Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение стратегической задачи повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, увеличения пропускной и провозной способности железных дорог невозможно без их оснащения современными техническими средствами. При этом особая роль принадлежит средствам железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), которые определяют пропускную способность железнодорожных линий, обеспечивают автоматизацию регулирования перевозочного процесса и безопасность движения поездов.
Значительный вклад в решение задач автоматизации управления перевозочным процессом, обеспечения безопасности движения поездов с помощью средств автоматики, телемеханики и связи внесли известные ученые: В.М. Алексеев, В.М. Абрамов, Л.А. Баранов, И.В. Беляков, П.Ф. Бестемьянов, A.M. Брылеев, М.Н. Василенко, Г.В. Горелов, Д.В.Гавзов, И.Е. Дмитренко, Е.В. Ерофеев, В.Н. Иванченко, Р.А. Косилов, Н.Ф. Котляренко, Ю.А. Кравцов, И.М. Кокурин, В.М. Лисенков, Б.Д. Никифоров, А.С. Переборов, Н.Ф. Пенкин, Е.Н. Розенберг, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Шалягин, В.И. Шаманов, В.И. Шелухин, И.Б. Шубинский, А.А. Явна и многие другие.
В современных условиях развитие систем железнодорожной автоматики направлено на применение микропроцессорных систем ЖАТ со сложной технической и организационной структурой, развитым программным и информационным обеспечением.
Для создания эффективных и надежных микропроцессорных систем ЖАТ необходимо дальнейшее совершенствование методов их проектирования и применения. При этом в условиях изменившихся форм собственности на железнодорожном транспорте, взаимоотношений между разработчиками, изготовителями и заказчиками систем ЖАТ необходимы научно обоснованные критерии и методы оценки качества этих систем. Это позволит осуществлять объективную сравнительную оценку эффективности различных систем и создать конкурентную среду для внедрения наиболее совершенной техники в хозяйстве железнодорожной автоматики и телемеханики.
Помимо экономических критериев эффективности особенностью процесса проектирования систем ЖАТ является необходимость доказательства безопасности и обеспечение нормативных требований по безотказности этих систем в различных условиях эксплуатации. Учитывая значительное усложнение и высокую степень интеграции внедряемых микропроцессорных устройств ЖАТ, методы и подходы, используемые для обеспечения качества и надежности при разработке, производстве и эксплуатации систем ЖАТ предыдущего поколения, в современных условиях часто оказываются малоэффективными.
Поэтому актуальной проблемой является разработка новых методов повышения качества средств ЖАТ, базирующихся на системном подходе к обеспечению надежности, безопасности и экономической эффективности современных систем управления движением поездов.
Целью исследований является разработка теории и методов оценки эффективности проектирования систем обеспечения безопасности движения поездов, решение проблемы проектирования математического и информационного обеспечения микропроцессорных систем ЖАТ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
С помощью единого метода и аналитических средств провести формализацию технологических процессов проектирования микропроцессорных систем ЖАТ, которая позволит оптимизировать технологии проектирования этих систем по критериям экономической эффективности, надежности и безопасности.
-
Разработать обобщенные модели и методы расчета показателей качества проектирования микропроцессорных систем ЖАТ, учитывающие условия эксплуатации, особенности потоков отказов и процессов изнашиваемости как аппаратных, так и программных средств, а также статистические показатели процесса регулирования движения поездов.
-
Провести формализацию технологических алгоритмов железнодорожной автоматики с учетом характеристик объектов управления, разработать модели и методы оценки качества проектирования математического обеспечения систем ЖАТ.
-
Разработать методы проектирования унифицированного информационного обеспечения микропроцессорных систем ЖАТ.
-
Сформулировать основные эксплуатационно-технические требования, предъявляемые к системам ЖАТ на этапе проектирования.
-
Создать информационное и математическое обеспечение микропроцессорных систем ЖАТ с использованием разработанных методов проектирования, формализации и моделей.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследования:
-
Методы количественной оценки технологической эффективности систем ЖАТ по критериям экономической эффективности, надежности и безопасности.
-
Формализация и оптимизация технологии проектирования микропроцессорных систем ЖАТ с помощью обобщенного структурного метода.
-
Модели и методы оценки показателей технологической эффективности различных систем ЖАТ.
-
Методы формализации и проектирования математического обеспечения систем ЖАТ.
-
Информационное и математическое обеспечение для систем релейно-процессорной централизации, синтезированное с помощью разработанных формализации, технологии и моделей.
Методы исследования. Проведенные в диссертации исследования базируются на использовании методов математического и статистического моделирования, теории вероятностей, теории случайных процессов, теории массового обслуживания, теории графов и теории информации.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, результатами внедрения технических и технологических решений, разработанных с участием автора, а также результатами обсуждения материалов работы на научно-технических и практических конференциях.
Научная новизна результатов, полученных автором диссертации, состоит в следующем:
-
Проведено обобщение метода функциональных сетей, позволяющее оценивать и сравнивать качество проектирования различных систем ЖАТ путем решения прямой задачи оптимизации.
-
Разработана и исследована обобщенная модель надежности, учитывающая особенности эксплуатации аппаратных и программных средств микропроцессорных систем ЖАТ.
-
Предложены дискретная и непрерывная модели эксплуатационной надежности программного обеспечения систем ЖАТ, учитывающие случайный процесс реализации логических алгоритмов. Разработана методика экспериментальной оценки безошибочности технологических алгоритмов железнодорожной автоматики.
-
Предложен и обоснован регламент технического обслуживания станционных устройств ЖАТ, основанный на статистической оценке показателей работы станций и железнодорожных линий различных категорий.
-
Разработаны и обоснованы методы проектирования унифицированного информационного и математического обеспечения микропроцессорных систем ЖАТ, обеспечивающие выполнение заданных требований по безопасности и безошибочности на этапе проектирования.
-
Разработана и исследована математическая модель безопасности систем диспетчерской централизации с учетом интенсивности передачи ответственных команд. Обоснована необходимость учета эксплуатационных характеристик диспетчерского участка при доказательстве безопасности и анализе безотказности систем диспетчерского управления.
-
Синтезировано информационное и математическое обеспечение систем релейно-процессорной централизации в виде совокупности технологических алгоритмов.
Практическая ценность полученных результатов
-
Предложенные в диссертации методы оценки технологической эффективности процесса проектирования систем ЖАТ позволили объективно оценивать качество их проектирования по критериям надежности, безопасности и экономической эффективности.
-
Технологические методы проектирования информационного и математического обеспечения повысили производитель-
ность труда при создании систем диспетчерского управления и релейно-процессорной централизации. Применение методов фреймов и матричного построения информационного обеспечения систем ЖАТ позволило сократить трудозатраты, сроки и стоимость разработки этих систем.
3. Универсальность моделей и методов проектирования дала
возможность использовать их при разработке микропроцессор
ных систем ЖАТ для железнодорожных станций и участков с
произвольной топологией путевого развития и размещения на
польного оборудования.
4. Предложенная в диссертации совокупность технологичес
ких алгоритмов для систем релейно-процессорной централиза
ции явилась основой для разработки программного обеспечения.
5. Применение методов расчета периодичности профилакти
ческого обслуживания станционных устройств ЖАТ обеспечи
вают повышение эффективности и производительности содержа
ния устройств СЦБ для железнодорожных линий различных
категорий.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли применение в системах диспетчерского управления движением поездов, системах телеуправления малыми станциями, системах релейно-процессорной централизации.
Разработанные модели, алгоритмы, методы оценки технологической эффективности процесса проектирования систем ЖАТ реализованы при создании и типовом проектировании систем телеуправления малой станцией «Диалог-МС» и релейно-процессорной централизации «Диалог-Ц», внедренных на ряде дорог России, стран СНГ и Балтии.
Методика расчета показателей технологической эффективности, а так же методы доказательства безопасности систем диспетчерского управления с учетом эксплуатационных и технических характеристик диспетчерских участков, реализована при проектировании и внедрении системы диспетчерской централизации «Сетунь» на Московской, Приволжской и Юго-Восточной железных дорогах.
Методы проектирования информационного и математического обеспечения для систем релейно-процессорной централизации, включая основные технологические алгоритмы, реализо-
ваны при проектировании систем релейно-процессорной централизации «Диалог-Ц» для станций Енисей, Бугач и Злобино Красноярской железной дороги.
Основные эксплуатационно-технологические требования к системам диспетчерского управления и микропроцессорной централизации разработаны в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, осуществляемых по планам Министерства путей сообщения РФ.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Автоматика и телемехаїшка на железнодорожном транспорте» РГОТУПСа в лекционных курсах и лабораторном практикуме по дисциплинам «Микропроцессорные информационно-управляющие системы железнодорожного транспорта», «Станционные системы автоматики и телемеханики», «Диспетчерская централизация» и при дипломном проектировании.
Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» РГОТУПСа (с 1998 по 2005 годы), а также на международных, всероссийских и других конференциях: IV всероссийской конференции «Качество информации», г. Москва, 1994 г.; II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта», г. Москва, 1996 г.; международной научной конференции «Высшее профессиональное заочное образование на железнодорожном транспорте: настоящее и будущее», г. Москва, 2001 г.; всероссийской научной конференции РАН «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта», г. Москва, 2002 г.; международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические», г. Ростов-на-Дону, 2004 г.; всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», г. Красноярск, 2005 г.; I-V научно-методических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», г. Москва, 1996 - 2000 гг.; I, III, IV научно-практичес-
ких конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», г. Москва, 1998 - 2001 гг.; научно-технической конференции «Железнодорожный транспорт сегодня и завтра», г. Екатеринбург, 1998 г.; на городской научно-практической конференции «Потенциал московских вузов и его использование в интересах города. Энерго- и ресурсосберегающие технологии в городском хозяйстве», г. Москва, 1999 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 работ, из них 8 — в ведущих изданиях из перечня, определенного ВАК России для опубликования основных научных результатов докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 187 наименований, 6 приложений (на 55 страницах). Диссертация содержит 308 страниц основного текста, 30 рисунков, 17 таблиц.
