Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Шабельников Александр Николаевич. Разработка теории и методов автоматизации управления сложными процессами на сортировочной станции : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.13.06 Москва, 2005 344 с. РГБ ОД, 71:06-5/184

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И
ИНФОРМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗКАМИ 18

  1. Уровни автоматизации перевозочного процесса и постановка задачи создания интегрированной информационно-управляющей системы СС... 18

  2. Роль и место подсистем информатизации в структуре управления

СС 26

  1. Особенности технологического процесса расформирования-формирования поездов и концепция построения ИУС СС 33

  2. Единая информационная среда- основа построения интеллектуальной ИУССС 39

  3. Эксплуатационно-технические требования к интегрированной ИУС СС 47

  4. Постановка задач интеллектуальной поддержки процессов принятия решений и методология создания ИУС СС 54

1.7. Выводы по главе 71

Глава 2. РАЗВИТИЕ ИДЕОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ
ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА СС 74

  1. Общая методика управления 74

  2. Алгоритм эталонного управления нестационарными, динамическими объектами железнодорожного транспорта 83

  3. Математическое обеспечение разрабатываемых методов 88

  1. Отбор информативных признаков 88

  2. Формализация и развитие понятия расстояния между объектами, алгоритмами и решениями 97

2.4. Совершенствование деятельности отрасли на основе внедрения
информационных технологий 109

2.5. Выводы по главе 124

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ
126

  1. Развитие понятийного аппарата моделирования сложных технологических процессов на железнодорожном транспорте 126

  2. Некорректные математические задачи на

железнодорожном транспорте 145

  1. Проблемы использования математических моделей в задачах автоматизации технологических процессов 146

  2. Методы решения некорректных задач 165

3.3. Выводы по главе 174

Глава 4. ТЕОРИЯ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ - ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСПЕРТНОЙ ИНФОРМАЦИИ 177

  1. Роль и место теории нечетких множеств в системах управления железнодорожным транспортом 178

  2. Сравнительный анализ операций над нечеткими множествами и их применение 185

  3. Принятие решений в условиях неопределенности 194

  1. Решение многокритериальных задач 195

  2. Выбор решения по минимуму риска 197

4.4. Идентификация функций принадлежности нечетких множеств 201

4.5. Выводы по главе 215

Глава 5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРТНОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ
РЕШЕНИЙ В ИУС НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА 217

  1. Пространственно-временная модель представления динамической информации 219

  2. Нейро-нечеткие классификационные модели и их интеграция в исполнительные уровни ИУС . 234

  1. Нечеткие композиционно-динамические модели поддержки принятия решений при управлении вагонными замедлителями 253

  2. Разработка механизма моделирования и управления выводом в базе знаний ИУС на основе дискретно-непрерывной динамической системы

5.5. Выводы по главе 280

Список использованной литературы 282

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 303

ПРИЛОЖЕНИЯ 306

Приложение 1 306

Расчет экономической эффективности внедрения горочного комплекса в

составе комплексной системы автоматизации сортировочных

процессов 306

Приложение 2 327

Технико-экономические показатели работы станции Иркутск-
сортировочный от внедрения автоматизированной системы управления
технологическим процессом расформирования составов - комплекса
горочного микропроцессорного (КГМ) 327

Приложение 3 336

Акты о внедрении ,.... 336

Введение к работе:

Актуальность темы. Переход российской экономики на новые схемы хозяйствования выдвинул ряд важных взаимоувязанных проблем, требующих пересмотра управленческой парадигмы во всех звеньях существующих автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП).

В феврале 1996 года Коллегия МПС России одобрила разработанную отраслевой наукой «Концепцию информатизации железнодорожного транспорта России на 1996-2005 гг.» и утвердила «Программу информатизации железнодорожного транспорта России на 1996-2005 гг.» (Программа 1996)1.

Концепция установила, что «существующий уровень информатизации не в состоянии обеспечить решение задач, стоящих перед отраслью в новых условиях функционирования» («проведение рыночных экономических реформ в России и разделение железнодорожной сети между странами СНГ»).

Был сделан правильный принципиальный вывод о необходимости ориентации «на создание новых информационных технологий».

При этом, 83% из 10 млрд. руб, выделенных Программой 1996 средств (в деноминированных рублях при курсе доллара США около 5 руб.) было предусмотрено на сети связи и «обеспечивающий уровень информатизации».

