СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ СИСТЕМОЙ
METHOD OF CONTROL OVER COMPLEX RAILWAY SYSTEM

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может быть использовано для управления сложными железнодорожными системами.
Известен способ управления сложными железнодорожными технологическими локальными системами, в которых оптимизируют работу отдельных компонентов или групп компонентов железнодорожной системы, таких как локомотив, для определенных характеристик, таких как потребление энергии, являющееся одним из главных компонентов расходов на эксплуатацию (US 6144901, В60Т 13/66, 07/11/2000).
Однако оптимизация продуктивности отдельного поезда, который является только одним компонентом большей системы, включающей, к примеру, сеть железнодорожных путей, другие поезда, штат работников, депо, станции отправления и прибытия и т.д., может не обеспечить глобальную оптимизацию в системе в целом. Оптимизация продуктивности только одного компонента системы может привести к увеличению общесистемной стоимости, так как не учитывает взаимных влияний на другие компоненты и влияние на эффективность системы в целом.
Известен способ глобальной оптимизации сложной транспортной системы по критерию минимума задержек в доставке пассажиров и грузов (US7219067, G06F 9/44, 15. 05.07). В них оптимизация продуктивности, только по одному из глобальных параметров системы, также может привести к увеличению общесистемной стоимости, так как не учитывает взаимных влияний на другие параметры, такие как безопасность движения и влияние на эффективность системы в целом.
Известен способ управления сложной железнодорожной технологической системой на основе единой системы управления, обеспечивающей мониторинг перевозочного процесса путем радиообмена стационарных систем с бортовыми системами управления и безопасность тягового подвижного состава в процессе осуществления железнодорожных перевозок (RU 2307041, B61L 25/00, 27.09.07).
Способ принципиально позволяет обеспечить глобальную оптимизацию перевозочного процесса, в сложной железнодорожной системе, но не приспособлен для построения информационной модели процессов управления, являющейся основой для осуществления управления и оптимизации, анализа и синтеза комплекса взаимосвязанных операций по достижению конкретных целей системы.
Наиболее близким из известных способов к заявляемому является выбранный в качестве прототипа способ управления сложной железнодорожной системой по многоуровневой иерархической модели, основанный на декомпозиции упомянутой железнодорожной системы по уровням, в ракурсе иерархии физического состава системы и ее подсистем, при котором информационные потоки, содержащие ключевые рабочие ограничения и данные для каждого уровня, передаются и/или принимаются на/от других уровней, связанных с данным, для управления и оптимизации показателей эффективности функционирования как на каждом из уровней, так и системы в целом (RU2006125429, B61L 27/00, 27.01.08).
Недостатком известного способа управления сложной железнодорожной системой является ограниченность функциональных возможностей по управлению и информационному моделированию, обусловленная жесткой привязкой декомпозиции информационных потоков к ракурсу иерархии физического состава системы. Это ограничивает возможности в управлении и моделировании информационных взаимосвязей с уровнями модели других существенных ракурсов системы, особенно в случае других, по отношению к принятым в физическом ракурсе, принципов распределения уровней иерархии.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей по управлению системой за счет более полного моделирования процессов прохождения в системе потоков управляющей информации для всего комплекса взаимосвязанных операций.
Технический результат достигается тем, что способ управления сложной железнодорожной системой, основанный на ее декомпозиции по уровням, заключается в формировании системой диагностики путевого оборудования информационного потока с диагностической информацией, преобразовании этого информационного потока логическими интерпретаторами первичной информации в поток, содержащий первичные цифровые данные об измеренных параметрах, фильтрации этих данных от случайных помех и снабжении их временными метками, согласно изобретению информационный поток обрабатывают первичными технологическими подсистемами и преобразуют в поток, содержащий данные о несоответствии измеренных параметров установленным показателям и дополнительную тревожную информацию для предупреждения машиниста, преобразованный информационный поток передают с помощью стационарных средств радиосвязи железнодорожной инфраструктуры на бортовые устройства радиосвязи локомотива для дальнейшей передачи информации на первичные технологические подсистемы, соответствующие подсистемам автоведения и визуализации информации локомотива, после логической интерпретации первичными технологическими подсистемами, поток информации передают на локомотив для визуализации потока информации и принятия решения по дальнейшему режиму ведения поезда.
