Имитационные методы расчета показателей и анализ работы станции на ЭВМ

Метод имитационного модели­рования заключается в многократно повторяемой имитации на ЭВМ станционных процессов с большей или меньшей степенью их детализа­ции. При этом собирается статисти­ческий материал по интересующим параметрам процесса. Формализа­ция исследуемого процесса заклю­чается в расчленении на элементарные акты, между которыми устанав­ливаются взаимосвязи, существую­щие в реальном процессе. Далее не­обходимо только воспроизвести в действии построенный моделирую­щий алгоритм, чтобы получить ин­тересующие свойства, характеристи­ки процесса в целом.

Использование имитационного моделирования особенно эффектив­но при исследовании таких сложных систем, в которых применение ана­литических методов создает серьез­ные трудности. Оно не имеет огра­ничений на сложность описываемых объектов – любой фактор функцио­нирования системы может быть уч­тен в имитационной модели. Су­ществуют несколько алгоритмов и программ для имитации станцион­ных процессов на ЭВМ.

Имитационное моделирование в станционной технологии позволяет решить ряд задач совершенствова­ния работы сортировочных станций: выявить элементы, ограничивающие пропускную и перерабатывающую способность сортировочных стан­ций, научно обосновать нормирова­ние простоя вагонов в подсистемах с расчленением простоев по всем элементам станционной технологии, оценить эффективность мер перспек­тивного развития станции и усовер­шенствовать их технологию.

Поскольку моделирование дает возможность «проигрывать» на ЭВМ различные варианты, легко определить их выгодность и устано­вить наиболее оптимальную после­довательность внедрения. К недо­статкам имитационного моделиро­вания следует отнести сложность разработки программы моделиро­вания, ее отладки и верификации (проверки соответствия модели ори­гиналу в имитации интересующих свойств объекта); необходимость значительных затрат машинного времени на получение результатов моделирования. Моделирование на ЭВМ принято считать основным ме­тодом анализа и расчета больших систем.

В результате имитации работы сортировочной системы модель должна в качестве выходных пара­метров выдавать не только значение простоев вагонов на различных эта­пах их обслуживания, задержки со­ставов в результате отказов подси­стем, но и значения управляющих переменных системы – горочного ин­тервала и интервала перестановки для одного маневрового локомоти­ва, а также коэффициентов загрузки элементов путевого развития и за­держки передвижений горочных и маневровых локомотивов по раз­личным видам враждебностей. Для этого необходимо обеспечить ими­тацию передвижений не только со­ставов, но и маневровых поездных локомотивов, а также отобразить в модели путевое развитие станции с определенными длинами элемен­тов (путей, вытяжек, секций).

Рассмотрим основы алгоритма и программы А.М.Жидкова, раз­работанные с использованием языка GPSS и предназначенные для де­тального анализа надежности и тех­нологии работы сортировочных си­стем.

Путевое развитие сортировочной системы представляется в виде сложной сети одноканальных при­боров обслуживания, соответствую­щих отдельным секциям, путям пар­ков, вытяжкам и тупикам. В этой сети циркулируют заявки различных видов: составы, поездные, маневро­вые локомотивы; при этом они мо­гут занимать сразу по нескольку приборов, соответствующих секци­ям и путям маршрута, по которому движется заявка. В этом заключает­ся одна из особенностей обслужива­ния заявок приборами данного вида. Освобождение приборов заявка осу­ществляет последовательно, через интервалы времени, соответствую­щие полному проходу всего состава или локомотива по секции, которой соответствует данный прибор. Воз­можность освобождения заявкой прибора такого вида определяется рядом условий: возможностью дальнейшего продвижения подвижной единицы по секциям, наличием под составом маневрового локомотива и готовностью состава по каналам ПТО и СТЦ, окончанием накопле­ния состава на пути ПФ и т.д.

Существует другой вид приборов обслуживания, условием освобожде­ния которых является истечение определенного времени. Это прибо­ры, имитирующие работу каналов ПТО и СТЦ. Основными объектами модели служат обслуживающие приборы (одноканальные и много­канальные). Различают алгоритмы (дисциплины) ожидания заявок в на­копителе и обслуживания заявок каждым обслуживающим прибо­ром. Неоднородность заявок, отра­жающая процесс в реальной систе­ме, учитывается с помощью ведения классов приоритетов.

