Автоматизированная система диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена
На правах рукописи
Балакина Екатерина Петровна
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРИ СБОЯХ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ МЕТРОПоЛиТЕНА
05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)» на кафедре «Управление и информатика в технических системах».
Научный руководитель – доктор технических наук,
профессор Ерофеев Е.В.
Официальные оппоненты – доктор технических наук,
профессор Бестемьянов П.Ф.
– кандидат технических наук,
с.н.с. Астрахан В.И.
Ведущая организация – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)»
Защита диссертации состоится 20 мая 2009г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д218.005.04 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, ГСП-4, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9, ауд. 4518.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по адресу Совета университета.
Автореферат разослан «___» апреля 2009 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д218.005.04,
д.т.н. В.Г.Сидоренко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Метрополитен является наиболее комфортабельным и скоростным видом общественного пассажирского транспорта современного крупного города. Работа метрополитенов осуществляется в напряженных условиях, что напрямую связано с большим объемом пассажироперевозок. В условиях интенсивного движения при ограниченных ресурсах нагона возникают нештатные ситуации, приводящие к отклонению от планового графика. Кроме того, при эксплуатации большой сложной системы происходят отказы технических средств и иные инциденты, приводящие к сбоям движения.
Во время таких нештатных ситуаций задачей поездного диспетчера является организация движения поездов на исправных участках линии метрополитена и восстановление движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев. При этом диспетчер является лицом, принимающим решение по управлению движением поездов, сложность работы которого состоит в необходимости быстро и правильно организовать движение на линии в экстренной ситуации.
В этих условиях актуальна разработка автоматизированной системы оперативного диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена (АСОДУ), работающей на базе универсальных алгоритмов управления линией метрополитена, позволяющих оперативно управлять движением поездов при возникновении сбоев на линии метрополитена и восстанавливать движение по плановому графику после ликвидации возникновения причин сбоев.
В нашей стране и за рубежом накоплен значительный опыт автоматизации управления движением поездов метрополитена. Большой вклад в этой области внесли ученые нашей страны: Абрамов В.М., Алексеев В.М., Астрахан В.И., Баранов Л.А., Бестемьянов П.Ф., Быков В.П., Василенко М.Н., Горелов Г.В., Дмитриенко И.Е., Доенин В.В., Ерофеев Е.В., Ершов А.В., Козлов В.П., Кузнецов С.В., Лисенков В.М., Максимов В.М., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Сидоренко В.Г., Фирсов Н.И. и другие. Данная работа посвящена разработке алгоритмов оперативного управления линией метрополитена, являющихся основой АСОДУ.
Целью диссертации является разработка алгоритмов автоматизированной системы диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена, позволяющих организовывать движение поездов по линии метрополитена при сбоях и восстанавливать движение поездов по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Проанализировать сбойные ситуации на метрополитене и выбрать показатели качества управления линией метрополитена.
- Создать имитационную модель линии метрополитена, предназначенную для исследования алгоритмов оперативного управления линией метрополитена при сбоях движения поездов.
- Разработать алгоритмы оперативного управления движением поездов, позволяющие организовывать движение по линии при возникновении больших сбоев.
- Разработать алгоритмы оперативного управления движением поездов, позволяющие восстанавливать движение по плановому графику после ликвидации причин возникновения больших и малых сбоев.
- С помощью имитационного моделирования провести анализ качества управления разработанных алгоритмов оперативного управления движением поездов.
- На базе предложенных алгоритмов разработать автоматизированную систему диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена.
Методы исследований. Результаты диссертационной работы получены на основе использования системного анализа, теории управления, теории расписаний, методов оптимизации, методов имитационного моделирования.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена адекватностью модели, корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования с данными, полученными в реальных условиях эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- предложена и реализована времення модель линии метрополитена в качестве эффективного аппарата для разработки и исследования алгоритмов оперативного управления линией метрополитена, предназначенных для организации движения при больших сбоях и восстановления движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев;
- введены новые показатели, позволяющие оценивать качество управления во время больших сбоев и при восстановлении движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев;
- разработаны принципы алгоритмизации оперативного управления линией метрополитена при наличии на линии неисправностей, приводящих к большим сбоям;
- разработаны принципы алгоритмизации оперативного управления линией метрополитена для восстановления движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев;
- решена оптимизационная задача по быстродействию для восстановления движения поездов по плановому графику после ликвидации причин возникновения больших сбоев за минимальное время.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке математического и программного обеспечения для оперативного управления линией метрополитена при наличии на линии больших сбоев;
- разработке математического и программного обеспечения для оперативного управления линией метрополитена при восстановлении движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев;
- разработке автоматизированной системы диспетчерского управления при сбоях движения поездов, предоставляющей лицу, принимающему решение, варианты управления линией метрополитена при возникновении нештатных ситуаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 3-й международной конференции «Система безопасности на транспорте» Чехия, г.Пшибрам (2007г.), Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (2006г., 2008г.), Научных конференциях «Неделя науки» (2006-2008гг.), V международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (2008г.), заседаниях кафедры «Управление и информатика в технических системах» МИИТ’а (2006-2008 гг.).
