Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика построения систем регулирования движения поездов с использованием радиоканала 14
1.1. Анализ состояния безопасности движения на железнодорожном транспорте 14
1.2. Разработка методики построения СРДП с использованием радиоканала 20
1.3. Оценка эффективности методики построения СРДП с использованием радиоканала 32
1.3.1. Постановка задачи 32
1.3.2. Оценка надежности и безопасности систем регулирования движения поездов с одним каналом передачи информации 34
1.3.2.1. Традиционные системы регулирования движения поездов 34
1.3.2.2. Системы регулирования движения поездов на базе локального радиоканала 39
1.3.2.3. Оценка эффективности использования средств контроля и диагностики одноканальной системы регулирования двиэюения поездов 44
1.3.3. Оценка надежности и безопасности систем регулирования движения поездов с дополнительными каналами передачи информации 47
1.3.3.1. Цвухканалъная система регулирования движения поездов 47
1.3.3.1.1 Оценка накопления скрытого отказа двухканалъной СРДП 52
1.3.3.2 Трехканалъная система регулирования движения поездов 54
1.4. Анализ зарубежного опыта применения дополнительных каналов передачи данных 60
1.5. Выводы 64
Глава 2. Дополнительный канал передачи данных на основе локального радио канала 65
2.1. Введение 65
2.2. Требования к локальному радиоканалу передачи данных 65
2.3. Организация канала «станция-борт» на базе локального радиоканала... 68
2.3.1. Введение 68
2.3.2. Взаимодействие устройств СРДП по локальному радиоканалу. 69
2.3.2.1. Постановка задачи 69
2.3.2.2. Общий алгоритм взаимодействия устройств СРДП. 70
2.3.3. Определения достоверной информации в СРДП 71
2.3.3.1. Постановка задачи 71
2.3.3.2. Анализ распределения функций обработки данных и функций безопасности 72
2.3.4. Организация работы устройств СРДП по локальному радиоканалу с частотным и временным разделением 80
2.3.4.1. Постановка задачи 80
2.3.4.2. Алгоритм работы по локальному радиоканалу с временным разделением 80
2.3.4.3. Алгоритм работы по локальному радиоканалу с частотным разделением 82
2.3.5. Алгоритм работы системы «станция-борт» по локальному радиоканалу 83
2.3.5.1. Постановка задачи 83
2.3.5.2. Алгоритм регистрации бортовых устройств СРДП. 84
2.3.5.3. Алгоритм работы устройств СРДП после регистрации 87
2.3.6. Методы защиты информации в локальном радиоканале 88
2.3.6.1. Введение 88
2.3.6.2. Определение методов защиты информации в локальном радиоканале... 88
2.4. Определение параметров протокола обмена данными по локальному радиоканалу в системе регулирования движения поездов 92
2.4.1. Постановка задачи 92
2.4.2. Расчет параметров надежности 93
2.4.2.1. Определение количества повторов 94
2.4.3. Расчет параметров безопасности 96
2.4.4. Расчет показателей надежности и безопасности двухстороннего обмена с использованием алгоритма передачи посылки по частям 98
2.5. Определение дальности действия локального радиоканала 100
2.5.1. Постановка задачи 100
2.5.2. Расчетуровня сигнала на входе радиостанции устройства СРДП 100
2.6. Сравнительный анализ применения радиооборудования различных стандартов в устройствах системы регулирования движения поездов... 102
2.6.1. Общие положения 102
2.6.1.1 Характеристики локального радиоканала в диапазоне 160 МГц и 460 МГц : 103
2.6.1.2 Электромагнитная совместимость средств локального радиоканала в диапазоне 160 МГц 106
2.6.2. Системы широкополосного беспроводного радиодоступа 107
2.6.3. Спутниковые системы радионавигации и связи 107
2.6.4. Аппаратура стандарта TETRA и GSM. 109
2.6.5. Выводы по разделу 112
2.7 Выводы 113
Глава 3. Функциональные возможности СРДП с локальным радиоканалом 114
3.1. Введение 114
3.2. Системы регулирования движения поездов с локальным радиоканалом 114
3.2.1. Полуавтоматическая блокировка с локальным радиоканалом 115
3.2.1.1 Оценка параметров безопасности 117
3.2.2. Комплекс технических средств принудительной остановки локомотива 120
3.2.3. Унифицированный вычислительный комплекс системы интервального регулирования 123
3.2.3.1 Определение показателей безопасности 132
3.3. Выводы 135
Глава 4. Экономическая эффективность СРДП с локальным радиоканалом 136
4.1. Введение 136
4.2. Оценка экономической эффективности 139
4.3. Выводы 142
Заключение .- 143
Список использованных источников 145
Приложение 1. Справки о результатах внедрения 155
- Оценка эффективности использования средств контроля и диагностики одноканальной системы регулирования двиэюения поездов
- Алгоритм работы по локальному радиоканалу с временным разделением
- Характеристики локального радиоканала в диапазоне 160 МГц и 460 МГц