Реализация предлагаемого способа иллюстрируется на фиг.1-6.
При решении задач управления современные системы управления используют информационные модели.
В заявляемом способе управления информационные потоки, содержащие ключевые рабочие ограничения и данные для каждого уровня, передаются и/или принимаются на/от других уровней, связанных с данным, для управления и оптимизации показателей эффективности функционирования на каждом из уровней и системы в целом.
Фиг.1 поясняет информационное взаимодействие между уровнями модели железнодорожного транспорта по физическому ракурсу декомпозиции.
На схеме представлены следующие уровни физического ракурса сложной железнодорожной системы:
Уровень локомотива 1
Уровень состава 2
Уровень поездов 3, определяющий взаимосвязи между поездами через, например, график движения
Уровень ж. д. путевой сети 4, определяющий множество и особенности маршрутов движения поездов
Уровень железнодорожной инфраструктуры 5, содержащий путевое оборудование различных систем (в том числе автоматики и телемеханики), а также места расположения и характеристики станций техобслуживания, ремонта, заправки и т.д.
Стрелками показаны некоторые информационные потоки между уровнями иерархии в процессе выполнения технологической функции экономии расходуемых материалов. Номера рядом со стрелками указывают последовательность прохождения информационных потоков. Буква Н рядом с номером указывает на отсутствие специальных требований по предварительной обработке информации.
Фиг.1 показывает, что для оптимизации по затратам железнодорожной системы на горюче-смазочные материалы необходимо информационное взаимодействие между указанными уровнями физического ракурса системы.
В частности, рабочие параметры, которые могут быть оптимизированы на Уровне локомотива 1 и ограничения, налагаемые на Уровне локомотива 1, включают, например, скорость вращения двигателя, напряжение возбуждения генератора переменного тока, распределение вращающего момента по ведущим осям локомотива, мощность двигателя и т.д. Эти данные и ограничения передаются потоком 1Н на Уровень составов 2. Совместная работа спаренных локомотивов, или распределенных по составу локомотивов, рассматриваемая на Уровне составов 2, может быть организована так, чтобы всегда соответствовать наибольшей, возможной в данных рабочих условиях, эффективности потребления топлива. Например, для составов или локомотивов, оборудованных системами управления трением между колесами состава и рельсами пути, величины трения, наблюдаемые у нагруженных вагонов (особенно при высоких скоростях), могут быть уменьшены применением материалов, уменьшающих трение на рельсах позади локомотива. Это, в целом, на Уровне состава 2, снижает потребление топлива, так как уменьшается требуемое тяговое усилие, для того чтобы перемещать груз. Количество смазочного материала и распределение его расхода во времени могут быть также оптимизированы. Это может быть сделано основываясь на знаниях о характеристиках рельсов и профиля пути по маршруту следования поезда, на основе данных от Уровня ж. д. путевой сети 4, передаваемых в информационном потоке 2Н, а также данных о загруженности вагонов поезда, поступающих от Уровня состава 2 в информационном потоке 3Н. В целом планирование возобновления расходуемых материалов (топливо, песок, вода, смазочные материалы) связано также с учетом требований по соблюдению графика на Уровне поездов 3, передаваемого в информационном потоке 4Н, и наличия, и производительности заправочных станций, в соответствии с функционированием Уровня железнодорожной инфраструктуры 5, передаваемых в информационном потоке 5Н. В результате ограничений, связанных с возможностями на тех или иных уровнях, режим, оптимальный с точки зрения конкретного подчиненного уровня, может корректироваться верхними уровнями для целей глобальной оптимизации. Например, скорость, оптимальная с точки зрения экономии топлива на Уровне состава 2, может быть увеличена по требованию от Уровня поездов 3 для обеспечения движения поезда по графику или снижена по условиям ограничений, накладываемых Уровнем ж. д. путевой сети 4, при движении, например, по искусственным сооружениям или кривым малого радиуса. В целом, вся управляющая информация влияет на режим ведения локомотивов поезда, выполняемый на Уровне локомотива 1.
Введение дополнительных ракурсов декомпозиции системы значительно расширяет функциональные возможности по управлению и оптимизации работы системы, а также анализу и синтезу ее технологических алгоритмов за счет возможности более детального моделирования процессов распространения в системе потоков управляющей информации.
