«Игра» в железную дорогу

Новый класс компьютерных моделей поможет в решении самых сложных транспортных проблем.

Железнодорожный транспорт — одна из мощнейших отраслей экономики. Порой «путейское ведомство» даже именуют государством в государстве. Однако, не вникая в суть вопроса, трудно представить, насколько сложны и ответственны технические задачи, стоящие перед железнодорожниками. Выручает наука.

Когда нельзя построить прототип

О том, в чем конкретно могут помочь ученые, беседа с доцентом Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта им. академика Лазаряна кандидатом технических наук Дмитрием Козаченко. Именно его труд «Разработка методов технико-эксплуатационной оценки работы объектов железнодорожного транспорта» отмечен Премией Президента Украины для молодых ученых.

— Основная решаемая нами проблема состоит в необходимости найти подход к описанию функционирования объектов, для которых невозможно создать и испытать опытные образцы, — говорит ученый. — Допустим, для подвижного состава или в автотранспорте на основе расчетов создаются прототипы. Их можно испытать, усовершенствовать и лишь потом запустить в серию. Однако представьте себе действующий прототип железнодорожного узла! Или как быть в таком далеко не редком случае, когда станция строилась еще в царские времена, а сейчас стоит задача ее модернизации?

Традиционно в этой ситуации прибегают к экспертным оценкам. Собирают группу специалистов, решающих, строить ли дополнительный путь, автоматизировать сор­тировочную горку, изменить ли направление вагонопотоков. Но в силу субъективизма оценки такие решения могут оказаться далекими от оптимальных. Всегда желательно сначала «обкатать» проект, провести предварительные испытания. Для этого и служат компьютерные модели – нематериальные заменители реальных объектов.

Главные параметры, в оценке которых нуждаются железнодорожники, — это безопасность перевозок и эксплуатационные расходы при без­­­условном приоритете первого. Многие нормативные документы по безопасности действуют еще со времен Союза. Однако, к примеру, в Литве недавно внедрили систему сортировки вагонов германской компании «Сименс», и литовцы попросили нас оценить, чем грозит им нестыковка советских и «евроГОСТов». Мы провели необходимые расчеты.

Модели прежние и новые

По словам Дмитрия Козаченко, моделировать транспортные процессы с помощью ЭВМ начали еще с тех времен, когда вычислительная техника перешла на полупроводниковую базу. Однако, несмотря на сегодняшний высочайший уровень ее развития, до сих пор в ходу были в основном модели аналитические для грубых прикидок и графические — для более точных расчетов. Кроме того, прежние модели очень сложные, предназначавшиеся преимущественно для научных исследований. Каждая строилась под конкретную задачу и не могла быть применена к широкому кругу ситуаций. Грубо говоря, модель одной станции неприемлема для другой.

— Нам предстояло создать универсальную модель станции, разработать детальную схему всех взаимодействующих здесь факторов, — рассказывает Дмитрий Николаевич. — Это задача для так называемого имитационного моделирования. С одной стороны, требовалось отделить программный код от исходных данных, с другой — формализовать представление технических параметров станции. Мы разработали универсальный программный код, создали необходимый формальный «язык» и несколько графических интерфейсов для ввода данных. Фактически это графические редакторы, с которыми может работать технический специалист широкого профиля. Итог работы «оценочной» программы — понятная и доступная специалисту картинка-график.

Попрактикуемся?

Таким образом, модели, разработанные научным коллективом, можно внедрять непосредственно на производственном уровне с целью решения самого широкого круга задач: оценка безопасности движения поездов и эффективности работы железнодорожных объектов, оптимизация процессов сортировки и расформирования состава и прочее. Отдельная область применения – создание на их основе учебных тренажеров для оперативно-диспетчерского персонала.

— На экране ПЭВМ отображается рабочее место дежурного по станции: световая мнемоническая схема парка или станции, сигнальные лампочки, кнопки и рукоятки управления, а также другие элементы, — объясняет Д.Козаченко. — В ходе тренировки детально моделируется технологический процесс обслуживания поездов разных категорий с учетом всех преду­­смотренных операций. Программа также позволяет работать в режиме тестирования, что предполагает фиксацию всех допущенных обучаемым ошибок и оценку уровня профессиональной подготовки. Такие системы уже внедрены на ряде станций Украины, используются для обучения студентов в нашем университете и в нескольких железнодорожных техникумах – одесском, николаевском, симферопольском.

