«Гра» у залізницю
Клас комп’ютерних моделей допоможе у вирішенні найскладніших транспортних проблем.
Залізничний транспорт — одна з найпотужніших галузей економіки. Часом «колійне відомство» навіть іменують державою в державі. Однак, не заглиблюючись у суть питання, важко уявити, наскільки складними й відповідальними є технічні завдання, що стоять перед залізничниками. Виручає наука.
Коли не можна побудувати прототип
Про те, у чому конкретно можуть допомогти вчені, бесіда з доцентом Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. академіка Лазаряна кандидатом технічних наук Дмитром Козаченком. Саме його праця «Розробка методів техніко-експлуатаційної оцінки роботи об’єктів залізничного транспорту» відзначена Премією Президента України для молодих учених.
— Основна розв’язувана нами проблема полягає в необхідності знайти підхід до опису функціонування об’єктів, для яких неможливо створити й випробувати дослідні зразки, — говорить учений. — Допустимо, для рухомого складу або в автотранспорті на основі розрахунків створюються прототипи. Їх можна випробувати, удосконалити й лише потім запустити в серію. Однак уявіть собі діючий прототип залізничного вузла! Або як бути в такому зовсім не рідкісному випадку, коли станція будувалася ще за часів царату, а зараз постало завдання її модернізації?
Традиційно в цій ситуації вдаються до експертних оцінок. Збирають групу фахівців, які вирішують, будувати додаткову колію, автоматизувати сортувальну гірку чи змінити напрямок вагонопотоків. Але через суб’єктивізм оцінки такі рішення можуть бути далекими від оптимальних. Завжди бажано спочатку «обкатати» проект, провести попередні випробування. Для цього й служать комп’ютерні моделі — нематеріальні замінники реальних об’єктів.
Головні параметри, оцінка яких необхідна залізничникам, — це безпека перевезень та експлуатаційні витрати за безперечного пріоритету першого. Багато нормативних документів із безпеки діють ще з часів Союзу. Однак, приміром, у Литві недавно впровадили систему сортування вагонів німецької компанії «Сіменс», і литовці попросили нас оцінити, чим загрожує їм нестиковка радянських і «євроДСТів». Ми провели необхідні розрахунки.
Моделі колишні й нові
За словами Дмитра Козаченка, моделювати транспортні процеси за допомогою ЕОМ почали ще з тих часів, коли обчислювальна техніка перейшла на напівпровідникову базу. Однак, незважаючи на сьогоднішній найвищий рівень її розвитку, досі в ужитку були переважно моделі аналітичні — для попередніх розрахунків і графічні — для більш точних. Крім того, колишні моделі дуже складні, призначалися вони переважно для наукових досліджень. Кожна створювалася під конкретне завдання й не могла бути застосована до широкого кола ситуацій. Тобто модель однієї станції неприйнятна для іншої.
— Нам треба було створити універсальну модель станції, розробити детальну схему всіх взаємодіючих чинників, — розповідає Дмитро Миколайович. — Це завдання для так званого імітаційного моделювання. З одного боку, було потрібно відокремити програмний код від вихідних даних, з іншого — формалізувати подання технічних параметрів станції. Ми розробили універсальний програмний код, створили необхідну формальну «мову» і кілька графічних інтерфейсів для введення даних. Фактично це графічні редактори, з якими може працювати технічний фахівець широкого профілю. Підсумок роботи «оцінної» програми — зрозуміла й доступна фахівцеві картинка-графік.
Попрактикуймось?
Таким чином, моделі, розроблені науковим колективом, можна впроваджувати безпосередньо на виробничому рівні з метою вирішення широкого кола завдань: оцінки безпеки руху поїздів та ефективності роботи залізничних об’єктів, оптимізації процесів сортування й розформування складу тощо. Окрема сфера застосування — створення на їхній основі навчальних тренажерів для оперативно-диспетчерського персоналу.
— На екрані ПЕВМ відображається робоче місце чергового станції: світлова мнемонічна схема парку або станції, сигнальні лампочки, кнопки й рукоятки управління, а також інші елементи, — пояснює Д. Козаченко. — Під час тренування детально моделюється технологічний процес обслуговування поїздів різних категорій з урахуванням усіх передбачених операцій. Програма також дозволяє працювати в режимі тестування, тобто фіксувати всі помилки й оцінювати рівень професійної підготовки. Такі системи вже впроваджені на багатьох станціях України, використовуються для навчання студентів у нашому університеті й у декількох залізничних технікумах — Одеському, Миколаївському, Сімферопольському.
На станції Дніпропетровськ—Головний упроваджене й успішно діє автоматизоване робоче місце диктора вокзалу (АРМД), що допомагає чітко, вчасно й у потрібному обсязі виводити інформаційні повідомлення постійного характеру й про рух пасажирських поїздів з урахуванням змін у розкладі. Воно «вміє» навіть повідомляти людським голосом.
По шосе, як по рейках
— І все-таки, — наполягає мій співрозмовник, — головне наше завдання — наукові розробки. Тому значною мірою імітаційні моделі створюються не для прикладних напівкомерційних продуктів, а для внутрішнього користування.
