СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЕЗДОПОТОКА ПО УЧАСТКУ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ Российский патент 2003 года по МПК B61L27/00 

Изобретение предназначено для моделирования движения поездов по участку железной дороги и может быть использовано в соответствующих аппаратно-программных комплексах для выработки решений при управлении движением поездов, а также для определения технико-экономических показателей, связанных с пропуском поездопотока при заданных условиях движения.

При планировании расходов на выполнение перевозочной работы обычно основываются на предыдущем опыте работы, тех средних показателях, которые есть и не всегда соответствуют с достаточной подробностью новым условиям эксплуатации на рассматриваемом участке. В результате возникают затруднения при оценке достоверности полученных результатов, из-за использования средних величин показателей при изменении размеров движения, условий пропуска поездопотока и других обстоятельств.

В основе определения количественных показателей эксплуатационной работы лежит анализ результатов, связанных с пропуском поездопотока по участку.

Самые достоверные результаты получаются при статистическом анализе показателей выполненной работы, однако, сбор данных, их обработка и анализ требуют значительного времени, затраты сил и практически не обеспечивают быстрый анализ эффективности и качества выполненных работ.

Совершенствование вычислительной техники в смысле быстродействия, объемов памяти, удобства работы с программами, надежность и доступность работы с ЭВМ позволяют поставить и решить задачу по созданию имитационной модели движения поездов по участку железной дороги.

Из анализа уровня техники известны способы моделирования движения поездов по участку железной дороги.

Например, известен способ моделирования движения поездов в процессе составления графика движения поезда по коридору с учетом различных функций стоимости, связанных с работой железных дорог. Рельсовый коридор включает в себя множество дополнительных путей, по которым поезда могут быть разведены в случае встречи или обгона другим поездом в коридоре. Процесс поиска градиента используется вместе с функцией стоимости для того, чтобы определить оптимальный график путем смещения каждой встречи и проследования разъезда. Индивидуальные графики поездов варьируются путем изменения скорости поезда и/или времени отправления поезда, т.е. времени, в которое поезд входит в коридор. Способ включает в себя подготовку данных поездов, данных поездного плана, расчет первоначального графика, определение наличия конфликта, поиск градиента, выбор разъезда (три варианта этого способа описаны в международных заявках WO 0149547, WO 0149549 и WO 0149550).

Поскольку данный способ относится к моделированию движения поездов на однопутном участке железной дороги с разъездами и, по существу, предназначен для корректировки первоначального графика, он не может быть приспособлен для выработки управляющих решений по движению поездов на двухпутных участках железных дорог с заданными временами отправления и скоростями движения.

Известен способ моделирования движения подвижных единиц по железнодорожным станциям, основанный на моделировании потоков задач. В данном способе моделирования используют систему, которая включает в себя компьютер с процессором и запоминающим устройством и базу данных. Осуществляется моделирование движения поездов на железнодорожной станции, которая представлена в виде шести связанных между собой подстанций: подстанции прибытия, подстанции приема, подстанции проверки приема, сортировочной станции, подстанции отправления и подстанции проверки отправления. Начальные параметры вводят в компьютер, моделируют поток задач железнодорожной станции, использующийся в модели станции. Основываясь на моделировании, определяют, выполняется ли график движения поездов. При осуществлении моделирования принимают во внимание график движения поездов, начальное невыполнение, топологию станции, распределение персонала, начальное состояние. Осуществляют обновление невыполнения задач, расчет нормы потока заданий, обновление времени. Выявляют наличие затора на станции. Изменяют нормы задач локомотивных бригад и нормы всех задач, определяют новый состав персонала и вводят новый состав для дальнейшего моделирования (международная заявка WO 0147761).

Известен способ моделирования движения поездов, использующийся в планировщике ресурсов для планирования ресурсов поездов железных дорог. Планировщик внедрен в экспертную систему, которая использует дополнительные приемы имитации, чтобы приблизиться к оптимальному решению. При моделировании используют базу данных ресурсов, осуществляют имитацию поддержки диспетчера, задают график движения поезда, время, условия остановки; движение поезда моделируют с учетом истории поезда, событий остановки и запросов на перемещение, а также параметров и местоположения поезда. Соответственно моделируется состояние средств железнодорожной сигнализации (US 6154735).

Недостатком данного способа является практическая невозможность его использования для моделирования самого участка железной дороги как комплекса блок-участков, поскольку моделирование в указанном известном способе основано на сложной многоуровневой модели топологии железнодорожного участка.

Прототипом данного изобретения является способ имитационного моделирования поездопотока по двухпутному участку железной дороги, при котором задают постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке и график движения поездов, оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные, определяют шаг моделирования; после инициализации данных, начинают отсчет заданного времени моделирования, по истечении которого сохраняют результаты с возможностью просмотра и записи на носитель информации (US 5623413).

Недостатки этого способа те же, что и описанного выше способа: практическая невозможность его реализации при моделировании движения поездопотока из-за того, что моделирование в нем основано на использовании сложной многоуровневой модели топологии железнодорожного участка, не предназначенной для детального моделирования продвижения поездов через каждый блок-участок.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является разработка способа имитационного моделирования движения поездопотока простыми средствами, обеспечивающими возможность оценки эксплуатационных показателей движения поездов по данным смоделированного графика движения поездов, обеспечение возможности составления расписания, позволяющего пропускать поездопоток с рассчитанными эксплуатационными показателями при внедрении энергосберегающих технологий и возможности построения энергооптимального графика. Кроме того, использование данного способа моделирования позволяет рассчитывать эксплуатационные показатели и составлять расписания для грузовых и пассажирских видов движения, в том числе:
пассажирских поездов с электровозами постоянного и переменного тока;
пассажирских поездов с тепловозами;
грузовых поездов с электровозами состава постоянного и переменного тока;
грузовых поездов с тепловозами;
грузовых поездов с кратной тягой.

Технический результат достигается тем, что в способе имитационного моделирования поездопотока по двухпутному участку железной дороги, при котором задают постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке, график движения поездов, оперативные данные, характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда, условия пропуска и вспомогательные данные, определяют шаг моделирования, после инициализации данных, начинают отсчет заданного времени моделирования, по истечении которого сохраняют результаты с возможностью просмотра и записи на носитель информации, данные об участке представляют в виде множества элементарных массивов данных, каждый из которых соответствует блок-участку и содержит необходимые данные о длине этого участка, о наличии и величине уклонов и радиусов кривых направления движения и другую необходимую информацию для моделирования станционных путей, вводят логические связи между соответствующими элементарными массивами данных, устанавливают соответствие между последовательностью элементарных массивов данных - блок-участков - и данными о графиковых скоростях в зависимости от времени суток и ниток графика, вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скоростям, предписываемых показаниями светофоров, в соответствии с регламентом соответствующих Правил технической эксплуатации железных дорог, для каждого поезда задают одно из трех значений переменной положения, соответственно обозначающих: "поезд не выехал не участок", "поезд находится на перегоне" и "поезд находится на путях станции, имитируя отправление "по расписанию" новых поездов на участок в четном и нечетном направлениях, а также продвижение уже находящихся на участке поездов в соответствии со скоростью, заданной расписанием движения, при этом меняют состояние элементарных массивов данных, обозначающее занятость и свободность блок-участка, соответствующие запрещающему и разрешающему показаниям светофора, с возможностью изменения состояния элементарных массивов данных, отражающего состояние блок-участков, находящихся между занятым и свободным блок-участком, что соответствует показаниям светофоров, задающим ограничения скорости движения поездов.

Задаваемые данные об участке включают в себя длину участка, план и профиль пути, координаты станций, количество и длины приемоотправочных путей, а также координаты светофоров. Задаваемые характеристики входных потоков поездов включают в себя данные о количестве поездов в четном и нечетном направлениях, времени их подхода и другие характеристики. Характеристики каждого поезда включают в себя тип локомотива, массу, длину и номер поезда, определяющий время отправления в соответствии с нитками графика. Задаваемые условия пропуска включают в себя данные об ограничениях скорости и остановках. Вспомогательные данные включают в себя количество станций, перегонов и блок-участков.

На фиг.1 представлена общая структурная блок-схема алгоритма имитационного моделирования движения поездов. На фиг.2 изображена блок-схема алгоритма приема поезда со станции отправления на участок. На фиг.3 подробно отображен переход от алгоритма приема поезда на участок к алгоритму движения поездов по участку. На фиг.4 показана блок-схема алгоритма определения скорости движения поездов. На фиг. 5 показана блок-схема алгоритма прибытия поезда на станцию. На фиг. 6 показана блок-схема алгоритма отправления поезда со станции.

