Устройство построения прогнозных графиков движения поездов на основе методов обработки больших данных
DEVICE FOR CONSTRUCTING PREDICTIVE TRAIN SCHEDULES BASED ON BIG DATA PROCESSING METHODS

Устройство построения прогнозных графиков движения поездов на основе методов обработки больших данных
Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и предназначено для использования в системах регулирования движения поездов.
Известно устройство построения прогнозных энергосберегающих графиков движения поездов, содержащее блок получения информации о текущем поездном положении, блок получения данных нормативного графика движения поездов, блок получения данных об условиях пропуска поездов, включающий данные о приоритетности категорий поездов, блок прокладки ниток пассажирских и электропоездов, блок развязки ниток пассажирских и электропоездов, блок прокладки ниток грузовых поездов, блок развязки ниток грузовых поездов и ниток пассажирских и электропоездов, блок формирования энергосберегающего графика движения, блок ручного ввода данных, блок моделирования тяговых режимов поезда при движении его по участку пути, блок хранения информации по полигону, включающий данные о профиле и плане пути, данные об остановочных пунктах - координата, количество, длина и специализация приемо-отправочных и дополнительных путей, данные о допустимых и разрешенных скоростях движения поездов на участках между остановочными пунктами, перечень столбов-километров, пикетов и расстояния между ними, длину и специализацию дополнительных путей, блок получения данных о планируемых «окнах», блоком извлечения информации по полигону из блока хранения информации по полигону, блок хранения прогнозного графика, блок передачи прогнозного графика в систему управления движением поездов, блок получения исполненного графика, блок сопоставления эталонного, прогнозного и исполненного графика, блок отображения и регистрации информации, причем первый вход блока прокладки ниток пассажирских и электропоездов соединен с выходом блока получения данных нормативного графика движения, второй вход блока прокладки ниток пассажирских и электропоездов соединен с выходом блока моделирования тяговых режимов поезда, при движении его по участку пути, выход блока соединен с первым из входов блока развязки ниток пассажирских и электропоездов, второй вход которого соединен с выходом блока получения данных об условиях пропуска поездов, с приоритетности движения поездов по категориям, а выход блока развязки ниток пассажирских и электропоездов соединен с первым входом блока прокладки ниток грузовых поездов, второй вход которого соединен с выходом блока моделирования тяговых режимов поезда при движении его по участку пути, а третий вход соединен с выходом блока получения данных нормативного графика движения, при этом выход блока прокладки ниток грузовых поездов соединен с первым входом блока развязки ниток грузовых поездов и ниток пассажирских и электропоездов, второй вход которого соединен с выходом блока получения данных о планируемых «окнах», первый вход блока формирования энергосберегающего графика движения соединен с выходом блока ручного ввода данных, а его выход соединен с входом блока хранения прогнозного графика, выход которого связан с входом блока передачи прогнозного графика в систему управления движением поездов и с первым входом блока сопоставления эталонного, прогнозного и исполненного графиков, выход которого соединен с входом блока отображения и регистрации информации, а второй вход соединен с выходом блока получения исполненного графика (RU2487036, B61L 27/00, 10.07.2013).
Известное устройство имеет недостаточную эксплуатационную надежность графика движения поездов по высокоскоростным железнодорожным магистралям (ВСМ) в части обеспечения резервов его выполнения при проследовании раздельных пунктов и станционных путей технических станций, особенно в условиях смешанного пассажирского и грузового движения по ВСМ.
