Введение к работе
Актуальность проблеш. Ратания важных задач народнохозяйственного значения во многом зависят от эффективности работы транспортного ісомплокса. Железнодорожный транспорт в этом комплексе является определяющим и на него лозится основная нагрузка по перевозке грузов и пассажиров.
Процесс движения поездов относится к числу ответственных технологических процессов (ОТО), связанных с безопасностью пассазяров, сохранность» материальных ценностей и охраной окруаавдэй среда» Научно-технический прогресс, в том чисте и на железнодорожном транспорте, немыслим без использования новэяеих достижений науки, техники а передовой технология. С начала 80-х годов в системах управления СТП началось широкое использование микроэлектрокной техники, что позволило поднять их на качественно новый уровень. Однако создание многофункциональных инфоруащгонно-улравляшзЕС систем 0?П ослоашлось обострением проблемы обеспечения их безопасности.
Новый этап осмысления проблемы обеспечения безопасности начался после крупных катастроф на химическом комбинате в Бхопале, на АЭС в Три-Маял-Айлендв и Чернобыле, на космическом корабле многоразового использования Челленджер, приведших к человеческим жертвам, потере огромных материальных"ценностей и экологическому бвдствжо. Зсе это послухало толчком в развитии теории безопасности СТП. так только суммарные расхода на исследования по' безопасности АЭС в западных странах составлязэт ежегодно более 1 млрд.долларов. -
Известно, что к нарушению условий безопасности михроэлэктронних систем управления СТО могут привести не только отказы элементов, но и сбей от действия электромагнитных помах. Кллос-трлцпей этого может служить факт приведения в состояние
тридцэтвсекундной готовности ракет с ядэршми боеголовками из-за сбоя в работе компьютеров. Учитывая, что сбои в работе микроэлектрошщх систем явления Оолео частые на порядок, а то и выь'о, чом отказы, 8 последствия от влияния помех в конечном итоге могут проявляться также, как и отказы аппаратных средств проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). при заданном уровне безопасности, настолько же актуальна, насколько актуальна на современном этапе развития техники и проблема обеспечения безопасности ОТП.
Первый опыт разработки и опытной эксплуатации микропроцессорных систем обеспечения безопасности движения (СОБД) поездов показывает, что решение проблемы ЭМС во многом опредэляэт эффективность их функционирования в условиях реальной электромагнитной обстановки (ЭМО). Причем по мере дальнейшего развития железнодорожного транспорта и соврешэнствоваыия микроэлектронных СОБД проблема ЭМС имеет тенденции к обострению по следующим причинам:
повышения уровней помех из-за роста энерговоорукенностк транспорта и единичной мощности электромагнитных исполнительных механизмов и устройств;
увеличения сложности и уменьшения габаритов микроэлектронных СОБД, ведущего к повышению плотности монтажа;
- повышения требований к безопасности и надежности.
Актуальность проблемы ЭМС обусловлена ецо и тем,' что в
странах Европейского экономического сообщества с 1992 года поэтапно вводятся единые нормы а обязательная сертификация иа ЗМС любод электронной аппаратуры. Законом "О железнодорожном транспорте" а кршшзоы Министра путей сообщения н 24 Ц от 24.05.1991 г. предусматривается обязательная сертификация по условиям безопасности технических средств аэлезкодорожпого
транспорта, включая и устройства автоматики, телемеханики и связи. А требования по Э.ЧС согласно ГОСТ 29037 отнесены к сфере обязательных при сертификации технических средств, изделий и оборудования промышленного транспортного и энергетического назначения.
Таким образом от результатов решения проблемы ЭМС зависит пяучяо-гохнический прогресс в области совершенствования и разработки микроэлектрошмх систем управления ОТП транспортного и общепромышленного назначения.