Логический ракурс системы отражает иерархию уровней логической обработки и интерпретации информации. Здесь особенно наглядно проявляется применение специфических операций по обработке информации, обеспечивающих выполнение требований по достоверности, помехозащищенности и требования режимов реального времени.
Оперативно-технологический ракурс системы отражает иерархию административно-технологических уровней, определяющих такие ресурсы, как административную дисциплину подчинения и штатные единицы, технологические алгоритмы и нормы и правила, для оперативно-технологического взаимодействия, в процессе выполнения оперативно-технологических задач.
Фиг.2 показывает все упомянутые выше ракурсы декомпозиции в базовой модели железнодорожного транспорта и примеры выделенных в них уровней.
В логическом ракурсе декомпозиции выделены в данном примере:
Уровень логических интерпретаторов первичной информации 6 (например, информации от первичных датчиков).
Уровень логики первичных технологических подсистем 7 (например, логика систем КТСМ, КЛУБ-У и т.д.).
Уровень логики диспетчерских информационных систем 8 (например, логика таких систем, как Сетунь, Диалог и т.д.).
Уровень АСУ РСЖД 9 (логика информационной системы верхнего корпоративного уровня управления).
В оперативно-технологическом ракурсе декомпозиции выделены в данном примере:
Уровень операторов технологических процессов ТП 10 (например, это машинисты, дежурные по станции, диспетчеры и т.д.).
Уровень технологических бригад 11 (например, это локомотивные бригады, ремонтные бригады и т.д.).
Уровень дистанций 12 (например, это дистанции сигнализации и связи, пути и т.д.).
Уровень отделений дороги 13.
Уровень дорог 14.
Уровень ОАО РСЖД 15 (верхний корпоративный уровень управления).
Предлагаемое многоуровневое описание системы повышает эффективность анализа, проектирования и управления и, в частности, целесообразно для реализации многоуровневого подхода к обеспечению безопасности железнодорожных систем. При этом безопасный технологический процесс управления движением поездов может представляться в виде согласованного, по цели обеспечения безопасности, набора сценариев и соответствующих им конфигураций системы.
Каждый сценарий представляется в виде набора и последовательности выполнения законченных элементарных или составных технологических функций, а сами функции, при этом, описываются и изображаются как последовательности и направления передачи информационных потоков с указанием, при необходимости, наличия, при передаче этих потоков, стадии препроцессорной обработки.
Фиг.3 поясняет схему прохождения одного информационного потока между двумя уровнями, при наличии стадии препроцессорной обработки, с наличием требований по обеспечению безопасности движения поездов.
Здесь представлены блоки, изображающие:
Уровень Источника информации 16.
Препроцессор 17.
Порт для конфигурации 18.
Базу данных 19.
Канал связи 20.
Уровень Приемника информации 21.
Буква "Б" рядом с цифрой порядкового номера потока означает особенности обработки по требованиям к системам обеспечения безопасности, а буква "С" - особенности обработки по требованиям к системам оперативно-технологической связи.
Фиг.4 поясняет схему прохождения одного информационного потока между двумя уровнями при отсутствии стадии препроцессорной обработки. Представлены блоки, изображающие:
Уровень Источника информации 16.
Канал связи 20.
Уровень Приемника информации 21.
В качестве особенностей стадии препроцессорной обработки могут выступать требования по достоверности контроля, способы кодирования, временные ограничения и т.д.
Способы отражения особенностей обработки информации в модели определяются требуемым уровнем детализации и используемыми техническими средствами визуализации. Они могут варьироваться от простых цифробуквенных обозначений до всплывающих подсказок или гиперссылок.
Конфигурация узлов препроцессорной обработки осуществляется в процессе конфигурации системы, в том числе и в режиме реального времени.
Процесс изменения конфигурации может происходить автоматически и/или быть связан с изменением приоритетов и структурных связей при изменении режимов функционирования аппаратуры, в том числе и вследствие нарушений ее нормального функционирования. В частности, процесс изменения конфигурации может быть инициирован оперативно-технологической иерархией, в виде административно управляющих воздействий на систему, например, при изменении приоритетов в текущем управлении системой.
