Цифровой двойник для железнодорожных станций

Заказчик
Куйбышевская железная дорога – филиал ОАО "РЖД"
Руководитель проекта со стороны заказчика
ИТ-поставщик
ТРАНССИСТЕМОТЕХНИКА
Сроки выполнения проекта
Январь, 2017 – Октябрь, 2019
Масштаб проекта
27 580 человеко-часов
415 автоматизированных рабочих мест
Цели

Ключевым звеном грузовых железнодорожных перевозок являются сортировочные станции.

Сортировочные станции работают совсем иначе, чем обычные станции, на которых происходит погрузка-выгрузка вагонов и маневровая работа по отцепке вагонов. Задача сортировочных станций - ускорение продвижения вагонов к станциям назначения. Достигается это путем объединения разрозненных вагонов в маршрутные поезда, которые потом проезжают без остановки множество промежуточных станций. В отличие от участков и перегонов, на сортировочной станции вагоны в основном стоят (около 10 часов), а перемещаются сотрудники станции и информация. 

Диспетчер на станции должен контролировать множество последовательно-параллельных процессов, от его действий зависит будет ли станция работать "поточно" - когда вагоны своевременно перемещаются по этапам технологических процессов. Для этого ему нужно анализировать действия сотрудников, следить за событиями, происходящими на станции, и вовремя принимать управленческие решения.

Задача нашего проекта - создать "цифрового двойника" станции, чтобы еще до прибытия поезда на станцию у диспетчера был достоверный пооперационный список действий, которые необходимо выполнить с вагонами в поезде, чтобы максимально быстро отправить их со станции.

Уникальность проекта

"Машина времени" для сортировочных станций. Имитационное моделирование собирает множество данных из эксплуатационных систем РЖД и рассчитывает плановые операции с каждым вагоном, поездом и локомотивом на 12-часовую смену вперед.

У диспетчеров появляется «Цифровой двойник" станции, который позволяет оценить развитие текущей ситуации, ее влияние на простои поездов, получить автоматический план отправления поездов с подвязкой локомотивов и бригад.

Для доставки плана исполнителям используется интерфейс похожий на "Яндекс. Навигатор" во взаимодействии с мобильными рабочими местами (МРМ).
Использованное ПО

·         Имитационное моделирование реализовано как самостоятельное Java приложение.  

·         База данных  Oracle 11g ЕЕ 

·         Сервер приложений Oracle Application Server 10g

·         Серверное программное обеспечение - Java, Spring, MyBatis, Oracle Pl/SQL, IntelliJ IDEA 2019.3

·         Клиент - web, JavaScript, интерфейс самостоятельно рисуется на HTML5 Canvas. Мобильные рабочие места на Android 

·         Confluense, Jira, Adobe XD, Adobe Illustrator


Сложность реалиазации
Взаимное влияние станций

Первые попытки сделать систему планирования для станций предпринимались нами еще в 2003 году. Планирование работы станции - это существенная часть эксплуатационной работы, и собственно вся информатизация на станциях проводилась с целью повышения качества и точности планирования. Для этого использовался аналитический подход. Зная нормативные времена обработки поездов на станции, зная список поездов и вагонов в подходе, можно по аналитическим формулам просуммировать все задержки и получить примерное время готовности составов. Но оказалось, что станции влияют друг на друга. При планировании по формулам качество планирования снижается со временем, потому что не учитывается прибытие поездов с соседних станций. Для того чтобы получить план на 6 часов для одной станции, нужно выполнить планирование на 6 часов на всех станциях в 6 часовом радиусе подхода, затем выполнить взаимное слияние прибытий поездов, и выполнить планирование повторно. А если 12 часов?
Имитационное моделирование избавлено от этих недостатков. Планируется не единственная станция, а одна или несколько дорог с учетом времен хода, расписания и ремонтных работ на перегонах. Естественным образом учитывается взаимное влияние соседних станций, мелких и крупных. Вагоны на сортировочных, участковых, грузовых станциях обрабатываются в общем цикле по технологическим процессам. Каждый вагон знает свой путь.