- Унифицированный вычислительный комплекс системы интервального регулирования
Введение к работе
Повышение надежности и безопасности перевозочного процесса является актуальной задачей научно-технического развития железнодорожного транспорта («Белая книга», ОАО «РЖД»). При этом опыт эксплуатации систем регулирования движения поездов (СРДП), построенных на основе типовых решений, показал, что они не в полной мере удовлетворяют возросшие требования по показателям надежности, безопасности и оперативности перевозочного процесса. Это связано с тем, что методы построения СРДП с использованием только традиционных каналов связи (проводных, индуктивно-рельсовых, оптических, аналоговой радиосвязи) приводят с одной стороны к неоправданным затратам в силу невозможности существенного повышения надежности перевозочного процесса, а с другой - к увеличению сроков окупаемости [90]. Например, внедряемая на сети дорог многоуровневая система управления и обеспечения безопасности движения поездов (МС), предусматривает в перспективе использование цифровых систем технологической радиосвязи (ЦСТР) [94, 100], что обеспечит высокую эффективность работы железнодорожного транспорта. Однако практическая реализация в полном объеме МС на отдельных участках железных дорог может составлять длительный срок (от 5 до 15 лет). В то же время сегодня востребованы оператив-
г ные решения, способные в кратчайшие сроки повысить надежность перевозочного процесса в части решения отдельно выделенных задач [39].
Анализ причин нарушения безопасности движения, связанных с проездом запрещающих сигналов, показывает, что основные причины обусловлены несовершенством технических средств, как по выполняемым функциям, так и надежности (табл.1), и влиянием «человеческого фактора». Статистические данные по отказам [99] показывают, что негативное влияние «человеческого фактора» на безопасность движения возрастает и является определяющим. Массовое внедрение на РЖД приборов и устройств обеспечения безопасности в 80е - 90е годы прошлого столетия позволило резко сократить число проездов запрещающих сигналов (табл. 2).
Таблица 1.
Отчет по расшифровке скоростемерных лент железных дорог ОАО "РЖД"
Таблица 2. Статистические данные по проездам запрещающих сигналов
Технический уровень и алгоритмы применяемых на железных дорогах в системах регулирования движения поездов (СРДП) не всегда обеспечивают автоматическую остановку поезда перед светофором с запрещающим показанием.
Анализ случаев проезда запрещающих сигналов показывает, что основной причиной нарушения является не наблюдение (из 83 случаев проезда (2003-2008 г) 46 по невнимательности) локомотивной бригадой за показаниями напольных светофоров при трогании с места после остановки поезда, одиночного или маневрового локомотива на некодируемых путях станций (при белом огне на локомотивном светофоре). Эта статистика [72] носит устойчивый и систематический характер.
Повышение надежности и безопасности перевозочного процесса возможно за счет использования методов построения систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (СЖАТ) на основе теории безопасности и теории надежности. Значительные достижения в данной области на железно-
дорожном транспорте (Баранов Л.А. [7], Бестемьянов П.Ф. [10], Гавзов Д.В. [61], Лисенков В.М. [43, 44], Никифоров Б.Д. [53], Сапожников В.В. [96], Сапожников Вл.В. [95], Шалягин Д.В. [109], Шаманов В.И. [ПО], Швир В. [111] и другие ученые) обеспечивают объективные условия для совершенствования систем автоматики и телемеханики. Однако специфика разработки и модернизации СРДП, требует уточнения общих методов построения СЖАТ. В связи с этим целесообразно рассмотреть результаты, полученные в работах Розенберга Е.Н. [84], Шубинского И.Б. [112]. Так, используя разработанные этими учеными аналитические методы и алгоритмы расчета, прогнозирования и доказательства функциональной безопасности сложных многоканальных и многоуровневых систем, возможно выполнить детализированный анализ построения СРДП с использованием радиоканала на базе существующей инфраструктуры. Такое решение, ориентированное на автоматизацию ряда функций управления, способно в сжатые сроки обеспечить повышение надежности перевозочного процесса за счет сокращения количества отказов в СРДП и снижения влияния «человеческого фактора» на безопасность движения в наиболее сложных технологических ситуациях. Таким образом, задачи, решению которых посвящена диссертационная работа, являются актуальными с точки зрения повышения уровня безопасности и надежности технических средств регулирования движения поездов.