Препроцессорную обработку осуществляют узлы, обладающие необходимыми ресурсами для анализа, преобразования и принятия решений локального уровня по фильтрации, кодированию и добавлению защитной и проверочной информации к обрабатываемому потоку, а также формирующие, при необходимости, поток данных обратной связи для уровня, являющегося источником входного информационного потока. При этом настройка параметров работы узла препроцессорной обработки зависит от полученной им конфигурационной информации. Так на фиг.3 поток 1Б информации, от Уровня Источника информации 1Б, подвергается предварительной обработке путем сопоставления с образцовой информацией из Базы данных 19 (поток 2Б), взятой из области памяти, определяемой конфигурационной информацией, полученной через Порт для конфигурации 18 (поток 3Б) от внешней системы (не показана). При этом Препроцессор 17 перед передачей по Каналу связи 20 выполняет предварительную обработку информации по принципам, которые используются в системах обеспечения безопасности движения поездов. В результате этого, Препроцессор 17 формирует на своем выходе поток 4Б, который передается на Уровень Приемника Информации 21 по Каналу связи 20 потоком 5С, отвечающим требованиям передачи информации по каналам технологической связи.
На Фиг.4 показана наиболее простая ситуация, когда никаких специальных требований при передаче информации от Уровня Источника информации 16 по Каналу связи 20 к Уровню Приемника Информации 21 нет. На это в принятых обозначениях указывает буква "Н".
На каждом уровне иерархии обработку всех, относящихся к данному уровню потоков информации осуществляет более мощный процессор, связанный с более мощной базой данных (не показаны). Упомянутые ранее препроцессоры и соответствующие им базы данных физически могут быть связаны с упомянутыми мощными процессорами и базами данных, или даже быть в их составе, а могут быть совершенно отдельными узлами аппаратуры, такими как, например, функциональные модули с безопасным самоконтролем правильности функционирования.
Минимальная модель управления системой при необходимости может расширяться за счет добавления других ракурсов, таких как, например, эксплуатационно-ремонтный. В принципе, каждый уровень, выделенный в определенном ракурсе, может быть подвергнут дальнейшей декомпозиции для выделения подуровней его иерархической структуры и их информационных взаимодействий. Однако чрезмерное повышение степени детализации увеличивает сложность для восприятия, так как начинают проявляться структурные аспекты организации подсистем, которые по сравнению с информационными аспектами менее существенны для целей управления. Поэтому при необходимости большей детализации может оказаться для моделирования целесообразнее использовать другие способы, например объектно-ориентированное моделирование.
Преимуществом предлагаемого способа управления и моделирования, по сравнению с прототипом, является возможность более полного управления системой на основе комплексного подхода к проектированию процессов обработки информации в системе. Это обусловлено возможностью идентификации ответственных переходов при обмене информацией между существенными уровнями иерархии и в особенности уровнями, которые относятся к разным ракурсам системы. Выбор подобных, по семантической и технологической значимости, уровней абстрагирования для выбранных ракурсов системы позволяет проследить и/или организовать взаимосвязь между информационными потоками одного порядка значимости, участвующими в выполнении каждой основной технологической функции системы. Это улучшает наблюдаемость процессов и управляемость системой и способствует эффективному анализу задач и синтезу решений по управлению.
Например, если решается задача сохранения высокого уровня по достоверности контроля правильности функционирования системы при отказах аппаратуры для реализации стратегии многоуровневого обеспечения безопасности, то подход к синтезу технологических процессов может быть осуществлен комплексно.
Сначала должен быть рассмотрен оперативно-технологический ракурс системы с точки зрения адаптации для решения этой конкретной задачи.
Например, в сценариях поведения системы при отказах может быть пересмотрена расстановка приоритетов и/или изменена последовательность в принятии решений.
К примеру, это может касаться выбора решений по конфигурации системы в зависимости от достоверности информации, поступающей от уровней физического и логического ракурсов.
