Цифровая экономика и цифровая железная дорога

Цифровая экономика и Цифровая железная дорога

Е. Н. Розенберг,

д.т.н., профессор, первый заместитель генерального директора АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте»

В. И. Уманский,

д.т.н.,

заместитель генерального директора АО «НИИАС»

Ю. В. Дзюба,

руководитель Центра

стратегического анализа и развития АО «НИИАС»

Цифровая железная дорога (ЦЖд) является одним из следствий появления цифровой экономики, которая получила рождение после четвертой информационной революции, называемой также цифровой революцией. однако в настоящее время этот термин имеет новое толкование, связанное с влиянием сетевой экономики на бизнес и производство.

Цифровая экономика — это программа на 2016-2020 гг., предусматривающая осуществление ряда мероприятий, стимулирующих внедрение информационно-телекоммуникационных технологий в большинство экономических секторов России. В новой трактовке отмечают три компонента методологии «Цифровая экономика» [1]: информационную инфраструктуру электронного бизнеса, сетевой электронный бизнес, электронную коммерцию. Все эти компоненты также входят и в концепцию «Цифровая железная дорога» (ЦДЖ).

Сегодня цифровую экономику оценивают в три триллиона долларов [2]. Эта стоимость сформировалась с момента запуска Интернета. Доминирующая компонента современной экономики заключается в работе с данными и использованием информационно-коммуникационных систем для про-

изводства и управления. Цифровая экономика усиливает этот компонент сетевыми технологиями. В современной экономике компании цифрового сектора выходят на первый план и становятся точками инновационного роста, обеспечивающими всю экономику цифровым ресурсом. Отсюда влияние цифровой экономики распространяется на всю экономику, в том числе на сферу железнодорожного транспорта.

За рубежом ЦЖД — это порождение цифровой экономики, или интернет-экономики, в которой аспект коммуникации и сетецентрического управления является доминирующим (рис. 1). Национальные проекты «Цифровая железная дорога» затрагивают ряд коммуникационных направлений: национальные широкополосные сети, электронный бизнес, электронную коммерцию, информационную экономику, экономику знаний, управление знаниями и рынком знаний,

рис. 1. структура цифровой железной дороги

виртуальную экономику и экономику цифровизации (digitization economics).

полисемия проекта «Цифровая железная дорога»

Толкование содержания понятия «цифровая железная дорога» зависит от множества факторов, важнейший из которых — масштаб. Например, модель ЦЖД английского варианта не отвечает всем требованиям Российских железных дорог. Великобритания — небольшая страна, и структурная сложность ее железных дорог сопоставима со структурной сложностью железной дороги на территории Московской области. Условия Сибири, Крайнего севера, горные условия требуют дополнительных исследований и технических решений. Поэтому допустимы разные подходы к трактовке содержания ЦЖД.

По мнению авторов, ЦЖД включает в себя интеллектуальные и коммуникационные технологии, используемые для управления движением поездов и трафиком в железнодорожной сети. Такой подход позволяет увеличить пропускную способность, надежность и безопасность транспортной сети.

Основным стандартом внедрения Цифровой железной дороги является Европейская система управления железнодорожным движением (ERTMS), включающая Европейскую систему управления поездом (ETCS) и мобильные сети GSM-R для обеспечения связи между поездами и радиоблоками [3]. Идеи блокового управления высокоскоростным транспортом развиваются в НИИАС как методы интегрального управления [4].

Существуют точки зрения, в которых ЦЖД рассматривается как целостная информационная модель [5]. Такое упрощенное понимание допустимо при теоретическом анализе и недопустимо при практической реализации. Альтернативой такому упрощению в работе [6] рассматривается цифровая железная дорога как новая интегрированная железнодорожная информационная система, т. е. система противопоставляется модели. Данная ЦЖД-система использует набор информационных моделей: инфраструктуры, объектов транспорта и окружающей среды. Система использует геоданные, данные глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), технологии распределенного управления, технологии мобильной связи, виртуальные технологии (рис. 2).

В работе [6] вводится понятие «ключевые технологии» и «ключевые стандарты цифровой железной дороги». В качестве системы поддержки разработана специальная геоинформационная система (ГИС) для задач ЦЖД.

концепции и требования ЦЖд

По мнению авторов, в проекте «Цифровая железная дорога» должны быть применены принципиально инновационные технологии по сравнению с существующим управлением. При этом важным фактором является информационная совместимость существующих и новых разрабатываемых систем. С точки зрения перспективы необходимо применять интеллектуальные технологии и системы. Стратегия единой транспортной политики [7] служит основой проекта «Цифровая железная дорога». Формирование его архитектуры производится с учетом стратегии, существующего опыта автоматизации, определения имеющихся и требуемых ресурсов. На основе проведенных исследований сформулируем следующее определение ЦЖД.

