Автореферат - Ростовский государственный университет путей
advertisement
На правах рукописи CОКОЛОВ ВЛАДИСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ СОРТИРОВОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ: ТЕХНИЧЕСКОЕ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ, ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Специальность: 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (на транспорте) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ростов-на-Дону – 2008 г. 2 Диссертация выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шабельников Александр Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Берштейн Леонид Самойлович кандидат технических наук, доцент Швалов Дмитрий Викторович Ведущая организация: Российский государственный открытый технический университет путей сообщения Защита диссертации состоится 30 июня 2008 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01.03 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференцзал. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУПС. Автореферат разослан 29 мая 2008 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, диссертационный совет Д 218.010.03, ученому секретарю. Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор М.А. Бутакова 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Интеграция России в мировое экономическое сообщество, требования конкурентоспособного и эффективного развития на всех уровнях управления экономикой страны актуализировали проблемы функционирования хозяйствующих субъектов и изменения парадигмы управления ими во всех сферах, в том числе и на железнодорожном транспорте. Это поставило отрасль перед задачей эффективной реструктуризации. Переход российской экономики на рыночные условия хозяйствования сформулировали новые требования к характеру функционирования железнодорожной отрасли, основными из которых следует считать: – учет экономических критериев работы всех звеньев транспортного конвейера; – повышение качества технологических процессов за счет внедрения инноваций, что повысит конкурентоспособность железнодорожного транспорта на рынке транспортных услуг. Не исключением в этом ряду являются системы сортировки составов, осуществляемые на сортировочных станциях (СС). В настоящее время ресурсы повышения эффективности работы СС посредством автоматизации ее основных процессов исчерпаны, и выход нами видится в создании и внедрении систем нового поколения – систем интеллектуального функционирования, что хорошо коррелирует с объявленной в отрасли программой реструктуризации. Интеллектуальность работы СС определяется общей логикой функционирования, включающей человека биологической составляющей комплекса, совокупностью интеллектуально функционирующих элементов и подсистем. В существующей нормативной литературе по реструктуризации отрасли (отдельных предприятий), многочисленных научных исследованиях много внимания уделяется организационным проблемам преобразования. Достаточно подробно исследуются идеология, структуры, механизмы реструктуризации и функционирования отрасли (предприятия) в новых условиях хозяйствования. Вместе с тем технические, технологические проблемы остались вне пристального внимания менеджмента отрасли. Это определило выбор темы исследования. Степень разработанности проблемы. Проблемы собственно развития отрасли освещены в Стратегических целях развития ОАО «РЖД» на период до 2010 года и в Стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г., в соответствии с которыми поставлена задача резкого повышения производительности труда, сокращения эксплуатационных расходов, перехода на малолюдные технологии работы сортировочных станций с одновременным 4 повышением безопасности прохождения технологических процессов формирования-расформирования составов на сортировочных станциях. Особое внимание обращается на необходимость концентрации сортировочной работы на крупных сортировочных станциях сетевого и регионального значения, на которых должны быть обеспечены высокопроизводительная переработка вагонов и выполнение жестких нормативов простоя вагонов. Техническое и технологическое обеспечение станционной работы освещено в трудах Г. Биленко, А. Бородина, А. Казакова, Н. Модина, О. Олейник, Л. Тишкова и др. Проблемы горочной автоматизации подробно исследованы В. Иванченко, Н. Модиным, А. Савицким, В. Шелухиным, Н. Фонаревым. В плане построения формальных описаний, разработки инструментария планирования и управления деятельностью СС автор опирался на труды А. Баженюка, Л. Берштейна, М. Бутаковой, Л. Заде, С. Ковалева, Н. Лябаха, А. Мелихова, А. Орлова, С. Светунькова и др. Интеллектуализации транспортных процессов посвятили свои работы А. Гуда, И. Дергачева, В. Иванченко, С.Ковалев, Н. Лябах, А. Шабельников. Однако, для практической реализации предлагаемых в анализируемых источниках механизмов описания исследуемых технологических процессов на СС, определения оптимального режима функционирования и управления требуется адаптация имеющегося теоретического и методического инструментария, разработка технического и программного обеспечения и применение формализованных процедур идентификации и принятия интеллектуальных решений. Кроме того, в настоящее время отсутствует единая методология построения АСУ СС, обоснованная с точки зрения системного подхода. Это определило цель и задачи диссертационного исследования. Цель диссертационного исследования – разработка принципов, системы и технологии управления сортировочными процессами, включая механизмы интеллектуализации основных функций процесса сортировки составов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: Проанализировать состояние и перспективы развития АСУ СС, сформировав актуальные направления исследования и совершенствования деятельности СС. Развить идеологию построения (принципы, структуру и функции) комплексной системы автоматизированного управления сортировочной станцией (КСАУ СС). Разработать соответствующее программно-математическое обеспечение автоматизации и интеллектуализации сортировочных процессов (СП). 5 Разработать контрольно-диагностический комплекс АСУ сортировочным процессом. Разработать комплекс обеспечивающих технических устройств. Внедрить разработанные в диссертации методы и методики в практику деятельности отрасли, научные исследования и учебный процесс. Объект исследования: сортировочная станция, технологические процессы расформирования-формирования составов на станции. Предмет исследования: методы и механизмы автоматизации СП на основе интеллектуализации функций, применения современных информационных технологий и инновационных технологических решений. Положения, выносимые на защиту: 1. Состояние задачи автоматизации СС, в целом, и ее отдельных подсистем, в частности, характеризуется отсутствием системного подхода к решению, наличием комплекса технических, технологических, программноматематических проблем. Системный подход, обеспечивающий стратегическое видение и решение проблем управления сортировочными процессами, лежит в основе создаваемой методологии управления СП, и в свою очередь требует своего развития с учетом специфики предмета исследования и сферы приложения. 2. Изменение экономической ситуации в России существенным образом отразилось на роли железнодорожного транспорта, обеспечивающего как внутрихозяйственную деятельность страны, так и работу транспортных коридоров международного экономического сотрудничества. Этот факт потребовал изменения миссии, целей и задач функционирования отрасли. Основными стратегическими задачами являются: перевод отрасли на рыночные условия хозяйствования; включение инноваций, как основного рычага развития транспортного комплекса. 3. Разнородность (по сложности, наличию и качеству исходных данных, предназначению) задач моделирования сортировочных процессов формирует проблему систематизации подходов и методов моделирования, требует развития методов идентификации технологических процессов и процедур принятия решений на основе современного математического аппарата: теории нелинейных инерционных систем, теории нечетких множеств, теории нейронных сетей и др. 4. Успех решения задачи формализованного описания исследуемой предметной области, а также (в том числе вследствие адекватного моделирования) задачи управления СС, в целом, зависит от полноты, репрезентативности, точности, своевременности исходных данных о системе. Получение этой информации, ее анализ возлагается на описываемый в работе контрольно-диагностический комплекс (КДК). 6 5. Определяющим критерием функционирования СС (наряду с минимизацией времени обработки состава, затрачиваемой энергии, стоимости транспортных услуг) является обеспечение заданного уровня безопасности работ. В этой связи актуализируется проблема разработки соответствующей системы безопасности, включающей комплекс организационных, технических, технологических, программно-математических мер. Научная новизна исследований: 1. Развито представление о логике, механизмах применения методологии системного подхода в задачах анализа и синтеза системы управления СС, позволившее с одной стороны использовать для решения задач управления СП научные достижения и опыт смежных наук и, с другой, обобщить полученные результаты до возможностей использования их в иных сферах управления. 