Многофункциональный комплекс диагностирования устройств железнодорожной автоматики, идентификации технологических процессов и управления на станциях

Актуальность темы

исследования. Принятая Департаментом Автоматики и Телемеханики ОАО «РЖД» стратегия глобальной автоматизации процессов технического диагностирования и мониторинга устройств СЦБ направлена на повышение в масштабе отрасли надежности действующих и вновь разрабатываемых СЖАТ и за счет этого — повышение безопасности перевозочного процесса [42].

Внедрение многоуровневой тотальной автоматизированной системы технического диагностирования и мониторинга состояния устройств СЦБ (СТДМ) сегодня является важнейшей задачей для хозяйства автоматики и телемеханики [83].

Решающую роль в СТДМ играют широко внедряемые системы АСДК, АПК-ДК и АДК-СЦБ, непосредственно увязываемые на линейном уровне с устройствами СЦБ. Анализ структур и решаемых такими системами задач позволил установить необходимость развития существующих систем диагностирования в части расширения их функциональных возможностей.

Принимая во внимание применение в СК АДК-СЦБ мощных информационно-вычислительных и измерительных технических средств, в диссертации поставлена задача развития функциональных и интеллектуальных возможностей СК АДК-СЦБ, максимально используя программно-аппаратные ресурсы ИВК-АДК и уже используемые «готовые» интерфейсы сопряжения с устройствами СЦБ.

Новизна и актуальность постановки задачи диссертационного исследования состоит в том, что кроме развития «собственных» диагностических и интеллектуальных возможностей на СК АДК-СЦБ возлагаются еще задачи информатизации станций (в том числе и сортировочных), а также управления технологическими процессами (например, СГ).

В работе объектами теоретических исследований и их апробации выбраны СС, оборудованные (оборудуемые) СК АДК-СЦБ. Этот выбор продиктован необходимостью решения поставленных ОАО «РЖД» трех ключевых задач, к которым относятся [106]:

— обеспечение роста эффективности, устойчивости и безопасности перевозок;

— развитие новейших систем управления технологическими процессами на основе инновационных технологий;

— снижение негативного влияния «человеческого фактора» за счет внедрения современных средств информатизации и компьютерных технологий.

Для решения перечисленных задач разработаны «Программа совершенствования и развития сортировочных станций железных дорог на 2006 -2015 годы» и «Программа информатизации станций», в которых предусмотрено «расширение зоны автоматизации и контроля на всю территорию станций, построения систем мониторинга на базе модульных подсистем реального времени, объединенных с исполнительными устройствами и разработку интеллектуальных АРМов различного назначения.». Это дает основание считать тему диссертационного исследования актуальной и практически полезной.

Анализ и теоретическое обобщение состояния проблемы развития СК АДК-СЦБ в контексте многофункционального назначения позволили сделать вывод о ее нерешенности и сформулировать основные направления диссертационной работы:

1. Разработка концепции построения многофункционального станционного комплекса АДК-СЦБ, решающего на основе универсального ИВК-АДК задачи диагностирования, идентификации процессов и управления.

2. Разработка теоретических подходов к расширению функциональных и интеллектуальных возможностей СК АДК-СЦБ: методологияметоды информационного и технического обеспечения.

3. Построение математической модели оценки параметров и структуры перераспределения информационных потоков на СС.

4. Разработка технологии графической интерпретации унифицированных диагностических ситуаций и состояний устройств СЦБ.

5. Выбор математического подхода к классификации состояния устройств на «Отказы» и «Неисправности».

6. Разработка алгоритмических основ и технологии формирования диагностических «окон».

7. Формализация продукционных правил БЗ интеллектуальной поддержки процессов диагностирования и контроля устройств СЦБ.

8. Реализация нового подхода к информатизации СС и автоматизации СГ на основе СК АДК-СЦБ.

9. Построение ситуационных моделей мониторинга состояния процессов расформирования-формирования составов на основе логико-алгебраического подхода.

10. Разработка продукционных правил БЗ, алгоритмов интеллектуальной поддержки принятия решений и технологических «окон» АРМов информатизации СС.

