Система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги
RAILWAY SECTION TRAFFIC ACTIVITY OPERATIONAL CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано управляющим и оперативным персоналом на железнодорожных полигонах.
Известна система для оперативного управления движением по участку железной дороги, в которой с заданной периодичностью и при каждом изменении рабочих режимов ведения поездов аппаратура диспетчерского управления осуществляет тестирование участвующих в этом изменении компонентов и подсистем и производит перерасчет  прогнозируемого времени прохождения станционных светофоров, а после перерасчета корректирует данные для синхронизации по времени путем обмена данными по цифровому радиоканалу между центром диспетчерского управления и поездами, приближающимися к очередной промежуточной станции. Корректировка данных осуществляется с учетом передаваемых при обмене информацией данных о техническом состоянии локомотива, данных о поезде, об ограничении скорости, типе профиля тягового участка и опасных мест, а также метеоусловий, и одновременно с обновленными данными для синхронизации движения поездов по времени рассчитываются и передаются обновленные значения параметров и критериев, которые используют для оптимизации управления движением, как каждого поезда индивидуально, так и всех поездов на диспетчерском участке в целом (RU2395423 C1, B61L 27/00, 27.07.2010).
Известная система не решает проблему оптимальной организации движения на железнодорожном полигоне в силу того, что не обладает функционалом согласованного планирования работы на нескольких участках железнодорожного полигона одновременно.
Под железнодорожным полигоном понимается топологически связанная совокупность поездо-участков и технических станций. При этом под поездо-участком понимается часть железнодорожной линии между техническими станциями (либо между тупиковой и технической станцией) с едиными весовыми нормами грузовых поездов, стабильными размерами движения и единым видом тяги.
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является принятая в качестве прототипа система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности. Известная система содержит компьютер автоматизированного рабочего места работника службы движения, в котором первый вход/выход процессора, через канал связи, соединен с первым выходом/входом сервера центра обработки данных, второй вход/выход процессора  соединен с выходом/входом блока  памяти, первый вход процессора  соединен с выходом блока  ввода информации, первый выход процессора соединен с  входом монитора, третий вход/выход процессора соединен с блоком  ввода параметров нормативного графика движения поездов, второй выход процессора соединен с входом блока вычисления параметров инфраструктуры, первый выход которого соединен с первым входом блока вычисления наличной пропускной способности, а второй выход блока вычисления параметров инфраструктуры соединен с первым входом блока  вычисления потребной пропускной способности, второй вход которого соединен с выходом  блока ввода параметров нормативного графика движения поездов, третий выход процессора  соединен с входом блока задания условий движения поездов, выход которого соединен со вторым входом блока  вычисления наличной пропускной способности, выход которого соединен с первым входом блока  сравнения вычислений, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления потребной пропускной способности, выход блока сравнения вычислений соединен с входом блока сравнения с установленным значением, выход которого соединен со вторым входом процессора (RU86926, B61L 27/04. 20.09.09).
Известное техническое решение не обеспечивает эффективное и качественное управление движением поездов вследствие того, что состояние объектов на железнодорожной линии периодически меняется и подвержено влиянию различных факторов, а план пропуска поездов в результате этого не является в полной степени соответствующим сложившейся обстановке.
Поскольку железнодорожный полигон содержит в себе технические станции, то перед лицом, принимающим решение о плане пропуска поездов, стоит техническая задача  баланса целей и результатов для полигона в целом. Между тем, как факторы-драйверы, так и показатели, характеризующие эффективность работы линейных участков и технических станций сильно отличаются: если для линии главное – это скорость продвижения поездопотока, то для станции – объем переработки вагонов. В наличии данного противоречия и заключается главная предпосылка к использованию в создаваемой системе в качестве критерия эффективности управления движением на полигоне – интегрального критерия маршрутной скорости. Маршрутная скорость зависит, как от скорости движения поезда по участку, так и от времени простоя на промежуточных и технических станциях. В свою очередь, от маршрутной скорости зависит и выполнение срока доставки грузов, т.е. этот критерий характеризует как техническую, так и коммерческую стороны эксплуатационной работы. Маршрутная скорость рассматривается как для всего полигона.