2. Предложены: методология интеллектуализации СП, проиллюстрированная синтезом автомата-советчика; методика исследования процессов скатывания отцепов с горки, позволяющая идентифицировать процесс и выработать механизмы адекватного управления им; подходы, использующие нейронные сети и сенсорные системы для моделирования различных процессов и процедур принятия решений на СС. Предложенные методики и механизмы составляют основу формализации процессов управления на СГ. 3. Разработаны принципы управления торможением отцепами на ТП на основе математической модели, учитывающей инерционность исследуемых процессов и использующей схему связей «вход-выход». Определены входные и выходные переменные модели. 4. Разработаны структура и технологии функционирования КСАУ СС, адекватно отражающие требования времени, легко адаптируемые под конкретные условия автоматизации. 5. Разработаны идеология, технические и технологические решения по созданию КДК в части решения задачи повышения безопасности функционирования горочных устройств путем их предотказной диагностики, и на этой основе заблаговременного предотвращения возникновения опасных ситуаций. 6. Систематизированы и развиты меры по обеспечению безопасности сортировочных процессов, в соответствии с нормативными требованиями, установленными на железных дорогах страны и мира. 7. Разработан комплекс технических средств, обеспечивающих научные исследования и практику внедрения КСАУ СС. Теоретико-методологической основой диссертационного исследования явились научные труды отечественных и зарубежных ученых по данной проблеме, специалистов по управлению сортировочными процессами. 7 В данном диссертационном исследовании использовались принципы системного (структурно-функционального) и сравнительного анализов, теория самоорганизации сложных процессов, статистические методы (корреляционнорегрессионный анализ), теория нечетких множеств, позволяющая формализовать опыт и интуицию разработчиков систем управления и специалистов по управлению сложными технологическими процессами, методы интеллектуализации управления, обеспечивающие «разумное» поведение синтезируемой системы в неопределенной среде функционирования. Информационно-эмпирической базой исследования послужили нормативные документы, законодательные акты, данные мониторинга сортировочного процесса на СС, экспертная информация, полученная на основе авторского обследования. Теоретическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке общих принципов, универсальных механизмов развития систем автоматизации сортировочных станций. Практическая значимость состоит в том, что разработанные в работе подходы и методы внедрены в конкретных системах автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях: Микропроцессорная система автоматического управления маршрутами движения отцепов на сортировочной горке с контролем накопления вагонов в сортировочном парке ГАЦ МН; Система автоматизированного регулирования скорости скатывания отцепов и управления прицельным торможением с накоплением на всю глубину сортировочного парка АРС-УУПТ; Контрольно-диагностический комплекс станционных устройств зоны горки КДК СУ ГАЦ, обеспечивающий протоколирование и метрологически аттестованные измерения основных технологических параметров функционирования горочных устройств; Система поддержки принятия решений оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки СППР КДК СУ, обеспечивающая интеллектуальный анализ большого количества протокольной и диагностической информации; Комплексная система автоматизации управления технологическим оборудованием компрессорной станции КСАУКС. Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры «Информатика» РГУ ПС, конференциях РГУ ПС, на Второй международной научно-практической конференции ТрансЖАТ-2005, г. Сочи, 2005 г., 6-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – 8 Москва, 2005 г., Третьей международной научно-практической конференции ТрансЖАТ-2006, г. Санкт-Петербург, 2006 г. Результаты диссертационного исследования внедрены в системах автоматизации сортировочных процессов на ст. Красноярск-Восточный Красноярской ж.д., ст. Инская Западно-Сибирской ж.д. и в учебном процессе РГУ ПС (приложение 3). Публикации по теме. Основные положения диссертации опубликованы в 18 печатных работах, общим объемом 1,54 п. л. Структура и объем работы. Диссертация имеет традиционную структуру и состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений. Она содержит 182 стр. машинописного текста, 24 рисунка, 5 таблиц, и библиографию, содержащую 102 наименования. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи диссертации, определяются объект и предмет исследования, указываются положения, выносимые на защиту и новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость, методологическая и эмпирическая база, результаты апробации и публикаций материалов исследования. В первой главе «Характеристика сортировочной станции и проблемы автоматизации сортировочных процессов» дан анализ сортировочной станции как базового элемента перевозочного процесса (рис. 1). Описаны основные технологические операции и показано, что достигнутый уровень автоматизации технологических процессов на СС недостаточен и совершенно не развита интеллектуальность функционирования СС. В первой главе дан также обзор существующих систем автоматизации станционных процессов, важнейшим из которых является горочный комплекс (рис. 2). Проведенный анализ позволил сформулировать структуру целей и задач разрабатываемого комплекса. Во второй главе «Методологические основы разработки и внедрения комплексной системы автоматизации сортировочных процессов» разработан системный подход к анализу сортировочных процессов и синтезу управляющего комплекса, определяемый схемой рис. 3. Произведен анализ существующих постановок и выбор подходящего определения системы S. Системой называется совокупность элементов A некоторой природы и связей R между ними, удовлетворяющих принципам системности P. S = (A, R, P). (1) 9 Структурная схема КСАУ СС ИПУ СС СС ИПУ Горочный пульт пульт Горочный ШлюзШлюзсервер сервер ГАЛС РР ГАЛС Преобразователь Преобразователь интерфейсов интерфейсов АРМ ДСПГ, ДСПГ, АРМы АРМы операторов операторов АРМ LAN ГАЦ МН МН ГАЦ КДКСУ СУ КДК ГАЦ ГАЦ УУПТ УУПТ СКДТ СКДТ КДК КДК протокольный протокольный серверсистемы системы сервер КСАУ КС КС КСАУ АРМ КДК КДК АРМ LAN Исполнительные Исполнительные устройствапоста поста устройства КВГ КВГ (контрольрасцепа расцепа)) (контроль Парк Парк прибытия прибытия СГ С Г Контроллер Контроллер КЗП КЗП Сортировочный парк (аппаратура КЗП) Компрессорная Компрессорная станция станция Парк Парк отправления отправления Структура комплекса Рис 1. горочного Структурная схема СС Рис. 2. Структурная схема горочного комплекса LAN 10 W X Y УО U БУ J Рис. 3. Обобщенная блок-схема системы управления (СУ) Развиты относительно объекта исследования принципы системности: атомарности, целостности, дифференциации элементов, целеустремленности, согласованности «жизненных пространств» элементов, адаптивности системы и ее самоорганизации. Методология построения системы предполагает установление требований к программному, математическому, техническому обеспечению. Разработка прикладного программного обеспечения строится в соответствии со следующими принципами: модульность и функциональная законченность; многократное использование написанного кода; модифицируемость; параметрическая настраиваемость модулей. Сформулированы требования к качеству программного обеспечения: пригодность, защищенность, надёжность, безотказность, практичность, эффективность, адаптируемость. Математическое обеспечение синтезируемого комплекса в соответствии с разрабатываемой идеологией интеллектуальных систем содержит три уровня обработки информации: внесистемный, реализуемый при построении моделей технологических процессов и процедур принятия решений; внутрисистемный, но выполняемый не в реальном времени, а предварительно при расчете оптимального режима скатывания; внутрисистемный, реализуемый в реальном времени работы управляющего оборудования. Выбор математического аппарата исследования зависит от характера решаемой задачи. Для решения вопросов организационного управления на станции удобно использовать: методы динамического программирования и методы теории оптимального управления. Важным местом приложения математического аппарата в задачах управления станционной работой являются методы логистики. В данном случае они могут быть применены для задачи управления запасами. «Запасы» при этом понимаются в двух аспектах: традиционном (оптимизация наличия запасных частей, оборудования, 11 расходных материалов); технологическом (нетрадиционном): речь идет об оптимальной избыточности путей парка приема (ПП), парка формирования (ПФ), локомотивов, бригад обслуживания, обеспечивающей ритмичность работы комплекса, гарантированное выполнение технологических задач по перевалке грузов через СС в критических условиях функционирования. Аппарат теории вероятностей наиболее адекватен при расчете рисков деятельности, как организационных, так и технико-технологических. Методы математической статистики позволяют строить зависимости между исследуемыми переменными, а также формировать отчетные документы по результатам мониторинга работы системы. Теория нечетких множеств (ТНМ) – удобный аппарат для формализации нечеткой логики оператора - является базой для создания многих интеллектуальных программ, синтезируемых на основе «копирования» интеллекта человека. Прокомментированы также возможности аппарата нейросетевого моделирования и использования сенсорных сетей. Суть теории распознавания образов (ТРО) в данной работе рассмотрена на примере создания автоматов-советчиков, а именно при реализации на ТП заданной скорости выхода отцепа из замедлителя. Повышение эффективности работы сортировочной станции обеспечивается с помощью КСАУ СС (рис. 4) за счет выявления «узких» мест и скрытых резервов в организации