Реализация результатов работы. Автоматизированная система диспетчерского управления при сбоях движения поездов реализована на Московском метрополитене. Разработанные алгоритмы автоматизации работы станций с путевым развитием являются составной частью тренажера поездного диспетчера, внедренного на Московском метрополитене. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры «Управление и информатика в технических системах». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 16 работ, из них - три работы – в ведущих изданиях из перечня, определенного ВАК России для опубликования основных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, 6 приложений, списка литературы, включающего 145 наименований, изложена на 219 страницах и поясняется 58 рисунками, 2 диаграммами и 8 таблицами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, определены цель и задачи исследования.
В первой главе изложены принципы построения централизованных систем автоматического управления движением поездов метрополитена, проведена классификация методов автоматизированного управления движением поездов, моделей линии метрополитена, неисправностей, возникающих на линии, проведен анализ известных показателей, используемых для оценки качества управления линией метрополитена.
На основании проведенного анализа сформулированы выводы, показывающие актуальность разработки: АСОДУ, алгоритмов оперативного управления линией метрополитена во время больших сбоев, алгоритмов восстановления движения по плановому графику, модели, позволяющей эффективно исследовать алгоритмы оперативного управления движением поездов в ускоренном времени.
Во второй главе описана времення модель линии метрополитена, позволяющая повысить скорость моделирования движения всех поездов на линии. Эта модель включает в себя: базу данных, подмодель движения поездов, подмодель учета ограничений на управление, подмодель системы интервального регулирования, подмодель ввода возмущающих воздействий, подмодель задания алгоритмов управления, подмодель изменения параметров движения поезда, подмодель расчета показателей качества управления.
Времення модель в виде окружности отличается от традиционных тем, что независимая переменная – путь, пройденный поездом, рассматривается в масштабе базисного времени движения. Это позволяет описывать движение поезда как вращение вектора, начало которого находится в центре окружности, окончание - на окружности в точке, соответствующей положению поезда. Длина окружности определяется временем полного оборота поезда для «часа-пик» (или «непик») 
. Расстояние между станциями 
принимается как сумма времени стоянки на j-й станции и времени хода по j-му перегону. В соответствии с выбранным базисным временем, каждой точке остановки поезда будут соответствовать времена 
, первое из которых откладывается от нулевой точки отсчета, а последующие – от предыдущей точки остановки. Для конечных станций линии расстояние между точками остановки поездов по первому и второму пути определяется суммой времени стоянки поезда на станции и времени оборота поезда.
Расстановка поездов на временнй модели осуществляется в соответствии с их действительным положением на данный момент времени, а расстановка ниток графика в соответствии с плановым графиком на тот же момент времени.
Движение поезда в этой модели описывается с помощью введеных понятий мгновенной и средней условной скорости точки на окружности. Мгновенная условная скорость определяется следующим выражением:
, (1)
где t - астрономическое время, в котором производится моделирование, - выбранное базовое время при построении временнй модели (рис. 1). Средняя условная скорость движения поезда на перегоне определяется следующим образом:
, (2)
Рис. 1. Условная скорость поезда
где 
- время стоянки поезда на j-й станции, 
- время хода поезда по j-му перегону, 
- координата, соответствующая j-й станции на временнй модели.
Наличие путевого развития у станции на временнй модели изображается «перемычками» между точками остановок, относящимися к одной станции.
«Перемычки» изображаются на схеме временнй модели не в выбранном ранее масштабе. Время движения поезда по станционным путям характеризуется временем занятости 
, которое определяется следующим образом:
, (3)
где 
- количество смен кабины управления, необходимых на оборот поезда, 
- время на смену кабины управления, 
- сумма времени хода поезда до станционного тупика и времени хода поезда из станционного тупика до противоположной платформы, 
- дополнительное время стоянки поезда в станционном тупике. Отметим, что 
- величина изменяемая, в связи с чем, вводится понятие минимального времени занятости перемычки 
. Оно получается из выражения (3) при 
и наличии на станции нескольких бригад для оборота составов, что позволяет свести к минимуму 
.
Изменение времен хода поездов по перегону и времен стоянок на станциях во временнй модели производится за счет изменения средней условной скорости движения поезда по перегону. Диапазон варьирования этой величины определяет ресурс линии метрополитена. При совпадении базового времени с астрономическим временем моделирования t, средняя условная скорость поездов равна 
.
