Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги
Изобретение предназначено для моделирования вариантов движения поездов по двухпутному участку железной дороги и может быть использовано в соответствующих 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. Задают характеристики каждого поезда, как составного распределенного объекта, в виде массива данных, включающего данные о локомотивах и вагонах. Данные об участке дополняют массивами данных, соответствующими станциям, причем данные указанных массивов включают в себя количество и длину путей. Осуществляют параллельное и независимое моделирование движения каждого поезда, изменяя на каждом шаге моделирования состояние массивов данных участка за счет взаимодействия их с массивами данных поездов. Техническим результатом изобретения является возможность оценки эксплуатационных показателей движения поездов по данным исполненного графика движения поездов, составления расписания, позволяющего минимизировать эксплуатационные показатели, затраты, а также выработки управляющих решений при пропуске поездопотока. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
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, для определения технико-экономических показателей, связанных с пропуском поездопотока при заданных условиях движения, кроме того, изобретение может оказаться весьма полезным в процессе обучения или тренинга специалистов в области эксплуатации железных дорог.
Совершенствование вычислительной техники в смысле быстродействия, объемов памяти, удобства работы с программами, надежности и доступности работы с ЭВМ позволяют ставить и решать задачи совершения имитационного моделирования движения поездов по участкам железных дорог.
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.
Известен 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 способа, описанного выше: 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.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги с помощью аппаратно-программного комплекса, при котором 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, 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 (RU 2207279).
Данный 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, использование данного способа моделирования позволяет рассчитывать эксплуатационные показатели и составлять расписания для различных видов грузового и пассажирского движения, а именно для поездов как электровозами постоянного и переменного тока, так и с тепловозами. Однако в данном способе изменение состояния модели происходит в определенные моменты времени, вследствие чего точность моделирования оказывается недостаточной, так как с помощью полученной модели невозможно отследить изменения модели в интервалах времени между указанными моментами. Кроме того, поскольку в этом известном способе данными для моделирования не представлены движущиеся по рельсам объекты, возможности использования данного способа для моделирования движения поездов в больших объемах, а также в системах обучения и тренинга работников ограничены. Неудобство использования известного 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 указанного известного способа 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.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение точности моделирования и расширение функциональных возможностей способа моделирования движения поездов по участку железной дороги.
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, 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, при этом осуществляют параллельное и независимое моделирование движения каждого поезда, изменяя на каждом шаге моделирования в соответствии с командами, созданными пользователем и/или системой, воспринятыми на предыдущем шаге моделирования, 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 каждый раз в пределах интервала времени ΔТ с возможностью остановки процесса моделирования, отката на любой промежуток времени и возобновления моделирования с момента времени, на который произошел откат.
Полигон, представляющий собой множества указанных введенных данных, разделяют на непересекающиеся подмножества, причем моделирование на каждом подмножестве представляет собой отдельный процесс. Моделирование осуществляют с использованием многомашинного аппаратно-программного комплекса. Для обработки команд пользователя и системы в процессе управления моделированием используют единый стиль.
На фиг.1 представлена схема алгоритма имитационного моделирования движения поездов.
На фиг.2-4 изображены структурные блок-схемы различных режимов реализации способа: одномашинного однопользовательского режима, многомашинного однопользовательского режима и многомашинного многопользовательского режима.
На фиг.5 показаны составляющие сервисного ядра распределенной модели.
На фиг.6 показана временная диаграмма дискретно-непрерывной модели движения поезда.
В начале имитационного моделирования (фиг.1, позиция 1) 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 (позиция 2 моделирования) осуществляют пространственную декомпозицию полигона, 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. Далее позиции 3-7 моделирования будут рассмотрены на примере моделирования на одном подмножестве.
В интервале от Т до (Т+ΔТ) осуществляют прием новых на момент времени Т объектов и формирование команд (позиция 3). Команда - это заявка объекта на доступ или обладание ресурсом. Команды, сформированные в интервале, выдаются и принимаются к исполнению в определенные моменты (Т, Т+ΔТ и так далее), которые являются моментами синхронизации процессов моделирования. В момент Т выполняют команды, принятые (и/или созданные) в интервале ΔT, предшествующем моменту Т (позиция 4).