Технический результат изобретения заключается в повышении маршрутной скорости  движения поездов по участку железной дороги.
Технический результат достигается тем, что в системе для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности содержащей компьютер автоматизированного рабочего места работника службы движения, включающий процессор с подключенными к нему блоком памяти, блоком ввода информации, монитором, блоком  ввода параметров нормативного графика движения поездов, блоком вычисления параметров инфраструктуры и блоком задания условий движения поездов, при этом первый вход блока вычисления наличной пропускной способности соединен с выходом блока задания условий движения поездов, второй вход соединен с выходом блока вычисления параметров инфраструктуры, выход блока вычисления наличной пропускной способности соединен с первым входом блока сравнения вычислений, первый вход блока вычисления потребной пропускной способности соединен с выходом блока вычисления параметров инфраструктуры, второй вход соединен с выходом блока ввода параметров нормативного графика движения поездов, выход блока вычисления потребной пропускной способности соединен со вторым входом блока сравнения вычислений, выход которого соединен с входом блока сравнения с установленным значением, выход которого соединен с процессором компьютера автоматизированного рабочего места работника службы движения, первый вход/выход процессора через канал связи соединен с первым выходом/входом сервера центра обработки данных, согласно изобретению в центре обработки данных установлены последовательно соединенные блок памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, блок генерации нормативно-справочной информации, блок памяти, в котором записана база данных нормативно-справочной информации, блок формирования имитационной модели с элементами искусственного интеллекта, блок  верификации с функцией обучения,  блок интеграции модели в систему поддержки принятия решений и  блок формирования вариантов пропуска поездов, выход которого соединен со вторым входом/выходом сервера центра обработки данных, при этом второй выход блока памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, соединен со вторым входом блока  верификации с функцией обучения.
На чертеже приведена схема предлагаемой системы для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности.
Система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности содержит компьютер 1 автоматизированного рабочего места работника службы движения, включающий процессор 2 с подключенными к нему блоком 3 памяти, блоком 4 ввода информации, монитором 5, блоком 6 ввода параметров нормативного графика движения поездов, блоком 7 вычисления параметров инфраструктуры и блоком 8 задания условий движения поездов, при этом первый вход блока 9 вычисления наличной пропускной способности соединен с выходом блока 8 задания условий движения поездов, второй вход соединен с выходом блока 7 вычисления параметров инфраструктуры, выход блока 9 вычисления наличной пропускной способности соединен с первым входом блока 10 сравнения вычислений, первый вход блока 11 вычисления потребной пропускной способности соединен с выходом блока 7 вычисления параметров инфраструктуры, второй вход соединен с выходом блока 6 ввода параметров нормативного графика движения поездов, выход блока 11 вычисления потребной пропускной способности соединен со вторым входом блока 10 сравнения вычислений, выход которого соединен с входом блока 12 сравнения с установленным значением, выход которого соединен с процессором 2 компьютера автоматизированного рабочего места работника службы движения, первый вход/выход процессора 2 через канал связи соединен с первым выходом/входом сервера 13 центра 14 обработки данных, в центре 14 обработки данных установлены последовательно соединенные блок 15 памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, блок 16 генерации нормативно-справочной информации, блок 17 памяти, в котором записана база данных нормативно-справочной информации, блок 18 формирования имитационной модели с элементами искусственного интеллекта, блок 19 верификации с функцией обучения,  блок 20 интеграции модели в систему поддержки принятия решений и  блок 21 формирования вариантов пропуска поездов, выход которого соединен со вторым входом/выходом сервера 13 центра 14 обработки данных, при этом второй выход блока 15 памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, соединен со вторым входом блока 19 верификации с функцией обучения.
Система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности функционирует следующим образом.
Процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места  через канал связи обменивается информацией с сервером 13 центра 14 обработки данных. Компьютер 1 автоматизированного рабочего места получает от сервера 13 центра обработки данных информацию об исходных значениях провозной и пропускной способностей и инфраструктуре участка железной дороги. Диспетчер анализирует информацию, отображаемую  на мониторе 5, вводит с помощью блока 4 ввода информации корректировки, например, графика движения поездов и записывает эти данные в блок памяти 3. Затем из процессора 2 данные поступают в блок 6 ввода параметров нормативного графика движения поездов, блок 7 вычисления параметров инфраструктуры и блок  8 задания условий движения поездов. Первичные исходные данные из блоков 7 и 8 поступают в блок  9 вычисления наличной пропускной способности, а из блоков 6 и 7 в блок 11 для вычисления потребной пропускной способности. Из блока 9 и из блока 11   результаты вычислений поступают в блок 10  для сравнения. Наличная пропускная способность должна быть больше потребной на определенную установленную величину, закладываемую в блок 12 сравнения с установленным значением. Если разница между наличной и потребной пропускными способностями меньше установленного значения, данные о ней поступают в процессор 2, где формируется команда на задание в блоке 6 новых параметров нормативного графика движения поездов и в блоке 8 задания условий движения поездов. По достижению приемлемого значения потребной пропускной способности участка железной дороги, что устанавливает на мониторе 5 работник службы движения, вся результирующая информация по каналу связи из процессора 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места поступает и запоминается в памяти сервера 13 центра обработки данных.
В сервере 13 центра обработки данных имеются данные и программные модули для интеллектуальной поддержки оперативных решений диспетчера. В частности, в центре 14 обработки данных  имеется блок 15 памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, включая архив (Big Data), откуда, через блок 16 генерации нормативно-справочной информации, необходимая для оперативной поддержки информация поступает в блок 17 памяти для записи в базу данных нормативно-справочной информации.
В базе данных, записанной в блоке 15, хранится полный срез информации о работе полигона: как инфраструктурные данные (топология путей, контактной сети и пр.), так и сведения о внешних воздействиях и сведения о реальных условиях, влияющих на режим движения поездов (уровень напряжения, реальный межпоездной интервал и пр.). Блок 16 производит отбор из базы данных блока 15 только тех показателей, которые необходимы для оптимизации управления движением поездов. Отобранная информация поступает в базу данных нормативно-справочной информации блока 17 памяти.
Из базы нормативно-справочной информации блока 17 памяти данные поступают в блок 18 формирования имитационной модели с элементами искусственного интеллекта. Элементы искусственного интеллекта в блоке 18 используются  при отборе ряда входных данных, необходимых для работы имитационных моделей в блоке 18 формирования имитационной модели. Отбор данных производиться ансамблем искусственных нейронных сетей (на чертеже не показаны), из которых первая группа сетей на основе обучения на информации из базы данных блока 15 о реальном состоянии полигона дает прогноз, по которому выбирается какая-то из технологических цепочек и формируются ее частные параметры. В процессе обучения искусственной нейронной сети происходит минимизация функционала ошибки в процессе выстраивания технологических цепочек зависимостей между  исходной информацией и предлагаемыми сценариями действий поездного диспетчера по управлению движением поездов. Обученная искусственная нейронная сеть дает прогноз, по которому выбирается какая-то из технологических цепочек, и проигрыванием на имитационной модели формируются ее частные параметры. Система ранжирует варианты решений по соотношениям «выгода/потери». Если диспетчер выбирает один из вариантов, связанный с движением, то формируются конкретные расписания и указания, передаваемые непосредственно на  поезда для исполнения.
Вторая группа искусственных нейронных сетей  на основании анализа информации из базы данных блока 15 производят модификацию модели, отключая или активизируя некоторые элементы имитационной модели в блоке 18 формирования имитационной модели с элементами искусственного интеллекта.
Блок 18 на сформированной модели передает результаты моделирования вариантов организации движения поездов по участку в блок 19 верификации с функцией обучения, куда также поступает информация из базы данных цифровой модели инфраструктуры блока 15, включая архив (Big Data). Прошедшая верификацию модель и расчеты на ее основе из блока 19 поступают в блок 20 интеграции модели в систему поддержки принятия решений, откуда через блок 21 формирования вариантов пропуска поездов поступает в сервер 13 центра обработки данных. Из сервера 13 информация по каналу связи поступает в процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места работника службы движения для их использования диспетчерами при управлении движением поездов.
