Оптимизация структуры систем диспетчерского управления движением поездов
Движение поездов на железнодорожном транспорте относится к сложным объектам управления. Это обусловлено распределенными
в пространстве объектами управления при большом их количестве, наличием подвижных объектов, перемещающихся в пространстве,
часто со случайным характером исходных параметров и необходимостью быстрого принятия решения с высокой ответственностью за
безопасность управляемого процесса. В системе управления процессом перевозок диспетчер включен в контур управления работой
участка железной дороги. Ограниченные психофизиологические возможности человека - диспетчера снижают пропускную способность
всей системы.
Применяемые меры по снижению нагрузки диспетчера далеко не всегда приводят к положительным результатам. Так, например,
для снижения нагрузки диспетчера практикуется уменьшение протяженности управляемого им участка железной дороги. При этом
среднее число поездов, находящихся одновременно в зоне ответственности диспетчера, уменьшается, но возрастает сложность системы
управления (увеличивается количество диспетчерских участков), возрастает нагрузка на диспетчера по согласованию условий движения
поездов со смежными участками, снижается точность прогноза поездной ситуации и возможности выбора вариантов по управлению
в сложных или конфликтных ситуациях.
Проблему повышения эффективности управления движением поездов необходимо решать не частными, односторонними мероприятиями,
направленными на улучшение характеристик отдельных показателей или реализацию отдельных функций, их автоматизацию, а только
комплексными методами на основе результатов анализа всего технологического процесса.
Обоснование различных организационно-технических решений требует применения средств и методов системного анализа, при
этом каждое техническое решение или функциональная операция оценивается одним или несколькими показателями и характеризуется
рядом факторов, определяющих значение показателей. Обязательным этапом системного анализа является построение математической
модели, отображающей компоненты системы: процессы, объекты и структурную связь между ними. Для разных подсистем и процессов
управления движением поездов, включающих объекты разной природы и сложности, необходимо множество моделей, от простейших
аналитических до весьма сложных имитационных.
Система диспетчерского управления (СДУ) движением поездов относится к сложным системам с иерархической структурой управления,
основными характеристиками которой являются:
- наличие замкнутых подсистем с явно выраженными локальными свойствами;
- существование глобального критерия оптимальности для системы в целом и частных (локальных) критериев для отдельных
подсистем;
- иерархичность структуры управления с установленными уровнями подчиненности;
- тесная информационная связь между подсистемами, а также между всей системой и взаимодействующими с ней другими
системами этого или более высокого иерархического уровня;
- наличие человека-оператора в составе практически каждой подсистемы, часто замкнутость подсистем осуществляется через
человека, принимающего решения.
СДУ призвана обеспечить бесперебойное и безопасное движение поездов с заданной пропускной способностью участка диспетчерского
управления. Это требует сбалансированного планирования всех передвижений и нахождения каждого поезда в процессе выполнения
графика движения поездов (ГДП) под постоянным контролем и управлением СДУ. Для успешного решения поставленных задач необходима
рациональная организация СДУ и обеспечение ее техническими средствами сбора, передачи и обработки информации, выполнения
возложенных на нее функций [2].
Важнейшей задачей построения оптимальной структуры управления является выбор функциональной организации системы с последующим
разделением ее на более мелкие элементы с рациональной группировкой их в зависимости от используемых методов и средств для
решения конкретной задачи. Второй задачей, требующей решения после выбора функциональной структуры, является выбор набора
функций и алгоритмов их реализации в каждой из подсистем, оптимальных в смысле достижения минимума затрат (средств, времени)
на достижение целей системы.
Оперативное диспетчерское управление предназначено для реализации движения запланированных в ГДП поездов с целью обеспечения
их безопасности, экономичности и точности выполнения ГДП. Безопасность достигается выполнением установленных норм иногда
даже в ущерб остальным требованиям.
В качестве критерия, оценивающего качество организации движения поездов и СДУ, может быть принята сложность СДУ, приходящаяся
на один поезд:
pорг = K/N → min
при N>nN Nзад; Б > Бзад; З → min;
Э → max; В → max,
где К-общая сложность СДУ;
N, Nзад - максимальная и заданная пропускные способности системы;
nN -резерв пропускной способности системы;
Б, Бзад - достигнутый в системе и заданный уровни
безопасности движения поездов;
З - затраты на внедрение и содержание СДУ; I
Э - экономичность организации движения поездов;
В - степень выполнения задач, стоящих перед каждой службой, обеспечивающей движение поездов.