С организационных позиций цифровая железная дорога — это совокупность бизнес-моделей, транспортных услуг и средств их автоматизации, объединенных едиными принципами циф-ровизации всех физических активов и процессов холдинга РЖД, и их интеграция в мировую экосистему перевозок. Термин «цифровизация» является синтезом технологий цифровой экономики и развитием методов цифрового моделирования на транспорте [8]. Технология цифровизации близка к понятию технологии интернет-вещей [9].

С технологических позиций цифровую железную дорогу можно определить как совокупность цифровых технологий и методов описания инфраструктуры, подвижного состава, перевозочного процесса и базирующихся на них технологий управления движением, обеспечения безопасности и содержания инфраструктуры, которые ориентированы на достижение принципиально новых автоматизированных методов планирования, диспетчерского управления движением, ресурсами и обслуживания пассажиров. Базой цифрового моделирования являются цифровые динамические модели как основа управления подвижными объектами [10].

Используя ресурсы холдинга РЖД, можно определить требования к проек-

ту. Цифровая железная дорога должна охватывать все аспекты деятельности Холдинга. С точки зрения цифровиза-ции функционирование ЦЖД может быть сгруппировано по основным направлениям:

• клиентский опыт и клиентоориен-тированность;

• цифровые методы управления и производства, а также обеспечение комплексной безопасности;

• электронный бизнес и участие в цифровой глобализации.

Данные направления предъявляют каждое свои требования. При общей реализации проекта «Цифровая железная дорога» основные преимущества внедрения могут быть получены только при тотальной цифровизации технологий. В качестве ключевых технологических операций следует выделить управление инфраструктурой, управление движением и комплексное обеспечение безопасности.

Для каждого из перечисленных направлений цифровой железной дороги формулируются свои цели. Так, в направлении «клиентский опыт» основной целью является увеличение выручки за счет лучшего понимания клиентов и решения социальных задач обслуживания разных категорий пассажиров. Инструментом достижения цели этого направления является интеграция технологий мобильной связи, управления коммуникациями и сервисами с ориентированием на клиента. Эти технологии будут способствовать увеличению пассажиропотока, удобству и качеству работы грузоотправителей.

Для направления «цифровые методы» главными целями становятся повышение оперативности, снижение транз-акционных затрат, повышение уровня безопасности, включая снижение антропогенного фактора. Здесь инструментами достижения цели являются:

• комплексная автоматизация и интеллектуализация планирования и диспетчерского управления на основе разнообразных цифровых моделей, интернета вещей, широкополосных систем связи;

• автоматизированное управление подвижным составом на основе технологий ГНСС и контроля объектов в реальном масштабе времени;

• автоматизированные методы диагностики пути и технических средств на базе методологии УРРАН [11];

• модернизация технологий проек-

рис. 2. основные предметные области применения спутниковых и геоинформационных технологий в Цифровой железной дороге

тирования, строительства и эксплуатации объектов инфраструктуры в едином информационном пространстве для обеспечения проектного положения пути;

• управление имуществом, ресурсами и финансовой деятельностью с применением единого цифрового описания инфраструктуры.

Для направления «электронный бизнес» основной целью является создание электронных технологий для холдинга РЖД и его интеграция в глобальную систему перевозок. Основными инструментами в этом направлении являются:

• электронизация услуг и сервисов РЖД и управление качеством на основе цифровых технологий, сквозная интеграция со всеми участниками перевозочного процесса;

• целостность и системность: целостность означает полный охват электронными и цифровыми технологиями всех видов деятельности Холдинга, системность — применение системного подхода при обработке информации обо всех событиях и технологических процессах РЖД.

Важным понятием современной цифровой экономики являются ключевые показатели и центры ответственности. В проекте ЦЖД ключевыми показателями цифровой железной дороги являются комплементарные между собой ресурсы (рис. 3): интегрированная модель перевозочного процесса, подвижного состава, инфраструктуры ОАО «РЖД» и технологии работы, реализованные в интеллектуальной системе управления железнодорожным транспортом (ИСУЖТ); интегрированная модель пространственных данных КСПД ИЖТ [12], включающая в себя цифровую модель пути [8], 3D-модели инфраструктуры, координатную систему и реализацию BIM; согласованная система нормативно-справочной информации, реализованная в ЦНСИ; гармонизированная система электронных карт безопасности, объединенных в рамках ЕГИС ТПС; согласованные подходы в системах управления движением и автоведения.

