Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор путей совершенствования станционной и маневровой работы в целях повышения безопасности на железнодорожном транспорте 11
1.1 Аналитический обзор технологических процессов крупных сортировочных станций 11
1.2. Анализ путей совершенствования маневровой работы на сортировочных станциях 18
1.3. Анализ опыта применения трехмерного аудио-визуального моделирования (ЗО-технологий) 22
1.4. Выводы по главе 32
Глава 2. Моделирование процессов управляемого движения подвижного состава на основе 3d технологий 33
2.1. Постановка задачи 33
2.2. Концепция моделирования маневровой работы на основе использования ЗО-технологий 34
2.3. Моделирование технологических процессов управляемого движения подвижного состава 38
2.4. Выводы по главе 52
Глава 3. Разработка аппаратно-программного обеспечения тренажера горочного комплекса (ТГК) 53
3.1. Общая архитектура тренажера
3.2. Математическая модель управляемого движения на горочном комплексе 61
3.3. Программно-аппаратное обеспечение тренажера горочного комплекса 74
3.4. Перспективы развития тренажера горочного комплекса 86
3.5. Выводы по главе 89
Глава 4. Методические основы применения зб-технологий на железнодорожном транспорте (на примере тренажера оператора исполнительного поста сортировочной горки) 90
4.1. Общие положения 90
4.2. Структура учебно-методического комплекса 93
4.3. Организация работы оператора сортировочной горки 103
4.4. Методика обучения операторов сортировочных горок на ТГК 113
4.5. Выводы по главе 116
Глава 5. Практическое использование зб-технологий моделирования в организации маневровой работы на сортировочных горках 118
5.1. Использование технологий ЗБ-моделирования для оптимизации процессов расформирования поездов 118
5.2. Использование технологий ЗБ-моделирования для проведения технических занятий на ТГК в линейных подразделениях железных дорог 120
5.3. Внедрение ТГК в учебный процесс вузов МПС РФ 122
5.4. Технико-экономическая эффективность использования ТГК 123
5.5. Выводы по главе 129
Заключение 130
Список литературы
- Анализ путей совершенствования маневровой работы на сортировочных станциях
- Концепция моделирования маневровой работы на основе использования ЗО-технологий
- Программно-аппаратное обеспечение тренажера горочного комплекса
- Организация работы оператора сортировочной горки
Анализ путей совершенствования маневровой работы на сортировочных станциях
К горочным обустройствам относятся вагонные замедлители, централизация стрелок и сигналов, компрессорные установки, устройства радио, освещения, энерго- и водоснабжения, пневматическая почта, а также широко внедряемые в последнее время системы автоматики.
Тормозные позиции горки служат для регулирования скорости движения отцепов. Причем, с помощью позиций, располагаемых на спускной части, выполняется в основном интервальное регулирование, а на парковых позициях - прицельное торможение. При интервальном регулировании между последовательно скатывающимися отцепами путем торможения поддерживаются временные интервалы, необходимые для перевода стрелок и подготовки замедлителей для торможения очередного отцепа [13]. Задача прицельного торможения - снизить скорость движения отцепа до величины, достаточной для того, чтобы он докатился до ближайшего вагона в сортировочном парке, не превысив при соударении с ним нормативно допустимой скорости.
От высоты горки, длины и уклона скоростного элемента продольного профиля зависит допустимая скорость надвига состава, т. е. та максимальная скорость, при которой обеспечивается пространственное и временное разделение отцепов на стрелках, замедлителях и у предельных столбиков в сортировочном парке.
