ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА НА МЕТРОПОЛИТЕНЕ

Сафронов А.И., Сидоренко В.Г., Филипченко К.М.

На сегодняшний день разветвлённая сеть Московского метрополитена претерпевает колоссальные перегрузки. Это связано с величиной пассажиропотока, который приходится ежедневно обслуживать. Метрополитен работает на пределе своих технических и человеческих возможностей и, вместе с этим, продолжает активно развиваться, наращивая протяжённость существующих и обрастая новыми линиями.

Принятая на период с 2012 по 2020 годы стратегия развития Московского метрополитена своей основной целью ставит увеличение численности станций на 67 объектов и протяжённости линий на 145 километров, что в среднем соответствует ежегодному приросту 7 станций и 16 километров перегонных тоннелей [1]. В этих условиях уже через пару лет человеческий ресурс начнёт давать сбои не только на эксплуатационно-техническом уровне, но и на уровне планирования перевозочного процесса. И это связано с тем, что не будет оставаться времени на адаптацию и привыкание к одним условиям работы линии, как они преобразуются в иные. Решить эту проблему поможет только создание интеллектуальных систем управления перевозочным процессом на метрополитене.

Средства планирования перевозочного процесса на метрополитене являются составной частью автоматизированной системы управления перевозочным процессом метрополитена (АСУ ППМ), которая реализуется в рамках концепции создания интегрированной автоматизированной системы управления метрополитена (ИАСУМ). Автоматизированная система планирования перевозочного процесса на метрополитене предназначена для автоматизированного построения графика оборота подвижного состава и планового графика движения пассажирских поездов.

Многолетний опыт разработки и внедрения автоматизированной системы построения планового графика движения пассажирских поездов по линии метрополитена на Московском метрополитене показал, что эффективное построение планового графика движения основывается на рассмотрении большого количества вариантов построения и решении оптимизационных задач, которые образуют иерархическую структуру [2].

Рациональное составление процедур перебора и сравнения вариантов построения планового графика движения требует использования методов параллельных вычислений. Рациональная организация параллельных вычислений подразумевает выполнение следующих предварительных операций:

- выделения уровней распараллеливания вычислений;
- определения фрагментов кода, внутри которых распараллеливание вычислений недопустимо;
- выбора архитектуры аппаратного обеспечения;
- выбора архитектуры программного обеспечения.

Прежде, чем приступать к решению задачи организации параллельных вычислений применительно к алгоритмам автоматизированного построения планового графика движения пассажирских поездов метрополитена, необходимо провести анализ общей схемы построения графика. Уже на этом уровне можно сделать ряд предположений о том, какие из процессов и входящих в их состав процедур можно было бы преобразовать для проведения параллельных вычислений.

На практике далеко не все из выделенных операций реально разбить на потоки. Возможными причинами могут служить жёсткие причинно-следственные связи между последовательно идущими операциями, а также одноразовость вызовов тех или иных процедур. Разбивать на потоки имеет смысл только те процедуры, которые выполняются более одного раза за процесс или же для процедур различных процессов, но обладающих родственными свойствами.

Выбор архитектуры аппаратного обеспечения играет немаловажную роль. Здесь надо отдавать себе отчёт в том, что если распараллеливание потоков будет ориентировано, скажем, на четыре ядра, то на двуядерной архитектуре такое программное обеспечение не будет корректно работать или же не будет работать вовсе. Но в этом случае разработка системы будет инновационной и экономически оправданной. Куда хуже другой случай, когда программное обеспечение ориентировано на двуядерную архитектуру, а в перспективе планируется использование четырёх ядер. В экономическом отношении подобного рода разработки не будут оправданы, поскольку более чем два потока на два ядра не пойдут технически, и другие два ядра микропроцессора будут простаивать. При этом важно определиться с критериями и приоритетами.