Одной из задач реализации ими­тационного моделирования на ЭВМ является выбор языка для описания модели. Используются как универсальные и процедурно-ориентированные языки общего назначения, так и специализированные языки имитационного моделирования (ЯИМ). Основными языками, ис­пользуемыми для моделирования дискретных процессов, являются НЕДИС, GPSS, SIMSCRIPT, SIMU­LA. Наибольшее распространение получил GPSS. Он в большей сте­пени является макроязыком, чем остальные, и следовательно, его лег­че освоить.

Особенностью этого алгоритма является то, что он состоит из не­скольких фрагментов, взаимодей­ствующих друг с другом в процессе имитации. Каждый фрагмент ими­тирует передвижение определенной группы объекта: составов, прини­маемых в ПП и проходящих подго­товку к роспуску; горочных локо­мотивов (ГЛ), осуществляющих цикл передвижений в зоне подсисте­мы ВхУ-ПП-Г, составов, накап­ливающихся в ПФ и осуществляю­щих свое передвижение вплоть до отправления; маневровых локомотивов (МЛ), осуществляющих цикл передвижений в зоне подсистемы ВФ-ПО-ВыхУ; поездных локомо­тивов (ПЛ), выходящих из депо под составы в ПО. Несколько особняком стоит фрагмент, имитирующий по­явление ниток графика для каждого выходного участка, на которые от­правляются поезда из ПО.

Взаимодействие фрагментов в алгоритме отражает фактическое взаимодействие реальных объектов между собой. Например, надвиг со­става на горку может быть начат только при условии, что под состав заехал ГЛ, а окончание формирова­ния накопленного на пути ПФ со­става может начаться только при условии, что к этому составу по­дошел МЛ, равно как и отправление подготовленного состава может произойти только при наличии под составом ПЛ и наличии нитки гра­фика на соответствующий выходной участок.

В схеме алгоритма точки взаимо­действия фрагментов имеют услов­ные обозначения: точка •← озна­чает, что фрагменты вступают во взаимодействие (объекты стыкуют­ся, например, ГЛ стыкуется с соста­вом); точка о→ означает, что фраг­менты выходят из взаимодействия (объекты расстыковываются, или происходит ответвление какого-ли­бо процесса, например, после окон­чания обработки состава в ПО пода­ется заявка на подачу поездного ло­комотива под состав).

Следует отметить, что реальные объекты взаимодействуют не только непосредственно, но и косвенно, че­рез путевое развитие станции в зо­нах передвижения объектов. Это взаимодействие проявляется в фор­ме враждебностей, когда передвиже­ние одного объекта блокируется за­нятием соответствующей зоны пу­тевого развития другим объектом. Для имитации такого взаимодей­ствия в модели отображено путевое развитие станции в виде сложной сети взаимосвязанных одноканальных СМО.

Длины элементов, их взаимо­связь, а также средние скорости по­движного состава задаются исход­ными данными. Это обеспечивает достаточно адекватную имитацию процессов занятия и освобождения подвижным составом элементов пу­тевого развития, что дает возмож­ность оценить влияние задержек по враждебности на основные показа­тели работы подсистем.

В модели имитируется процесс распределения отцепов разных на­значений на пути ПФ и накопления составов, что дает возможность оце­нить вероятность остановки рос­пуска из-за заполнения путей ПФ и оценить влияние наличия дополни­тельных путей в ПФ на величину горочного интервала, простоя соста­вов в ПП и объем повторной пере­работки вагонов. Кроме того, име­ется возможность оценить влияние последующих подсистем на величи­ну горочного интервала.

Чтобы реализовать вышеуказан­ную имитацию, для каждого поезда, появившегося перед участком при­ближения к станции (УП), модели­руется длина состава и его разложе­ние по номерам назначений и дли­нам отцепов. Для этого в качестве исходных данных модели задаются число назначений плана формиро­вания, вероятность попадания каж­дого назначения в состав, средняя длина отцепа каждого назначения и функции ее распределения, а также средняя длина состава и функция ее распределения.

