Какие данные система автоведения получает от блок

Cистема автоведения поезда

Система Автоведения (АВ) управляет тягой и торможением поезда, обеспечивая выполнение графика движения и экономию расхода энергоресурсов на тягу за счет рационального режима движения.

• АВ реализовано на электровозах серии 2ЭС6, 2ЭС10, 2ЭС7
• АВ для вождения в составе соединенного поезда (АВ-РТ) реализовано на электровозах серии 2ЭС6, 2ЭС7, 2ЭС10, 2ЭС6А
• АВ для ССПС (АВ-ССПС) встроенное в систему безопасности БЛОК
• АВ для синхронного вождения соединенных поездов для электровозов Узбекистана 2O`Z ELR производства CRRC Китай
• АВ c функцией «виртуальная сцепка» на базе DMR (АВ-DMR) для электровозов серии 2ЭС6, 2ЭС6А

Жизненный цикл ПО по ГОСТ.pdf

Система автоматизированного ведения соединенными поездами по радиоканалу АВ-РТ

Система является программным обеспечением, применение которого позволяет повысить безопасность вождения соединенных поездов.

Функции АВ-РТ:

• управление локомотивами, расположенными в головной и средней части железнодорожного составам по радиоканалу с поста управления ведущего электровоза;
• обеспечивает расчет в реальном времени энергетически рациональных режимов движения в зависимости от поездной обстановки (выполнение графика движения, требований сигналов светофоров (с остановкой у красного сигнала напольного светофора на расстоянии не ближе 150 м) и ограничений скорости), плана и профиля пути.

Пошаговая инструкция по развертыванию экземпляра.pdf

Порядок определения стоимости программного обеспечения:

За предоставление прав Лицензиат ежеквартально уплачивает Лицензиару периодические вознаграждения в виде текущих отчислений (роялти) в размере 10 (десяти) процентов, исчисляемых от объема реализации продукции с использованием ПЭВМ в течение отчетного периода.

Для получения актуальной информации свяжитесь с нами по электронной почте: info@vniizht.ru или телефону +7 (499) 260-41-11

Разработка и исследование средств взаимодействия приложений и методов защиты вычислительного комплекса транспортной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.15, кандидат наук Корнев, Дмитрий Александрович

Оглавление диссертации кандидат наук Корнев, Дмитрий Александрович

I СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕ- 10 НИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

1.1. Разработка системы управления движением поездов для участка железной 10 дороги с диспетчерской централизацией

1.1.1. Анализ структуры и функционирования системы диспетчерской центра- 10 лизации «Сетунь»

1.1.2. Анализ структуры и функционирования системы автоведения поездов 11

1.1.3. Структура вычислительного комплекса взаимодействия системы автове- 15 дения поезда и системы диспетчерской централизации

1.2. Структура и классификация систем виртуализации 23

1.3. Анализ уязвимостей виртуальной компьютерной сети и средств ее за- 28 щиты

1.4. Законодательная база информационной безопасности 32

1.5. Выводы по главе I 35

II РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 37 ВИРТУАЛЬНОГО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

2.1. Анализ алгоритмов и моделей функционирования виртуальных компь- 37 ютерных систем

2.2. Расчет нагрузки на ресурс вычислительного комплекса для обеспечения 40 функционирования комплексной системы управления движением поездов

2.3. Разработка модели вычислительного комплекса и ее тестирование 43

2.4. Расчет характеристик работы вычислительного комплекса при работе в сис- 55 теме управления движением

2.5. Определение эффективности использования вычислительного 59 комплекса

2.6. Выводы по главе II 63

III ВОЗМОЖНЫЕ УЯЗВИМОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА И МЕ- 65 ТОД БОРЬБЫ С НИМИ

3.1. Использование средств резервирования вычислительного комплекса для 65 повышения надежности его функционирования

3.2. Резервирование вычислительного комплекса 69

3.3. Моделирование работы вычислительного комплекса в условиях проведения 75 информационной атаки

3.4. Определение маршрутов возможных атак на вычислительный комплекс 81

3.5. Выводы по главе III 83

IV РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЗАЩИЩЕННОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ- 84 НОГО КОМПЛЕКСА И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЙ

4.1. Статистика уязвимостей и эффективности систем защиты информационных 84 систем

4.2. Анализ алгоритмов и моделей безопасности компьютерных сетей 92

4.3. Моделирование атаки на вычислительный комплекс при условии крипто- 96 графической защиты информации

4.4. Разработка метода определения эффективности системы защиты вычисли- 105 тельного комплекса

4.5. Результаты расчета эффективности системы защиты вычислительного 108

4.6. Выводы по главе IV 115

Список литературы 119

ПРИЛОЖЕНИЕ А 134

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 143

Список сокращений 145

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Вычислительные машины и системы», 05.13.15 шифр ВАК

Разработка и обоснование эксплуатационно-технологических, технических и программных требований по созданию автоматизированных систем диспетчерского управления на железных дорогах 1998 год, кандидат технических наук Садыков, Кудрат Валиевич

Метод повышения точности прогнозирования пропуска поездов по участку 2015 год, кандидат наук Васильев, Алексей Борисович

Методы и алгоритмы автоматизации управления на станциях железных дорог Республики Узбекистан при высокоскоростном движении 2018 год, кандидат наук Болтаев, Суннатилло Туймуродович

Автоматизация управления высокоскоростным движением поездов 2012 год, кандидат технических наук Гапанович, Валентин Александрович

Повышение эффективности использования магистральных грузовых электровозов посредством управления режимами эксплуатации 2021 год, кандидат наук Перестенко Артем Евгеньевич

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование средств взаимодействия приложений и методов защиты вычислительного комплекса транспортной системы»

Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года определена важная роль развития высокоскоростного железнодорожного транспорта и создания технологической платформы «Высокоскоростной интеллектуальный железнодорожный транспорт» [1].

На ближайшую перспективу целью разработки Технологической платформы является внедрение единой комплексной системы управления движением высокоскоростных поездов (до 400 км/ч) с многоуровневым обеспечением безопасности движения, а также создание интеллектуальной среды эксплуатации высокоскоростного железнодорожного транспорта.

К основным задачам и функциям Технологической платформы относятся:

1. интеграция современных машиностроительных и информационных технологий и средств автоматизации в транспортную инфраструктуру для повышения безопасности и эффективности транспортного процесса;

2. разработка интеллектуальных логистических систем управления перевозочным процессом для высокоскоростного железнодорожного транспорта в увязке с другими транспортными системами, в том числе для обеспечения энергоэффективного управления движением;-создание «интеллектуального» поезда со встроенной системой автоведения и самодиагностики;

3. создание единого информационно-коммуникационного пространства транспорта с обеспечением информационной защиты на основе средств цифровой связи со стандартизованными технологиями идентификации, навигации и позиционирования, а также применения, спутниковых технологий ГЛОНАССЮРБ.

