ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: ЭЛЬБРУС

Уже третий десяток лет растет, развивается и приносит ощутимые плоды научное и технологическое направление – имитационное моделирование перевозочного процесса. Еще в 90-е годы прошлого века, осознав важность и перспективность имитационного моделирования как мощного инструмента анализа сложных динамических систем, учеными были вложены большие усилия в создание и развитие этого направления, которое к настоящему времени выросло в семейство проектов ЭЛЬБРУС.

В становлении и развитии проекта ЭЛЬБРУС ключевую роль сыграли три определяющих фактора:

  • Задачи, являющиеся критически важными для заказчика;
  • Люди, обладающие достаточной квалификацией и морально-волевыми качествами для решения этих задач;
  • Научные и технические средства и методы, позволяющие решать эти задачи на современном мировом уровне.

 

Об информационных технологиях, относящихся к средствам и методам решения стоящих перед нами задач.

 

В проектах семейства ЭЛЬБРУС широко используется свободное программное обеспечение с открытым исходным кодом. Такой подход имеет ряд безусловных преимуществ как для разработчика, так и для заказчика ПО:

  • позволяет использовать самые современные программные решения, исходя не из стоимости ПО и бюджета проекта, а из функциональных возможностей ПО, выбирая лучшие, а не самые дешевые, из имеющихся вариантов;
  • жизненный цикл свободного ПО не зависит от диктата производителя; производители ПО не могут принудить пользователей их продуктов переходить на другую версию или отказаться от каких-либо возможностей ПО из соображений коммерческой выгоды или, например, политических санкций;
  • свободное ПО с открытыми исходными кодами гораздо более свободно от случайных или преднамеренных уязвимостей и недекларированных возможностей;
  • выбор свободного ПО с открытыми исходными кодами находится в русле государственной политики импортозамещения в сфере программного обеспечения, в соответствии с которым в 2015 году был принят федеральный закон РФ № 188 о запрете госзакупок иностранного ПО в случае, если существует отечественный аналог, и создан реестр отечественных программных продуктов, правила ведения которого регулируются постановлением Правительства РФ № 1236.

Оборотной стороной использования свободного ПО является потребность со стороны разработчиков в специалистах по его использованию, а со стороны заказчика – специалистов по его эксплуатации. Как правило, пока требования к квалификации таких специалистов выше, а их распространенность на рынке труда и в IT-подразделениях заказчика ниже, чем нам бы хотелось.

Использование свободного ПО, с другой стороны, не является панацеей и самоцелью, поэтому в тех областях, где свободное ПО пока не может заменить коммерческое ПО с закрытыми исходными кодами, применяется именно коммерческое ПО. Например, клиентское ПО АПК ЭЛЬБРУС выполняется под операционной системой семейства Windows, а база данных АПК ЭЛЬБРУС реализована с помощью коммерческой СУБД Oracle, хотя и в самой недорогой редакции Standard Edition One, что позволяет заказчику только на одном сервере БД из почти 30 находящихся в эксплуатации серверов БД ЭЛЬБРУС сэкономить на лицензиях более, чем в 10 раз ($6000 против $200000 за 4 лицензии СУБД Oracle Database в редакции Enterprise Edition). При этом часть функционала СУБД, отличающая дорогую версию от дешевой, реализована средствами приложения для БД АК ЭЛЬБРУС, для чего потребовалось написать более 15 тысяч строк кода на языке Oracle PL/SQL, зато заказчик при тиражировании сэкономил более 400 миллионов рублей, а специалисты по эксплуатации системы теперь должны понимать, как это работает и изучать разработанное нами 80-страничное «Руководство по архивации и синхронизации данных расписаний АПК ЭЛЬБРУС».

 

Архитектура систем, входящих в семейство проектов ЭЛЬБРУС.

 

Большинство из них построено как многоуровневые распределенные автоматизированные системы, в состав которых входят следующие компоненты:

  • сервер баз данных - хранит и обрабатывает данные систем, построен на базе СУБД Oracle Database редакции Standard Edition One;
  • сервер приложений - исполняет серверные приложения системы, координирующие и обрабатывающие информационные потоки в системе и организует взаимодействие с внешними информационными системами через набор серверных приложений-шлюзов. Сервер приложений построен на основе свободного сервлет-контейнера Apache Tomcat, который исполняет написанные на языке программирования Java серверные приложения системы;
  • сервер обмена сообщениями (называемого также MQ-сервером от сокращения Message Queuing) - обеспечивает обмен сообщениями между всеми компонентами системы и образует общую шину данных распределенной системы. В качестве MQ-сервера используется свободный сервер Apache ActiveMQ;
  • клиентское приложение, или "тяжелый клиент" - разработанное для коммерческой ОС (для Microsoft Windows или, например, Google Android), устанавливается на клиентское рабочее место и обеспечивает его сопровождение;
  • "тонкий клиент", или "web-клиент" - исполняющийся внутри любого современного web-браузера семейства Firefox, Chrome, Opera и тому подобных, что позволяет использовать для работы любое устройство с любой операционной системой, имеющее возможность запустить web-браузер и обратиться к IP-адресу, соответствующему серверу приложений, который и формирует для тонкого клиента все web-формы и диалоговые окна. Такой клиент не требует установки и сопровождения на клиентском рабочем месте.