Степень разработанности проблемы. Постановке перечисленных в диссертации задач предшествовали многочисленные теоретические исследования, труды и практические разработки ученых и специалистов в России и за рубежом.

Проблемы развития железнодорожного транспорта, ориентирующие разработчиков на поиск инноваций, учет экономических критериев поставлены и освещены в многочисленных работах С. Е. Ададурова, В.А. Гапанови-ча, В. М. Кайнова, В. И. Колесникова, В. А. Шарова, В. И. Якунина.

Решению важных теоретических и практических вопросов создания современной технологии управления, исследования и моделирования сложных объектов и процессов, анализа и синтеза устройств автоматики и телемеханики, разработки микропроцессорных систем, их программного обеспечения и диагностики, формирования технической политики и стратегии дальнейшего развития СЖАТ и АСУЖТ, начиная с 1980 г., посвящены работы.

B.C. Аркатова, M.A. Бутаковой, B.A. Буянова, A.H. Гуды, И.Е. Дмитрен-ко, И. Д. Долгого, Ю. И. Жаркова, В. Н. Иванченко, А. И. Каменева, А.Г. Куль-кина, С. М. Ковалева, Ю. А. Кравцова, В. М. Лисенкова, H.H. Лябаха, В.В. Са-пожникова, Вл.В. Сапожникова, A.A. Сепетого, Е. М. Тишкина, А.Н. Ша-бельникова, В. И. Шаманова, В. И. Шелухина и др.

Мониторингу сложных систем на транспорте, в рамках исследуемой темы, посвящены работы В. Р. Одикадзе, E.H. Розенберга, И. Н. Розенберга, A.A. Сепетого, Ю. В. Снитко, И. А. Фарапонова.

Построение формальных описаний процессов расформирования-формирования поездов на СС, разработка методов планирования и управления объектом исследования осуществлялись на основе трудов Л.С. Берштей-на, А. Н. Гуды, В. А. Ивницкого, С. М. Ковалева, А. Н. Мелихова, А. И. Орлова,.

C.И. Родзина и др.

В настоящей работе анализируются и развиваются подходы к интеллектуализации процессов диагностирования, идентификации процессов и управления, изложенные в работах С. С. Броновицкого, М. А. Бутаковой, В. Н. Иванченко, H.H. Лябаха, А. Н. Шабельникова и др.

Вместе с тем, реализация предлагаемых в анализируемых источниках методов описания технологических процессов, автоматизации диагностирования и мониторинга устройств СЦБ, информатизации СС требуют адаптации имеющихся теоретических и методических результатов, разработки нового информационного, технического и алгоритмического обеспечения, развития формализованных процедур моделирования и принятия решений.

В настоящее время отсутствует общая методология построения многофункциональных систем автоматизации процессов диагностирования и мониторинга устройств СЦБ, идентификации сложных станционных технологических процессов и управления с интеллектуальной поддержкой на основе унифицированных технических средств и программных продуктов ИВК-АДК.

Цель диссертационного исследования — создание многофункциональной системы автоматизации диагностирования, идентификации процессов и управления на станциях за счет развития функциональных и интеллектуальных возможностей станционного комплекса АДК-СЦБ.

Для достижения этого в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

— дано теоретическое обобщение состояния и перспектив развития станционных АДК-СЦБ и сформулированы актуальные направления исследования возможностей их многофункционального использования;

— разработана методология исследования и построения многофункционального СК АДК-СЦБ, которая содержит этапы разработки, используемые и развиваемые в исследуемой области методы и модели, теоретические подходы и принципы, адекватные решаемой проблеме, технологию реализации алгоритмов мониторинга состояния устройств СЦБ, идентификации «отказов» и формирования продукционных правил БЗ для интеллектуальной поддержки процессов диагностирования, информатизации и управления;

— разработан метод интеграции СК АДК-СЦБ с диагностируемыми СЖАТ (БД, нормали и уровни измерительных каналов, диагностические задачи, интерфейсы увязки и др.);

— предложена технология графической интерпретации отказов, сбоев и неисправностей на диагностических «окнах» АРМов;

— разработаны продукционные правила БЗ и алгоритмы интеллектуализации процессов диагностирования и мониторинга устройств, идентификации процессов расформирования-формирования составов и управления СГ;

— приведено множество (свыше 20) реально действующих диагностических и технологических «окон» на АРМах технического персонала ШН, ШЧД, ДДЦ-ТДМ, а также дежурного (ДСПГ) и диспетчерского персонала.