Из-за большой протяженности железных дорог России (86 тыс. км дорог общего назначения), высокой стоимости прокладки и обслуживания особенность их эксплуатации заключается в том, что одно и то же полотно используется как для грузового, так и пассажирского движения. Учитывая значительные расстояния между городами, связываемыми высокоскоростным движением, прокладка специальных линий на настоящий момент экономически не оправдана и в ближайшее время не планируется. В связи с этим перед службами РЖД встает проблема организации движения высокоскоростного подвижного состава в графике движения поездов со средними эксплуатационными характеристиками. При этом организация движения должна соответствовать принципам оптимизации по времени следования поездов и их энергозатратам. Реализовать это можно только за счет повышения пропускной способности железных дорог.

Для обеспечения безопасности движения поездов на железной дороге (ж.д.) используется диспетчерская централизация (ДЦ), выполняющая управление из одного пункта стрелка-

ми и светофорами ряда станций и перегонов в зависимости от их занятости, а также автоматическую запись графика исполненного движения поездов.

С 1990г. года на ж.д. начала внедряться автоматическая система ДЦ «Сетунь» с высокоскоростным обменом информацией между центральным распорядительным постом и линейными исполнительными и контролируемыми пунктами [2]. Эта система позволяет осуществлять организацию движения на контролируемом участке, а также выполнять сбор, обработку и отображение информации в реальном масштабе времени о местоположении поездов, их номерах и состоянии других объектов контроля. Обмен информацией между центральным постом и линейными пунктами осуществляется по сети рабочей связи, которая имеет возможность осуществлять удаленный мониторинг программного обеспечения линейных пунктов и состояния интерфейсов и осуществляет реконфигурацию опроса линейных пунктов при возникновении проблем на линии связи (с одновременной индикацией неисправности). Длина управляемого и контролируемого участка ДЦ «Сетунь» — 200 — 1000 километров (в зависимости от интенсивности движения поездов).

Однако применение цифровой системой ДЦ при наличии «человеческого фактора» в управлении подвижным составом является недостаточным мероприятием для обеспечения максимальной пропускной способности железной дороги. Второй составляющей Технологической платформы является система автоведения поезда, которой уже в настоящее время оборудуются опытные магистральные локомотивы и электропоезда [3]. Однако на настоящий момент комплексное взаимодействие системы ДЦ с системами автоведения поездов, находящихся в зоне контролируемого участка, отсутствует. Алгоритм управления локомотивом система! автоведения рассчитывает исходя из постоянной информации о параметрах профиля участка и сигналов безопасности, получаемых с ближайшего светофора. Отсутствие информации о поездной ситуации на всем участке следования проводит к необходимости использования поездом режимов торможения, что снижает участковую скорость движения и энергетическую эффективность работы локомотива, а также повышает износ колесных пар и тормозного оборудования поезда. Интеграция системы автоведения локомотива в систему ДЦ участка ж.д. позволит оптимальным образом согласовать текущую поездную ситуацию участка, характеристики его профиля и режим движения поезда. Это обеспечит не только максимальную пропускную способность железных дорог, но снизит вероятность возникновения аварийных ситуаций и повысит экономичность работы локомотивов. Мощности современных вычислительных систем позволяют успешно решить задачу взаимодействия систем автоведения поездов с системой диспетчерской централизации, а технологии виртуализации — обеспечить распределение вычислительных сред для решения принципиально разных задач: контроля, прогнозирования и организации движения в конкретной поездной ситуации. Кроме того, такому вычис-

лителыюму комплексу (ВК) можно передать часть функций системы автоведення, разгрузив ее процессор, а также в режиме реального времени контролировать действия машиниста и всех систем локомотива, повышая безопасность движения и прогнозируя надежность работы локомотивов, что даст возможность наилучшим образом организовать их эксплуатацию и обслуживание на линии.

Виртуальная вычислительная среда позволяет реализовать любой алгоритм управления вычислительными процессами отдельных приложений, получить высокий уровень доступности ресурсов, сократить расходы, благодаря более эффективному использованию аппаратных средств, обеспечить более высокий уровень безопасности и более совершенную систему восстановления в авар!шных ситуациях.

Однако существуют и недостатки виртуализации. В первую очередь виртуальная среда требует дополнительных ресурсов на обслуживание каждой виртуальной машины (ВМ), хоста и т. д. Потери могут быть довольно велики — до 20-30% ресурсов процессора (в зависимости от нагрузки), минимум 20% физической памяти (обычно больше) [4]. Поэтому виртуальные машины всегда работают медленнее, чем хост. Другое следствие требования дополнительных ресурсов системами виртуализации — невозможность использования множества ВМ на’одном физическом устройстве. Обычно допустимое число ВМ составляет от 2-4 на обычной персональной машине и до 50 — на высокопроизводительных серверах. Кроме того, уплотнение ин-формащш на одном физическом оборудовании всегда ведет к повышению риска ее потери или компрометации; в случае «заражения» хоста и «прослушивания» его сетевых интерфейсов нарушитель может видеть всю информацию, передаваемую ВМ в сеть.

Однако, вследствие большой вычислительной мощности современного сервера экономически целесообразно его использование для решения комплексных задач, требующих значительных ресурсов, в частности решения задачи оптимального управления движешгем поездов на участке ж.д. значительной протяженности, а технологии виртуализации позволят наиболее эффективным образом распределить ресурс сервера для решения частных задач эксплуатации и безопасности движения поездов с разными техническими характеристиками. При этом следует иметь в виду, что вследствие большой протяженности участка ж.д., обслуживаемого ВК, взаимодействие между локомотивами и собственно ВК будет включать каналы радиосвязи, что делает возможным проведение информационных атак на систему с целью нарушения движения на ж.д. Это может привести к остановке движения на любом из направлений и большим экономическим потерям. Для снижения вероятности информационных атак ВК системы управления движением должен иметь эффективные средства защиты.

Диссертация посвящена актуальной теме разработки защищенного вычислительного комплекса системы управления движением поездов как составляющей единого информацион-

но-коммуникационного пространства, значимость которой для науки и практики заключается в развитии методов создания и защиты интеллектуальных логистических систем управления перевозочным процессом.

Научно-технической задачей диссертации является создание метода разработки за-щищешюго вычислительного комплекса системы управления движением поездов с использованием средств виртуализации.

Объект исследования: вычислительный комплекс для решения задачи повышения эффективности и безопасности перевозочного процесса по сети ж.д.

Предмет исследования: методы взаимодействия компьютерных сетей и приложений.

Целыо дисссртациоииой работы является разработка вычислительного комплекса с эффективной системой защиты для решения задачи управления движением поездов на участке железной дороги, контролируемом диспетчерской централизацией.

Поставленная цель определяет основные задачи диссертационной работы:

1. Определение объемов и характеристик информации, обеспечивающей выполнение алгоритма взаимодействия участников перевозочного процесса (систем диспетчерской централизации, автоведения поезда и комплексного устройства безопасности локомотива). 1

2. Разработка структуры и алгоритма функционирования вычислительного комплекса для логистического управления перевозочным процессом.

3. Разработка программно — ориентированного метода взаимодействия элементов вычислительного комплекса с возможностью расчета нагрузки на его ресурс от участников перевозочного процесса.

4. Обеспечение надежности функционирования вычислительного комплекса при внезапном отказе его элемента.

5. Определение уязвимостей вычислительного комплекса при информационной атаке на него.

6. Разработка метода определения средств эффективной защиты вычислительного комплекса с учетом его структуры и возможных маршрутов проведения атак.

Результаты, выносимые на защиту и их научная новизна:

1. Структура комплексной системы управления движением поездов как единого информационно-коммуникационного пространства на основе средств цифровой связи со стандартизованными технологиями идентификации, навигации и позиционирования, отличающаяся от существующих тем, что она позволяет повысить уровень взаимодействия участников перевозочного процесса за счет интеграции их полномочий на базе вычислительного комплекса.

2. Разработана математическая модель вычислительного комплекса на базе математического аппарата сетей Петри, отличающаяся от известных тем, что объединяя преиму-

щества графового представления состояний и дискретной модели системы позволяет имитировать динамический процесс распределения ресурса между приложениями в виртуальной инфраструктуре с учетом параллельных и асинхронных процессов их взаимодействия и рассчитывать количественные показатели работы системы, в том числе, при моделировании сценариев испльзовашм резервных элементов комплекса.

3. Разработана математическая модель М1ТМ-атаки на вычислительный комплекс на базе математического аппарата расширенных сетей Петри, которая в отличие от известных моделей позволяет имитировать динамический процесс изменения маршрутизации трафика нарушителем при любом возможном алгоритме проведения атаки.

4. Разработан вероятностный метод расчета эффективности защиты вычислительного комплекса, отличающийся от известных тем, что позволяет имитировать динамический процесс проведения М1ТМ-атаки в интегральной модели маршрутов несанкционировашюго доступа с учетом характеристик защит элементов комплекса; основу метода составляют модель М1ТМ-атаки на вычислительный комплекс с криптографической защитой информации и метод Монте-Карло с разыгрыванием случайных параметров атак и уровней защиты его элементов.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным применением методов математического моделирования процессов взаимодействия вычислительного ресурса и его приложений на базе математического аппарата сетей Петри, методов математической статистики и векторной оптимизации, а также подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования и экспериментального исследования вычислительных процессов.

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п. 5 паспорта специальности 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети», поскольку в ней разработан алгоритм создания структуры вычислительного комплекса с эффективной системой защиты для сети управления движением поездов.

Практическая значимость работы:

Разработан инженерный метод создания защищенного вычислительного комплекса логистической системы управления движением поездов, обеспечивающей эффективность и безопасность перевозочного процесса.

Практическое использование результатов работы. Полученные результаты были использованы при создании виртуального комплекса задания параметров движения автономного моторвагонного подвижного состава и тепловозов с гидравлической тяговой передачей с использованием сигналов ОРБ-навигатора, а также для организации каналов взаимодействия этих приложений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Информационные технологии» МИИТа в 2012-2014 гг. а также на следующих конференциях:

Двенадцатая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2011г.

Научно-практическая конференция «Неделя науки — 2012. НАУКА МИИТа — ТРАНСПОРТУ». Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2012г.

Тринадцатая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2012г.

Научно-практическая конференция «Неделя науки — 2013 НАУКА МИИТа — ТРАНСПОРТУ». Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2013г.

IV международная научно-практическая конференция «ИнтеллектТранс-2014», VII Международный транспортный форум, I Форум транспортного образования «Молодые ученые транспортной отрасли»; Московский государственный университет путей сообщения, 2013г.

Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы развития интеллектуальных транспортных систем»; Днепропетровский Национальный Университет Железнодорожного Транспорта, 2014г.

IV международная научно-практическая конференция «ИнтеллектТранс-2014»; Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения, 2014г.

Публикации. По направлению исследований было опубликовано двенадцать работ, из них 5 статей — в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

I. СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

1.1. Разработка системы управления движением поездов для участка железной дороги с диспетчерской централизацией

1.1.1. Анализ структуры и функционирования системы диспетчерской централизации «Сетунь»

Система ДЦ «Сетунь» предназначена для контроля и управления движением на железнодорожных узлах и участках дорог при однопутном и многопутном движении поездов. Она включает в себя современную систему телемеханики с высокоскоростным обменом информацией между центральным распорядительным постом и линейными исполнительными пунктами (ЛП) и выполняет следующие функции непрерывного управления и контроля поездной ситуации на участке ж.д. [5, 6, 7] (рисунок 1.1):

— контроль и отображение состояния путевых объектов;

— непрерывный контроль поездной ситуации на участке в автоматическом режиме с учетом номеров, индексов поездов и других данных;

— передача штатных команд на ЛП;

— передача ответственных команд на ЛП;

— ведение системного журнала (технологического протокола);

— ведение графика исполненного движения поездов с его анализом;

— обмен информацией с компонентами ДЦ «Сетунь» соседних участков и с информационно — управляющими системами верхнего уровня (АСОУП) и едиными базами данных региональных центров управления перевозками.

Структура ДЦ имеет два взаимосвязанных уровня: аппаратуру центрального поста (ЦП), включающую в себя персональные ЭВМ, устройства ввода, отображения и регистрации информации, и аппаратуру ЛП, в состав которой входят управляющая ЭВМ, устройства ввода информации, интерфейс связи с устройствами автоматики на станциях и перегонах. Диспетчерская централизация может работать в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах, осуществлять логическое закрытие путей, перегонов и стрелочных секций с блокированием соответствующих кнопок телеуправления.

Рисунок 1.1. Схема взаимодействия элементов ДЦ «Сетунь»

На центральном посту ЦП располагаются автоматизированные рабочие места поездных диспетчеров АРМ ДЦ, сервер для хранения всей оперативной и справочной информации и компьютеры рабочих станций РС «Связь», объединенные в локальную вычислительную сеть (ЛВС). С помощью сервера осуществляется взаимодействие ДЦ с информационными системами. Рабочие станции «Связь» осуществляют взаимодействие с линейными пунктами ДЦ по линиям связи через встроенные в них модемы.

1.1.2. Анализ структуры и функционирования системы автоведения поездов

В последние десятилетия активно велись работы по созданию систем автоведения поездов и в настоящее времени ими оборудовано более пяти тысяч магистральных локомотивов и электропоездов (ВЛ10, ВЛ11, ВЛ80С, ВЛ85, 2ЭС5К ЗЭС5К, ЭП20, ТЭП70 и др.) [3]. Система автоведения — это аппаратно-вычислительный комплекс, который рассчитывает оптимальный алгоритм следования поезда. Результаты мониторинга движения пассажирских поездов показали, что доля поездов, отклонявшихся от энергооптимального графика при автоведении в 3-4 раза меньше, чем при ручном управлении, а экономия электроэнергии составляет в среднем от 3 до 10%.

Системы автоведения могут работать в двух режимах:

• режим автоведення, когда система полиостью контролирует движение поезда, управляя локомотивом;

• режим советчика, когда поездом управляет машинист, а система выводит на экран рекомендации по энергооптималыюму алгоритму ведения поезда и отображает текущую информацию о режиме движения.

