Транспортная инфраструктура сибирского региона:
Материалы четвертой всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 13-17 мая 2013 г.
Иркутск: В 2 т. Том 1. – Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2013. – С. 540-547.

 

В.А. Анисимов, В.В. Анисимов

Дальневосточный государственный университет путей сообщения,
г. Хабаровск, Россия

 

МНОГОЦЕЛЕВЫЕ РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ИСКРА И ЭРА:
КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОЕКТНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗАДАЧ

 

Отличительной особенностью многих производственных задач, связанных с проектированием, содержанием и эксплуатацией железных дорог, является необходимость комплексного подхода к их решению. Как правило, исходная задача может быть разбита подзадачи (этапы) меньшего уровня сложности, для которых характерны:

- трудоемкость расчетов;

- необходимость проработки альтернативных вариантов решения;

- технологическая взаимосвязь между подзадачами, когда результаты решения одних являются исходными данными для других;

- привлечением к решению подзадач специалистов разных подразделений (служб, отделов, групп).

Необходимость достижения поставленных целей в сжатые сроки с обеспечением требуемого уровня качества обуславливает автоматизацию отдельных этапов и/или всей технологической цепочки решения задачи.

В последние десятилетия в области железнодорожного транспорта достигнут значительный прогресс в разработке методов и программ оптимизации отдельных технических решений. Вместе с этим следует отметить отсутствие программного обеспечения в части разработки и обоснования комплексных решений по оптимизации транспортной триады, на которую работает любой участок (линия, магистраль) железнодорожной сети:

«Масса – Скорость – Пропускная способность»

с наименьшими затратами на перевозки при безусловном освоении требуемых объемов. В частности, нет такого обеспечения, которое бы позволило в короткие сроки выбрать или целенаправленно сформировать схему (стратегию) повышения пропускной и провозной способности железнодорожной линии (направления) или отдельной крупной станции в виде единого плана переустройства или модернизации сооружений и устройств объекта проектирования.

Достигнутые результаты относятся к способам оптимального решения важных, но частных проектных задач, т.е. являют собой примеры локальной оптимизации и автоматизации отдельных проектных процедур.

Интенсивный подход состоит в глобальной (системной) автоматизации проектирования, основанной на математических моделях и методах оптимизации проектных решений и современных информационных технологиях.

В связи с этим, программно-технические комплексы ИСКРА и ЭРА были изначально запроектированы как расчетно-аналитические системы, позволяющие выполнять весьма трудоемкие, разнородные, но технологически связанные операции на единой информационной основе. Реализованные в них современные математические модели и методы по большей степени не имеют аналогов, но в тоже время отвечают всем требованиям нормативных документов (приказам, инструкциям, руководствам и т.п.). В разработке систем в качестве консультантов активное участие принимали ведущие специалисты отрасли, в т.ч. авторы соответствующих нормативных документов.

Комплекс ИСКРА (Интегрированная Система Комплексных Расчетов и Анализа движения поездов) является типовым (обязательным для решения определенных задач) и с 1993г. используется на всех железных дорогах России, ЦД и ЦП ОАО «РЖД». Он автоматизирует большинство трудоемких расчетов, выполняемых в ходе разработки графика движения поездов. В частности обеспечивает подготовку, оценку и обоснование допускаемых скоростей к графику движения поездов, тяговые расчеты и определение интервалов движения поездов.

Комплекс ЭРА (Экспертиза, Расчет и Анализ) в основном ориентирован на решение задач, связанных с проектированием новых и реконструкцией существующих железных дорог. Он имеет расширяемую модульную клиент-серверную архитектуру и значительно шире комплекса ИСКРА по функциональным возможностям (расчеты пропускной способности перегонов и станций, проверка расстановки светофоров автоблокировки, формирование стандартных чертежей в формате AutoCAD по результатам расчетов и т.д.).

Рис.1 - Состав комплекса ЭРА

В состав комплекса ЭРА входят следующие модули (подсистемы).

ТЭП (Технико-Экономические Показатели) – вариантные тягово-энергетические и технико-эксплуатационные расчеты движения отдельных поездов или поездопотоков по участкам дорожного полигона. Метод тяговых расчетов, реализованный в модуле ТЭП, позволяет максимально точно определять показатели движения поездов и существенно повысить точность определения потерь времени хода и скорости, а также дополнительных затрат топлива (энергии) и эксплуатационных расходов от действия ограничений скорости. В качестве примера можно привести обоснование времени хода движения высокоскоростного электропоезда «Сапсан» на участке Москва – Санкт-Петербург длиной 650 км. Сравнение времен хода, полученных по программе, с результатами опытных поездок дало расхождение 0.3 мин – в прямом направлении и 1 мин – в обратном направлении движения.