Автором определена проблемная ситуация, сущность которой состоит в противоречии между практической необходимостью оперативных решений, обеспечивающих повышение уровня безопасности и надежности СРДП, и отсутствием достаточно эффективных методик построения СРДП, адекватно учитывающих существующую инфраструктуру, в частности экономически эффективных для линий с малой интенсивностью движения поездов.
С учетом результатов анализа состояния решаемой научной проблемы целью диссертации является повышение безопасности существующих СРДП путем введения с помощью локального радиоканала дополнительных функций безопасности.
Для достижения поставленной цели необходимо провести исследования по следующим направлениям:
определение проблемных вопросов надежности систем управления перевозочного процесса, оказывающих наибольшее влияние на безопасность движения;
разработка методики построения СРДП с использованием локального радиоканала;
разработка комплекса аналитических моделей прогнозирования надежности и безопасности СРДП с использованием локального радиоканала;
разработка комплекса процедур по организации радиоканала с искусственно ограниченной зоной действия, обеспечивающих требуемые эксплуатационные показатели СРДП;
разработка дополнительных функций безопасности, комплекса технических и программных решений их реализующих;
практическая проверка технологических, алгоритмических, технических и программных решений по внедрению дополнительных функций безопасности.
Исходя из сформулированных противоречий и цели исследований решаемая в диссертационной работе научная задача может быть определена как задача разработки научно-обоснованной методики построения СРДП с использованием локального радиоканала как основы для оперативных решений повышения функциональной безопасности и надежности СРДП за счет автоматизации и дублирования ограниченного набора функций управления подвижными единицами.
Данная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и десяти приложений.
Во ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется противоречие, составляющее существо проблемной ситуации, исходя из которого, определяется цель исследования и научная задача. Дается краткое содержание глав диссертации.
В первой главе выполняется аналитический обзор состояния и проблем обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте. Определены недостатки работы существующих СРДП: недостаточная надежность (появление «Белого» огня на кодированных участках за декабрь-июль 2007 г.- 128903 случая); значительное влияние «человеческого фактора» на
безопасность движения (количество проездов запрещающего сигнала светофора с 2003 г. по 2008 г. - 83 случая); отсутствие дублирования информации локомотивной сигнализации; низкий уровень полноты безопасности (УПБ 1 и 2) эксплуатирующихся систем, осуществляющих формирование и передачу временных ограничений скорости и выдачу управляющих команд (разреше-ние/запрещение проезда запрещающего сигнала, остановки) и др. Для повышения надежности перевозочного процесса за счет преодоления ранее определенных негативных факторов предложено применение дополнительного канала передачи данных, используемого как для дублирования информации, так и передачи данных, которые в настоящий момент не автоматизированы и ответственность за которые возложена на машиниста. С учетом статистических данных, где сбои в работе СРДП локализованы по месту, предлагается применение локального радиоканала (ЛРК). ЛРК - канал передачи данных, предназначенный для трансляции телемеханической информации между подвижными и стационарными устройствами регулирования движения поездов. ЛРК характеризуется: передачей информации через открытое пространство, ограничением по зоне действия железнодорожными координатами, ограничением по времени действия при использовании в качестве дополнительного канала передачи данных, контролем доставки информации и контролем зоны связи. Предлагаются план и этапы разработки СРДП с использованием ЛРК. Определяются варианты реализации локального радиоканала и возможность использования данного решения как автономно, так и в качестве дополнения существующих способов построения СРДП. Выполняется предварительный анализ эффективности использования ЛРК в СРДП. Разрабатывается модель устройств с ЛРК, одновременно обладающую высокими показателями надежности и безопасности. Выполняется оценка параметров надежности и безопасности одно-, двух- и трехканальных систем, где применяется аналитический метод вероятностного анализа сложных систем, основанный на однородных марковских процессах, рекомендованный ГОСТ Р МЭК 61508-2007 а, так же европейским стандартом CENELEC.
Представлена методика построения СРДП с использованием радиоканала.