Особенностью процесса расформирования является наличие большого количества случайных факторов, оказывающих влияние на скатывание отцепов, что обусловливает случайный характер их дальнейшего поведения [14, 15, 16]. Ходовые свойства отцепов в общем случае различны и зависят от массы и длины отцепа. Величина основного удельного сопротивления движению отцепа, определяющая его ходовые свойства, - случайная [17]. Другую группу случайных факторов составляют климатические условия в момент роспуска - температура воздуха, скорость и направление ветра, осадки (дождь, снег), наличие ни путях инея или росы и т. д. [18]. Кроме того, структура и тип перерабатываемого вагонопотока также являются случайными факторами, от которых зависит течение исследуемого процесса. Однако основным фактором, определяющим ход расформирования, следует считать человеческий. Именно от действий оперативного персонала зависит качество функционирования горочных комплексов. При совокупном воздействии на скатывающиеся отцепы вышеуказанных случайных факторов на спускной части горки могут возникать следующие нештатные ситуации [19]: - нагон одного отцепа другим, скатывающимся по тому же маршруту; - невозможность перевода стрелки на соответствующий маршрут из-за недостаточного временного интервала между отцепами; - неправильный расцеп или нерасцеп очередного отцепа; - самопроизвольный расцеп длиннобазного отцепа; - повреждение (сход) подвижного состава из-за перетормаживания; - повреждение верхнего строения путей горочной горловины. Причинами возникновения указанных ситуаций (кроме случаев нерасцепа или саморасцепа) в большинстве случаев является неправильное торможение отцепов при совокупном влиянии других факторов. Следовательно, общее число случаев производственного брака на сортировочных горках может быть уменьшено за счет повышения квалификационного уровня оперативного персонала.
Вся работа на горках производится в соответствии с Инструкцией по работе механизированных горок [6] и технологическим процессом работы сортировочных станций [7]. Данный технологический процесс работы определяет четкий порядок обработки транзитных вагонов, проходящих станцию с переработкой, и формирование на сортировочных станциях новых маршрутов из этих вагонов.
В организации и управлении этим технологическим процессом на уровне станций важная роль принадлежит дежурным по горке, операторам исполнительного и распорядительного постов, составителям формируемых поездов, регулировщикам скорости движения составов [20]. Задачи, выпол 15 няемые этими работниками в процессе формирования - расформирования составов требуют определенных профессиональных умений, связанных с мышлением, вниманием, памятью, двигательными навыками, ответственностью и исполнительностью. От уровня их профессиональной подготовки во многом зависит безопасность маневровой работы на сортировочных станциях, скорость и качество формирования транзитных составов. В процессе роспуска составов на неавтоматизированных сортировочных горках ходовые свойства отцепов оцениваются оператором визуально. Далее на основании выполненной оценки используется соответствующий коэффициент торможения. Точность оценки в значительной степени зависит от опыта и навыков оператора.
Анализ проведенных ранее исследований показывает, что ученые и производственники, специалисты в области управления маневровой работы на сортировочных станциях всегда уделяли большое внимание вопросам повышения безопасности работ в условиях сортировочных комплексов. Большой вклад в решение этой проблемы внесли отечественные ученые: П.С. Грунтов [21-23], A.M. Дудниченко [24-27], П.А. Козлов [3, 4, 28], Г.А. Крас-совский [29-33], В.И. Лисенков [34], Н.К. Модин [35-40], А.Г. Савицкий [41, 42], В.А. Шаров [43], А.А. Явна [19] и др. При этом безопасность функционирования сортировочной станции как системы ими рассматривалась не только как показатель надежности, а как составная часть более широкого понятия - эффективности. Под эффективностью здесь понимается свойство системы выполнять заданные функции с требуемым качеством [35].
При эксплуатации больших технических систем, в том числе сортировочных станций и горок в частности, основными мерами по обеспечению безопасности их функционирования является организация наиболее важного (ответственного) технологического процесса с учетом повышения надежности действий операторов как звена человеко-машинной системы и парирование ими последствий ее отказов. В соответствии с концепцией теории безопасности движения поездов ответственный технологический процесс может быть охарактеризован штатным и нештатным состояниями. Переход данного процесса из штатного в нештатный является следствием отказов технических средств и ошибочных действий операторов.
Аналитический обзор ранее выполненных исследований показал, что несмотря на определенные достижения, решение проблемы повышения безопасности маневровой работы требует дальнейшей проработки. В данной работе в качестве основного направления совершенствования маневровой работы крупных сортировочных станций выбран путь повышения квалификационного уровня оперативных работников горочного комплекса, а в качестве ответственного технологического процесса расматривается процесс расформирования составов.
