Принципы построения имитационной модели железнодорожной станции

Рассматривается проблема построения имитационной модели железнодорожных станций, используемой для их расчетов. Отмечаются преимуществам имитационного моделирования перед другими методами расчета сложных объектов. Обосновывается возможность построения универсальной программы автоматизированного создания имитационных моделей, пригодной для станций с любой структурой и технологией работы.

К настоящему моменту времени сложилось достаточно большое количество методов решения задач, возникающих на железнодорожном транспорте.

Можно выделить четыре критерия, которым должен удовлетворять метод расчета таких сложных систем, как железнодорожные станции:

  • хорошо отображать схему путевого развития станции, поскольку схема -качественная характеристика станции, существенно влияющая на ее количественные показатели;
  • отображать технологию работы, т.к. она может не соответствовать схеме путевого развития, а взаимодействие технологии работы и схемы путевого развития влияет на показатели работы;
  • реагировать на случайные процессы;
  • учитывать управление в системе, поскольку выбор управляющего воздействия на систему зависит от реального ее состояния в данный момент времени.

Многие сложившиеся к настоящему моменту методы расчета не учитывают или учитывают не в полной мере все вышеуказанные критерии.

В последнее время все большее распространение как метод исследования железнодорожных станций получает имитационное моделирование

Первые имитационные модели транспортных систем были предложены В.А. Персиановым и Н.С. Усковым [1]. К.К. Талем была разработана методика моделирования для расчета показателей проектных решений по развитию станций и узлов [2], которая применялась при проектировании новых станций. К имитационному методу можно отнести и ряд работ [3,4,5], в которых предлагается использовать аппарат статистического моделирования в том случае, когда для решения конкретной задачи выведенные аналитические зависимости либо отсутствуют, либо дают недопустимую погрешность. По мнению известных авторитетов в области использования математических методов Е.С. Вентцеля и Н.Н. Моисеева, отличие от имитационного моделирования здесь заключается лишь в обработке и интерпретации результатов [6]. В настоящее время в области исследования железнодорожных станций имитационное моделирование продолжает активно развиваться.

Преобладающее использование имитационного моделирования объясняется тем, что оно позволяет создавать модели на основе частично формализованных знаний. Доля знаний такого характера в области железнодорожных транспортных систем, как указывалось выше, и сейчас остается довольно значительной.

K преимуществам имитационного моделирования перед другими методами расчета можно отнести:

  • возможность наиболее полного учета взаимосвязей, действующих в системе;
  • отображение влияния внутренней структуры на характер функционирования модели;
  • возможность неявного задания целевой функции и ограничений для сложной системы.

Однако имитационное моделирование обладает и недостатками, являющимися продолжением его достоинств:

  • значительные затраты времени и труда в процессе создания модели;
  • из-за отсутствия универсальных методик и правил процесс создания каждой новой модели во многом уникален;
  • сложность решения задач оптимизации, поскольку решение, полученное при расчете на имитационной модели, всегда носит частный характер.

Несмотря на преимущества перед другими методами расчета и анализа работы железнодорожных стаций, имитационное моделирование 30

(ИМ) к настоящему моменту так и не стало основным методом расчета на практике. По мере развития характеристик используемой при ИМ вычислительной техники появилась возможность реализовать имитационные модели весьма большой сложности.

В настоящее время основным средством описания моделируемого объекта являются специализированные языки моделирования, которые по своей структуре и возможностям близки к языкам программирования.

Использование языка моделирования возлагает на пользователя практически все операции по созданию имитационной модели – от получения данных о системе до составления программы, оставляя за ЭВМ только непосредственное проведение экспериментов. Практика показывает, что именно этот момент служит основой слабого распространения ИМ как метода расчета железнодорожных стаций на практике.

Ниже, на рис.1 показан процесс создания имитационной модели.

Являясь мощным средством для создания моделей, применение языков моделирования имеет ряд недостатков:

  • по мере увеличения сложности моделируемых объектов значительно возрастают трудность и затраты времени на построение моделей (формальное описание элементов моделируемой системы и взаимодействия между ними, составление алгоритмов работы модели и т.д.) и использование их для решения практических задач ( ввод данных в компьютер, анализ результатов) ;
  • зменения, вносимые в процессе исследования, требуют обычно весьма большой работы по перестройке модели;
  • опыт построения каждой новой модели во многом уникален и слабо переносим для моделирования других объектов;
  • от пользователя требуются некоторые специальные знания по программированию, формализации требуемой задачи и пр.

Эти обстоятельства заметно сужают сферу практического применения имитационных моделей сложных систем.