Исходные данные, необходимые для расчета эксплуатационных показателей и построения графика движения поездов, включают в себя:
1) характеристики участка:
- координаты станций, входных/выходных светофоров;
- данные о приемоотправочных станционных путях (количество, длины, главные/боковые) координаты светофоров на перегонах;
- профиль участка.

2) условия движения поездов по участку:
- график движения поездов;
- постоянные ограничения скорости;
- временные ограничения скорости;
- внеграфиковые остановки;
3) характеристики грузового поездопотока:
- веса поездов;
- длины поездов;
- типы эксплуатируемых локомотивов.

Принципы построения имитационной модели состоят в следующем
В качестве объекта моделирования в модели принят двухпутный участок железной дороги, ограниченный пунктами оборота локомотивов (локомотивных бригад).

В имитационной модели участку рельсовой колеи между светофорами ставятся в соответствие элементарный массив данных (МД) в памяти ЭВМ, содержит необходимые данные о длине этого участка, о наличие и величине уклона и кривых направления движения и другую необходимую информацию. При моделировании движения поезда в этом массиве данных появляется информация о занятости и свободе этого участка, что соответствует красному или зеленому показанию светофора. При рассмотрении последовательно расположенных участков рельсовой колеи и соответствующих им МД вводится логика появления третьего состояния МД - желтого сигнала светофора, при занятости впереди лежащего по направлению движения МД.

При моделировании станционных путей соответствующие МД рассматриваются с учетом логических связей, обусловленных параллельным расположением путей. Открытие и закрытие светофоров, при этом происходит в автоматическом режиме работы.

При рассмотрении упорядоченных с помощью программных средств логических команд МД, соответствующих последовательно расположенным блок-участкам и параллельно расположенным станционным путям, появляется возможность на программном языке ЭВМ рассматривать систему множеств, содержащую все необходимые для организации движения поездов признаки путейского развития участка железной дороги и автоматической работы светофоров - системы автоблокировки.

В состав имитационной модели включен массив данных, соответствующий графику движения поездов по данному участку. Путем логических связей устанавливается соответствие между последовательно расположенными МД - блок-участками и данными о графиковых скоростях в соответствии со временем суток и нитками графика. При этом предусматривается возможность вводить ограничения скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, которые будут выполняться при моделировании в соответствии с регламентом Правил технической эксплуатации (ПТЭ).

Алгоритмическая часть имитационной модели связана с заданием местоположения и характеристик поездов, находящихся до начала моделирования на участке железной дороги и с очередью поездов, которые в последовательные промежутки времени подходят к входным светофорам четного и нечетного направлений моделируемого участка.

Исходными данными для моделирования движения поездов на конкретном участке являются:
- данные об участке (длина участка, координаты станций, количество и длины приемоотправочных путей, координаты светофоров);
- график движения поездов;
- начальная расстановка поездов на участке, характеристики входных потоков поездов;
- характеристики каждого поезда (вес, длина);
- временные ограничения скорости и остановки.

Моделирование движения поездов на участке синхронизировано во времени и расчет передвижения каждого из них производится в каждом шаге моделирования за интервал времени, равный Д/. Если принять шаг моделирования Д/ в программе равным 10 с, то это позволит достаточно быстро (за время, порядка 10-20 с) произвести моделирование движения 70 пар поездов на протяжении 24 ч по двухпутному участку длиной 200 км.

Условно алгоритм моделирования движения поезда по участку можно разбить на две основные составляющие: прием поезда на участок и движение по участку, которое подразумевает движение по перегонам и по станциям с последующей передачей на другой участок.

Представленный алгоритм работает одинаково в четном и нечетном направлениях.

Перед началом моделирования производится ввод исходной информации и инициализация исходных данных, т.е. производится заполнение всех элементов массивов, участвующих в расчете. Данные разделяются на:
1) Постоянные:
- по поездоучастку (координаты станций, светофоров, количество и длины приемоотправочных путей, профиль и план пути);
- график движения поездов;
- информативно справочная информация (скорости проследования желтых светофоров и т.д.).

2) Оперативные:
- характеристики поездопотока - количества поездов в четном и нечетном направлениях;
- данные по каждому поезду (тип локомотива, длина, масса, номер поезда, определяющий время отправления в соответствии с нитками графика), условия пропуска (ограничения скорости, неплановые остановки).