Вторая глава посвящается вопросам разработки методического обеспечения построения СРДП с использованием локального радиоканала. Определяются требования к локальному радиоканалу. Предлагается варианты организации канала передачи данных на базе локального радиоканала. Рассматриваются варианты алгоритмов функционирования устройств. Определяются показатели надежности и безопасности СРДП при использовании предложенных алгоритмов. Разрабатывается алгоритм взаимодействия мобильных и стационарных устройств СРДП. Предлагаются варианты организации работы по локальному радиоканалу с частотным и временным разделением. Определяются основные направления для разработки протокола обмена информацией, обеспечивающего необходимые показатели надежности и безопасности двустороннего обмена данными по локальному радиоканалу. Рассматриваются особенности локального радиоканала в диапазонах 160/460 МГЦ, а также и особенности и возможность функционирования СРДП в стандартах TETRA/GSM-R.
В третьей главе работы рассматриваются вопросы практической реализации разработанного ранее методического обеспечения. Для ряда систем (КТС КУПОЛ, УВК СИР, ПАБ-РК), разработанных при участии автора, получены два патента на изобретения. Показано, что особенностью данных систем является использование ЛРК в качестве основного или дополнительного канала передачи ответственной информации, что, в свою очередь, обеспечивает расширение функциональных возможностей СРДП.
В четвертой главе работы определена экономическая эффективность предложенного методического обеспечения, а именно возможность создания условий для сокращения времени задержки поездов при нарушении работы устройств СЦБ примерно на 15%.
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)» на кафедре «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» в 2005-2009 гг.
Оценка эффективности использования средств контроля и диагностики одноканальной системы регулирования двиэюения поездов
Так, используя разработанные этими учеными аналитические методы и алгоритмы расчета, прогнозирования и доказательства функциональной безопасности сложных многоканальных и многоуровневых систем, возможно выполнить детализированный анализ построения СРДП с использованием радиоканала на базе существующей инфраструктуры. Такое решение, ориентированное на автоматизацию ряда функций управления, способно в сжатые сроки обеспечить повышение надежности перевозочного процесса за счет сокращения количества отказов в СРДП и снижения влияния «человеческого фактора» на безопасность движения в наиболее сложных технологических ситуациях. Таким образом, задачи, решению которых посвящена диссертационная работа, являются актуальными с точки зрения повышения уровня безопасности и надежности технических средств регулирования движения поездов.
Автором определена проблемная ситуация, сущность которой состоит в противоречии между практической необходимостью оперативных решений, обеспечивающих повышение уровня безопасности и надежности СРДП, и отсутствием достаточно эффективных методик построения СРДП, адекватно учитывающих существующую инфраструктуру, в частности экономически эффективных для линий с малой интенсивностью движения поездов.
С учетом результатов анализа состояния решаемой научной проблемы целью диссертации является повышение безопасности существующих СРДП путем введения с помощью локального радиоканала дополнительных функций безопасности.
Для достижения поставленной цели необходимо провести исследования по следующим направлениям: определение проблемных вопросов надежности систем управления перевозочного процесса, оказывающих наибольшее влияние на безопасность движения; разработка методики построения СРДП с использованием локального радиоканала; разработка комплекса аналитических моделей прогнозирования надежности и безопасности СРДП с использованием локального радиоканала; разработка комплекса процедур по организации радиоканала с искусственно ограниченной зоной действия, обеспечивающих требуемые эксплуатационные показатели СРДП; разработка дополнительных функций безопасности, комплекса технических и программных решений их реализующих; практическая проверка технологических, алгоритмических, технических и программных решений по внедрению дополнительных функций безопасности. Исходя из сформулированных противоречий и цели исследований решаемая в диссертационной работе научная задача может быть определена как задача разработки научно-обоснованной методики построения СРДП с использованием локального радиоканала как основы для оперативных решений повышения функциональной безопасности и надежности СРДП за счет автоматизации и дублирования ограниченного набора функций управления подвижными единицами.
Во ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется противоречие, составляющее существо проблемной ситуации, исходя из которого, определяется цель исследования и научная задача. Дается краткое содержание глав диссертации.
