Технологические и теоретические основы развития интелектуальных систем управления движением поездов

Интеллектуальные системы управления

УДК 625.1:004.94

И. М. Кокурин, д-р техн. наук

Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко Российской академии наук

A. А. Перевязкин

Научный информационно-аналитический центр - филиал АО «ВНИИЖТ»

Ю. И. Ефименко, д-р техн. наук

Кафедра «Железнодорожные станции и узлы»,

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I П. Е. Булавский, д-р техн. наук

Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

B. А. Шаров, д-р техн. наук

Кафедра «Управление эксплуатационной работой и безопасностью на транспорте», Российский университет транспорта

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ИНТЕЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

Исследуются свойства, особенности и перспективы развития комплекса систем диспетчерского управления, интервального регулирования и автоведения поездов. Особое внимание уделяется алгоритмическим и математическим описаниям процессов принятия и выполнения решений человеком-оператором, а также прогнозированию моментов времени достижения поездами координат в определенной последовательности на маршрутах движения. Показано, что для составления алгоритмического описания управления технологическим процессом специалист, принимающий решения по автоматизации, должен полностью выполнять все функции человека-оператора, управляющего этим процессом, а достоверное прогнозирование моментов времени прибытия поездов на станции возможно на основе тяговых расчетов и имитационного моделирования движения реальных поездов по диспетчерскому участку. Установлено, что объединение систем автоматизированного диспетчерского регулирования и центрального автоведения поездов в границах каждого диспетчерского участка обеспечит передачу на локомотивные устройства автоведения информации об адекватных изменяющимся условиям скоростях движения каждого поезда.

диспетчерское управление движением поездов; интервальное регулирование; автоведение поездов; алгоритмическое и математическое описания процессов принятия и выполнения решений; интеллектуальная система автоматизации управления движением поездов

Введение

Благодаря совершенствованию компьютерных технологий непрерывно расширяются технические возможности человеко-машинных интеллектуальных систем автоматизации управления движением на всех видах транспорта. Основной проблемой для специалистов в области автоматизации остается сложность составления формализованного алгоритмического и математического описаний процессов принятия и выполнения решений человеком-оператором и прогнозирования моментов времени достижения подвижной единицей координат на маршруте движения в определенной последовательности.

Показательными в этом отношении являются утверждения специалистов в области железнодорожной инженерной психологии и гигиены труда о том, что значительную долю рабочего времени поездные диспетчеры или дежурные по станциям наблюдают табло диспетчерской или электрической централиза-ций, не совершая действий, которые возможно разделить на отдельные технологические операции с целью алгоритмического описания и хронометража [1, 2]. Этими утверждениями обосновывается применение в научных работах эвристики, теории массового обслуживания и статистического моделирования для описания труда железнодорожного оперативного персонала. Данные методы не позволяют составлять формализованные алгоритмические описания процессов решений оперативным персоналом задач управления движением и на этой основе определять границы зон управления, не превышая установленную норму загрузки, оценивать эффективность автоматизации и разрабатывать программное обеспечение технических средств автоматизации. Соответствующее этим методам представление железнодорожного движения в виде потоков поездов исключает возможность прогнозирования моментов времени прибытия каждого поезда на станции диспетчерского участка, что необходимо для определения станций обгонов и скрещений и организации движения поездов.

Исследования [3, 4] показали, что для составления алгоритмического и математического описаний технологических процессов управления специалист, принимающий решения по автоматизации, должен полностью выполнять все функции человека-оператора, управляющего этим процессом, например, составлять список задач, решаемых человеком-оператором, и перечень технологических операций, выполняемых при их решении; определять источники, способы получения, обработки и передачи информации, составлять алгоритмы решения задач управления с учетом оценок вероятностей условий, требующих соответствующих технологических операций.

Алгоритмы создают основу для разработки программного обеспечения процессов автоматизации управления технологическими процессами и методики сбора статистических данных о затратах времени оперативного персонала и оценок вероятностей условий такой необходимости.

Методы, описанные в [5], успешно применяются при оценке соответствия загрузки железнодорожного оперативного персонала утвержденной норме, определении границ зон оперативного управления движением, распределении зон управления между персоналом и расчете его численности, а также при автоматизации функций управления.

