Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 8
ВВЕДЕНИЕ 11
Глава 1. Состояние и проблемы функциональной безопасности систем
железнодорожной автоматики и телемеханики 17
Аспекты обеспечения функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики 17
Математические методы анализа функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики... 21
Состояние нормативной базы по функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики 28
Тенденции развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики и локомотивных технических средств обеспечения безопасности движения поездов 33
Безопасность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи 38
Цели и задачи исследования 47
1.7. Выводы 48
Глава 2. Разработка графовых марковских и полумарковских методов
расчета функциональной безопасности систем железнодо
рожной автоматики, телемеханики и связи 50
2.1. Введение. Постановка задачи 50
Введение 50
Постановка задачи 52
Графовый полумарковский метод моментов 53
Графовый полумарковский метод операторных преобразований 60
Постановка задачи 60
Решение задачи 61
Приближенный метод расчета 63
Алгоритм расчета показателей безопасности и безотказности систем графовыми методами 67
Подготовительный этап 67
Алгоритм расчета 67
Алгоритм расчета коэффициентов готовности, безопасности и показателей восстанавливаемости 70
2.6. Выводы 71
Глава 3. Модели функциональной безопасности микропроцессорных
систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.. 73
3.1. Модель безопасности одноканальных контролируемых уст
ройств 73
Введение 73
Постановка задачи 74
Графовая модель устройства 76
Коэффициенты безопасности и готовности одноканальных контролируемых восстанавливаемых устройств 77
Временные показатели безопасности и надежности одноканального контролируемого устройства 82
Безопасность двухканальных устройств без перезапуска каналов 87
Постановка задачи 87
Модель безопасности 87
3.5. Оценка вероятности возникновения опасных отказов при пе
резапуске двухканальных систем 93
Постановка задачи 93
Модель для оценки вероятности возникновения опасных отказов 94
3.6. Безопасность двухканальных устройств с перезапуском кана
лов 105
3.7. Взаимосвязь функциональной и информационной безопасно
сти аппаратно - программных комплексов железнодорожной
автоматики, телемеханики и связи 111
3.8. Выводы 115
Глава 4. Основы гармонизации нормативной базы отрасли по функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи с международными стандартами.. 117
Выбор направлений гармонизации нормативной базы отрасли по функциональной безопасности с международными стандартами 117
Аналитический подход к обеспечению функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи 127
Комплексный подход к обеспечению функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи 135
Подход к нормированию функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи 138
4.5. Выводы 147
Глава 5. Разработанные микропроцессорные устройства и системы
железнодорожной автоматики, телемеханики и связи 150
Введение 150
Способы построения функционально безопасных устройств... 152
Безопасные и достоверные схемы сравнения 152
Самопроверяемые на основе естественной избыточности устройства 156
5.3. Многоуровневая безопасная вычислительная система 160
Архитектура многоуровневой безопасной вычислительной системы 160
Методы обеспечения безопасности вычислительного модуля. 161
5 5.3.3. Обеспечение отказоустойчивости вычислительной среды
вычислительной системы 163
5.4. Расширение функциональных возможностей систем обеспе
чения безопасности движения 165
Расширение функций автоблокировки и локомотивной сигнализации 166
Комплексное локомотивное устройство безопасности 168
Использование функциональной избыточности локомотивной сигнализации для повышения безопасности движения 172
Расширение функциональных возможностей станционных систем железнодорожной автоматики и телемеханики на основе маневровой автоматической локомотивной сигнализации 175
Расширение функций диспетчерской централизации 181
5.5. Выводы 183
Глава 6. Многоуровневая система управления и обеспечения безопас
ности движения поездов 185
Назначение многоуровневой системы 185
Принципы многоуровневого обеспечения безопасности 186
Функциональная безопасность многоуровневой системы 191
Постановка задачи 191
Модели функциональной безопасности многоуровневой системы 193
6.4. Концепция построения многоуровневой системы управления
и обеспечения безопасности движения поездов 209
6.5. Концепция информационной безопасности многоуровневой
системы 218
Общие положения 218
Разработка политики информационной безопасности многоуровневой системы 220
6.5.3. Разработка основных направлений и технологий информаци
онной защиты многоуровневой системы 221
Основные требования к многоуровневой системе 222
Выводы 227
Глава 7. Построение многоуровневых систем управления и обеспече