Например, можно изменить приоритетность решений, принятых человеком-оператором, по сравнению с системой автоматики. Так, исходя из требований по достоверности контроля, при переходе системы автоматики на резервный режим работы технологическая инструкция, относящаяся к оперативно-технологическому ракурсу системы, может предусмотреть перемещение человека оператора в более удобное место наблюдения или работы, и/или добавление в систему еще одного оператора и коллегиальное принятие ответственных решений двумя операторами. При этом человеку-оператору административно, после того как он перемещается на назначенное место работы, устанавливается более высокий приоритет в иерархии принятия решений.
Все эти изменения в сценарии технологического поведения системы адекватно отображаются в виде изменения схемы прохождения информационных потоков между соответствующими уровнями, вначале оперативно-технологического ракурса системы, а затем и других ракурсов системы. Например, наличие двух операторов, имеющих одинаковый уровень приоритета и коллегиальное принятие ими решения, отображается в два независимых информационных потока, выходящих из уровня оператора ТП 10, на оперативно-технологическом ракурсе системы и обрабатываемые на соответствующем уровне Логического ракурса в препроцессоре, который реализует логическое объединение по безопасной схеме "И".
Данный пример показывает, что с использованием предлагаемого способа можно, например, эффективно управлять контролепригодностью системы за счет рационального выбора порядка и способов взаимодействия обслуживающего штата и средств автоматики при различных событиях в системе.
Фиг.5 поясняет пример информационного взаимодействия между уровнями модели железнодорожного транспорта по физическому, логическому и оперативно-технологическому ракурсам декомпозиции для одной функции сценария обнаружения аномально перегревающейся буксы в системе Диагностики состава.
События, вызывающие информационные потоки, изображенные на Фиг.5 происходят следующим образом.
Уровень железнодорожной инфраструктуры 5 физического ракурса, содержащий путевое оборудование системы диагностики состава, с камерами инфракрасного обнаружения перегретых букс (не показаны), формирует поток 1Д с диагностической (буква Д обозначает требования по достоверности контроля для железнодорожных систем диагностики) информацией об уровнях нагрева конкретной буксы проходящего поезда в различные моменты времени. Этот поток Уровнем логических интерпретаторов первичной информации 6 Логического ракурса преобразуется в поток 2Д, содержащий первичные цифровые данные об измеренных температурах в различных характерных точках конструкции буксы. Эти данные отфильтрованы от случайных помех и снабжены метками времени и номерами букс, определенными датчиками счета осей и прохождения вагонов. Поток 2Д обрабатывается Уровнем логики первичных технологических подсистем 7 Логического ракурса и преобразуется в поток 3Д, содержащий данные о превышении скорости нагрева конкретных букс и дополнительную информацию для предупреждения машиниста, такую как, например, уровень тревоги. Поток 3Д возвращает информацию на Уровень железнодорожной инфраструктуры 5 физического ракурса для передачи данных на Уровень локомотива 1 физического ракурса с помощью потока информации 4Р (Р обозначает требования по передаче данных через канал радиосвязи) между стационарными и бортовыми устройствами радиосвязи Уровня локомотива 1 физического ракурса. После принятия бортовыми устройствами радиосвязи Уровня локомотива 1 физического ракурса информация потоком 5Н передается на Уровень логики первичных технологических подсистем 7, соответствующий подсистемам автоведения и визуализации информации локомотива. После интерпретации Уровнем логики первичных технологических подсистем 7 потоком 6Н информация для визуализации проходит на Уровень локомотива 1 физического ракурса и в виде визуального потока информации 7Н отображается в оперативно-технологическом ракурсе для машиниста поезда, как представителя Уровня операторов ТП 10. Машинист принимает к сведению полученное предупреждение и принимает решение по дальнейшему режиму ведения поезда, например, передавая системе автоведения разрешение на поддержание скорости, позволяющей избежать повреждения буксы и остановки из-за этого поезда в пути следования, и/или передавая диспетчеру заявку на техническое обслуживание подозрительной буксы во время ближайшей стоянки поезда (не показаны).
Фиг.6 поясняет пример информационного взаимодействия между уровнями системы железнодорожного транспорта по физическому, логическому и оперативно- технологическому ракурсам декомпозиции системы для одной функции системы КЛУБ-У, для одного из технологических сценариев поведения системы, отвечающего за безопасность движения поездов в системе КЛУБ-У, в определенной эксплуатационной ситуации.