Целью данной статьи является технологическое и теоретическое обоснование направлений развития интеллектуальных систем автоматизации управления движением поездов на основе формализованного алгоритмического и математического описаний процессов принятия и выполнения решений железнодорожным оперативным персоналом и прогнозирования моментов времени прибытия поездов на станции посредством тяговых расчетов и имитационного моделирования движения реально существующих поездов с известными параметрами, пропускаемых по каждой нитке графика, планируемой поездным диспетчером.

1 Состояние систем интервального регулирования движения поездов

Современный комплекс систем управления движением поездов на диспетчерском участке включает три уровня: поездного диспетчера, дежурных по станциям и машинистов поездов.

Машинист управляет поездом, руководствуясь установленными ограничениями скорости, показаниями светофоров, распоряжениями дежурных по станциям и поездного диспетчера, контролируя условия обеспечения безопасности движения, исправность поездов и инфраструктуры. Он выполняет важнейшую функцию обеспечения безопасности движения, исключить которую не представляется возможным в обозримом будущем. Это визуальный контроль наличия препятствий, требующих снижения скорости или остановки поезда (люди, животные, посторонние предметы, подвижные средства на переездах, неисправности пути и др.). До настоящего времени поезда без машинистов движутся только по линиям метрополитенов Франции, Испании и некоторых других стран, можно также привести в пример поезд на магнитной левитации между центром города Шанхай и аэропортом. В России на железнодорожном транспорте широко применяются системы автоматики и телемеханики, обеспечивающие интервальное регулирование и безопасность движения. На всех типах локомотивов, в том числе на скоростных участках железных дорог с автономной и электрической тягой постоянного и переменного тока, устанавливается устройство КЛУБ-У [6].

Учитывая сложную зависимость длины тормозного пути от его профиля и плана и различия тормозных сил поездов, машинистам приходится решать трудные задачи снижения скоростей на блок-участках разной длины до тре-

буемой скорости проезда напольного светофора с желтым огнем и до остановки перед светофором с красным. При этом требуется соблюдать режим снижения скорости приближения к светофору с красным огнем, не превышая постоянные и временные ограничения установленной скорости.

Высокая ответственность машинистов за превышение скорости обусловливает излишнее снижение последней, что уменьшает пропускную способность железнодорожного участка и увеличивает расход энергии на тягу поездов.

Эти задачи машинисту помогает решать система автоматического управления торможением поезда (САУТ-ЦМ) [7]. Информацию о расстояниях до светофоров и их показаниях эта система получает с помощью многочисленных напольных технических средств (шлейфы, частотные генераторы). После разработки новой системы интервального регулирования и автоведения поездов такую постоянную информацию можно будет вводить в базу данных системы и использовать при тяговых и имитационных расчетах.

Система интервального регулирования движения поездов на основе спутниковых навигационных средств цифрового радиоканала с координатным методом контроля [8, 9] может повысить пропускную способность железнодорожных линий за счет сокращения межпоездных интервалов, при условии приема поездов на станции без задержек.

Анализ показывает, что технические возможности рассматриваемых систем интервального регулирования движения поездов ограничивают пропускную способность железнодорожных участков по ряду причин.

Длины блок-участков автоблокировки делают не меньше максимального тормозного пути поездов, обращающихся на данном участке (во многих случаях и больше), а использование защитных участков дополнительно увеличивает минимальное межпоездное расстояние и межпоездной интервал.

Системы КЛУБ-У и САУТ-ЦМ сохраняют межпоездные расстояния, применяемые при автоблокировке, которые требуется обеспечить для движения поездов на зеленые огни светофоров. САУТ-ЦМ сокращает длительность проследования поездом блок-участков с торможением, но повышение участковой скорости за счет этого может быть достигнуто только при отсутствии движения поезда на желтые огни светофоров.

Все применяемые в настоящее время системы обеспечения безопасности и интервального регулирования движения поездов не прогнозируют моменты времени прибытия поездов на станции диспетчерского участка, освобождения путей на технических станциях, прекращения и начала приема поездов на соседние диспетчерские участки. Поэтому они не способны использовать эту информацию для достижения максимально ускоренного пропуска поездов по диспетчерским участкам посредством автоматического регулирования скоростей.

2 Анализ возможностей использования систем автоведения поездов

Трудности с соблюдением расписания у машинистов возрастают с увеличением размеров и неравномерности движения, что, сокращая межпоездные интервалы, увеличивает взаимные задержки поездов. В этих условиях эффективно использование автоведения поездов, основанного на тяговых расчетах и имитационном моделировании.