Дальнейшее развитие событий показало ошибочность указанного подхода - выделенные около 1 млрд. долларов на сеть связи и 650 млн. долларов на инфраструктуру информатизации и системное программное обеспечение были успешно освоены в 1999-2003 гг.: создана мощная сеть связи и в сотни раз выросли мощности вычислительных центров.

Программа информатизации железнодорожного транспорта России на 1996-2005 гг. (Программа 1996)

Но ожидаемого эффекта от инвестиций получить не удалось, так как в части технологического и прикладного программного обеспечения была выполнена только часть задач, в основном в области управления перевозками.

Новая схема управления информатизацией в ОАО «РЖД», принятая 17.10.2004 г., учитывает указанную ошибку2.

В соответствии с внедряемым проектным подходом становится невозможным вложение средств в развитие инфраструктуры информатизации без внедрения новых технологий управления, так как все проекты планируются от цели - новой технологии. Все обеспечивающие работы и модернизация технических средств выполняются по мере необходимости только как подпроекты указанных проектов.

В свое время идея всеобщей автоматизации народного хозяйства страны оказалась преждевременной и не обеспеченной. Возникли разрозненные, отличающиеся идеологией, технической базой, недостаточно согласованные между собой АСУ отраслей и отдельных производств. Вместе с тем общим недостатком всех существующих АСУ также является их узкая информационная направленность. Управляющая составляющая потребовала своего развития. Последние десять лет характеризуются революционным развитием технических средств, и техническая основа многих АСУ ТП значительно устарела. Новые технические средства открывают дополнительные возможности для развития методов теории управления сложными объектами. Лицо, принимающее решение (ЛПР), в современных АСУ ТП сохраняет свое доминирующее положение, и это связано с его способностью использовать нечеткие схемы принятия решений, более адекватно отражающие суть современных объектов управления.

Программа информатизации железнодорожного транспорта России на 2005-2007 гг., утв. 17 ноября 2004 г.

Не единственным, но наиболее характерным в этом смысле и потому подробно исследуемым в работе является сложный процесс расформирования - формирования поездов на сортировочных горках (СГ) железнодорожных сортировочных станций.

Распад централизованной системы управления перевозками не был обеспечен отработанным механизмом взаимодействия отдельных, получивших большую самостоятельность ее элементов. Существующие устройства и технологические структуры управления за период кризиса технически и морально устарели. Изменились не только условия хозяйствования, но и свойства самих объектов управления. В данной работе - это структура и параметры вагонопотоков, состав грузов, требования потребителей услуг железнодорожного транспорта и др. Важнейшими задачами совершенствования систем автоматического управления являются их интенсификация, повышение точности функционирования и безопасности. Их решение позволит снять ряд новых технологических и технических проблем. Это, в свою очередь, вызывает необходимость развития методов теории управления сложными объектами.

Успешность разработки этих методов зависит от адекватности выявленных закономерностей транспортных процессов и транспортных логистических систем, что повышает актуальность исследования общетеоретических методов идентификации состояния и динамики сложных динамических объектов, планирования, организации и управления ими.

Оператор на СГ является основным источником управляющих решений. Это связано со слабой формализуемостью процессов скатывания отцепов с горки, что вызывает необходимость использования нечетких алгоритмов и схем принятия решений. Последнее, указанное замечание в полной мере относится и к другим транспортным человеко-машинным комплексам (например, системы диспетчерской централизации).

Таким образом, в рамках данной работы актуальными являются следующие задачи:

развитие методов теории управления сложными динамическими процессами, функционирующими в условиях неопределенности исходных данных и дефицита времени на принятие и реализацию оптимальных решений, ограниченного объема информации, характеризуемого неопределенностью и зашумленностью (на примере системы горочной автоматизации);

разработка методов и алгоритмов формализации противоречивых критериев функционирования систем управления; . разработка методов идентификации нечетких состояний объектов управления в ситуационных моделях принятия решений; развитие адаптивных методов управления сложными объектами в условиях нечеткости исходной информации. Они соответствуют перечню подпрограмм, принятых Программой информатизации на 2005-2007 гг.: управление сбытом грузовых перевозок; управление сбытом и организацией пассажирских перевозок; управление перевозочным процессом; оптимизация управления содержанием инфраструктуры и подвижного состава; организация эффективного бюджетирования, бухгалтерский и налоговый учет, оптимизация управления финансовыми, трудовыми и материальными ресурсами; стратегическое развитие и системное управление инвестициями и инновациями; унификация и интеграция автоматизированных систем.