Сложность СДУ представляет собой безразмерную величину, которая характеризует организацию движения поездов и системы
управления, а также затраты времени оперативным персоналом на обслуживание потока поездов. Наиболее простым способом определения
сложности СДУ является экспертный, позволяющий сравнивать между собой различные варианты организации движения и СДУ в зависимости
от интенсивности и характера движения, структуры путевого развития участка, маршрутов следования поездов, количества станций
и объема их работы (включая маневровую), организации диспетчерских участков и взаимодействия их между собой.
В этом случае сложность СДУ для усредненного участка определяется как
КСДУ = Σ σiKi,- по всем i от 1 до
n, ..V- »,,
где Ki - условные баллы сложности соответственно путевого развития участка, станций, интенсивности
движения поездов, наличия особых поездов и т.д.;
σi - коэффициенты важности соответствующего фактора, определенные экспертами.
Сложность СДУ в целом по региону управления равна Кp = т КСДУ,
где т - количество участков диспетчерского управления.
Эффективным методом определения сложности СДУ, позволяющим учитывать все факторы, влияющие на нее при
различных технических средствах и методах организации работы, является статистическое моделирование.
Одной из важных характеристик любой сложной системы управления является оптимальное сочетание принципов «централизации»
и «децентрализации» [3], которые должны реализоваться в СДУ.
Органы оперативного управления, расположенные на нижнем уровне иерархии, самостоятельно решают свою тактическую задачу
— управление работой конкретных станций и диспетчерских участков. Они оперируют быстро меняющейся информацией о поездной
ситуации и ходе маневровой работы. На верхних уровнях иерархии управления проводится анализ сложившейся ситуации, выявляются
отклонения от планового графика технологического процесса и решается стратегическая задача координации работы нижних уровней,
смежных по управлению между собой.
Основным элементом СДУ является человек - диспетчер. От того, насколько рационально решен вопрос взаимодействия диспетчера
(на каждом иерархическом уровне управления) с техническими средствами, во многом зависит эффективность всей системы.
В качестве примера системного подхода рассмотрим два варианта построения СДУ в некотором регионе.
Первый вариант предусматривает трехуровневое построение СДУ:
- в целом по сети железных дорог - департаментом перевозок ОАО «РЖД» (ЦУП);
- в пределах дороги - службой перевозок (Д);
- на отдельных участках — отделами перевозок отделений железной дороги (НОД).
Во втором варианте управление осуществляется по двухуровневой структуре:
- в целом по сети железных дорог - департаментом перевозок ОАО «РЖД» (ЦУП);
- в пределах дороги - службой перевозок (Д) с переводом в нее управления на отдельных участках.
С точки зрения выполняемых функций, информационного обеспечения и степени централизации управления оба варианта
равнозначны. Современные средства передачи информации, цифровые оптоволоконные линии связи позволяют обеспечить
оперативный и диспетчерский персонал необходимой информацией на любом уровне.
Во втором варианте практически осуществлено механическое перемещение средств управления с третьего уровня (отделение)
на второй уровень (дорога) без изменений функций СДУ. Поводом для такого решения явилась необходимость концентрации управления
всем перевозочным процессом в одном месте - в едином дорожном центре управления (ЕДЦУ). Однако по сложившейся практике и
существующим нормативным документам управление движением поездов должен осуществлять один человек - поездной диспетчер независимо
от того, где он находится: в ЕДЦУ дороги или в центре управления отделения.
Таким образом, рассматриваемые варианты построения структуры СДУ равнозначны по функциям и эффективности управления технологическими
процессами, но значительно различаются объемом технических средств и способами представления, передачи и обработки информации,
связанной с обеспечением бесперебойности и безопасности перевозочного процесса.
Это выражается в следующем.
1. Достоверность передачи информации для СДУ (команд телеуправления ТУ и телесигнализации ТС) определяется:
- качеством работы аппаратуры приема, передачи и обработки сообщений;
- способами защиты информации от искажения (вид выбранного кодирования, организация протокола обмена
и т.д.).
