Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Функциональный контроль логических схем железнодорожной автоматики и телемеханики
1.1 Актуальность задачи обнаружения отказов в логических устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики
1.2 Функциональный контроль логических схем железнодорожной автоматики и телемеханики
1.3 Использование систематических кодов при обработке данных и при организации систем функционального контроля
1.4 Постановка задач диссертации 32
Глава 2. Контроль комбинационных схем на основе кодов с суммированием взвешенных переходов
2.1 Построение кода с суммированием взвешенных переходов 34
2.2 Код с суммированием взвешенных переходов с весовыми коэффициентами в виде натуральной последовательности чисел
2.3 Модульный код с суммированием взвешенных переходов с весовыми коэффициентами в виде натуральной последовательности чисел
2.4 Выводы по главе 51
Глава 3. Новые структуры системы функционального контроля логических схем
3.1 Традиционные структуры системы функционального контроля 52
3.2 Стандартная структура системы функционального контроля «почти дублирование»
3.3 Стандартная структура системы функционального контроля на основе оптимального кода
3.4 Выводы по главе 82
Глава 4. Коды с суммированием с эффективным обнаружением двукратных ошибок
4.1 Анализ состава ошибок по кратностям в комбинационных схемах 83
4.2 Оптимальный модифицированный код с суммированием с минимизированным количеством ошибок малой кратности
4.3 Построение систем функционального контроля на основе новых оптимальных кодов
4.4 Коды с суммированием с обнаружением любых двукратных ошибок
4.5 Выводы по главе 104
Глава 5. Особенности применения кодов с суммированием в системах технической диагностики железнодорожной автоматики
5.1 Синтез генераторов и тестеров 105
5.2 Применение кодов с суммированием взвешенных переходов в системах технической диагностики и мониторинга
5.3 Выводы по главе 127
Заключение 128
Библиографический список
- Использование систематических кодов при обработке данных и при организации систем функционального контроля
- Код с суммированием взвешенных переходов с весовыми коэффициентами в виде натуральной последовательности чисел
- Стандартная структура системы функционального контроля «почти дублирование»
- Построение систем функционального контроля на основе новых оптимальных кодов
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования.
Совершенствование систем управления движением поездов невозможно без использования достижений научно-технического прогресса в области компьютерных технологий. Морально устаревшая релейная техника железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) постепенно сменяется микроэлектронной и микропроцессорной, а сами управляющие комплексы от использования только аппаратных составляющих переходят к использованию аппаратно-программных средств. Усложнение же микроэлектронной техники, увеличение количества транзисторов, размещаемых на единице площади, низкие пороги срабатывания элементов, проблема обеспечения электромагнитной совместимости и т.д. требуют обеспечения высокого уровня технического диагностирования элементов и узлов управляющих систем. В конечном итоге, такие важные свойства как надежность и безопасность перевозочного процесса напрямую определяются свойствами элементной базы и конфигурациями связи между устройствами в системе управления, а методы тестирования позволяют идентифицировать возникающие в процессе эксплуатации средств ЖАТ неисправности: от сбоев и устойчивых отказов до предотказных состояний. Таким образом, развитие средств технического диагностирования, в том числе, функционального контроля аппаратных и программных составляющих - важная задача при обеспечении надежности и безопасности.
Представленное диссертационное исследование выполнено на актуальную тему и посвящено развитию методов функционального диагностирования логических устройств ЖАТ за счет разработки и использования новых, перспективных, способов кодирования информации.
Степень разработанности темы исследования. Сама область технической диагностики развивается активно со второй половины XX века и по настоящее время. Известно большое количество научных школ, изучающих
проблемы технической диагностики объектов различной физической и химической природы. В области технической диагностики выдающихся результатов достигли такие ученые постсоветского пространства как
A. Д. Закревский, М. Ф. Каравай, А. Ю. Матросова, А. В. Мозгалевский,
П. П. Пархоменко, Вал. В. Сапожников, В. В. Сапожников, Е. С. Согомонян,
B. И. Хаханов и другие. В мировом сообществе известны такие ученые как
М. Gossel, D. Das, Е. Fujiiwara, Р. К. Lala, Е. J. McCluskey, D. К. Pradhan, J. Roth,
F. F. Sellers, N. A. Touba, R. Ubar, Y. Zorian и др. Много их работ в области
технической диагностики посвящено приложению методов помехоустойчивого
кодирования в задачах построения надежных дискретных устройств и
непосредственно систем функционального контроля.