Наиболее существенные результаты в области методологии и технологии управления транспортными системами получены Барановым Л.А., Буяновым В.А., Грунтовым П.С., Иванченко В.Н., Мухой Ю.А., Павловым В.Е., Ратиным Г.С., Сотниковым Е.А., Фонаревым Н.М., Шелухиным В.И., Шилейко А.В. и др.

Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики внесли известные ученые: Бочков К.А., Брылеев A.M., Ефимов В.Е., Дмитриенко И.Е., Кравцов Ю.А., Лисенков В.М., Кокурин И.М., Косилов Р.А., Переборов А.С., Дудниченко A.M., Шафит Е.М. и др.

Значительный вклад в теорию и практику управления сложными динамическими объектами с использованием методологии искусственного интеллекта внесли ученые: Аверкин А.Н., Берштейн Л.С, Вагин В.Н., Емельянов В.В., Еремеев А.Г., Карелин В.П., Ковалев СМ., Курейчик В.М., Мелихов А.Н., Поспелов Д.А., Попов Э.В., Осипов Г.С, Фоминых И.Б., Хорошевский В.Ф. и др.

Значительный вклад в решение задач автоматизации управления перевозочным процессом, обеспечения безопасности движения поездов с помощью средств автоматики, телемеханики и связи внесли известные ученые: В.М. Алексеев, В.М. Абрамов, И.В. Беляков, П.Ф. Бестемьянов, М.Н. Василенко, Г.В. Горелов, Д.В. Гавзов, Е.В. Ерофеев, Н.Ф. Котляренко, Б.Д. Никифоров, Н.Ф. Пенкин, Е.Н. Розенберг, Д.В. Шалягин, В.И. Шаманов, И.Б. Шубинский, А.А. Явна.

Решению важных теоретических и практических вопросов создания современной технологии управления, исследования и моделирования сложных объектов и процессов анализа и синтеза устройств автоматики и телемеханики, разработки микропроцессорных систем, их программного обеспечения и диагностики, формирования технической политики и стратегии дальнейшего развития АСУЖТ, начиная с 1980 г. посвящены работы Апатцева В.И., Аркатова С.С, Бардинова Л.А., Буянова В.А., Гуды А.Н., Дмитриенко И.Е., Долгого М.Д., Иванченко В.Н., Карпухина В.Б., Ковалева СМ., Кравцова Ю.А., Лецкого Е.К., Лисенкова В.М., Лябаха Н.Н., Павлова В.Е., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В., Сотникова Е.А.,

Тишкина Е.М., Тулупова Л.П., Шелухина В.И., Шилейко А.В. и других ученых.

Организация эксплуатационной работы на транспорте, нашедшая свое отражение в диссертационном исследовании, рассмотренной в трудах Алексеева В.М., Серебрякова А.С., Синицина С.А., Тишкина Е.М.

Приведённые выше рассуждения позволяют сформулировать цель диссертационного исследования: Разработка теории, методологии и инструментария синтеза систем интеллектуального управления сложными транспортными процессами.

В свою очередь, цель диссертационной работы определяет объект и предмет исследования.

Объект исследования: транспортные системы и комплексы, транспортные процессы (на примере сортировки составов на станции).

Исследуемые объекты определены четвертым пунктом специальности 05.13.06: теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация.

Предмет исследования: методы анализа и синтеза моделей и систем интеллектуального управления процессами перевозок.

В содержательном плане проведенные исследования соответствуют следующим пунктам паспорта специальности 05.13.06:

3. Методология, научные основы и формализованные методы
построения автоматизированных систем управления

технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т.д. 8. Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.

9. Методы эффективной организации и ведения специализированного

информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП,

АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их

оптимизации.

Концепция диссертационного исследования состоит в обосновании

необходимости интеллектуализации функционирования автоматизированных

систем на транспорте, систематизации существующих разрозненных

исследований по данной тематике, адаптации теории интеллектуализации и

накопленного опыта в иных сферах к совершенствованию транспортных

комплексов.

Таким образом, задачами исследования являются:

  1. Анализ состояния и динамики развития транспортных систем, процессов управления перевозками, (обоснование необходимости интеллектуализации).

  2. Развитие теории синтеза (методов и механизмов планирования, организации и управления транспортными потоками, совершенствование технологии сортировочных процессов) интеллектуальных систем на транспорте.

  3. Разработка комплекса моделей, позволяющих адекватно представить:

а) сложные (динамические, нелинейные, нестационарные,
стохастические) технологические процессы на транспорте;

б) процессы принятия решений в условиях шумов данных, высокой
степени неопределенности, размытости и нестационарности.

