Результат интеллектуальной деятельности: Система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано управляющим и оперативным персоналом на железнодорожных полигонах.

Известна система для определения пропускной способности участка железной дороги, содержащая сервер с блоком памяти, соединенный каналом связи с автоматизированным рабочим местом работника службы движения, включающим процессор работника службы движения с блоком памяти, монитором и блоком ввода информации, блоками задания условий движения поездов, ввода параметров нормативного графика движения поездов, вычисления параметров инфраструктуры, в автоматизированном рабочем месте работника службы движения установлены блоки вычисления наличной и потребной пропускной способности, сравнения вычислений между собой и с установленным значением, при этом первый вход блока вычисления наличной пропускной способности соединен с выходом блока задания условий движения поездов, второй вход соединен с выходом блока вычисления параметров инфраструктуры, выход блока вычисления наличной пропускной способности соединен с входом блока сравнения вычислений, первый вход блока вычисления потребной пропускной способности соединен с выходом блока вычисления параметров инфраструктуры, второй вход соединен с выходом блока ввода параметров нормативного графика движения поездов, выход блока вычисления потребной пропускной способности соединен с входом блока сравнения вычислений, выход которого связан с входом блока сравнения с установленным значением, первый выход которого соединен с процессором работника службы движения, а второй вход соединен каналом связи с сервером (RU 86926, B61L 27/04. 20.09.09).

Использование известного технического решения не позволяет обеспечить эффективное и качественное управление движением поездов вследствие того, что состояние объектов на железнодорожной линии периодически меняется и подвержено влиянию различных факторов, а план пропуска поездов в результате этого не является в полной степени соответствующим сложившейся обстановке.

В качестве прототипа выбрана система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности, содержащая компьютер автоматизированного рабочего места работника службы движения, в котором первый вход/выход процессора через канал связи, соединен с первым выходом/входом сервера центра обработки данных, второй вход/выход процессора соединен с выходом/входом блока памяти, первый вход процессора соединен с выходом блока ввода информации, первый выход процессора соединен с входом монитора, третий вход/выход процессора соединен с блоком ввода параметров нормативного графика движения поездов, второй выход процессора соединен с входом блока вычисления параметров инфраструктуры, первый выход которого соединен с первым входом блока вычисления наличной пропускной способности, а второй выход блока вычисления параметров инфраструктуры соединен с первым входом блока вычисления потребной пропускной способности, второй вход которого соединен с выходом блока ввода параметров нормативного графика движения поездов, третий выход упомянутого процессора соединен с входом блока задания условий движения поездов, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления наличной пропускной способности, выход блока вычисления наличной пропускной способности соединен с первым входом блока сравнения вычислений, выход блока вычисления потребной пропускной способности соединен со вторым входом блока сравнения вычислений, выход которого соединен с входом блока сравнения с установленным значением, выход которого соединен со вторым входом упомянутого процессора, в центре обработки данных размещены база данных цифровой модели инфраструктуры, первый выход которой соединен с входом блока генерации нормативно справочной информации, выход которого соединен с входом блока базы нормативно справочной информации, выход которого соединен с входом блока формирования имитационной модели, с элементами искусственного интеллекта, выход которого соединен с входом блока верификации с функцией обучения, выход которого соединен с входом блока интеграции модели в систему поддержки принятия решений, выход которого соединен с входом блока формирования вариантов пропуска поездов, выход которого соединен с входом/выходом сервера центра обработки данных (RU 2662351, B61L 27/04, 25.07.2018).

Известная система обладает недостаточной оперативностью управления поездной работой из-за медленности расчетов и моделирования при корректировке параметров графика движения поездов.

Технический результат изобретения заключается в повышении оперативности управления поездной работой за счет сокращения времени необходимого для корректировки параметров графика движения поездов.