В первой главе выполняется аналитический обзор состояния и проблем обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте. Определены недостатки работы существующих СРДП: недостаточная надежность (появление «Белого» огня на кодированных участках за декабрь-июль 2007 г.- 128903 случая); значительное влияние «человеческого фактора» на безопасность движения (количество проездов запрещающего сигнала светофора с 2003 г. по 2008 г. - 83 случая); отсутствие дублирования информации локомотивной сигнализации; низкий уровень полноты безопасности (УПБ 1 и 2) эксплуатирующихся систем, осуществляющих формирование и передачу временных ограничений скорости и выдачу управляющих команд (разреше-ние/запрещение проезда запрещающего сигнала, остановки) и др. Для повышения надежности перевозочного процесса за счет преодоления ранее определенных негативных факторов предложено применение дополнительного канала передачи данных, используемого как для дублирования информации, так и передачи данных, которые в настоящий момент не автоматизированы и ответственность за которые возложена на машиниста. С учетом статистических данных, где сбои в работе СРДП локализованы по месту, предлагается применение локального радиоканала (ЛРК). ЛРК - канал передачи данных, предназначенный для трансляции телемеханической информации между подвижными и стационарными устройствами регулирования движения поездов. ЛРК характеризуется: передачей информации через открытое пространство, ограничением по зоне действия железнодорожными координатами, ограничением по времени действия при использовании в качестве дополнительного канала передачи данных, контролем доставки информации и контролем зоны связи. Предлагаются план и этапы разработки СРДП с использованием ЛРК. Определяются варианты реализации локального радиоканала и возможность использования данного решения как автономно, так и в качестве дополнения существующих способов построения СРДП. Выполняется предварительный анализ эффективности использования ЛРК в СРДП. Разрабатывается модель устройств с ЛРК, одновременно обладающую высокими показателями надежности и безопасности. Выполняется оценка параметров надежности и безопасности одно-, двух- и трехканальных систем, где применяется аналитический метод вероятностного анализа сложных систем, основанный на однородных марковских процессах, рекомендованный ГОСТ Р МЭК 61508-2007 а, так же европейским стандартом CENELEC.
Представлена методика построения СРДП с использованием радиоканала. Вторая глава посвящается вопросам разработки методического обеспечения построения СРДП с использованием локального радиоканала. Определяются требования к локальному радиоканалу. Предлагается варианты организации канала передачи данных на базе локального радиоканала. Рассматриваются варианты алгоритмов функционирования устройств. Определяются показатели надежности и безопасности СРДП при использовании предложенных алгоритмов. Разрабатывается алгоритм взаимодействия мобильных и стационарных устройств СРДП. Предлагаются варианты организации работы по локальному радиоканалу с частотным и временным разделением. Определяются основные направления для разработки протокола обмена информацией, обеспечивающего необходимые показатели надежности и безопасности двустороннего обмена данными по локальному радиоканалу. Рассматриваются особенности локального радиоканала в диапазонах 160/460 МГЦ, а также и особенности и возможность функционирования СРДП в стандартах TETRA/GSM-R.
В третьей главе работы рассматриваются вопросы практической реализации разработанного ранее методического обеспечения. Для ряда систем (КТС КУПОЛ, УВК СИР, ПАБ-РК), разработанных при участии автора, получены два патента на изобретения. Показано, что особенностью данных систем является использование ЛРК в качестве основного или дополнительного канала передачи ответственной информации, что, в свою очередь, обеспечивает расширение функциональных возможностей СРДП.
Алгоритм работы по локальному радиоканалу с временным разделением
Каналы передачи информации с пути на локомотив делятся на визуальные (оптические) и электрические. Недостатком оптических (через показания напольных светофоров) каналов передачи информации на локомотив является то, что их показания не воспринимаются и не учитываются локомотивными устройствами безопасности. На зарубежных железных дорогах в современных системах интервального регулирования всё чаще отказываются от светофорной сигнализации на перегонах.
Наиболее распространёнными электрическими каналами передачи информации на локомотив являются каналы передачи на основе рельсовых цепей. Топологическая локализация и непрерывность передаваемой информации обеспечивают этим каналам преимущества. Недостатками являются: значительное энергопотребление, зависимость от состояния рельсового пути, необходимость обеспечения помехоустойчивости к гармоникам тягового тока, низкая скорость передаваемой информации.
На зарубежных железных дорогах для передачи информации применяются точечные приёмопередатчики, устанавливаемые с необходимой дискретностью, так называемые «Евробализы». Локомотивы, следующие по участкам, оборудованным «Евробализами», непрерывно облучают путь радиосигналом частотой 27 МГц. От этого сигнала передатчик «Евробализа» активизируется и передаёт на локомотив на частоте 4,5 МГц значение координаты данной точки, показание путевого светофора и другую необходимую информацию. Недостатками «Евробализов» являются их высокая стоимость, дискретность установки и сложность диагностики и технического обслуживания.
