, входная горловина предусматривает возможность приема поездов из Д-Ю только на два пути, что вызывает задержки поездов при увеличении поездопотока с этого направления. Кроме того, в условиях постепенного увеличения объемов перевозок возникла необходимость в восстановлении пути № 5, который ранее был закрыт и разобран. Технический осмотр составов в ПП выполняет одна бригада ПТО, включающая 2 группы осмотрщиков вагонов, а расформирование на горке выполняет один горочный локомотив. Как показал анализ, входной поездопоток станции характеризуется существенной неравномерностью, которая при таком оснащении может вызывать значительную загрузку технических средств ПП в период сгущенного прибытия поездов. Это, в свою очередь, приводит к снижению перерабатывающей способности станции в целом. 

В этой связи была поставлена задача исследования и выбора рациональных техникотехнологических параметров ПП для повышения эффективности его функционирования. С этой целью был рассмотрен ряд возможных реконструкционных и организационных мероприятий W j (3):

1) изменение числа путей в ПП W 1 = {4; 5};

2) выбор конструкции входной горловины для приема поездов из Д-Ю W 2 = {0; 1}; здесь вариант W 2 = 0 соответствует существующей горловине, W 2 = 1 -предусматривает ее реконструкцию для обеспечения приема поездов из Д-Ю на все пути ПП;

3) выбор количества горочных локомотивов W 3 = {1; 2}; 4) выбор количества бригад ПТО: W 4 = {1; 2}; 5) выбор числа групп осмотрщиков вагонов в каждой бригаде W 5 = {2; 3; 4}. 

Таким образом, было получено 48 множеств γ i, каждое из которых представляет собой комбинацию указанных выше мероприятий W j. 

По каждому варианту γ i определялось два показателя: Z(γ i ) -годовые приведенные затраты П i на реализацию данного комплекса мероприятий, тыс. грн/год; Ψ(γ i ) -максимальная перерабатывающая способность парка приема N i, которая может быть достигнута при реализации варианта γ i, вагонов/сутки. 

При этом задача (4) представляется в виде: Подобное решение может быть получено для всех технических станций участка железной дороги. Это позволит руководству дороги определить наиболее эффективный вариант распределения ресурсов при модернизации станций участка, позволяющий обеспечить максимальную (заданную) пропускную способность станций и всего участка при минимуме затрат. Разработанная методика, модели и соответствующее программное обеспечение могут быть положены в основу современной системы поддержки принятия решений для руководства железных дорог. Такая система позволит осуществлять эффективное техникоэкономическое управление инфраструктурой железнодорожного транспорта Украины.

section_name: Результаты моделирования работы парка приема сортировочной станции

section_name: БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК