Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ КОДИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТА
1.1. Предпосылки кодирования инфраструктуры железнодорожного транспорта 7
1.2. Существующие системы кодирования железнодорожного подвижного состава
1.2.1. Система кодирования подвижного состава в России и странах СНГ 10
1.2.2. Система кодирования подвижного состава ОСЖД/МСЖД 16
1.2.3. Система кодирования подвижного состава в Северной Америке 26
1.3. Системы кодирования в различных областях жизнедеятельности
1.3.1. Международная система товарной нумерации EAN International 30
1.3.2. Кодирование в гражданской авиации 37
1.3.3. Идентификационный номер автомобиля , 40
1.4. Постановка задачи диссертационного исследования 43
ГЛАВА 2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КОДИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
2.1. Синергетический подход к эволюции транспорта и его подсистем 46
2.2. Систематика как высший уровень классификаций транспорта...; 54
2.3. Объёмная систематика - путь к построению универсальной систематики 61
2.4. Выводы по второй главе , 69
ГЛАВА 3. РАЗРАКОТКА ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ КОДИРОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
3.1. Обобщённая структура единого кода 71
3.2. Регионы мира в универсальной системе кодирования транспорта 79
3.3. Кодирование вагонов 87
3.4. Кодирование локомотивов и моторвагонного подвижного состава 99
3.5. Кодирование специализированного подвижного состава 108
3.6. Выводы по третьей главе 115
ГЛАВА 4. УНИВЕРСАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
4.1. Роль идентификационного номера в современных железнодорожных информационных системах 117
4.2. Алгоритм взаимодействия национальных баз данных на основе принципов универсального кодирования 126
4.3. Формирование представления информации в базе данных на основе универсального кода 133
4.4. Возможность распространения предлагаемой системы кодирования на железнодорожную инфраструктуру, другие виды транспорта и изделия уникального ряда 141
4.5. Выводы по четвёртой главе 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147
ЛИТЕРАТУРА 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 158
- Предпосылки кодирования инфраструктуры железнодорожного транспорта
- Синергетический подход к эволюции транспорта и его подсистем
- Обобщённая структура единого кода
- Роль идентификационного номера в современных железнодорожных информационных системах
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в транспортной отрасли осуществляется ряд программ реформирования, выполнение которых позволит реально интегрировать железнодорожную сеть России в единую мировую транспортную систему. К таким программам целесообразно отнести и разработку единой системы кодирования подвижного состава, обладающую свойствами долговременности и универсальности в отношении различных видов подвижного состава. По этой причине становится актуальной задача поиска научного обеспечения основ кодирования, которые помогут достичь указанных целей и тем самым содействовать конкурентоспособности железных дорог. Создание единого стандартного идентификатора необходимо для обеспечения бесконфликтного обмена данными между железнодорожными предприятиями и представляет собой один из аспектов стандартизации информационных систем.
Кодовые номера подвижного состава железнодорожного транспорта содержат
в себе важнейшую информацию для внутреннего и межгосударственного
перевозочного процесса. Номера вагонов позволяют осуществлять однозначную
идентификацию, мониторинг продвижения грузов, поиск «потерянных»
транспортных единиц и представляют собой общий язык для коммуникации между
железнодорожными предприятиями, операторами инфраструктуры,
государственными органами и др.
Объектом исследования является подвижной состав транспортных систем, в первую очередь железнодорожных.
Цель работы заключается в исследовании систем кодирования, используемых для идентифицирования транспортных средств, выборе теоретической базы и конструировании единого кода железнодорожного подвижного состава, а также выработке предложений по организации хранения и обмена данными о транспортных объектах в железнодорожных информационных системах.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, синергетические методы представления структуры сложных систем, теория графов, методы компьютерного моделирования. В работе сочетаются как формальные, так и содержательные подходы.
На защиту выносятся следующие основные научные положения, составляющие предмет научной новизны:
структурная иерархическая модель транспортной отрасли, подкреплённая ранговой упорядоченностью номенклатуры, дающая возможность разработки единообразной систематики для всего подвижного состава;
подход, позволивший представить идентификационный код двумя составляющими: стабильной систематической и переменной, связанной с движением собственности.
Наиболее существенные научные результаты:
выполнен системный анализ методов кодирования в разных странах и регионах мира;
на основе математической модели транспорта в виде ветвящегося графа с трёхмерными узлами-матрицами, разработана систематика подвижного состава, которая использована для цели формирования стабильного компонента кода;
решена задача лаконичного представления собственника подвижного состава через номер его регистрации в электронном реестре и оригинальный шифр региона мира;
на основе единого кода предложен способ получения дополнительных технических и других сведений о подвижном составе через глобальную сеть;
разработана схема унификации обмена данными между информационными системами национального и глобального уровней.