Так, например, при разработке универсальной системы (при существующей восьмиядерной архитектуре), необходимо дополнительно разветвить возможности параллельных вычислений (на четыре и два ядра). Эта стратегия несёт в себе следующие ключевые принципы:

1. За базовый уровень принять наиболее развитую, на момент разработки, микропроцессорную архитектуру.
2. Сохранить модульный принцип построения и оставить задел для разработки блока, ориентированного и на более продвинутую архитектуру после выхода таковой на рынки аппаратного обеспечения.
3. Разработать мультипоточность, ориентированную на базовый уровень.
4. Упростить базовое распараллеливание отдельно для четырёхядерной архитектуры, а после и для двуядерной.
5. Снабдить диалоговое окно с настройками пользовательского интерфейса переключателем количества ядер.

К архитектуре программного обеспечения также предъявляется ряд особых требований. Прежде всего, необходимо определиться с операционной системой, под управлением которой должна функционировать система. Сразу договоримся, что универсального (кроссплатформенного) подхода здесь достигать совершенно не обязательно, поскольку интеллектуальная автоматизированная система планирования перевозочного процесса на Московском метрополитене является узкоспециальным программным продуктом, пользователи которого обучены рабате только в операционных системах семейства Microsoft Windows. Более того, родственные системы, разработанные на кафедре УИТС и взаимодействующие с автоматизированной системой построения планового графика движения пассажирских поездов метрополитена, функционируют под управлением операционных систем Microsoft Windows. Соответственно, необходимо подобрать такую версию из этого семейства, которая поддерживает распараллеливание потоков. От среды программирования в этом случае требуются следующие возможности:

- функционирование в рамках выбранной операционной системы;
- поддержка функций распараллеливания потоков.

В общем виде задача автоматизированного построения планового графика движения пассажирских поездов метрополитена формулируется следующим образом: разработать сценарии, согласно которым в результате конечного числа ответов пользователя на общие вопросы (с вариантами ответов «Да/Нет») с промежуточным вводом исходных данных будет построен плановый график движения при учёте специфических параметров и ограничений, в первую очередь, определяемых графиком оборота, который регулирует проведение осмотров и ремонтов подвижного состава, и графиком работы локомотивных бригад. Построенный плановый график движения должен отвечать поставленным целям управления, быть рациональным с точки зрения выбранных критериев и устойчивым к возмущающим факторам [3].

Перечисленные факторы подтверждают тот факт, что в рамках автоматизированной системы планирования перевозочного процесса на метрополитене решаются сложные интеллектуальные задачи управления, которые требуют использования современных подходов к их решению.

Движение поездов в соответствии с плановым графиком является примером реализации системы программного управления. Реализация управляющих воздействий в этом случае заключается в выполнении процедур, изменяющих свойства отдельных ниток: создание, удаление, изменение станции начала или конца, изменение расписания (перемещение нитки, ввод сверхрежимной стоянки), изменение связей между нитками, определение маневровых перемещение в начале и конце нитки. Более сложными процедурами являются те, в которых одно и то же действие применяется к группе ниток, например, создание или удаление ниток на заданном интервале времени, перемещение группы ниток, изменение способа отображения оборотов у группы ниток. Основой всей процедуры автоматизированного синтеза являются логико-трансформационные правила, которые представляют собой последовательное выполнение различных процедур коррекции ниток в соответствии с заданным алгоритмом и исходными данными с последующей оценкой результата выполнения [4]. К таким процедурам относятся алгоритмы выравнивания интервалов между поездами, размена через депо или линейные пункты технического осмотра для перехода маршрута на нужную нитку при организации ночной расстановки составов на линии, создания фрагментов равномерного ввода и снятия составов, ухода составов в ночную расстановку и выхода из нее утром.

Интеллектуальная составляющая систем планирования перевозочного процесса заключается именно в определении логических связей между выполняемыми управляющими воздействиями. В основе определения этих логических связей лежат аналитические соотношения, которые и обуславливают интеллектуальный ресурс системы.