Прикладные вопросы обеспечения надежности устройств и систем ЖАТ исследовались такими учеными как Д. В. Гавзов, А. В. Горелик, Ю. А. Кравцов, В. М. Лисенков, А. Б. Никитин, Вал. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, В. И. Шаманов и многими другими.
Тема диссертации соответствует специальности паспорту специальности 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)» по пунктам:
п. 8. Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСПТП и др.
п. 14. Теоретические основы, методы и алгоритмы диагностирования (определения работоспособности, поиск неисправностей и прогнозирования), АСУТП, АСУП, АС ТПП и др.
Цели и задачи диссертации. Основной целью диссертации является разработка кодов с суммированием с улучшенными характеристиками обнаружения ошибок в информационных векторах по сравнению с известными кодами с суммированием и разработка вопросов их применения в новых системах функционального контроля логических устройств. Для достижения
поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Анализ обнаруживающей способности кодов с суммированием взвешенных переходов между разрядами в информационных векторах.
-
Получение модульного кода с суммированием взвешенных переходов с таким же количеством контрольных разрядов, как и у классического кода Бергера, а также сравнение свойств обоих кодов в системах функционального контроля.
-
Разработка новых стандартных структур систем функционального контроля, основанных на использовании кодов с суммированием взвешенных переходов между разрядами в информационных векторах.
-
Получение и исследование оптимальных кодов с суммированием, построенных на основе принципа взвешивания переходов между разрядами в информационных векторах, а также операций модификации с суммарным весом информационного вектора.
-
Разработка метода построения систем функционального контроля со 100%-ным обнаружением одиночных неисправностей в контролируемых объектах
-
Разработка кодов с суммированием с минимальным общим количеством необнаруживаемых ошибок и минимальным количеством ошибок малых кратностей.
-
Разработка методов синтеза генераторов, входящих в структуру тестеров исследуемых кодов с суммированием.
-
Повышение эффективности технологии мониторинга в системе удаленного контроля и мониторинга «Аппаратно-программный комплекс диспетчерского контроля» на основе применения оптимальных кодов с суммированием при обработке дискретных диагностических данных.
Объектом исследования являются системы функционального контроля комбинационных логических устройств ЖАТ, основанные на применении кодов с обнаружением ошибок, а предметом - характеристики предлагаемых для применения помехоустойчивых кодов с суммированием и методы анализа и синтеза модульных структур систем функционального контроля.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
-
Предложены методы построения кодов с суммированием на основе взвешивания переходов между разрядами, занимающими соседние позиции в информационных векторах, обладающих улучшенными характеристиками обнаружения ошибок по сравнению с классическими кодами с суммированием.
-
Предложены семейства кодов с суммированием с минимальным общим количеством необнаруживаемых ошибок в информационных векторах, принципы построения которых базируются на модификации кодов с суммированием взвешенных переходов.
-
На основе применения модифицированных взвешенных кодов с суммированием разработаны структурные схемы систем функционального контроля, реализуемые на основе стандартных блоков.
-
Предложены алгоритмы построения кодов с суммированием с минимальным общим количеством необнаруживаемых ошибок в информационных векторах, обнаруживающих, к тому же, максимальное количество ошибок малых кратностей.
-
Разработаны способы синтеза генераторов тестеров новых кодов с суммированием.
-
Предложен способ построения систем функционального контроля со 100%-ным обнаружением одиночных неисправностей в объекте диагностирования, основанный на разбиении его выходов на отдельные группы и контроля их с учетом свойств, разработанных в диссертации, кодов.
