Оптимальное проектирование многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов

Технические средства и системы железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) непосредственно обеспечивают безопасность движения поездов. Это системы диспетчерского управления и контроля, выдающие команды управления к устройствам централизации на станциях и блокировки на перегонах, а те, в свою очередь, управляют стрелочными переводами и показаниями светофоров. Отказы в этих системах создают предпосылки появления опасных ситуаций, ведущих к авариям и катастрофам.

В настоящее время общее состояние технических средств ЖАТ характеризуется высокой степенью их старения. Модернизация устройств ЖАТ стандартными методами приводит к значительным и неоправданным затратам, так как при этом уровень обеспечения безопасности повышается незначительно, а сроки окупаемости высоки. Кроме того, происходит ухудшение качественного и количественного уровня обслуживающего персонала, что приводит к повышению роли «человеческого фактора», рост вандализма еще более усложняет ситуацию.

Изменение создавшегося положения достигается применением принципиально новых систем (АБТЦМ, КЛУБ-У, МПЦ, РПЦ, ДЦ и др.), внедряемых на сети дорог, при их совместном использовании, интеграции их аппаратного, программного и функционального обеспечения в одну многоуровневую систему управления и обеспечения безопасности движения поездов (ИСУБД). В такой системе, наряду с традиционными средствами контроля поездного положения, передачи и обработки информации внутри систем и между стационарными и мобильными средствами, должны использоваться новые методы (счетчики осей, радиотехнические средства контроля, цифровые системы передачи информации, в том числе по радиоканалу, спутниковая навигация др.). Одновременно должен проводиться процесс интеграции устройств автоматики, выполняющих логические функции контроля и управления на станциях и перегонах.

При увеличении длины участка управления поездного диспетчера степень автоматизации управления должна обеспечивать требуемый уровень размеров и безопасности движения поездов. Поэтому назрела необходимость изменить подход к созданию систем СЦБ: от локальных устройств по выполняемым функциям (ЭЦ, ДЦ, АБ и т.д.) к технологически замкнутым системам управления движением поездов и маневровой (сортировочной)работой.

Таким образом, необходима управляющая система с несколькими структурами уровней иерархий: по управлению движением поездов, по обеспечению живучести системы управления, по эффективности технического обеспечения в зависимости от интенсивности и скорости движения поездов, по безопасности. Такие системы управления относятся к классу сложных иерархических систем с переменной структурой, сложность которых имеет разные формы своего проявления.

Обычно сложность системы оценивают объемом информации, необходимой для адекватного описания ее свойств. Для снижения сложности систем применяют их разделение (декомпозицию) на некоторые компоненты, рассматриваемые по частям в процессе их анализа и синтеза. Однако при изучении многоуровневых интегрированных систем возникают трудности определения ожидаемых свойств и показателей качества в целом по характеристикам их элементов, связанные с несводимостью свойств системы к сумме свойств ее компонентов. Для получения такой оценки необходимо рассматривать проектируемую систему как целостную организацию во всем многообразии возможного ее пространственного, структурного, функционального и параметрического построения, так как только в этом случае могут быть определены условия достижения оптимального компромисса между характеристиками ее элементов.

Снижение сложности системы ее декомпозицией приводит к усложнению методов ее оценки и оптимизации в целом. Поэтому возникает задача организации многоуровневых процедур принятия решений и их координации для достижения целостности создаваемой системы и оптимальности в определенном смысле ее характеристик. Эта задача усложняется тем, что современные многоуровневые системы, как правило, создаются несколькими коллективами разработчиков (проектировщиков), каждый из которых стремится получить наилучшие результаты от своей части проекта. Кроме того, системы ЖАТ отличаются специфическими особенностями, такими как многокрите-риальность оценки качества, распределенность в пространстве аппаратуры и источников информации (что требует включения каналов передачи информации в контуры управления), наличие стационарных и подвижных объектов управления и контроля, повышенные требования по безопасности, надежности и живучести, что еще более усложняет задачу оптимального проектирования ИСУБД.

В настоящее время достаточно хорошо проработаны и используются на практике методы оптимизации одноуровневых решений, теория оптимизации многоуровневых систем практически не разработана. Это связано с необходимостью координации принимаемых локальных решений на уровне элементов систем, обеспечивающих достижение оптимальной организации проектируемой системы в целом. Эта задача решается методами итерационного процесса последовательного согласования технических предложений разработчиков отдельных компонентов, при этом роль координатора выполняет головная организация (или заказчик). Такой подход не позволяет, как правило, получить действительно оптимальное решение, так как не могут быть заданы строгие правила координирующих воздействий, обеспечивающие достижение этого решения (не говоря об организационных трудностях). Кроме того, системы управления движением поездов обладают рядом особенностей (многокритериальность оценки качества, необходимость обмена информацией между распределенными в пространстве подвижными и неподвижными компонентами системы, требования безопасности, надежности и живучести выполняемых функций), не позволяющих применять известные методы оптимизации.