Технический результат достигается тем, что в системе для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности, содержащей компьютер автоматизированного рабочего места работника службы движения, включающий процессор, с подключенными к нему первым блоком памяти, блоком ввода информации, монитором, блоком ввода параметров нормативного графика движения поездов, блоком вычисления параметров инфраструктуры и блоком задания условий движения поездов, при этом выход блока задания условий движения поездов соединен с первым входом блока вычисления наличной пропускной способности, второй вход которого соединен с первым выходом блока вычисления параметров инфраструктуры, второй выход которого и выход блока ввода параметров нормативного графика движения поездов соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычисления потребной пропускной способности, выход которого и выход блока вычисления наличной пропускной способности подключены к соответствующим входам блока сравнения вычислений, выход которого соединен с входом блока сравнения с установленным значением, который подключен к процессору компьютера автоматизированного рабочего места работника службы движения, первый вход/выход процессора соединен с первым выходом/входом сервера центра обработки данных, в центре обработки данных установлены последовательно соединенные, второй блок памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, блок генерации нормативно-справочной информации, третий блок памяти, в котором записана база данных нормативно-справочной информации, блок формирования имитационной модели, с элементами искусственного интеллекта, блок верификации с функцией обучения, ко второму входу которого подключен второй блок памяти, с записанной в нем базой данных цифровой модели инфраструктуры, блок интеграции модели в систему поддержки принятия решений и блок формирования вариантов пропуска поездов, выход которого соединен с первым входом сервера, согласно изобретению в центре обработки данных установлен программно-аппаратный блок симуляции и отработки квантовых вычислений, вход и выход которого через соответствующие преобразователи сигналов подключены соответственно к блоку ввода информации и ко входу процессора компьютера автоматизированного рабочего места работника службы движения, вход/выход которого соединен с выходом/входом программно-аппаратного блока симуляции и отработки квантовых вычислений, и введены последовательно включенные блок формирования модели, описываемой в квантовом виде, и блок формирования модели с функцией обучения, выход которого соединен со вторым входом сервера, а вход блока формирования модели, описываемой в квантовом виде соединен с третьим блоком памяти, в котором записана база данных нормативно-справочной информации, при этом блок генерации нормативно-справочной информации снабжен программным обеспечением, позволяющим обеспечить генерацию всех вариантов технологии расписаний в виде функций распределения, записанных в квантовом виде.

На чертеже приведена функциональная схема системы для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности.

Система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности содержит компьютер 1 автоматизированного рабочего места (АРМ) работника службы движения, включающий процессор 2, с подключенными к нему первым блоком 3 памяти, блоком 4 ввода информации, монитором 5, блоком 6 ввода параметров нормативного графика движения поездов, блоком 7 вычисления параметров инфраструктуры и блоком 8 задания условий движения поездов, при этом выход блока 8 задания условий движения поездов соединен с первым входом блока 9 вычисления наличной пропускной способности, второй вход которого соединен с первым выходом блока 7 вычисления параметров инфраструктуры, второй выход которого и выход блока 6 ввода параметров нормативного графика движения поездов соединены соответственно с первым и вторым входами блока 10 вычисления потребной пропускной способности, выход которого и выход блока 9 вычисления наличной пропускной способности подключены к соответствующим входам блока 11 сравнения вычислений, выход которого соединен с входом блока 12 сравнения с установленным значением, который подключен к процессору 2 компьютера автоматизированного рабочего места работника службы движения, первый вход/выход процессора 2 соединен с первым выходом/входом сервера 13 центра 14 обработки данных, в центре 14 обработки данных установлены последовательно соединенные, второй блок 15 памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, блок 16 генерации нормативно-справочной информации (НСИ), третий блок 17 памяти, в котором записана база данных нормативно-справочной информации, блок 18 формирования имитационной модели, с элементами искусственного интеллекта, блок 19 верификации с функцией обучения, ко второму входу которого подключен второй блок 15 памяти, с записанной в нем базой данных цифровой модели инфраструктуры, блок 20 интеграции модели в систему поддержки принятия решений и блок 21 формирования вариантов пропуска поездов, выход которого соединен с первым входом сервера 13, в центре 14 обработки данных установлен программно-аппаратный блок 22 симуляции и отработки квантовых вычислений, вход и выход которого через соответствующие преобразователи 23 и 24 сигналов подключены соответственно к блоку 4 ввода информации и ко входу процессора 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места работника службы движения, вход/выход которого соединен с выходом/входом программно-аппаратного блока 22 симуляции и отработки квантовых вычислений, и последовательно включенные блок 25 формирования модели, описываемой в квантовом виде, и блок 26 формирования модели с функцией обучения, выход которого соединен со вторым входом сервера 13, а вход блока 25 формирования модели, описываемой в квантовом виде соединен с третьим блоком 17 памяти, в котором записана база данных нормативно-справочной информации, при этом блок 16 генерации нормативно-справочной информации снабжен программным обеспечением, позволяющим обеспечить генерацию всех вариантов технологии расписаний в виде функций распределения, записанных в квантовом виде.