Основными этапами технологии маневровой работы, являются: обработка информации и составление сортировочного листка технической конторой, подготовка состава к расформированию, а сортировочного парка к роспуску, заезд локомотива за составом и надвиг его на горку, роспуск, накопление, формирование составов и подготовка их к оправлению со станции. Анализируя технологическую схему переработки вагонопотоков на сортировочных станциях [7], можно сделать вывод, что с точки зрения безопасности функционирования рассматриваемой системы в первую очередь следует говорить о безопасности процесса скатывания вагонов (отцепов) с момента надвига на горку вплоть до остановки на сортировочном пути.
Случаи брака при роспуске являются следствием воздействия случайных факторов на рассматриваемый процесс. При этом отдельно можно выделить области влияния и проявления случайных факторов: при надвиге и роспуске; при управлении маршрутами скатывания отцепов; при управлении скоростью скатывания отцепов с горки; от пути и подвижного состава [35].
Концепция моделирования маневровой работы на основе использования ЗО-технологий
Интенсивное развитие вычислительной техники привело к появлению информационных технологий и их проникновению во многие, часто неожиданные, области человеческой деятельности. Закономерным результатом такого информационного взрыва явилось появление и развитие систем компьютерного моделирования, в том числе трехмерного аудио-визуального (3D-технологий) моделирования [50-53].
Сущность и структура системы компьютерного моделирования на ос 23 нове ЗБ-технологий определяются ее назначением и функциональными возможностями. Эта система представляет собой интегрированную среду (ИН-ТЕГРИС-ЗБ) для дизайнерского, конструкторского и технологического проектирования и моделирования трехмерных объектов сложной формы и подготовки компьютерных презентаций [54-58]. Система трехмерного аудиовизуального компьютерного моделирования может применяться также для визуализации в реальном времени сложных технологических процессов управления техническими системами и трехмерных обучающих систем [59].
Предистория системы ИНТЕГРИС-ЗБ связана с решением в восьмидесятых годах задач технологической подготовки производства изделий ракетно-космической техники [55]. К 1992 г. в нашей стране уже имелся опыт успешного применения этой системы при изготовлении деталей космических аппаратов, судового и медицинского оборудования на таких предприятиях как НПО «Энергия», НПО «Машиностроение» и др.
Применение системы ЗБ-технологий (ИНТЕГРИС-ЗБ) позволяет на основе компьютеризованного интегрированного представления преобразовать трехмерное изображение реального объекта в его трехмерное виртуальное изображение с учетом физических и технологических особенностей функционирования заданного объекта или сложной технической системы. Исходя из основного назначения в состав системы ИНТЕГРИС-ЗБ включены базовые составляющие: проектирующие подсистемы (комплексы): CAD-комплекс, САМ-комплекс, САР-комплекс (компьютерная подготовка и проведение презентаций), обслуживающая подсистема - CADMP-интерфейс и библиотека сервисных программных средств (текстовые процессоры, драйверы, архиваторы и т.п.). В состав комплексов входят также заказные (дополнительные) компоненты, выполняющие следующие функции: снятие или смягчение функциональных и ресурсных ограничений базовых составляющих, повышение эффективности их применения, адаптация процедурно-ориентированных средств комплекса для проектирования конкретных объектов [54, 55, 60]. Кроме того, решение задач инженерного анализа конструкций и моделирования технологических процессов поддерживается в системе 3D-технологий с помощью внешних по отношению к ИНТЕГРИС-ЗБ САЕ-комплексов, а также СММ-комплексов, обеспечивающих компьютерное копирование размерных и цветофактурных характеристик трехмерных объектов.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом имеется уже более чем десятилетний опыт в разработке программного обеспечения для систем виртуальной реальности на основе систем ЗБ-моделирования [61-69]. В последние годы оптико-телевизионные системы имитации реальной обстановки в летных и космических тренажерах заменяются на компьютерные системы визуализации (Computer Image Generation - компьютерный генератор изображений). На Западе этот процесс начался в конце семидесятых годов, когда фирмой "Evans and Satherland" были предложены первые компьютерные генераторы реального времени. К началу девяностых годов эта модернизация была закончена во всех крупных тренажерных центрах индустриально развитых стран. Основные фирмы - поставщики компьютерных систем визуализации: Canadian Electronics, Evans and Satherland, Avix, Boeing, Silicon Graphics. В течение последних 8-10 лет в связи с развитием возможностей и снижением стоимости компьютерные системы стали быстро распространяться на судовые, железнодорожные и автомобильные тренажеры.