В качестве прототипа принято устройство построения прогнозных энергосберегающих графиков движения поездов, содержащее блок получения информации о текущем поездном положении, блок получения данных нормативного графика движения поездов, выход которого соединен с первыми входами блока прокладки ниток пассажирских поездов и электропоездов и блока прокладки ниток грузовых поездов, ко вторым входам которых подключен выход блока моделирования тяговых режимов поезда при движении его по участку пути, вход которого соединен с выходом блока хранения информации по полигону через блок извлечения информации по полигону из блока хранения, выход блока прокладки ниток пассажирских поездов и электропоездов через блок развязки ниток пассажирских поездов и электропоездов, второй вход которого подключен к блоку получения данных об условиях пропуска поездов, включающих данные о приоритетности категорий поездов, соединен с дополнительным входом блока прокладки ниток грузовых поездов, выход которого соединен со входом блока развязки ниток грузовых поездов и ниток пассажирских и электропоездов, ко второму входу которого подключен блок получения данных о планируемых «окнах», блок формирования энергосберегающего графика движения поездов, входом соединенный с блоком ручного ввода данных, а выходом – с блоком хранения прогнозного графика, выход которого соединен с входом блока передачи прогнозного графика в систему управления движением поездов и с первым входом блока сопоставления эталонного, прогнозного и исполненного графиков, соединенного с блоком получения исполненного графика, а выход подключен к блоку отображения и регистрации информации, два канала обработки информации, один из которых состоит из последовательно соединенных сервера предварительной обработки перегонной информации, блока нормативно справочной информации по участкам низкого уровня с учетом тяговых расчетов, блока имитационной модели участка в рельсовых цепях и продвижения поезда по высокоскоростной железнодорожной магистрали, блока эталонного графика пропуска поезда по участкам линии высокоскоростной железнодорожной магистрали и модуля проверки реализации графика на низком уровне и нормативно справочной информации тяги, а второй канал состоит из последовательно соединенных сервера предварительной обработки станционной информации, блока нормативно справочной информации по раздельным пунктам, блока имитационной модели графика движения поездов по высокоскоростной железнодорожной магистрали, блока эталонного графика прохождения раздельных пунктов высокоскоростной железнодорожной магистрали и модуля проверки реализации нормативного графика, при этом сервер предварительной обработки перегонной информации и сервер предварительной обработки станционной информации соединены с выходом блока получения информации о текущем поездном положении, первый и второй входы которого соединены соответственно с блоком датчиков прохождения границ рельсовых цепей и блоком датчиков прохождения границ раздельных пунктов, к которым подключены входы блока позиционирования поездов, соединенного с блоком спутникового позиционирования поездов, выход сервера предварительной обработки перегонной информации соединен с третьим входом блока прокладки ниток пассажирских поездов и электропоездов, а выход сервера предварительной обработки станционной информации соединен с третьим входом блока прокладки ниток грузовых поездов, выход блока развязки ниток грузовых поездов и ниток пассажирских и электропоездов соединен со вторыми входами модуля проверки реализации графика на низком уровне и нормативно справочной информации тяги и модуля проверки реализации нормативного графика, а выходы этих модулей соединены соответственно со вторыми и с третьими входами блока формирования энергосберегающего графика движения поездов и блока сопоставления эталонного, прогнозного и исполненного графиков, выход которого соединен с первым входом блока интеллектуального моделирования и управляющих ресурсов, выход которого соединен со вторым входом блока передачи прогнозного графика в систему управления движением поездов, выход блока позиционирования поездов соединен с входом блока идентификатора фрагментов графика движения поездов, выход которого через блок конструктора виртуальных раздельных пунктов соединен со вторым входом блока интеллектуального моделирования и управляющих ресурсов  (RU2685368, B61L 27/00, 17.04.2019).
Известное устройство имеет недостаточные функциональные возможности, поскольку процесс построения и реализации графиков движения поездов (ГДП) зависит от устоявшихся шаблонов эксплуатационной работы, ограничен временными рамками нормативных инструкций и не может использоваться для любой инфраструктуры, для любого периода времени, степени детализации и для организационной структуры перевозчика, и не использует эффективные методы обработки больших данных (Big Data).