Система для оперативного управления поездной работой участка железной дороги на основе определения его пропускной способности функционирует следующим образом.

Процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места обменивается информацией с сервером 13 центра 14 обработки данных и с программно-аппаратным блоком 22 симуляции и отработки квантовых вычислений. Компьютер 1 автоматизированного рабочего места получает от сервера 13 центра обработки данных информацию об исходных значениях провозной и пропускной способностей и инфраструктуре участка железной дороги. Диспетчер анализирует информацию, отображаемую на мониторе 5, вводит корректировки с помощью блока 4 ввода информации, например, графика движения поездов и записывает эти данные в блок 3 памяти. Затем из процессора 2 данные поступают в блок 6 ввода параметров нормативного графика движения поездов, блок 7 вычисления параметров инфраструктуры и блок 8 задания условий движения поездов. Первичные исходные данные из блоков 7 и 8 поступают в блок 9 вычисления наличной пропускной способности, а из блоков 6 и 7 в блок 10 для вычисления потребной пропускной способности. Из блока 9 и из блока 10 результаты вычислений поступают в блок 11 для сравнения. Наличная пропускная способность должна быть больше потребной на определенную установленную величину, закладываемую в блок 12 сравнения с установленным значением. Если разница между наличной и потребной пропускными способностями меньше установленного значения, данные о ней поступают в процессор 2, где формируется команда на задание в блоке 6 новых параметров нормативного графика движения поездов и в блоке 8 задания условий движения поездов. По достижению приемлемого значения потребной пропускной способности участка железной дороги, что устанавливает на мониторе 5 работник службы движения, вся результирующая информация по каналу связи из процессора 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места поступает и запоминается в памяти сервера 13 центра обработки данных.

В сервере 13 центра обработки данных имеются данные и программные модули для интеллектуальной поддержки оперативных решений диспетчера. В частности, в центре 14 обработки данных имеется блок 15 памяти, в котором записана база данных цифровой модели инфраструктуры, включая архив (Big Data), откуда, через блок 16 генерации нормативно-справочной информации, необходимая для оперативной поддержки информация поступает в блок 17 памяти для записи в базу данных нормативно-справочной информации.

В базе данных, записанной в блоке 15, хранится полный срез информации о работе полигона: как инфраструктурные данные (топология путей, контактной сети и пр.), так и сведения о внешних воздействиях и сведения о реальных условиях, влияющих на режим движения поездов (уровень напряжения, реальный межпоездной интервал и пр.). Блок 16 производит отбор из базы данных блока 15 только тех показателей, которые необходимы для оптимизации управления движением поездов. Отобранная информация поступает в базу данных нормативно-справочной информации блока 17 памяти.