Примером системы автоведения является универсальная система автоведения магистрального тепловоза УСАВП-Т [8,9], которая обеспечивает движение поезда на заданном участке с соблюдением установленных ограничений скорости по сигналам автоматической локомотивной сигнализации (AJIC) в соответствии с оптимальным графиком движения. В системном блоке УСАВП-Т хранится база постоянных данных с электронной картой участка следования. Составляющей системы автоведения является подсистема регистрации параметров движения тепловоза РПДА-ТМ, выполняющая сбор, обработку, регистрацию данных о текущей координате, расходе топлива и режимах работы систем тепловоза на съемный носитель, а также их передачу по цифровому радиоканалу (рисунок 1.2) [3]. Питание УСАВП-Т осуществляется от блока питания БПЛК; блоки системы объединяются в одну общую CAN-сеть. Запись информации о параметрах движения осуществляется блоком регистрации (БР) на съемный накопитель информации (БНИ). Открытая структура УСАВП-Т позволила расширить ее возможности путем применения подсистем беспроводного приема данных GPRS и спутниковой навигации.

Блок БС является центральным блоком системы автоведения. В распределенной CAN-сети он выполняет функции шлюза внутренней сети, к которому подключаются остальные блоки системы, а также системы автоматического управления торможением САУТ и комплексного локомотивного устройства безопасности КЛУБ-У [10, 11, 12].

В состав блока входят источник стабилизированного напряжения 48В, два процессорных модуля CPU686 с двумя CAN-интерфейсами каждый и мастер-модуль, реализующий сетевые функции. Блок БС представляет собой высокопроизводительный компьютер, предназначенный для реализации алгоритмов управления тепловозом, вывода визуальной и речевой информации, связи по каналу CAN с напольными приборами безопасности. Он имеет постоянную память, в которую заносят информацию об участке обслуживания, тяговые характеристики тепловоза и расписание движения. Кроме того, часть памяти зарезервирована для хранения переменной (изменяемой) информации: номер поезда, количество вагонов, мест временных ограничений скорости и т.п. Эта информация при необходимости может быть оперативно изменена машинистом.

Модуль коммутации и сопряжения (МКС) осуществляет управление тепловозом на режимах тяги и торможеш!я, контролирует состояния входных и выходных сигналов. Блок МКС обрабатывает и передает в общую информационную шину данных (ИШД) информацию о

входных дискретных и аналоговых сигналах, в том числе о состоянии цепей управления и регулирования, сигнализации тепловоза, тормозной системы, системах дизеля.

КМ- контроллер машиниста; АЛС — автоматическая локомотивная сигнализация; МКС — модуль коммутации и сопряжения; БС — блок процессорный; БМС — блок мобильной связи; БПЖ — блок питания локомотивный; БИВМ — блок измерения высоковольтный модульный; БИД — блок измерения диагностический; БКС — блок коммутации и сопряжения; БНИ — блок накопления информации; БАВ — блок аналогового ввода; БК — бортовой компьютер; БР — блок регистрации; БСГД — блок процессорный с графическим дисплеем; ВК — высоковольтная камера; КЭО — электропневматический клапан тепловоза; ПМ — пневмомодуль; ДД1-ДЦ4 — датчики давления тормозной системы; ДТ1 — ДТЗ — датчики топливной системы и температуры наружного воздуха; пк — позиция контроллера машиниста

Рисунок 1.2. Структурная блок-схема системы УСАВП-Т

Блок коммутации и сопряжения (БКС) выполняет управление тепловозом из второй кабины, обрабатывает и передает в ИШД информацию о входных дискретных и аналоговых сигналах.

Блок измерения высоковольтный (БИВМ) предназначен для измерения напряжения и тока тягового генератора, токов тяговых двигателей, расчета мощности тягового генератора, а также передачи цифровой информации в ИШД.

Диагностический блок (БИД) предназначен для измерения напряжения и тока во вспомогательных электрических цепях тепловоза, а блок аналогового ввода (БАВ) — для подключения каналов датчиков температуры; показания обоих блоков в виде цифровой информации передаются в ИШД.

Блок мобильной связи (БМС) передает информацию с тепловоза на удаленное расстояние по каналам спутниковой связи и определяет местоположение и скорость тепловоза по сигналам спутниковой системы навигации GPS.

Для взаимодействия блоков системы УСАВП-Т в ней предусмотрены два канала обмена информацией (порта интерфейса CAN), один из которых является основным, связывающим в единую сеть все блоки УСАВП-Т, а второй посредством блока «Шлюз-CAN» используется4 для подключения к комплексному локомотивному устройству безопасности КЛУБ-У. Загрузка ПО в блок БС осуществляется по каналу RS232. Для записи и хранения зарегистрированной -информации используется переносной блок накопления информации (картридж), позволяющий зафиксировать данные в течение 24 часов работы.

Система непрерывно контролирует правильность работы аппаратуры, осуществляя при; этом функцию самодиагностики по следующим параметрам:

— правильность обмена информацией по внутреннему каналу связи CAN;

— диагностику работы шины CAN;

— правильность срабатывания электронных управляющих ключей.

Объем памяти картриджа БНИ — 64 Мб со скоростью обмена до 1 Мбит/с и временем стирания не более 1с. [10]; объем встроенной энергонезависимой памяти блока БР- 128 Мб.

Система УСАВП-Т снимает с датчиков и аппаратов каждой секции тепловоза более 50 дискретных и аналоговых сигналов: для величин, определяющих безаварийность работы систем — с интервалом времени 10 мс; для величин, определяющих режим управления тепловозом — с интервалом времени 100 мс [13].

Кроме того, для диагностирования состояния тепловоза она измеряет и сохраняет 65 параметров режимов работы систем тепловоза (на картридж через подсистему РПДА).

1.1.3. Структура вычислительного комплекса системы управления движением поездов

Эффективность системы централизованного управления автоведением поездов на линии метрополитена подтверждена в [14,15,16,17]. Для реализации оптимального управления поездом метрополитена система использует информацию о протяженности и профилях участков линии, существующих ограничениях и расчетной тяговой характеристике подвижного состава. Подобные системы позволяет осуществлять централизованное управление поездами на линии, минимизируя энергопотребление и время хода, но не учитывают фактических текущих характеристик подвижного состава и их возможность реализовать оптимальное управление. Кроме того, данная система строится на использовании графика движения поездов, который в условиях метрополитена не меняется и выполняется строго.

Речевой информатор для оповещения пассажиров с прибывающего электропоезда

Речевой информатор для оповещения пассажиров с прибывающего электропоезда

Александр Донской, Сергей Свергун, Анвар Бедретдинов, Евгений Толстов

Представленное в данной статье устройство по радиоканалу передаёт информацию, полученную от системы автоведения электропоезда, на станционную аппаратуру громкоговорящего оповещения пассажиров, а также на систему автоведения другого электропоезда в случае следования единым составом (сдвоенный электропоезд). В автоматическом режиме информируются ожидающие на платформе пассажиры, а сдвоенный электропоезд управляется силами одной локомотивной бригады. Описаны состав и структура системы, функциональное назначение её основных блоков.