Сценарий заключается в принятии машинистом и диспетчером совместного решения о возможности продолжения движения поезда, после остановки поезда, перед закрытым светофором блок-участка, аппаратура которого дает сигнал ложной занятости.
События по сценарию вызывают информационные потоки, изображенные на Фиг.6, и происходят следующим образом.
Уровень железнодорожной инфраструктуры 5 физического ракурса, содержащий путевое оборудование систем автоблокировки и АЛС, с рельсовыми цепями и путевыми светофорами, формирует поток 1Б с информацией о занятости блок-участка, например, из-за неисправности аппаратуры контроля рельсовой цепи блок-участка.
Этот поток Уровнем логических интерпретаторов первичной информации 6 Логического ракурса преобразуется в поток 2Б, содержащий данные интерпретирующие занятость блок-участка, в виде команды по формированию кода КЖ.
Эта команда потоком 2Б передается на Уровень логики первичных технологических подсистем 7, где осуществляется кодирование. Далее сформированный код потоком 3Б передается на Уровень железнодорожной инфраструктуры 5 физического ракурса, откуда, с потоком 4Б, поступает на Уровень локомотива 1 физического ракурса. От Уровня локомотива 1 физического ракурса с потоком 5Б информация передается далее на Уровень логики первичных технологических подсистем 7, соответствующий подсистеме логической обработки информации в системе КЛУБ-У. После интерпретации Уровнем логики первичных технологических подсистем 7 информация для визуализации проходит на Уровень локомотива 1 физического ракурса и в виде потока 6Н информации на Уровень локомотива 1 физического ракурса и отображается визуальным потоком 7Н в Оперативно-технологическом ракурсе для машиниста поезда, как представителя Уровня операторов ТП 10. Машинист при получении информации о занятости впереди расположенного блок участка по инструкции после остановки поезда, если он убеждается, что занятость впереди лежащего блок-участка длится аномально долго, ведет переговоры по поездной радиосвязи с диспетчером. Для этого машинист воздействует с помощью потока голосовой управляющей информации 8Н на относящуюся к Уровню локомотива 1 физического ракурса локомотивную радиостанцию и посылает запрос поездному диспетчеру на разрешение проследовать на ложно-занятый блок участок. Стационарная радиостанция, находящаяся на диспетчерском пункте управления движением поездов и относящаяся к Уровню железнодорожной инфраструктуры 5 физического ракурса, получает поток 9Р (Р отмечает требования к передаче информации по технологической радиосвязи), принимает запрос и через встроенное переговорное устройство, речевым потоком 10Н, передает запрос в оперативно-технологический ракурс на Уровень дороги 14 и далее от него речевым потоком 11Н поездному диспетчеру, как представителю Уровня операторов ТП 10. Диспетчер, исходя из имеющейся у него общесистемной информации и основываясь на информации с места действия от машиниста, к примеру, разрешает машинисту продвигаться вперед со скоростью не более 20 км/час на определенное расстояние. Для упрощения, далее на схеме отражено только то, что наличие двух операторов, имеющих разные уровни приоритета и коллегиальное принятие ими решения, отображается в два независимых информационных потока, выходящих из уровня операторов ТП 10 (поток от диспетчера обозначен цифрой 12Б, а от машиниста цифрой 13Б) на оперативно-технологическом ракурсе системы и обрабатывается на Уровне логики первичных технологических подсистем 7 Логического ракурса в процессоре, подготавливающем логическое объединение информации с соблюдением требований безопасности движения поездов. В частности, для обеспечения требований по безопасности при логической обработке уровнем 7 информация может параллельно обрабатывается по независимым каналам с использованием разнородных алгоритмов кодирования и декодирования и последующего использования для сравнения безопасной схемы соответствия (не показана) на Уровне локомотива 1 Физического ракурса модели управления. Это изображено в виде двух независимых информационных потоков 14Б и 15Б, проходящих от уровня 7 на Уровень локомотива 1 физического ракурса. Сформированный таким образом приказ на разрешение движения используется на Уровне локомотива 1 Физического ракурса в устройстве КЛУБ-У для автоматического контроля действий машиниста по управлению поездом при движении по занятому блок-участку.
Из рассмотренных примеров видно, что заявляемый способ обеспечивает существенное расширение функциональных возможностей по управлению и информационному моделированию системы.