Выбор методов и принципа координации и возможность достижения на их основе оптимального решения поставленной проектной задачи определяется соотношениями между целевой функцией системы, назовем ее глобальной, и локальными целевыми функциями составляющих систему компонентов. Для этих отношений существуют характерные внутриуровневые и межуровневые конфликты, возникающие вследствие несовпадения условий оптимума локальных и глобальных целевых функций. Кроме того, переход к новому конструктивно-схемному локальному решению приводит к дискретному изменению глобальной целевой функции при одновременном дискретном изменении условий совместимости локальных решений, что нарушает свойство монотонности взаимоотношений как внутри уровней системы, так и между ее уровнями.

Приведенные причины определяют несоблюдение принципов координируемости процесса кооперативных разработок, что не позволяет получать строго оптимальные решения на уровне сложной системы в целом. На практике часто ограничиваются практически приемлемыми решениями, отказываясь от требования их глобальной оптимизации. Решение этой проблемы приобрело особую актуальность в современных условиях существенного усложнения разрабатываемых технических средств управления и обеспечения безопасности движения поездов. Некоторые подходы к решению данной задачи имеются, но они рассчитаны на применение при ограниченном количестве функций системы и ее сравнительно простой структуре.

Все сказанное справедливо и при автоматизации проектирования элементов сложных технических систем, требующем создания и применения формальных методов индукции решений с использованием средств искусственного интеллекта. Методы формальной логики недостаточно развиты в области индукции, поэтому формирование образа всего сложного объекта в целом продолжает оставаться за человеком. Поэтому требуется создание формальных методов индукции проектных решений для координации кооперативных разработок и оптимизации структурно-параметрических решений сложных многоуровневых систем.

Глобальное оптимальное решение можно получить в результате сопоставительного анализа скоординированных вариантов организации разрабатываемой системы во всем возможном их многообразии, т.е. путем полного перебора возможных проектных решений. Но определить это многообразие эвристическими методами и выбрать наилучшее из них таким образом практически невозможно без такой стратегии формирования системы, которая обеспечивала бы совместимость операций ее пространственной, структурной и параметрической оптимизации.

Многообразие возможных организаций сложной системы требует создания формальных методов, основанных на применении средств вычислительной техники и основанных на них методов автоматизированного проектирования. Это может быть возможным только при определении общих принципов организации систем данного класса, а также возможных способов их технической реализации. Такой подход позволит избежать априорного задания эвристически выбранных допустимых вариантов организации сложной системы и направленно формировать ее оптимальную пространственную, структурную и параметрическую организацию по выбранным критериям с учетом ин-тегративного эффекта.

В основе показанного подхода лежат методы композиционного проектирования, которое целесообразно использовать, в первую очередь, при кооперативной разработке сложных систем с явно выраженным комбинаторным аспектом. К таким системам относятся агрегатив-ные системы, представляющие собой функционально необходимую совокупность конечного числа агрегатов и связей между ними, обеспечивающих преобразование первичного продукта (энергии, информации и др.) в некоторое множество конечного продукта требуемого вида и качества. Под агрегатом при этом понимается некоторое техническое устройство, обеспечивающее преобразование или передачу некоторого продукта с целью выполнения заданной функциональной операции. В агрегативной системе допускаются любые технически реализуемые промежуточные преобразования продукта, если это целесообразно для достижения требуемого эффекта.

Сформулируем целевые функции процесса принятия многоуровневых решений при кооперативной разработке сложных технических систем. Допустим, что существует некоторая целевая функция, изменение (минимизация или максимизация) которой при заданных ограничениях на остальные параметры системы соответствует принятым условиям оптимальности этой системы:

где хij —координирующее воздействие головной организации на предложенное i-м соисполнителем, i=1,..N, j -е локальное техническое решение;

уij — предложенное i -м соисполнителем, i=1,..N, j -е локальное техническое решение;

N — число соисполнителей проводимой разработки сложной системы;

Ji — полное многообразие технических решений, которые могут быть использованы для решения задачи, поставленной перед i-м соисполнителем.

Допустим также, что i-й соисполнитель при выборе им j-го локального решения руководствовался некоторой целевой функцией, минимизация которой приводит к достижению наилучших показателей разрабатываемого элемента проектируемой системы:

Оптимальное координирующее воздействие х.. головной организации на предложенное i-м соисполнителем j-е локальное техническое решение должно осуществляться с учетом предложенных решений всеми другими соисполнителями и выполненных корректировок этих решений, т.е.

где аijijij — скорректированное j-е локальное техническое решение i-го соисполнителя кооперативных разработок сложной системы.

С учетом сказанного целевая функция головной организации преобразуется к виду:

Если полученная целевая функция удовлетворяет условиям аддитивности, то:

откуда условия выбора локальных решений соисполнителями определяются векторным критерием:

где — проекции векторных критериев цijij) и цijij) на ось Ц функционального пространства Ф (Ц хij уij).

Таким образом, характерным признаком системы управления кооперативно выполняемыми разработками сложных технических комплексов является наличие на каждом уровне иерархии собственных целей при имеющейся общей цели. Для обеспечения оптимального управления в таких системах необходимо располагать информацией об условиях возможного компромисса между всеми соисполнителями с учетом всего многообразия допустимых локальных решений Ji, i=1,..,N.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 






 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.