«На второй путь прибывает электропоезд, следует до станции Виноградово и имеет остановки: Люберцы, Раменское, далее по всем пунктам», – подобные объявления можно услышать практически на всех остановочных пунктах нашей страны. При большой интенсивности курсирования поездов на вокзального диктора возложена огромная ответственность по обеспечению правильности и своевременности подачи информации. Ценой его ошибки может быть дезинформация пассажира, что повлечёт его опоздание, или, что ещё хуже, посадку в поезд, следующий в другом направлении.
Повышение уровня обслуживания пассажиров является одной из приоритетных задач, решаемых на железных дорогах России. Предпринимавшиеся ранее попытки автоматизировать процесс информирования пассажиров на платформах не во всех случаях оказывались успешными, так как решающая роль в итоге снова доставалась пресловутому человеческому фактору. Так было и с попытками передачи информации с поезда на платформу с использованием штатной радиостанции, поскольку накладываемые на машиниста дополнительные обязанности не были связаны непосредственно с ведением поезда и отвлекали его.

Между тем, в пригородном движении, начиная с 90-х годов прошлого века, эксплуатируется микропроцессорная система автоведения УСАВП (об этом подробно рассказывалось в «СТА» № 4 за 2000 год). Данная система обеспечивает не только автоматизированное управление движением электропоезда, но и звуковое информирование пассажиров в салонах. Можно ли на неё возложить задачу по информированию пассажиров на остановочных пунктах? – Специалистам ЗАО «Отраслевого центра внедрения новой техники и технологий» (ОЦВ) и фирмы Fastwel удалось ответить на этот вопрос положительно.
Основная идея, реализованная в системе речевого информатора для оповещения пассажиров на платформах (РИДОП), заключается в передаче информации от системы автоведения по радиоканалу на станционную аппаратуру громкоговорящего оповещения пассажиров в автоматическом режиме, без участия машиниста.

НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ

Система РИДОП предназначена для автоматического речевого оповещения пассажиров на железнодорожной платформе о проследовании электропоездом платформы остановочного пункта (станции). Система громкоговорящего оповещения станции сообщает номер пути, по которому проследует прибывающий поезд, и его дальнейший маршрут следования, а если электропоезд следует без остановки, предупреждает пассажиров о необходимости отойти от края платформы.

Оповещение пассажиров в салонах электропоезда при этом осуществляется системой автоведения.
Дополнительным назначением системы РИДОП является обеспечение управления сдвоенным электропоездом (по сути — двумя электропоездами, оборудованными автоведением) силами одной локомотивной бригады по радиоканалу из ведущего электропоезда.

СОСТАВ И СТРУКТУРА

• станционный информатор (рис. 1);
• бортовой информатор (рис. 2);
• станционная антенна;
• бортовая антенна;
• кабельный комплект.

Структурная схема РИДОП представлена на рис. 4.
В состав БИ входят модуль речевого процессора и блок питания, конструктивно объединённые в общем корпусе, а также антенна. Речевой процессор (РП) состоит из следующих функциональных блоков: управляющего микроконтроллера, блока управления, флэш-памяти речевых сообщений и радиоканала.
СИ тоже содержит речевой процессор, блок питания и антенну.

Речевые процессоры БИ и СИ аппаратно аналогичны, однако РП БИ включает в свой состав, помимо основного, также и дополнительный аудиоканал (канал 2). Основной аудиоканал может быть использован для выдачи служебной информации машинисту электропоезда (помощнику машиниста в кабине хвостового вагона), а дополнительный – для оповещения пассажиров в салонах вагонов.
Основные технические характеристики РИДОП приведены в табл. 1.
Особенностями аппаратной реализации системы являются незначительная потребляемая мощность, а также относительно малые габариты и вес (рис. 5).

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ

Управляющий микроконтроллер РП БИ обеспечивает параллельное исполнение следующих задач: приём информации о маршруте следования и местоположении электропоезда от УСАВП, установление радиосвязи и передачу на ближайший остановочный пункт номеров фрагментов сообщений, которые должны быть воспроизведены станционным речевым информатором (исходная информация для формирования сообщений заложена в станционном блоке РИДОП). Микроконтроллер работает в многозадачном режиме с пиковой производительностью до 22 MIPS. Два последовательных порта микроконтроллера используются соответственно для приёма пакетов информации от УСАВП и для загрузки базы речевых сообщений. Оба порта работают со скоростью 9600 бит/с и имеют гальваническую изоляцию. Аналоговый вход микроконтроллера с разрешением 10 разрядов используется для измерения уровня сигнала в радиоканале (RSSI). Сигнал RSSI также подаётся на вход аналогового компаратора, который формирует аппаратное прерывание в случае превышения входным сигналом порогового значения. Функциональное назначение управляющего микроконтроллера РП СИ во многом аналогично описанному.

Управление устройствами речевого процессора производится блоком управления по внешней шине, имеющей 8 разрядов данных и 16 разрядов адреса. Блок управления формирует управляющие сигналы, необходимые для обращения к флэш-памяти, и кодирует/декодирует данные, передаваемые по радиоканалу.
Флэш-память предназначена для хранения базы речевых сообщений. С целью уменьшения отводимого для этого объёма памяти и обеспечения эффективной многозадачной работы микроконтроллера применяется сжатие звуковой информации, выполняемое в соответствии с методом MPEG
2.5. Память в бортовом блоке необходима для унификации его со станционным информатором, а также для увеличения общего объёма памяти системы автоведения, что в перспективе даст возможность перенести часть информации (например рекламу) из системы автоведения в РИДОП.
Радиоканал обеспечивает связь между БИ и СИ. При подъезде к остановочному пункту, за 500 м до платформы, БИ передаёт в СИ номера фрагментов сообщения, которое необходимо воспроизвести на станции. СИ, получив команду на воспроизведение сообщения, посылает в БИ подтверждение правильного приёма этого сообщения. Радиоканал образуют следующие устройства: приёмопередатчик, дополнительный усилитель и антенные переключатели. Дополнительный усилитель используется для компенсации потерь в антенном кабеле, он подключается к приёмопередатчику и антенне с помощью двух антенных переключателей. Программирование режимов работы и управление приёмопередатчиком производится через блок управления.
Устройства РП запитаны от источника вторичного электропитания, который формирует из входного напряжения 5 В выходное напряжение питания 3,3 В, поступающее по двум каналам соответственно в цифровые и аналоговые узлы.
Блоки питания информаторов являются покупными изделиями, формирующими выходное напряжение 5 В на основе напряжения бортовой сети электропоезда 40-170 В (БИ) или переменного сетевого напряжения 220 В/ 50 Гц (СИ).
Антенна бортовая устанавливается на крыше электропоезда, а антенна станционная — на сооружениях станции.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РИДОП ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СДВОЕННЫМ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОМ

Дополнительным назначением РИДОП является применение в системе ведения сдвоенного электропоезда по радиоканалу. Эта система в штатном режиме обеспечивает автоматизированное управление по радиоканалу РИДОП режимами тяги и электропневматического торможения (ЭПТ) сдвоенных электропоездов.
Само по себе ведение сдвоенных поездов требуется далеко не везде и не всегда (в основном в крупных городах при специфическом распределении пассажиропотока), поэтому перед ведением сдвоенного поезда в РИДОП нужно «прошить» соответствующую программу. Это единственное условие для подготовки РИДОП к выполнению дополнительной функции. При этом функция информатора (оповещения пассажиров на остановочных пунктах) не утрачивается. Для выполнения задачи ведения сдвоенного электропоезда необходимо, чтобы системы автоведения управляемых электропоездов имели модификацию УСАВП/2.
Два бортовых блока РИДОП (каждый из них — это фактически блок БИ с бортовой антенной) после стыкования поездов проводят обмен данными между собой по радиоканалу, рабочая частота которого 434 МГц. Каждый из этих блоков имеет свой индивидуальный адрес внутри системы, потому исключена возможность перехвата сообщения другим блоком РИДОП, которому передаваемая информация не предназначена.
Технология ведения сдвоенного поезда выглядит следующим образом (рис. 6). Независимо от того, кто управляет поездом — машинист или система автоведения, все манипуляции по управлению активизируют соответствующие процессы в электрических и пневматических цепях поезда. Система автоведения, расположенная в хвостовом вагоне ведущего поезда, при этом включена и воспринимает управляющую информацию, оцифровывает и передает её в расположенный там же блок РИДОП. Этот блок РИДОП связывается по радиоканалу с другим блоком РИДОП, расположенным уже в головной кабине ведомого поезда и подключённым к своей системе автоведения. В результате ведомый поезд получает посредством системы автоведения те же команды, что и ведущий. Два поезда, таким образом, управляются в синхронном режиме.

• управляет режимами тяги и ЭПТ;
• совместно с системой РИДОП осуществляет речевое оповещение пассажиров на платформах и в вагонах ведущего электропоезда;
• отрабатывает сигналы буксования и торможения (РБ, СОТ), получаемые по радиоканалу от ведомого электропоезда;
• обеспечивает выдачу команды на опускание токоприёмников ведомого электропоезда;
• отображает на дисплее сигналы РБ и СОТ в случае возникновения буксования и применения машинистом торможения в ведомом поезде.

• отрабатывает команды ные по радиоканалу от ведущего электропоезда;
• отображает на дисплее выполняемые режимы работы;
• информирует машиниста (визуальное и звуковое сообщение) о потере связи с УСАВП/2 ведущего электропоезда;
• посылает сигналы РБ и СОТ в радиоканал РИДОП для передачи в головной вагон ведущего электропоезда в случае возникновения буксования и применения машинистом торможения в ведомом поезде.

ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ

Начало внедрения было положено в 2003 году, когда впервые системой РИДОП были оборудованы электропоезда Ярославского направления и остановочные пункты на участке Москва – Мытищи. Всего тогда было оборудовано 7 платформ и 65 электропоездов.
После получения положительных результатов эксплуатации внедрение было продолжено в 2005 году, в течение которого системой РИДОП были оборудованы 23 платформы и 72 электропоезда на участке Москва – Раменское Казанского направления.
В 2006 году планируется оборудовать 129 платформ и 191 электропоезд на Московской железной дороге.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• получение пассажирами достоверной и своевременной информации о маршруте и остановках прибывающего/проходящего электропоезда, а также о пути, по которому проследует электропоезд;
• экономию электроэнергии и повышение безопасности движения благодаря соблюдению расписания при отправлении электропоезда, более организованной посадке пассажиров и сокращению количества необоснованных срывов стоп-крана пассажирами;
• возможность оперативно реагировать на резкое увеличение пассажиропотока, реализуемую на основе ведения сдвоенного электропоезда по радиоканалу с сохранением функций оповещения и обеспечением безопасных режимов управления подвижным составом.

Системы автоматического ведения поезда

В статье описаны системы автоматического ведения поезда, применяемые на тяговом подвижном составе железных дорог. Приведены отличительные особенности систем для каждого класса поездов (электропоезд, пассажирский и грузовой электровозы), описаны функциональные возможности приборов.

ВВЕДЕНИЕ

С момента появления электрифицированных железных дорог стал подниматься вопрос об автоматизации процесса перевозок, не исключая и автоматизацию управления электроподвижным составом. Появлявшиеся в 30-е годы теоретические научные разработки сводили данный вопрос к автоматическому регулированию, решающему, как правило, две основные задачи: поддержание заданной скорости и прицельное торможение в нужной точке.
Вместе с тем повышение требований к уровню автоматизации электроподвижного состава, имеющему непосредственное влияние не только на уровень потребления энергетических ресурсов, но и на безопасность движения, а также усовершенствование и модернизация самих тяговых средств — локомотивов и электричек — заставило расширить комплекс решаемых такими системами задач.

Многолетний практический опыт эксплуатации тягового подвижного состава доказал, что процесс управления поездом — это сложная многофакторная задача, решение которой в значительной степени возложено на машиниста. По мере развития электроники стало возможным создание систем, автоматизирующих решение частных задач при ведении поезда. Функциональные возможности таких систем постепенно расширялись, соответственно увеличивался и круг решаемых ими вопросов. Вместе с тем лишь в последнее время, когда получила широкое распространение микропроцессорная техника, появилась возможность делать такие системы компактными и надежными. А решение в масштабах всей сети железных дорог России такой задачи, как прицельное торможение, вообще стало возможно только в последнее десятилетие.
В нашей стране на транспорте разработки с применением микропроцессорной техники стали внедряться в 80-х годах, когда появились первые системы управления тяговым приводом. Их использовали в основном в силовых преобразовательных установках для управления бесколлекторными асинхронными и вентильными тяговыми двигателями, инверторами на электровозах переменного тока, а также для диагностики электрических цепей. Все эти системы, безусловно, имеют различные схемные решения, однако структурная схема у всех одинакова: система датчиков — устройство ввода-микропроцессорный вычислитель — устройство вывода — исполнительные элементы. В зависимости от конкретно поставленной задачи система датчиков должна обеспечить микропроцессорный вычислитель всей необходимой информацией, а исполнительные элементы обязаны бесперебойно передавать управляющее воздействие на соответствующее тяговое оборудование. Мощность же вычислителя, его быстродействие, объем памяти определены прежде всего сложностью решаемой проблемы.
Условия эксплуатации электроподвижного состава выдвигают весьма жесткие требования к его электрическому и механическому оборудованию. Эти требования не обходят стороной и микропроцессорную технику: здесь необходимы не только устойчивость к вибрациям и тряске, но и к климатическим воздействиям, так как полигон использования отечественного тягового подвижного состава простирается от Заполярья к Средней Азии, включая приморские районы с их влажной атмосферой и континентальные районы Сибири с резкими перепадами ночных и дневных температур. Помимо этого имеется целый ряд специфических требований к блокам питания таких систем и к организации их гальванической развязки от высоковольтных цепей локомотива.

Одна из важнейших особенностей микропроцессорных систем управления тяговым подвижным составом заключается в том, что такие системы являются системами реального времени. Это, в свою очередь, предъявляет определенные требования к программному обеспечению, включая и требования к его организации. Программное обеспечение должно четко реагировать на закономерные и случайные события из заранее оговоренного перечня в жестко заданные интервалы времени, выход за границы которых недопустим.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЕДЕНИЯ

• автоматическое ведение пригородного поезда;
• автоматическое ведение локомотива пассажирского поезда;
• автоматическое ведение локомотива грузового поезда.