Теоретическая значимость работы заключается в получении и изучении новых кодов с суммированием на основе взвешивания переходов между разрядами, занимающими соседние позиции в информационных векторах, а также в установлении их характеристик в системах функционального контроля.
Практическая значимость работы подчеркивается возможностью применения ее результатов для построения систем функционального контроля со 100%-ным обнаружением одиночных неисправностей во внутренней
структуре контролируемых объектов с уменьшенной по сравнению с дублированием сложностью технической реализации.
Методология и методы исследования. Использованы методы булевой алгебры, теории дискретных устройств и технической диагностики дискретных систем.
Положения, выносимые на защиту:
-
Способ построения кода с суммированием, основанный на взвешивании переходов между разрядами, занимающими соседние позиции в информационных векторах.
-
Результаты исследований свойств кодов с суммированием взвешенных переходов и их модификаций в системах функционального контроля.
-
Способы построения кодов с суммированием с наименьшим общим количеством необнаруживаемых ошибок в информационных векторах.
-
Новые стандартные структуры систем функционального контроля.
-
Способ построения систем функционального контроля со 100%-ным обнаружением ошибок в контролируемых объектах.
-
Методы синтеза генераторов тестеров кодов с суммированием взвешенных переходов.
-
Результаты практического использования методов, разработанных в диссертационном исследовании, в системах технического диагностирования и мониторинга устройств ЖАТ.
Степень достоверности результатов подтверждается точными вычислениями и экспериментальными исследованиями с системами контрольных логических схем.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 международных конференциях и более чем на десяти научно-практических семинарах, включая: международные конференции «Региональная информатика» (г. Санкт-Петербург, РФ, 2014 год),
«IEEE East-West Design & Test Symposium» (г. Батуми, Грузия, 2015 год),
«ИнтеллектТранс» (г. Санкт-Петербург, РФ, 2015 год), «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (г. Екатеринбург, РФ, 2016 год), «Транспортные системы: тенденции развития» (г. Москва, РФ, 2016 год), семинар по технической диагностике под руководством члена-корреспондента РАН П. П. Пархоменко в Институте проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН РФ (2014 и 2015 годы); семинары «Автоматика и дискретная математика» на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I (Санкт-Петербург, РФ, 2012-2016 годы).
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 20 работах, в том числе, в 2 академических публикациях, 6 публикациях в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ и 1 публикации, индексированной в международной базе цитируемости SCOPUS.
Основные научные и практические результаты диссертационного исследования внедрены в программное обеспечение нижнего уровня системы технического диагностирования и мониторинга «Аппаратно-программный комплекс диспетчерского контроля» для повышения надежности хранения дискретных данных и уменьшения времени обработки запросов. Обновленное программное обеспечение прошло процедуру тестирования и планируется к внедрению на объектах мониторинга Дальневосточной железной дороги.
Структура и объем диссертации. Работа содержит 179 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков и 38 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения и трех приложений; библиографический список включает в себя 127 наименований.
Использование систематических кодов при обработке данных и при организации систем функционального контроля
Тестер в системе функционального контроля выполняет особую роль – от результатов его вычислений зависит правильность постановки диагноза. Таким образом, тестер является «последним сторожем» в системе функционального контроля, и должен обеспечивать свойство полной самопроверяемости [75]. Данное свойство подразумевает выполнение двух условий: 1) технический объект должен быть защищенным от внутренних неисправностей; 2) технический объект должен быть самотестируемым. По причине необходимости придания тестеру свойства самопроверяемости, он строится специальным образом и снабжается парафазным выходом: при наличии неисправностей на выходе тестера формируется непарафазный сигнал 00 или 11 , так называемый, сигнал ошибки.
Тестер, фактически, сравнивает между собой булевы векторы рабочих функций f1 f2 … fm и контрольных функций g1 g2 … gk . Будем в дальнейшем называть вектор рабочих функций информационным вектором, а вектор кон 21 трольных функций - контрольным вектором. Длины информационных и контрольных векторов обозначим, соответственно, как тик.