Для зоны нагона планового графика характерна средняя условная скорость 
. Эта зона ограничена сверху. Следовательно, можно говорить о максимальной средней скорости нагона планового графика 
движения поездов, которая определяется при следовании поезда с минимальным временем хода по j-му перегону 
и минимальной стоянке на j-й станции 
как:
. (4)
Для зоны отставания от планового графика определена максимальная средняя скорость отставания 
:
, (5)
где 
- максимальное время стоянки поезда на j-й станции, 
- максимальное время хода поезда по j-му перегону. Величина максимальной длительности стоянки зависит от размеров движения, а также условий, при которых решается задача. Поэтому можно говорить о «размытости» верхней границы для зоны отставания.
Таким образом, средняя условная скорость движения поезда изменяется от максимального до минимального значения: 
. Этот диапазон определяет ресурс перегона, которым является массив времен хода и стоянок на следующей за перегоном станции. Аналогично можно говорить о ресурсе линии метрополитена при сохранении равномерности движения, как
Подобные рассуждения можно применить и к скорости ниток планового графика на временнй модели. Средняя условная скорость движения ниток 
, если режим движения в рассматриваемый момент времени совпадает с базовым; в противном случае эта величина отлична от единицы и зависит от базового времени.
Эффективным средством улучшения качества управления является учет зависимости изменения ограничений на управление от состояния системы. Известны следующие характеристики перегонов линии: первая и вторая временные характеристики и регулировочная характеристика. Ограничения, накладываемые системой интервального регулирования, определяют минимальный интервал движения, при котором все поезда следуют на разрешающие сигналы системы интервального регулирования. В том случае, когда на метрополитене отсутствует система автоведения, выполнение задаваемого различного времени хода по перегонам доступно только высококвалифицированным машинистам, имеющим большой опыт управления составом на данной линии метрополитена. В этих условиях ресурс управления движением связан с изменением только длительности стоянки. Минимальный интервал попутного следования, как правило, определяется зоной подхода к станции. Отсюда для заданного времени хода и траектории движения поезда, устанавливающей скорость подхода поезда к станции, можно определить время движения от лимитирующей точки до станции.
Следовательно, можно говорить о минимальном интервале движения поездов по прибытию 
для перегона как:
, (6)
где 
- время движения от лимитирующей рельсовой цепи до рейки станции, 
- время, необходимое для освобождения платформы станции, когда поезд проследует рейку станции последним вагоном, 5с. – факультатив. На временнй модели 
соответствует точка 
, которая откладывается для j-го перегона от координаты 
против направления движения поездов.
В момент прибытия i-го поезда на станцию, а в рассматриваемой модели – в момент пересечения условной точки 
, определяется стоянка i-го поезда на 
-й станции 
как:
, (7)
где 
- минимальное время стоянки на станции, 
- коррекция времени стоянки. Эта величина ограничена сверху той длительностью стоянки, при которой сзади идущий поезд еще следует по разрешающим сигналам системы интервального регулирования. Тогда
, (8)
где 
соответствует положение (i+1)-го поезда на временнй модели линии метрополитена.
При использовании систем автоведения возможно изменение времени хода поездов по перегону. В этом случае каждому времени хода соответствует определенный режим ведения поезда по перегону.
Таким образом, данные первой временнй характеристики перегона учитываются при расчете минимального интервала попутного следования поездов для различных режимов ведения поезда.
Разработка и анализ алгоритмов АСОДУ производятся с использованием временнй модели. Для их количественной оценки в работе используются известные показатели качества:
- время вхождения в график
; - количество остановок по сигналам системы интервального регулирования
;
и введены новые показатели, оценивающие качество управления линией метрополитена при возникновении на линии больших сбоев и восстановлении движения по плановому графику:
- коэффициент реализации графика:
, (9)
где
- количество фактических прибытий поездов на станции, 
- количество плановых прибытий на станции;
- коэффициент реализации заданных интервалов по прибытию:
, (10)
где 
- средний графиковый интервал между поездами по прибытию, 
- средний фактический интервал между поездами по прибытию.
- коэффициент реализации заданных интервалов по отправлению:
, (11)
где 
- средний плановый интервал между поездами по отправлению, 
- средний фактический интервал между поездами по отправлению.
На значения введенных показателей влияет количество неплановых оборотов на станциях с путевым развитием, времена стоянок поездов в станционных тупиках, времена неплановых стоянок поездов на станциях, наличие увеличенных межпоездных интервалов и участков линии, закрытых для движения всех поездов. Проведенные эксперименты по оценке различных вариантов управления движением поездов показали, что введенные новые показатели чувствительны к изменению алгоритмов управления.