технологического процесса, сокращения до минимума ручного ввода и искажения информации, предоставления оперативных данных о текущей технологической ситуации на станции оперативно-диспетчерскому персоналу в реальном времени для повышения качества и оперативности принимаемых решений, предоставления аналитического материала для принятия руководством мер по изменению технологии работы станции с целью повышения основных технологических показателей. КСАУ СС должна обеспечить выполнение следующих показателей: ведение единой модели подвижных единиц в пределах сортировочной станции в реальном времени на основании данных «от колеса»; предоставление информации о размещении и перемещениях подвижных единиц для систем автоматического управления техническими средствами станции; сокращение времени простоя вагонов на станции; повышение исполнительской дисциплины в подразделениях и службах станции; упреждение превышения основных нормативных показателей работы станции; повышение оперативности и качества принимаемых решений; повышение квалификации управленческого и оперативного персонала; предоставление аналитической информации о работе 12 станции на основе протокольной информации за заданный период времени; оперативный контроль состава принимаемых и отправляемых поездов и соответствия телеграммы-натурного листа (ТГНЛ) фактическому составу поезда. В третьей главе «Технологическое и информационное обеспечение системы» рассмотрены существующий подход (разработанный при участии автора) к моделированию динамических процессов скатывания отцепов с горки, микропроцессорная ГАЦ с функциями контроля и накопления вагонов в сортировочном парке ГАЦ МН, система автоматизированного управления скоростями скатывания отцепов и управления прицельным торможением АРСУУПТ, контрольно-диагностический комплекс в АСУ сортировочным процессом (рис. 5). Важную роль в информационном обеспечении играет КДК СУ ГАЦ. Функции, выполняемые КДК СУ ГАЦ: сбор и хранение информации о состоянии постовых и напольных устройств ЖАТ; отображение оперативного состояния контролируемых устройств в виде осциллограмм и диаграмм, эпюр, графиков и других наглядных форм представления информации; отображение в базе данных состояния устройств в режиме реального времени; выдача графиков состояния устройств и уровней аналоговых сигналов; статистическая обработка сохранённой в базе данных информации, для определения работоспособности устройств в заданном периоде времени; отображение в графическом виде информации о состоянии устройств на мнемосхеме горки, а также в виде таблиц уровней напряжений и токов, измеряемых на контролируемых устройствах; выдача результатов самодиагностики компонентов комплекса, состояния внутренних и внешних соединений локальной сети, оценка состояния технических средств управляющего вычислительного комплекса систем автоматизации и напольных устройств СЦБ по совокупности признаков для обеспечения реконфигурации управления на внутрисистемном уровне. Парк «В» Н9 К Р А С Н О Я Р С К - В О С Т О Ч НЫ Й Парк «С» 179 НВV Парк «Б» НIА 6 14 ЧБIД 38 54 40 86 90 94 19 НМ18 91 62 92 96 НМ17 100 17 16 НМ15 15 16 2 200 258 214 202 216 220 186 188 ЧМ18 190 194 204 628 222 218 252 242 236 206 192 226 178 174 198 260 176 180 232 ЧМ16 614 31 616 234 622 13 НМ12 8 126 12 ЧМ15 24 НМ11 11 НМ10 116 118 124 128 130 НМ9 НМ8 120 НМ7 122 ДПКС ЧМ10 9 ЧМ9 8 7 НМ6 Парк «Г» 6 1350 608 158 156 37т Н15 163 Н16 13 Ч13 14 М55 39 37 15 М57 16 31 29 569 571 141 127 133 137 Н19 121 33 М59 35 27 21 19 123 125 107 105 129 115 Н22 Н23 109 Парк «А» 15 11 М61 73 М63 М67 Ч23 24 Ч24 25 Ч25 79 57 51 53 55 ПЗ 1 Пост ЭЦ2 ЧД 516 223 41т 14 515 13 612 514 12 ДСПП 221 Ч 14 162 160 268 3 61 77 513 512 16 610 164 266 5 59 71 ЧIII Н25 Компрессорная 511 21 22 23 Н24 17 13 19 20 НIII 117 111 Н20 103 101 Н21 229 334 НI 20 з 205 Н3 236 219 207 3 з 13 22 217 215 НII 476 30 з 213 211 Н4 409 4 з М213 20 209 6з М215 Парк «З» 11 304 302А 2 38т 41 ЧV Н14 15 ЧМ6 ЧМIV 43 30 Пост ЭЦ1 ЧМ8 ЧМ7 522 517 18 17 604 119 135 131 521 524 21 606 ЧМ11 10 525 22 170 149 139 501 23 626 168 161 Ч12 ДСПП 113 523 157 Ч11 12 153 503 509 526 25 290 ЧМ13 ЧМ13 2 1 527 26 624 155 151 549 27 618 230 167 185 147 551 28 620 600 191 534 636 254 238 244 228 193 Ч10 11 531 532 32 632 172 НМ13 66 6 13 ПМС ЧМ17 535 33 634 224 187 195 602 68 12 ЧБII 212 ЧМ20 ЧМ19 18 НМ16 42 20 М108 20 НМ19 64 56 М106 21 533 536 35 638 34 М96 22 НМ20 13 10 18 630 НМ21 114 22 НIIIА ЧмIIIА 34 36 24 НVIIА 4 2 ЧБIII 88 84 52 32 Ч 110 104 50 Чм VII А 8 70 46 Н13 159 36 М110 23 НМ22 165 Ч9 10 Н12 НV 537 37 26 НV А 44 60 175 171 2 26 НМ23 58 640 189 5ЧД 38 ПТОВ 50 М78 108 48 173 169 ДСПП 9 Н10 177 Н11 39т 300 ЧА НАIII ЧмIII ЧАIII НАI Ч0 294 ЧмIIА ЧА НА 296 НАIIД ЧII Красноярск - Северный Сорокино Базаиха ГОРОЧНЫЙ КОМПЛЕКС САИ ПАЛЬМА ГАЛС Р ОБЪЕКТНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ГОРЛОВИНЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕКТНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ПАРКА ОТПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТНЫЙ КОНТРОЛЛЕР СОРТИРОВОЧНОГО ПАРКА КОНТРОЛЛЕР ТЕКУЩЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ ОБЪЕКТНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ПАРКА ПРИБЫТИЯ И ТРАНЗИТНОГО ПАРКА АСОУП АСУ ЛР ПОДСИСТЕМА АНАЛИЗА И ПРОТОКОЛИРОВАНИЯ АРМы ДГП, ДНЦС, ДНЦМ, ДРУ, ИТП отделения и управления дороги АРМ ДС АРМ ДНЦ АРМ ДСП АРМ ДСПГ Рис. 4. Структура КСАУ СС (на примере ст. Красноярск-Восточный) СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КСАУ СС Н НД 14 В системы автоматизации технологических процессов (КГМ ПК, САУ КС и др.) Протоколирование хода роспуска и маневровых работ Сетевой коммутатор POWERFAULT DATA ALARM PC Pentium 4 (2,4 ГГц) Сервер баз данных RS 100-S3-S3 2xPentium4 (2,4ГГц) ADAM5000E - устройство распределенного сбора и управления на базе интерфейса RS-485 Платы гальванической изоляции и масштабирования аналоговых сигналов АИМ16 Контроллер сбора информации Промышленный компьютер IPC-615, Pentium 4 (2,4ГГц) Дискретный ввод-вывод PCL-722 АЦП PCI-1713 АЦП PCI-1713 Дискретный ввод-вывод PCL-722 АЦП PCI-1713 АРМ электромеханика сортировочной горки Активная матрица ввода дискретных сигналов Платы: ОДМ12А - сигналы постоянного тока; ОДМ12Б - сигналы переменного тока; ОДМ8А - сигналы постоянного тока гальванически не связанные; ОДМ8Б - сигналы переменного тока гальванически не связанные. Плата преобразователя напряжение-ток АП16 8-канальный релейный выходной модуль ADAM 5068 8-канальный релейный выходной модуль ADAM 5068 8-канальный релейный выходной модуль ADAM 5068 Платы гальванической изоляции аналоговых сигналов АИ16 8-канальный релейный выходной модуль ADAM 5068 IDC IDC IDC IDC IDC IDC IDC IDC АИМ16 Токи стрелок и питающих установок Питающие установки поста Схема измерения сопротивления изоляции и поиска неисправности в питающих цепях Стрелочные ПБМ Напряжения: - обмоток реле ПК/МК стрелок; - автопереключателей стрелок; - путевых реле РЦ; - реле РТД-С и ИПД; - питающие установки, панели конденсаторов, аккомуляторные батареи. Сигналы управления и контроля напольных и постовых устройств сортировочной горки Рис.1. Структурная схема КДКавтоматизированной автоматизированной сортировочной горки Рис. 5. Структурная схема КДК сортировочной горки 15 Проблема безопасности движения поездов актуальна для процесса расформирования составов на сортировочных горках, который в полной мере относится к ответственным технологическим процессам. Решение задачи повышения безопасности функционирования горочных устройств разделяется на три основных направления: 1. Разработка нового поколения напольных горочных устройств – стрелочных приводов, замедлителей и аппаратуры управления. 2. Диагностика состояния аппаратуры горочных устройств, в том числе предотказная. 3. Разработка алгоритмических и схемных решений для парирования последствий опасных ситуаций, вызванных опасными отказами. Четвертая глава «Интеллектуализация сортировочных процессов» посвящена совершенствованию математического описания процессов скатывания отцепов с горки. В частности разработан оптимальный план (табл.1) идентификации полинома, описывающего процесс скатывания отцепов: Vвых = а0 + а1 Vвх + а2 V2вх + ..., (2) где Vвх, Vвых – соответственно входная и выходная скорости отцепа на участке. В табл. 1 обозначено j – порядок выделяемого слагаемого полинома, с – коэффициент, определяющий входную скорость Vвхi = сiV. Здесь V – максимально возможная скорость отцепа на исследуемом участке. Предложено использовать полиномы Вольтерра для описания инерционности процесса. Приведены иллюстративные примеры. Составлена совокупность интеллектуализируемых функций сортировочного процесса на СС. Она выглядит следующим образом: 1. Управление действиями горочного, станционного (и других) операторов. 2. Выбор состава в ПП для надвига на СГ. 3. Классификация отцепов по ходовым свойствам. 4. Управление надвигом составов на горку. 5. Управление скатыванием отцепов по участкам свободного скатывания. 6. Торможение отцепов на замедлителях ТП. 7. Выбор пути отсева отцепа с нарушенным режимом скатывания. 8. Выбор пути заезда меневрового локомотива для нормализации результатов роспуска. Таблица 1 Оптимальный план идентификации процесса скатывания отцепов j+1 1 2 3 4 5 6 7 c0 0,5 0,855 0,935 0,96 0,975 0,985 0,985 c1 c2 c3 c4 c5 c6 0,145 0,5 0,69 0,795 0,855 0,89 0,065 0,31 0,5 0,63 0,715 0,04 0,205 0,37 0,5 0,025 0,145 0,285 0,015 0,11 0,015 16 Более подробно рассмотрены процедуры создания автомата-советчика по управлению скоростью выхода отцепа из ТП, которые основываются на следующих предположениях: 1. Отцеп управляется импульсно, то есть при необходимости (если текущая скорость выше заданной на выходе) кратковременно включается замедлитель ТП. 2. Об управляемом отцепе известны скорость входа в ТП – х1, весовая категория – х2, количество вагонов в отцепе – х3, расчетная скорость выхода – х 4. 