Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор систем интервального регулирования движения поездов с использованием радиоканала 6
1.1 Зарубежный опыт применения систем интервального регулирования на основе радиоканала 1.2 Отечественные разработки систем интервального регулирования движения поездов 14
1.3 Теоретические исследования в области интервального регулирования движения поездов 16
1.4 Выводы по разделу 1 22
1.5 Постановка задачи исследования 23
2. Теоретические исследования в области интервального регулирования движения поездов 24
2.1 Основные принципы координатного регулирования движения поездов на основе радиоканала 24
2.2 Структуры построения систем управления поездами на базе радиоканала 41
2.3 Методы оценки эффективности систем ИРДП 45
2.4 Критерии эффективности систем интервального регулирования движения поездов 52
2.5 Выводы по разделу 2 70
3. Синтез системы ирдп на основе радиоканала 71
3.1 Эксплуатационно-технические требования к системе ИРДП 71
3.2 Обоснование структуры ИРДП 72
3.3 Методы определения местоположения локомотива 73
3.4 Технология регулирования движения поездов с использованием радиоканала 116
4. Практическо применение системы ирдп на основе радиоканала 120
4.1 Исследование сетей связи 120
4.2 Исследование протоколов передачи данных 125
4.3 Система ITARUS-ATC– практическое применение 135
4.4 Результаты испытаний 141
4.5 Выводы по разделу 4 144
Заключение 145
Список литературы:
- Отечественные разработки систем интервального регулирования движения поездов
- Структуры построения систем управления поездами на базе радиоканала
- Технология регулирования движения поездов с использованием радиоканала
- Система ITARUS-ATC– практическое применение
Отечественные разработки систем интервального регулирования движения поездов
Системы интервального регулирования движения поездов (ИРДП) предназначены для разделения поездов в пространстве во избежание столкновения их друг с другом. Тормозной путь поезда обычно в несколько раз больше, чем расстояние прямой видимости из кабины машиниста. Поэтому возникает задача заблаговременного оповещения машиниста и бортового оборудования о необходимости применения торможения. В качестве основного сигнального устройство на сети железных дорог ОАО «РЖД» используется светофор. В России показания светофора являются приказом и подлежат беспрекословному исполнению работниками железнодорожного транспорта. Увеличение скорости и интенсивности движения привело к увеличению количества ошибок при визуальном восприятии сигналов светофоров. Наиболее часто это проявляется в условиях плохой видимости: туман, снег, дождь, яркое солнце. При скоростях выше 140 км/ч правильное восприятие становится затруднительным при любых погодных условиях. Поэтому на сети железных дорог в России была разработана и получила широкое распространение автоматическая локомотивная сигнализация, которая передает значение сигнала светофора с помощью кодирования по рельсовым цепям. Однако, рельсовые цепи подвержены влиянию различного вида помех от протекания тягового тока, от изменения сопротивления балласта и других, что влечет за собой многочисленные сбои кодирования автоматической локомотивной сигнализации (АЛС). Кроме того, рельсопроводный канал не позволяет передавать данные от бортовой системы локомотива. Поэтому в качестве альтернативы АЛС предлагается использовать радиоканал. Скорость передачи, пропускная способность радиоканала во много раз превосходит существующий канал по рельсовым цепям. Это способствует применению радиоканала в системах ИРДП в качестве альтернативы рельсопроводному каналу. С развитием технологий радиосвязи происходят попытки применить его для управления движением поездов. Изначально развивалась аналоговая радиосвязь, позволяющая осуществлять разговоры машиниста с диспетчером. В последнее десятилетия активно развивается цифровая радиосвязь, открывающая широкие возможности для новых информационных и управляющих систем. Появляются системы информирования машиниста, системы собирающие диагностические данные о работе локомотива, потреблении топлива. В ряде стран мира появляются и эксплуатируются системы управления железнодорожным транспортом по радиоканалу.
