Admin

Развитие комплекса системообразующих технических решений цифровой станции

Соколов В.Н.
Хатламаджиян А.Е.
Ольгейзер И.А.
Золотарев Ю.Ф.

Ключевые слова:
железнодорожная станция, цифровые интеллектуальные технологии, модели реального времени, системообразующая техническая платформа, системы автоматизации, цифровая станция, интеллектуальные технологии
 

Содержание

1 Введение 2 Принципы построения предлагаемой системообразующей технической платформы 3 Дальнейшее развитие проекта 4 Заключение 5 Список литературы

Введение

Применение современных прорывных информационных и интеллектуальных технологий киберфизических систем и индустрии 4.0 [1] на железнодорожной станции и, в частности, на сортировочной станции, как самой сложной части системы обслуживания грузопотоков, должно привести к резкому повышению производительности труда, сокращению эксплуатационных расходов, переходу на малолюдные технологии работы с одновременным повышением безопасности прохождения технологических процессов.

Реинжиниринг бизнес-процессов в рамках цифровой трансформации прежде всего опирается на автоматизацию существующих технологических процессов, роботизацию, электронный документооборот, формирование цифровых моделей объектов и процессов с переходом, в дальнейшем, к цифровым двойникам.
В развитие проекта «Цифровая железная дорога» в ОАО «РЖД» в 2018 году была разработана концепция «Цифровая железнодорожная станция». Концепцией определены направления развития и совершенствования работы станций за счет цифровой трансформации, подразумевающей комплекс мероприятий, призванных увязать технологические цепочки работы станции в единый сквозной технологический процесс.
Концепцией предусмотрен блок из 24 цифровых модулей, позволяющих реализовать в целом идею цифровой железнодорожной станции, используя как уже внедренные на сети автоматизированные и информационные системы, так и новые, разрабатываемые на основе инновационных технологий.
В целом, задачи цифровизации станции можно поделить на две взаимоувязанных группы: информационно-планирующие системы и контрольно-управляющие (обеспечивающие).
В информационно-планирующих системах реализуются бизнес-процессы управления работой станций, включающие в себя оперативное обеспечение документооборота, управление перевозочным процессом, оборотом вагонов, локомотивов, планирование составо-образования, движения поездов и т.п.
Для нормальной работы систем первой группы необходимо техническое обеспечение, предоставляющее объективный контроль реальной технологической ситуации, выполнение управляющих команд, контроль работы систем и устройств, обеспечение безопасности и т.п. Эти базисные функции обеспечиваются второй группой систем. Очевидно, что без реализации функционала систем «нижнего уровня» ожидаемого эффекта от внедрения цифровой железнодорожной станции не будет.
Центральной дирекцией управления движением ОАО «РЖД» реализуется проект на базе сетевой системы Цифровая железнодорожная станция (ЦЖС), позволяющий, наряду с используемыми системами управления станциями (АСУ СТ), оптимизировать работу станций за счет автоматизации и интеллектуализации процессов планирования и контроля выполнения.

Несмотря на свою инновационность, системы «верхнего уровня» управления станциями (ЦЖС, АСУ СТ) вынуждены использовать данные ручного ввода информации о выполнении технологических операций, что вносит значительные искажения в формируемые показатели и ограничивает эффективность автоматизированного планирования работы станции.
АО «НИИАС» имеет многолетный опыт разработки сложных технико-технологических автоматизированных систем, выполняющих различные функции управления, безопасности, контроля и измерения. Также, институтом разработаны сложные комплексные информационно-управляющие системы. Благодаря наличию большого числа наработок и уникального опыта, сотрудникам института удалось создать ряд автоматизированных систем, выполняющих базисные функции в реализации концепции «Цифровая железнодорожная станция» - обеспечение информационно-планирующих систем (ИПС) объективной информацией о состоянии объектов и субъектов управления работой станции в реальном времени в автоматическом режиме (дислокация подвижных единиц, работников, фиксация технологических операций и пр.), а также управление технологическими процессами (КСАУ СП, ПГИ, МАЛС).
В настоящий момент на решающих узловых станциях сети дорог ОАО «РЖД» согласно утвержденной «Актуализированной схемы размещения и программы развития сортировочных станций, с учетом развития вспомогательных к ним (технических, предузловых) станций» и ее подпрограммы «Цифровой сортировочный комплекс» ведется проектирование и внедрение модулей цифрового сортировочного комплекса (ЦСК), к которым относятся:

