Содержание к диссертации
Введение
1 Актуальность расширения функциональных возможностей релейных систем оперативного управления движениемна железнодорожных станциях ... 11
1.1 Тенденции и этапы развития систем централизации 11
1.2 Анализ принципов построения компьютерных централизации 13
1.3 Актуальность использования компьютерных технологий для расширения функциональных возможностейрелейных систем ЭЦ
1.4. Постановка задачи и выбор направления исследования 23
1.5. Выводы по главе 1 25
2 Принятие обоснованного решения о продлении срока эксплуатации релейных систем эц на различных железнодорожных участках 27
2.1 Постановка задачи 27
2.2 Моделирование процесса функционирования станционных систем ЖАТ 30
2.3 Анализ качества функционирования релейных систем ЭЦ 52
2.4 Определение показателей надежности станционных систем ЖАТ ... 55
2.5 Выводы по главе 2 62
3 Моделирование путевого развития станции и инфраструктуры жат, отображаемой на аппарате управления и контроля системы ЭЦ 64
3.1 Постановка задачи 64
3.2 Модель топологической схемы станции 65
3.3 Формализация модели топологической схемы станции 75
3.4 Выводы по главе 3 82
4. Моделирование процесса функционирования системы ЭЦ 84
4.1 Постановка задачи 84
4.2 Модель функционирования системы ЭЦ при осуществлении оперативного управления движением поездов 87
4.3 Построение модели функционирования системы ЭЦ 100
4.4 Выводы по главе 4 103
5. Средства расширения функциональных возможностей систем электрической централизации 104
5.1. Постановка задачи 104
5.2. Выбор структуры и принципов построения КСС-ЭЦ 105
5.3. Локальное устройство КСС-ЭЦ 107
5.4. Центральное устройство КСС-ЭЦ 114
5.5. Апробация КСС-ЭЦ 116
5.6. Выводы по главе 5 117
Заключение 119
Библиографический список 123
- Актуальность использования компьютерных технологий для расширения функциональных возможностейрелейных систем ЭЦ
- Определение показателей надежности станционных систем ЖАТ
- Формализация модели топологической схемы станции
- Локальное устройство КСС-ЭЦ
Актуальность использования компьютерных технологий для расширения функциональных возможностейрелейных систем ЭЦ
В настоящее время основным средством регулирования движения поездов на железнодорожных станциях является электрическая централизация (ЭЦ) стрелок и сигналов, при которой предусматривается маршрутизация поездных и маневровых передвижений со светофорной сигнализацией [5]. Функциями электрической централизации как автоматизированной системы управления является контроль состояния объектов централизации, а также передача управляющих воздействий на напольные объекты с соблюдением условий безопасности движения поездов [1]. На сети железных дорог ОАО «РЖД» эксплуатируются системы ЭЦ, различающиеся по методу обеспечения взаимозависимостей между стрелками и сигналами, принципу управления напольными объектами, виду элементной базы, способу компоновки аппаратуры и др.
Проблема обеспечения безопасности движения поездов на железнодорожных станциях возникла уже на первых этапах их строительства (1825 г., Англия) в связи с укладкой в железнодорожный путь стрелочных переводов. При этом обеспечение безопасного следования поездов осуществлялось тогда людьми. Бурное развитие железнодорожного транспорта XIX века, обусловленное повышением интенсивности и скоростей движения поездов, усложнением стрелочных горловин станций привело к росту ошибок, совершаемых обслуживающим персоналом и увеличению числа транспортных происшествий на железных дорогах. Стало очевидно, что действия людей необходимо контролировать специальными устройствами. В связи с этим потребовалась разработка стрелочных контрольных замков, систем механической централизации на станциях и жезловой системы на перегонах (Англия, Германия, 1826-1895 гг.). В России внедрялись зарубежные и отечественные разработки [70]: механические централизации с жесткими и гибкими тягами (Я.Н. Гордеенко, 1884-1906 гг.), ключевая зависимость (B.C. Мелентьев, 1909 г.), жезловая система (Д.С. Трег-гер, 1925 г.), маршрутно-контрольные устройства (Е.Е. Наталевич, 1947 г.). Использование механической централизации способствовало повышению безопасности движения поездов, благодаря взаимному замыканию стрелок и семафоров, и сокращению времени приготовления маршрута, поскольку управление ими осуществлялось с одного центрального поста.
Первая система ЭЦ релейного типа была построена на ст. Гудермес Северокавказской ж.д. (Н.В. Лупал, 1934 г.), и уже с 1946 г. внедрялись только релейные системы ЭЦ - маршрутно-релейная централизация (МРЦ). На основе схемных решений МРЦ в 1954 г. сотрудниками института «Гипротранссигналсвязь» (ГТСС) была разработана унифицированная электрическая централизация (УЭЦ) на базе реле типов HP и КР, которая явилась прообразом самой массовой системы - блочной маршрутно-релей-ной централизации (БМРЦ, 1959 г.). Система БМРЦ была впервые внедрена в 1960 г. на ст. Ленинград-Пассажирский-Московский, а уже к началу 90-х годов XX века системами ЭЦ были оборудованы все станции главных направлений сети железных дорог страны (75,7 % всех эксплуатируемых стрелок) [70].
В 1975 году институтом «Гипротранссигналсвязь» была разработана система электрической централизации ЭЦ-8, явившаяся основой создания системы электрической централизации ЭЦ-12 (1978 г.) с секционным замыканием и размыканием маршрутов для применения на промежуточных станциях со значительной маневровой работой. На базе ЭЦ-12 разработаны системы ЭЦ с индустриальной системой монтажа ЭЦИ (ГТСС, 1999 г.), контейнерного тип ЭЦ-К (ГТСС, 1994 г., 2000-2003 гг.). К концу 90-х годов XX века на базе релейной техники были уже разработаны системы ЭЦ, обеспечивающие необходимый уровень безопасности движения поездов и имеющие хорошие технические и эксплуатационные характеристики. Однако наряду с достоинствами релейные системы обладают и недостатками [54]: большая материало- и энергоемкость, дорогостоящее обслуживание, повышение безопасности и расширение реализуемых возможностей за счётувеличения количества реле, приходящихся на централизованную стрелку (с24 в системах с маршрутным замыканием до 128 в ЭЦ промежуточныхстанций сманевровой работой) и др. Все это способствовало тому, что еще в 60-х годах XX века начались работы по созданию электронных систем ЭЦ (Англия, Германия, Япония) [49]. Однако, электронные системы ЭЦ, разработанные в 60-х годах, не получили широкого распространения, и л ишь в середине 70-х годов, после появления микропроцессоров, стали разрабатываться перспективные электронные системы. Первой микропроцессорной централизацией, введенной в эксплуатацию, стала система JZH-850, разработанная компанией Ericsson (станция Ґетеборг, Швеция, 1978 г.) [49]. Дальнейшее развитие микропроцессорных систем осуществлялось такими компаниями, KaKSiemens (Германия), Bombardier (Швеция) и др.
В соответствии с основными положениями, определяемыми Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации [4], современный путь развития станционных устройств ЖАТ предусматривает интенсивное строительство релейно-процессорных (РПЦ) и микропроцессорных (МПЦ) централизации как отечественного, так и зарубежного производства.
В настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» эксплуатируются следующие системы релейно-процессорной и микропроцессорной централизации. Система релейно-процессорной централизации стрелок и сигналов (ЭЦ-МПК), разработанная Центром компьютерных железнодорожных технологий Петербургского государственного университета путей сообщений. Система ЭЦ-МПК построена по трехуровневой структуре (Рисунок 1.1), при этом верхний уровень представлен автоматизированными рабочими местами дежурного по станции (АРМ ДСП) и электромеханика (АРМ ШН), средний уровень - комплексом технических средств управления и контроля (КТС УК), а третий уровень включает исполнительные схемы релейной централизации [49].
Определение показателей надежности станционных систем ЖАТ
Сформированная система правил нечёткого вывода позволяет более полно охарактеризовать состояние надёжности исследуемой системы ЭЦ и после выполнения операции дефазификации терм-множества Т получить числовую характеристику данного показателя, применительно к каждой, сложившейся в процессе эксплуатации системы, нечёткой ситуации.