ОРК (Оптимальные Режимные Карты) – разработка оптимальных режимных карт и нормирование топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов. Уникальный метод определения траектории движения поезда позволяет в качестве критерия оптимизации использовать минимум затрат топлива (электроэнергии), эксплуатационных расходов на передвижение поездов или механической работы – по указанию пользователя.

СВ (Скорости и Возвышения) – расчеты допускаемых скоростей движения подвижного состава и возвышений наружного рельса в кривых, формирование проекта приказа об установлении допускаемых скоростей движения поездов и типовых форм к графику движения поездов. Модуль СВ обеспечивает анализ обоснованности действующего приказа и установление резервов повышения скорости по геометрии трассы и параметрам подвижного состава (совместно с модулем ТЭП).

В СВ реализована новая методика расчета возвышений наружного рельса в кривых на базе тяговых расчетов. Методика разработана д.т.н., профессором В.О. Певзнером и д.т.н. профессором Б.Е. Каменским (при участии авторов комплекса ЭРА).

ИРС (Интервалы и Расстановка Светофоров) – определение всех типов станционных и межпоездных интервалов, формирование базы элементов графика движения поездов (совместно с модулем ТЭП) и производство всех проверок расстановки светофоров автоблокировки, выполняемых на базе тяговых расчетов. По результатам расчетов автоматически формируются типовые ведомости станционных и межпоездных интервалов (ЦД 4, ЦД 4а, ЦД 4б и т.д.). Отличительной особенностью модуля ИРС является алгоритм расчета тормозных путей с учетом распределенной погонной нагрузки и повышения расчетного тормозного коэффициента поезда в процессе наполнения тормозных цилиндров. Это имеет принципиальное значение для обеспечения безопасности движения поездов.

ПСП – определение пропускной способности перегонов участков сети с увязкой рациональных схем пропуска поездов по смежным перегонам.

ППСС – определение пропускной и перерабатывающей способности станций, включая приемоотправочные парки, стрелочные горловины, сортировочные горки и вытяжные пути. Расчеты выполняются по действующей «Инструкции по расчету наличной пропускной способности железных дорог», а также по более совершенной методике, разработанной д.т.н., профессором Е. В. Архангельским. Результаты представляются в виде ведомостей по каждому типу устройств 1С - 7СА, а также сводных типовых форм 7ЦД, 14 ЦД и 15ЦД.

ПРО (Проектирование Развития Объединений) – формирование плана развития ремонтно-путевого комплекса (объединения баз) железнодорожного полигона и плана поставок продукции с баз в ареалы потребления по годам планового периода. Наукоемкой составляющей модуля является оптимизационная процедура формирования планов, базирующаяся на комплексном использовании метода частичного перебора, модифицированного алгоритма поиска контуров в графе Вейнблата и алгоритма решения транспортной задачи методом потенциалов.

Модули АС ТЭП и АС ИРС обеспечивают формирование чертежей по исходным данным и результатам расчета одноименных модулей в формате AutoCAD.

Уникальной особенностью комплекса является ведение и представление исходных данных, результатов расчета и отчетных форм в путейской и проектной системах исчисления километража. Требуемая система привязки указывается щелчком мышки в меню модулей. Так, если пользователь указывает «путейская», то с этого момента положение устройств будет «восприниматься» и распечатываться комплексом в путейской привязке. Соответственно положение устройств, элементов плана и профиля в таблицах данных и результатов будет показываться «путейским». Если пользователь укажет «проектная», то с этого момента привязка устройств и объектов участков дорог будет восприниматься и показываться комплексом, а значит и распечатываться в проектной системе.

Другой ключевой особенностью комплекса является вариантность ведения исходных данных и выполнения вариантных расчетов (например, вариантов переустройства участка или станции, допускаемых скоростей, расчета движения поездов и т.п.), с сохранением вариантов в базе результатов и возможностью их сравнения по технико-экономическим показателям.

Большинство из перечисленных выше модулей обладает встроенным графическим отображением исходных данных и результатов расчета. Это позволяет «строить» на экране масштабируемые чертежи, снимать с них требуемые показатели или выполнять сравнительный анализ вариантов расчета (проектных решений).

Все таблицы исходных данных и результатов расчета могут быть распечатаны на принтере или направлены в Microsoft Word, Microsoft Excel, LibreOffice Writer либо LibreOffice Calc. Эти возможности комплекса, наряду со специализированными модулями выдачи чертежей в формате AutoCAD, обеспечивают оперативную подготовку пояснительных записок и аналитических справок.

На рис.2 показана технология применения модулей комплекса ИСКРА и сетевой версии комплекса ЭРА при разработке графика движения поездов (ГДП). На нем отображены основные этапы решения задачи, используемые модули и ключевые результаты.