Обоснованность научных положений и рекомендаций определяется отсутствием противоречий в совпадающих частях предложенного и существующих кодов подвижного состава, а также реальным изоморфизмом систематик различных типов железнодорожного транспорта (и их шифров) в заявленной стабильной компоненте.
Практическая значимость полученных результатов. Применение разработок позволит решить проблему единообразной идентификации транспортных объектов, так как до настоящего времени ни одна концепция не могла претендовать на эту роль. Научное обоснование при создании системы кодирования подвижного состава обеспечивает возможность долговечности шифра, а реализация концептуального проекта базы данных (БД) позволяет создать единое
информационное пространство систем управления. Способ кодирования транспорта и механизм взаимодействия вычислительных комплексов может быть применён также к разнородным промышленным изделиям.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации
обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука.
Технологии. Инновации» (2005 г., Новосибирск, НГТУ); 44-й Всероссийской
научно-практической конференции «Современные технологии -
железнодорожному транспорту и промышленности» (2005 г., Хабаровск, ДВГУПС); XI Международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях» (2006 г., ИСЭМ СО РАН); X Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (2006 г., Санкт-Петербург, СПбГПУ).
Результаты внедрения. На разработки диссертации получены отзывы Службы коммерческой работы в сфере грузовых перевозок и Дирекции по ремонту грузовых вагонов ВСЖД - филиала ОАО «РЖД». На основе материалов заключительной главы диссертации опубликовано пособие «Элементы архитектуры, функционирования и проектирования информационно-вычислительных сетей», которое ориентировано на учебный процесс ИрГУПС.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь печатных работ, из них одна статья в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных положений диссертационных работ, а также одно учебное пособие.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Основной объём работы составляет 157 страниц, 28 рисунков, 29 таблиц и 4 приложения на 15 страницах. Библиографический список содержит 137 наименований.
Предпосылки кодирования инфраструктуры железнодорожного транспорта
Код есть форма обозначения объекта инфраструктуры, не зависящая от его физической сути, система условных знаков, символов, сокращенных обозначений и названий, применяемых для передачи, обработки, хранения информации. Кодирование - процесс установления соответствия между объектами и кодами, их идентифицирующих.
Кодирование должно отвечать следующим важным целям и требованиям:
- сжатость информации;
- однородность представления и исключение двусмысленности;
- постоянство: выделенный код должен как можно дольше оставаться неизменным;
- простота: код должен удовлетворять как условиям его применения, так и учитывать квалификацию пользующегося им персонала;
- точность: код должен однозначно идентифицировать объект кодирования;
- информативность: использование минимального числа знаков в коде, учитывая при этом требования всех пользователей;
- расширение: обеспечение достаточного резерва кодов для возможности нумерации новых объектов;
- эффективность: код должен быть функционально приспособленным для той сферы применения, для которой он был разработан;
- совместимость: код должен обеспечивать эффективную обработку информации средствами вычислительной техники.
Применяемые в настоящее время системы кодирования могут быть отнесены к двум типам: неструктурированные и структурированные. Преимущества структурируемого принципа кодирования по отношению к железнодорожному транспорту заключаются в возможности распределения объектов по определенным признакам кодирования. Структурный шифр дает информацию об особенностях данного элемента кодирования. Для проверки правильности визуального считывания структурированного шифра могут применяться коды, дополненные цифрой - контрольным числом, позволяющим обнаруживать наличие ошибки в основном коде [104].
Идентификаторы используются во всех областях человеческой деятельности. Типичные примеры - транспорт, домашнее и промышленное оборудование, книги, розничные товары и компьютерное программное обеспечение. Коды могут использоваться для определения специфических характеристик, указания прав собственности, описания составных частей изделий, защиты товара от подделок и для многого другого.
Определим термины «долговременный идентификатор» и «эксплуатационный идентификатор». Долговременный идентификатор используется для того, чтобы отобразить уникальные характеристики объекта кодирования. Значение такого идентификатора практически неизменно в течение всей жизни объекта кодирования. Пример: товарные номера EAN/UCC [2], номера книжной продукции ISBN [80], идентификационные номера транспортных средств VIN [51], и др. Эксплуатационный идентификатор используется, для того чтобы определить основные эксплуатационные характеристики классифицируемых объектов. Этот идентификатор может ссылаться на конкретные свойства узкого класса объектов.
Вне сферы транспорта, во многих случаях, используется один эксплуатационный идентификатор сразу для группы объектов. К примеру, в экспресс-почте идентификаторы используются для маркировки упаковки, но не существует никаких требований для того, чтобы идентификатор содержал в себе какую-либо информацию об упакованном предмете. Однако этот идентификатор отображает такую информацию, как дата создания или дата отправки корреспонденции.