При организации системы функционального контроля по структуре, изображенной на рис. 1.3, в качестве основы используется некоторый систематический (т,к)-код [75, 95]. Это позволяет применять в качестве тестера стандартное устройство на основе генератора (кодера) контрольных разрядов и компаратора (рис. 1.4). Генератор по значениям информационного вектора /1/2 …/„ формирует значения контрольного вектора g 1 g 2 … g , а компаратор сравнивает одноименные сигналы g j и gt.
Системы функционального контроля имеют следующие ключевые характеристики, определяемые напрямую базовым (m,k)-кодом – кодом, положенным в основу системы функционального контроля: 1. Площадь на кристалле, занимаемая системой функционального контроля (L, в условных единицах) [56, 125]. 2. Аппаратурная избыточность системы функционального контроля по сравнению с контролируемым логическим устройством [56, 76, 77]: = 100%, (1.1) L F(x) где LFtx\ - площадь контролируемого логического устройства. Аппаратурную избыточность системы функционального контроля также оценивают по отношению к площади системы дублирования [68]: „= — 100%, (1.2) LD где LD - площадь системы дублирования. 3. Обнаруживающая способность системы функционального контроля характеризует свойства обнаружения ошибок в блоке F(x). Поскольку в системе функционального контроля осуществляется косвенный контроль неисправностей выходов логических элементов, обнаруживающую способность системы функционального контроля оценивают по ее возможностям обнаруживать ошибки на выходах блока F(x), то есть по искажениям значений разрядов в информационных векторах. Это может быть как абсолютная величина, так и относительная.
К абсолютным величинам относят общее количество необнаруживаемых ошибок в информационных векторах (Nm) и общее количество необнаруживаемых ошибок различных кратностей в информационных векторах (Nm,d) [21]. Также существует и более детальная оценка обнаруживающей способности - в виде количества различных искажений различных кратностей по видам ошибок [21, 64].
К относительным величинам оценки обнаруживающей способности относятся следующие коэффициенты: доля необнаруживаемых ошибок от общего количества ошибок в информационных векторах - величина ут; доля необнаруживаемых ошибок кратностью d от общего количества ошибок данной кратностью в информационных векторах - величина ym,d. Описанные показатели характеризуют как обнаруживающую способность системы функционального контроля, так и сложность ее технической реализации. В свою очередь, сложность технической реализации связана с такими показателями, как быстродействие и энергопотребление системы в процессе эксплуатации [78].
В процессе эксплуатации системы функционального контроля в устройстве F(x) возникают неисправности, которые могут приводить к возникновению искажений в информационных векторах. Изучая свойства обнаружения ошибок систематическим 0,)-кодом, лежащим в основе системы функционального контроля, можно изучать и характеристики самой системы.
Рассмотрим ( и,А:)-коды, часто используемые при организации систем функционального контроля. Существует две стандартные структуры систем функционального контроля, основанные на применении кодов паритета и кодов с повторением [11, 68, 75]. Код паритета является единственным ( ,1)-кодом. Значение его контрольного разряда определяется по формуле:
На рис. 1.5 изображена структурная схема системы контроля по паритету. В ней блок F(x) снабжается блоком контрольной логики G(x), имеющим один выход и формирующим значение контрольного разряда по входным векторам системы функционального контроля. В качестве тестера используется только генератор контрольного разряда, являющийся сверткой по модулю 2 сигналов f1, f2, …, fm [2, 97]. Для сравнения сигналов контроля от генератора и блока контрольной логики не требуется компаратор, так как оба этих выхода образуют парафазный выход. Структура контроля по паритету для реальных логических устройств имеет минимальные показатели площади и аппаратурной избыточности по сравнению с другими известными структурами. Однако при этом кодом паритета не обнару живается любая ошибка четной кратностью в информационном векторе. Количество таких ошибок равно:
Величина в знаменателе выражения (1.5) определяет общее количество возможных ошибок в информационных векторах. Например, для (6,1)-кода по формулам (1.5) и (1.6) получаем, что Л =1984, а уга=0,4921. Другими словами, (6,1)-кодом не обнаруживается практически каждая вторая ошибка в информационном векторе.