Рис. 2 - Разработка графика движения поездов

В конце 1990-х годов единая автоматизированная технология разработки ГДП отсутствовала. Часть расчетов вообще не выполнялась или делалась в ограниченных объемах с применением калькуляторов, электронных таблиц и т.п. (расчет допускаемых скоростей и интервалов движения поездов). Перегонные времена хода из программы тяговых расчетов в АРМ инженера-графиста (разработка ГВЦ ОАО «РЖД») переносились вручную.

Полуавтоматизированная разработка графика сопровождалась несогласованностью работы различных служб, несовпадением используемой для расчетов исходной информации, механическими ошибками при переносе данных и т.д. Так, при подготовке и защите в Департаменте пути и сооружений пакета допускаемых скоростей к ГДП основной целью службы пути дороги являлось постепенное повышение средневзвешенной допускаемой скорости. Отсутствие технико-эксплуатационной оценки принимаемых решений по повышению или снижению уровня допускаемой скорости на отдельных участках железнодорожного полигона нередко приводило к снижению средневзвешенной технической скорости по дороге, что, в свою очередь, противоречило основной цели службы перевозок.

С 2003 года на железных дорогах РФ стала использоваться сквозная технология разработки ГДП (см. рис.2). Несмотря на то, что на ряде дорог не все этапы выполнялись в полном объеме (например, оценка допускаемых скоростей на базе тяговых расчетов или расчет интервалов), указанная технология позволила значительно сократить сроки разработки графика и повысить качество принимаемых решений.

Использование единой информационной БД в комплексе ИСКРА, а также решение вопроса по автоматизированному переносу данных в АРМ инженера-графиста, позволили избавиться от проблем, характерных при применении набора программ, нестыкующихся между собой по форматам хранения данных.

На рис.3 отображена технология применения модулей комплекса ЭРА при проектировании новых и реконструкция существующих железнодорожных линий. Данная технология позволяет проектировщикам либо полностью решать поставленные перед ними задачи «под ключ» либо автоматизировать решение значительной доли из них. Первых три модуля, показанных на рис.3, давно и успешно используются проектными институтами в своей практике. Модули ПСП и ППСС позволяют выполнить оценку проектных решений с позиций ключевых показателей дороги - пропускной и провозной способности перегонов, а также пропускной и перерабатывающей способности станций.

Простота создания и ведения вариантов проектных решений позволяет в сжатые сроки выполнить весь комплекс расчетов по каждому из них и принять обоснованное решение.

Рис. 3 - Проектирование новых и реконструкция существующих железнодорожных линий

В настоящее время комплекс ЭРА используется в более чем 20 проектных институтах отрасли, в Латвии и Казахстане. Он применялся при разработке сотен проектов капитальных ремонтов пути, строительства новых и реконструкции существующих железных дорог, технико-экономическом обосновании планов перспективного развития железнодорожных магистралей, в т.ч. для обоснования высокоскоростного движения. Некоторые наиболее значимые проекты:

- обоснование вариантов высокоскоростного и скоростного движения по линиям Москва – Санкт-Петербург, Москва – Минск (участок Москва – Красное), Москва – Киев (участок Москва – Зерново), Москва – Центр Юг (участок Москва – Курск) и другим направлениям железнодорожной сети России (Ленгипротранс, Мосжелдорпроект, Гипротранссигналсвязь, Октябрьская ж.д. и др.);

- проект реконструкции Транскорейской магистрали Пхенган – Туманган (Дальжелдорпроект);

- строительство новой железнодорожной линии Полуночное – Обская – Салехард – Надым (Ленгипротранс);

- комплексная реконструкция участка Мга – Гатчина – Веймарн – Ивангород и железнодорожных подходов к портам на южном берегу Финского залива (Ленгипротранс);

- переустройство Сахалинской железной дороги на нормальную колею (Дальжелдорпроект);

- организация нового железнодорожного сообщения России с Китаем у с. Нижнеленинское (Дальгипротранс);

- реконструкция железнодорожной линии Комсомольск-на-Амуре – Советская Гавань (Дальгипротранс);

- организация железнодорожного пассажирского сообщения Балтийский Вокзал – аэропорт Пулково в Санкт-Петербурге (Ленгипротранс);

- организация интермодальных перевозок по участку Владивосток – Артем-1 – аэропорт Кневичи – подготовка к Саммиту стран АТЭС 2012 г. (Дальгипротранс);

- проект новой линии Адлер – Красная Поляна - развитие транспортной инфраструктуры к Олимпиаде в Сочи (ВНИИАС);

- концепция модернизации существующей железнодорожной инфраструктуры для организации транспортного обслуживания пассажиров в период проведения Чемпионата мира по футболу 2018 г. (Мосжелдорпроект).

В настоящее время комплекс используется при комплексном исследовании и получении научно обоснованных рекомендаций по увеличению транзитного потенциала Байкало-Амурской магистрали, выполняемой ДВГУПС в рамках Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России».

С подробной информацией о комплексах можно ознакомиться на сайте http://sites.google.com/site/isystemgdt.