Рассмотрим алгоритм имитации (рис. 10.2 и 10.3). Моменты появле­ния поездов перед УП определяются интервалом прибытия и функцией его распределения. После появления поезда перед УП имитируется длина и разложение состава, после чего проверяется свободность УП, и по результату проверки поезд ожидает освобождения УП или занимает его. После занятия УП сразу же проверяется возможность входа поезда в ПП (наличие не менее двух свобод­ных путей в ПП и свободность вход­ных секций). Если возможности нет, имитируется торможение состава (соответствующим приращением времени подхода поезда к входному светофору). После появления воз­можности входа в ПП прекращается уменьшение скорости, и от достиг­нутого уровня имитируется ее уве­личение. Одновременно поезд зани­мает входные секции и путь ПП.

По истечении соответствующего времени (учитывается факт сниже­ния скорости перед входным свето­фором и стоянка) имитируется по­следовательное освобождение поез­дом УП и входящих секций ПП. На этом заканчивается имитация прие­ма поезда в ПП. Далее имитируется отцепка поездного локомотива от состава и его выход в депо через выходные секции ПП при условии их свободности, а также обслужива­ние состава каналами ПТО и ОТК. После готовности состава к роспус­ку он ожидает захода горочного ло­комотива. В данном месте фрагмен­та имитации приема поезда в ПП и роспуска (ИП СР) имеется точка начала взаимодействия с фрагмен­том имитации передвижных гороч­ных локомотивов (ИПГЛ). Следует отметить, что начало взаимодей­ствия фрагментов может быть и ранее, так как горочный локомотив может подойти под состав сразу по­сле прибытия его в ПП.

После «стыковки» инициатива по имитации дальнейших операций с составом переходит к фрагменту ИПГЛ, который имитирует опера­ции, предшествующие роспуску, и роспуск состава. Если в процессе роспуска возникает отказ ПФ, то имитируется ожидание распускав­шимся составом окончания повтор­ного роспуска, после чего продол­жается и заканчивается прерванный роспуск. Далее проверяется, нужно ли осаживание: если да, имитируется процесс осаживания, если нет – горка освобождается от роспуска.

Для определения дальнейшего передвижения горочного локомоти­ва, окончившего роспуск, проверяет­ся возможность отказа ПФ следую­щему роспуску путем пробного рос­пуска этого состава. Если ожидается отказ следующему роспуску, то этот горочный локомотив уходит под горку и ждет там отказа ПФ сле­дующему роспуску, после чего вы­таскивает вагоны с отсевного пути на горку, делает повторный роспуск, а закончив его, проверяет возмож­ность войти в ПП. Если ее нет, то

горочный локомотив ожидает ее по­явления, если есть-проверяет, по какому маршруту возможен заход: через путь надвига или объездной путь, после чего занимает маршрут и двигается в сторону ПП.

Придя ко входной горловине ПП, горочный локомотив проверяет возможность захода под состав и, если она есть, заходит под состав для последующего его надвига. Да­лее цикл повторяется.

В процессе имитации роспуска на одном или нескольких путях ПФ происходит завершение накопления составов, в эти моменты в фрагмен­ты имитации передвижений накоп­ленных составов (ИПНС) появляют­ся соответствующие заявки, имити­рующие накопленные составы. По­сле имитации ожидания подхода ма­неврового локомотива под состав следует точка начала взаимодей­ствия фрагмента ИПНС с фрагмен­том имитации передвижений манев­ровых локомотивов (ИПМЛ).

После «стыковки» инициатива по имитации дальнейшего передвиже­ния состава вместе с маневровым локомотивом вплоть до ввода со­става в ПО переходит к фрагменту ИПМЛ, который проверяет возмож­ность проведения операций по окон­чанию формирования накопленного состава (ОФ) и имитирует этот про­цесс с занятием соответствующих элементов путевого развития. Затем проверяется возможность переста­новки состава в ПО и, если таковая есть, имитируется перестановка со­става в ПО с занятием и последую­щим освобождением соответствую­щих элементов путевого развития по маршруту движения.