Код с суммированием взвешенных переходов с весовыми коэффициентами в виде натуральной последовательности чисел
Таким образом, для получения стандартной структуры системы функционального контроля, для построения которой можно использовать только стандартные структуры блоков g(x)[opt], G и TRC, необходимо чтобы метод контроля, положенный в основу системы функционального контроля, обеспечивал стандартную структуру генератора G. Данному условию отвечает метод контроля, основанный на применении кода паритета. Структура контроля для данного кода изображена на рис. 1.5. Генератор G вычисляет по значениям выходных сигналов блока F(x) функцию паритета /рОО = /lOOe/zOO - /m( ) и реализуется при помощи стандартной линейной схемы.
Структуры дублирования и паритета наиболее часто используются на практике ввиду простоты их применения. При дублировании за счет применении максимального числа контрольных функций обеспечивается обнаружение 100% одиночных неисправностей элементов в блоке F(x), но происходит увеличение сложности системы функционального по сравнению со сложностью блока F(x) более чем на 200%. Система контроля по коду паритета имеет меньшую сложность, так как дополнительно вычисляется только одна контрольная функция, но не обеспечивает обнаружение значительного числа одиночных неисправностей элементов.
В табл. 3.1 приведены результаты экспериментальных исследований с системой контрольных комбинационных схем LGSynth 89 с целью определения показателей аппаратурной избыточности системы функционального контроля дублирования и кода паритета по сравнению с контролируемой схемой. Контрольные комбинационные схемы описаны в формате .netblif, который является списочной формой задания схемы в виде net-листа - он содержит информацию о логических элементах структуры и задает конфигурацию связей между входами и выходами самой схемы и внутренними логическими элементами. Все контрольные комбинационные схемы записаны в базисе ИЛИ-НЕ (библитека nor.genlib).
Показателем сложности является площадь, занимаемая устройством на кристалле. Площадь рассчитывается с применением известного интерпретатора SIS (Sequential Interactive Synthesis), разработанного в Университете Калифорнии (Berkeley) специально для решения задач технической диагностики [90]. В SIS существует возможность определения параметров логической схемы при синтезе ее в определенном функционально полном наборе логических элементов. Эти наборы составляют так называемы библиотеки логических элементов. Для постановки экспериментов была выбрана стандартная библиотека функциональных элементов stdcell2_2.genlib.
С использованием разработанного программного обеспечения для двадцати контрольных комбинационных схем были получены файлы, описывающие блоки систем функционального контроля, построенных по кодам паритета и дублирования. С применением интерпретатора SIS получены значения площадей полученных структур. В таблице 3.2 приведены результаты экспериментальных исследований по определению показателей обнаружения ошибок на выходах контрольных комбинационных схем в системе контроля на основе кода паритета.
Для каждой схемы определено количество ошибок на ее выходах, возникающих, при действии всех одиночных неисправностей во внутренней структуре самой схемы, а также количество необнаруживаемых ошибок кодом паритета. Приводятся также значения долей необнаруживаемых ошибок каждым кодом от общего количества ошибок на рабочих выходах.
Данные, представленные в табл. 3.1 и 3.2, позволяют сделать следующие выводы. Разработчиков систем функционального контроля во многих случаях могут не удовлетворять схемы дублирования поскольку часто сложность схемы увеличивается более чем в три раза. Система функционального контроля на основе кода паритета имеют меньшую аппаратурную избыточность, но количество необ-наруживаемых ошибок на выходах для некоторых схем превышает 20-40%, что также может не отвечать требованиям практики. В связи с этим, актуальным является вопрос разработки новых стандартных структур систем функционального контроля, которые позволяли бы при решении конкретных практических задач получать схемы с лучшими характеристиками по сложности и обнаружению неисправностей по сравнению с дублированием и методом паритета. Таблица 3.2. Сравнение количества необнаруживаемых ошибок для систем контроля по коду паритета для серии контрольных схем
Недостаток структуры дублирования заключается в том, что при ее построении невозможно для уменьшения сложности систем функционального контрля использовать особенности структуры блока G(x). Такая возможность появляется, если использовать при построении системы функционального контрля специальный код с суммированием взвешенных переходов. В табл. 3.3 отражены правила построения различных (т, /с)-кодов для случая т = 6. В классическом коде с суммированием S(m, к) вес каждого разряда равен единице. Контрольные векторы образуются путем записи в контрольные разряды двоичного числа, равного сумме единичных информационных разрядов. Это число называется весом г информационного вектора. Количество контрольных разрядов к = \1од2(т + 1)1. В коде со взвешенными информационными разрядами WS(т, к) последним присваиваются веса с различными значениями.