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройство построения прогнозных графиков движения поездов на основе методов обработки больших данных (Big Data), содержащее блок получения информации о текущем поездном положении, вход которого соединен с выходом блока датчиков места нахождения поездов, а выход соединен с первым входом сервера  обработки информации, блок позиционирования поезда, блок формирования графика движения поездов, соединенный с блоком ручного ввода данных, блок получения исполненного графика, блок отображения и регистрации информации, блок нормативно справочной информации, модуль имитационной модели, блок эталонного графика, и модуль проверки реализации графика, согласно изобретению введены блок памяти с базой данных о новой технике и технологиях, выход которого через модуль актуализации нормативно справочной информации соединен с первым входом блока формирования графика движения поездов, снабженного модулем машинного обучения, который cоединен с модулем имитационной модели, при этом второй вход блока формирования графика движения поездов соединен с выходом блока нормативно справочной информации, к третьему и четвертому входам блока формирования графика движения поездов подключены соответственно выходы блока адаптивного задания пассажирских перевозок и блока адаптивного  задания грузовых перевозок, входы которых соединены с соответствующими выходами блока анализа рынка перевозок, выход блока формирования графика движения поездов соединен с входом блока проверки графика движения поездов, второй вход которого подключен к выходу блока формирования данных проверки, а выход блока проверки графика движения поездов через модуль информационной имплементации графика соединен с блоком оперативной реализации графика движения поездов, к другим входам которого подключены персональные компьютеры  операторов, а выход блока оперативной реализации графика движения поездов соединен с входом блока первого буфера графика, блок позиционирования поезда соединен со вторым входом сервера обработки информации, выход которого через буфер текущего графика соединен с блоком классификации паттернов, к которому подключены блок эталонного графика и выход блока первого буфера графика, выход блока классификации паттернов через блок отображения и регистрации информации, ко второму входу которого подключен блок ручного ввода данных, соединен с первым входом блока анализа графика движения поездов, второй вход которого соединен с блоком базы данных исполненных графиков движения поездов, выход блока анализа графика движения поездов через последовательно соединенные  модуль проверки реализации графика, блок информирования о релевантности графиков движения поездов оперативного персонала и блок итогового исполнения графика, соединен с входом блока получения исполненного графика, выход которого соединен со входом блока базы данных исполненных графиков движения поездов.
На чертеже приведена схема устройства построения прогнозных графиков движения поездов на основе методов обработки больших данных (Big Data).
Устройство построения прогнозных графиков движения поездов на основе методов обработки больших данных содержит блок 1 получения информации о текущем поездном положении, вход которого соединен с выходом блока 2 датчиков места нахождения поездов, а выход соединен с первым входом сервера 3  обработки информации, блок 4 позиционирования поезда, блок 5 формирования графика движения поездов, соединенный с блоком 6 ручного ввода данных, блок 7 получения исполненного графика, блок 8 отображения и регистрации информации, блок 9 нормативно справочной информации, модуль 10 имитационной модели, блок 11 эталонного графика, и модуль 12 проверки реализации графика, блок 13 памяти с базой данных о новой технике и технологиях, выход которого через модуль 14 актуализации нормативно справочной информации соединен с первым входом блока 5 формирования графика движения поездов (ГДП), снабженного модулем 15 машинного обучения, который cсоединен с модулем 10 имитационной модели, при этом второй вход блока 5 формирования графика движения поездов соединен с выходом блока 9 нормативно справочной информации, к третьему и четвертому входам блока 5 формирования графика движения поездов подключены соответственно выходы блока 16 адаптивного задания пассажирских перевозок и блока 17 адаптивного  задания грузовых перевозок, входы которых соединены с соответствующими выходами блока 18 анализа рынка перевозок, выход блока 5 формирования графика движения поездов соединен с входом блока 19 проверки графика движения поездов, второй вход которого подключен к выходу блока 20 формирования данных проверки, а выход блока 19 проверки графика движения поездов через модуль 21 информационной имплементации графика соединен с блоком 22 оперативной реализации графика движения поездов, к другим входам которого подключены персональные компьютеры (ПК) 23  операторов, а выход блока 22 оперативной реализации графика движения поездов соединен с входом блока 24 первого буфера графика, блок 4 позиционирования поезда соединен со вторым входом сервера 3 обработки информации, выход которого через буфер 25 текущего графика соединен с блоком 26 классификации паттернов, к которому подключены блок 11 эталонного графика и выход блока 24 первого буфера графика, выход блока 26 классификации паттернов через блок 8 отображения и регистрации информации, ко второму входу которого подключен блок 6 ручного ввода данных, соединен с первым входом блока 27 анализа графика движения поездов, второй вход которого соединен с блоком 28 базы данных исполненных графиков движения поездов, выход блока 27 анализа графика движения поездов через последовательно соединенные  модуль 12 проверки реализации графика, блок 29 информирования о релевантности графиков движения поездов оперативного персонала и блок 30 итогового исполнения графика, соединен с входом блока 7 получения исполненного графика, выход которого соединен со входом блока 28 базы данных исполненных графиков движения поездов.
Устройство построения прогнозных графиков движения поездов на основе методов обработки больших данных (Big Data) функционирует следующим образом.