 

Системы, входящие в семейство проектов ЭЛЬБРУС, и особенности применяемых в них информационных технологий.

АПК ЭЛЬБРУС: система построения энергооптимального графика движения поездов 

АПК ЭЛЬБРУС предназначен для автоматизированного построения прогнозных энергосберегающих графиков движения поездов с учетом актуальных условий пропуска и поездной обстановки и решает следующие задачи:

  • Построение прогнозного суточного энергосберегающего графика движения поездов.
  • Стыковка прогнозного графика между полигонами дорог и формирование единого междорожного согласованного графика.
  • Автоматизированная передача прогнозного суточного энергосберегающего графика движения поездов в систему диспетчерского управления ГИД «Урал-ВНИИЖТ», откуда график становится доступным не только диспетчерскому аппарату, но также поступает в системы информирования машинистов (СИМ) и доставляется на борт локомотивов.

Система АПК ЭЛЬБРУС в настоящее время эксплуатируется на полигонах 15 железных дорог общей протяженностью более 24 тыс. км. 

С точки зрения информационных технологий проект АПК ЭЛЬБРУС интересен тем, что в нем наиболее полно нашли отражение перечисленные выше архитектурные и программные решения. В настоящее время АПК ЭЛЬБРУС функционирует как трехуровневая кластерная система, состоящая более, чем из 60 серверов на пространстве от Санкт-Петербурга до Хабаровска 

ЭЛЬБРУС-ОПП: система оперативного перестроения графиков движения поездов 

Дальнейшим развитием идей, заложенных в АПК ЭЛЬБРУС, в область более краткосрочного планирования и управления движением поездов с целью выполнения графика движения является система оперативного перестроения графиков движения поездов ЭЛЬБРУС-ОПП.

Система ЭЛЬБРУС-ОПП предназначена для оперативного перестроения действующего прогнозного графика движения поездов в случае изменений условий пропуска и решает следующие задачи:

  • Корректировка расписания в реальном времени с учетом изменившейся поездной обстановки и условий пропуска.
  • Обеспечение локомотивной бригады актуальным расписанием.
  • Повышение качества планирования и снижение непроизводительных потерь при организации перевозочного процесса.

Система ЭЛЬБРУС-ОПП используется на полигоне Челябинск–Входная в ДЦУП Южно-Уральской железной дороги. Особенностью системы является то, что суточный график, разработанный в АПК ЭЛЬБРУС, корректируется в режиме реального времени с помощью ЭЛЬБРУС-ОПП, после чего в режиме реального времени передается на локомотивы через системы информирования машинистов.

ЭЛЬБРУС-СИМ: система информирования машинистов

Для оповещения машинистов о суточном графике или перестроенном оперативном плане пропуска предназначена система информирования машинистов на базе мобильных терминалов – ЭЛЬБРУС–СИМ, имеющая своей целью организацию движения грузовых поездов по энергосберегающим расписаниям с использованием передачи информации на борт локомотива о скоростной траектории движения поезда, о режимах управления поездом и позиционировании поезда на полигоне.

Система ЭЛЬБРУС-СИМ решает следующие задачи:

  • Гармонизация управления движением поезда и диспетчерского управления.
  • Улучшение обратной связи с машинистами поездных диспетчеров и специалистов дирекции тяги.
  • Повышение количества поездов, проследовавших по графику.
  • Повышение участковых и маршрутных скоростей.
  • Экономия энергии на тягу поездов в размере 2-5%.

Система ЭЛЬБРУС-СИМ явилась прототипом проектного решения для массового тиражирования СИМ производителями бортовых устройств на полигонах организации движения по графикам ЭЛЬБРУС. Сам прототип системы находится в экспериментальном статусе в эксплуатационном локомотивном депо Курган.

Особенностью ЭЛЬБРУС-СИМ является использование клиентского приложения под управлением ОС Android и криптошлюза ViPNet для защиты канала передачи данных.

ЭЛЬБРУС-ИСМ: интеллектуальный советчик машиниста

Для решения более узкой задачи – информирования машинистов только об элементах расписания, разработана система, не требующая специального оснащения локомотива или локомотивной бригады дополнительными устройствами и использующая только имеющиеся в распоряжении локомотивной бригады мобильные устройства под управлением ОС Android – ЭЛЬБРУС–ИCМ.