Дуже перспективний напрямок сьогодні — так звані бімодальні перевезення, тобто впровадження транспортних засобів, здатних пересуватися як залізничною колією, так і звичайною дорогою. У Японії це схожий на трамвай засіб із подвійним шасі, який, докотившись, куди дозволяють рейки, розчіплюється та їде далі путівцем. Для обслуговування вантажних складів американці навчилися переставляти вагон на спеціальний візок із пневморесорами. В Україні така технологія допомогла б удешевити контейнерні перевезення. За нашими даними, не більше 8% контейнерів, які розвантажуються в Одесі, перевозяться далі залізницею. При цьому автоперевезення одного контейнера маршрутом Одеса —Київ коштує 1920 доларів. А набагато більш витратний вагон СВ навіть за умови 100-відсоткового заповнення дає залізничникам лише 1100 доларів. Застосування бімодальних технологій, за попередніми даними, знизить обсяг експлуатаційних витрат удвічі. А забезпечення доставки вантажу «від дверей до дверей» становитиме у вартісному обчисленні 44% від автоперевезення. Тому один із пунктів нашої роботи — техніко-економічний аналіз можливості впровадження бімодальної технології RailRunner на транспортному ринку України.
У масштабах держави
З інших розробок можна назвати участь колективу авторів у вирішенні проблеми транспортного «стикування» споруджуваного заводу «Дніпросталь» із ВАТ «Дніпропетровський Втормет». Ще більш масштабний проект — розробка технологічного процесу Одеської залізниці. Нарешті, за замовленням дирекції Ради із залізничного транспорту дніпропетровські вчені провели моделювання роботи української залізничної мережі в цілому.
— Проблема тут у тому, що територією нашої держави проходить потужний транзитний транспортний потік із країн СНД у Європу, — говорить Дмитро Козаченко. — При цьому нормативна база з перевезень в одних дуже відрізняється від інших. Так, якщо європейські країни виходять із добових норм прийому вагонів, то колишні радянські сусіди, як правило, узгоджують лише місячні норми. Сім днів через кордон може не подаватися жодного вагона, а потім в один день — тижнева норма. Звичайно, тому відбуваються прикордонні затримки поїздів, через які виникають фінансові проблеми. У мінімізації витрат також можуть допомогти розроблені нами методики.
Залишається додати, що з теми досліджень у цьому напрямку отримано 3 свідоцтва на авторські права з розробки програмних комплексів, опубліковано 90 наукових праць, серед яких 2 монографії, 24 статті в профільних наукових журналах і збірниках, тези до 64 доповідей на наукових конференціях і симпозіумах. Економічний ефект від упровадження отриманих результатів у цінах на 1 січня 2010 року — близько 25 мільйонів гривень.
Наука, яка годує
Адміністрація Дніпропетровського транспортного університету вживає серйозних заходів для впровадження досягнень своїх співробітників на ринок інтелектуальної продукції. Так, ВНЗ бере на себе всі витрати з реєстрації патенту або авторського свідоцтва. Прибуток від його реалізації ділиться надвоє між університетом і колективом авторів. Щорічно оформляється близько 50 патентів і ще 250 мають постійну фінансову підтримку.
— Ще недавно вся «реалізація» наших інтелектуальних досягнень обмежувалася їхньою безкоштовною передачею, — зауважує Дмитро Козаченко. — Правда, з кількості отриманих ліцензій визначається рейтинг ВНЗ, що теж дуже важливо. Ситуацію вдалося врегулювати, тож тепер як патенти, так і програмні продукти на платній основі передаються в обмежене користування замовникові.
Імітаційне моделювання — метод, який дозволяє будувати моделі, що описують процеси так, як вони відбувалися б у дійсності. Таку модель можна «програти» в часі як для одного випробування, так і для заданої їхньої безлічі. При цьому результати визначатимуться випадковим характером процесів. За цими даними можна одержати досить стабільну статистику. Робота з моделлю (імітацією) — це збагнення суті явища без проведення експериментів на реальному об’єкті.
Довідка «УТГ»
Аналітична модель — формула, яка зображує математичні залежності в економіці й показує, що результати (виходи) перебувають у функціональній залежності від витрат (входів). У загальному вигляді її можна записати так: U = f(x), де x — сукупність виходів; f — залежність, записана у вигляді математичної функції.
Графічна модель — це імовірнісна модель, у якій у вигляді графа представлені залежності між випадковими величинами. Вершини графа відповідають випадковим змінним, а ребра — безпосереднім імовірнісним взаємозв’язкам між випадковими величинами. Графічні моделі широко використовуються в теорії ймовірностей, статистиці, а також у машинному навчанні.
Імітаційне моделювання — метод, який дозволяє будувати моделі, що описують процеси так, як вони відбувалися б у дійсності. Таку модель можна «програти» в часі як для одного випробування, так і для заданої їхньої безлічі. При цьому результати визначатимуться випадковим характером процесів. За цими даними можна одержати досить стабільну статистику. Робота з моделлю (імітацією) — це збагнення суті явища без проведення експериментів на реальному об’єкті.