Автономная система автоведения использует технические средства тяговых расчетов, размещаемые только на локомотивах, что существенно ограничивает возможности эффективного использования такой системы.

Анализ показывает, что автономное автоведение обеспечивает непревышение установленной скорости поездов всех категорий и предусмотренные нормативным расписанием моменты времени прибытия, отправления и длительности стоянок пассажирского поезда только при зеленых сигнальных показаниях локомотивного индикатора на участке движения поезда без обгонов и скрещений.

При автономном автоведении [10] особенности различных категорий поездов приходится учитывать в конструкции систем. Это приводит к использованию разнообразных систем автоведения: пригородных электропоездов (УСАВП), электровозов грузового движения постоянного (УСАВП-Г) и переменного (УСАВП-ГПТ) тока, пассажирских электровозов (УСАВ-П), магистральных тепловозов (УСАВП-Т), грузового поезда повышенной длины и массы (УСАВП-РТ), сдвоенного электропоезда (УСАВП-С). Многообразие систем автономного автоведения затрудняет их проектирование, изготовление, техническое обслуживание и работу машинистов.

Переход на центральное автоведение позволит устанавливать на локомотивы всех категорий поездов упрощенное устройство автоведения, для которого центр управления рассчитывает и передает требуемые покоординатные скорости движения с учетом параметров каждого поезда.

Практика эксплуатации автономных систем автоведения поездов показывает, что, в случае появления желтого огня на локомотивном светофоре при вступлении поезда на блок-участок перед проходным или станционным светофором в режиме безостановочного пропуска, машинисты немедленно начинают вручную снижать скорость в надежде увеличить межпоездной интервал и не допустить остановку поезда, особенно повышенной массы или длины. В этих случаях нередко происходит излишнее снижение скорости поезда с последующим ее увеличением, что влечет потери времени и энергии на тягу поездов и снижение участковой скорости.

С ростом размеров и неравномерности движения поездов возрастают их отклонения от расписания и расстояния при желтых огнях локомотивных светофоров. При этом возможности реализации энергоэкономных режимов

ведения поездов, рассчитываемых автономной системой автоведения, резко уменьшаются.

На станциях с пересекающимися маршрутами поездов разных назначений поездным диспетчерам приходится рассчитывать вручную моменты времени их приближения к станции, определять наилучшую очередность прибытия, создающую наименьшие задержки, что замедляет или ускоряет фактическое движение одного из поездов, и передавать указания машинистам по поездной радиосвязи. По причине высокой и неравномерной загрузки поездных диспетчеров это удается не во всех необходимых случаях, тогда как система центрального автоведения сможет успешно решать эту задачу.

Эффективное применение центрального автоведения полностью зависит от соответствия задаваемых центром управления каждому поезду покоординатных скоростей условиям его пропуска по диспетчерскому участку. Это соответствие прямо зависит от точности прогноза параметров движения каждого поезда.

Опыт подтверждает, что с увеличением длительности периода прогнозирования расписания движения, особенно грузовых поездов, фактическое количество поездов, пропущенное по прогнозному расписанию, уменьшается. Поездному диспетчеру, особенно на однопутном участке, в течение смены приходится корректировать предварительно намеченные линии хода поездов по множеству причин [11].

Повышение приоритета поезда в процессе движения влечет ускорение его пропуска по диспетчерскому участку. Выдача предупреждений об изменениях установленной скорости меняет запланированные моменты времени прибытия поездов на станции. Все это требует замены запланированных станций обгонов и скрещений с целью сокращения длительности стоянок поездов, что может успешно выполняться только под руководством поездного диспетчера в пределах его участка.

Увеличение длительности прогнозирования расписания на предстоящие сутки и более исключает возможность учета указанных факторов, что лишает прогнозное расписание актуальности, без корректировки диспетчера оно с большой вероятностью становится непригодным для передачи на исполнение машинистам. Кроме того, по каждой нитке такого графика должен быть отправлен поезд заданной массы и длины, включая поезда местного формирования. Это возможно далеко не для всех ниток графика, что влечет необходимость его изменения в процессе организации пропуска поездов по диспетчерскому участку.

На основе анализа статистических данных о параметрах движения поездов в условиях центрального автоведения [12] станет возможным использование этих данных в процессе прогнозирования моментов времени прибытия поездов на станции диспетчерского участка и дальнейшее развитие возмож-

ностей предлагаемой интеллектуальной системы управления движением поездов.