Стандартная структура системы функционального контроля «почти дублирование»
Данное положение подтверждается результатами эксперимента, проведенного с одиннадцатью контрольными схемами системы LGSyntt`89. В таблицах приложения Б структуры возможных ошибок на выходах контрольных схем, указано общее количество ошибок, количество ошибок для каждого типа ошибок и для каждой кратности. Также приведено общее количество необнаруживаемых ошибок в системе функционального контроля на основе (, )-кода и (, )-кода. Применение (, )-кода в системах функционального контроля для схем cmb,p\m и zAml обеспечивает (в отличии от (, )-кода) обнаружение всех одиночных неисправностей логических элементов.
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы. 1. Если схема имеет только двукратные ошибки, то следует применять (, )-код. В этом случае, если 9, то обеспечивается 100%-ое обнаружение ошибок. 2. Если схема не имеет симметричных ошибок, то следует применять (, )-код. В этом случае обеспечивается 100%-ое обнаружение ошибок. 3. Если число симметричных ошибок больше или равно числу двукратных ошибок, то улучшение результата по общему количеству необнаруживаемых ошибок следует ожидать от применения (, ) -кода. 4. Если число двукратных ошибок составляет 70-75% и больше от общего числа ошибок, то предпочтение следует отдавать (, )-коду. 5. Если число симметричных ошибок составляет 10% и меньше от общего числа ошибок, то предпочтение следует отдавать (, )-коду. 6. Если количество ошибок нечетной кратности является незначительным (до 10-15%), то предпочтение следует отдавать (, )-коду.
Сформулируем также два вывода общего плана. 1. Выбор кода для построения системы функционального контроля можно осуществлять на основе анализа типа и кратности ошибок, полученных на основании испытания контролируемой схемы.
2. Так как в большинстве практических схем двукратные ошибки составляют большую часть от общего числа ошибок, то применение при построении систем функционального контроля (, )-кодов может найти широкое применение. Среди 11 схем, представленных в таблицах приложения Б, только для трех схем (cm163a, x2, cm162a) преимущество при построении системы функционального контроля имеет (, )-код.
При увеличении числа информационных разрядов в (, ) -коде возрастает число необнаруживаемых двукратных ошибок. Однако, так как в (, )-коде до значения 9 обнаруживаются все двукратные ошибки, то это свойство можно эффективно использовать для решения задачи уменьшения общего количества необнаруживаемых путем организации контроля по отдельным группам выходов. Такой подход описан в [37].
На рис. 4.2 приведена схема контроля по двум группам выходов блока (), имеющего 18 выходов. Если организовать контроль при помощи кода (18,5) по всем выходам, то число руживает 18,3% двукратных ошибок.
В схеме кнеобнаруживаемых двукратных ошибок может оказаться значительным, т.к. (18,5)-код не обнаонтроля рис. 4.2 выходы блока () делятся на две группы {1,2, …,9} и {10,11, …,18}, каждая из которых содержит по девять выходов. Для контроля первой группы устанавливается собственный блок контрольной логики 1() и тестер (тестер1), для контроля второй группы - блок 2() и тестер2. Парафазные выходы тестеров объединяются схемой TRC. Так как каждая отдельная система контроля реализуется на основе (9,4)-кода, то в структуре рисунок 4.2 обнаруживаются все двукратные ошибки на выходе блока (). Если число выходов схемы 18, то структура с обнаружением всех двукратных ошибок может быть построена на основе деления множества выходов на несколько групп с числом выходо в 9.