3) Вспомогательные данные (количество станций, перегонов, блок-участков и т.д.).

Указывается длительность моделирования Т_мод (часы, сутки).

Перед каждым запуском процесса моделирования происходит подготовка массивов выходной информации результатов моделирования ("обнуление"). В частности, для каждого поезда определяется положение его на участке.

После совершения процедуры инициализации производится "запуск" таймера моделирования, которое длится до указанного ранее Т_мод.

В каждом шаге моделирования рассматривается возможность отправления по расписанию "новых" поездов на участок в четном и нечетном направлении (блок 4), а также происходит передвижение уже находящихся на участке поездов в соответствии с текущей скоростью поезда (блок 5).

В блоке 1 происходит проверка - свободен ли первый блок-участок, т.е. наличие разрешающего сигнала выходного светофора (зеленый). Если "да", то "включается" счетчик по порядковым номерам поездов во входных потоках (блок 3-4). В пятом блоке производится сравнение времени отправления каждого поезда с текущем временем моделирования. После отправления поездов на участок происходит переход к алгоритму движения поездов по участку (блок 5, фиг.1). Подробно он отображен на фиг.3. Процесс передвижения происходит для всех поездов, находящихся на участке, начиная с первого вышедшего на участок. В блоке 4 определяется текущая скорость поезда в зависимости от расписания, показания светофора при существующем ограничении скорости и имеющих место остановках (блок-схема на фиг.4). При определении скорости нужно учитывать приоритетность перечисленных выше факторов влияния. Самым определяющим является показание светофора (система блоков 1). Если координата поезда совпадает с координатой светофора и его сигнал красный, то скорость поезда приравнивается нулю (блоки 3-5). Аналогичный результат получается в случае, когда координата поезда и текущее время моделирования совпало с параметрами неграфиковой остановки (блоки 2, 5). В случаях, когда сигнал светофора желтый и скорость поезда по графику выше скорости проследования поездов на желтый сигнал, берется последняя (блоки 6, 7). Далее проверяется возможность нахождения поезда в области действия ограничения скорости. При попадании под действия ограничения скорости, значение которой меньше скорости поезда, скорость принимается равной скорости ограничения (блоки 8-11). При отсутствии "возмущений" скорость поезда берется из графика движения в соответствии с номером поезда (блок 1).

Далее, согласно новому местоположению поезда на перегоне, происходит процедура переключения сигналов светофоров на этом перегоне. Особенность определения "занятости" блок-участков заключается в том, что поезд в зависимости от его длины может занимать не один блок-участок. Поэтому происходит проверка не только координаты "головы поезда", но и его "хвоста", и все блок-участки, попадающие под длину поезда становятся "занятыми", а светофоры соответственно красными.

После того как i-й поезд изменит координату, в алгоритме происходит проверка возможности подъезда этого поезда к станции. При этом, если сигнал светофора зеленый (т.е. на станции есть хотя бы один свободный путь), производится запуск процесса приема поезда на станцию (блок 9). Подробная блок-схема алгоритма приема поезда на станцию описана в блок-схеме на фиг.5. Алгоритм заключается в переборе всех станционных путей (блоки 3-4), начиная с главных, для поиска незанятого (блок 5) и подходящего под длину поезда (блок 6). Далее поезд продолжит свое движение по занятому пути до выходного светофора станции. Следует отметить, что движение по путям происходит аналогично с движением по блок-участкам, т.е. путь освобождается, когда проследует "хвост состава". Если на станции нет свободного пути нужной длины, поезд останавливается на входном светофоре станции, т.е. его скорость приравнивается нулю (блок 9). Когда все станционные пути заняты - входной станционный светофор становится красным (блок 9).

Производится также проверка возможности выезда этого поезда со станции на перегон (блок 10, фиг. 3, подробно фиг.6). Проверяется готов ли поезд к отправлению, т.е. находится ли он у выходного светофора (блок 1). В выходные массивы данных записываются параметра движения i-го поезда по перегону (блок 10):
- участковые скорость и время движения по перегону;
- технические скорость и время движения по перегону;
- время стоянки на станции.

Таким образом, в результате моделирования движения поездов по участку железной дороги на протяжении заданного времени определяются и сохраняются в памяти ЭВМ все важнейшие характеристики движения поездопотока по двухпутному участку. В частности, участковые и технические скорости движения поездов по участку и перегонам; времена стоянок и времена хода. По этим результатам получаем исполненный график движения поездов в четном и нечетном направлениях, полученный в результате имитационного моделирования.