Заключение

Предлагаемая интеллектуальная система управления движением поездов на основе объединения автоматизированного диспетчерского регулирования и центрального автоведения в пределах каждого диспетчерского участка способна рассчитывать и передавать на локомотивные устройства автоведения для исполнения информацию о покоординатных скоростях, адекватных изменяющимся условиям движения каждого поезда. Периодически получая прогнозы параметров движения каждого поезда с диспетчерских участков, центральное информационное устройство полигона сможет выдавать в максимальной степени достоверные прогнозы прибытия каждого поезда на стыковые станции регионов и другие технические станции.

Библиографический список

1. Гигиена и психология труда на железнодорожном транспорте / Под ред. А. А. Прохорова. - М. : Транспорт, 1973. - 263 с.

2. Нарсесян Л. С. Инженерная психология и проблема надежности машиниста / Л. С. Нарсесян, O. A. Конопкин. - М. : Транспорт, 1978. - 239 с.

3. Кокурин И. М. Формализация расчета загрузки железнодорожных операторов / И. М. Кокурин // Вестник ВНИИЖТа. - 1983. - № 5. - С. 51-54.

4. Кокурин И. М. Метод распределения зон и функций управления движением на технических станциях, основанный на расчетах загруженности оперативно-диспетчерского персонала / И. М. Кокурин, К. Е. Ковалев // Международная научно-практическая конференция «Транспорт России : проблемы и перспективы - 2013». - СПб. : ИПТ РАН, 2013. - С. 110-113.

5. Кокурин И. М. Методические указания по расчету численности работников железнодорожных станций, занятых приемом, отправлением поездов, маневровой работой и отправлением составов / И. М. Кокурин, А. Б. Никитин, Н. А. Сапунов [и др.] // Сб. Проектного и внедренческого центра организации труда МПС. -М. : МПС, 1994. - 89 с.

6. Комплексное локомотивное устройство Клуб-У. - URL : scbist.com.

7. Система автоматического управления торможением САУТ-ЦМ. - URL : ru.wikipedia.org.

8. Система интервального регулирования движения поездов. - URL : rzd-expo.ru.

9. Система интервального регулирования движения поездов на основе спутниковых навигационных средств цифрового радиоканала с координатным методом контроля. - URL : http://poleznayamodel.ru/model79/93766.html poleznayamodel.ru.

10. Системы автоведения поездов. - иЯЬ : avpt.ru.

11. Кокурин И. М. Автоматизация информационной поддержки принятия решений поездным диспетчером при организации движения поездов / И. М. Кокурин, А. Б. Васильев // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 2. - С. 156-167.

12. Кокурин И. М. Теоретические и технологические основы построения адаптивной системы диспетчерской централизации / И. М. Кокурин // Автоматика на транспорте. - 2017. - Т. 3. - № 3. - С. 345-354.

Joseph M. Kokurin Solomenko Institute for transport problems Russian academy of sciences

Alexander A. Perevyazkin Scientific Information and Analytical Center -Branch of JSC VNIIZhT

Peter E. Bulavskiy, Juriy I. Efimenko Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Victor A. Sharov Russian University of Transport, Transport operation and safety management on

Technological and theoretical basis to develop the intellectual trains

traffic control systems

The article deals with investigations are concerning the properties, peculiarities and perspectives of complex systems implementation for train dispatching, interval separation and trains' auto driving. A special attention is paid to problems concerning the algorithm and mathematical descriptions for decision making and fulfilling processes, that man-operator has to do and the importance of prognosis for trains time arriving to the coordinates on its route. It's demonstrated to create the algorithm description for technological process the decision making specialist must be able to fulfill all the functions of the man-operator controlling the process to be automated. The satisfactory trains' arrival time prognosis is available by means of calculations and trains movement's simulation. It's determined the complex of centralized traffic control and trains auto driving within the limits of every dispatcher's control zone is able to calculate and transmit to the locomotives for execution the coordinate speeds adequate to the changing movement conditions for every train.

centralized traffic control; trains auto driving; algorithm and mathematical descriptions for decision making and fulfilling processes; intellectual trains traffic control system

References

1. Prokhorov A. A. (1973). Hygiene and labor psychology on rail transport [Gigiena i psihologiya truda na zheleznodorozhnom transporte], ed. A.A. Prokhorova. Moscow, Transport [Transport]. - 263 p.