Конкретные управленческие решения, поступающие  с сервера 13 центра обработки данных в процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места, записываются в блок 3 памяти. Они могут быть выведены диспетчером на монитор 5 с помощью блока ввода информации 4. С компьютера 1 автоматизированного рабочего места  по каналам радиосвязи приказы диспетчера передается непосредственно на поезда.
Поддержка принятия решений для диспетчеров заключается в разработке нескольких вариантов пропуска поездов по полигону на различный временной горизонт для выбора одного из них в качестве основного. Одним из компонентов решения являются расписания пропуска заданных поездов, а также сценарии работы технических станций.
Например, пусть на полигоне находится N поездов, каждый из которых обладает массой, определенным составом, вагоны которого находятся в различном техническом состоянии и пр., сцеплен с определенным локомотивом (с определенной силой тяги, техническим состоянием и пр.). Данные поезда имеют разный приоритет, назначение и для них необходимо построить прогноз плана пропуска по участку, включая расположенные на нем станции.
Каждая станция характеризуется техническим состоянием (закрыты или открыты пути, какие поезда можно пропускать по каким путям), также есть информация о линии, о напряжении  в контактной сети, о сложившемся межпоездном интервале и т.п. Все эти сведения содержатся в базе данных блока 15 памяти, размещенного на одном из полигонных центров 14 обработки данных.
Поезда, двигаясь по участку, дополняют информационные потоки информацией о своем состоянии. Эта информация поступает через радиоканалы связи на сервер 13 центра обработки данных.
Система изо всей полученной информации формирует нормативно-справочную информацию, которая необходима для расчета плана пропуска, и преобразует ее в соответствии с форматами используемого программного обеспечения. Образуется так называемый сценарий, который закладывается в базу  нормативно-справочной информации блока 17. Сценарий выполнен в виде взаимоувязанного набора множеств, каждое из которых характеризует состояние всех элементов, которые влияют на план пропуска: «Инфраструктура», «Перегон», «Станция», «Поезд», «Отказы», «Локомотив», «Бригада» и пр.
Сценарий, подается на вход ансамбля упомянутых выше искусственных нейронных сетей. Первая сеть на основании поданного сценария формирует исходные данные для расчета варианта плана пропуска на имитационной модели.
Вторая сеть с учетом актуальной информации из базы данных блока 15 формирует схему имитационной модели, подключая или отключая необходимые ветви с помощью конструкции switch/case.
Созданная модель подвергается верификации в блоке 19. Верифицированная модель обладает конечным набором параметров, на котором можно осуществлять прогнозирование.
Через блок 20 интеграции модели в систему поддержки принятия решений и блок 21 формирования вариантов пропуска поездов модель встраивается в систему поддержки принятия решений для диспетчера. Поддержка принятия решений для диспетчера заключается в разработке нескольких вариантов пропуска поездов по полигону на различный временной горизонт для выбора одного из них в качестве основного. Одним из компонентов решения являются расписания пропуска заданных поездов, а также сценарии работы технических станций.
Эти варианты передаются с сервера 13 центра обработки данных в компьютер 1 диспетчера. Диспетчер, рассмотрев параметры предлагаемого системой плана, в том числе и по экономическим критериям (маршрутная скорость продвижения поездопотока на полигоне, времена, величина просрочек и коммерческих потерь), согласовывает вариант плана и вводит его в действие. В случае несогласования вариант возвращается в систему для перерасчета.
Расписания, при утверждении диспетчером предложенного плана, через радиоканалы доводятся для исполнения до машинистов поездов, а для контроля до поездных диспетчеров.
Планы работы технических станций передаются по корпоративной системе передачи данных РЖД станционным диспетчерам (маневровым диспетчерам).
Таким образом, предлагаемая система, за счет предоставления диспетчеру возможности более оперативного и оптимального управления, обеспечивает повышение маршрутной скорости  движения поездов по участку железной дороги.