3. Известны аналогичные данные о работе данного замедлителя в некоторый предшествующий период с той лишь разницей, что вместо расчетной скорости выхода – х4 указана реальная выходная скорость после импульса торможения. Алгоритм принятия решения в автомате-советчике построен основе принципов и идей теории распознавания образов: - для каждого класса решений: «не тормозить» (у = 0), «тормозить» (у = 1) строятся эталоны – точки в четырехмерном признаковом пространстве с координатами, характеризующими средние значения точек классов; - определяются параметры разброса точек одного класса вокруг соответствующего эталона; - определяется гиперплоскость, проходящая через середину отрезка, соединяющего эталоны классов и разделяющая все исследуемое признаковое пространство на две части. В нашем случае имеем эталон первого класса: Хэ1 = (21,86; 2,43; 2,26; 17, 66), (3) второго Хэ2 = (23,26; 3,31; 1,31; 13,78). (4) Разброс переменных около среднего оценивался дисперсией соответствующего признака. Результаты приведены в табл. 2. Таблица 2 Характеристики разброса данных по параметрам отцепов Класс У=0 У=1 х1 5,36 1,61 х2 2,89 3,38 х3 2,02 0,29 х4 3,1 12,30 Анализ табл. 2 позволяет совместно с (3) и (4) сделать ряд существенных выводов. Вот некоторые из них: - разброс точек первого класса по первой переменной значительно выше аналогичного разброса точек второго класса, и перекрывает его эталон. Это сравнение характеризует слабую разделяемость классов по первому признаку; 17 - наиболее интенсивно тормозятся одновагонные отцепы (дисперсия равна 0,29 при среднем 1,31); - высокая дисперсия выходной скорости после торможения (12,30) характеризует на сколько замедлитель при торможении дифференцирует скорости скатывающихся отцепов и т. д. Гиперплоскость, разделяющая выделенные классы отцепов имеет вид: G (Х) = 1,04 х1 + 0,88 х2 – 0,95 х3 – 3,88 х4 + 28,52 . (5) Ее анализ говорит, что наибольший вклад в распознавание ситуации вносит признак х4, наименьший – признаки х2 и х3. Проверка адекватности соотношения (5) дает следующие результаты: вероятность правильности распознавания ситуации, не требующей торможения примерно равна 0,91, а ситуации требующей торможения – 0,78, что хорошо согласуется с «качеством» исходных данных, представленных для обучения советчика: высокая степень пересечения классов (табл. 2). Данный раздел содержит также материалы по интеллектуальной диагностике состояния вагонных замедлителей. В пятой главе «Прикладные аспекты исследования и внедрения» осуществлена разработка комплекса обеспечивающих технических устройств. В частности, разработано устройство плавного управления тормозными средствами и комплекс технических средств логической защиты стрелки. Здесь же дано описание реального внедрения системы. Ниже приведен сравнительный анализ показателей работы станции Красноярск-Восточный за 2006-2007 годы после внедрения на ней КСАУ СП. Фактическая переработка в вагонах возросла на 32% с 785 695 до 1 033 271 вагонов (в сравнении с 2005 на 60%). Среднее количество перерабатываемых вагонов в сутки увеличилось на 31% − с 2153 до 2831 (в сравнении с 2005 - на 60%). Суточная перерабатывающая способность горки увеличилась на 27 % с 3618 до 4611 (в сравнении с 2005 на 42%). На 23% сократились суммарные потери времени на проведение технологических операций при «прерванных роспусках» с 412,56 ч в 2006 г. до 316,56 ч в 2007 г. (в сравнении с 2005 г. - на 28% ). На 22% сократился средний интервал между роспусками (с 17,34 мин в 2006г. до 13,6 мин в 2007г.) (в сравнении с 2005 г. - на 30%). Количество «чужаков» уменьшилось на 24% (в сравнении с 2005 г. - на 40%). Среднее количество роспусков в сутки увеличилось на 24% с 45 до 56 (в сравнении с 2005 г. - на 47%). Возросла на 14% скорость надвига состава при расформировании – до 5,76 км/ч (в сравнении с 2005 на 28%) . 18 Экономические показатели внедрения КСАУ СП на ст. КрасноярскВосточный: капитальные затраты на автоматизацию - 71,2 млн. руб. Сокращение эксплуатационных расходов – 24,7 млн.р. в год Дополнительный доход за счет сокращения простоя вагонов с переработкой на станции – 12,2 млн.р. в год. Чистый доход за 10 лет (расчетный срок эксплуатации системы автоматизации) – 220 млн.р. Срок окупаемости инвестиций – 2,5 года Внедрение системы автоматизации компрессорной станции при капитальных затратах 1 млн. рублей в пересчете на 1 компрессорную установку дает следующие экономические показатели: Годовой экономический эффект – 340 тыс.р. Чистый доход ЧД – 2,42 млн.