Для удобства решения задача построения планового графика движения разбита на этапы. Эти этапы соответствуют режимам работы метрополитена в рабочие, а также субботние, воскресные и праздничные дни.

В соответствии с технологией работы метрополитена плановый график движения в рабочие дни описывает следующие процессы:

- выход составов из ночной расстановки;
- переход к движению с максимальной парностью в утренний час «пик»;
- движение поездов с заданной максимальной парностью в утренний час «пик»;
- движение поездов между утренним часом «пик» и движением в непиковое время;
- движение поездов с заданной минимальной парностью в дневной час «непик»;
- организация перехода к вечернему часу «пик»;
- движение поездов с заданной максимальной парностью в вечерний час «пик»;
- переход от вечернего часа «пик» к непиковому движению;
- организация перехода от непикового движения к ночной расстановке.

Все процессы, происходящие на линии, связаны между собой и изменения в одном из них могут сказаться на других.

В ряде случаев возможно изменение последовательности указанных процессов в зависимости от проводимых в городе мероприятий. В выходные дни часы «пик» и сопутствующие им изменения парности отсутствуют. Таким образом, в течение всего выходного дня поддерживается постоянная парность движения [3].

Для каждого из этапов, который соответствует тому или иному способу организации движения поездов, определены:

- условия реализуемости (априорная информация, позволяющая заранее определить, удастся ли с заданными начальными условиями построить процесс);
- условия реализации (апостериорная информация, получаемая по итогам построения путём проверки графика после завершения рассматриваемого процесса и позволяющая определить, удалось ли построить процесс с заданными начальными условиями);
- процедура построения, в рамках которой реализуется фрагмент планового графика движения, соответствующий одному из процессов, происходящих на линии, которые можно разделить на переходные (динамические) и установившиеся (стационарные);
- переменные состояния.

Условия реализуемости и реализации построения этапов планового графика движения вместе образуют переходный блок – связующее звено двух соседних процедур построения, объединённых причинно-следственными связями [5].

Особым образом следует выделить переменные состояния различных объектов графика. Именно благодаря наличию переменных состояния появляется возможность построения графика не только с чистого листа, но и с некоторого фиксированного этапа. Такой механизм предусмотрен, чтобы позволить оператору организовать:

- кратковременное прерывание для внесения особых изменений после выполнения того или иного процесса построения;
- длительное прерывание, сопровождаемое выходом из системы.

Во время прерывания процедура построения находится в некотором промежуточном состоянии, которое фиксируется как параметр. Правильность фиксации значения переменной состояния процедуры играет очень важную роль - от правильности восстановления значения переменной состояния зависит то, пойдёт ли расчёт в системе тем же путём или принципиально изменит своё направление.

При учтённых переменных состояния плановый график движения можно смело назвать многоуровневой информационно обогащённой (интеллектуальной) структурой. Многоуровневость этой структуры требует отдельного рассмотрения.

Используемые способы формализации описания объектов линии метрополитена и команд по управлению ими также являются основой для реализации автоматизированных систем оперативного управления движением поездов по линии метрополитена.

Созданная процедура автоматизированного построения планового графика движения позволяют просматривать множество вариантов построения графика без изменения исходных данных.

Авторами выполнена формализация расчёта количества составов, подлежащих вводу или снятию для каждого из этих переходных процессов [2]. В общем виде максимальное количество вариантов ввода составов за переходный процесс max[Gвв] можно определить из следующего соотношения:



где M[i, j] - количество составов, которые должны быть на j-м пути линии к началу рассматриваемого интервала времени (процесса построения ПГД) с порядковым номером i.
M[i+1, j] - количество составов, которые должны быть на j-м пути линии к началу следующего к рассматриваемому интервалу времени.
НОД(M[i+1, j], M[i+1, j] - M[i, j]) - наибольший общий делитель, определяемый между M[i+1, j] и M[i+1, j] - M[i, j].
i - номер рассматриваемого интервала времени;
j - путь линии, j = 1, 2.
I - количество итераций, необходимых для построения переходного процесса ПГД при переходе от одного стационарного процесса к другому. Значение количества итераций определяется:



tн[с.п.2] - время начала второго стационарного процесса (справа);
tк[с.п.1] - время конца первого стационарного процесса (слева);
Тпо - время полного оборота состава на линии.