Оцифровка технологии

Однако, для того чтобы имитационно смоделировать железнодорожный полигон (фактически всю дорогу), необходимо перенести в модель всю применяемую в РЖД технологию, со всеми нюансами, ограничениями и противоречиями.
Этот процесс занял годы, в течение которых наши разработчики бились над повышением качества планирования, уточняли алгоритмы в соответствии с технологией работы железных дорог. Настоящий прорыв произошел в 2019 году, в рамках этого проекта, когда мы обнаружили, что технология, которую мы реализуем, является хорошо забытой старой технологией планирования станций, применяемой на Куйбышевской дороге в 1940-1950 годах во время Стахановского движения. Конечно, тогда не было компьютеров, и все действия выполнялись станционными командирами на бумаге, вручную. В процессе было задействовано огромное количество людей.

Взаимодействие со смежными системами

Хотя проект использует модель данных АСУ СТ (Управление станциями), ее данных для имитационного моделирования оказалось недостаточно. Поэтому пришлось собрать данные со всех линейных эксплуатационных систем РЖД (ГИД УРАЛ, АСУ Т, АСОУП, АПК ЭЛЬБРУС, АСОВ ПФ, АСУ ВОП2, АС АПВО и тд) и привести их в единую каноническую модель.
Описание проекта

В фантастическом триллере «Исходный код» главный герой снова и снова пытается спасти поезд от аварии. Оказывается, он подключен к инновационной вычислительной системе «Исходный код», которая на основании мельчайших данных воссоздает поминутно день аварии, действия и поступки каждого человека. Главный герой находится внутри симуляции и у него есть только 8 минут чтобы изменить ход событий...

Аналогичная технология используется в настоящее время на станции Кинель для сокращения постоев вагонов и автоматического планирования локомотивных бригад.  Технически это подсистема АСУ СТ (Управление станциями), но среди движенцев прижилось название «Полиграф». 

Система  «Полиграф»  содержит модуль имитационного моделирования, в котором на основании данных от систем применяемых для организации перевозок (ГИД Урал, АСУ СТ, АСОУП2, Эльбрус) для каждого вагона, локомотива и бригады выполнятся предиктивный просчет их перемещений по станциям и участкам в будущем, на 24 часа вперед. Таким образом можно как будто заглянуть в будущее и понять какой именно будет ситуация на станции. Результатом работы модулей является множество графиков технологической обработки поездов, вагонов и локомотивов - отсюда и название системы.

Полученный результат прогнозирования используется для решения трех задач:

Планирование отправления поездов (ПиКОП)

Грузовые поезда, отправляемые со станции Кинель в сторону Сызрани, могут двигаться тремя маршрутами: через город Самару по главному ходу, через южный ход и через станцию Жигулевское море. У каждого из вариантов есть свои ограничения и весовые нормы. При обычном планировании станционный диспетчер должен мысленно прикинуть темпы образования новых поездов на станции, распределить их на три направления по «точкам отправления», на каждый поезд подобрать локомотив, заказать его в депо, а к локомотиву найти локомотивную бригаду. С приходом «эры Полиграфа» участие человека в организации процессов сведено к минимуму. Система сама в автоматизированном режиме планирует подвязку поездов, локомотивов и локомотивных бригад, и сама выполняет их заказ. От диспетчера требуется только нажать на кнопку обновления данных на экране компьютера.

Для того, чтобы обеспечить идентичность принимаемых решений, в «Полиграф» в этом году были добавлены «Цифровые двойники» станционного диспетчера и дежурного по депо. Для этого в течение последнего полугода систему обучали и настраивали, ежедневно выполняя сверку результатов планирования человека и машины. В будущем «цифровые двойники» будут создаваться с использованием искусственного интеллекта.

Сокращения простоев вагонов и выполнения сроков доставки

Сортировочная станция Кинель представляет собой огромную фабрику, которая ускоряет продвижение вагонов путем группировки их в экспресс-поезда, следующие до станции назначения без остановки. Но у этого ускорения есть цена - ожидание накопления, момента когда на выделенном пути соберутся однотипные вагоны. Как и в первом случае, для оценки будущих простоев вагонов диспетчеру нужно проделать много ручных операций - для десятка поездов в подходе к станции открыть список вагонов, оценить их вхождение в план формирования и т.д.  С использованием  «Полиграфа» затраты времени сократились до секунд.