На некоторых зарубежных железных дорогах применяют индуктивные кабельные шлейфы. В этом случае обеспечивается более точная локализация поезда и более высокая скорость двусторонней передачи информации в канале «путь-локомотив». Низкая надёжность и отсутствие защиты от вандализма и терроризма не позволяют широко использовать эти технические средства.
Учитывая зарубежный опыт, в качестве дополнительного канала передачи данных предпочтительнее использовать радиоканал. При этом возможность применения сетей стандартов GSM-R, TETRA подробно рассмотрена в главе 2, где показано, что для использования данных сетей в условиях российских железных дорог необходимо [54, 115] проведение адаптации данной аппаратуры. Также развертывание сетей связано со значительными временными и финансовыми затратами.
Для решения вопросов повышения надежности СРДП в настоящий момент (до развертывания линейных сетей), с учетом статистических данных (рис. 1.6, табл.1), где сбои в работе локализованы по месту (количество сбоев АЛСН на станции составляет примерно половину всех сбоев на сети железных дорог, это притом, что протяженность кодируемых станционных путей в 3-4 раза меньше кодируемых путей на перегоне), предлагается применение «локального радиоканала».
Определение 1.1. Локальным радиоканалом (ЛРК) называется канал передачи данных, предназначенный для трансляции телемеханической информации между мобильными и стационарными устройствами СРДП, характеризующийся: передачей информации через открытое пространство (беспроводной канал) [9], ограничением по зоне действия (искусственное ограничение зоны связи линейными координатами), ограничением по времени действия (при использовании в качестве дополнительного канала передачи данных), контролем доставки информации и контролем зоны связи. Отлаженные алгоритмы функционирования при использовании локального радиоканала, в дальнейшем, предлагается применить в устройствах СРДП, использующих аппаратуру GSM-R, TETRA.
Применение локального радиоканала в настоящий момент обеспечит улучшение показателей надежности и безопасности СРДП в целом за счет использования смешанных видов резервирования [56]: структурного - за счет использования дополнительной аппаратуры передачи данных [34, 93], информационного - за счет повторной передачи сообщений при отсутствии подтверждения и применения обнаруживающих кодов [3, 92], функционального - за счет выполнения функций различными способами [33, 88], временного - за счет высокой скорости передачи данных [2] (например в КЛУБ-У: смена сигнала АЛС - 6 с по индуктивно-рельсовому каналу, или 2 с по радиоканалу, что позволяет провести дополнительные контрольные процедуры).
Стационарные и мобильные системы обеспечения безопасности движения, использующие локальный радиоканал, позволят: реализовать сложные функции и алгоритмы, исключающие ошибки оперативного персонала; формировать управляющие воздействия на технические средства, в том числе в случаях нарушения установленного регламента, и максимально исключать негативное влияние «человеческого фактора»; выполнять мониторинг технического состояния объектов по показателям, обеспечивающим безопасность движения поездов; создавать элементы интеллектуальной транспортной системы - интеллектуальный локомотив, интеллектуальный грузовой поезд, интеллектуальный вагон скоростного и пассажирского поезда, интеллектуальные системы сигнализации и связи, путевой инфраструктуры, интегрированные с автоматизированными системами управления; интегрировать локомотивные, станционные и перегонные системы регулирования движения с автоматизированными системами управления перевозочным процессом.
При этом реализация локального радиоканала в СРДП должна обеспечивать выполнение следующих требований, обеспечивающих возможность его эксплуатации с минимальными потерями эффективности при отказах традиционных технических средств регулирования движения поездов: архитектура должна быть достаточно гибкой и допускать относительно простое, без коренных структурных изменений, развитие конфигурации используемых средств и наращивание функций и ресурсов системы в соответствии с расширением сфер и задач ее применения; должны быть обеспечены безопасность функционирования при различных видах угроз (предумышленные негативные внешние воздействия) и надежная защита данных от ошибок при проектировании, от разрушения или потери информации, за счет авторизации пользователей, резервирования и восстановления функционирования системы после отказа [65, 97].
