автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему: Теория и методы анализа качества функционирования автоматизированных технологических комплексов на железнодорожном транспорте
Автореферат диссертации по теме "Теория и методы анализа качества функционирования автоматизированных технологических комплексов на железнодорожном транспорте"
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ВАСИЛЕНКО Михаил Николаевич
На правах рукописи
ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
Специальность 05.22.08 — Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Работа выполнена в Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
БАРАНОВ Л. А.; доктор технических наук, профессор
МИКОНИ С. В.; доктор технических наук, профессор НЕГРЕЙ В. Я.
Ведущее предприятие — проектный институт «Гипротранс-сигналсвязь» (г. Санкт-Петербург).
Защита состоится .¿✓¿¿22-/. 1993 г.
в 13 час. 30 мин. на заседании специализированного совета Д 114.03.03 Петербургского института инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. № 7-320.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Автореферат разослан % . 1993 г.
Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.
Ученый секретарь специализированного совета, канд. техн. наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность .проблемы. Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов железнодорожного транспорта является валшеяшш средством повышения эффективности его работа, начиная с обеспечения необходимой пропускной и провозной способности, безопасности я точности регулирования движения, сбережения материальных ресурсов, и кончая вопросами экономической эффективности и охраны окружающей среды.
В процессе совершенстованяя транспортных систем ведущую роль играет создание и внедрение автоматизированных технологических комплексов управления движением поездов (АТК УДП) на станциях, перегонах и участках железных дорог. Такие комплексы представляют собой сложные системы, вклшавдие: объекты управления, напольное, бортовое и постовое технологическое оборудование железнодорожной автоматики и телемеханики, управляющую вычислительную систему, средства оперативно-диспетчерского управления и разнообразный персонал для обслуживания всего комплекса.
Общая теория анализа, синтеза, оптимизации и эксплуатации АТК УДП в настоящее время находится в стадии разработки.
В развитие современной теории управления перевозками большой вклад внеси отечественные ученые В.М.Акулиничев, К.А.Берн-гард, В.А.Буянов, Ф.П.Кочнев, В.А.Кудрявцев, Ю.А.Муха, В.Е.Павлов, Е.А.Сотников, А .К.Угр'омов и другие.
В создании и развитии теории и практики построения различных подсистем и элементов АТК УДП ветака роль таких ученых, как Л.А.Баранов, А.М.Брк-еев, В.Н.Иванченко, И.М.Кокурин, Н.Ф.Котля-
ренко, В.я,Кравцов, В.М.Лнсенков» .А .С.Переборов, Е.Ц.Шафит,' Л.А.Явна и других.
В области синтеза дискретных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики широко известна фундаментальные работа Н.О.Рогкисксго, Ц.И.Еахнина, Н.В.Лупала, В.В.Сапохшикова, Вл.В. Сахкшшкова, X.А..Христова и ряда других.
Однако, несмотря на известные достижения в этой области, в большинстве исследований проблема анализа эффективности функционирования АТК УДП рассматривается и:бо на уровне отдельных подсистем управления, либо в отрыва о? процессов движения поездов и алгоритмов функционирования элементов технологического коьшчок-са в реальных условиях эксплуатации.
Сложность решения указанной ароблемы связана с необходимостью объединения разнообразных матемзглчеекгк катодов и моделей в единую систему; большой трудоемкостью проведения таких исследования аналитическими методами, учитывающими параметры надежности и свойства виеаней среди; а тоете требованиями достижения высокой точности и достоверности оценки исследуемых показателей.
В связи с этом, разработка кетодоа комплексного анализа показателей качества функционирования А"ЗК УДИ представляет собой актуальную научную проблему, для решения которой необходимы, с одно Г; стороны, фундаментальные теоретические исследования, и, с другой, - максимальное использование возможностей современных средств вычислительной техники.
Анализ результатов известных исследований процессов функционирования систем класса АШ УДП,' выполненных специалистами ке-лезнодорожного транспорта, а таете в смежных областях, показывает, что наиболее успешное решение поставленной, проблем кокег
быть до стегнуто при помощи методов имитационного иоделировашя. Перспективность и эффективность имитационного моделирования, к кап метода исследования сложных систек, постоянно увеличиваются ■ с ростом объемов памяти, быстродействия и совершенствования математического обеспечения современных ЭВМ. При этом открываются возможности не только анализировать различаю характеристики комплекса в целом, но и решать актуальные задачи структурного, алгоритмического и параметрического синтеза и оптимизации ЛИС УДП.