Устройство использует систему классификации, систематизации и интеллектуальной обработки информации о движении поездов на основе Data Science. В соответствии с разработанным жизненным циклом графиков движения поездов с помощью различных методик и инструментов, анализируется рынок пассажирских и грузовых перевозок, в том числе в разрезе основных перевозчиков и операторов, формирующих в конечном итоге спрос на перевозки (на нитки графика).
Новизна этого подхода в том, что, помимо заявок на перевозку, которые ежегодно выставляются владельцу инфраструктуры для разработки графика, алгоритмы и методы позволят спрогнозировать дополнительный спрос и разработать предложения в виде ниток графика движения поездов для дополнительных объемов перевозок.
Таким образом, блок 18 анализа рынка с помощью алгоритмов  формирует два рода прогнозов основных пассажиропотоков и грузопотоков на сети, проистекающих из динамики спроса.
Блок 16 адаптивного задания пассажирских перевозок и блок 17 адаптивного задания грузовых перевозок на основе данных блока 18 анализа рынка формируют  задания на разработку графиков движения поездов, передаваемые в блок 5 формирования графика движения поездов.
Параллельно с этим информация из блока 9 нормативно справочной информации (НСИ) по участкам и станциям подвергается актуализации с помощью модуля 14 актуализации нормативно справочной информации, на основе приемов и технологий big data. Информацию для перерасчета нормативов получают из блока 13 памяти с базой данных о новой технике и технологиях, содержащем знания об обновлении технологических процессов и нормативов.
Итоговые (обновленные) нормативы и адаптивные задания поступают на вход блока 5 формирования графика движения поездов, в котором происходит разработка и построение графика движения на принципах BDTM (Big Data Timetable Management). Big Data подразумевает здесь – сочетание необходимого аппаратного и программного обеспечения, которое способно обрабатывать и преобразовывать (на определенной скорости), входящие структурированные/неструктурированные данные в системы/модели/алгоритмы. BigData в контексте данного описания содержится в модуле 15 машинного обучения. Данный модуль, помимо функции алгоритмического разрешения различных сценариев, формирует актуальную НСИ, взятую из блока 9. То есть, модуль 15 машинного обучения, в свою очередь, преобразовывает данные в информацию, которая совершенствует систему в целом и своевременно предоставляет информацию конечному пользователю. Построенный график итерационно проверяется на наличие фатальных ошибок в ходе формальных проверок, выполняемых с помощью блока 20 формирования данных проверки. Отдельные ошибки могут быть устранены через блок 6 ручного ввода данных.
Процесс согласования и утверждения корректного графика движения поездов происходит с использованием блока 19 проверки графика движения поездов, который включает в себя набор необходимых функций по согласованию и утверждению готового графика движения поездов, в соответствии со спецификой каждой администрации.
Разработанные в ходе жизненного цикла шаг информационной имплементации и шаг доведения графика до оперативного персонала реализуются соответственно модулем 21 информационной имплементации графика и блоком 29 информирования (блок 29 применяется на восходящей стадии жизненного цикла) о релевантности графиков движения поездов оперативного персонала через блок 22 оперативной реализации ГДП на персональные компьютеры 23 пользователей. Этот модуль 21 и блоки 22 и 29 не требуют алгоритмов data science.
Концепция единого циклического графика, в котором период активной работы с графиком не фиксирован и определяется характером задач (час, сутки, несколько дней и т.п.), требует введения в схему блока, аналогичного по смыслу элементу «окно» при работе с цифровыми сигналами. Этот блок (блок 24 первого буфера графика) «выхватывает» и «укрупняет» в детализации определенный фрагмент рабочего графика.
На этой фазе завершается нисходящее движения по жизненному циклу. «Окно» с текущим графиком будет выступать основой для оперативной корректировки графика движения поездов на принципах адаптивного управления, для чего показатели из буфера 25 текущего графика с заданной периодичностью передаются на блок 26 классификации паттернов. Блок 26 классификации паттернов обменивается информацией с блоком 11 эталонного графика: во-первых, там содержатся исходные паттерны, с которыми сравнивается график в блоке 26, а во-вторых, новые решения, предложенные алгоритмом-классификаторов, записываются как разновидности новых эталонов графика.