В России первый компьютерный генератор изображений (КГИ) "Ак-сай" был изобретен Институтом автоматики и электрометрии в 1984 г., и в 1985 г. был введен в эксплуатацию в Центре подготовки космонавтов им. Гагарина. В 1989-1993 г.г. рядом организаций совместно с Институтом автоматики и электрометрии был построен в нескольких модификациях самый крупный в стране КГИ "Альбатрос". Система получила признание многих международных выставок и активно используется в космической и авиационной промышленности. Одной из ведущих фирм компьютерной графики в России является фирма Софт-Лаб-НСК СО РАН, принимавшая участие в отечественной программе космических исследований в области систем тренировки космонавтов. Применение оригинальных алгоритмов моделирования и отображения трехмерных объектов позволило фирме разработать базовые комплекты программного обеспечения для создания целевых систем виртуальной реальности на персональных ЭВМ, программные высокопроизводительные системы виртуальной реальности и multimedia, работающие на базе IBM PC.
Компьютерные генераторы изображений обладают рядом преимуществ: отсутствием ограничений на управление динамикой объекта; возможностью высокой реалистичности генерируемой обстановки и любых ситуаций; сравнительно простым и дешевым моделированием новых обстановок и модификацией уже существующих.
Программные средства комплектов позволяют создавать модели двух-и трехмерных виртуальных сред, а также отображать их в реальном времени с использованием трехмерного звукового сопровождения. Комплекты обеспечивают отображение в стерео режиме и возможности управления объектами виртуальных сред в реальном времени [70-77].
Использование технологий трехмерного аудио-визуального моделирования основано на представлении трехмерных объектов в виде изображений, являющихся средством обмена информацией между человеком и ЭВМ и далее создании визуальной информационной системы. Визуальная информационная система (ВИС) предусматривает контроль и управление устройствами манипуляции изображений: устройством ввода изображений; процессором обработки изображений; устройством вывода изображений; системой хранения изображений и интерфейсом обмена визуальной информацией [70, 78].
Программно-аппаратное обеспечение тренажера горочного комплекса
Основой моделирования управляемого движения на горочном комплексе является математическая модель процесса скатывания отцепов с горки. С учетом основных компонентов технологии роспуска отцепов математическая модель маневровой работы на сортировочной горке должна содержать аналитические зависимости, описывающие процесс управляемого скатывания отцепов и основного параметра управляющего воздействия - скорости выхода отцепов с тормозных позиций.
Для решения задач, поставленных в диссертации, были проанализированы разработанные ранее математические модели движения отцепов при роспуске с целью разработки алгоритма расчета основных параметров управляемого движения отцепов.
Математическому моделированию данного процесса посвящено достаточно много работ отечественных и зарубежных ученых. Наибольший вклад в решение этого вопроса внесли ученые: Ю.А. Муха [55, 83-86], В.И. Жуков [78, 80], А.А. Явна, Е.Н. Лебединская, В.П. Шейкин, Е.Г. Шепилова [8, 81, 82], Н.П. Божко [56, 87, 88], Л.В. Сафрис [54, 89, 90], Э.М. Тененбаум [91, 92], А.И. Павловский [83, 85, 93], A.M. Дудниченко [22-24, 94, 95], Н.К. Мо-дин [96], Л.М. Рубанов [97] и др.