. Б условиях необходимости достаточно быстрого технического перевооружения железнодорожного транспорта и применения более экономичных систем и технологий,использование методов имитационного моделирования в процессах разработки, проектирования и эксплуатации систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) является весьма эффективным н актуальным. Кроме решения задач анализа, синтеза и оптимизации АТК УДИ это создает возможности оперативного прогнозирования показателей качества функционирования на всех этапах кязки технологического комплекса, построения компьютерных экспертных систем различного назначения и систем автоматизированного проектирования (САПР).
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с отраслевой программой работ на 1986-1990 г.г. и на период до £000 года в области создания и развития САПР в ШЮ СССР, утвержденной приказом Министра от 27.05.1965 г., а также ло теме 6.10 проблемы 2.2.1. Программы многостороннего сотрудничества в области создания и внедрения САПР на 1936-1990 г.г. Генерального соглашения стран - членов СЭВ от Ib.I2.I9B5 г.: "Разработка пакета прикладных программ д"я автоматизированного проектирования аппара-
тов управления, постовых и других устройств электрической централизации на железной дороге, в том числе микрокомпьютерной централизации".
Целью £йссвртв1рщ является разработка теории и методов анализа автоматизированных технологических комплексов управления движением поездов и их практическое внедрение на железнодорожном транспорта для исследования качества функционирования сложных систем автоматики и телемеханики.
В диссертационной работе выполнено теоретическое обобщение исследовашй по моделированию и анализу сложных систем управления на гшлезнодоролшоы транспорте и разработан теоретический аппарат для кошленсиого анализа качества функционирования АТК УДП. Решение этой научной проблемы способствует повышай» качества функционирования сложных систем 1АТ, увеличению эффективности их разработки и эксплуатации, а таив внедрению новейших информационных технологий на железнодорожном транспорте.
- теоретическое обобщение цзтбдоз построения имитационных моделей слоишх систем управления и разработка методики синтеза имитационные моделей АТК УДИ на основе выдвинутых концепций их построения и использования , т = i,И их функциони-
ровашш; в процзссэ функционирования системы 5 на нее воздёй-ствузт такие независимые переменные, как вектор технологических воздействий Иг , вектор потока отказов Уд , вектор потока восстановлений Уа м вектор случайна воздействий Ус , с нсяольэовашоы математической шдала воспроизводится процесс функционирования система во врока!г.г 5(1) и определяется показатели качества функционирования IV за врем Т , т.е.:
^«ЯГа/иЩЯяГУ,^, МЦ УсШ.Т)
Приведенное выражение определяет1 обобщенную бточпу» схему ':!Г»тацчо!!ггай модели, ьключаацую блоки, моделирукдие заданную систему М£ , ее внешнюю среду Му и вид эксперимента, необходимого дхл определения показателя оффектавносте Мэ.
В состав модели внешней среды Му включены генераторы потока поездов, отказов, восстановлений и случайных воздействий, соответственно ыодслпрующих. векторы К]-, Уо , УдП- Модель эксперимента Мз описывается блоками подготовки исходных данных, настройки имитационной модели на конкретный объект автоматизации, управления имитационным экспериментом и обработки результатов.
Выполнен анализ иатеиатачоехзгх кодслей множества £5,на ос-носокгл которого предложено наделить четыре класса (поданояе-стса) олоызатов АШ1 УДИ, каздый из которых описывается в рамках сдаю Я иатеггатческой схеггы. Подели элементов класса ¡Р соответствует олсислтса путевых планов ЛТК УДП, У- технологическому оборудовазглэ, 7X1 - управляемым подвижный объектам системы и Л
- технологическим алгоритмам управления движением поездов.
Для перехода от обобщенной блок-схемы имитационной модели АТК УДП к более детальному рассмотрения объектов моделирования горочных, перегонных и станционных комплексов разработаны функциональные схемы моделей АШ-Г, ЛТК-П и А1К-С и выполнена их экспертная оценка.
Предложена обобщенная математическая схема, ориентированная на специфику моделирования объектов класса Р , У , 777 и Л и являющаяся расширением известного в теории моделирования понятия й - схем (модель системы массового обслуживания), для моде.лирования которых существует отработанных и доступный широкому кругу пользователей набор языков татационного модеяфова-ния.