В том случае, когда НОД(M[i+1, j], M[i+1, j] - M[i, j]) > 1, количество возможных вариантов значительно сокращается.

Важно отметить, что переборы вариантов при вводе и снятии составов различаются. Основное различие заключается в том, что процессы снятия составов сопровождаются назначением маршрутов соответствии с требованиями ГО. Таким образом, отсутствие возможности назначить маршрут хотя бы на одну нитку исключает текущий вариант снятия составов из рассмотрения.

Максимальное количество вариантов снятия составов за переходный процесс с учетом возможных вариантов назначения маршрутов определятся из соотношения:



где Nijkl - количество элементов множества маршрутов, которые могут быть назначены на l-ю снимаемую нитку при выполнении k-го варианта i-го снятия по j-му пути;



На значение Nijkl оказывает сильное влияние реализованный вариант выхода из ночной расстановки.

Число вариантов построения ПГД является не монотонной функцией от процесса и его состояния (начало или конец). Переход от одного процесса к другому сопровождается «лавинным» увеличением числа вариантов, переход от начала процесса к концу сопровождается уменьшением числа вариантов. Качество созданных алгоритмов оценивается по степени уменьшения числа рассматриваемых вариантов при переходе от начала процесса к концу.

В настоящее время авторами проводятся разработки по следующим направлениям:

- создание и адаптация алгоритмов автоматизированного построения планового графика движения пассажирских поездов метрополитена для Кольцевой линии;
- модернизация алгоритмов автоматизированного построения планового графика движения пассажирских поездов метрополитена на базе аппарата распределённых вычислений.

Работы по первому из направлений находятся на заключительной стадии, по второму направлению алгоритмы постепенно приобретают форму и содержание. Модернизация алгоритмов с учётом возможностей современной вычислительной техники и сред объектно-ориентированного программирования началась в середине 2012 года.

Литература:

1. Википедия. Свободная энциклопедия. Программа развития Московского метрополитена. [Электронный ресурс], http://ru.wikipedia.org/wiki/Программа_развития_Московского_метрополитена, (дата обращения: 13.ноябрь.2012).
2. Сафронов А.И., Сидоренко В.Г. Уровни успешной реализации автоматизированного построения плановых графиков движения пассажирских поездов метрополитена и критерии отбора эффективных результатов Проблемы управления безопасностью сложных систем: Труды XIX Международной конференции. Москва, декабрь 2011 г. / Под ред. Н.И. Архиповой, В.В. Кульбы. М.: РГГУ, 2011. С. 307 - 311.
3. Сафронов А.И., Сидоренко В.Г. "Построение планового графика движения для метрополитена", Мир транспорта, №3, 2011. - С. 98-105.
4. Сидоренко В.Г. Моделирование функционирования станции метрополитена с использованием сетей Петри // Международный межвузовский сборник научных трудов "Актуальные проблемы развития технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики". - Ростов н/Д: РГУПС, 2002. - c. 89-95.
5. Сафронов А.И. Условия реализации и реализуемости при автоматизированном построении планового графика движения пассажирских поездов метрополитена // Труды научно-практической конференции "Неделя науки-2011. Наука транспорту". - М.: МИИТ, 2011. - c. III-157-III-158.

Библиографическая ссылка:

Сидоренко, В. Г. Интеллектуальная автоматизированная система планирования перевозочного процесса на метрополитене / А. И. Сафронов, В. Г. Сидоренко, К. М. Филипченко // ИСУЖТ–2012: труды I научно-технической конференции. - М.: ОАО «НИИАС», 2012. - С. 99-104 (92-96).