Описанный подход к построению систем функционального контроля позволяет уменьшить общее число необнаруживаемых ошибок при использовании любого кода с суммированием, в том числе и при использовании (, )-кода. Однако, (, )-код (как и модифицированные коды с суммированием) не имеют указанного выше отличительного свойства по обнаружению двукратных ошибок. Поэтому следует ожидать, что применение метода контроля схемы по отдельным группам выходов дает наибольший эффект при применении (,)кода, чем при применении других известных кодов с суммированием. Для обоснования данного положения был проведен эксперимент с десятью рассмотренными выше контрольными схемами. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.9.
Для каждой контрольной схемы моделировалась система функционального контроля, аналогичная системе рисунок 4.2. При этом формировались произвольным образом две группы выходов. При четном числе выходов схемы группы имели одинаковое число выходов, при нечетном числе выходов - одна из групп содержала на один выход больше. В эксперименте рассматривался только один вариант образования групп, перебора вариантов не осуществлялось.
В графах 4 и 5 табл. 4.9 приведено общее число необнаруживаемых ошибок для систем функционального контроля с двумя группами выходов N2(S) и N2(WTMP) соответственно для кодов S(m, к) и WTMP(m, к).
В среднем число необнаруживаемых ошибок за счет введения контроля по двум группам выходов при S (т, к) -коде уменьшилось в два раза, а при WTMP(m, /0-коде - в пять раз. Только в одном случае (схема alu4) эффект от разделения выходов на группы для WTMP(m, к)-кода оказался меньше, чем у S(m, /с)-кода. Для четырех схем (f51m, cm42a, pm1, ldd) получены системы функционального контроля, в которых обеспечивается обнаружение всех одиночных неисправностей элементов.
В графе 8 показано во сколько раз для каждой контрольной схемы значение числа N2(S) больше значения числа N2(WTMP). В среднем число необнаруживаемых ошибок для WTMP(m, /с)-кода почти в 10 раз меньше, чем для S(m, к)- кода. При этом наибольший эффект получен для наиболее сложных схем с большим числом выходов (схемы ее и ttt2). Для таких схем двукратные ошибки составляют большую часть от общего числа ошибок (например, для схемы ttt2 это 71,22%). Можно считать, что в среднем половина этих ошибок являются симметричными, которые не обнаруживаются WTMP(m, /с)-кодом. Таблица 4.9. Сравнение обнаруживающей способности кодов S(m, к) и
Построение систем функционального контроля на основе новых оптимальных кодов
Одной из ключевых проблем эксплуатации современных систем ЖАТ является проблема их технического обслуживания. В настоящее время доминирующим методом технического обслуживания систем ЖАТ на железных дорогах Российской Федерации является регламентный метод, основанный на привлечении к работе технического персонала дистанций СЦБ [32]. Данный метод подразумевает техническое обслуживание устройств по специально разработанным недельным, квартальным и годовым графикам технологических процессов. При этом все операции по техническому обслуживанию проводятся вручную. С целью автоматизации технического обслуживания устройств ЖАТ в конце 80-х годов XX века на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Ленинградского института железнодорожного транспорта (ныне - Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I) были инициированы работы по созданию системы, способной автоматически с небольшим периодом собирать информацию о техническом состоянии объектов ЖАТ [20, 22, 32]. К середине 90-х годов XX века были получены первые прототипы данной системы -системы АПК-ДК [28]. Данная система активно развивалась в последующие два десятка лет: совершенствовались принципы съема диагностической информации [31, 35, 36, 80], повышалась полнота и глубина диагностирования [29, 51], развивались методы автоматической обработки диагностической информации [5, 16 – 19], минимизировались технические средства диагностирования [28]. С начала XXI века параллельно системе АПК-ДК развиваются аналогичные системы других производителей – системы АСДК и АДК-СЦБ [51].
В настоящее время система АПК-ДК развивается и поддерживается не только сотрудниками кафедры автоматики Петербургского государственного университета путей сообщения, но и такими фирмами-производителями как ООО «Компьютерные информационные технологии» и ЗАО «МГП «ИМСАТ». География внедрения АПК-ДК является обширной – система внедрена на всех железных дорогах ОАО «РЖД», ею покрыто свыше 10 тыс. км железных дорог. Например, на рис. 5.10 показано распространение системы АПК-ДК, поддерживаемой фирмой ЗАО «МГП «ИМСАТ».
Система АПК-ДК имеет трехуровневую структуру. На нижнем уровне располагаются специализированные контроллеры, задача которых контролировать параметры устройств СЦБ [32]. Помимо объектных контроллеров используются устройства сопряжения с другими системами и устройствами ЖАТ. Средний уро 118 вень состоит из промышленных компьютеров (концентраторов) под управлением операционной системы жесткого реального времени QNX. Концентраторы могут располагаются на станциях, в модулях автоматической блокировки с тональными рельсовыми цепями (АБТЦ) и на центральном посту. Основная задача концентратора – сбор и обработка информации, поступающей от устройств нижнего уровня. Помимо этого, концентратор выполняет роль автоматизированного рабочего места электромеханика дистанции СЦБ. Верхний уровень состоит из различных автоматизированных рабочих мест (технолога дистанции, работников отделения и управления дороги включая центр мониторинга). АПК-ДК позволяет решать следующие задачи. 1. Осуществлять контроль действий дежурного по станции (ДСП). С помощью промышленного индустриального контроллера ПИК-120 в систему АПК-ДК вводятся данные об индикации на табло ДСП. По этим данным можно судить о действиях ДСП. 2. Осуществлять слежение за поездным положением. Источником данных для определения и отображения поездного положения на станции является дискретная информация от ПИК-120, подключенного к свободным контактам путевых реле или их повторителей. Определение поездного положения на перегоне осуществляется с помощью ПИК-СТ или АКСТ, установленных на сигнальных точках перегона. 3. Производить контроль параметров рельсовых цепей. Результаты измерений напряжения в различных контрльных точках можно сопостовлять с дискретными данными о состоянии устройств СЦБ, что дает возможность анализировать причины отказов в рельсовых цепях. Напряжение на путевой обмотке реле ДСШ при применении фазочуствительных рельсовых цепей измеряется с поомощью ПИК-10. При применении тональных рельсовых цепей, напряжение на выходе путевого генератора, на входе путевого приемника и на обмотке путевого реле измеряет контроллер АДТРЦ. Напряжение на путевом и сигнальном реле, а также параметры кода числовой кодовой автоблокировки ихмеряются с помощью ПИК-СТ. Сопротивление изоляции кабеля производится с мощью контроллеров ИСИ и СЗИЦ. 4. Контролировать питание устройств СЦБ. Измеряя напряжение питания вводных панелей, можно судить о качестве питания устройств СЦБ. Измерение электрических параметров (напряжение, ток, частота и др.) осуществляется с помощью счетчика электроэнергии «Альфа». В панелях ПВ1-ЭЦК, ПВ1М-ЭЦК, ПВ2-ЭЦ, ПВ2М-ЭЦ, ПВ3-ЭЦ, ПВВ-ЭЦ счетчики устанавливаются взамен существующих. Помимо этого в системе АПК-ДК измеряются и вторичные полюса питания, формируемые аппаратурой СЦБ. 5. Осуществлять контроль стрелочных переводов.
Состояние стрелочного перевода с электроприводом постоянного тока обычно диагностируют по характеру тока потребляемого двигателем. В системе АПК-ДК для этой цели используется контроллер ADAM-3014, измеряющий падение напряжения на шунте в цепи питания электродвигателя. Измеренное напряжение программно пересчитывается в значение тока. Состояние стрелочного перевода переменного тока можно диагностировать, используя КДСП или КДУПС. Данные контроллеры позволяют косвенно измерять усилия перевода стрелки, что в перспективе может сократить количество проверок с использованием УКРУПа. Контроллер измеряет напряжение и ток в каждой фазе питания электродвигателя. По данным значениям расчитывается коэффициент мощности, который связан с усилием перевода.