Бородин А.Ф., Сушенцева Л.Б., Щепанов А.Л., Пояркова М.А., АО «ИЭРТ», г. Москва Сафронов А.И., МГУПС (МИИТ) Императора Николая II, г. Москва

Автоматизация расчёта заданий на разработку графика движения грузовых поездов на основе плана их формирования

График движения грузовых поездов как технологическая основа перевозочного процесса должен обеспечивать высокие технико-экономические показатели в течение всего периода его действия при безусловном выполнении технических ограничений. Важность этих условий возрастает с переходом ОАО «РЖД» на принципы организации эксплуатационной работы на полигонах сети. С целью выполнения этих условий автоматизация расчёта заданий для разработки графика движения грузовых поездов на основе плана их формирования предусматривает:

- оценку реализуемости прогнозных вагонопотоков на предстоящий год с учётом ограничений инфраструктуры и тяговых ресурсов;
- генерирование расчётных поездных корреспонденции для разработки нормативного графика движения грузовых поездов с учётом вариантных режимов направления вагонопотоков (учитывающих выделенные календарные периоды проведения ремонтных и строительно-монтажных работ, а также интенсивного пассажирского движения на заданных направлениях);
- оценку размеров поездных корреспонденции, планируемых для курсирования по специализированным расписаниям, и возможности прокладки указанных расписаний для специализированных грузовых поездов;
- расчёт экономически целесообразного числа ниток графика, обеспечивающих устойчивый вывоз поездов с сортировочных, участковых и стыковых станций;
- составление таблиц поездопотоков для построения графика.

Указанные комплексы задач введены в эксплуатацию в составе Имитационной ресурсной модели использования инфраструктуры ОАО «РЖД» (АС ПРОГРЕСС) и пилотной версии Интегрированной системы автоматизированной разработки технологии перевозочного процесса при движении грузовых поездов по расписанию (ИСАРТ).

АС ПРОГРЕСС в части рассматриваемого функционального развития включает в себя следующие комплексы задач:

- взаимодействие с внешними системами;
- генерирование вариантов исходных данных годовых расчётов;
- расчёт уменьшения допустимых размеров грузового движения по календарным периодам ремонтно-путевых работ по данным об объёмах работ на титульных участках;
- расчёт изменения допустимых размеров грузового движения при изменениях размеров и периодичности движения пассажирских поездов на участках по календарным периодам;
- анализ результатов и вычисление итоговых показателей годовых расчётов;
- генерирование выходных данных для ИСАРТ. Алгоритмы генерирования вариантов исходных данных годовых расчётов предусматривают:

1) генерирование расчётных вариантов шахматок гружёных вагонопотоков по заданным календарным периодам (интерактивная процедура распределения годовых объёмов погрузки по месяцам на основе исполненных объёмов текущего года с поправкой на новые параметры перевозок, представ-ленные ЦФТО);
2) генерирование расчётных вариантов технологии перевозочного процесса по заданным календарным периодам (интерактивная процедура создания вариантов технологии работы сети, включающих распределение окон на направлениях по заданным календарным периодам, организации вагонопотоков и их отклонения от лимитирующих участков и станций, технологии тягового обслуживания, вариантные ограничения по мощности объектов инфраструктуры).

Алгоритмы анализа результатов и вычисления итоговых показателей годовых расчётов предусматривают:

1) расчёт инфраструктурных ограничений для корректировки годовой шахматки;
2) расчёт показателей объёмов передачи поездов, гружёных и порожних вагонов по стыкам и параметров использования подвижного состава (гружёного и порожнего);
3) генерирование результирующего варианта расчётных поездопотоков.

Алгоритмы генерирования выходных данных для ИСАРТ предусматривают подготовку таблиц поездопотоков для расчёта заданий на разработку графика движения поездов (в части ниток сквозных и участковых грузовых поездов и в части ниток грузовых поездов, специализированных по назначениям).

Назначением Интегрированной системы автоматизированной разработки технологии перевозочного процесса при движении грузовых поездов по расписанию (ИСАРТ) является автоматизированная разработка нормативно-технологической модели перевозочного процесса, которая должна содержать единое формализованное описание назначений плана формирования поездов (включая отправительские маршруты) и направлений их пропуска, норм веса и длины, серий локомотивов, порядка тягового обслуживания поездов и технического обслуживания составов в пути следования, ниток нормативного графика движения поездов, а также для поддержания указанной модели в актуальном состоянии и для оптимизации её параметров. При этом расчёт схем грузовых поездопотоков для составления графика движения должен устанавливать число и специализацию ниток грузовых поездов по категориям поездов и периодичности их обращения, в увязке с планом формирования, тяговым обслуживанием, взаимодействием станций примыкания с путями необщего пользования, структурой оперативного планирования поездной работы.