Характеристики локального радиоканала в диапазоне 160 МГц и 460 МГц
Для применения локального радиоканала в качестве дополнительного (основного) канала передачи данных в СРДП необходимо: определить требования к передаче информации между стационарными и подвижными объектами; на основании этих требований к передаче информации между стационарными и подвижными объектами, разработать алгоритмические и технологические решения по взаимодействию стационарных и подвижных объектов; разработать процедуры выбора достоверных данных от нескольких источников для последующей обработки в СРДП; определить параметры протокола обмена данными по радиоканалу между стационарными и подвижными объектами (количество повторов сообщений, длину кода безопасности, значения задержек с учетом повторов при передачи информации и др.); выполнить сравнительный анализ возможности применения в СРДП радиооборудования различных стандартов. Каналы передачи данных должны обеспечивать двустороннюю автоматическую передачу сообщений между стационарными и бортовыми устройствами СРДП, между бортовыми устройствами и носимыми системами оповещения (работниками путевых бригад) на перегоне и на станции при выполнении следующих ориентировочных требований [39] (табл. 2.1). Данные требования, могут быть откорректированы с учетом используемых систем управления, принятых алгоритмов взаимодействия, технических решений по организации радиоканала.
Локомотивные радиостанции передачи данных должны взаимодействовать с системами автоматики, устанавливаемыми на подвижном составе, через аппаратуру КЛУБ-У, в которой должны быть предусмотрены два радио интерфейса.
Цифровая система технологической радиосвязи (ЦСТР) должна обеспечивать: обмен информацией между подвижными объектами управления и аппаратурой системы управления, подключенной к коммутатору системы цифровой технологической радиосвязи; обмен информацией между подвижными объектами управления и аппаратурой систем управления, расположенной на станциях; непрерывный режим обмена информацией коммутатора центра управления и подвижным объектом управления при переходе локомотивной радиостанции из зоны действия одной базовой станции в зону другой базовой станции.
При построении системы управления по структуре линейного или смешанного типов для передачи данных в центр управления должна использоваться транспортная сеть цифровой системы технологической связи со стандартным цифровым потоком Е1. При этом должны использоваться кольцевые структуры построения транспортной сети.
На этапе разработки и на первых этапах внедрения должны быть решены следующие основные проблемы: обеспечение электромагнитной совместимости электронной аппаратуры размещенной на локомотиве, и других электромагнитных устройств железнодорожного транспорта, расположенных на перегонах и станциях [40]; обеспечение устойчивости работы всех радиосредств за счет оптимизации антенно-фидерных систем на локомотивах; обеспечение адресации объектов в системе управления; обеспечение программно-технической совместимости эксплуатируемых радиосредств и радиосредств передачи данных.
В стратегии использования цифровых систем радиосвязи для функционирования систем управления и безопасности движения можно выделить следующие направления [72]: решение функциональных задач на основе выделенных в настоящее время диапазонов частот 160; 330 и 460 МГц путем использования соответствующих полос частот и организации цифровых каналов для ограниченного ряда систем, преимущественно на станциях и для передачи информации вдоль состава (системы организуют дублирующие каналы передачи информации в дополнение к АЛСН или АЛС-ЕН); реализация цифровых сетей связи в зонах станций на основе широкополосных систем для комплексного решения задач управления объектами и обеспечения безопасности; в первую очередь на сортировочных станциях и станциях с большим объемом маневровых работ; формирование инфраструктуры сети для построения цифровой системы радиосвязи, соответствующей утвержденным стандартам, с организацией физической (для скоростных линий) или виртуальной специализированной сети. Сеть предназначена для организации каналов передачи служебной информации; повышения оперативности принятия решений, повышающих безопасность движения. Нормы на данную сеть должны соответствовать стандартным нормам сотовой связи. Поэтому такие каналы могут использоваться для передачи экстренных сообщений на поезда и дублирования передаваемой информации на стационарные объекты, а также передачи информации на объекты, расположенные вдоль состава.
Унифицированный вычислительный комплекс системы интервального регулирования
При данной реализации существенно, что УВК не производит анализа и компиляции этих данных, а передает полную совокупность пригодных для компиляции данных. Например, для бортового устройства (В) УВК поставляет всю информацию, собранную от основного устройства и других бортовых устройств.
Критерий выбора информации может быть-определен так: при нормальной работе основного устройства (Б) борт (В) руководствуется данными от основного устройства. Если возникает отказ основного устройства, то есть он переходит в состояние защитного отказа, который обнаруживается встроенными средствами, то борт (В) руководствуется дополнительной информацией от УВК (А). В данной реализации важно, чтобы устройство УВК имело механизм независимого тестирования своих аппаратно-программных средств. Отрицательные результаты теста должны передаваться в бортовое устройство. Кроме этого, даже в случае, если тестирование УВК дает положительный результат, время использования данных от УВК должно быть ограничено. Обозначим критерий - «информационный 1».