Из базы нормативно-справочной информации блока 17 памяти данные поступают в блок 18 формирования имитационной модели с элементами искусственного интеллекта. Элементы искусственного интеллекта в блоке 18 используются при отборе ряда входных данных, необходимых для работы имитационных моделей в блоке 18 формирования имитационной модели. Отбор данных производиться ансамблем искусственных нейронных сетей (на чертеже не показаны), из которых первая группа сетей на основе обучения на информации из базы данных блока 15 о реальном состоянии полигона дает прогноз, по которому выбирается какая-то из технологических цепочек и формируются ее частные параметры. В процессе обучения искусственной нейронной сети происходит минимизация функционала ошибки в процессе выстраивания технологических цепочек зависимостей между исходной информацией и предлагаемыми сценариями действий поездного диспетчера по управлению движением поездов. Обученная искусственная нейронная сеть дает прогноз, по которому выбирается какая-то из технологических цепочек, и проигрыванием на имитационной модели формируются ее частные параметры. Система ранжирует варианты решений по соотношениям «выгода/потери». Если диспетчер выбирает один из вариантов, связанный с движением, то формируются конкретные расписания и указания, передаваемые непосредственно на поезда для исполнения.

Вторая группа искусственных нейронных сетей на основании анализа информации из базы данных блока 15 памяти производят модификацию модели, отключая или активизируя некоторые элементы имитационной модели в блоке 18 формирования имитационной модели с элементами искусственного интеллекта.

Блок 18 на сформированной модели передает результаты моделирования вариантов организации движения поездов по участку в блок 19 верификации с функцией обучения, куда также поступает информация из базы данных цифровой модели инфраструктуры блока 15 памяти, включая архив (Big Data). Прошедшая верификацию модель и расчеты на ее основе из блока 19 поступают в блок 20 интеграции модели в систему поддержки принятия решений, откуда через блок 21 формирования вариантов пропуска поездов поступает в сервер 13 центра обработки данных. Из сервера 13 информация по каналу связи поступает в процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места работника службы движения для их использования диспетчерами при управлении движением поездов.

Конкретные управленческие решения, поступающие с сервера 13 центра обработки данных в процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места, записываются в блок 3 памяти. Они могут быть выведены диспетчером на монитор 5 с помощью блока 4 ввода информации. С компьютера 1 автоматизированного рабочего места по каналам радиосвязи (на чертеже не показано) приказы диспетчера передается непосредственно на поезда.

Поддержка принятия решений для диспетчеров заключается в разработке нескольких вариантов пропуска поездов по полигону на различный временной горизонт для выбора одного из них в качестве основного. Одним из компонентов решения являются расписания пропуска заданных поездов, а также сценарии работы технических станций.

Например, пусть на полигоне находится N поездов, каждый из которых обладает массой, определенным составом, вагоны которого находятся в различном техническом состоянии и пр., сцеплен с определенным локомотивом (с определенной силой тяги, техническим состоянием и пр.). Данные поезда имеют разный приоритет, назначение и для них необходимо построить прогноз плана пропуска по участку, включая расположенные на нем станции.

Каждая станция характеризуется техническим состоянием (закрыты или открыты пути, какие поезда можно пропускать по каким путям), также есть информация о линии, о напряжении в контактной сети, о сложившемся межпоездном интервале и т.п. Все эти сведения содержатся в базе данных блока 15 памяти, размещенного на одном из полигонных центров 14 обработки данных.

Поезда, двигаясь по участку, дополняют информационные потоки информацией о своем состоянии. Эта информация поступает по радиоканалам связи (на чертеже не показано) на сервер 13 обработки данных центра 14.

Система изо всей полученной информации формирует нормативно-справочную информацию, которая необходима для расчета плана пропуска, и преобразует ее в соответствии с форматами используемого программного обеспечения. Образуется так называемый сценарий, который закладывается в базу нормативно-справочной информации блока 17 памяти. Сценарий выполнен в виде взаимоувязанного набора множеств, каждое из которых характеризует состояние всех элементов, которые влияют на план пропуска: «Инфраструктура», «Перегон», «Станция», «Поезд», «Отказы», «Локомотив», «Бригада» и пр.

Сценарий, подается на вход ансамбля упомянутых выше искусственных нейронных сетей. Первая сеть на основании поданного сценария формирует исходные данные для расчета варианта плана пропуска на имитационной модели.