На станции Днепропет­ровск-­Глав­ный внедрено и успешно действует автоматизированное рабочее место диктора вокзала (АРМД), помогающее четко, свое­временно и в нужном объеме выводить информационные сообщения постоянного характера и о движении пассажирских поездов с учетом изменений в расписании. Оно «умеет» даже объявлять человеческим голосом.

По шоссе, как по рельсам

— И все-таки, — настаивает мой собеседник, – главная наша задача — научные разработки. Поэтому в значительной степени имитационные модели создаются не для прикладных полукоммерческих продуктов, а для внутреннего пользования.

Очень перспективное направление сегодня — так называемые бимодальные перевозки, то есть внедрение транспортных средств, способных передвигаться как по железной колее, так и по обычной дороге. В Японии это средство вроде трамвая с двойным шасси, который, докатив, куда позволяют рельсы, расцепляется и следует далее по проселку. Для обслуживания грузовых составов американцы научились переставлять вагон на специальную тележку с пневморессорами. В Украине такая технология помогла бы удешевить контейнерные перевозки. По нашим данным, не более 8% контейнеров, разгружаемых в Одессе, перевозится далее железной дорогой. При этом автоперевозка одного контейнера по маршруту Одесса – Киев стоит 1920 долларов. А куда более затратный вагон СВ даже при условии 100-процентного заполнения приносит железнодорожникам всего 1100 долларов. Применение бимодальных технологий, по предварительным данным, снизит объем эксплуатационных расходов вдвое. А обеспечение доставки груза «от двери до двери» составит в стоимостном отношении 44% от автоперевозки. Поэтому один из пунктов нашей работы — технико-экономический анализ возможности внедрения бимодальной технологии RailRunner на транспортном рынке Украины.

В масштабах государства

Из других разработок можно назвать участие коллектива авторов в решении проблемы транспортной «состыковки» строящегося завода «Днепросталь» с ОАО «Днеп­ропетровский Втормет». Еще более масштабный проект – разработка технологического процесса Одесской железной дороги. Наконец, по заказу дирекции Совета по железнодорожному транспорту днепропетровские ученые провели моделирование работы украинской железнодорожной сети в целом.

— Проблема здесь в том, что через территорию нашего государства проходит мощный транзитный транспортный поток из стран СНГ в Европу, – говорит Дмитрий Козаченко. – При этом нормативная база по перевозкам у одних сильно отличается от других. Так, если европейские страны делают привязку к суточным нормам приема вагонов, то бывшие советские соседи, как правило, согласовывают лишь месячные нормы. Семь дней через границу может не подаваться ни одного вагона, а затем в один день – недельная норма. Естественно, поэтому происходят приграничные задержки поездов, влекущие за собой финансовые проблемы. В минимизации затрат также могут помочь разработанные нами методики.

Остается добавить, что по теме исследований в данном направлении получено 3 свидетельства на авторские права по разработке программных комплексов, опубликовано 90 научных работ, среди которых 2 монографии, 24 статьи в профильных научных журналах и сборниках, тезисы к 64 докладам на научных конференциях и симпозиумах. Экономический эффект от внедрения полученных результатов в ценах на 1 января 2010 года — около 25 миллионов гривен.

Наука, которая кормит

Администрация Днепропетровского транспортного университета предпринимает серьезные шаги для внедрения достижений своих сотрудников на рынок интеллектуальной продукции. Так, вуз берет на себя все расходы по регистрации патента или авторского свидетельства. Прибыль от его реализации делится пополам между университетом и коллективом авторов. Ежегодно оформляется около 50 патентов и еще 250 имеют постоянную финансовую поддержку.

— Еще недавно вся «реализация» наших интеллектуальных достижений сводилась к их бесплатной передаче, — замечает Дмитрий Козаченко. — Правда, по числу полученных лицензий определяется рейтинг вуза, что тоже очень важно. Ситуацию удалось урегулировать, так что теперь как патенты, так и программные продукты на платной основе передаются в ограниченное пользование заказчику.

Справка «УТГ»

Аналитическая модель — формула, представляющая математические зависимости в экономике и показывающая, что результаты (выходы) находятся в функциональной зависимости от затрат (входов). В самом общем виде ее можно записать так: U = f(x), где x — совокупность выходов; f — зависимость, записанная в виде математической функции.

Графическая модель — это вероятностная модель, в которой в виде графа представлены зависимости между случайными величинами. Вершины графа соответствуют случайным переменным, а ребра — непосредственным вероятностным взаимосвязям между случайными величинами. Графические модели широко используются в теории вероятностей, статистике, а также в машинном обучении.

Имитационное моделирование — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и для заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику. Работа с моделью (имитацией) — это постижение сути явления без проведения экспериментов на реальном объекте.