р. Срок окупаемости – менее 3-х лет (2,97 лет) В заключении диссертации изложены основные теоретические и практические выводы, сделанные в рамках проведенного исследования. В приложении приведена статистика и акты, подтверждающие результаты внедрения научных разработок в практику. Основные положения работы отражены в следующих публикациях: 1. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Средства автоматизации сортировочной горки ст. Бекасово Московской ж.д. // Железнодорожный транспорт. Серия: Сигнализация и связь. Экспресс-информация. Москва: ЦНИИТЭИ, 2003.- Выпуск 2-3. 2. Савицкий А.Г., Шелухин В.И., Соколов В.Н. Управление движением составов и отцепов на автоматизированных сортировочных горках // Автоматика, связь, информатика, 2004, № 7. 3. Савицкий А.Г., Шелухин В.И., Соколов В.Н. Микропроцессорная система горочной автоматической централизации ГАЦ МН // Автоматика, связь, информатика, 2004, № 10. 4. Соколов В.Н. Контрольно-диагностический комплекс в автоматизированной системе управления сортировочным процессом с обнаружением предотказных состояний устройств и удаленным мониторингом // Сборник трудов Второй международной научно-практической конференции ТрансЖАТ-2005. Сочи. 2005. 5. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Актуальные проблемы повышения безопасности роспуска составов на сортировочных горках // Сборник трудов 4- 19 й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». Москва. 2005. 6. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Новейшие технологии автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях // Сборник трудов Третьей международной научно-практической конференции ТрансЖАТ-2006. С-Пб. 2006. 7. Шабельников А.Н., Соколов В.Н., Одикадзе В.Р., Даньшин А.И., Рогов С.А. Горочная автоматическая централизация микропроцессорная с контролем накопления вагонов в сортировочном парке (ГАЦ МН) // Патент на полезную модель № 51955. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 10 марта 2006 г. 8. Шабельников А.Н., Соколов В.Н., Одикадзе В.Р., Родионов Д.В., Даньшин А.И. Контрольно-диагностический комплекс станционных устройств горочной автоматической централизации (КДК СУ ГАЦ) // Патент на полезную модель № 56308. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 10 сентября 2006 г. 9. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Ростовский филиал ВНИИАС – развитие и перспективы / Автоматика, связь, информатика, 2006, № 2. 10. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Устройство управления прицельным торможением // Патент на полезную модель № 54348. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 июня 2006 г. 11. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Новые методы защиты стрелок горочной централизации от перевода под подвижным составом // Сборник трудов Третьей международной научно-практической конференции ТрансЖАТ2006. С-Пб. 2006. 12. Шабельников А.Н., Соколов В.Н., Одикадзе В.Р., Рогов С.А. Модуль плавного управления тормозными средствами (МПУТС) // Патент на полезную модель № 57700. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 октября 2006 г. 13. Шабельников А.Н., Шумский А.В., Соколов В.Н., Одикадзе В.Р., Бирюков И.А. Комплекс технических средств логической защиты стрелки (КТС ЛЗС) // Патент на полезную модель № 52799. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 апреля 2006 г. 14. Шабельников А.Н., Соколов В.Н., Одикадзе В.Р., Сапков И.Г., Даньшин А.И. Комплексная система автоматизации управления компрессорной станцией (КСАУКС) // Патент на полезную модель № 59511. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 декабря 2006 г. 15. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Новейшие технологии автоматизации работы сортировочных станций // Автоматика, связь, информатика, 2007, № 11. 20 Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК: 1. Шабельников А.Н., Соколов В.Н. Моделирование динамической системы управления скоростью самопроизвольно движущегося объекта // СКНЦ, приложение «Научная мысль Кавказа». № 13, 2001. 2. Шабельников А.Н., Соколов В.Н., Сарьян А.С. Импульсное управление торможением отцепов с помощью автомата-советчика // Вестник РГУПС, № 2, 2008 г. 3. Соколов В.Н. Методы прицельного вытормаживания отцепов // Автоматика, связь, информатика, 2007, № 11. Соколов Владислав Николаевич КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ СОРТИРОВОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ: ТЕХНИЧЕСКОЕ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ, ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати: 28.05.2008 г. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100. Заказ № . Ростовский государственный унив ерситет п утей сообщения Ризография РГУПС. Адрес университета: 344038, г. Ростов -на-Дон у, пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2.