В данной главе разработано дерево событий (Event Trees) при возникновении нештатных ситуаций на линии метрополитена, позволяющее классифицировать и сократить число алгоритмов, обеспечивающих компенсацию сбоев при определенном множестве неисправностей, приводящих к возникновению нештатных ситуаций.
Третья глава посвящена разработке алгоритмов оперативного управления линией метрополитена при возникновении больших сбоев. Для эффективного описания процессов управления движением на станции разработана модель работы станции с использованием аппарата сетей Петри.
Анализ неисправностей, возникающих на линии, позволил выделить основные ситуации, приводящие к возникновению больших сбоев: закрытие участка линии для движения всех поездов; движение по линии метрополитена поезда с ограниченной скоростью с пассажирами или без пассажиров, приводящее к изменению парности на линии и порядка следования поездов. Последние две ситуации можно объединить в одну, так как движение поезда без пассажиров приводит к сокращению длительности стоянок на станциях, учет которых в разработанной временнй модели происходит при расчете средней условной скорости движения поезда. В работе для каждой ситуации разработан соответствующий алгоритм оперативного управления движением поездов.
Движение по линии неисправного поезда с ограниченной скорость значительно снижает пропускную способность участка. Следовательно, минимально допустимый интервал по отправлению между этим и сзадиидущим поездом увеличивается, так как время движения неисправного поезда от лимитирующей точки на перегоне до рейки станции и время освобождения платформы поездом увеличивается. По тем же причинам увеличивается минимально допустимый интервал по отправлению между этим и впередиидущим поездом.
Алгоритм оперативного управления линией метрополитена для данной ситуации выполняет следующие функции:
- определяет станцию для вывода неисправного состава из процесса организации движения;
- определяет пропускную способность участков линии метрополитена между соседними станциями с путевым развитием, для вычисления максимального количества поездов на данном участке, при котором все поезда будут следовать по разрешающим сигналам системы интервального регулирования;
- выравнивает межпоездные интервалы за счет изменения времен стоянки нескольких врепередиидущих и сзадиидущих поездов на станциях или за счет одновременного изменения времен хода по перегонам и времен стоянки этих поездов на станциях. Изменение параметров движения поездов осуществляется с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы;
- производит обороты составов на промежуточных станциях с путевым развитием.
Эффективность алгоритма определялась путем сравнения показателей качества управления разработанной АСОДУ и реального управления линией диспетчером, полученного из архива метрополитена. В таблице 1 приведен пример результата сравнения для одного реального случая на Калининской линии Московского метрополитена.
Таблица 1
| Алгоритм | Продолжительность сбоя, мин | К |  |  |  |
| Управление при реальном случае | 60 минут | 18 | 0,754 | 0,818 | 0,822 |
| Управление в соответствии с разработанным алгоритмом АСОДУ | 60 минут | 0 | 0,893 | 0,941 | 0,9445 |
Сравнение 15 случаев управления диспетчерами с управлением АСОДУ показало эффективность разработанных алгоритмов в сокращении количества остановок поездов на перегонах по сигналам СИРДП (К) в среднем на 97%, улучшении коэффициента реализации планового графика (
) в среднем на 6,44%, улучшении коэффициентов реализации заданных интервалов по отправлению (
) и по прибытию (
) в среднем на 4,9% и 5,2%, соответственно.
Задачей поездного диспетчера при закрытии участка пути для движения всех поездов является организация движения на исправных участках линии с максимальным числом рабочих станций для перевозки пассажиров в обоих направлениях. Существуют различные способы организации движения поездов: двустороннее, зонное движение, движение в неправильном направлении.
Линия метрополитена в этих условиях разделяется на три участка, по которым требуется организовать движение. В зависимости от места расположения сбоя участки могут быть разной протяженности, и число поездов на каждом из них также может быть различно. На рис. 2 приведен один из возможных способов разделения линии на участки при наличии на линии закрытого участка пути. Участок, с которого производится только отдача поездов на другие участки, назван «отдающим» участком (обозначен цифрой 1). Участок, на который только принимаются поезда с других участков, назван «принимающим» участком (обозначен цифрой 3). Последний участок назван «промежуточным» (обозначен цифрой 2), на него осуществляется прием поездов с отдающего участка и отправление поездов на принимающий участок. В зависимости от места возникновения сбоя на линии отдающий участок может отсутствовать.
Рис. 2. Вариант разделения линии метрополитена на участки в зависимости от положения закрытого участка пути
Алгоритм оперативного управления движением при возникновении больших сбоев решает следующие задачи:
- рассчитывает минимальное количество поездов для отдающего участка;
- рассчитывает максимальное количество поездов для принимающего участка; рассчитывает максимальное количество поездов для промежуточного участка;
- рассчитывает пропускную способность участков между станциями с путевым развитием;
- рассчитывает количество поездов, которое необходимо переместить с отдающего участка на принимающий;
- рассчитывает количество поездов, которое необходимо убрать в депо или на неглавные станционные пути промежу-точных станций с путевым развитием;
- рассчитывает интервалы между поездами на отдающем, промежуточном и принимающем участках;
- организует равномерное движение по участкам линии метрополитена;
- организует зонное движение поездов на участках линии метрополитена;
- организует двустороннее движение поездов на участке линии метрополитена.
Результаты работы алгоритма по сравнению с двумя реальными случаями на Сокольнической линии Московского метрополитена приведены в таблице 2.
Таблица 2
| № | Алгоритм | Продолжительность сбоя, мин | К |  |  |  |
| 1 | Управление при реальном случае | 32 | 14 | 0,73 | 0,972 | 0,973 |
| Управление в соответствии с разработанным алгоритмом АСОДУ | 32 | 2 | 0,78 | 0,986 | 0,987 | |
| 2 | Управление при реальном случае | 34 | 17 | 0,57 | 0,562 | 0,563 |
| Управление в соответствии с разработанным алгоритмом АСОДУ | 34 | 3 | 0,60 | 0,571 | 0,575 |
Сравнение 36 случаев управления диспетчерами с управлением АСОДУ показало эффективность разработанных алгоритмов в сокращении количества остановок поездов на перегонах по сигналам СИРДП в среднем на 93,5%, улучшении коэффициента реализации планового графика в среднем на 10,7%, улучшении коэффициента реализации заданных интервалов по отправлению и по прибытию в среднем на 6,25% и 6,16%, соответственно.
В четвертой главе разработаны алгоритмы восстановления движения по плановому графику после больших и малых сбоев. Восстановление движения по плановому графику необходимо производить за кратчайшее время, что связано в первую очередь с необходимостью реализации плановых оборотов поездов и (или) ночной расстановки.
При возникновении на линии метрополитена малых сбоев, управление движением поездов осуществляется по одному из известных алгоритмов с учетом зависимости ограничений на управление от состояния. После ликвидации причин возникновения малых сбоев, вследствие управленческих решений, поезда и нитки сдвинуты друг относительно друга на некоторую величину, которую в дальнейшем будем называть величиной рассогласования планового и исполненного графиков движения для данного поезда или величиной рассогласования положений нитки и поезда, парирование которой осуществляется по известным алгоритмам путем нагона планового графика.
Кроме ресурса нагона линия метрополитена имеет ресурс отставания от планового графика, который определяется суммированием ресурса увеличения стоянок поездов на станциях и ресурса увеличения времени хода по перегону. Ресурс отставания определяется с учетом зависимости ограничений на управление от состояния системы. Так как ресурс отставания для линии метрополитена больше ресурса нагона, то в работе предлагается кроме нагона планового графика использовать отставание от него. Выбор того или иного способа управления зависит от величины рассогласования планового и исполненного графиков.
На рис. 3 представлены результаты имитационного моделирования для Сокольнической линии Московского метрополитена для нагона и отставания от планового графика в виде зависимостей времени вхождения в график от величины рассогласования для двух вариантов управления: с использованием ресурса времени хода по перегонам и ресурса стоянок поездов на станции и с неизменным временем хода по перегонам. Точка пересечения этих кривых определяет пороговую величину возмущения, при которой следует выбирать тот или иной способ управления линией. Результаты проведенных имитационных экспериментов показали, что при больших рассогласованиях планового и исполненного графиков эффективным способом восстановления движения по плановому графику является отставание от планового графика, так как использование такого способа позволяет сократить длительность переходного процесса. По 7 исследованным линиям Московского метрополитена сделаны следующие выводы: значение пороговой величины возмущения расположено вблизи точки 
, время вхождения в график при использовании одновременно режимов нагона и отставания в среднем не превышает 
, независимо от величины рассогласования.
Рис. 3. Зависимость времени вхождения в график от способа восстановления движения по плановому графику а) – с неизменным временем хода по перегонам, б) – с изменением времен хода по перегонам
Приведение в соответствие положения ниток графика и поездов после ликвидации причин возникновения больших сбоев приводит к необходимости оборота поездов на промежуточных станциях с путевым развитием и, так называемых, разменов поездов на конечных станциях. Решение поставленной задачи осуществляется при минимизации времени вхождения в график и количества оборотов на промежуточных станциях. В диссертационной работе предлагается выбирать такое управление линией метрополитена, при котором каждый поезд может осуществить только один внеплановый оборот на станции с путевым развитием. Выбор такого варианта управления позволяет уменьшить количество оборотов на станциях с путевым развитием.