При этом в течение интервала от ΔT моделирования все процессы осуществляют вычисления параллельно и независимо один от другого, изменяя в соответствии с командами, созданными пользователем и/или системой и принятыми к исполнению в соответствующий момент синхронизации, состояние массивов данных участка за счет взаимодействия их с массивами данных поездов. Далее осуществляют передачу, прием, создание и удаление объектов на момент времени Т+ΔТ посредством созданных команд (позиция 5). Изменяют состояние объектов в процессе моделирования движения поездов и создают команды на момент времени Т+ΔТ (позиция 6) и осуществляют передачу новых, удаляемых или измененных на момент времени Т+ΔТ объектов, состояний объектов и команд (позиция 7).
Движение поездов и изменение состояния объекта в интервале AT моделируется как непрерывная функция. Таким образом реализуемая модель является дискретно-непрерывной, что показано на фиг.6. Скорость ν(t) движения поезда задается по соответствующим командам в моменты синхронизации Т и Т+ΔТ. В интервале между моментами синхронизации осуществляется независимое моделирование движения одного из поездов, движущихся по участку, определяемое наличием и количеством событий внутри интервала синхронизации. Такое моделирование позволяет отследить изменение скорости поезда в течение интервала ΔT, которая в моменты синхронизации имела одинаковые значения.
Все процессы синхронизируют (позиция 8). Интервалы синхронизации, равные ΔT, задаются предварительно общим синхронизатором. Эти интервалы могут иметь различные произвольные значения.
Далее принимают (позиция 9) внешние команды, созданные системой и/или пользователем на момент времени Т+ΔТ. Если принято несколько команд, то решение принимается в соответствии с приоритетом команды, что исключает конкуренцию команд. Необходимо отметить, что команды пользователя имеют более высокий приоритет на исполнение по сравнению с командами, созданными системой.
Принимают данные от процессов моделирования на указанных подмножествах (позиция 10). Результаты моделирования сохраняют в базе данных и, если необходимо, на каком-либо другом носителе (позиция 11). При этом необходимо отметить, что шаг сохранения модели может не совпадать с ΔT. Отображают результаты (позиция 12). Далее переходят к интервалу времени, следующему за моментом Т+ΔТ (позиция 13) и, если время моделирования не превысило максимума (позиция 14), вновь осуществляют моделирование на подмножествах, возвращаясь к стадии начала моделирования на подмножествах (позиция 3). В противном случае завершают моделирование (позиция 15). При этом возможно остановить моделирование и вернуться к произвольно выбранному более раннему циклу.
При осуществлении одномашинного однопользовательского режима моделирования (фиг.2) используется компьютер 16, снабженный программным обеспечением, представляющим собой однопользовательское одномашинное приложение, взаимодействующее с базой данных 17. Управление моделированием, отображение модели и обработка всех подмножеств осуществляется в рамках указанного программного обеспечения.
При осуществлении многомашинного однопользовательского режима моделирования (рисунок 3) компьютер 18, снабженный программным обеспечением, представляющим собой однопользовательское многомашинное приложение, используется для управления моделированием и отображением модели. Однопользовательское многомашинное приложение взаимодействует с сервисным ядром 19 распределенной модели, связанным с базой данных. Для моделирования на подмножествах, как отдельных процессов, предусмотрены соответствующие аппаратно-программные средства 20.1...20.N, взаимодействующие с сервисным ядром. Распределение процессов по аппаратно-программным средствам может быть произвольным. В частности, для каждого процесса может быть предусмотрено индивидуальное аппаратно-программное средство.
При осуществлении многомашинного многопользовательского режима моделирования (фиг.4) для управления моделированием и отображением модели предусмотрены индивидуальные компьютеры 21.1...21.М пользователей, снабженные многопользовательскими многомашинными приложениями, каждое из которых представляет собой программу-клиент и взаимодействует с сервисным ядром распределенной модели.
Сервисное ядро распределенной модели включает в себя 22.1...22.N сервисов запуска процессов, сервис 23 диагностики и восстановления процессов, сервис 24 синхронизации процессов, сервис 25 обмена данными, сервис 26 связи с внешними моделями, первичный агент 27 модели, а также сервисы сохранения результатов моделирования 28, работы с базой данных 29 и загрузки исходных данных 30.
Использование команд позволяет реализовать многомашинное моделирование с использованием вычислительных машин, различных по типу и по мощности.
1. Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги с помощью аппаратно-программного комплекса, при котором 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, 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, отличающийся тем, что 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.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полигон, представляющий собой множества указанных введенных данных, разделяют на непересекающиеся подмножества, причем моделирование на каждом подмножестве представляет собой отдельный процесс.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что моделирование осуществляют с использованием многомашинного аппаратно-программного комплекса.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для обработки команд пользователя и системы в процессе управления моделированием используют единый алгоритм.