ДСЦ);

— приведены результаты исследований, которые внедрены на реальных объектах и в учебном процессе [98].

Положения, выносимые на защиту.

1. Новый подход к созданию многофункционального станционного комплекса АДК-СЦБ, решающего на основе унифицированных программно-аппаратных средств ИВК-АДК диагностические и технологические задачи, а также идентификацию процессов и управление объектами автоматизации.

2. Методика исследований и разработки АДК-СЦБ с развитыми функциями технического диагностирования, контроля и мониторинга станционных устройств СЦБ, идентификацию состояний станций и автоматического управления объектами.

3. Математические модели оптимизации структур и параметров СК АДК-СЦБ, а также классификации отказов и неисправностей диагностируемых устройств.

4. Логико-алгебраическая модель мониторинга подвижных единиц на основе пространственных и временных отношений с напольными устройствами и датчиками первичной информации.

5. Диагностические и технологические «окна» состояния устройств СЦБ и операций, реализуемых дежурным и диспетчерским персоналом СС и СГ.

6. Продукционные правила БЗ и алгоритмы интеллектуальной поддержки оценки ситуаций и принятия решений техническим и эксплуатационным персоналом.

Объектом исследования является технологический процесс расформирования-формирования составов на СС, оборудованной распределенными комплексами АДК-СЦБ, реализующими диагностирование и мониторинг устройств СЦБ, информатизацию парков и автоматическое управление СГ.

Предмет исследования: принципы, математические методы и модели оптимизации структуры и параметров многофункционального СК АДК-СЦБ, алгоритмы и правила вывода БЗ для формирования «окон» визуализации отказов устройств СЦБ, логико-алгебраические модели мониторинга состояния парков СС и перемещения подвижных единиц, информационные технологии и алгоритмы поддержки принятия решений.

Исследования выполнялись в рамках следующих пунктов паспорта специальности 05.13.06: п. 4. Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация. п. 6. Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления. п. 8. Формализованные метода анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др. п. 14. Теоретические основы, методы и алгоритмы диагностирования (определения работоспособности, поиск неисправностей и прогнозирования) АСУТП, АСУП, АСТПП и др. п. 15. Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.) п. 19. Разработка методов обеспечения совместимости и интеграции АСУ, АСУТП, АСУП, АСТПП и других систем и средств управления. Научная новизна исследований:

1. Предложен новый подход к созданию многофункционального комплекса АДК-СЦБ, решающего задачи диагностирования и мониторинга устройств СЦБ, идентификации технологических процессов на СС и автоматизации СГ.

2. Разработаны математические модели оценки структуры и параметров многофункционального СК АДК-СЦБ и классификации диагностируемых отказов устройств СЦБ.

3. Разработана логико-алгебраическая модель мониторинга перемещений подвижных объектов на основе отношений осей, тележек, вагонов с напольным оборудованием.

4. Предложены продукционные правила БЗ и построены алгоритмы интеллектуальной поддержки процессов диагностирования и информатизации.

5. Доказана возможность автоматизации процессов управления СГ на программно-аппаратных средствах СК АДК-СЦБ.

6. Развита технология графической интерпретации результатов диагностирования устройств и информатизации технологических зон СС.

Теоретико-методологической основой диссертационного исследования явились научные труды отечественных и зарубежных ученых по данной проблеме, экспертные оценки опытных специалистов в области СЦБ, дежурного и диспетчерского персонала СС и СГ, результаты диагностических протоколов, нормали параметров эксплуатации и обслуживания устройств и Типовые материалы на проектирование системы АДК-СЦБ.