На основании моделирования система оценивает прогнозное время простоя всех вагонов на станции, определяет моменты, когда вагоны пройдут сортировочную горку, моменты завершения накопления, выставки состава в парк отправления и отправления составов. Результат выдается диспетчеру в наглядном виде. В случае, если прогнозные простои превышают норму, то есть создают риск срыва сроков доставки, диспетчер, зная взаимосвязь операций, может принять меры по ускорению обработки вагонов (сдваивание поездов, объединение попутных назначений, подвод замыкающих групп). Эти меры будут учтены при следующей симуляции.

Навигатор для сортировочной станции.

До этого все рассмотренные задачи были связаны с процессом отправления поездов, как с наиболее сложным и важным процессом работы станции. Пора еще глубже интегрировать имитационное моделирование в контур работы станции.

Почти все описанные ранее решения, кроме ПиКОП, предполагали, что персонал станции работает привычным образом, а планирование работает параллельно и дает оценку количества поездов, их характеристики. А дальше уже на усмотрение диспетчеров - следовать этому или нет. Это, как если бы водитель в "Яндекс.Навигаторе" построил маршрут в центр, а сам поехал дворами. Где то срезал, где то нарушил правила. И в навигаторе у него постоянно "пересчет маршрута. пересчет маршрута".

Как сделать так, чтобы все работали по сформированному плану?

Для этого в составе системы появился интерфейс, который директивно определяет порядок работы всех сотрудников станции. Как в "Яндекс. Навигаторе" есть информация о следующем повороте и его времени, так и у нас есть интерфейс  "Функциональный навигатор", который для каждого сотрудника дает список операций, их времена. Прямо из этого интерфейса диспетчер может распределить задания (наряды) по сотрудникам, и они сами будут отправлены им на смартфоны, на мобильные рабочие места (МРМ). 

Функциональный навигатор отслеживает времена и последовательность выполненных операций и сам автоматически определяет нарушения в случае срыва сроков выполнения.
География проекта
В настоящее время полный функционал системы применяется на станции Кинель Куйбышевской железной дороги, одной из крупнейших сортировочных станций на сети. Однако охват системы не ограничивается одной станцией, в ее зоне действия весь грузовой узел вокруг Кинели - подходы со стороны Демы и Сызрани, стык с Южно-Уральской железной дорогой и грузовые станции в районе Тольятти.
Дополнительные презентации:
RailDigitalTwin.pdf
Коментарии: 4
  • Александр Реут
    Рейтинг: 71
    ГЛАВУПДК ПРИ МИД РОССИИ
    Директор департамента информационных технологий
    05.11.2019 12:31

    День добрый! Крайне интересно! А как реализовали динамическое моделирование? Использовали AnyLogic? Если нет - то почему, какие были причины? У них вроде есть даже спец. библиотека под РЖД.

  • Denis Evdokimov
    Рейтинг: 15
    ООО НТЦ ТРАНССИСТЕМОТЕХНИКА
    Руководитель направления
    05.11.2019 13:16

    Вы не поверите)). Мы действительно сначала, в 2010 использовали AnyLogic и их специальную библиотеку. Но там получается что нужно описать в проекте каждую значимую станцию а их около тысячи. Сначала мы пошли и этим путем, но в какой то момент стало проще написать свой движок имитационного моделирования, чем допиливать AnyLogic. Но логика у нас осталась та же, есть граф транспортной сети, есть станции, и есть engine с таймером, который опрашивает граф и станции, а они внутри двигают объекты по правилам.
    Спец библиотека она хороша для старта, там красивая визуализация. Но модель аттрибутов у объектов не полная, многих параметров не хватает. И если описывать технологические процессы через их редакторы то они получаются крайне запутанные, и кроме автора модели их никто не может сопровождать. Мы пошли по пути копирования инструментов\интерфейсов принятых на жд, а уже потом данные оттуда погружали в модель.

  • Алексей Степанов
    Рейтинг: 272
    Нет
    Независимый эксперт
    24.12.2019 11:17

    Интересное описание проекта. Этим и подкупили )
    Серьёзно, презентация вообще образец для подражания!

  • Denis Evdokimov
    Рейтинг: 15
    ООО НТЦ ТРАНССИСТЕМОТЕХНИКА
    Руководитель направления
    18.01.2020 21:58

    Спасибо!

    Есть еще видео где начальник станции подробно рассказывает https://yadi.sk/i/FUyzzrOZUjLrkw

Предметная область
Отрасль
Управление