Учитывая невозможность быстрой замены релейных систем ЭЦ на всей сети железных дорог РФ, при оценке показателей надёжности и рассмотрении вопроса о продлении срока их эксплуатации на конкретных железнодорожных участках рационально все регистрируемые отказы подразделить на два типа. К первому типу отнесены защитные и опасные отказы элементов системы, существенно затрудняющие или делающие полностью невозможным выполнение системой ЭЦ операций по реализации перевозочного процесса (например, отказ стрелочного электропривода стрелки, расположенной на главном пути, повреждение кабеля СЦБ и пр.). Ко второму типу - отказы, практически не влияющие на реализацию перевозочного процесса, либо приводящие к некоторому, незначительному изменению в организации оперативного управления передвижениями на станции (например, перегорание лампы светофора, обрыв или плохой контакт соединителей на боковом пути и пр.).
Учитывая вышеизложенное, из всего множества Я регистрируемых отказов устройств ЖАТ выделим подмножество Я,типов отказов, связанных с функционированием устройств станционной централизации:
В свою очередь в подмножестве Я, выделим два типа отказов, а именно, отказы образующие подмножество Rz и приводящие к нарушению процесса движения поездов, а также отказы, образующие подмножество Rx, приводящие к незначительному изменению в организации перевозочного процесса: rz,rx Rj R. (2.3) Исходными данными для анализа отказов устройств ЖАТ могут служить сведения, предоставляемые информационными системами (КАСАНТ, АСУ-Ш-2), а также содержащиеся в журналах ШУ-78 и ДУ-46, заполняемых в соответствии с должностными инструкциями обслуживающего и оперативно-управленческого персонала. При этом следует учитывать, что в информационных системах в основном сохраняются отказы образующие подмножество Rz и относящиеся к опасным и защитным отказам первого типа.
С использованием статистических данных можно определить фактическую интенсивность отказов устройств ЖАТ первого Azv\ второго Ях типов на станциях рассматриваемых участков как отношение, зафиксированного в течение периода наблюдения количества отказов NnK(NnK) к продолжительности наблюдения At: Nzm
На основании статистической информации также можно определить интенсивность восстановления устройств ЖАТ после отказа первого juzv\ второго /лх типов, как величину, обратную среднему времени восстановления Тв соответствующих устройств ЖАТ: uz = J (2.5) цх = J ГБ С учётом данного подхода, функционирование системы ЭЦ на железнодорожной станции с точки зрения надёжности может быть описано графом (Рисунок 2.2) с тремя состояниями:
При принятии решения о возможности и целесообразности продления срока эксплуатации релейных систем ЭЦ предлагается руководствоваться только отказами, образующими подмножество Rzдействительно оказывающими существенное влияние на организацию перевозочного процесса.
При оценке соответствия системы ЭЦ требованиям надёжности, также предлагается использовать только данные, получаемые с характерной для рассматриваемого участка выборки станций, отвечающих по своим характеристикам некоторой усреднённой модели. Применение такого подхода обеспечивает расчет показателей надёжности на основании данных об отказах происходящих на станциях, характеризующихся примерно одинаковым технологическим процессом, объёмом поездной и маневровой работы, а также количеством, нагруженностью, сроком и условиями эксплуатации различных элементов системы ЭЦ.
Предлагаемый подход и учёт возможности нахождения системы централизации, как в состоянии первого, так и в состоянии второго, оказывающего существенно меньшее влияние на реализацию перевозочного процесса, типа отказов позволяют рационально подойти к принятию решения о продлении срока эксплуатации оцениваемой релейной системы ЭЦ конкретной железнодорожной станции. Однако для ещё более обоснованного принятия такого решения необходимо также учитывать и обусловленные отказами системы экономические потери, существенно зависящие от выполняемого на станции объёма маневровой работы и интенсивности движения поездов на рассматриваемом железнодорожном участке. Поэтому функционирование системы ЭЦ целесообразно рассматривать с точки зрения теории массового обслуживания [17,28,51,52,42].
В соответствии с таким подходом система ЭЦ может быть представлена математической моделью (Рисунок 2.3) обслуживающего прибора с приоритетами [28,51], на вход которого поступают два независимых потока заявок на обслуживание - входящий поток станционных передвижений Sin и входящий поток отказов So. Входящий поток станционных передвижений Sin носит случайный характер и отражает заявки на реализацию поездных и маневровых передвижений (маршрутов) системой ЭЦ. Входящий поток отказов So также является случайным и характеризует интенсивность отказов станционных устройств ЖАТ
Формализация модели топологической схемы станции
Учитывая высокие темпы развития Азиатско-Тихоокеанского региона, полигоном для исследования была выбрана Дальневосточная железная до-рога, способная обеспечить транспортные коридоры с Китаем, Японией, КНДР. Для анализа возможности продления срока эксплуатации оборудования были выбраны станции, располагающиеся на железнодорожных участках, значительно различающихся интенсивностью движения и условиями эксплуатации оборудования.