  1. Разработка инструментария и программного обеспечения предложенных подходов и методов.

  2. Внедрение результатов исследований в практику управления сортировочными процессами на станции, НИР и учебный процесс.

Научная новизна исследования.

  1. На основе системного анализа процесса расформирования-формирования поездов установлена необходимость создания интегрированной ИУС СС с интелллектуальной поддержкой принятия решений. Такая система предусматривает интеграцию и взаимодействие вновь создаваемых подсистем информатизации (ПИ) всех парков, ПУ СГ (КГМ ПК), АСУ СС, АРМов дежурного и диспетчерского персонала.

  2. Предложена организационно-технологическая структура ИУС СС, определены место и роль каждой в отдельности ПИ. Сформулированы эксплуатационно-технические требования к интегрированной ИУС СС.

Принципиально важным и новым в структуре ИУС СС является наличие БЗ и ее интеграция с БД. В основу создания БЗ положена разработка целого ряда моделей, использующих пространственные, временные, причинно-следственные и др. отношения между «понятиями» предметной (исследуемой) области.

  1. Предложена модельная конструкция синтеза управления, опирающаяся на представлении объекта автоматизации в информативном признаковом пространстве и использующая эталонное эвристическое управление. Разработан механизм построения модельного признакового пространства за счет отбора информативных признаков и расчета адекватной цели исследования меры близости.

  2. Обоснован переход от базового математического аппарата устройств СЦБ - теории логики к теории нечетких множеств -основы интеллектуализации систем управления на транспорте, которая развита в следующих направлениях:

а) операции над нечеткими множествами адаптированы к процедурам
принятия решений на транспорте;

б) разработаны механизмы идентификации многомерных функций
принадлежности нечетких множеств, учитывающих полный
перечень факторов, влияющих на исследуемые транспортные
процессы.

  1. Усовершенствован алгоритм идентификации сложных транспортных процессов за счет учета гипотетически возможных сигналов и введения имитации сценариев развития. Развит механизм выявления экспертной информации о функционировании транспортных систем и принятии ответственных решений опытным оператором.

  2. Введено понятие меры близости между алгоритмами, моделями, решениями, используемыми при автоматизации транспортных процессов. Развит инструментарий расчета меры по статистическим и гипотетическим данным.

  3. Дан анализ применимости методов регуляризации вычислительных задач, автоматизации технологических процессов на транспорте. Обоснован выбор методов решения конкретных некорректных вычислительных задач, обеспечивающих адекватный анализ и планирование транспортных потоков. Разработана универсальная технология моделирования сложных динамических транспортных процессов, использующая опыт и логику мышления эксперта-оператора, и опирающаяся на инструментальные средства теории искусственного интеллекта.

  4. Обоснован выбор и адаптированы методы решения многокритериальных задач автоматизации управления транспортными процессами.

  1. Для исследуемого в диссертации класса гибридных интеллектуальных систем динамического типа разработана формальная модель представления динамической информации, основанная на системе пространственно- временных отношений.

  2. Разработан новый класс гибридных нейро-нечетких моделей в качестве средств интеграции технологических экспертных знаний в нижние исполнительные уровни ИУС.

  3. Разработаны алгоритм и программно-математическое обеспечение задачи управления скатыванием отцепов с горки, учитывающие все разнообразие пространственно-временных и причинно-следственных отношений объектов соответствующего процесса управления. На примере задачи управления вагонными замедлителями предложен новый класс нечетких композиционно-динамических моделей, предназначенных для автоматизации экспертной поддержки принятия решений в ИС динамического типа. Решение данной задачи иллюстрирует применение интеллектуальных технологий на железнодорожном транспорте.

Методологической и теоретической основой диссертационного исследования явились труды отечественных и зарубежных учёных по проблеме, информационные материалы научно-исследовательских отчетов учебных и научных подразделений МПС России, нормативные и законодательные акты, регламентирующие деятельность транспортных систем страны (в частности Материалы к заседанию правления ОАО «РЖД», утвержденные 17 ноября 2004 года по программе информатизации на 2005-2007 годы).

Информационно-эмпирической базой исследования послужили статистические и экспертные данные о функционировании различных исследуемых подсистем: СС в целом, ПП, ПФ, ПО и другие.

Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что его основные методологические и методические выводы, инструментарий можно использовать как для теоретического анализа и оценки качества функционирования автоматизированных систем управления на транспорте, так и эффективного управления ими.