Теоретическая ценность диссертационного исследования определяется направленностью теоретических результатов на принципиальное развитие технологии диагностирования и управления сложными динамическими процессами, которые могут быть использованы в иных аналогичных системах на транспорте и в промышленности.

Практическая значимость работы определена реальным внедрением станционных комплексов АДК-СЦБ с развитыми диагностическими и измерительными функциями на Северо-Кавказской, Южно-Уральской, Куйбышевской, Свердловской и Красноярской железных дорогах.

Методы, модели и алгоритмы идентификации сложных технологических процессов можно использовать на реальных СС при внедрении СК АДК-СЦБ.

Результаты, касающиеся автоматизации процессов расформирования составов, нашли применение в реальном проекте ГАЦ-МПР на станции Новороссийск Северо-Кавказской железной дороги.

Акты о внедрении результатов на полигоне станций ОАО «РЖД» и в учебном процессе ВУЗов железнодорожного транспорта приведены в Приложениях к диссертации.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается экспертными оценками технического персонала, обслуживающего СК АДК-СЦБ, а также диспетчерского и дежурного персонала СС, вычислительными экспериментами на этапе программной реализации алгоритмов и технологических «окон» АРМов, публикациями и апробацией работы на региональных, отраслевых и международных конференциях, а также актами внедрения результатов работы.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты докладывались и одобрены на совместном заседании кафедр «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» и «Информатика» РГУПС, кафедре «Системный анализ и телекоммуникации» Технологического института Южного федерального университета (г. Таганрог 2010), на международных конференциях «ТрансЖАТ» и отраслевых выставках ОАО «РЖД».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы (из них 7 в изданиях, рекомендованных ВАК), в том числе в соавторстве 2 учебника для вузов железнодорожного транспорта объемом 950 стр., 1 учебное пособие объемом 144 стр. и 1 монография объемом 374 стр.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и Приложений. Она содержит 196 стр. машинописного текста, в том числе 96 рисунков, 13 таблиц и библиографию из 106 наименований.

Выводы по главе 4.

1. Изложенный материал четвертой главы — это доказательство достижения поставленной в диссертации цели — реализация СК АДК-СЦБ новых функций идентификации технологических процессов на СС и управление горкой. Апробация таких многофункциональных возможностей СК АДК-СЦБ проведена для двух объектов — СС и СГ.

Новый подход к идентификации процессов на СС и автоматизации СГ на основе ИВК-АДК продиктован возможностью избавиться от строительно—монтажных работ и аппаратных затрат на параллельную увязку с устройствами СЦБ.

2. Концепция идентификации процессов на СС предусматривает интеграцию БД и БЗ на программном уровне для решения следующих технологических задач: мониторинг оперативно-технологических (в том числе нештатных) ситуаций в пределах всей ССведение прогнозирующих моделей состояния парков на этапе планирования работ маневровым или станционным диспетчерамиведение непрерывных моделей слежения за перемещением подвижных единиц (вагонов, отцепов, локомотивов) — автоматическое ведение графиков исполненной работыформирование и отображение на АРМах технологических «окон» состояния парков и СГ, а также протоколирование показателей работы на текущей период и по окончанию сменыраздельный учет простоя вагонов в парках ССавтоматическую выработку «советов» и рекомендаций в условиях возникающих сложных оперативно-технологических ситуаций в парках СС и на СГинтеллектуальную автоматическую поддержку принятия решений дежурного и диспетчерского аппарата.

3. Доказана необходимость перераспределения информационных потоков, замыкающихся на маневрового (станционного) диспетчера. Источниками укрупненной информации становятся АДК-СЦБ парков и СГ, а также АСУ СС. Для каждого из перечисленных источников выявлены виды информации, интегрируемые ИВК-АДК в ПП, ПФ, СГ, ПО.

4. Теоретической базой ведения ситуационных моделей (моделей слежения) явился логико-алгебраический подход, в основу которого положена псевдофизическая логика пространственно-временных отношений единиц с напольным оборудованием.

