Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги Российский патент 2023 года по МПК B61L27/00 

Изобретение относится к области моделирования движения поездов по участку железной дороги и может быть использовано в 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.

Известен 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, 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 (RU 2207279, B61L 27/00, 27.06.2003).

Известный способ имитационного моделирования движения поездопотока позволяет простыми средствами обеспечить возможность оценки эксплуатационных показателей движения поездов по данным смоделированного графика движения поездов, составить расписание, позволяющего пропускать поездопоток с рассчитанными эксплуатационными показателями при внедрении энергосберегающих технологий и возможности построения энергооптимального графика. Кроме того, он позволяет рассчитывать эксплуатационные показатели и составлять расписания для различных видов грузового и пассажирского движения. Однако в данном способе точность моделирования оказывается недостаточной, так как с помощью полученной модели невозможно отследить изменения модели в интервалах времени. Поскольку в известном способе данными для моделирования не представлены движущиеся по рельсам объекты, возможности использования этого способа для моделирования движения поездов в больших объемах, а также в системах обучения и тренинга работников ограничены. Неудобство использования способа для обучения и тренинга связано также с тем, что в нем невозможен откат на конкретный промежуток времени и возобновление моделирования, что важно при отработке производственных навыков. При этом невозможна реализация его для многопользовательского моделирования, а также невозможно моделирование с использованием таких технических средств как многомашинные аппаратно-программные комплексы, в особенности использующие машины различных мощностей, что необходимо при моделировании больших объемов данных, а также при групповом обучении.

В качестве прототипа выбран способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги с помощью аппаратно-программного комплекса, при котором задают график движения поездов, получают оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные и постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке в виде множества логически связанных массивов данных, включающего в себя массивы данных, соответствующих блок-участкам, вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, после инициализации данных осуществляют моделирование путем изменения состояния массивов данных участка, сохраняя результаты моделирования, задают характеристики каждого поезда, как составного распределенного объекта, в виде массива данных, включающего данные о локомотивах и вагонах, которые являются самостоятельными объектами модели и могут вступать во взаимодействие с произвольным числом других объектов модели, данные об участке дополняют массивами данных, соответствующими станциям, причем данные указанных массивов включают в себя количество и длину путей, задают как непрерывные функции: данные об ограничениях скорости (от t и от х) и профиль пути (от х), при этом в течение заданного интервала времени от Т до (Т+ΔТ) осуществляют параллельное и независимое моделирование движения каждого поезда, изменяя на каждом шаге моделирования в соответствии с командами, созданными пользователем и/или системой, воспринятыми в момент времени Т, состояние массивов данных участка за счет взаимодействия их с массивами данных поездов, причем все изменения состояния модели синхронизируют через интервалы времени ΔT, задаваемые общим синхронизатором, результаты моделирования сохраняют в соответствующие моменты времени в пределах интервала времени ΔT с возможностью остановки процесса моделирования, отката на любой промежуток времени и возобновления моделирования с момента времени, на который произошел откат (RU 2297353, B61L 27/00, 20.04 2007).

Недостатком известного способа является то, что применяемое в нем имитационное моделирование, как средство оперативного управления и оценки качества планирования может использоваться лишь ограниченно, так как имитационная модель не устанавливает качественных зависимостей между результирующими показателями работы полигона и вектором входа в модель. Масштаб имитационной модели ограничивает ту область, в отношении которой осуществляется оценка сценария. Это приводит к тому, что в плане среднесрочного горизонта времени транспортная система остается практически ненаблюдаемой и, в лучшем случае, лишь частично управляемой.

Кроме того, результаты имитационного моделирования не могут быть исследованы на устойчивость, как по Ляпунову, так и в прикладном аспекте, в силу того, что введение малых возмущений в любую модель системы требует перехода от статически зафиксированных отношений к динамической эволюционной модели не только в части учета времени, но и технологических величин. Между тем решения по организации перевозочного процесса на уровне сети или полигона нуждаются в верификации не только на уровне статической модели, в том числе за счет того, что появляется большая вариативность в пропуске поездопотоков и необходимо учитывать не только прямые, но и косвенные и отложенные эффекты.