2. Narsesyan L. S., Konopkin O.A. (1978). Engineers' psychology and the engineer's reliability problem [Inzhenernaya psihologiya i problema nadezhnosti mashinista]. Moscow. - 239 p.

3. Kokurin I. M. (1983). Formalization for the railroad operators' load calculation [For-malizatsiya rascheta zagruzki zheleznodorozhnyh operatorov]. Vestnik of the Railway Research Institute [Vestnik vniizhta], issue 5. - Pp. 51-54.

4. Kokurin I. M., Kovalev K. E. (2013). Method for the zones and functions distribution concerning the traffic control on railway stations based on the operational personal load calculations [Metod raspredeleniya zon i funktsij upravleniya dvizheniem na tekhnicheskih stantsiyah osnovannyj na raschetah zagruzhennosti operativno-dis-petcherskogo personala]. St. Petersburg, IPT RAN. - Pp. 110-113.

5. Kokurin I. M., Nikitin A. B. (1994). Methodical recommendations concerning the railroad stations labor calculations controlling the traffic and shunting works [Meto-dicheskie ukazaniya po raschetu chislennosti rabotnikov zheleznodorozhnyh stantsij zanyatyh priemom otpravleniem poezdov manevrovoj rabotoj i otpravleniem sostavov]. Collection of the Project and Implementation Center for Lobor Organization of the Ministry of Railways [Sbornik proektnogo i vnedrencheskogo tsentra organizatsii truda MPS]. Moscow, MPS. - 89 p.

6. Complex locomotive equipment KLUB-U [kompleksnoe lokomotivnoe ustrojstvo KLUB-U]. URL: scbist.com.

7. System for the automatic brakes control saut-tsm.ru [sistema avtomaticheskogo upravleniya tormozheniem]. URL: saut-tsm.ru.

8. System for the interval trains regulation [sistema intervalnogo regulirovaniya dvi-zheniya poezdov]. URL: rzd-expo.ru.

9. System for the interval trains regulation based on Glonass/GPS [Sistema intervalnogo regulirovaniya dvizheniya poezdov na osnove sputnikovyh navigatsionnyh sredstv tsi-frovogo radiokanala s koordinatnym metodom kontrolya]. URL: http://poleznayamodel. ru/model/9/93766.html poleznayamodel.ru.

10. Trains auto drive system [sistemy avtovedeniya poezdov]. URL: avpt.ru.

11. Kokurin I. M., Vasilev A. B. (2015). Automation of decision-making information support for train dispatcher for train traffic organization [Avtomatizaciya infor-macionnoj podderzhki prinyatiya reshenij poezdnym dispetcherom pri organizacii dvizheniy poezdov]. Automation on Transport [Avtomatika na transporte], vol. 1, N 2. - Pp. 156-167.

12. Kokurin I. M. (2017). Theoretical and technological foundation of constructing a self-organizing centralized traffic control system [Teoreticheskie i tekhnologicheskie osnovy postroeniya adaptivnoj sistemy dispetcherskoj tsentralizatsii]. Automation on Transport [Avtomatika na transporte], vol. 3, issue 3. - Pp. 345-354.

Статья представлена к публикации членом редколлегии Вал. Сапожниковым Поступила в редакцию 29.01.2018, принята к публикации 16.02.2018

КОКУРИНИосиф Михайлович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории проблем организации транспортных систем Института проблем транспорта им. Н. С. Соломенко Российской академии наук (ИПТ РАН), Санкт-Петербург. е-шаИ: kokyrinim@mail.ru

ПЕРЕВЯЗКИН Александр Александрович - инженер, начальник сектора Научного информационно-аналитического центра - филиала АО «ВНИИЖТ», Санкт-Петербург. е-шай: perevsasha@yandex.ru

БУЛАВСКИЙПетр Евгеньевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I.

e-mail: pbulavsky@gmail.com

ЕФИМЕНКО Юрий Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Железнодорожные станции и узлы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. e-mail: kjdstan@pgups.edu

ШАРОВ Виктор Александрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление эксплуатационной работой и безопасностью на транспорте» Российского университета транспорта (МИИТ). e-mail: vasharov_miit@mail.ru

© Кокурин И. М., Перевязкин А. А., 2018 © Ефименко Ю. И., Булавский П. Е., Шаров В. А., 2018