Задача поиска оптимального по быстродействию варианта управления линией метрополитена при восстановлении движения по плановому графику после больших сбоев формулируется следующим образом: требуется найти для каждого поезда, следующего не по графику, последовательность управляющих воздействий U i из допустимой области 
) и соответствующий этому варианту управления оперативный график, при котором время вхождения в график принимает минимальное значение:
где Ui – управление на i-ом шаге варьирования, которое может принимать jдно из следующих значений: U = 0 – отправление поезда в прямом направлении; U = 1 – введение сверхрежимной выдержки поезда на станции; U = 2 – отправление поезда под оборот на станции с путевым развитием; 
- время, необходимое на выполнение i-го шага управления для j-го поезда; 
- время входа j-го поезда в график.
Решение задачи производится при ограничениях на управление:
- на количество поездов на перегоне;
- на количество поездов, находящихся под оборотом на перемычке;
- на межпоездной интервал по отправлению поездов со станции;
- на время оборота поезда по перемычке;
- на изменение времени хода поездов по перегонам;
- на изменение времени стоянки поездов на станциях.
Задача определения оптимального по быстродействию варианта управления линией метрополитена при восстановлении движения по плановому графику после больших сбоев сводится к минимизации целевой функции:
Состояние поезда во временнй модели описывается тремя переменными: средней условной скоростью движения поезда 
, управляющим воздействием на i-м шаге 
и временем 
, необходимым для выполнения i-го шага.
Расчет методом перебора вариантов оптимального по быстродействию управления линией метрополитена для восстановления движения поездов по плановому графику линий занимает достаточно много времени, что объясняется, прежде всего, большой размерностью задачи, и не может быть использован при оперативном управлении. Вместе с тем, оптимальный по быстродействию алгоритм позволяет оценивать качество эвристических квазиоптимальных алгоритмов.
Основой квазиоптимального алгоритма, разработанного в данной работе для восстановления движения по плановому графику, является составление массивов поездов, «желающих обернуться» на станции с путевым развитием.
Время занятия перемычки определяется временем движения нитки до того края платформы соответствующей станции, на которую будет осуществляться выдача состава. При этом должно выполняться следующее условие:
, (15)
где 
– время движения поезда до станции, на которой будет осуществляться оборот поезда по соответствующему пути; 
– время движения нитки до противоположной платформы; ni – количество полных оборотов i-го поезда, необходимых для выполнения условия (15). Анализ различных вариантов управления линией метрополитена при восстановлении движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения больших сбоев позволил сделать вывод о том, что сокращение времени занятия перемычки ведет к уменьшению общего времени вхождения в график. Использование этого подхода обосновано, так как быстрее восстанавливается движение по нужной нитке i-го поезда и станция с путевым развитием быстрее освобождается для оборота других составов.
Составной частью квазиоптимального алгоритма является алгоритм выравнивания межпоездных интервалов, который реализуется за счет увеличения стоянок поездов на станциях, что соответствует пересчету средней условной скорости движения поезда для рассматриваемой модели.
Оценка эффективности работы данного алгоритма проводилась путем сравнения оперативных графиков квазиоптимального и оптимального алгоритмов. Некоторые результаты сравнения приведены в таблице 3.
Всего для анализа работы квазиоптимального алгоритма проведено 100 экспериментов, анализ которых показал:
- время вхождения в график при применении эвристического квазиоптимального алгоритма близко к оптимальному значению и превышает его в среднем на 4%. Небольшое рассогласование между результатами позволяет считать разработанный эвристический алгоритм квазиоптимальным;
- применение квазиоптимального алгоритма позволяет улучшить такие показатели, как: коэффициент выполнения графика в среднем на 1,43%, коэффициенты реализации заданных интервалов по отправлению и прибытию поездов на станции в среднем на 1,21% и 1,34%, соответственно, за счет применения алгоритма выравнивания межпоездных интервалов;
- применение квазиоптимального алгоритма позволяет достаточно оперативно получить результат в виде оперативного графика. Время формирования оперативного графика на 15 минут составляет в среднем 1,6 минуты реального времени, что является приемлемым для оперативного управления линией метрополитена.
Таблица 3
| № | Алгоритм | Твхода | К |  |  |  |
| 1 | Оптимальный по быстродействию | 0:42:20 | 0 | 0,936 | 0,92 | 0,94 |
| Квазиоптимальный | 0:42:20 | 0 | 0,978 | 0,95 | 0,97 | |
| 2 | Оптимальный по быстродействию | 0:49:30 | 0 | 0,82 | 0,892 | 0,897 |
| Квазиоптимальный | 0:51:10 | 0 | 0,915 | 0,928 | 0,932 | |
| 3 | Оптимальный по быстродействию | 0:20:20 | 0 | 0,916 | 0,91 | 0,915 |
| Квазиоптимальный | 0:20:20 | 0 | 0,946 | 0,923 | 0,93 |
В результате сделан вывод о работоспособности квазиоптимального алгоритма и возможности его применения в разрабатываемой АСОДУ.