Другой, более классический, критерий выбора информации заключается в том, что бортовое устройство (В) выбирает из всей поступающей информации данные, предполагающие наименьший уровень риска. Данный критерий естественно уменьшает надежность системы. Необходимо предусмотреть два режима функционирования: когда информация, поступающая по радиоканалу, достоверна и недостоверна. Описанный критерий применим к ситуации, когда данные по радиоканалу достоверны. В противном случае борт (В) переходит на локальное управление, и безопасность системы определяется безопасностью подсистем основного устройства (Б). Опасным отказом при первом режиме функционирования является событие, состоящее из опасного отказа подсистем основного устройства (Б) и отказа УВК (А). В случае отсутствия достоверной информации по радиоканалу опасным отказом системы является.опасный отказ основного устройства (Б). Поэтому при наличии соответствующих процедур тестирования, как основного устройства, так и УВК, интенсивность опасного отказа системы определяется временем отсутствия достоверного приема информации по радиоканалу к. Обозначим критерий - «информационный 2».
Альтернативой информационной организации уровня УВК выступает построение УВК, как «безопасного» устройства, имеющего в своем составе два независимых канала обработки информации, при необходимости, связанной с требованиями надежности, также резервный комплект УВК, безопасную схему сравнения и внутренний механизм тестирования. Преимуществом такого построения устройств СРДП является возможность решения широкого перечня задач, связанных с повышением безопасности перевозочного процесса.
Как и в предыдущем случае имеют место два отличных критерия выбора информации. Первый из них может быть упрощен, а именно УВК собирает всю необходимую информацию, обрабатывает ее и направляет потенциальным потребителям в безопасном формате, что предполагает необходимое избыточное кодирование. Доставка информации обеспечивается посредством локального радиоканала. Бортовое устройство (В) руководствуется информацией, поступающей от УВК. В случае нарушения целостности информации, поступающей по радиоканалу, (В) переходит на локальное управление и руководствуется данными, поступающими от подсистем основного уровня (Б). Параметром, определяющим безопасность СРДП при таком построении, является соотношение времени достоверного функционирования радиоканала и времени нахождения радиоканала в состоянии отказа. В период отсутствия достоверной информации, передаваемой по локальному радиоканалу, безопасность процесса управления движением поездов определяется безопасностью подсистем основного устройства (Б). Обозначим критерий - «безопасный 1».
Второй критерий выбора информации заключается в том, что достоверной считается информация, предполагающая наименьший уровень риска. Этот принцип может быть назван принципом «И» и заключается в том, что при достоверном функционировании радиоканала, что контролируется выполнением контрольных условий, используется стандартный принцип «И». При отсутствии достоверного приема по радиоканалу происходит переход на локальное управление по данным от подсистем основного устройства. Обозначим критерий - «безопасный 2».
Введем обозначения: Лс -интенсивность отказов СРДП; Х интенсивность опасных отказов СРДП; Xbpase -интенсивность опасных отказов основного устройства; А;-коэффициент, определяющий время отсутствия достоверного приема информации по радиоканалу; Я -обобщенная интенсивность отказа элементной базы основного и резервного устройства (для современной микроэлектронной элементной базы может быть принято значение Я = 10"5 ч"1); t- время работы бортового устройства по данным от УВК без перерыва или время работы по данным от основного устройства также без перерыва. Из предварительного рассмотрения видно, что при интенсивности опасного отказа основного устройства: Яьрте =10"10 ч"1; к=0.\; А = 10-5 ч"1; /=10 ч получаем следующие параметры надежности и безопасности для СРДП (табл. 2.4).
При выборе между структурами «И» или «ИЛИ» в отношении основного и дополнительного устройства важным наблюдением оказывается то, что структура «ИЛИ» не улучшает безопасности. Действительно, наличие опасного отказа подсистем основного устройства, то есть такого отказа, который не обнаруживается встроенными методами контроля, не приводит к реконфигурации системы и является также опасным отказом для всех устройств СРДП. Поэтому рассматривается реконфигурируемая структура «N из М» и рассматривается только варианты «информационный 2» и «безопасный 2», отличающиеся тем, что обработка и комплексирование данных для варианта «информационный 2» производится всегда средствами бортового устройства, а для варианта «безопасный 2», при наличии достоверного приема по радиоканалу, обработка и комплексирование производится средствами УВК.