• •Интегрованный пост автоматизированного приема и диагностики подвижного состава на сортировочных станциях ППСС;
• • Комплексная система автоматизации управления сортировочным процессом КСАУ СП;
• • Маневровая автоматическая локомотивная сигнализация МАЛС;
• • Интерактивный пульт КСАУ СП[4];
• • Автоматизация маневровых передвижений по горке;
• • Автоматизированное заграждение/закрепление в парках станции;
• • Расширенный обмен информацией с АСУ станции;

Реализация пилотного проекта ЦСК и ЦЖС наглядно продемонстрировала необходимость в комплексной обеспечивающей технической платформе, без которой невозможно прорывное развитие работы станций.
Анализ функционального наполнения разработанных АО «НИИАС» автоматизированных систем и робототехнических комплексов (РТК) показал, что реализация 18 из 24 модулей, определенных концепцией «Цифровая железнодорожная станция», реализуются на основе системообразующих технических решений, разработанных институтом.
Следуя комплексному подходу, АО «НИИАС» удалось повысить эффективность работы каждой системы за счет взаимной увязки внедряемых модулей и оперативного обмена технологической информацией, что позволило расширить функциональные возможности и качественные характеристики работы ЦСК в целом (табл.1).


Практическая реализация интеграции основных системообразующих технических решений на базе разработок АО «НИИАС» позволяет создать техническую платформу, которая обеспечит обобщение исходной информации от всех действующих на станции систем автоматизации и централизации, проверку ее на непротиворечивость, устранение избыточности информации и формирование в реальном времени текущей поездной и вагонной модели сортировочной станции на основе данных «от колеса». Получаемый синергетический эффект от данного подхода подтверждает необходимость развития в этом направлении, поскольку напрямую влияет на показатели работы не только отдельных станций, но и сети в целом за счет наполнения достоверной информацией сетевых информационных ресурсов ОАО «РЖД».
В настоящей работе описаны основы концепции разрабатываемой системообразующей технической платформы, а также представлены примеры новых технических решений, основанных на алгоритмах машинного обучения, для повышения достоверности получаемых данных.

Принципы построения предлагаемой системообразующей технической платформы

Цифровая станция должна обеспечить комплексную автоматизацию управления и контроля технологических процессов, состояния станционной инфраструктуры в реальном времени на основе интеграции систем низовой автоматики и исключения ручного ввода информации. Цифровая станция за счет ведения динамической цифровой модели станции позволит строить график исполненной работы (ГИР) станции только по фактическим данным, формировать и актуализировать планы работы станции в режиме реального времени.
Исходя из этого, системообразующая техническая платформа должна строиться на следующих принципах [6]:

• • покрытие станционных парков устройствами контроля, обеспечивающими возможность ведения достоверной цифровой модели станции;
• • непрерывный мониторинг состояния всех устройств, механизмов, подвижных единиц посредством интернета вещей, технического зрения, создания алгоритмов предсказательной диагностики по прогнозируемому технико-технологическому обслуживанию объектов инфраструктуры, добавления в сеть системы персонала станции;
• •непрерывное ведение цифровой модели станции на нескольких уровнях - график исполненной и планируемой работы, фактическое состояние напольных устройств, расположение подвижного состава, расположение локомотивов, расположение персонала.

Реализация вышеуказанных принципов в той или иной степени самостоятельно, либо в увязке с другими модулями цифрового сортировочного комплекса, а также с информационными системами верхнего уровня (ЦЖС, АСУ станции), осуществляется системой контроля и подготовки информации о перемещениях вагонов и локомотивов на станции в реальном времени СКПИ ПВЛ РВ. СКПИ ПВЛ РВ разработана специалистами АО «НИИАС» на основе многолетнего опыта автоматизации сортировочных процессов на решающих станциях сети дорог ОАО «РЖД».
Целями разработки системы СКПИ ПВЛ РВ являются:

• • Построение единой системы фиксации событий на станции в режиме реального времени, не зависящей от конкретного типа систем низовой автоматики и напольного оборудования.
• •обеспечение АСУ станции и других информационно-планирующих систем (ИПС) достоверной информацией о фактических передвижениях подвижного состава, времени начала и окончания технологических операций на станции по реальным данным.
• Эти цели в системе реализуются за счет:
• • сбора информации от систем низовой автоматики и АСУ ТП станции;
• • отслеживания и фиксации передвижения подвижного состава на станции;
• • передачи в ИПС информации об изменении состояния и накопления в парках станции;
• • передачи в ИПС информации о начале и завершении технологических операций в парках станции;
• • отображения текущей дислокации подвижного состава на экранах АРМ (в том числе удаленных) и на табло коллективного пользования оперативно-диспетчерского персонала станции;
• • протоколирования зафиксированных передвижений подвижного состава по станции;
• • протоколирования сообщений при обмене с другими АСУ;
• •диагностирования постовых и напольных устройств СЦБ станции.