Алгоритмы автоматизированного расчёта проектов заданий для разработки графика движения грузовых поездов на основе плана их формирования предусматривают:

- расчёт экономически целесообразного числа ниток графика, обеспечивающих устойчивый вывоз поездов с сортировочных, участковых и стыковых станций;
- определение числа ниток грузовых поездов, прокладываемых в графике и обеспечиваемых локомотивами, по участкам и стыковым пунктам с учётом ограничений по технической вооружённости;
- определение рационального числа безобгонных ниток для поездов повышенного веса и длины;
- составление таблиц графиковых поездопотоков для построения графика, в том числе с жёстко специализированными расписаниями для выделенных категорий поездов; с обеспечением сквозной про-кладки грузовых поездов в пределах полигона сети;
- генерирование таблиц базы данных, необходимых для использования в системе разработки графика движения поездов;
- генерирование выходных форм регионального и сетевого уровня.

Автоматизированный расчёт проектов заданий на разработку графика движения грузовых поездов на основе плана формирования предусматривает последовательность решения задач, которая указана на рисунке 1.



Структурно ИСАРТ состоит из трёх взаимодействующих между собой звеньев:

- базы данных, размещённой на удалённом сервере;
- графической оболочки - тонкого клиента, размещённого на локальном персональном компьютере (ПК);
- серверных приложений, размещённых на удалённом сервере.

Исходя из вышесказанного, речь идёт о трёхзвенной клиент-серверной архитектуре типовой информационной системы управления (ИСУ).

База данных содержит следующие основные сведения в домене ИСАРТ (DNISART):

- перечень станций со сплошной сменой нумерации ниток;
- перечень элементов матриц специализации узлов;
- перечень известных назначений за предшествующий период;
- перечень путей следования назначений за предшествующий период;
- перечень рассчитанных назначений;
- перечень путей следования рассчитанных назначений;
- перечень вариантов расчёта заданий на построение графика движения поездов (ГДП).

Графическая оболочка загружается на персональный компьютер пользователя посредством гипертекстового протокола, распознаваемого любым браузером, предустановленном на персональном компьютере.

Работа системы укладывается в рамки следующего технологического алгоритма:

- ввод параметров аккаунта (логин и пароль),
- выбор варианта расчёта задания на построение ГДП,
- проверка матриц специализации узлов и корректировка их содержимого в случае необходимости,
- сохранение станций со сплошной сменой нумерации поездов,
- выполнение расчёта задания на построение ГДП,
- просмотр полученных результатов, оценка их адекватности.

Согласно планам модульного развития ИСАРТ предполагается использование нескольких серверных приложений, выполняющих различные расчёты, необходимые для подготовки задания на построение графика движения поездов. В настоящий момент полностью реализовано одно из запланированных серверных приложений, так называемое «Ядро ИСАРТа».

Цель функционирования ядра состоит в расчёте назначений специализации ниток графика (с размерами движения) и путей следования этих назначений, необходимых для последующего построения графика движения поездов. «Ядро ИСАРТа» для получения исходной информации и для записи полученных результатов взаимодействует с таблицами базы данных.

Работа алгоритмов внутри «Ядра ИСАРТа» выполняется со входными векторами, каждый из которых представляет собой элемент таблицы-матрицы специализаций. Собственное значение элемента, определяющего потребное количество сквозных ниток, пропускаемых по участку, содержится в элементе вектора «Мощность поездопотока (сквозного / участкового), проходящего через рассматриваемый узел», он и подвергается пересчёту, а также последующему преобразованию. Остальные элементы позволяют предоставлять информацию в понятном для чтения виде, а также обеспечивать проверку соответствия установленным условиям реализуемости и реализации.

Входные векторы объединены в коллекцию входных векторов, обладающую конечной длиной, зависящей от количества наполняющих её элементов.

Собираемые назначения специализации ниток графика ограничиваются станциями сплошной смены нумерации ниток.

Векторы станций со сплошной сменой нумерации ниток объединены в коллекцию станций со сплошной сменой нумерации ниток, обладающую конечной длиной, зависящей от количества наполняющих её элементов.

Итоговый результат расчёта характеризуется полученным назначением специализации ниток графика и соответствующим ему путём следования. Параметры вектора, характеризующие назначения следующие:

1. Код варианта расчёта задания на построение графика движения поездов.
2. ESR-код узла отправления.
3. Наименование узла отправления.
4. ESR-код узла прибытия.
5. Наименование узла прибытия.
6. Тип назначения, род поезда «сквозной» / «участковый».
7. Количество ниток графика в назначении.
8. Протяжённость назначения - количество элементов в пути следования, связанным с назначением.

Векторы назначений объединены в коллекцию назначений, обладающую конечной длиной, зависящей от количества наполняющих её элементов.

Глобально «Ядро ИСАРТа» как программное обеспечение состоит из следующих функциональных блоков (обобщённый алгоритм):

1. Блока формирования начальных условий (блока получения исходной информации из базы данных).
2. Блока обработки сквозных элементов в матрицах специализации.
3. Блока обработки промежуточных результатов расчёта назначений, составленных по сквозным элементам матриц специализации.
4. Обработки участковых элементов матриц.
5. Объединения результатов расчёта сквозных и участковых элементов.
6. Формирования окончательных результатов.
7. Записи результатов в базу данных. Наибольшую интеллектуальную нагрузку при работе системы несут второй и четвёртый блоки.