Математическая схема описания объектов класса 771 задается в следующем виде: Ш • <.3,с3, 3)3, X, Е,Т >, где 3 - множество заявок I -того топа, каждой из которых соответствует определенный объект управления (подвижная единица) в моделируемой системе, т.е. 3 =iJ¿> • ( « « СЗ - множество статических параметров заявок, существенных для управления движением поездов и не изменявдихся о этом процессе (например, вес состава, длина поезда и т.п., 1=1,1 > -тожество динамических параметров заявок, существенных для управления движением, но изменяющихся в этом процессе (ходовые свойства отцепов, скорости движения и т.п.), 1)3 = ; ¿ =
Т- период времени, в течение которого иссяодузтся характеристики качество системы: Т =» < 0 < t¿ < <
Потоки У и 2, в общем случае, характеризуются неоднородностью (заявки разного типа), неординарностью (возможно поступи ленив нескольких заявок одновременно) и нестадаснарностыа (вероятности поступления заявок зависят от времени их появления).
Для описания алгоритмов управления объектами движения используется математическая схема вида/1 в < 0 , В , и У , гдо О - множество олементарних технологических операций по обслуживания заявок в система: В - < 0/) , J = / ¿7 » Ц. - шоасство всех собственных, ждущих и вероятностных логических условий выполнения тех или иных операций в системе: 5 =< 9'г) ' 1 ° • 0 - множество алгоритмов обслуживания заявок в система: В » , / = I ; £ - алфавит-параллельной логической схсш (П1СА) для описания любого алгоритма из множества 0 .
Описание объектов классов !Р к представляется математической схемой вида
У*" , ^ ) = Тук I У - множество правил оп-
ределения изменения динамического параметра заявки в результате обслуживания: У к » /, К ; 'Д- - з общем случае описывается зависимость» вида % = V'1 СЗс ,,= ;
V - киогзство внутренних состо/шй математической модели, определяемых состояниям! накопителя и каналов обслуживания: У =
Приведённой математической схеме соответствует математическая модель элемента обслуживающего прибора со следующими параметрам!:
- емкость накопителя 6^ может принимать значение =
I, ехэ> ; О - соответствует системе с потерями, а = = оо - системе с бесконечной очередью;
- состояние накопителя у^ может принимать значение ук =
а Ук = " его потому заполнении;
- число каналов обслуживаодего прибора может принимать значения ^ = ;
- состояние каналов обслуживающего прибора может принимать значения = < О, I, . /,>,</£ = 0 - соответствует
свооодности всех каналов, а Уь - I* - их занятости.
Дтя реализации приведенной математической схемы предложен
объединявдий формальный алгоритм, позволявший синтезировать схему вида:
IV = эз, сз, т, о, а, в, ил, РЛ, % V, V, г >
Основными отличительными свойства!,« предлагаемой математической схемы по сравнении с известными являются следукаиа: в качестве основного моделирующего элемента используется многоканальный обслуживающий прибор, что отражает специфику АТК-УДЦ, широко использующих для обеспечения надежности к безопасности управления движением поездов структурную, функциональную и информационную избыточность; математическая схема не накладывав? ограничен;;;*; на сложность даецгапгны обслуживания Х> , что существенно для моделирования АШ-УДП, имевцих сложные системы приоритетов заявок, операций и обслуживавших приборов и допускаэ-лдас различные режимы прерывания обслуживания и вывода заявок из очереди; включение в состав модели элемента^ , а также правил % и % существенно расширяет возможности применения 0. -схем, позволяя использовать в одной имитационном модели разные виды математических схем; структура основного моделирующего элемента позволяет значительно расширить класс моделируемых отказов реальной системы за счет введения моделей отказов блоков каналов обслуживания Кк ( отключение резервных каналов), накопителя Нк (уменьшение емкости накопителя), ^ (замедление обслукива-ния), % (неправильное изменение динамического параметра), и (искажение приоритетов, незавершенное обслуживание и т.п.).
В ^ретье^ главе диссертации па основе предложенной математической схемы выложен синтез имитационных моделей для всех классов об-ьектоа f %s0)i
Von , V03 - разбиение вектора потока отказов Уа соответственно па два составляющие по постепенным и внезапным отказам.
Введено понятие номера типа I ( i = 1, Nr), серки j. (j a а í . ^cí ) и элементарного эксперимента к (к = /, Nj¿j ) и дана оценка общего объема выборки, необходимой для комплексной оценки качества ЛИС УДЯ:
Иг Hci t!H¿ _____
где fJr - число типов экспериментов; Nd - число серий в эксперименте ¿ -го типа (по 1глс.лу составляющих управляемого фактора); - число ozeummjanac экспериментов в j -oí! серии ¿ -ro типа (по числу уровней управляемого фактора); thj-k
объем выборки при к -ом значении управляемого фактора.