Фактически, в настоящее время СКПИ ПВЛ РВ является не только самостоятельной системой сбора и обработки информации от устройств низовой автоматики, но и агрегатором информации от систем автоматизации и контроля отдельных зон станции (КСАУ СП, ППСС, системы контроля и управления заграждающими устройствами и т.д.).
С учетом большого количества уже существующих внедряемых систем автоматизации на станции и появляющихся новых технических средств, в рамках парадигмы интернета вещей и других интеллектуальных технологий Индустрии 4.0, естественным образом появляется необходимость развития СКПИ ПВЛ РВ до общей технической станционной платформы взаимодействия всех систем, устройств, подвижных единиц и персонала на станции в реальном времени посредством общей виртуальной «сети». К основным функциям такой системообразующей технической платформы можно отнести:

• • Ведение единой модели реального времени состояния всех напольных устройств на станции.
• • Ведение единой модели реального времени расположения всех подвижных единиц станции (вагон, локомотив, маневровая группа, состав). Модель должна включать информацию о типе, габаритах, состоянии подвижного состава по данным, полученным от ППСС, либо от других пунктов фиксации перемещения подвижного состава по станции.
• • Ведение единой модели реального времени расположения всего персонала станции, в том числе находящегося в опасных зонах, имеющего электронные средства контроля местоположения.
• • Обеспечение информационного взаимодействия между смежными подсистемами по общему универсальному протоколу взаимодействия за счет информации из модели реального времени.
• • Возможность добавления новых устройств, персонала и систем в общую «сеть».
• • Передача данных о перемещениях перерабатываемого вагонопо-тока и маневровых локомотивов, а также о состоянии напольных устройств в систему верхнего уровня для формирования плана работ и графика исполненной работы по данным «от колеса».
• • Сохранение всей поступающей информации в базу данных.
• • Работа с большими данными по накопленной статистике для анализа узких мест и возможных резервов в использовании оборудования.
• • Диагностика и выдача рекомендаций по необходимому техническому обслуживанию и очередности выполнения тех или иных технологических процессов.

Реализация вышеуказанных функций с высоким уровнем готовности технологий реализована специалистами АО «НИИАС» в процессе внедрения комплекса систем на станции Челябинск-Главный в 2020 году в рамках выполнения инвестиционной программы «Цифровой сортировочный комплекс».
Для реализации и развития функций системообразующей технической платформы специалистами института разработаны и разрабатываются научная основа и ряд дополнительных взаимоувязанных технических решений.
Построение цифровой модели дислокации подвижных единиц на станции в СКПИ ПВЛ РВ реализовано за счет интеллектуального взаимодействия сигналов напольных устройств (счетных точек на базе датчиков счета осей и видеораспознавания, рельсовых цепей), нейросетевых алгоритмов распознавания изображений от специализированных видеокамер и комплексирования полученной информации с другими имеющимися источниками информации от смежных систем и устройств, а также данными от информационных систем о планах по перестановке вагонов, натурных листов и т.п.
Использование алгоритмов глубокого обучения[7] и механизмов параллельных вычислений [8] обеспечивает обработку данных и их передачу в центральный модуль управления в реальном времени. Отличительной особенностью разработанных нейросетевых алгоритмов является одновременное детектирование нескольких показателей - автосцепок, осей и номеров подвижного состава. При этом, за счет взаимодействия каждой счетной точки с общей станционной моделью размещения подвижного состава и комплексиро-вания данных от различных источников, достигается очень высокая точность идентификации подвижных единиц, достаточная для ведения достоверной модели, при минимально необходимом составе оборудования.

Важным шагом в развитии СКПИ ПВЛ РВ является использование разработанных АО «НИИАС» беспроводных датчиков счета осей СМАРТ.СО, позволяющее кардинально снизить затраты на внедрение системы, а также обеспечить возможность изменения конфигурации системы и расстановки счетных точек, не требующих дополнительных затрат.