В пятой главе определены функции и разработана структура автоматизированной системы диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена, включающая модуль ввода в систему информации и ее анализа, системный интерфейс, модуль управления заданиями, базу данных и систему управления базой данных, базу моделей и систему управления базой моделей, базу алгоритмов и систему управления базой алгоритмов, модуль вывода решения. Результатом работы АСОДУ является предоставление лицу, принимающему решение, варианта управления линией в удобном для поездного диспетчера виде – оперативного графика движения поездов. Для повышения вероятности правильной организации работы линии в соответствии с оперативным графиком, управляющие команды дублируются в виде текстовых сообщений.
Оценка эффективности использования АСОДУ при управлении линией метрополитена производилась с использованием моделей линий, описывающих работу всего множества объектов, участвующих в процессе организации движения, эффективно использующейся в тренажерах поездных диспетчеров Московского метрополитена. Сравнивались варианты управления линией после имевших место реальных случаев, полученных из архивов исполненных графиков движения и однозначно определяющих действия поездного диспетчера, с оперативными графиками АСОДУ, полученными для тех же условий. Для упрощения процесса имитационного моделирования на модели линии метрополитена тренажера поездного диспетчера произведена виртуальная автоматизация работы станций с путевым развитием модели тренажера при проведении внеплановых оборотов поездов, вводах (выводах) составов в (из) депо, организации зонного движения поездов.
В качестве примера оценки эффективности разработанной АСОДУ на рис. 4 (а, б) приведен исполненный график движения поездов для сбоя на Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена от момента начала сбоя до момента восстановления движения всех поездов по плановому графику. На рис. 5 приведен оперативный график движения для той же ситуации, построенный АСОДУ. Результаты оценки графиков по выбранным показателям сведены в таблицу 4.
а)
б)
Рис. 4 а,б. Исполненный график движения поездов Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена (работа диспетчера)
Рис.5. Оперативный график движения поездов Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена (работа АСОДУ)
Таблица 4
| Алгоритм | Твхода | К |  |  |  |
| Работа диспетчера | 1:30:00 | 3 | 0,928 | 0,919 | 0,922 |
| Работа АСОДУ | 0:57:00 | 0 | 0,935 | 0,938 | 0,945 |
В общей сложности для оценки качества работы АСОДУ было проведено 147 экспериментов на моделях 7 линий тренажера поездного диспетчера Московского метрополитена. В ходе моделирования наблюдалось улучшение качества управления линиями метрополитена по выбранным показателям при применении алгоритмов разработанной АСОДУ по сравнению с реальными случаями: в среднем на 94% уменьшилось количество остановок поездов на перегонах по системам СИРДП, коэффициент реализации графика улучшился в среднем на 16,3%, коэффициенты реализации заданных интервалов по отправлению и прибытию поездов на станции в среднем на 15,6% и 16% соответственно, время вхождения в график улучшилось в среднем на 48,3%, что позволяет сделать вывод о перспективности применения разработанной АСОДУ при управлении движением поездов на линиях метрополитенов.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации:
- Разработана автоматизированная система диспетчерского управления при сбоях в движении поездов метрополитена, предоставляющая лицу принимающему решение вариант управления линией метрополитена при возникновении нештатных ситуаций.
- Введены новые показатели, позволяющие дополнительно оценивать качество управления во время больших сбоев и при восстановлении движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев.
- Разработаны эффективные алгоритмы оперативного управления линией метрополитена при наличии на линии больших сбоев в движении поездов, связанных с движением по линии неисправного поезда или закрытием участка линии для движения всех поездов.
- Предложен новый способ восстановления движения поездов по плановому графику после малых сбоев – «отставание» от планового графика – и определены величины порогового значения рассогласования для выбора этого способа, в результате чего время вхождения в плановый график при значительных рассогласованиях положений ниток и поездов на линии метрополитена сокращается по сравнению с временем нагона планового графика.
- Получен алгоритм нахождения оптимального по быстродействию варианта управления линией метрополитена при известных ограничениях на управление для восстановлении порядка следования поездов по линии метрополитена после ликвидации причин возникновения больших сбоев. Время формирования варианта управления линией метрополитена в соответствии с этим алгоритмом не позволяет применить его в реальном времени. Вместе с тем, этот алгоритм позволяет оценивать качество эвристических алгоритмов.
- Разработан эффективный алгоритм оперативного управления линией метрополитена, предназначенный для восстановления движения по плановому графику после ликвидации причин возникновения сбоев на линии метрополитена.