В результате моделирования получаем исполненный график движения поездов в четном и нечетном направлениях.

Из исполненного графика (полученного в результате моделирования) можно получить временные и скоростные характеристики поездопотока. А именно:
Выходные данные по перегону для каждого поезда и для потока:
- участковая скорость и время движения по перегону;
- техническая скорость и время движения по перегону;
- длительности стоянок на станциях и перегонах.

Выходные данные по участку для каждого поезда и для потока:
- участковая скорость и время движения по участку;
- техническая скорость и время движения по участку;
- длительности стоянок на станциях и перегонах.

Также на основании исполненного графика рассчитываются следующие эксплуатационные показатели:
- технологически необходимое количество локомотивов;
- технологически необходимое количество локомотивных бригад;
- локомотиво - часы;
- локомотивов-км;
- бригадо-часы;
- вагоно-км;
- т-км-брутто;
- расход электроэнергии и топлива на тягу.

Изобретение предназначено для моделирования движения поездов по железной дороге и может быть использовано в аппаратно-программных комплексах для выработки решений при управлении движением поездов в определенный период времени на железнодорожном участке, а также для минимизации эксплуатационных расходов, связанных с пропуском поездопотоков с заданными условиями движения. Данные об участке представляют в виде множества элементарных массивов данных, соответствующих блок-участку. Вводят логические связи между соответствующими элементарными массивами данных, устанавливают соответствие между последовательностью элементарных массивов данных блок-участков и данными о графиковых скоростях, ограничениях скорости и скорости, предписываемой показаниями светофоров. На каждом шаге имитируют отправление поездов по расписанию, а также продвижение уже находящихся на участке поездов, меняя состояние элементарных массивов данных, обозначающее занятость и свободность блок-участка, соответствующие запрещающему и разрешающему показаниям светофора. Технический результат - возможность оценки эксплуатационных показателей движения поездов по данным графика движения поездов, минимизации эксплуатационных показателей, затрат и выработки управляющих решений при пропуске поездопотока. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги, при котором задают постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке и график движения поездов, оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные, задают шаг моделирования, после инициализации данных начинают моделирование, по истечении времени которого сохраняют результаты с возможностью просмотра и записи на носитель информации, отличающийся тем, что данные об участке представляют в виде множества элементарных массивов данных, каждый из которых соответствует блок-участку и содержит необходимые данные о длине этого участка, о наличии и величине уклонов и кривых пути, а также другую необходимую информацию, для моделирования станционных путей вводят логические связи между соответствующими элементарными массивами данных, устанавливают соответствие между последовательностью элементарных массивов данных блок-участков и данными о графиковых скоростях в зависимости от ниток графика, вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, в соответствии с регламентом соответствующих Правил технической эксплуатации железных дорог, для каждого поезда задают одно из трех значений переменной положения, соответственно обозначающих "поезд перед входом на участок", "поезд находится на перегоне" и "поезд находится на участковой станции", которые оценивают с возможностью изменения на каждом шаге моделирования, имитируя отправление "по расписанию" новых поездов на участок в четном и нечетном направлениях, а также продвижение уже находящихся на участке поездов со скоростью, предусмотренной соответствующей ниткой графика, при этом меняют состояние элементарных массивов данных, обозначающее занятость и свободность блок-участка, соответствующее запрещающему и разрешающему показаниям светофора, с возможностью изменения состояния элементарных массивов данных, отражающего состояние блок-участков, находящихся между занятым и свободным блок-участком, что соответствует показаниям светофоров, задающим ограничения скорости движения поездов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что задаваемые данные об участке включают в себя длину участка, план и профиль пути, координаты станций, количество и длины приемоотправочных путей, а также координаты светофоров. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что задаваемые характеристики входных потоков поездов включают в себя количество поездов и время их подходов в четном и нечетном направлениях. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что задаваемые характеристики каждого поезда включают в себя тип локомотива, характеристики локомотива и состава поезда, массу, длину и номер поезда, определяющий время отправления и соответствующую нитку графика. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что задаваемые условия пропуска включают в себя данные об ограничениях скорости и остановках. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что вспомогательные данные включают в себя данные о станциях, перегонах и блок-участках.