В работах А.А. Явна, Е.Н. Лебединской [129, 130] сортировочная горка рассматривается как бинарное дерево с уровнями, соответствующими различным частям сортировочной горки (надвижная часть, сортировочные пути и т.д.). Под динамикой такой системы понимается движение отцепов по горке. Состояние системы в данной модели оценивается как совокупность векторов состояний отцепов: X = \Xi}i=l,k (3-І)
Данная модель предусматривает ограничение на фазовые координаты, исключая возможность нагона впереди идущих отцепов, и позволяет определять минимальный временной интервал между попаданием на один и тот же элементарный участок горки задних осей впереди идущего и передних осей последующего отцепов.
Все множество управляющих воздействий (относительное время начала скатывания каждого отцепа , скорость надвига отцепов V , удельные сопротивления замедлителей ь 2 ) в рассматриваемой модели представляется объединением: U = {,V,n}. (3.2) Данная методика носит универсальный характер, однако некоторые параметры несут в себе фактор неопределенности [129]. При оценке динамики скатывания отцепов с горки в методике, описанной в работе [131], движение скатывающегося отцепа в общем виде выражается уравнением dV 2 = т — , Р.З.) где Z - результирующая движущая сила; т - масса отцепа с учетом инерции вращающихся масс; dV і, - ускорение движения. Техническое состояние ходовых частей и инерционные свойства системы «отцеп-путь» в соответствии с этой методикой определяют силы сопротивления при движении отцепа.
В диссертации рассматривается модель расформирования составов на сортировочной горке, содержащая аналитические зависимости, описываю 63 щие процесс управляемого скатывания отцепов, в соответствии с положениями, сформулированными Ю.А. Мухой [11]: - горка и скатывающийся отцеп представляют собой динамическую систему, характеризующуюся координатами состояния отцепа - его положением относительно вершины горки, скорости в этот момент и времени (прошедшего от момента его отрыва); - скатывание отцепа процесс непрерывный, но при моделировании рассматривается как дискретный, состоящий из множества элементарных передвижений в направлении скатывания; - движение вагона происходит под действием непрерывно изменяющейся результирующей силы, которую при моделировании заменяют на кусочно-постоянную силу (величина ее постоянна на каждом элементарном участке перемещения - 1 м и дискретно меняется при переходе на очередной участок); - скатывающийся отцеп рассматривается как движение системы шар-нирно соединенных материальных точек, движущихся с одинаковой скоростью; - на вагон, скатывающийся по наклонной плоскости, действует результирующая сила, учитывающая суммарное удельное сопротивление движению.
В работе [27] приведена методика исследования систем управления скоростью роспуска составов, в основе которой лежит модель управляемого движения состава во время роспуска. Данная модель позволяет проводить сравнительную оценку различных систем управления скоростью роспуска посредством вычисления скоростей роспуска для текущей группы отцепов.
Анализ существующих моделей движения отцепов по сортировочной горке [129, 130, 132-139] в соответствии с предлагаемыми в данной диссертационной работе принципами построения тренажерных технологий позволил принять алгоритм расчета основных параметров управляемого движения отцепов (скорости и времени) на основе модели [132].
Организация работы оператора сортировочной горки
Неподход остряка стрелки к рамному рельсу возникает при переводе стрелки из одного положения в другое в результате попадания по сторонних предметов, в том числе - снега, между остряком и рамным рель сом. При повороте стрелочной рукоятки в этом случае после потухания од ной контрольной лампочки вторая лампочка не загорается и включается зво нок взреза стрелки. В этой ситуации оператор обязан немедленно возвратить рукоятку в начальное положение, движущиеся отцепы направить по изме ненному маршруту, остановить через дежурного по горке роспуск, если про пуск отцепов по измененному маршруту невозможен, и направить электро механика для выяснения и устранения причин отказа [12]. Данная ситуация возникает случайно в процессе роспуска на одной из стрелок, управляемых оператором поста № 2. Выключение звонка взреза стрелки производится оператором поста нажатием кнопки «выключение звонка взреза стрелки». Прекращение роспуска осуществляется оператором поста нажатием соответствующей кнопки перекрытия сигналов Г1 или Г2.
Функции устранения отказа перевода стрелки и продолжения роспуска в тренажере могут быть переданы оператору поста № 2.