- С целью упрощения процесса имитационного моделирования на модели линии метрополитена тренажера поездного диспетчера разработано алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизации управления работой станций с путевым развитием при проведении внеплановых оборотов поездов, внеплановых вводах (выводах) составов в (из) депо, организации зонного движения поездов.
- Произведена оценка качества управления линией метрополитена с использованием рекомендаций автоматизированной системы диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена по управлению линией и исполненных графиков движения реальных случаев, имевших место на метрополитене, позволяющая говорить об эффективности разработанной системы. В общей сложности для оценки качества работы АСОДУ было проведено 147 экспериментов на моделях 7 линий тренажера поездного диспетчера Московского метрополитена. Проведенные исследования показали эффективность разработанных алгоритмов: уменьшилось количество остановок поездов на перегонах по системам безопасности в среднем на 94%, коэффициент реализации графика улучшился в среднем на 16,3%, коэффициенты реализации заданных интервалов по отправлению и прибытию поездов на станции в среднем на 15,6% и 16% соответственно, время вхождения в график улучшилось в среднем на 48,3%.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ
- Балакина Е.П. Автоматика выполняет функции диспетчера// Мир транспорта, 2008, №2. - С. 104-109.
- Баранов Л.А., Балакина Е.П., Воробьева Л.Н. Алгоритмы централизованного управления движением поездов метрополитена // Мир транспорта, 2007, №2. - С. 104-113.
- Балакина Е.П. Принципы построения алгоритмов системы поддержки принятия решений поездному диспетчеру // Наука и техника транспорта, 2008, №2. – С. 23-26.
- Балакина Е.П. Автоматизация имитационных экспериментов на модели линии метрополитена // Инновационные технологии – транспорту и промышленности: труды 45 международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки 7-9 ноября 2007 года; под ред. Ю.А. Давыдова. - Том 2. – Хабаровск: ДВГУПС. - 2007. - С.235-238.
- Балакина Е.П. Анализ алгоритмов управления движением поездов на метрополитене при ликвидации сбоев // «TRANS-MECH-ART-CHEM». Труды V Международной научно-практической конференции. - М.: МИИТ – 2008. - С. 17-18.
- Балакина Е.П. Восстановление движения поездов метрополитена по плановому графику // Инновационные технологии – транспорту и промышленности: труды 46 международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки 9-10 ноября 2008 года. – Хабаровск: ДВГУПС. - 2008. - С.154-160.
- Баранов Л.А., Балакина Е.П., Воробьева Л.Н. Связь ограничений на управление с состоянием системы в централизованных системах автоведения поездов // Сборник тезисов докладов 3-ей международной конференции «Система безопасности на транспорте». – Чехия, Пшибрам, 2007. – С. 11-15.
- Балакина Е.П. Оценка качества управления диспетчером линией метрополитена // Труды VI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2005. – IX-2 – IX-3.
- Балакина Е.П. Функции системы поддержки принятия решения поездному диспетчеру// Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2007. Наука транспорту». М. – МИИТ, 2007. – C.V-27 – V-28.
- Александрова Е.А., Балакина Е.П. Система поддержки принятия решения поездному диспетчеру при возникновении на линии метрополитена больших сбоев // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2008. Наука транспорту». М. – МИИТ, 2008. – C. VII-34-VII-35.
- Балакина Е.П., Баранов Л.А., Ерофеев Е.В. Система поддержки принятия решения поездного диспетчера // Труды IX Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов»: в 2 ч., Часть 1. – М.:МИИТ, 2008 г. - С.VIII-2.
- Балакина Е.П., Ерофеев Е.В. Концепция советчика поездному диспетчеру // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2006. Наука транспорту». М. – МИИТ, 2006. – С.II-56.
- Балакина Е.П., Ерофеев Е.В. Показатели качества оперативного управления движением поездов метрополитена // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2008. Наука транспорту». М. – МИИТ, 2008. – C. VII-35.
- Баранов Л.А., Воробьева Л.Н., Балакина Е.П. Интервальные и временные характеристики линии метрополитена // Труды VII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2006. – С.VII-2 – VII-3.
- Балакина Е.П., Ерофеев Е.В. Программно-аппаратный комплекс для исследования качества управления диспетчером линией метрополитена // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2005. Наука транспорту». М. – МИИТ, 2005. – C.VI-4.
- Балакина Е.П., Ерофеев Е.В. Автоматизированное рабочее место диспетчеров тренажера поездного диспетчера линии Московского метрополитена // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2004. Наука транспорту». М. – МИИТ, 2004. – C.III-4 – III-5.
Балакина Екатерина Петровна
Автоматизированная система диспетчерского управления при сбоях движения поездов метрополитена
05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)
Подписано к печати ____________ Объем 1,5 п.л.
Печать офсетная. Формат 60х84/16
Тираж 80 экз. Заказ № ___________
Типография МИИТа, 127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9