ния безопасности движения поездов 229
Введение 229
Организация информационного взаимодействия в многоуровневой системе 229
Организация в многоуровневой системе средств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики 236
Средства управления на железнодорожной станции 237
Организация управления движением поездов в многоуровневой системе 243
7.4. Внедрение результатов исследований при реформировании
управления на железнодорожном транспорте 246
Нормативные документы МПС России, определяющие задачи повышения безопасности движения при реформировании хозяйств отрасли 246
Организация внедрения технических средств обеспечения безопасности движения на сети железных дорог 252
Нормативные документы для внедрения многоуровневой системы на сети железных дорог 258
7.5. Экономическая эффективность разработанных систем желез
нодорожной автоматики, телемеханики и связи и многоуров
невых систем управления и обеспечения безопасности дви
жения поездов 261
Технико-экономическое обоснование внедрения КЛУБ- У 261
Технико-экономическое обоснование внедрения многоуровневой системы
7
7.6. Выводы 269
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 273
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 277
ПРИЛОЖЕНИЕ 304
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
АБ - автоматическая блокировка;
АБТ - система автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты;
АБТЦ-М - микропроцессорная автоблокировка; A3 - активная защита;
АЛС - автоматическая локомотивная сигнализация; АЛСН - автоматическая локомотивная сигнализация непрерывная; АЛСО - автоматическая локомотивная сигнализация без проходных светофоров;
АЛСТ - автоматическая локомотивная сигнализация точечная; АПД - аппаратура передачи данных; АПК - аппаратно-программный комплекс; АРМ - автоматизированное рабочее место;
АРМ ДНЦ - автоматизированное рабочее место поездного диспетчера; АСОУП - автоматизированная система оперативного управления перевозками;
БВС - безопасная вычислительная система; БИС - большая интегральная схема; БКПТ - бесконтактный кодовый путевой трансмиттер; ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи; ГАЛС - горочная автоматическая локомотивная сигнализация; ДИ - датчик импульсов; ДК - диспетчерский контроль; ДНЦ - поездной диспетчер; ДПС - датчики пути и скорости на локомотиве; ДСП - дежурный по станции; ДЦ - диспетчерская централизация; ЕДЦУ - единый дорожный центр диспетчерского управления;
9 ЕКС - единая комплексная локомотивная система управления и обеспечения безопасности; ИБ - информационная безопасность; ИСЗ - искусственный спутник Земли; КБ - кнопка бдительности;
КЖ - красно-желтый сигнал локомотивного светофора; КЛУБ (-У) - комплексное локомотивное устройство безопасности (унифицированное); КП - контролируемый пункт; КПД - электронный скоростемер; МСЖД - международный союз железных дорог; МС - многоуровневая система;
МАЛС - маневровая автоматическая локомотивная сигнализация; МП - микропроцессор; МПЦ - микропроцессорная централизация; МУ - микропроцессорное устройство; МПД - мультиплексор передачи данных; ОЦК - основной цифровой канал;
ОТС (-Ц) - оперативно-технологическая связь (цифровая); ОРММ - отраслевой руководящий методический материал; ПО - программное обеспечение; ПАЕ - полуавтоматическая блокировка; ПТЭ - правила технической эксплуатации; ШТР - подсистема поддержки принятия решения; ПЦК - первичный цифровой канал; РПЦ - релейно-процессорная централизация; РЦ - релейная централизация; РРЛ - радиорелейная линия; РВТ - ремонтно-восстановительная технология; РУ - релейные исполнительные устройства;
10 PCC - рабочая станция связи; РК - радиоканал;
СЖАТ - система железнодорожной автоматики и телемеханики; САУТ - система автоматического управления торможением; САВПЭ - система автоматического ведения поезда; СИР - система интервального регулирования движения поездов; СНС - спутниковая навигационная система; СПД - сеть передачи данных;
СПД ОТН - сеть передачи данных оперативно-технологического назначения;
СПД-ЛП - сеть передачи данных линейных пунктов; ССПС - специальный самоходный подвижной состав; ТУ/ТС - телеуправление/телесигнализация;
ТСКБМ - телемеханическая система контроля бодрствования машиниста;
ТУМС - система телеуправления малыми станциями; ТРА - техническо-распорядительный акт станции; ТСС - тактовая сетевая синхронизация; ТЭО - технико-экономическое обоснование; ТСИР - технические средства интервального регулирования; УКБМ - устройство контроля бдительности машиниста; УСАВП - унифицированная система автоматического ведения поезда; УВК - управляющий вычислительный комплекс;
ФСС - формирователь сигналов автоматической локомотивной сигнализации;
ЦОК - центральный обрабатывающий комплекс; ЦСТР - цифровая сеть технологической радиосвязи; ЭЦ - электрическая централизация;
ЭПК - электропневматический клапан тормозной системы на локомотиве.