Кратковременное прекращение надвига состава - необходимое действие оператора, направленное на предотвращение ситуаций с возмож ными аварийными последствиями. Причинами кратковременного прекраще ния надвига состава могут быть любые ситуации, возникшие в процессе рос пуска, при которых продолжение роспуска невозможно или нежелательно: - неподход остряка к рамному рельсу; - наличие в составе отцепа, движение которого с горки может быть начато только после полного приготовления маршрута; - интенсивное поступление отцепов на один из пучков; - перетормаживание отцепа оператором поста № 2; - перетормаживание отцепа на пучковых тормозных позициях; - остановка отцепа на разделительных стрелках в пучках; - наличие в составе длинных отцепов; другие причины. Функция кратковременной остановки роспуска на тренажере осуществляется оператором поста № 2 нажатием соответствующей кнопки перекрытия сигнала Г1 или Г2 на пульте оператора. Функция продолжения роспуска осуществляется повторным нажатием той же кнопки.
Остановка отцепа на разделительных стрелках пучка как не штатная ситуация может возникать в следующих случаях: - при ошибочном перетормаживании отцепа на пучковой тормозной позиции; - при избыточном накоплении вагонов на одном из путей сортировочного парка; 102 - при медленном движении длинных отцепов по стрелкам пучка; - при движении коротких отцепов с очень плохими ходовыми качествами; - в неблагоприятных климатических условиях (сильный встречный ветер, снег и др.). Перечисленные ситуации возникают случайно в процессе роспуска состава. При их возникновении оператор может: - изменить маршрут для движущихся следом отцепов с направлением их на другие пучки; - увеличить торможение отцепов на управляемой им тормозной позиции; - приостановить роспуск. Так как действия оператора поста № 2 во всех этих случаях практически аналогичны, то в имитаторе могут быть заменены одной ситуацией пере-тормаживания отцепа на пучковой тормозной позиции. Функция переторма-живания реализуется программно в момент прохождения отцепом пучковой тормозной позиции.
Нерасцеп или саморасцеп вагонов на перевальной части горки приводят к нарушению программы роспуска. В большинстве таких случаев вагоны попадают на сортировочный путь, не соответствующий их назначению. Для устранения последствий этих ситуаций приходиться маневровым порядком переставлять вагоны на пути, соответствующие их назначению. Причем если в нерасформированной части состава остались вагоны назначением на путь, где находятся «чужаки», необходимо остановить роспуск и сделать соответствующую перестановку.
Следует отметить, что в случае самопроизвольного расцепа вагонов многое зависит от умения оператора управлять роспуском. В этом случае из одного образуются два отцепа меньшей длины, которые следуют по одному маршруту с малым временным интервалом. Причем величина этого интервала определяется ходовыми качествами каждого, вновьобразованного отцепа. Оператору очень важно недопустить соударения этих отцепов с повышенной скоростью, что вполне вероятно, если второй отцеп обладает лучшими ходовыми свойствами.
При неправильном торможении могут возникать случаи соударения отцепов с ненормативными скоростями, что может привести к аварийной ситуации. Причем такие соударения могут возникнуть как от недостаточного торможения на замедлителях, так и в случае перетормаживания отцепа и нагона его очередным отцепом, следующим по тому же маршруту. Поэтому важной составляющей разработанной методики обучения является возможность тренинга оператора правильному регулированию скорости скатывания отцепов.
Рабочее место оператора исполнительного поста № 2, для обучения которого предназначен тренажер, находится на втором этаже здания исполнительного поста вблизи первой тормозной позиции. Расположение и планировка помещения обеспечивают хороший обзор всей горочной горловины и головной части путей сортировочного парка, а также видимость номеров вагонов в зоне первой тормозной позиции.
Оператор исполнительного поста № 2 управляет замедлителями первой тормозной позиции и стрелками, разделяющими горочную горловину на пучки, участвует в организации маневровых передвижений. Он работает в тесном взаимодействии с оператором распорядительного поста № 1 и операторами других исполнительных постов [10, 20].