Синергетический подход к эволюции транспорта и его подсистем
Существующий уровень теоретического обоснования кодирования подвижного состава, очевидно, невысок и сводится к решению частных задач классификаций, неприемлемых для выработки единообразного (универсального) способа кодирования железнодорожной инфраструктуры. Для решения одной из поставленных в диссертации задач - исследования теоретических вопросов кодирования подвижного состава железнодорожного транспорта и выработки на этой основе некоторой фундаментальной базы на перспективу решения проблемы кодирования не только объектов железнодорожной инфраструктуры, но и всех видов транспорта вообще, автором был выбран синергетический подход к оценке эволюции транспорта и его подсистем.
Без понимания роли, которую играет развитие в формировании сложно организованного материального многообразия, невозможно решить вопрос о долговременном кодировании даже в пределах одного государства. Наглядной иллюстрацией здесь может послужить восьмизначный код подвижного состава, принятый в СССР в 1985 году, внедрённый в начале девяностых и уже к настоящему время полностью устаревший.
Конец двадцатого века ознаменовался рождением нового научного направления - синергетики (греч. synergeia - совместное действие). В основе этой науки лежит положение о единообразии закономерностей развития материального мира, неустранимо приводящее к идее универсальности [28, 63, 73]. Одним из основоположников этого нового направления в науке и автором самого термина «синергетика» является Герман Хакен [133]; основное внимание его школы сосредоточено на аспекте спонтанного коллективного поведения элементов сложной системы в состоянии сё неустойчивости. Одновременно другая школа - нобелевского лауреата И.Р. Пригожина - концентрирует своё внимание на термодинамическом аспекте явления самоорганизации, связывая его с фактом диссипации (рассеяния) энергии в реальных процессах [88, 89].
Синергетика - это наука об открытых сильно неравновесных системах, которые в силу неустойчивости и нелинейности связей по потокам вещества, энергии и информации склонны к самоорганизации своей структуры и поведения. При интенсивном обмене этими субстанциями элементов между собой и с объектами внешней среды возникает согласованность поведения подсистем, приводящая к спонтанному изменению (повышению и снижению) степени упорядоченности системы.
Объектом изучения в синергетике являются системы с реально диссипативным характером протекания процессов и взаимодействия элементов. Система считается диссипативной, если рассеяние энергии во внешнюю среду оказывает существенное влияние на её поведение, а упорядоченные образования, возникшие в результате самоструктурирования неустойчивой системы, приводят к качественно новому локально равновесному состоянию. Синергетика охватывает предметы, процессы и явления от микромира до космоса, от неживой природы до биологических, экономических и социальных систем. Способность к самоорганизации - изначально присущее материи свойство [12, 28, 49]. Таким образом, синергетика - как наука о материи - является междисциплинарной, формирующей, наряду с философией, концептуальное видение движения (изменения) всего происходящего в окружающем нас мире.
Будучи наукой о сложных системах, синергетика может рассматриваться в качестве ветви теории систем, так как у каждой из них предметом изучения являются общие принципы функционирования систем без их связи с конкретной реализацией. Системный подход основывается на том, что при изучении совершенно разных сложно организованных объектов полезны обобщающие оценки, понятия, заимствование результатов из всевозможных областей знания [27, 53, 56, 84, 122]. Так называемый сшгергетический эффект, возникающий в результате спонтанного самоструктурирования большого числа взаимосвязанных элементов, есть ни что иное, как частное проявление системного эффекта - эмерджентности, т.е. свойства появления нового качества у целого, не сводимого к сумме свойств образовавших его частей [12].
Обобщённая структура единого кода
Единая система кодирования должна базироваться на прочных научных законах, естественных принципах и критериях систематизации [77]. Существующие классификации созданы по правилам, хорошо отображающим лишь частные особенности систематизируемых объектов (речь о них шла в первой главе). Ни одна из таких классификаций не имеет глубокой теоретической основы формирования, и уже поэтому не обладает свойствами универсальности, а, значит, и долговременное.
В актуальной проблеме кодирования транспорта универсальность означает выполнение следующего ряда естественных требований по:
- разрядности кода;
- информационной ёмкости (технических сведениях);
- устойчивости к переменам (по мере технического прогресса);
- однозначности толкования (уникальности);
- охвату (стран и собственников);
- надёжности (при автоматическом считывании);
- наглядности (простоте восприятия).
Учёт всех этих требований вызывает необходимость применения обоснованных решений по смысловому наполнению кода. Одна из задач диссертационного исследования заключалась в изучении фундаментальных основ кодирования инфраструктуры железнодорожного транспорта и поиске адекватного решения обозначенной проблемы. Во второй главе показана универсальность моделей и методов синергетики и обоснован выбор метаклассификации - систематики. Многомерная систематика транспорта, разрабатываемая в ИрГУПС, включает в себя всё многообразие транспортного мира, и позволяет в сжатой форме однозначно записывать необходимые таксономические категории. Поэтому разработка структуры кода будет проводиться на основе фундаментальной научной концепции самоорганизации и универсальной систематики.