Рис. 1. Пример графиков кривых движения (ось абсцисс — перегон: элементы профиля, величина уклонов; ось ординат — скорость)

• соблюдение перегонного времени хода;
• выполнение расписания поезда для каждого конкретного маршрута;
• соблюдение скоростного режима, исключающего превышение установленных скоростей движения, в том числе в местах действия ограничений скорости;
• соблюдение сигналов светофоров, требующих снижения скорости;
• расчёт кривой движения поезда с учетом требования минимизации расхода электроэнергии;
• измерение фактической скорости движения и сравнение ее с расчетной, выбор, исходя из этого, соответствующей тяговой позиции;
• расчет координаты местонахождения поезда (что особенно актуально в условиях недостаточной видимости);
• оповещение пассажиров о названиях остановочных пунктов, о закрытии автоматических дверей, о правилах проезда в пригородных поездах и др.;
• сообщение локомотивной бригаде необходимой информации о местах повышенной бдительности, сигналах автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), местах ограничения скорости, расположении устройств, мимо которых необходимо проследовать с отключенной тягой, об остановочных пунктах и станциях.

Большое количество коротких перегонов и малое число ходовых позиций контроллера (всего 4), а также особенности цепей управления в электропоезде при сбросе позиций обуславливают особый режим ведения электропоезда, который в значительном числе случаев представляет собой последовательность «разгон-выбегторможение». На более длинных перегонах система реализует схему с несколькими включениями тяги, то есть режим «разгон-выбег-тяга-выбег-тяга-. -выбег-торможение». По аналогичной схеме реализуется и поддержание скорости, например, при следовании по участку с ограниченной допустимой скоростью движения. Рассчитанные траектории обобщенно задаются в виде параметров (коэффициентов), описывающих скорость разгона и среднюю скорость. Такой подход позволил построить быстрый регулятор времени хода, весь процесс регулирования при этом укладывается в один такт измерения-управления. При этом управляющая программа получилась достаточно компактной и была реализована на процессорах 8086, которые в более поздних приборах САВПЭ были заменены на 80386SX и 80386ЕX.
Система применяет прицельное торможение поезда при приближении к светофорам, требующим снижения скорости, и к местам действия ограничений скорости, которые либо вводятся заранее (закладываются в память), либо задаются нажатием кнопки с клавиатуры управления.
Управлять поездом при помощи САВПЭ машинист на свое усмотрение может, переключив систему в режим ав- товедения или в режим подсказки в соответствии с показаниями индикатора.
Значительный объем в аппаратуре систем автоведения электропоезда отводится блоку речевого информатора, который не только выполняет функции оповещения пассажиров, но и, опираясь на сигналы датчика пути и скорости и АЛСН, сообщает машинисту о приближении к переездам, мостам, тоннелям, нейтральным вставкам и токоразделам, постам обнаружения нагрева букс (приборам ПОНАБ, ДИСК), а также об ограничениях скорости, желтом и красном сигналах АЛСН. Эта функция, во-первых, способствует повышению безопасности движения, привлекая внимание локомотивной бригады к местам и событиям, требующим повышенной бдительности или соблюдения особых условий; а во-вторых, облегчает труд машиниста и его помощника, избавленных теперь от необходимости читать информационные сообщения для пассажиров.
Сегодня на электропоездах применяются унифицированные системы автоведения поезда УСАВП и УСАВП-Л. В системе УСАВП применен контроллер 6030 серии MicroPC фирмы Octagon Systems.
Создание нескольких модификаций систем автоведения, внедрение их более чем в 40 депо потребовало разработки как унифицированной управляющей программы, так и технологии (с соответствующими программными средствами) подготовки данных.

В отраслевом Центре внедрения «Желдорконсалтинг» в 2000 году была разработана универсальная управляющая программа, которая, имея независимое от системы ядро, снабжена необходимым набором низкоуровневых драйверов, непосредственно управляющих аппаратурой конкретной системы. Огромнейший объем работы по внедрению системы потребовал разработки автоматизированного рабочего места подготовки данных, программно-аппаратные средства которого существенно сокращают срок создания бортовой базы данных.

• соблюдение перегонного времени хода:
• выполнение расписания движения для конкретного номера поезда на участке между заданными станциями с точностью до 1 минуты;
• соблюдение режима установленных на участке следования скоростей движения, в том числе в местах действия ограничений скорости;
• соблюдение сигналов светофоров, требующих снижения скорости или остановки;
• расчёт кривой движения поезда, в том числе реализация механизма нагона опоздания с учетом требований по минимизации расхода электроэнергии;
• расчет координаты местонахождения поезда;
• выбор позиции контроллера машиниста, исходя из рассчитанной энергооптимальной траектории, с учетом минимизации числа его переключений;
• измерение фактической скорости движения и сравнение ее с расчетной;
• организация взаимодействия прибора автоведения и машиниста посредством отображения на индикаторе всей информации о режимах движения поезда (обратная связь);
• сообщение локомотивной бригаде необходимой информации о местах повышенной бдительности, сигналах автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), местах ограничения скорости, о приближении к станциям, о расположении устройств, мимо которых необходимо проследовать с отключенной тягой.

Известно, что энергооптимальные траектории имеют фиксированный набор режимов: разгон с максимальным ускорением, торможение с максимальным замедлением, выбег, поддержание (стабилизация) скорости. При этом, если на траектории находятся несколько участков стабилизации скорости, то Пассажирский электровоз ЧС7
на всех этих участках поддерживаемая скорость должна иметь одну и ту же величину.
Проблема построения энергооптимальной траектории состоит в следующем. Для участка без ограничений скорости и с постоянным профилем можно рассчитать точки смены режимов теоретически. При введении же реального профиля и ограничений скорости теоретически задача не решается, а численные методы, которые предлагались в 80-х годах, приводят к очень большому времени вычислений из-за перебора значительного числа вариантов управления.
Учеными ВНИИЖТ был предложен метод оптимизации, позволяющий строить энергооптимальную траекторию движения за разумное время (не более минуты для участка длиной 200 км, имеющего 1000 элементов про-
филя, 20 ограничений скорости, и 80вагонном составе). Этот метод оптимизации позволяет автоматически (без перебора) учесть профиль и все ограничения скорости, рассчитать начало предварительных выбегов перед спусками и другие режимы.