Расчет интенсивностей потоков описывающих функционирование систем ЭЦ, производился с использованием данных, полученных с характер-ной для каждого из рассматриваемых участков, выборки станций, отвечающих по своим характеристикам некоторой усреднённой модели. С целью формирования такой модели на каждом рассматриваемом участке были выбраны станции, характеризующихся примерно одинаковым технологиче-ским процессом, объёмом поездной и маневровой работы, а также количеством, нагруженностью, сроком и условиями эксплуатации различных эле-ментов системы. В результате проведенного анализа объектом исследования на рассматриваемых участках явились промежуточные станции, имеющие от 10 до 20 стрелок, оборудованные релейной системой электрической централизации, находящиеся в эксплуатации на протяжении 40-45 лет.
Исходными данными для определения интенсивностей потоков обслу-живающего прибора, на рассматриваемых железнодорожных участках по-служили сведения, предоставляемые информационными системами (КА-САНТ, АСУ-Ш-2), а также содержащиеся в журналах ШУ-78 и ДУ-46. Полу-ченные данные для участков 1 и 2 приведены в Таблице 2.2.
На основании формул (2.23, 2.24, 2.26 - 2.29) и данных, представленных в Таблице 2.2, произведен расчет параметров модели функционирования исследуемых релейных систем ЭЦ рассматриваемых железнодорожных участков. Результаты расчёта представлены в Таблице 2.3.
На основании решения системы уравнений (2.15) совместно с (2.16), по формулам (2.17 - 2.20) определены вероятности нахождения системы в каждом из состояний, а также коэффициент готовности станционных систем ЖАТ (Таблица 2.4).
Коэффициент готовности системы ЭЦ 0,99984 0,99962 На основании проведенного анализа двух участков Дальневосточной железной дороги, установлено что, несмотря на значительную продолжительность эксплуатации, станционные устройства ЖАТ соответствуют предъявляемым к ним требованиям надежности (коэффициент готовности больше 0,94). Данное обстоятельство является результатом не только соблюдения принятой технологии обслуживания, но и регулярного обновления устройств и систем ЖАТ при текущем и капитальном ремонтах. Поскольку часть элементов систем железнодорожной автоматики модернизации не подвергается, данный анализ должен проводиться с определенной периодичностью.
Следует отметить, что при определении показателей надёжности учитывались отказы как постового оборудования, так и напольных устройств ЖАТ, которые дают большую часть регистрируемых отказов и при замене релейных ЭЦ на компьютерные централизации, могут не подлежать реконструкции. Из этого следует, что существенное повышение показателей надёжности, а, следовательно, и снижение экономических потерь, вследствие замены релейной ЭЦ компьютерной централизацией, не всегда дает ощутимый эффект. Учитывая данные обстоятельства, можно обоснованно говорить о возможности и целесообразности продления срока службы релейных систем ЭЦ на ряде железнодорожных участков при сохранении требуемого уровня безопасности движения поездов до их замены компьютерной централизацией.
С целью оценки достоверности, получаемых с использованием предлагаемой методики, результатов проведён расчет показателей надежности функционирования станционных устройств ЖАТ, расположенных на двух выбранных для проведения исследования железнодорожных участках, с использованием методологии управления ресурсами на этапах жизненного цикла, рисками и анализом надёжности (УРРАН) [19,38,46,80] и сопоставлены полученные результаты.
В концепции УРРАН в качестве базового понятия при определении показателей надёжности и безопасности функционирования систем ЖАТ используется понятие «эталонный объект» - типовой, наиболее распространенный на сети дорог элемент соответствующей системы ЖАТ [80]. Для системы ЭЦ в качестве эталонного объекта выступает эталонный комплекс управления стрелкой (ЭКС) интенсивность отказов которого составляет Лжс =4,38-10"5 \1ч [74].
Для учета реальных условия эксплуатации систем ЭЦ применяется система поправочных коэффициентов, учитывающая техническую оснащенность участка, его нагруженность и климатические условия. Условные обозначения поправочных коэффициентов, а также их значения, определенные в соответствии с [80] для каждого из рассматриваемых железнодорожных участков, приведены в Таблице 2.5.