Детализируем их рассмотрение.

В блоке обработки сквозных элементов матриц специализации по порядку рассматриваются все элементы матриц специализации железнодорожной сети. Элементы упорядочены по мощности поездопотока в порядке убывания. Элементы проверяются на непротиворечивость и полноту.

По каждому элементу определяется число ниток графика с учётом суточной неравномерности. Пересчёт выполняется по следующей формуле:

nгр{i} = [n{i} + 1,5 * ((28 * n{i}) / (200 + n{i}))],

i - индекс элемента матрицы специализации в рассматриваемой коллекции элементов матрицы специализации;
nгр[i] - потребное количество ниток, которое необходимо пропустить при следовании от узла отправления к узлу прибытия через рассматриваемый узел;
n[i] - мощность поездопотока (сквозного / участкового), проходящего через рассматриваемый узел;
[] - оператор выделения целой части в полученном результате.

В блоке проверяется принадлежность элементов полигону или всей железнодорожной сети в зависимости от условий запуска расчёта. В случае, если рассматриваемый элемент удовлетворяет ограничениям, по нему формируется новый путь следования вида:

[узел отправления] - [рассматриваемый узел] - [узел прибытия]

Базовые ограничения, накладываемые на элемент, корректируются в зависимости от сложившейся ситуации в процессе расчёта по соответствию условиям реализуемости; дополнительная, более сложная корректировка выполняется для узлов-развилок.



В основе лежат различные способы удлинения формируемого пути следования посредством наложения его на существующие согласно одной из схем (схемы, содержащие принципиальные для работы алгоритма отличия, проиллюстрированы):

- по совпавшим двум узлам на конце существующего пути следования (рис. 2);
- по совпавшим трём узлам на конце существующего пути следования;
- по совпавшим трём узлам в произвольном фрагменте существующего пути следования;
- по совпавшему произвольному количеству узлов на конце существующего пути следования;
- по совпавшему одному узлу на конце существующего пути следования в одном и том же направлении движения (рис. 3);
- по совпавшим двум узлам в начале существующего пути следования;
- по совпавшим трём узлам в начале существующего пути следования;
- по совпавшим трём узлам в произвольном фрагменте существующего пути следования (рис. 4).

Формируемый путь следования, как показано на рисунках, дополняется элементами за счёт существующего пути следования слева или справа. Неопределённостью обладает случай, когда объединить возможно пути следования, совпавшие только одним узлом (см. рис. 3). Для реализации такого объединения необходимо, чтобы формируемый путь следования состоял не более, чем из трёх узлов, и последний третий узел не совпадал с (j-1)-м узлом существующего пути следования, поскольку эта ситуация является движением в противоположном направлении.



Если ни одна из схем объединения не сработала, то путь следования попадает в перечень конечных результатов в исходном виде, состоящем из трёх связанных узлов.



В блоке обработки участковых элементов матриц специализации по порядку в цикле по коллекции рассматриваются все элементы матриц специализации железнодорожной сети, не содержащие признака сквозного элемента, а также принадлежащие полигону или всей железнодорожной сети.

В случае, если рассматриваемый элемент удовлетворяет представленному выше перечню ограничений, по нему формируются новые пути следования вида:

[узел отправления] - [рассматриваемый узел]
и
[рассматриваемый узел] - [узел прибытия]

В том случае, если в процессе апостериорной проверки обнаруживается превышение ограничения (заданного суммарного числа графиковых ниток на участке), количество пропускаемых по назначению ниток сокращается до граничного значения. Если предварительная проверка свела количество пропускаемых ниток в ноль, то назначение в перечень результатов не записывается.

Взаимоувязанные целевые функции комплексов задач обеспечивают:

- при определении графиковых размеров движения - минимум прямых производственных расходов, зависящих от количества ниток грузовых поездов на участках;
- при развязке графиковых ниток грузовых поездов в узлах - минимум поездо-часов ожидания отправления;
- при совмещении расписаний ускоренных и специализированных поездов неежедневного обращения - минимум поездо-километров ниток графика, обеспечивающих выполнение всех запросов на специализированные расписания с согласованной периодичностью.

Преимуществом предлагаемого подхода является взаимоувязка автоматизированных систем и комплексов задач, прежде всего - в части ведения нормативно-технологической модели организации и продвижения транспортных потоков, создающей возможности для эффективного решения задач прогнозирования и планирования поездообразования в узлах и движения на полигонах.

Библиографическая ссылка:

Бородин, А. Ф. Автоматизация расчёта заданий на разработку графика движения грузовых поездов на основе плана их формирования / А. Ф. Бородин, Л. Б. Сушенцева, А. Л. Щепанов, М. А. Пояркова, А. И. Сафронов // Труды пятой научно-технической конференции с международным участием ИСУЖТ. - 17-18 ноября 2016. - С. 114-118.

Вложение: 13421676_2016_10_17_isuzht_borodin.pdf