Система ЭЛЬБРУС-ИСМ решает задачи информирования машиниста о:

  • о расписании движения поезда;
  • о рекомендуемой скорости движения по перегонам.

В настоящее время разработан и продемонстрирован потенциальному функциональному заказчику прототип системы ЭЛЬБРУС-ИCМ.

 

АС Энергосервер: фабрика энергооптимальных расчетов

Задача экономии энергии на тягу поездов является многоэтапной и многоуровневой. На первом этапе – суточном планировании, экономия достигается за счет разработки прогнозного суточного энергоэффективного графика ЭЛЬБРУС, минимизирующего число стоянок грузовых поездов под пропуск пассажирских и пригородных поездов. На втором этапе – оперативном перестроении графика и построении оперативного плана пропуска, дополнительная экономия достигается за счет актуализации данных о массе и длине поезда, а также условиях пропуска. И, наконец, на третьем этапе – непосредственном ведении поезда  машинистом, экономия достигается за счет использования результатов энергооптимального тягового расчета и формируемых в его результате энергооптимальной кривой и режимов управления поездом.

Для решения этой задачи разработана система АЭ СИМ-У, называемая также фабрикой энергооптимальных расчетов – АС Энергосервер, имеющая целью своей разработки и использования экономию электроэнергии на тягу поездов и решающей следующие задачи:

  • расчет энергооптимальных скоростных траекторий и режимов управления для поездов по данным о составе поезда, его расписании, условиях пропуска, тяговых и тормозных характеристиках локомотива, а также профиля и плана пути;
  • автоматического обслуживания смежных автоматизированных систем в режиме «запрос–ответ» с выдачей результатов расчета энергооптимальных скоростных траекторий и режимов управления поездом по стандартизированному протоколу информационного обмена.

В настоящее время фабрика энергооптимальных расчетов АС Энергосервер сдана заказчику на полигоне Южно-Уральской железной дороги.

ЭЛЬБРУС-РПС: расчет пропускных способностей

Комплексный подход к исследованию пропускных и провозных возможностей железнодорожного полигона учитывает текущее состояние инфраструктуры и технологии организации движения поездов. Методика определения резервов провозной способности, разработанная специалистами АО «ВНИИЖТ», позволяет выполнить оценку возможности освоения перевозок на исследуемом направлении.

Статистическая оценка числа грузовых поездов на исследуемом направлении железной дороги дает возможность определения максимальных размеров движения грузовых поездов на направлении.

Построить и исследовать эту зависимость можно только методами имитационного моделирования, так как цена ошибки при работе реальной системы в условиях высокой нагрузки слишком велика.

Загрузка некоторых направлений сети железных дорог сейчас такова, что перевозочный процесс уже находится в критической зоне расчетных графиков, что непременно вызовет в ближайшей перспективе падение участковой скорости при исчерпании пропускной способности.

Научная основа исследования резервов пропускных и провозных способностей с помощью имитационного моделирования позволяет определить максимальные размеры движения грузовых поездов на направлении.

Применение методов имитационного моделирования для оценки резервов провозных способностей железных дорог обеспечивает поддержку принятия решений по развитию проблемных направлений.

Интеллектуальный тренажер для обучения машинистов энергосберегающим приемам управления поездом

Для того, чтобы машинисты могли воспользоваться энергооптимальной кривой и рекомендованными режимами управления поездом, они должны быть обучены навыкам энергооптимального управления движением поезда по заданному расписанию..

Для решения этой задачи разработан интеллектуальный тренажер для обучения машинистов энергосберегающим приемам управления поездом, объединяющий в себе в интерактивном режиме функции рабочего места обучаемого машиниста и рабочего места инструктора и решающей следующие задачи:

  • Первоначальная подготовка (самоподготовка) машинистов на базе типовых упражнений.
  • Отработка энергооптимального управления на реальном участке для заданных параметров: состав, условия пропуска и сцепления.
  • Контроль уровня подготовки машинистов с регистрацией результатов в базе данных для последующего анализа.

В настоящее время разработан и продемонстрирован потенциальному функциональному заказчику прототип системы.

 

Таким образом, проекты системы ЭЛЬБРУС дают возможность заказчику внедрить замкнутый стек современных технологий, направленных на совершенствование управления перевозочным процессом в рамках программы организации движения грузовых поездов по расписанию и энергосбережения, использование которых приводит к значительной и подтвержденной на практике экономии эксплуатационных расходов.

В области информационных технологий этот стек технологий гармонично подкрепляется стеком передовых программно-технических решений, обеспечивающих программному обеспечению проектов системы ЭЛЬБРУС надежность и удобство в эксплуатации, отличную расширяемость и высокую вычислительную эффективность.