Для аппаратуры приема, передачи и обработки информации качество работы в смысле достоверности получаемой информации определяется
вероятностью ее безотказной работы. К такой аппаратуре относятся устройства линейных пунктов ДЦ (на станциях участка) и станций
связи, устанавливаемых в отделениях дороги, а при концентрации управления движением поездов в ЕДЦУ добавляются станции связи
в отделении и управлении дороги для осуществления передачи информации между ними. При равных условиях достоверность передачи
информации, определяемая безотказностью аппаратуры, во втором случае будет ниже, чем в первом, причем это касается как команд
ТУ, так и сообщений ТС.
2. На достоверность информации, передаваемой по каналам связи, основное влияние
оказывает количество трансляционных пунктов в тракте передачи. Естественно, во втором случае количество переприемов информации
в трансляционных пунктах увеличивается, причем не только за счет дополнительного переприема в станции связи, расположенной
в отделении дороги, но и за счет случайного количества маршрутизации информационных потоков в каналах передачи информации
между отделением дороги и ЕДЦУ.
3. Для обеспечения безопасности движения поездов, в том числе информационной
безопасности, к каналам передачи команд ТУ и ТС систем ДЦ предъявляются определенные требования, в том числе по времени передачи сообщений,
приводящие к необходимости выделения этих каналов, исключения несанкционированного доступа
к ним и т.д. При втором варианте структуры СДУ эти требования должны выполняться и в канале связи между отделением дороги и
ЕДЦУ, что приводит к усложнению средств, а, следовательно, к удорожанию организации этого канала и снижению эффективности
системы связи. Так, для каждого диспетчерского участка необходимо иметь отдельный канал передачи сигналов ТУ и ТС от ЕДЦУ через
отделение дороги до устройств линейных пунктов на станциях участка. В первом варианте такие каналы необходимы только в тракте
передачи сигналов ТУ и ТС от центра управления в отделении дороги до линейных пунктов на станциях участка. Между отделением дороги
и ЕДЦУ может использоваться групповой канал для передачи только сигналов ТС от всех диспетчерских участков данного отделения.
При построении устройств центрального поста СДУ используются
локальные вычислительные сети (ЛВС) для обмена информацией И между станциями связи ДЦ, АРМ поездных диспетчеров, системами
верхнего уровня управления и др. В первом варианте структуры СДУ необходимы ЛВС в отделениях дороги с числом абонентов до 10 - 12 и ЛВС в
ЕДЦУ для объединения станций связи, и АРМ дорожных диспетчеров (ДГП). Во втором варианте необходима мощная ЛВС для обмена информацией между
всеми абонентами - операторами
СДУ, станциями связи и т.д. с достаточно мощным сервером. Естественно, требования по достоверности, скорости передачи, ограничениям
несанкционированного доступа (необходима установка «шлюзов»)
к такой ЛВС будут выше. Следовательно, ее стоимость и сложность возрастут, а надежность снизится.
Объединение всех устройств СДУ в одну информационную сеть в ЕДЦУ при втором варианте структуры СДУ снижает живучесть
системы, т.к. отказ одного ее элемента, например ЛВС, приводит к отказу всей СДУ дороги.
Таким образом, по критериям надежности, живучести и безопасности второй вариант построения структуры СДУ имеет более
низкие показатели, чем первый, при равных возможностях по оперативному (стратегическому и тактическому) управлению. По экономическим
показателям (стоимость оборудования, эксплуатационные затраты) он также проигрывает первому варианту. К; С точки зрения организации
управления процессом перевозок первый вариант также имеет неоспоримые преимущества: оперативный персонал, в первую очередь
поездные диспетчеры находятся ближе к объектам управления и могут чаще их посещать
для ознакомления с эксплуатационной обстановкой, как это требуется нормативными документами;
- на уровне отделения дороги сохраняется вся информация о поездной ситуации, доступная заинтересованным службам;
- сохраняется централизация общего (стратегического) управления на уровне дороги (ДГП) и сети дорог (ЦУП) без ухудшения
показателей эксплуатационной готовности СДУ;
- техническое обслуживание устройств линейных пунктов, аппаратуры связи и центрального поста сосредоточено, как правило,
в одной дистанции сигнализации и связи, что повышает ответственность персонала и качество выполняемых работ.
Таким образом, применение методов системного анализа при выборе структуры организации СДУ дает значительный экономический
и эксплуатационный эффект, позволяет избежать ошибок при организации управления движением поездов, позволяет оптимизировать
количество технических средств для передачи и обработки информации и, в конечном счете, ведет к повышению безопасности движения
поездов.
|