5. Определены технологические задачи, решение которых требует интеллектуальной поддержки. К ним относятся: прогнозирование завершения накопления составоввыбор очередности роспуска составов из числа готовых к надвигу на горкувыбор оптимальных маршрутов заезда маневровых локомотивов, связанных с перестановками вагонов и информированием (осаживанием, подтягиванием) со стороны вытяжкиоценка нештатных оперативно-технологических ситуаций на путях ПФ, требующих первоочередного вмешательства (изъятие поврежденного вагона, неподход центров, прикрытие вагонов ВМ, недопустимо большое «окно» между вагонами и др.).

Для перечисленных задач разработано пять алгоритмов поддержки принятия решений, построенных на основе пяти продукционных правил БЗ.

6. Особое место в проблеме идентификации СС и СГ заняли 9 технологических «окон» состояния процесса расформирования — формирования составов и поддержки принятия решений. В число таких графических и табличных интерфейсов вошли: графики исполненной работы в 1-часовом и 4-х часовом интервалах временивиды работ в ППсостояние ПО и ПФ- «окно» текущего накопления составовсостояние подгорочного парка и накопление вагонов по путям ПФ.

7. В контексте поставленной задачи расширения функций СК АДК-СЦБ дано описание новой версии горочной автоматической централизации с резервированием на основе ИВК-АДК и системы управления компрессорной станцией. Здесь приведена структурная схема компоновки штатных аппаратных средств СК АДК-СЦБ. Показана структура ЛВС. В такой сети функционирует и система автоматического управления компрессорной станцией.

Заключение

.

1. Дано теоретическое обобщение состояния проблемы создания отраслевой системы СТДМ и установлена необходимость функционального развития существующих комплексов АСДК, АПК-ДК и АДК-СЦБ.

2. Сформулирована постановка задачи создания на основе ИВК-АДК многофункционального станционного комплекса СК АДК-СЦБ, обеспечивающего реализацию развитых функций диагностирования устройств СЦБ, идентификацию технологических процессов и автоматизации процессов управления.

3. В контексте диссертационного исследования разработана методология, раскрывающая концепцию и теоретические подходы к решению поставленных задач. Методология содержит 7 этапов теоретических и экспериментальных исследований.

4. В соответствии с методологией разработаны:

— методы унифицированного информационного и технического обеспечения увязки вновь создаваемого СК АДК-СЦБ с диагностируемыми СЖАТ;

— технология формирования диагностических «окон» и протоколов состояния устройств СЦБ;

— математическая модель идентификации отказов по классам «Нормально», «Неисправность» и «Отказ».

5. Предложена технология графической интерпретации унифицированных диагностических ситуаций и состояний устройств СЦБ. Приведены фрагменты «окон», отображающих отказы устройств РЦ, ТРЦ, стрелок, светофоров, устройств кодирования и электропитания.

6. Разработано 10 формализованных правил вывода БЗ, лежащих в основе построения алгоритмов интеллектуализации процессов диагностирования, информатизации и управления.

7. В основу идентификации процессов на СС положены: регистрация временных параметров исполнения решающих технологических операций в паркахведение модели мониторинга дислокации вагонов, отцепов, составов и локомотивовформирование «окон» визуализации нештатных и опасных ситуаций.

8. Разработана логико-алгебраическая модель перемещения подвижных единиц на СС и СГ, основанная на отношениях осей тележек, вагонов с напольным оборудованием.

9. Определены четыре технологические задачи, требующие интеллектуальной поддержки принятия решений ДСЦ и ДСПГ. Для этого разработаны продукционные правила вывода и алгоритмы принятия решений.

10. Доказательство реализации задач управления на основе СК АДК-СЦБ проиллюстрировано техническими решениями и структурой новой версии ГАД-МНР и автоматизацией управления компрессорной станцией. Технические решения ГАЦ-МПР и КСАУ КС на основе ИВК-АДК приняты к внедрению на реальных объектах СС ОАО «РЖД».