На рис. 1. цифрами обозначены:

  1. - получение данных о моделируемой системе;
  2. - анализ структуры и технологии работы системы;
  3. - статистический анализ данных;
  4. - представление структуры и технологии в терминах модели;
  5. - подготовка данных;
  6. - создание алгоритмов работы системы в терминах модели;
  7. - составление программы;
  8. - проведение экспериментов (расчет составленной программы модели, формирование результатов и т.д.);
  9. - анализ результатов расчета (переход к новому варианту модели);
  10. - использование результатов.

Языки моделирования являются мощным и эффективным инструментом создания имитационных моделей для определенного круга специалистов, решающих в большей степени научные задачи. Для обычных пользователей должны разрабатываться более простые средства создания моделей и общения с компьютером. На этапах построения и программирования моделей пользователь более всего нуждается в специальных программных средствах, которые должны легко настраиваться на предметную область, соответствующую задаче моделирования, допускать применение привычных терминов и приемов ее описания. Это подчеркивает необходимость создания средств 32

автоматизации имитационного моделирования, которые бы значительно уменьшали трудоемкость и время построения модели, а также снижали требования к подготовке пользователя до уровня его чисто профессиональных знаний и общих навыков работы на компьютере.

Исследования [16, 37] показывают, что железнодорожную станцию любой конфигурации путей, технологии работы и наличие тех или иных технических устройств можно представить в виде совокупности специальных элементов с параметрами их работы, записанных в определенной последовательности. Используемые для описания станции элементы делятся на две категории -логические и бункерные. Элементы каждой категории универсальны, т.е. способны описывать структуру и технологию любой станции. Отсюда появляется возможность построения универсальной программы автоматизированного создания имитационных моделей, пригодной для станций с любой структурой и технологией работы. Учитывая вышеуказанные недостатки имитационного моделирования, к такой универсальной программе должны предъявляться следующие требования:

  • различие моделируемых станций по составу и характеру работы не должно влиять на саму программу построения модели, а учитываться в исходных данных при построении модели;
  • исходные данные пользователь может задавать, оперируя со знакомыми ему понятиями - путь, перегон, локомотив, бригада ПТО и т.д.;
  • все процедуры обработки полученных программой исходных данных (представление структуры и технологии работы станции в элементах модели, построение операций, расчет и формирование результатов) должны быть скрыты от пользователя;
  • для отображения изменений в структуре станции или технологии работы пользователю достаточно в исходных данных изменить соответствующие параметры, т.е. не требуется кропотливая работа по правке самого текста модели;
  • результаты расчета модели должны выдаваться пользователю в удобной и понятной для него форме;
  • программа должна быть достаточно «интеллектуальной», т.е. предусматривать и реагировать на ошибки, которые может допустить пользователь при задании исходных данных и работе с моделью.

Изложенные требования позволяют заключить, что универсальная программа автоматизированного построения имитационных моделей должна, по крайней мере, осуществлять следующие функции:

  • ввод исходных данных для моделирования о структуре и технологии работы станции в удобной для пользователя форме;
  • преобразование полученных исходных данных к стандартному виду (например, к терминам языка моделирования или другой форме);
  • расчет полученной модели;
  • обработку результатов расчета.

Формализованные и запрограммированные заранее алгоритмы, выполняющие эти функции, избавят пользователя от достаточно трудоемкой и зачастую несвойственной ему задачи - описания станции на языке моделирования. Возможность быстрого внесения изменений в состав модели способно значительно увеличить оперативность получения результатов и использования их на практике. Если учесть, что модель, например, крупной сортировочной станции содержит порядка 600 элементов и составляет порядка 30000 строк текста, эти обстоятельства способны значительно расширить круг лиц, использующих имитационное моделирование в практической работе. Автоматизация всех процедур, необходимых для построения модели, расчета и формирования результатов, помноженная на возможности современной вычислительной техники, способно значительно увеличить оперативность имитационного моделирования как метода расчета станций.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Персианов В.А., Усков Н.С. Системо-технологические расчеты транспортных устройств методом моделирования.// Труды СоюздорНИИ, Вып.36, 1978. - 88 с.
  2. Руководство по расчету станций методом моделирования на БЭСМ-4. -М.: ЦНИИС, 1975.-180 с.
  3. Аккоф Р., Сасиени М. Основы исследования операций. - М.: Мир, 1971. - 354 с.
  4. Дятлов Н.В. Статистическая модель базовой системы обслуживания участковой станции.// Сб.научн.тр./Вопросы эксплуатации и экономики железных дорог./ М.: МИИТ, 1987. - С. 19-28.
  5. Статистические модели и многокритериальные задачи принятия решений. - М.: Статистика, 1989. - 184 с.
  6. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. - М.: Наука, 1991. - 488с.
Год: 2014
Город: Костанай