Работа систем управления по цифровому радиоканалу основывается на передаче информации между стационарным и бортовым оборудованием. Стационарное оборудование отправляет на поезд разрешение на движение с указанием точки, до которой разрешено следование. Бортовое оборудование на основе полученного разрешения на движение строит кривую торможения для остановки в целевой точки. Для построения кривой торможения требуется знать расстояние от текущего местоположения локомотива до целевой точки. Эта задача решается с помощью системы определения местоположения локомотива и электронной карты.
Основными задачами, которые необходимо решить при создании системы ИРДП по радиоканалу, являются: создание системы связи, протоколов взаимодействия, создание системы контроля местоположения, контроль целостности состава, создание алгоритмов формирования управляющих команд.
Во многих странах мира успешно применяются системы интервального регулирования движения поездов на основе радиоканала. Наибольшее применение подобные системы нашли в Европейских странах, Японии, США. В соответствии с [31] ERTMS ATLAS 2012 года в Европе и Азии построено и работают порядка системы ИРДП на основе радиоканала на линиях длиной более 4 тысяч километров. Приблизительно такое же количество строится. Данные системы основаны на передаче информации по цифровому радиоканалу между стационарным и бортовым оборудованием. В общем, Детали реализации каждой системы отличаются, но общие принципы работы подобны.
В Европе активно внедряется и развивается система ERTMS/ETCS, предназначенная для интероперабельности систем управления железнодорожным движением стран Европы и использующая цифровой радиоканал для передачи данных между локомотивами и центрами управления. Спецификации данной системы приведены в [32].
При создании данной системы основной целью было обеспечение интероперабельности систем управления движением стран Европы, так как до сих пор страны Европы имеют разные стандарты и технические принципы регулирования движения поездов, что влечет много сложностей при пересечении границ. Выбор новой системы управления исходил из необходимости разработки современной системы, основанной на современных технических средствах с возможностью постепенного перехода от национальных систем управления. Разработкой спецификаций новой системы управления движением, которая получила название ETCS (European train control system) занимались ведущие железнодорожные компании: ALCATEL, ALSTOM, ANSALDOSIGNAL, BOMBARDIER, INVENSYSRAIL, SIEMENS.
Разработанные спецификации системы предусматривают три уровня работы, два из которых предусматривают использование цифрового радиоканала в качестве основного средства передачи информации и управляющих команд. Общие принципы работы системы подробно описаны в документе [33] System Requirements Specification (Subset-026). Первый уровень системы ETCS не использует цифровую радиосвязь, взаимодействие системы управления и поездов осуществляется посредством передачи информации через евробализы, представляющиеся собой точечные приемо-передатчики.
Структуры построения систем управления поездами на базе радиоканала
При комбинированной структуре в ряде случаев применяют альтернативную логику работы системы интервального регулирования движения поездов, перенося часть функций на бортовое оборудование. По локальному радиоканалу широковещательно передается информация о состоянии маршрутов на станции, состоянии рельсовых цепей. Бортовое оборудование на основании полученных данных формирует разрешение на движение.
Основными целями совершенствования систем интервального регулирования движения являются увеличение пропускной способности, повышение безопасности движения, увеличение скорости движения для пассажирского транспорта, уменьшение стоимости жизненного цикла.
Одной из основных целей применения систем интервального регулирования движения является увеличение пропускной способности железных дорог. Пропускной способностью называется максимум поездов, которые система сигнализации может пропустить так, что впереди идущий поезд не влияет на сзади идущий поезд и измеряется в поездах за час. Различают практическую и теоретическую пропускную способность. Теоретической пропускной способностью называется количество идеальных поездов, которые могут пройти по участку в течение определенного временного интервала с минимальным достижимым интервалом попутного следования. Теоретическая пропускная способность является верхним пределом пропускной способности линии и вычисляется на основе эмпирической формулы. Практической пропускной способностью называется обычный поток движения на линии с приемлемым уровнем надежности. Причем обычный поток отражает действительное смешанное движение различных видов поездов с разными характеристиками. Обычно практическая пропускная способность составляет 60-75% от теоретической. Также используют понятия используемой пропускной способности и имеющейся пропускной способности, где используемая пропускная способность представляет реальный поток движения на линии и обычно меньше чем практическая пропускная способность. Имеющаяся пропускная способность есть разница между практической пропускной способностью и имеющейся пропускной способностью.
В России существует следующее определение для термина пропускная способность:
«Пропускной способностью железнодорожной линии (участка) называется наибольшее число поездов (для однопутного участка – пар поездов) установленного веса, которое может быть пропущено за единицу времени (сутки, час) по этому участку при существующей технической вооруженности, принятой системе организации движения поездов и труда работников железных дорог»[4]. Различают наличную, проектную и потребную пропускную способности. Наличная пропускная способность линии – максимальные размеры движения поездов, которые могут быть реализованы в зависимости от её технического оснащения. Проектная может быть достигнута при осуществлении реконструктивных мер или строительных работ по усилению технической оснащенности участка. Потребная пропускная способность – число поездов, которое необходимо реализовать для выполнения плана перевозок.
Интересна и важна оценка пропускной способности линии. На данный момент не существует единой методики измерения данного показателя. Для этого используются ряд методов, среди которых можно выделить аналитические, оптимизационные и моделирующие. Аналитические методы являются наиболее простыми и представляют собой математические формулы и алгебраические выражения. С помощью них легко вычислить теоретическую пропускную способность и определить практическую, как процент от теоретической. В ряде работ добавляется вероятностный анализ с целью понимания вероятностного распределения времени во время остановок на пути следования. Некоторые методы учитывают возможные задержки и вводят вероятностные коэффициенты приоритета для всех комбинаций типов поездов.
Однако, данная формула не учитывает влияния системы сигнализации на пропускную способностьза исключением коэффициента ан, отвечающего за надежность технических средств.
Технология регулирования движения поездов с использованием радиоканала
После определения местоположения становится известным на каком блок участке на перегоне или на какой рельсовой цепи (стрелочной секции) находится локомотив. В стандартных системах ЭЦ и АБ на основании информации о занятом участке (блок участке, рельсовой цепи на станции) генерируется сигнал АЛСН или АСЛ-ЕН. То есть локализовав местоположение локомотива из стандартных систем ЭЦ и АБ легко получить значение кода сигнала автоматической локомотивной сигнализации и передать его по радиоканалу, получив простейшую систему АЛСО. Объединяя сигналы АЛС для последовательных блок-участков при условии разрешающего показания можно сформировать разрешение на движение значительно превышающее количество свободных блок участков, передаваемых в коде АЛС-ЕН, обеспечив при условии свободности разрешение на движение на 10-15 км и более при необходимости.
В процессе следование поезда контролируется его местоположение и проверяется актуальность, выданного разрешения на движение.
Методы определения местоположения локомотива Определение местоположения локомотива крайне важно для системы ИРДП на основе радиоканала, так как в зависимости от его положения формируется управляющие команды на движение. Поэтому основным требованием, предъявляемым к системе позиционирования является высокая достоверность расчетов, оперативность и точность определения пути.
Обеспечить высокую достоверность расчетов представляется возможным при комплексировании данных от нескольких источников. На рисунке 3.2 приведена предлагаемая схема работы системы позиционирования локомотива. цифровая электронная карта. Система позиционирования должна обеспечивать свою работоспособность при исчезновении какого-либо одного источника информации из перечисленных. К примеру, в тоннеле при отсутствии спутниковой навигации система позиционирования будет определять местоположение на основе путевых датчиков скорости, сигналов рельсовых цепей и электронной карты.
В литературе встречается множество алгоритмов позиционирования на основе спутниковой навигации. Основные направления исследователей сосредоточены на создании совмещенных систем на основе спутниковой навигации и инерциальных систем для повышения точности, а также выделяются работы по сопоставлению полученной координаты с электронной картой, называемой в зарубежной литературе алгоритмом map-matching.
В проектируемой системе позиционирования первоначальное определение местоположение осуществляется на основе спутниковой навигации. Это позволяет загрузить требуемую цифровую карту перегона или станции, на которой находится объект. Достоверность определения номера пути осуществляется на основе анализа сигнала рельсовых цепей тональной частоты и занятости рельсовой цепи в системе электрической централизации или автоблокировки. После первоначального определения местоположения вычисление позиции осуществляется комплексным алгоритмом с использованием фильтрации Калмана.
Определение координат на основе спутникового позиционирования и сопоставления цифровой карте
Задача определения координат объекта на основе спутникового позиционирования и сопоставления ее с электронной картой решается многими исследователями. Среднеквадратическое отклонение спутниковых приемников составляет несколько метров, что позволяет легко определить на какой станции или перегоне находится локомотив и загрузить соответствующую цифровую электронную карту. Следующей задачей является сопоставление найденной позиции точке на электронной карте. Выделяют следующие геометрические алгоритмы сопоставления точка – точка, точка – кривая, кривая – кривая.
Алгоритм точка-точка основан на нахождении точки на электронной карте до которой минимальное расстояние от точки, вычисленной спутниковым навигатором. Электронная карта кодируется набором точек. Алгоритм точка – кривая основан на нахождении минимального расстояния от точки, полученной спутниковым навигатором, до прямой (кривой), соответствующей электронной карте.
Алгоритм кривая – кривая является алгоритмом с историей, где сопоставление траектории движения по спутнику и электронной картой осуществляется на основе анализа нескольких точек.
Спутниковая навигация позволяет вычислить приблизительное местоположение локомотива, однако точность ее недостаточна для определения номера пути, так как среднеквадратическое отклонение (СКО) приемников сопоставимо с расстоянием между путями. Поэтому для повышения точности следует использовать усовершенствованные алгоритмы.
Обычный навигационный приемник выдает результаты в виде 3 координат: широты, долготы, высоты над уровнем моря и величины среднеквадратического отклонения. Основываясь на данных измерениях, и, зная цифровую модель станции и перегонов из бортовой электронной карты, становится возможным определить местоположение локомотива и номер пути, на котором он находится.
Спутниковые системы определяют координаты в общеземных системах. Система GPS работает в проекции с использованием эллипсоида WGS-84, система ГЛОНАСС в ПЗ-90. При работе с поездами необходимо выполнять преобразования с координатами, рассчитывать расстояния до объектов. Данные преобразования не удобно выполнять в геодезических координатах, поэтому требуется пересчет в плоские прямоугольные координаты. Наиболее распространенными в мире являются проекции Гаусса – Крюгера и Меркатора, позволяющие перейти к плоским прямоугольным координатам. В России наибольшее распространение получила проекция Гаусса – Крюгера, являющаяся поперечной цилиндрической равноугольной картографической проекцией. Данная проекция имеет максимальные искажения длин 0,14%, а площадей 0,27%. В пределах России искажения составляют 0,07%. Изображение зоны в проекции Гаусса практически не имеет искажений и позволяет проводить любые карто и морфометрические работы.
Равноугольная поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора применяется в системе прямоугольных координат UTM (Universal Transvere Mercator coordinate system). Данная проекция отличается от системы координат Гаусса-Крюгера масштабным коэффициентом, равным 0,9996, что обеспечивает сохранение масштабов не на осевом меридиане, а на расстоянии 180 км от него. Такое решение обеспечивает уменьшение максимального искажения масштаба в пределах шестиградусной зоны. Ось абсцисс Е направлена на восток, а ось ординат N - на север. Для исключения отрицательных значений координат, к значению абсциссы прибавляется Е0 = 500 км, а к значению ординаты в южном полушарии iV0 = 10000 км. Общая информация по проекциям и представлениям Земли в прямоугольных координатах приведена в [35].
Большая часть навигационного оборудования способна непосредственно выдавать координаты в формате UTM. Поэтому из практических соображений для расчетов в дальнейшем используется прямоугольная система координат UTM.
Система ITARUS-ATC– практическое применение
Основное практическое применение системы ИРДП осуществлялось на основе проекта ITARUS-ATC на участке Хоста-Мацеста Краснодарского края. При практическом применении решались вопросы связи центра радиоблокировки и центра коммутации GSM, GSM-R, увязки центра радиоблокировки с системами электрической централизации ЭЦ-ЕМ, модернизации бортового оборудования локомотива, проверки алгоритмов работы бортового и стационарного оборудования.
Разработанные в диссертации алгоритмы по определению местоположения локомотива и формированию разрешения на движения используются в научно-техническом проекте «Создание современных систем управления движением поездов и обеспечения безопасности движения» по теме «Применение аппаратуры САУТ НСП и средств цифрового радиоканала для передачи ответственной информации о поездной ситуации на перегоне и станции в бортовые приборы безопасности.
В научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе по теме «Разработка технологии оперативной передачи предупреждений и электронных карт в систему автоведения высокоскоростного поезда Сапсан отрабатывались алгоритмы взаимодействия с поездом по двум цифровым каналам связи TETRA и GSM с учетом требований по информационной безопасности.
Одним из главных вопросов при создании систем ИРДП на основе радиоканала являются системы связи. Наиболее широко распространенными сетями связи являются GSM, TETRA, DMR. На базе технологии GSM и LTE были созданы специализированные сети связи, предназначенные исключительно для железнодорожного применения GSM-R и LTE-R, где буква R значит Railway (железнодорожный). Основными требованиями, предъявляемыми к сетям связи, являются высокая надежность работы с вероятностью потери соединения менее 10-2 в час, малое время задержки при передачи пакетов – не более 500 мс, полная зона покрытия участка движения, круглосуточная доступность связи. Кроме того, желательно двойное перекрытие зон покрытия базовых станции для повышения надежности работы в случае выхода из строя одной из базовых станций. Важным фактором при выборе системы связи является учет капитальных затрат при внедрении. В целях уменьшения стоимости делаются попытки [59] построить систему интервального регулирования движения на базе публичной сети GSM.
Наибольшее распространение в системах ИРДП получила сеть связи GSM-R специально спроектированная на основе сети GSM для применения на железнодорожном транспорте. Данная система связи основана на спецификациях EIRENE – MORANE и гарантирует устойчивую связь на скоростях до 500 км/ч. В соответствии со спецификациями GSM-R является защищенной платформой для передачи данных и голоса. Особенностью GSM-R является возможность осуществления групповых вызовов, широковещательной связи, связи по местоположению. Работа GSM-R построена на основе базовый станций, размещаемых вдоль железной дороги с дистанцией 7-15 км, что обеспечивает резервирование в случае выхода одной из базовых станций.
В системе связи GSM-R применяется модуляция GMSK с временным разделением канала. Архитектура мобильной сети показана на рисунке 4.1
В документе [10] приведены требования к качеству работы сети GSM-R. Основные параметры качества связи показаны в таблице 4.2
Из таблицы 4.2 видно, что менее чем один раз за 100 часов происходит разрыв связи (параметр Connection loss rate). Также только в 99% случаев время передачи 30 байт составляет менее 0,5 секунды, то есть возможны ситуации, когда время передачи больше 0,5 секунды. Для контроля задержек и ситуаций с разрывом связи требуется специальный протокол, способный нивелировать сбои работы системы связи. В России цифровая система радиосвязи GSM-R построена на участке Тупасе – Сочи – Адлер – Веселое – Красная Поляна [70].
Система радиосвязи TETRA (Terrestrial Trunced Radio) обеспечивает голосовую связь, передачу данных и получила широкое распространение во всем мире в специальных службах и больших корпорациях. Европейский телекоммуникационный институт по стандартизации (ETSI) опубликовал первую версию стандарта в 1995 году. Сеть TETRA работает на основе принципов временного разделения каналов как правило в полосе частот 300 – 500 МГц в зависимости от страны с разделением соседних каналов полосой 25 кГц. Меньший диапазон несущей частоты по сравнению с GSM обеспечивает больший радиус действия базовых станций. Сеть TETRA также обеспечивает переход из одной базовой станции к другой без прерывания связи. Скорость передачи данных в сети TETRA составляет 7,2 кбит/с, а при использовании шифрования уменьшается до 4,8 кбит/с или 2,4 кбит/с, что сильно ограничивает функциональные возможности сети. Сеть TETRA может работать в трех режимах: коммутации каналов, пакетной передачи и передачи коротких сообщений SDS. В таблице 4.3 в соответствии с [67] приведено сравнение сетей радиосвязи GSM-R и TETRA.