Технический результат изобретения заключается в расширении области применения и повышении устойчивости работы систем пропуска поездопотока по участку железной дороги к возмущениям, связанным, как с эксплуатационной работой, так и с отказами техники.

Технический результат достигается тем, что в способе имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги с помощью аппаратно-программного комплекса, при котором задают график движения поездов, получают оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные и постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке в виде множества логически связанных массивов данных, включающего в себя массивы данных, соответствующих блок-участкам, вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, после инициализации данных осуществляют моделирование путем изменения состояния массивов данных участка, сохраняя результаты моделирования, задают характеристики каждого поезда, как составного распределенного объекта, в виде массива данных, включающего данные о локомотивах и вагонах, которые являются самостоятельными объектами модели и могут вступать во взаимодействие с произвольным числом других объектов модели, данные об участке дополняют массивами данных, соответствующими станциям, причем данные указанных массивов включают в себя количество и длину путей, согласно изобретению дополнительно осуществляют сбор информации о наличии на пути поездов и их координатах, с последующей фильтрацией полученных данных, одновременно с этим формируют нормативно-справочную информацию, актуальную для рассматриваемого направления движения или станции, далее по полученной и сформированной информациям производят на основе гибридной модели системы управления оценку устойчивости сложившегося режима движения на линии или станции с учетом того, как изменение различных параметров будет влиять на изменение эксплуатационных показателей, по результатам произведенной оценки формируют данные прогноза развития эксплуатационной ситуации, с учетом которых осуществляют моделирования режимов пропуска поездопотока по участку железной дороги и формируют управляющие воздействия на уровне станций и прилегающих перегонов.

Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги осуществляют следующим образом.

В начале имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги осуществляют ввод данных о поездоучастках, входных потоках поездов, условия пропуска и задание параметров моделирования. При этом задают график движения поездов, оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные и постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке в виде множества логически связанных массивов данных, включающего в себя массивы данных, соответствующих блок-участкам и массивы данных, соответствующие станциям, и характеризующие количество и длину путей, задают характеристики каждого поезда, как составного распределенного объекта виде массива данных, включающего данные о локомотивах и вагонах, которые являются самостоятельными объектами модели и могут вступать во взаимодействие с произвольным числом других объектов модели. Также вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, и профиле пути в виде непрерывных функций времени (t) и расстояния (х). Затем осуществляют пространственную декомпозицию участка дороги, представляющего собой множество указанных введенных данных, и разделение его на непересекающиеся подмножества. После инициализации данных осуществляют моделирование путем изменения состояния массивов данных. Моделирование на каждом подмножестве осуществляют как отдельный процесс, причем процессы моделирования на всех подмножествах осуществляют параллельно.

Дополнительно осуществляют сбор информации о наличии на пути поездов и их координатах. Для этого на пути используют временные точечные датчики контроля прохождения подвижного состава и средства сбора информации от точечных путевых датчиков наличия поездов и сбора информации о положении поездов. Существует, например, системы управления движением поездов с элементами сбора информации о положении поездов различной сложности: от ERTMS до «Анаконда» и т.п. систем. Полученная информация о поездном положении с привязкой к координатам фильтруется (производится первичная очистка и подготовка данных). Заведомо искаженные и некорректные данные элиминируются, происходит фильтрация данных от шумов. Одновременно с этим формируют нормативно справочную информацию, актуальную для рассматриваемого направления движения или станции. При этом опрашиваются и используются различные источники, такие как единая корпоративная автоматизированная система управления инфраструктурой ЕК АСУИ, система анализа, планирования и выполнения «окон» АС АПВО и другие системы.

Далее по полученной и сформированной информациям производят на основе гибридной модели системы управления оценку устойчивости сложившегося режима движения на линии или станции с учетом того, как изменение различных параметров будет влиять на изменение эксплуатационных показателей. Так, например, сокращение межпоездного интервала приводит к повышенной плотности поездов на участке. Прямое влияние означает прямую пропорциональную связь, обратное влияние – уменьшение выходной величины при увеличении входной.