Результаты исследования используются при чтении различных курсов на кафедрах «Информатика», «Автоматика и телемеханика на ж.д. транспорте», ВТ АСУ Ростовского государственного университета путей сообщения.

Апробация работы и публикация материалов.

Результаты работы докладывались на заседаниях кафедр «Информатика», ВТ АСУ, Автоматика и телемеханика на ж.д. транспорте» РГУ ПС, объединенном заседании кафедр соответствующего профиля (интеллектуального) ТРТУ, «Исследование систем управления» Майкопского государственного технологического университета, на международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии: геометрическое моделирование и виртуальная реальность», г. Таганрог, 1999 г., на конференциях «САПР-1999», «САПР-2000», «САПР-2001», «САПР-2002», «САПР-2003», «САПР-2004», «САПР-2005» г. Дивноморск, на IV Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии», г. Кисловодск, 2000 г., на III Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» г. Новочеркасск, 2000 г., на научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2001» г. Ростов н/Д, 2001 г., на IV Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» г. Новочеркасск, 2001 г., на конференции «Инфотранс-2001», г. Сочи, 2001г., на 4-й Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и

16 долговечности конструкций и методы их решения», г. С-Петербург, 2001г., на первой ведомственной конференции «Проблемы обеспечения информационной безопасности на федеральном железнодорожном транспорте», г. С-Петербург, 2001г., на X Международной конференции «Математика. Экономика. Образование» г. Ростов н/Д, 2002 г., на третьем Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике, г. Москва, 2002 г., на научно-практической конференции «Безопасность движения на железнодорожном транспорте», г. Ростов н/Д, 2002 г., на 2-й межведомственной научно-практической конференции «ТелеКомТранс-2004», г. Сочи, 2004 г., на П-м и Ш-м Международном научно-практическом семинаре «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте», г. Москва, 2003 г., г. Коломна, 2005 г.

Важным аспектом апробации материалов исследования является включение их в разрабатываемые системы КСАУ СП и КСАУ СС (см. Акт приемочной комиссии № Р/9449 от 01 октября 2003 года, рассмотревшей опытный образец комплексной системы автоматизированного управления сортировочным процессом КСАУ СП).

Разработка темы осуществлялась на основании Постановления коллегии № 23 от 25-26 декабря 2001 года.

Результаты научных исследований составляют содержательную основу гранта РФФИ, проект № 04-01-00277: «Развитие теории представления и обработки нечеткой информации и знаний, отражающих динамику процессов в слабо формализованных задачах принятия решений».

Внедрение результатов исследования осуществлено на станциях Бекасово Московской железной дороги, Тайшет Восточно-Сибирской железной дороги, Инская Западно-Сибирской железной дороги, Красноярск Красноярской железной дороги.

По результатам исследований опубликовано 59 работ, из них 3 монографии, 34 работы в центральной печати, без соавторов - 17 публикаций. Общий объем авторских публикаций 38,2 п.л.

Структура работы. Диссертация имеет традиционную структуру. Она содержит введение, пять глав, состоящих из 23 параграфов, заключения, списка использованной литературы, содержащего 188 наименований и приложения. Общий объем работы 336 стр.

Подобные работы
Кузнецов Леонид Петрович
Разработка принципов и формализованных методов построения эргатических систем управления технологическими процессами на сортировочных станциях и участках железных дорог
Яковлева Галина Леонтьевна
Исследование и разработка автоматизированных систем прогнозирования на основе методов теории нейронных сетей
Вахромеев Олег Сергеевич
Управление диагностическими комплексами судовых средств автоматизации на основе комплексного метода
Тимофеев Дмитрий Юрьевич
Автоматизация и управление процессом стружкодробления на основе предварительного термического воздействия на обрабатываемый материал
Шведов Николай Георгиевич
Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы
Крюков Игорь Иванович
Автоматизация и управление процессами проектирования и производства специальных кварцевых оптических волокон
Попов Дмитрий Иванович
Комплексная автоматизация и управление процессами аттестации персонала промышленных предприятий
Мырзин Глеб Семенович
Автоматизация и управление процессом технического обслуживания системы технологических трубопроводов
Касьянов Юрий Васильевич
Автоматизация и управление технологическим процессом ректификации КССЖ в производстве спирта
Левыкин Михаил Павлович
Автоматизация и управление технологическими процессами многономенклатурного производства специализированной обуви

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net