При внедрении современных технологий типа BigData, IOT и Blockchain должно учитываться отсутствие массового опыта их применения в сложных производственных условиях железных дорог, что может повлечь технологические и информационные риски безопасности движения. В связи с этим при выборе базовой

платформы для реализации ЦЖД необходимо уделить существенное внимание выделению центров ответственности. В каждом направлении цифровой железной дороги необходимо определить назначение внедряемых технологий: информационная поддержка либо управляющее воздействие. В связи с этим необходимо согласовывать взаимодействие разных технологий для снижения безопасности в центрах ответственности и не создавать новые типы угроз и уязвимостей. Это влечет повышенное внимание к безопасной функциональной архитектуре цифровой железной дороги. Система безопасности не только включает в себя обычные методы защиты передачи данных, но и обеспечивает кибербезопасность в целом.

технологические решения ЦЖд

Реализация проекта подразумевает перечень технологических решений, определяющих системную основу национального проекта «Цифровая железная дорога». Технологические решения соответствуют функциональным и технологическим задачам проекта.

Главной основой технологических решений ЦЖД является развитие интеллектуальной системы управления железнодорожным транспортом (ИСУЖТ) [12]. Она ориентирована на комплексную автоматизацию основных процессов планирования и диспетчерского управления перевозочным процессом, а также на управление знаниями, и применяет онтологическую модель элементов инфраструктуры и технологических процессов.

ИСУЖТ осуществляет автоматизированный сбор первичной информации о состоянии перевозочных процессов: скорости, веса, местоположении локомотивов и поездов, текущем состоянии систем СЦБ, дислокации и состоянии вагонов, техническом состоянии подвижного состава и средств автоматики. После обработки и интеграции первичной информации в интегрированную информационную основу она становится базой для автоматизированного принятия решений и выработки управляющих воздействий.

В сущности ИСУЖТ реализует технологии интернета вещей в масштабах всей железной дороги. Она содержит информацию и управляет миллионами технических средств, связанных между собой цифровыми сетями. Основная задача системы — повышение качества за счет интеграции и оперативной обработки задач планирования и выработки принимаемых решений. Система оптимизирует управление на значительных полигонах интеллектуальными планировщиками конкретных технологических процессов.

В программно-технические комплексы ИСУЖТ имплементированы средства киберзащиты как внешнего, так и внутреннего контуров. Это решает задачи информационной и кибер-безопасности. Платформой реализации проекта являются доверенные вычислительные комплексы и сформированная под ЦЖД онтология.

Второй основой технологических решений ЦЖД выступает автоматизация проектных и ремонтных работ для

Рис. 3. Единое интеграционное решение. Цифровая железная дорога

координатного содержания пути, опирающиеся на применение Комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта (КСПД ИЖТ) [12], включающей в себя цифровую модель пути. Технология ориентирована на определение геометрических параметров объектов инфраструктуры: автоматизированный расчет габаритов приближения, геометрические параметры контактного провода, видимость переездов, автоматизация процесса постановки пути в проектное положение.

Третьей основой технологических решений ЦЖД является технология реализации режимов «Автоведение» и «Автомашинист», обеспечивающих существенные изменения в работе станций, МЦК, пригородного сообщения, пассажирского и грузового движения. Реализация этих технологических решений интегрирует технологии, определяющие содержание проекта «Цифровая железная дорога». В качестве составляющих интегрированной технологии следует отметить 3D-модели пути и инфраструктуры, автоматическое распознавание наличия помех движению, автоматизацию принятия решений с замещением машиниста, информационно-управляющую связку локомотива и датчиков состояния и движения. Средствами режимов «Автоведение» и «Автомашинист» реализуется система автоматического управления движением, включающая автоматическую установку маршрутов.

Для повышения оперативности и качества принятия решений на местах предлагается четвертое технологическое решение — применение мобиль-

ных рабочих мест в задачах управления тяговым хозяйством, содержания пути, реализация которых предполагает использование геоинформационной платформы, защищенных каналов связи, технологий IОT и технологий КСПД ИЖТ.

Пятое технологическое решение реализации проекта ЦЖД строится на применении комплексных систем учета и анализа отказа технических средств и нарушений технологии КАСАНТ/КАСАТ [12]. Это технологическое решение реализует согласованную классификацию объектов и технологии BigDatа для факторного анализа данных.

Шестое решение основано на интеграции диагностических данных, получаемых на постах комплексного контроля состояния подвижного состава от средств акустического, теплового, динамического, оптического контроля с привязкой результатов к вагонной модели и с прогнозом развития дефектов. Эти системы контроля технического состояния подвижного состава в процессе движения определяют ряд важных факторов: динамические нагрузки на рельсы, контроль температуры нагрева буксы, динамические характеристики движения вагона. Информация, собранная по всему вагонному парку, является примером комплекса больших данных и требует применения технологий BigDatа.

Седьмое технологическое решение включает комплекс стандартов ОАО «РЖД» «Управление ресурсами, рисками и надежностью на этапах жизненного цикла (УРРАН)» [11].