Соотношения между величинами задаются как кусочные соотношения, в которых режимы описания процессов переключаются набором условий. Каждый режим задается сочетанием элементарных (усиливающее, интегрирующее, дифференцирующее звено, звено запаздывания) и более сложных звеньев (изодромное, колебательное и др.) динамических звеньев. В этом случае применяется известный математический аппарат теории автоматического управления.

По результатам произведенной оценки на основе гибридной модели системы управления, в случае подтверждения устойчивости полученных показателей (критерии устойчивости Михайлова, Найквиста-Михайлова, Рауса-Гурвица, В.И. Арнольда и др.), формируют данные прогноза развития эксплуатационной ситуации с использованием теории автоматического управления и регулирования.

На основе полученных данных осуществляют моделирования поездопотока по участку железной дороги и формируют управляющие воздействия на уровне станций и прилегающих перегонов.

Если в результате имитационного моделирования подтверждается конкретное решение, то оно передается машинисту или работнику управления движением поездов.

В отличие от аналога, в котором делается акцент на величине сближения двух поездов, в предлагаемом способе при принятии управленческого решения по выбору того или иного режима движения для каждого поезда производится с учетом режима работы перегона и ограничивающих станций.

При этом важным преимуществом предлагаемого решения выступает возможность специализации заданного количества блоков под условия каждой станции, тем самым участок из двух станций становится управляемым гибридным алгоритмом из двух блоков, трех станций – из трех блоков, и т.д., что приводит к концепции мультиагентной железнодорожной линии под управлением единого супервайзера. Гибридность заключается в том, что строгая модель на основе теории автоматического управления в предложении сочетается с имитационным моделированием и симуляцией, причем в границах значений переменных, определенных получившимися строгими решениями теории автоматического управления. Каждый блок при этом может выступать как: а) конечный автомат с жестко определенным входным и выходным алфавитом и зафиксированной матрицей интенсивности переходов;

б) как элемент, расширяющий алфавит автомата при употреблении в качестве интеллектуальной надстройки искусственных нейронных сетей или алгоритмов data science. В этом случае дополнительные значения алфавита формируются, исходя из предсказания ситуации. Для обеспечения безопасности работы конечного автомата в этом случае возможно применить контролируемый контур по аналогии с техническим решением по патенту RU 2766936. Расширение алфавита автомата при употреблении в качестве интеллектуальной надстройки искусственных нейронных сетей или алгоритмов data science и увязка этого с теорией автоматического управления (ТАУ) можно пояснить следующим примером.

Так как все зависимости, заложенные с помощью детерминированных правил и соотношений ТАУ, зафиксированы и заранее можем просчитать, что, например, прирост вагонопотока в 5% на направлении приведет к росту затрат на 7% и снижению перерабатывающей способности станции на 3% (цифры условные), т.е., наша линия окажется в состоянии S1.

В то же самое время, например, прирост вагонопотока в 5% при увеличении нормы массы поезда на K% и силы тяги локомотива на L% приведет к сокращению числа поездов на 2% и снижению затрат на Х% при сохранении перерабатывающей способности (цифры условные), т.е, линия окажется в состоянии S2.

Совокупность конечных состояний S1, S2,….Sk называется выходным алфавитом системы управления, а стартовые изменения вагонопотока и других величин – входной алфавит (Q1, Q2….). Соответствие «входной алфавит» - «выходной алфавит» обеспечивается правилами и моделями ТАУ, которые в схематичной записи обозначены как .

Однако, как и любая модель сложной системы управления, модель участка/станции/ перегона в терминах детерминированного ТАУ может адекватно работать при сохранении правил, согласно которым каждому значению входа ставится в соответствие значение выхода.

Если мы сосредоточимся на режиме работы нашего способа как на модели, функционирующей в развитие действующей на линии автоблокировки и способа организации движения, то отстроенная система управления, очевидно, будет давать адекватные ответы и управляющие команды.

Каждый из блоков, представляющих собой станцию или перегон, в терминах «вход-выход» - это самостоятельная система управления.

Схематично она может быть записана в виде соотношений:

где вектор состояния системы управления, включает в себя координаты, определенные как функции времени (в элементарном смысле), искомое программное управление для системы, – вектор параметров модели, среди которых могут быть характеристики инфраструктуры, величины, характеризующие чувствительность той или иной части станции или отдельной ее характеристики к внешним воздействиям, значения помех и искажений, принятых в моделях, ) – вектор возмущений.