Очевидно, что для практической реализации энергооптимальной траектории необходимо соблюдать, в первую очередь, скоростной режим, а не режим управления контроллером машиниста, поскольку последний зависит от множества факторов, которые невозможно учесть заранее. В числе этих факторов напряжение контактной сети, количество вагонов в составе, метеоусловия, реальное сопротивление движению состава, зависящее от температуры окружающей среды, включение подвагонных генераторов, устройств освещения, отопления и др. Имея скоростную оптимальную траекторию в качестве базы, система автоведения должна включать в свой состав механизм реализации заданной скорости с помощью контроллера машиниста.
В отличие от электропоезда система управления пассажирского электровоза позволяет реализовывать режим поддержания заданной скорости либо скорости, близкой к заданной. Длинные перегоны предполагают наличие такого режима. В то же время тяговоскоростные характеристики электровоза постоянного тока имеют значительные области, для которых ходовые позиции контроллера отсутствуют. Поэтому необходим регулятор времени хода и скорости, позволяющий реализовывать энергооптимальную траекторию, соблюдая точки смены режимов, обеспечивающий в то же время минимизацию числа переключений контроллера и сохранение заданного отклонения от скорости стабилизации. Величина этого отклонения зависит от того, какие потери энергии на участке стабилизации скорости считаются допустимыми. При расчетных оценках дополнительный расход энергии принимается прямо пропорциональным квадрату отношения величины отклонения скорости к скорости стабилизации, а на практике допустимыми считаются отклонения в пределах 10%.
Регулятор, отрабатывающий участки стабилизации скорости, не может быть просто классическим ПИили ПИДрегулятором, реагирующим на фактический выход из заданной трубки по допустимому отклонению скорости. Это определено двумя основными причинами. Во-первых, необходимо выдержать точку окончания режима стабилизации по всем трём координатам (путь, скорость, время), так как следующий наиболее вероятный режим — выбег, а отклонение в начале выбега по скорости на величину выше допустимой может привести к значительному изменению скорости в конце выбега. Во-вторых, регулятор, не учитывающий профиль, будет переключаться значительно чаще, чем регулятор, интегрально учитывающий профиль на участке стабилизации. Таким образом, становится объективно необходимым иметь регулятор, анализирующий весь участок поддержания скорости.
Система автоведения должна иметь механизм интеллектуального нагона, то есть учитывать требования минимизации дополнительного расхода энергии на нагон, что предполагает реализацию нагона не между двумя ближайшими (зонными) станциями, а на всем пути следования, если, конечно, это возможно (как правило, это зависит от разделения протяженных участков на диспетчерские зоны обслуживания).
В системе автоведения пассажирского электровоза речевой информатор выполняет функции, аналогичные функциям информатора электропоезда.
Грузовой электровоз, в отличие от уже упомянутых классов тягового подвижного состава, имеет ряд особенностей. Этот тип локомотивов может использоваться на предельной мощности, при этом на некоторых участках маршрута возможно снижение скорости состава даже при максимальном тяговом усилии. Число ходовых позиций контроллера невелико: от 15 на электровозах постоянного тока до 36 на электровозах переменного тока. Как и на пассажирских локомотивах, на электровозах постоянного тока есть значительные области на тяговой характеристике, для которых нет соответствующих ходовых позиций контроллера. Перегонное время хода зависит от веса состава.

Рис. 2. Модуль центрального процессора CPU686 фирмы Fastwel

• ограничение сил в составе на допустимом уровне в соответствии с планом и профилем пути, а также схемой формирования состава;
• формирование управляющих сигналов, обеспечивающих допустимые продольно-динамические силы в составе;
• управление локомотивом с максимальным использованием его тяговых возможностей.

Рис. 3. БлокHсхема системы автоведения локомотива

В настоящее время во ВНИИЖТ создаются алгоритмы работы системы автоведения, позволяющие ограничивать продольно-динамические силы в составе на безопасном уровне. Все это позволяет сделать вывод о возможности создания полноценной системы автоведения грузового электровоза в самой ближайшей перспективе.

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЕДЕНИЯ

Эксплутационные требования к электронике систем автоведения достаточно жесткие. Изделия для применения на подвижном составе входят в ту же группу, что и изделия для космоса и авиации, а некоторые требования, предъявляемые к железнодорожной аппаратуре, более жесткие, чем авиационные (например, виброи ударопрочность).

• диапазон рабочих температур от –40 до +55°С;
• диапазон температур хранения от –55 до +60°С;
• относительная влажность воздуха до 95% при +25°С без конденсации влаги;
• вибрация в диапазоне частот от 1 до 150 Гц при амплитуде виброускорения по вертикальной и горизонтальной осям до 1g;
• синусоидальная вибрация в диапазоне частот от 5 до 7 Гц при амплитуде виброперемещения до 5,0 мм, в диапазоне частот от 7 до 10 Гц при амплитуде виброперемещения до 2,5 мм и в диапазоне частот от 10 до 150 Гц при амплитуде виброускорения до 1g;
• одиночные удары с максимальным ускорением до 7,5g и длительностью 10-60 мс;
• диапазон входных питающих напряжений 36-72 В или 80-160 В.
• При этом задача расчета оптимальной траектории требует следующей вычислительной мощности:
• процессор Pentium с тактовой частотой 166 Гц или выше;
• оперативная память не меньше 32 Мбайт;
• флэш-диск объемом не меньше 16 Мбайт.

Рис. 4. Структура управляющей программы пассажирского электровоза

В конечном итоге мы остановились на процессорной плате СРU686 фирмы Fastwel, выполненной в формате MicroPC (Octagon Systems). Плата CPU686 выполнена на базе современного процессора GXLV (рис. 2), при этом ее энергопотребление снижено на 30%, в связи с чем не требуется система принудительного охлаждения компонентов. Укрупненно структура системы автоведения и ее связи с цепями управления локомотивом показаны на рис. 3.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОВЕДЕНИЯ

• малое время на перенос программы расчета оптимальной траектории движения, которая имеется в варианте библиотеки DLL под Win32;
• небольшое время на освоение собственно операционной системы;
• минимальные затраты на покупку операционной системы;
• минимальные затраты на лицензирование каждой копии операционной системы на борту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня в стадии опытной эксплуатации находится система автоведения электровоза ЧС7, построенная на базе процессорного модуля Fastwel CPU686. В качестве операционной системы применена RTOS-32. Программа автоведения на борту производит расчет траектории движения, обеспечивающей минимизацию затрат энергии на тягу. Кроме того, системой решается задача подбора позиций контроллера машиниста, обеспечивающих существенное приближение к оптимальной траектории при минимизации числа переключений.
В настоящее время такими системами оборудовано более 20 локомотивов серии ЧС7, курсирующих с одной-двумя остановками или в безостановочном графике с пассажирскими поездами по участкам Москва-Вязьма (белорусское направление, 243 км), Москва-Сухиничи (киевское направление, 261 км).
Внедрение систем автоведения электропоезда изначально предполагало снижение расхода электроэнергии оборудованными составами в среднем на 5%. Реально экономия электроэнергии в разных депо составила от 3 до 18% от существующих норм расхода, что подтвердилось специально проведенными замерами в контрольных поездках. Сегодня свыше 1200 пригородных составов оборудованы различными модификациями систем автоведения. По предварительным оценкам, эксплуатация электропоездов с такими системами на борту только за 2000 год сэкономит электроэнергии на 237 млн. руб при действующих тарифах.
Вместе с тем, помимо экономии электроэнергии, есть целый ряд косвенных преимуществ применения таких систем. Например, более точное выполнение графика движения по сравнению с ручным управлением увеличивает пропускную способность участка на 10-12%, а число внеплановых торможений снижается на 10-15%. Наряду с этим имеются косвенные преимущества, которые невозможно оценить рублевым эквивалентом. Система позволяет быстро приблизить уровень управления поездом малоопытного машиниста к уровню квалифицированного специалиста и обучить его правильному выбору режимов ведения поезда. Таким образом, система выполняет функции тренажера для локомотивной бригады, снижая затраты на обучение. Наконец, главное — система позволяет повысить безопасность движения за счет освобождения машиниста от ряда рутинных операций по
ведению поезда.