С использованием экспериментальных данных показано, что при реализации объема элементарной выборки ^ажо в преде-
лах нескольких минут маапгаого времени, обяий объем выборки Ñ для комплексного анализа АЛН УДП может быть реализован при использовании ресурсов современных ШВМ, во времэшюм кнтерва-
ла от нескольких десятков до нескольких сотен часов машинного времени. Показано, что наиболее трудоемкими являотся эксперименты 36,37 у. 38 , в которых необходимо оперировать громоздкими списками отказов и учитывать последействие каждого отказа на процесс функционирования технологического комплекса.
Для преодоления этих трудностей предлагается алгоритм анализа, реализующий правила проведения машинных экспериментов с моделями технологических комплексов, учитывающий специфические особенности анализа списков неисправностей на имитационных моделях дискретных устройств СЖАТ. Этот алгоритм положен в основу специальной программы вывода решений (ПВР) экспертной системы ("АТ-эксперт").Целью экспертизы в ней является комплексная оценка совокупности показателей безопасности, производитель-точности
ности, Урегулирования и экономичности автоматизированного технологического комплекса. Задача решается на основе экспертной системы, синтезирующей все основные знания цо АТК в виде машинных программ и позволяющей в диалоговом режиме формулировать задачу экспертизы, уточнять исходные данные и получать необходимые экспертные оценки в наглядной форме и в приемлемые сроки.
Характерной особенностью "АТ-эксперт" является представление объекта экспертизы (системы ВАТ) как в виде схемной имитационной модели дискретного устройства (ИМ СКАТ), так и системной, опиЬываадей работу СЖАТ в составе автоматизированного комплекса (ИМ АТК).
Программа включает семь основных блоков. Настройка ИМ АТК (блок I) производится с учетом всех основных факторов, влияющих на процесс функционирования СЖАТ. Система ЖАТ рассматривается в качестве элемента АТК и описывается передаточной функцией вида
Конечная цель проведения любого эксперимента с ИМ-АТК -вычисление заданного показателя функционирования Ц в виде некоторого функционала:
Ц - 9(CSlPSiJs2Jr, Vo.VbVsJ), где Т - время функционирования АТК.
Цель проведения экспериментов с K?J CHAT - воспроизведение заданной передаточной функции Z - -$■ (X ,Y , fc ) с возможностью внесения п структурное описание модели неисправностей из заданного списка: Е = , . > ,
Путем воспроизведения на Ш А1К лобых реальных гехнологи-чоских операций, возникающих в процессе функционирования СНАТ, в блоке 2 вычисляется идеальная передаточная функция: ■f (.Хр, Y;, Ь ), где Хр - входная рабочая последовательность вида: Хр = = t¡,Xít tk. ¿n; 2 i¿ = Г; Zp - выходная рабочая по-
следовательно сть вида Zp = zl,tl,zz,tz. t- =>T ■
3 процессе проведения эксперимента с ИМ Aüí определяется
значение заданного показателя качества функционирования при
идеальной работе СНАТ - Ц (включая показатели безопасности,
производительности, точности регулирования и энергоемкости).
Показатели безопасности движения на этом-этапе определяются по всем подфункциям безопасности с учетом заданных критериев опасных отказов. Векторы параметров /т, Уси ^долгиы предусматривать специальные технологические ситуации, создажда условия проверки всех функций безопасности (например, нарушение целост-
ности рельсовой линии, потерю шунта, потери бдительности машинистом, неправильные действия оперативного персонала и т.п.).
В блоке 3 предусматривается предварительное сокращение списка неисправностей Е с целью обединенмя в общие классы эквивалентных неисправностей. Сокращение списка £ выполняется на основе методов графа эквивалентных отказов и структурных характеристик неисправностей, разработанных автором. При этом формируются классы эквивалентных отказов П;-*"*" гу, для каждого класса выбирается только один представитель щ (если Д ^ / ), формируется сокращенный список отказов Ес £ В из таких представителей , суммкрукзтся вероятности появления каждой пары эквивалентных отказов Рц = 4- и составляется список вероятностей эквивалентных отказов Рс .
В блоке 4 моделируется "поведение" СЖАТ на идеальной входной рабочей последовательности Хр с получением для каждой ¿-й неисправности списка £с выходной последовательности 2р . При этом формируется множество всех выходных рабочих последовательностей , характеризующих функционирование СКАТ на всех неисправностях списка Ес . Вычисление