Для того, чтобы построить процесс корректировки графика движения поездов по принципам BDTM, параметры инфраструктуры линий и станций (по хозяйствам железнодорожного транспорта) периодически фиксируются различными датчиками (по видам инфраструктуры), обозначенными на схеме блоком 2,  и по радиоканалу (на чертеже не показано) через блок получения информации 1 передаются на сервер 3 обработки информации.
На сервер 3 также поступают данные из блока 4 спутникового позиционирования поездов, что позволяет получить реальные координаты каждого поезда в данный момент.
Вначале полученные данные поступают на блок первичной очистки и обработки сервера 3, где анализируются на предмет шумов, выбросов, подвергаются первичной фильтрации и визуализации.
Очищенные и первично обработанные данные поступают на блок 26 классификации паттернов, где проверяются на один из паттернов, имеющих схожую модель развития событий. Например, состояние линии после прохождения тяжеловесного грузового поезда характеризуется значительным падением напряжения в контактной сети. Поэтому такой паттерн должен быть распознан алгоритмами классификации.
После определения типа и номера паттерна в блоке 26 классификации происходит анализ тех данных, которые поступили в виде паттерна с учетом того, существовали ли в истории работы данного полигона или станции подобные случаи. Проанализированные на данной фазе массивы информации  отображаются в виде первичного эскиза графика в блоке 8 отображения и регистрации.
Эта информация хранится в блоке 28 базы данных исполненных графиков движения поездов и передается в блок 27 анализа графика движения поездов на принципах Big Data с учетом исторических данных.
Для использования в качестве инструментов при разработке расписаний, могут быть применены, например, следующие методы и подходы, содержащиеся в блоке 15 машинного обучения, а также в блоке 26 классификации паттернов:
1.Искусственные нейронные сети (конкретный вид сети и особенности алгоритма обучения могут рассматриваться для конкретных задач прогнозирования и управления в дальнейших исследованиях).
2.Эволюционные методы
3.Корреляционный, регрессионный, дисперсионный анализ.
4.Дерево решений.
Для классификации входящей информации и эксплуатационных событий могут использоваться как вспомогательные:
1.Логистическая регрессия
2.Метод опорных векторов
3.Методы кластеризации (различными алгоритмами)
4.Байесовские регрессии.
Информация с выхода блока 27 анализа графика движения поездов, на принципах Big Data, с учетом исторических данных (показатели ситуации, ограничения, выданный тип события и пр.), поступает на модуль 12 проверки реализации графика.
В модуле 12 проверки реализации графика формируется сценарий событий, при котором будет оптимизирована работа станций и полигонов, в случае необходимости изменена нитка графика движения поездов. После таких изменений информация поступает в блок 29 информирования о релевантности графиков движения поездов оперативного персонала, включая доведение до диспетчеров, локомотивных бригад и др.
После того, как релевантный график движения поездов и сценарий эксплуатационной работы будет выполнен, (выполнение графика контролируется блоком 30 итогового исполнения графика), все показатели сохраняются в заданном формате в базе данных исполненных графиков движения поездов блока 28 через блок 7 получения исполненного графика, а после используется для переобучения алгоритмов.
Новизна изобретения заключается также в том, что процесс построения и реализации графиков движения поездов не зависит от устоявшихся шаблонов эксплуатационной работы, не ограничен временными рамками нормативных инструкций и может использоваться для любой инфраструктуры, для любого периода времени, степени детализации и даже для организационной структуры перевозчика.
Все разновидности графика строятся при помощи методов машинного обучения, а не традиционными нормативами. Исходная информация для графиков движения поездов также рассматривается, как набор переменных величин, актуализируемых нейронными сетями и иными алгоритмами (полное описание методов есть в отчете МСЖД. Введена система непрерывного хранения и переобучения алгоритмов.
Имитационные модели графиков движения поездов используются, как средство лишь визуализации, но не принятия решений; они нужны, скорее, для разбора получившихся сценариев, для обучения персонала и иллюстрации, почему в той или иной ситуации умный алгоритм сработал так или иначе. Построение имитационных моделей, описанных здесь, происходит в блоке 10 «модуль имитационных моделей», который для этих целей связан с модулем 15 машинного обучения.
Устройство может использоваться для любой инфраструктуры, для любого периода времени, степени детализации и для организационной структуры перевозчика, и, тем самым, расширяет функциональные возможности известного устройства.