Вторая сеть с учетом актуальной информации из базы данных блока 15 памяти формирует схему имитационной модели, подключая или отключая необходимые ветви с помощью конструкции switch/case.

Созданная модель подвергается верификации в блоке 19 верификации с функцией обучения. Верифицированная модель обладает конечным набором параметров, на котором можно осуществлять прогнозирование.

Через блок 20 интеграции модели в систему поддержки принятия решений и блок 21 формирования вариантов пропуска поездов модель встраивается в систему поддержки принятия решений для диспетчера. Поддержка принятия решений для диспетчера заключается в разработке нескольких вариантов пропуска поездов по полигону на различный временной горизонт для выбора одного из них в качестве основного. Одним из компонентов решения являются расписания пропуска заданных поездов, а также сценарии работы технических станций.

Эти варианты передаются с сервера 13 центра обработки данных в компьютер 1 АРМ диспетчера. Диспетчер, рассмотрев параметры предлагаемого системой плана, в том числе и по экономическим критериям (маршрутная скорость продвижения поездопотока на полигоне, времена, величина просрочек и коммерческих потерь), согласовывает вариант плана и вводит его в действие. В случае несогласования вариант возвращается в систему для перерасчета.

Расписания при утверждении диспетчером предложенного плана через радиоканалы доводятся для исполнения до машинистов поездов, а для контроля до поездных диспетчеров. Планы работы технических станций передаются по корпоративной системе передачи данных РЖД станционным диспетчерам (маневровым диспетчерам).

Основным отличием предлагаемой системы является применение квантовых алгоритмов в работе блока 22. В блоке 16 генерации НСИ, обеспечивающим генерацию всех вариантов технологии расписаний в виде функций распределений, записанных в квантовом виде, формируется полный спектр технологических вариантов одновременно (суперпозиция состояний) и вычисления проводятся над кубитами. Формализация также дается в особой форме. Расчет осуществляется в блоке 22, для обмена информацией с которым используются блоки 23 и 24 преобразования входных и выходных сигналов.

Работа блока 25 формирования модели, описываемой в квантовом виде, осуществляется следующим образом. В блоке 25 содержится упорядоченная информация о рассматриваемой железнодорожной системе, причем в формализме квантовой модели, а именно: блок содержит информацию о всех возможных состояниях путей, линии, участников перевозочного процесса, технологических связей между участниками процесса, включая и нормированный набор квадратов вероятностей каждого состояния.

При использовании квантовых алгоритмов в блоке 22, (см., например, https://azure.microsoft.com/ru-ru/services/quantum/ и публ. Вялый, М. Квантовые алгоритмы: возможности и ограничения https://compsciclub.ru/media/courses/2011-spring/spb-quantumalgorithms/materials/20110403_quantum_algorithms_vyali_lecture_notes.pdf.) с помощью квантового компьютера и/или его эмулятора вследствие коллапса волной функции системы происходит фиксация всех участков перевозочного процесса в некотором определенном состоянии уже с вероятностью 1. Это записывается в блок 17 памяти и далее используется в блоке 18 формирования имитационной модели.

Из блока 22 информация поступает в сервер 13 и в процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места работника службы движения для ее использования диспетчерами при управлении движением поездов.

Конкретные управленческие решения, поступающие в процессор 2 компьютера 1 автоматизированного рабочего места, записываются в блок 3 памяти. Они могут быть выведены диспетчером на монитор 5 с помощью блока 4 ввода информации. С компьютера 1 автоматизированного рабочего места по каналам радиосвязи приказы диспетчера передается непосредственно на поезда.

Расписания при утверждении диспетчером предложенного плана по радиоканалам доводятся для исполнения до машинистов поездов, а для контроля до поездных диспетчеров.

Предлагаемая система обеспечивает поэтапное повышение оперативности управления поездной работой за счет сокращения времени требуемого для корректировки параметров графика движения поездов, вследствие предоставления возможности возрастающего применения настоящих квантовых вычислений при решении задач, требующих особенно больших вычислительных ресурсов.