Введение к работе
Перевозка пассажиров и грузов является технологическим процессом, который связан с высокой ответственностью за жизнь людей, сохранностью технологического оборудования, материальных ценностей и окружающей среды. Любые изменения нормального хода таких процессов могут приводить к различным по степени тяжести последствиям. В этом случае, актуальной является проблема обеспечения безопасности движения поездов. Поэтому существует необходимость рассматривать процессы перевозки пассажиров и грузов и обеспечения безопасности движения поездов в неразрывной взаимосвязи, как единую глобальную целевую функцию железнодорожной транспортной системы.
Эффективность выполнения основной задачи железнодорожной транспортной системы определяется множеством факторов, основные из которых можно определить через состояние внутренних свойств железнодорожной транспортной системы: - технической оснащенности каждой подсистемы (службы); - функциональной эффективности технических средств; - надежности технических средств; - организации функционирования подсистемы (службы); - профессиональной подготовки операторов системы (службы); - психофизиологического состояния операторов (диспетчер, машинист и т.д.); - дисциплины операторов (диспетчер, машинист и т.д.); - контроля качества функционирования подсистем (служб) и системы в целом. В общем случае можно сказать, что эффективность и безопасность обеспечения движения поездов определяется состоянием (в нашем случае будем подразумевать не только надежностные характеристики, в широком смысле, но и уровень развития технических решений) технических средств и фактором эффективности взаимодействия человека с техническими средствами на всех этапах жизненного цикла системы.
12 В настоящее время, основными техническими средствами обеспечения безопасности движения поездов являются системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ). Общее состояние СЖАТ характеризуется высокой степенью их старения. Модернизация СЖАТ стандартными методами приводит к значительным и неоправданным затратам, так как при этом уровень обеспечения безопасности повышается незначительно, а сроки окупаемости высоки. Кроме того, в качестве объективного факта следует учитывать ухудшение качественного и количественного уровня обслуживающего персонала, что приводит к повышению роли «человеческого фактора» в обеспечении безопасности движения поездов, рост вандализма еще более усложняет ситуацию.
Существующая тенденция повышения эффективности управления движением поездов за счет увеличения длины участка управления поездного диспетчера определяет новые требования к степени автоматизации управления, которая должна обеспечивать необходимый уровень перевозок и безопасности движения поездов. Поэтому назрела необходимость изменить подход к созданию СЖАТ: от локальных устройств по выполняемым функциям (электрическая централизация (ЭЦ), диспетчерская централизация (ДЦ), автоблокировка (АБ) и т.д.) к технологически замкнутым системам управления движением поездов и маневровой (сортировочной) работой [168].
Создание цифровых сетей связи и внедрение новых информационных технологий с централизацией диспетчерского управления позволили изменить систему управления и расширить ее функции. Микропроцессорные СЖАТ обеспечили работу информационных систем в реальном масштабе времени, т.е. повысили эффективность работы всего производственного процесса. Реализация комплексных проектов реконструкции участков железных дорог в России и для международных проектов потребовала использования в целях повышения безопасности не только традиционных СЖАТ, но и дополнительных ресурсов на базе
13 информационных технологий и цифровых сетей связи.
Такой подход привел к необходимости создания принципиально новых аппаратно-программных комплексов СЖАТ, внедряемых на сети дорог, при их совместном использовании, интеграции их аппаратного, программного и функционального обеспечения в одну многоуровневую систему управления и обеспечения безопасности движения поездов (МС), которая совместно с новой системой централизованного управления движением поездов обеспечила требуемый уровень эффективной работы железнодорожного транспорта.
Решить указанный комплекс проблем, используя традиционные средства управления и обеспечения безопасности, невозможно и для этого потребовалось решение новых научных, прикладных и практических проблем повышения безопасности движения на основе применения современных информационных технологий.
В этом контексте основная цель данного исследования состоит в решении проблемы создания основ теории, принципов и способов технической реализации многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов.
Такая постановка проблемы определила структуру данной работы. Она состоит из введения, семи глав и заключения.
Первая глава работы посвящена решению вопросов анализа состояния и проблем обеспечения функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Рассматриваются аспекты обеспечения функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики, приводится анализ их влияния на эффективность управления движением поездов.
Так же в главе рассмотрены аналитические методы вероятностного анализа функциональной безопасности технических средств. Анализируются возможности и ограничения рассматриваемых методов для оценки надежности и безопасности систем управления на железнодо-
14 рожном транспорте. Исследуется вопрос состояния отраслевой нормативной базы по функциональной безопасности, а также приведен анализ тенденций развития современных СЖАТ.
Во второй главе рассмотрены вопросы разработки методов расчета и прогнозирования показателей функциональной безопасности и надежности восстанавливаемых устройств и систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, поведение которых описывается как марковскими, так и полумарковскими случайными процессами. Предложены и разработаны графовый полумарковский метод моментов, приближенный графовый полумарковский метод, основанный на приближенных вычислениях весов разложений графа. В данной главе установлены общие формульные выражения и алгоритмы разработанных методов, реализуемые с помощью стандартных процедур отыскания путей и контуров на графах.
Третья глава посвящена вопросам разработки моделей функциональной безопасности микропроцессорных СЖАТ, с помощью которых получены формульные выражения стационарных вероятностных и временных показателей безопасности и надежности для одноканальных восстанавливаемых устройств со встроенным аппаратным контролем. Так же в главе обосновывается необходимость и возможность применения операции перезапуска в каналах двухканальных систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи для восстановления их работоспособного состояния. Важное место в главе отводится вопросам разработки системы показателей информационной безопасности и комплексных показателей функциональной и информационной безопасности систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.
В четвертой главе исследуются вопросы определения путей совершенствования нормативных документов по функциональной безопасности для систем управления производственным процессом. В ней предложен вариант выбора методов аналитического доказательства
15 функциональной безопасности создаваемой системы, и разработан комплексный подход к рациональному использованию аналитических и экспериментальных способов и методов доказательства безопасности, объединения разнородной информации.
Приведены результаты исследований по нормированию показателей безопасности СЖАТ в соответствии с требованиями Европейских стандартов CENELEC.
В пятой главе работы рассматриваются вопросы практической реализации разработанных ранее теоретических методов анализа и синтеза СЖАТ и отдельных безопасных устройств. Рассмотрен ряд устройств и схемотехнических решений, разработанных автором, предназначенных для повышения уровня безопасности и надежности систем признанных изобретениями и защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.
Шестая глава работы содержит основы разработки многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов (МС). В ней определены и сформулированы принципы многоуровневого обеспечения безопасности, разработаны основные положения концепции построения многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов (МС), определены требования к построению МС, предложена структурная схема и проведены исследования условий обеспечения эффективности многоуровневой защиты МС. Важное место в главе отводится вопросам разработки Концепции информационной безопасности МС.
Седьмая глава работы посвящена изложению технических и организационных вопросов построения многоуровневых систем управления и обеспечения безопасности движения поездов, расширения их функциональных возможностей путем использования современной элементной базы и новых цифровых каналов связи, модульной изменяющейся архитектуры с открытым интерфейсом, и обеспечения высокой эффек-
тивности этих систем путем значительного сокращения объема напольного оборудования. Приведены результаты внедрения в хозяйствах МПС России технических средств и нормативных документов, в том числе концепций развития СЖАТ и локомотивных средств безопасности, разработанных под руководством и непосредственном участии автора диссертации. Показана экономическая эффективность внедрения современных СЖАТ и МС. Показана эффективность МС в части повышения безопасности движения при негативном воздействии «человеческого фактора», что способствует повышению обороноспособности страны и защиты от террористических действий.
Работа выполнена в Российском научно-исследовательском и про-ектно-конструкторском институте информатизации, автоматизации и связи Министерства путей сообщения Российской Федерации (ВНИИАС МПС России) в 1984-2004 гг.