Восьмое решение, как и в зарубежных аналогах, основано на создании специализированной геоинформци-

онной системы РЖД. Она включает комплексное применение геоданных и спутниковых технологий. ГИС обеспечивает сбор и обработку геоданных об инфраструктуре и подвижном составе, координирует объекты РЖД в единой координатной системе. Специализированная ГИС задает единую топологию сети железных дорог в привязке к государственным системам координат и специальной местной железнодорожной системе координат, зарегистрированной в Росреестре и не имеющей режимных ограничений. ГИС РЖД полностью гармонизирована с действующей системой ЦНСИ ОАО «РЖД» и имеет утвержденные схемы информационно-коммуникационного взаимодействия с уполномоченными центрами федеральных органов исполнительной власти, включая Министерство обороны и МЧС России, АСУ ТК Минтранса России, а также с функциональными АСУ причастных организаций холдинга.

Девятое решение опирается на существующие и проверенные опытом средства автоматизации управления движением. Это устройства интервального регулирования и обеспечения безопасности движения поездов, в том числе системы автоматической и полуавтоматической блокировки. Это системы виброакустических методов контроля местоположения поезда по волоконно-оптическому кабелю и бортовые устройства безопасности, интегрирующие данные напольных устройств и средств диагностики локомотивов на основе технологии Ю^ Система включает также программно-аппаратные бортовые комплексы обеспечения безопасности движения и маневровой работы — БЛОК, МАЛС, СОБ-400 [12], использующие электронную карту и навигационное определение объекта.

Десятое технологическое решение реализации проекта ЦЖД основано на применении имитационного моделирования работы полигонов. Моделирование предотвращает риски и повышает надежность. Оно также выявляет непредвиденные нештатные ситуации. Это моделирование основано на пространственно-координатной имитационной модели полигонов, включающей детализированные модели станций, и учитывает реальные технологии работы и взаимодействия со средствами СЦБ при моделировании перевозочного процесса.

ЦЖд как объективная необходимость

Цифровая железная дорога как феномен неразрывно связана с цифровой экономикой и взаимодействует с ней. Современный проект ЦЖД является интегрированным информационно-технологическим комплексом, объединяющим многие достижения науки и техники. По сравнению с существующими проектами он обладает максимальной сложностью, что является барьером при его формировании. Масштабность проекта требует обязательного привлечения технологий обработки «больших данных» и интеллектуального анализа данных.

С другой стороны, ЦЖД есть объективная необходимость развития железнодорожного транспорта. Работа над проектом консолидирует усилия по совершенствованию не только железнодорожной системы, но и единой транспортной системы Российской Федерации. Общая идеология построения ЦЖД основана на внедрении технологии интернет-вещей в сферу транспорта и развития технологий интеллектуального управления транспортным комплексом.

литература

1. Mesenbourg T. L. Measuring the Digital Economy. U.S. Bureau of the Census. 2001.

2. Семячков К. А. Цифровая экономика и ее роль в управлении современными социально-экономическими отношениями // Соврем. технологии управления. 2017. № 8 (80). Ст. № 8001. URL: http://sovman.ru/article/8001.

3. Иманкул М. Н. Актуальные способы повышения эффективности использования радиочастотного спектра // Sci. World. 2013. С. 42-49.

4. Цветков В.Я. Интегральное управление высокоскоростной магистралью // Мир транспорта. 2013. № 5 (49). С. 6-9.

5. Куприяновский В. П. и др. Цифровая железная дорога - целостная информационная модель как основа цифровой трансформации // Int. J. Open Inform. Technol 2016. Т. 4, №. 10. С. 32-42.

6. Shi T. Y., Wangy J., Li P. Research on digital railway system architecture // J. Transp. Systems Eng. Inform. Tech. 2010. Vol. 10. Р. 29-33.

7. Розенберг И. Н. О единой транспортной политике в сфере железнодорож-

ного транспорта // Славянский форум. 2015. № 3 (9). С. 244-250.

8. Куприянов А. О. Цифровое моделирование железнодорожного пути // Образовательные ресурсы и технологии. 2016. № 3 (15). С. 104-114.

9. Дешко И. П., Кряженков К. Г., Цветков В. Я. Устройства, модели и архитектуры Интернета вещей. М.: МАКС Пресс, 2017. 88 с.

10. Розенберг И. Н., Цветков В. Я. Создание динамической пространственно-временной модели управления железной дорогой // Геодезия и картография. 2010. № 8. С. 48-51.

11. Гапанович В. А. и др. Внедрение методологии УРРАН в хозяйстве АТ // Автоматика, связь, информатика. 2012. № 4. С. 12-15.

12. Розенберг И. Н. Основные направления развития ОАО «НИИАС». Прошлое, настоящее, будущее // Тр. V науч.-техн. конф. с междунар. участием «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте. Компьютерное и математическое моделирование. ИСУЖТ-2016». М.: ОАО НИИ-АС, 2016. С. 3-8.