После имитации перестановки оканчивается взаимодействие фраг­ментов (точка 4), фрагмент ИПМЛ имитирует отцепку маневрового ло­комотива от состава, проверку ус­ловий прохода его из ПО на ВФ и осуществление самого прохода, за­тем проверяется возможность входа в соответствующую группу путей ПФ и осуществляется этот вход. На этом цикл передвижения маневрово­го локомотива заканчивается. Необ­ходимо отметить, что выбор мар­шрута на вытяжку и самой вытяжки осуществляется с учетом того, в ка­кой группе путей ПФ имеется на­копленный состав.

После окончания взаимодей­ствия с фрагментом ИПМЛ (точка 4) вновь активизируется фрагмент ИПНС и имитирует занятие соста­вом каналов ПТО и СТЦ по отправ­лению, обслуживание состава этими каналами и последующее их осво­бождение. Затем следует ответвле­ние процесса (точка 5): для имита­ции подачи поездного локомотива (ПЛ) под данный состав с учетом задержек по враждебностям (точ­ка 6).

После захода ПЛ под состав имитируется ожидание нитки графи­ка (точка 7) на данный выходной участок, затем при условии свободности выходных секций ПО и участ­ка удаления (УУ) имитируется заня­тие этих элементов поездом, отправ­ление поезда с последовательным освобождением элементов.

Общий простой в подсистеме ВхУ-ПП- Г состоит из следующих элементов:

где - средняя продолжительность процесса приема состава ПП с момента открытия входного светофора на какой-либо путь ПП до момента остановки поезда на этом пути; – соответственно средние простои соста­вов в ПП в ожидании начала операции ПТО и СТЦ и под этими операциями (особенностью здесь является то, что ожидания и обработки идут параллельно); – средняя продолжительность ожидания составом, подготовленным к роспуску по каналу ПТО и СТЦ, подхо­да под него горочного локомотива; - средняя продолжительность ожидания надвига; - средняя продолжитель­ность надвига состава на горб горки; и –средняя продолжительность роспуска состава до момента освобож­дения пути ПП и остановки роспуска, отнесенные на один распускаемый со­став вследствие отказа ПФ.

Таким образом, очень важным интегрированным параметром под­системы ВхУ – ПП – Г является сред­няя продолжительность занятия пу­ти ПП составом (T_пс1), так как она оказывает значительное влияние на вероятность беспрепятственного приема в подсистему составов и на потребное число путей в ПП. Это время составляет 60 мин.

Длительность второй фазы на­хождения состава в подсистеме, мин, состоит из пяти составляющих:

где –средняя продолжительность ожидания составом окончания форми­рования; - средняя продолжитель­ность процесса окончания формирова­ния состава; – средняя продолжи­тельность ожидания начала перестанов­ки состава в ПО; - средняя продолжи­тельность задержек в перестановке, вы­званная отсутствием свободных путей в ПО (последствия отказа подсистемы ВФ – ПО - ВыхУ); - средняя продол­жительность части перестановки соста­ва, соответствующая его уборке с пути ПФ (состав покинул подсистему Г-ПФ-ВФ).

В подсистеме ВФ-ПО-ВыхУ простой составов складывается из следующих составляющих:

где – окончание перестановки состава в ПО с момента освобождения составом пути ПФ до момента остановки его в ПО; – соответственно средний простой составов в ПО в ожи­дании начала обслуживания и в течение обслуживания системами ПТО и СТЦ; –средняя продолжительность ожида­ния подготовленного к отправлению со­става, подхода под него поездного ло­комотива; – время на опробование ав­тотормозов; –средняя продолжитель­ность ожидания готовым поездом нитки графика для отправления на перегон; – продолжительность части отправ­ления, при котором поезд освобождает путь ПО.

Анализ результатов моделирова­ния по сортировочной системе пока­зывает, что в подсистемах доля вре­мени ожиданий выполнения после­дующих операций составляет 32-62%. Это потенциальные резервы сокращения простоев, однако сте­пень их снижения должна опреде­ляться экономической эффективно­стью при применении мер увеличе­ния надежности пропускной и пере­рабатывающей способности стан­ции. Для этих целей прежде всего и необходимо имитационное моде­лирование станционных процессов с достаточно детальным учетом функ­циональных взаимосвязей.