Дальнейшее развитие проекта

Модель реального времени по размещению подвижных единиц на станции и по состоянию напольных устройств с достоверной информацией «от колеса» позволит на порядок повысить качество планирования выполнения технологического процесса в информационных системах верхнего уровня (ЦЖС, АСУ СТ) с учетом реального состояния и прогноза необходимости обслуживания инфраструктуры.
Только в случае реализации основных функций системообразующей технической платформы на станции, указанных выше, станет возможным реализация алгоритмов микропроцессорной централизации с возможностью автоматического исполнения программы маршрутных заданий любого размера. Это, в свою очередь, позволит, решить задачу создания интеллектуального автомата, способного заменить человека при подготовке и проверке маршрутов приема-отправления поездов.
Также, разрабатываемая техническая платформа для сторонних систем фактически превращается в цифровой двойник [9] станции. Это позволяет использовать технологии дополненной реальности: представлять прогнозируемые производственные результаты работы станции, т.е. предоставлять обслуживающему персоналу информацию о том, что будет на различных горизонтах планирования работ; отражать текущее и прогнозировать будущее состояние объектов инфраструктуры станции, например, остаточный ресурс работы компрессорной станции и время технического обслуживания.
Цифровой двойник, по мере накопления в своем составе элементов - цифровых копий устройств инфраструктуры, а также статистики их функционирования, за счет множества зафиксированных вариантов их взаимодействия становится в сущности полноценным носителем искусственного интеллекта.
Предлагаемая структура взаимодействия подсистем цифровой станции и системообразующей технической платформы будет выглядеть следующим образом (рис. 1).

Особенностью структуры инфраструктурного обеспечения цифровой станции является возможность добавления новых подсистем посредством подключения к технической платформе по единому протоколу информационного взаимодействия.
Принципиальной отличием предлагаемой структуры является то, что человек-оператор не сможет изменить физические параметры технологического процесса (изменение дислокации подвижного состава, контрольные сигналы начала/окончания технологических операций) при несоответствии предлагаемых изменений показаниям данных системы от технических устройств.

Заключение

В работе представлены основы концепции системообразующей технической платформы, которая позволит осуществить комплексную автоматизацию управления и контроля технологических процессов в реальном времени на основе слияния данных, получаемых от различных станционных устройств, с исключением влияния человеческого фактора.'

Список литературы

1. Долгий А. И., Колесников М. В. Стратегические приоритеты развития транспорта в России. Материалы Международной научно-практической конференции «Транспорт России: Проблемы и перспективы». ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук. 2017. С 66-69.
2. Хатламаджиян А. Е., Лебедев А. И. Интегрированный пост автоматизированного приема и диагностики подвижного состава на сортировочной станции. Вагоны и вагонное хозяйство. №2. 2019 г. С. 9-13..
3. Шабельников А.Н., Иванченко В.Н., Ковалев С.М., Лябах Н.Н., Соколов В.Н., Одикадзе В.Р., Сачко В.И. Системы автоматизации сортировочных горок на основе современных компьютерных технологий. Учебник для вузов железнодорожного транспорта. Под общей редакцией проф. А.Н. Шабельникова. - Ростов-на-Дону: НИИАС, РГУПС, 2010. - 436 с.
4. Аношкин В. В., Шабельников А. Н., Шипулин Н. П. Интерактивный горочный пульт. Автоматика, связь и информаика. 2020. №5.
5. Долгий А.И., Хатламаджиян А.Е., Меерович В.Д., Разработка автоматизированной системы повагонного моделирования на железнодорожной станции. Труды второй НТК с международным участием «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте. Компьютерное и математическое моделирование» (ИСУЖТ-2013).
6. Шабельников А. Н., Ольгейзер И. А., Рогов С. А. От механизации к цифровизации сортировочной станции. // Автоматика, связь и информатика. 2018. №1. С. 21-23.
7. Ronneberger O., Fischer P., Brox T. U-net: Convolutional networks for biomedical image segmentation //International Conference on Medical image com*Иванов**Иванов**Иванов**Иванов**Иванов*g and computer-assisted intervention. - Springer, Cham, 2015. - С. 234-241.
8. Sergeev A., Del Balso M. Horovod: fast and easy distributed deep learning in TensorFlow //arXiv preprint arXiv:1802.05799. - 2018.
9. Ольгейзер И. А. Цифровой двойник сортировочной горки. // Автоматика, связь и информатика. 2020. №1. С. 20-22

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК