Статья на тему "Разработка базовых алгоритмов действия единой геоинформационной системы управления безопасностью движения и перевозочным процессом железных дорог"

НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ЧАСТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ФИНАНСОВО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«СИНЕРГИЯ»
Факультет онлайн обучения

Направление подготовки: Менеджмент


ТЕМА: РАЗРАБОТКА БАЗОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЕЙСТВИЯ ЕДИНОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ И ПЕРЕВОЗОЧНЫМ ПРОЦЕССОМ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Студент
(Фамилия, имя, отчество )
(подпись)

Руководитель
(Фамилия, имя, отчество)
(подпись)

Москва 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В РАЗЛИЧНЫХ СФЕРАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА 11
1.1. Понятие и сущность геоинформационной системы, её роль в различных сферах деятельности человека 11
1.2. Современные подходы к использованию геоинформационной системы в управлении безопасностью движения 20
1.3. Применение геоинформационных технологий на железнодорожном транспорте… 24
ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ТРАНСПОРТОМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ УЗКОСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СИСТЕМ 36
2.1. Достоинства и недостатки геоинформационных систем, используемых на железных дорогах России 36
2.2. Информационное и техническое обоснование необходимости создания новой единой геоинформационной системы железных дорог. 45
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ БАЗОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЕЙСТВИЯ ЕДИНОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 51
3.1. Общее экономическое обоснование внедрения единой геоинформационной системы железных дорог 51
3.2. Описание модели и основных принципов действия будущей системы 55
3.3. Математическая основа будущей единой геоинформационной системы железных дорог… 65
3.4. Разработка интерфейса и блок-схем алгоритмов действия единой геоинформационной системы железных дорог 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ… 87
ПРИЛОЖЕНИЯ… 94

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт сегодня является одним из важнейших компонентов экономики России. В последние 10 лет на развитие и модернизацию железных дорог затрачены колоссальные средства. Растут скорости движения, сокращаются интервалы между поездами, обновляется парк локомотивов и вагонов, увеличивается вес грузовых поездов.
Модернизация железнодорожного транспорта также идёт в цифровой сфере. Создаются и развиваются информационные системы управления перевозочным процессом, документооборота, работы с пассажирами и грузоотправителями. Всё это требует от работников повышенной концентрации внимания и быстроты принятия решения. Однако вместе с увеличением интенсивности труда увеличивается и риск ошибок людей, занятых в перевозочном процессе (так называемый человеческий фактор). Последствия таких ошибок могут являться причиной техногенных катастроф и человеческих жертв.
В связи с этим повышенное внимание уделено модернизации средств контроля за безопасностью движения: уже сейчас массово эксплуатируются локомотивные устройства контроля за соблюдения машинистом установленных скоростей и требований сигналов светофоров; в хозяйстве инфраструктуры созданы передвижные диагностические комплексы- лаборатории для проверки исправности пути и контактной сети, в хозяйстве движения используется цифровая автоблокировка и микропроцессорная централизация управления станциями. Совместно с описанными устройствами созданы и системы управления базами данных (далее – СУБД) [43], обслуживающие данные устройства и являющиеся хранилищем большого количества информации. Главным отличием железнодорожных СУБД от геоинформационных систем общего пользования является то, что информация железнодорожных СУБД сразу же используется для управления технологическими процессами и контроля предельно допустимых параметров, чего никогда не было в системах общего пользования, которые предоставляли, хранили и обрабатывали только информацию. То есть железнодорожные СУБД, обобщая внесённую информацию, задают контрольные значения технологических процессов, которые отправляются в локальные системы управления технологическими процессами (далее – СУТП) [30] и исполняются ими.
Учитывая размер территории и протяжённость железных дорог России, использование пространственных данных имеет гораздо бoльшую важность, чем, например, на производственных предприятиях, так как приходится контролировать технологические процессы громадных протяжённостей. Именно поэтому железнодорожные ГИС включают в себя управляющую информацию и выработку контрольных значений для регулирования технологических процессов в масштабах целой страны.
Если внимательно рассмотреть созданные на железных дорогах СУБД, то становится очевидным, что все они в той или иной степени многократно обращаются к одним и тем же железнодорожным объектам: светофорам, стрелкам, путям, переездам, платформам, мостам и т.д. При этом базы данных СУБД могут как иметь пространственную привязку (например: в локомотивных устройствах и диагностических комплексах пути и контактной сети), так и не иметь её, отображая лишь железнодорожную координату – километр, пикет, метр (например: база данных устройств автоматики и телемеханики).
Многократное дублирование одних и тех же данных создаёт неоправданные затраты на содержание СУБД, так как требуется актуализация каждой из систем, очень часто невозможно связать одинаковые данные друг с другом в разных СУБД. В то же время осталась совершенно упущенной сфера актуализации и хранения технической документации, где почти все работы до сих пор выполняются вручную специалистами технических отделов. Поэтому создание СУБД, которая явилась бы фундаментом для любых других СУБД и СУТП представляется весьма актуальным, а, учитывая, что на железных дорогах России эксплуатируются десятки миллионов объектов, результат такой работы, вне всякого сомнения, будет востребован.
Создаваемая геоинформационная система имеет рабочее название «Единая геоинформационная система управления безопасностью движения и перевозочным процессом железных дорог». После защиты работы, совместно с техническими специалистами и программистами АО «Научно-исследовательский и проектно- конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (далее – АО «НИИАС»), будет выполнена полная детализация всех алгоритмов единой ГИС железных дорог и их проверка программными средствами разработчика языка блок-схем «Дракон» Паронджанова В.Д. [35], использование научных трудов которого позволило облечь в понятную форму весьма сложные технологические цепочки. Окончанием данной работы будет написание конверторов для получения электронных карт и баз данных локомотивных устройств безопасности движения, а также подпрограмм для автоматической организации движения поездов, наполнение системы данными и внедрение в ОАО «РЖД».
Цель исследования: разработка базовых алгоритмов действия единой геоинформационой системы управления безопасностью движения и перевозочным процессом железных дорог.
В ходе написания работы необходимо решить следующие задачи:
– раскрыть теоретические основы сущности геоинформационной системы и определить её роль в различных сферах деятельности человека;
– провести обзор и анализ существующих геоинформационных систем как общего пользования, так и специализированных железнодорожных;
– провести информационное и техническое обоснование необходимости создания новой единой геоинформационной системы железных дорог;
– разработать образ будущей СУБД;
– разработать интерфейс СУБД;
– построить базовые алгоритмы СУБД.
Объектом исследования в рамках настоящей работы являются геоинформационные системы и возможность их использования на железнодорожном транспорте.
Предметом исследования в настоящей работе является функционал, требующийся для успешного функционирования геоинформационной системы на железнодорожном транспорте, и базовые алгоритмы работы программного обеспечения для достижения заданного функционала.
Информационная база исследования: нормативно-правовые акты Российской Федерации, приказы ОАО «РЖД», руководства по эксплуатации устройств безопасности движения, эксплуатируемых на железнодорожном транспорте, данные разработчиков железнодорожных геоинформационных систем, сведения из книг, ресурсы сети Интернет, собственный опыт автора.
При написании работы в качестве основных использовались научные труды следующих авторов: Ананьев Ю.С. [26], Антонович К.М. [27], Игнатьев Ю.Г. [32], Паронджанов В.Д. [35], Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. [28].
Методология исследования: рассмотрение общедоступных геоинформационных систем и специализированных железнодорожных геоинформационных систем, изучение научной литературы и законодательно-нормативной базы в сфере геодезии, информатики и систем безопасности работы железнодорожного транспорта, постановка научно- технической проблемы, сравнение решений, описанных в научных трудах и реализованных на практике с текущими запросами железнодорожного транспорта на информатизацию своей работы, выработка нового решения по информатизации работы железных дорог.
Практическая значимость работы: внушительная экономия средств, повышение контроля за работой железнодорожного транспорта, устранение противоречивости и задвоения информации, приведение к единообразию форм и типов информации, переход от бумажной документации к электронной, автоматизация рутинных процессов, создание мощной информационной базы железных дорог для её последующего использования искусственным интеллектом.
Структура работы: введение, теоретическая часть, аналитическая часть, проектная часть, заключение, список использованных источников, приложения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Правовые акты
1. Федеральный закон от 30 декабря 2015 г. № 431-ФЗ «О геодезии, картографии и пространственных данных и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» // Российская газета, 11 января 2016 г.
2. Инструкция по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, ГКИНП (ОНТА)-02-262-02 (издание официальное)
// Утверждена приказом руководителя Федеральной службы геодезии и картографии России от 18 января 2002 г. № 3-пр.
3. ГОСТ 2.749-84 «Элементы и устройства железнодорожной сигнализации, централизации и блокировки».
4. ГОСТ 21.702-2013 «Правила выполнения рабочей документации железнодорожных путей».
5. Приказ Министерства транспорта Российской Федерации от 21 декабря 2010 г. № 286 "Об утверждении Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации" // Российская Газета, 25 декабря 2010 г.
6. Методические указания по составлению продольных профилей станционных путей и перегонов, утверждённые ОАО «РЖД» от 17 декабря 2008 г. № ЦПТ-54/26 // ОАО «Российские железные дороги».
7. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-451 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Октябрьской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
8. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-452 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Калининградской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
9. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-453 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Московской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
10. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-454 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Горьковской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
11. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-455 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Северной железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
12. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-456 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Северо-Кавказской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
13. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-457 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Юго-Восточной железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
14. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-458 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Приволжской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
15. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-459 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Куйбышевской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
16. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-460 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Свердловской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
17. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-461 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Южно-Уральской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
18. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-462 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Красноярской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
19. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-463 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Западно-Сибирской железной дороге // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
20. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-464 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Восточно-Сибирской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
21. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-465 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Забайкальской железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
22. Приказ от 21 декабря 2018 г. № ЦДИ-466 «Об установлении допускаемых скоростей движения поездов на Дальневосточной железной дороге» // Филиал ОАО «РЖД» Центральная дирекция инфраструктуры.
23. Устройство КЛУБ-У руководство по эксплуатации часть первая 36991-00-00 РЭ // Ижевский радиозавод. 27.90.70.000 Согласовано Актом приёмочной комиссии от 29 июля 2009 г. Всего страниц 272. Подписано в печать 14 марта 2019 г. Номер изменения 275.
24. Безопасный локомотивный объединённый комплекс БЛОК. Руководство по эксплуатации 36905-000-00 РЭ // ООО «НПО САУТ». Утверждено Департаментом технической политики ОАО «РЖД» 14 сентября 2015 г. Номер изменения 41.
25. Система ТСКБМ. Руководство по эксплуатации. Книга 1. НКРМ.424313.003 РЭ // ЗАО «Нейроком». 27.90.70.000. Утверждено НКРМ.424313.003 РЭ-ЛУ. Количество страниц 72. 2007 г.
Источники на русском языке
26. Ананьев Ю.С. Геоинформационные системы. Учеб. пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2003. – 70 с.
27. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]. В 2 т. Т. 1 Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». – М.: ФГУП
«Картгеоцентр», 2005. – 334 с.: ил.
28. Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. и др. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У): Учебное пособие; Под ред. В.И. Зорина и В.И. Астрахана – М.: ГОУ «Учебно- методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008 – 177 с.
29. Венцевич Л.Е. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения поездов и расшифровка информационных данных их работы: учебник для уч-ся образовательного учреждения ж.-д. трансп./ Л.Е. Венцевич; Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. трансп. – М., 2006 – 328 с.
30. Втюрин В.А.. Основы АСУТП. Учебное пособие для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» (по отраслям) // Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М.Кирова, 2006. – 154 с.
31. Замышляев А.М. Заполнение технико-распорядительных актов станций в автоматизированной системе ПТК АС ТРА: Учебно-методическое пособие. – РУТ (МИИТ), 2018. – 137 с.
32. Игнатьев Ю.Г. Дифференциальная геометрия кривых и поверхностей в евклидовом пространстве. Учебное пособие. IV семестр. - Казань: Казанский университет, 2013, - 204 с.
33. Никитин Д.А. Повышение информативности системы интервального регулирования движения поездов АЛС-ЕН путём использования модульно взвешенного кода с суммированием // Журнал Автоматика на транспорте, № 4, том 3, декабрь 2017, с.526–545.
34. Параметры Земли 1990 года (ПЗ-90.11). Справочный документ // Военно-топографическое управление Генерального штаба вооружённых сил Российской Федерации, 2014 г. – 52 с.
35. Паронджанов В.Д. Как улучшить работу ума: Алгоритмы без программистов — это очень просто! — М.: Дело, 2001. — 360 с. — Илл.: 154.
36. Руководство по Всемирной геодезической системе – 1984 (WGS-84) // ИКАО. Doc 9674 AN/946 Издание второе – 2002, – 149 с.
37. Ципилева Т.А. Геоинформационные системы: Учебное пособие. – Томск: Томский межвузовый центр дистанционного образования, 2004 – 162 с.
Электронные ресурсы
38. 2ГИС // ДубльГИС. [Электронный ресурс]. (дата обращения 10.01.2020).
39. ArcGIS Pro // esri. [Электронный ресурс]. (дата обращения 22.01.2020).
40. GPS // Википедия. [Электронный ресурс]. (дата обращения 17.12.2019).
41. Автоведение, автоматизированное энергосберегающее управление тягой и торможением // АВП Технология. [Электронный ресурс]. (дата обращения 15.01.2020)
42. Автоматизированный диагностический комплекс контроля состояния технических объектов железнодорожной инфраструктуры (АДК-И «ЭРА») // НПЦ Инфотранс. [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения 13.12.2019).
43. База данных и СУБД: основные понятия и определения // Oracle Patches сообщество спецов. [Электронный ресурс]. -база-данных-и-субд- основные-понятия (дата обращения 17.01.2020).
44. Бэйдоу // Википедия. [Электронный ресурс]. (Дата обращения 04.01.2020).
45. Вычисление расстояния и начального азимута между двумя точками на сфере // Gis Lab Географические информационные системы и дистанционное зондирование. [Электронный ресурс]. URL: wiki.gis-lab.info/w (дата обращения 03.01.2020).
46. Галилео (спутниковая система навигации) // Википедия. [Электронный ресурс]. Галилео_(спутниковая_система_навигации) (Дата обращения 04.01.2020).
47. ГЛОНАСС // Википедия. [Электронный ресурс]. (Дата обращения 17.01.2020).
48. Гугл Планета Земля // Google Earth. [Электронный ресурс]. (дата обращения 11.12.2019).
49. Емелин Александр. Как вычислить длину дуги кривой? // ma?prof?.ru. [Электронный ресурс]. (дата обращения 20.01.2020).
50. Качаем из Сети космоснимки высокого разрешения // Лаборатория АгроГИС-технологий г. Калуга. [Электронный ресурс]. (дата обращения 14.12.2019).
51. Основная продукция гражданского назначения // Акционерное общество «Концерн воздушно-космической обороны «Алмаз-Антей». [Электронный ресурс]. (дата обращения 22.01.2020).
52. Построение кривых // Новосибирский государственный технический университет. [Электронный ресурс]. (дата обращения 14.01.2020).
53. Программа SAS.Планета // SASGIS Веб-картография и навигация. [Электронный ресурс]. URL: / (дата обращения 24.12.2019).
54. Развитие Комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта (КСПД ИЖТ) // Транспутьстрой. [Электронный ресурс]. (дата обращения 23.12.2019).
55. Средства измерения, автоматизации и обеспечения безопасности для локомотива // Электромеханика. [Электронный ресурс]. (дата обращения 14.01.2020).
56. Уравнения касательной и нормали // Math24.ru Математический Анализ. [Электронный ресурс]. URL: уравнения- касательной-и-нормали.html (дата обращения 16.01.2019).
57. Электронные карты бортовых устройств тягового подвижного состава // АО «НИИАС» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения 18.12.2019).
58. Яндекс.Карты // Яндекс. [Электронный ресурс].(дата обращения 11.12.2019).