Локальное устройство КСС-ЭЦ
Предложенная в главе 3 диссертационной работы методика обеспечивает формирование математической модели станции произвольной конфигурации из типовых модулей с заранее заданными свойствами и технологическими возможностями, однако она не отражает процессы, связанные с функционированием ЭЦ и реализацией поездных и маневровых передвижений. Для решения данной задачи систему управления поездными и маневровыми передвижениями на станции предлагается рассматривать в виде математической модели дискретного конечного автомата А [14,26]: /4 = [\/,Q,Z, p(v,Q),(//(v,Q)], (4.1) где, V= ivv v2, ... vk\ - множество входных сигналов; Z= \zv z2, ... zA - множество выходных сигналов; Q= {Q, Q2, ... Qm} - множество внутренних состояний автомата; (p(v,Q) - функция переходов, описывающая переходы Qs = p{vk,Qm), совершаемые автоматом из различных состояний под действием входных сигналов и задающая отображение р : D VxQ Q; y/(v,Q) - функция выходов, определяющая изменение сигналов на выходе автомата Zr=y/(vk,Qm) и задающая отображение у/ : D VxQ Z.
Множество внутренних состояний Q автомата определено на множестве М возможных на станции маршрутов и их невраждебных сочетаний. Каждый элемент множества /г?, є М соответствует заданию и реализации на станции одного определенного маршрута. Поскольку под сочетанием маршрутов /г?, є М понимается совокупность одновременно реализуемых невраждебных маршрутов, мощность множества Q может быть определена как: п т Q = /г?,. + nrij, (4.2) /=1 у=1 ±т где, 2 mi - количество маршрутов на станции; /=1 Yjmj - количество сочетаний не враждебных маршрутов на станции. у =1
Сигналы v. є У, образующие входной алфавит автомата Д в соответствии с функцией переходов cp(v,Q) определяют переход автомата в состояние Q(t + 1)GQ при задании маршрута, а также в случае отмены или размыкания реализуемого маршрута: Q(t +1) = (p(y(t), Q(t)). (4.3) Выходные сигналы z,.eZ, являются выходным алфавитом автомата А и служат для формирования, в соответствии с функцией y/(vtQ), информационных сообщений о функционировании системы ЭЦ: z(t) = i//{v(t),Q{t)). (4.4) Зададим автомат А с помощью графа переходов, узлами которого являются элементы Q, конечного множества Q состояний автомата, а рёбрами - элементы т,, образующие множество М маршрутов реализуемых на станции.
Для сокращения количества элементов Q є Q реализацию графа целесообразно осуществлять отдельно для каждой из горловин станции, включая в него только маршруты mj, є М, проходящие через данную горловину. Для исключения состояний Q є Q, соответствующих заданию враждебных маршрутов, из множества М используются только элементы /77, є М соответствующие невраждебным маршрутам и обеспечивающие переход автомата в разрешённые состояния, образующие конечное множество Q.
Функционирование автомата А в процессе реализации поездных и маневровых передвижений, а также размыкании и отмене маршрутов описывается дополнительной моделью, представляющей собой систему ряда подграфов, каждый из которых соответствует установке, реализации или отмене одного конкретного маршрута.
В процессе функционирования рассматриваемого автомата выполняется преобразование информации, описываемой определёнными словами и буквами V и поступающей на вход автомата в соответствующую ей информацию на выходе Z Поэтому каждому элементу Q є Q может быть поставлено в соответствие не только подмножество поездных и маневровых передвижений, но также и подмножество реализуемых проверок Р: (VQ eQ) (д є Р). (4.5) Наличие такого соответствия позволяет использовать данную модель для интеллектуального контроля программными средствами на уровне станции правильности функционирования всей системы путем контроля последовательного перехода автомата из одного возможного состояния в другое на основе анализа сигналов, поступающих с устройств ЖАТ.
Предлагаемая модель полностью описывает функционирование системы оперативного управления движением поездов на станции и сравнительно просто реализуется программными средствами. Для упрощения построения модели также может быть использована специально разработанная система автоматизированного проектирования, в основу которой заложено формализованное описание топологической схемы станции и элементов ЖАТ [59,60].