Кодирование должно идти вслед за изменяющимися условиями действительности. Технический прогресс, специализация и кооперация производств и способов доставки их продукции по всему земному шару предъявляют строгие требования к характеристикам того или иного идентификационного шифра. В мире наблюдается стремление к повышению информационной ёмкости кода, что неизбежно приводит к усложнению его структуры.
Свойство долговремешюсти тесно связано с выбором структуры шифра. Анализируя различные существующие системы кодирования, автор обращался к проблеме относительных достоинств структурированных и неструктурированных номеров. Теперь необходимо обосновать выбор той системы, которая удовлетворит обозначенным требованиям. Возможно, самый большой недостаток структурированного номера состоит в том, что поскольку сведения о транспортном средстве закодированы в его номер, то каждый раз, когда они меняются, меняется и номер. Типичным примером здесь является смена владельца подвижного состава. Следовательно, целиком структурированный номер не может быть постоянным идентификатором и, таким образом, потребуется выделить отдельную часть кода для того, чтобы ввести постоянный идентификатор. Это означает, что каждое транспортное средство должно иметь, по крайней мере, две компоненты номера, обрабатывающиеся в базах данных одновременно.
В отличие от этого, неструктурированный номер может быть постоянным, то есть транспортному средству достаточно иметь только один код. Однако сам номер не несет никакой другой информации, кроме той, что он сам по себе является уникальным. Это не является проблемой для современных информационных систем, которые могут быстро предоставить подробности, закодированные в данном номере. Сложности с использованием неструктурированных номеров возникают там, где нет никакого доступа к информационной системе. Это означает, что пользователь не может выяснить подробные сведения о транспортном средстве из его номера. Автор считает, что значимость структурированного номера в этом контексте особенно велика.
Роль идентификационного номера в современных железнодорожных информационных системах
Под железнодорожной информационной системой понимается вычислительная инфраструктура, представляющая совокупность аппаратных и программных средств, а также стандартов представления и обмена информацией, предназначенных для обеспечения эффективного управления работой железнодорожного транспорта. Проблема структурирования и сохранения информации в базах данных существует давно, но особое значение она получила с переходом к рыночной модели взаимодействия различных собственников железнодорожного транспорта.
«Использование системы электронного обмена данными и разработка на её основе новых информационных технологий требует решения ряда проблем. Это и унификация, и интеграция информационной . базы, освоение международных стандартов, использование средств сопряжения и конвертирования форматов информационных сообщений, развитие и модернизация действующих информационных систем» [47].
Объективным препятствием к созданию новых и поддержке существующих информационных систем (ИС), основанных на применяемых в настоящее время в России, а также рекомендуемых ОСЖД/МСЖД шифрах подвижного состава, является отсутствие адекватной теории классифицирования подвижного состава (речь об этом шла в гл. 1). Предлагаемая в настоящей работе 14-значная система кодирования, призвана не только устранить это ограничение, но и внести единообразие в мировую практику присвоения кодовых номеров. Другая важная её задача - предложить основу для построения модели взаимодействия национальных баз данных и организации единой информационной среды.
Общепризнанный (по структуре и содержанию) идентификационный номер транспортной единицы может стать основополагающим вкладом в эффективное функционирование баз данных и систем управления, работающих с этими базами. Вводя эту гипотезу, рассмотрим сначала современное состояние информационных систем на примере России и ряда зарубежных государств (Франции, Великобритании и США).
Сетевая интегрированная российская информационно-управляющая система «СИРИУС» представляет собой комплекс, объединяющий. существующие информационные технологии управления перевозками в единое целое [48]. Она основана на базе данных дорожно-сетевого уровня, которая была создана несколько десятилетий назад и до сих пор активно применяется на железной дороге благодаря высокой производительности и способности одновременно и бесперебойно обрабатывать огромные объёмы информации о подвижных единицах ОАО «РЖД».
Важным атрибутом СИРИУСа является необходимость использования единых норм и стандартов, которые в настоящее время не предусмотрены в таких отечественных системах баз данных, как АСОУП (автоматизированная система оперативного управления поездами) и АСОУП-2. Жёсткая привязка к восьмизначному идентификационному номеру и оптимизация под формат (разрядность) перфокарты, заложенная ещё на этапе программирования этих систем, привела к отсутствию гибкости и невозможности будущего роста.
Появление частных владельцев подвижного состава осложнило задачу обмена данными о траЕіспортных единицах. В разных филиалах ОАО «РЖД» эта задача решается различными путями. Но для всех общей чертой является создание промежуточных баз данных и систем управления, которые создают дубликаты существующей информации, передающейся затем в ИС частных собственников.