В качестве элементарных примеров можно назвать значения постоянной времени накопления в элементах, описываемых апериодическим звеном первого и второго порядков, которые устанавливаются опытным путем для каждой станции и записываются в коэффициенты уравнений.

Тогда поведение, например, двух станций, будет описано как:

для первой станции и

– для второй. При этом в данном примере схематично показано, что характер отношений между величинами, выражаемый функцией , для двух станций идентичен.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сложившийся или прогнозный режим движения, при той или иной системе СЦБ и оказанном внешнем воздействии моделировать не только на микроуровне (имитационно), но и для станции или прилегающего участка в целом, основываясь на модели влияния факторов работы линии в терминах конечного автомата и соотношений классической теории автоматического управления с обратными связями.

Изобретение относится к методам моделирования движения поездов по участку железной дороги. В способе с помощью аппаратно-программного комплекса, при котором задают график движения поездов, получают оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные и постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке в виде множества логически связанных массивов данных, включающего в себя массивы данных, соответствующих блок-участкам, вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, после инициализации данных осуществляют моделирование путем изменения состояния массивов данных участка, сохраняя результаты моделирования, задают характеристики каждого поезда, как составного распределенного объекта, в виде массива данных, включающего данные о локомотивах и вагонах, которые являются самостоятельными объектами модели и могут вступать во взаимодействие с произвольным числом других объектов модели, данные об участке дополняют массивами данных, соответствующими станциям, причем данные указанных массивов включают в себя количество и длину путей, дополнительно осуществляют сбор информации о наличии на пути поездов и их координатах, с последующей фильтрацией полученных данных, одновременно с этим формируют нормативно-справочную информацию, актуальную для рассматриваемого направления движения или станции, далее по полученной и сформированной информациям производят на основе гибридной модели системы управления оценку устойчивости сложившегося режима движения на линии или станции с учетом того, как изменение различных параметров будет влиять на изменение эксплуатационных показателей, по результатам произведенной оценки формируют данные прогноза развития эксплуатационной ситуации, с учетом которых осуществляют моделирование режимов пропуска поездопотока по участку железной дороги и формируют управляющие воздействия на уровне станций и прилегающих перегонов. Достигается возможность расширения области применения и повышение устойчивости работы средств пропуска поездопотока по участку железной дороги к возмущениям, связанным с эксплуатационной работой и отказами техники.

Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги с помощью аппаратно-программного комплекса, при котором задают график движения поездов, получают оперативные данные, включающие в себя характеристики входных потоков поездов, характеристики каждого поезда и условия пропуска, и вспомогательные данные и постоянные данные для моделирования, включающие в себя данные об участке в виде множества логически связанных массивов данных, включающего в себя массивы данных, соответствующих блок-участкам, вводят данные об ограничениях скорости по состоянию пути и скорости, предписываемой показаниями светофоров, после инициализации данных осуществляют моделирование путем изменения состояния массивов данных участка, сохраняя результаты моделирования, задают характеристики каждого поезда, как составного распределенного объекта, в виде массива данных, включающего данные о локомотивах и вагонах, которые являются самостоятельными объектами модели и могут вступать во взаимодействие с произвольным числом других объектов модели, данные об участке дополняют массивами данных, соответствующими станциям, причем данные указанных массивов включают в себя количество и длину путей, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют сбор информации о наличии на пути поездов и их координатах с последующей фильтрацией полученных данных, одновременно с этим формируют нормативно-справочную информацию, актуальную для рассматриваемого направления движения или станции, далее по полученной и сформированной информациям производят на основе гибридной модели системы управления оценку устойчивости сложившегося режима движения на линии или станции с учетом того, как изменение различных параметров будет влиять на изменение эксплуатационных показателей, по результатам произведенной оценки формируют данные прогноза развития эксплуатационной ситуации, с учетом которых осуществляют моделирование режимов пропуска поездопотока по участку железной дороги и формируют управляющие воздействия на уровне станций и прилегающих перегонов.