Состояние проблеми. Эффективность функционирования транспортного комплекса во многом определяется техническими средствами и технологией управления перевозками. Больеол вклад в разработку и совершенствование теории и методов управления перевозками на аэяезнодорогном транспорте внесли известные ученые: В.М.Акулиыичев.А.В.Викадоров. В.А.Буянов, Г.П.Гриневнч, П.С.Грунтов, С.З.Дувзлян, П.В.Дьяков. В.Е.Козлов, Ф.П.Кочнев. В.А.Кудрявцев,Х.М.Лазарев,С.И.Логинов, В.Я.КогреЗ. Н.В.Правдан, Т.Л.Платонов.Н.К.Сологуб,А.А.Смехов.Е.А.Сотников,М.Н.Тертеров, Л.П.Тулупов, З.П.Чвяхин, З.Г.ІПубко и многие другие.
Сдаим из основных направлении обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте является применение специаьннх средств автоматики и телемеханики, осуцествлящих интервальное регулирование движения поездов. Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики и телемеханики (СЇАЇ) внесли известные ученые: А.М.Врылеев, В.Е.Ефимов, К.Е.Дмитриакко, В.К.Иванченко, Г.Я.Загзриа, D.А.Кравцов, А.Е.Красковкиа, И.М.Кокурин. К.Ф.Котляренко. В.М.Лисенков. В.В.Сапожников, Вл.В.Сапожников, В.Е.Павлов, А.С.Переборов, Е.М.Шефат, Д.В.Калягин, В.И.Хелухия, А.А.Явна.
ІТслользовзнік» в системах железнодорожной автоматики и
телемеханики гокро электронной слемонтгоЯ базы ілдаигсот на первый ала;: задачи разработки тоория к методов построения СЖАТ и обе сличения их ЭМС с окруїхапцей ЭМО.
В области создания и развитая безопасных, в том число я микроэлектронных систем управления ОТП на железнодорожном транспорте известны фундаментальные работа Н.О.Рогипского, М.К.Вахшыа, Н.В.Лупала, В.В.Салоаиикова, Вл.В.Сапожнлкова, Д.С.МаркоЕг, М.В.Василенко» Д.В.Гавзова, В.М.Лисенкова, С.А.Кравцова, Д.В.Шалягина, И.В.Белякова, П.Ф.Бестемьяюва.
По отдельным аспектам ЭМС CSAT известны работы О.К.Дреймана, А.В.Вековящ&ва, посвященные исследованию информационных каналов, ра(Зоты И.Г.Евсеева, В.С.Ляличова, М.П.Лисовского. А.В.Наумова, направленные на изучение средств защиты от мощных энергетических воздействии, роботы А.М.Ерылеева, В.С.Дмитриева, А.Ф.Котляренко, Ю.А.Кравцова, В.А.Минина, А.П.Разгонова, Б.Н.Ствпвнского, И.В.Белякова и других связанных с вопросами защиты от помех рельсовых цепей.-
Наиболее значимой по проблема ЗМС СЖАТ является работа А.М.Костроманозз, посвященная разработке концептуальных положений по комплексному обеспечении ЭМС цифровых технических средств, электротехнических устройств и путевых датчиков.
Отдельные вопроси теории и практики обеспечения ЭМС цифровых технических средств рассмотрены в работах извэстыах специалистов И.С.Гурвича.Б.Н.Фейзулаева.Л.Н.Кечиева, Б.В.Яетрова, Д.В.Вплесова.А.А.Ворсзвского, для радиоэлектронных средств -в трудах Е.М.Виноградова, В.Я.Канторовича, А.Г.Брусивцовз, А.Д.Князева, А.Е.Красковского. И.Л.Харченко и других. Значителен также'вклад в теорию ЭМС известка западных специалистов Г.Гольдберг (Швейцария), Г.А.Джексон (Великобритания), Д.Е.Бзм, В.&ронь {Польша). Ф.И.Стумдарс, М.С.Вролик
(Зївдзрлвнда). P.M.IL'ayepc (США), Ї.Такаги (.Япония) и др.
. 3 связи с ростом в последнее десятилетие авария и катастроф, из-за отказов и сбоев в сложных таогофункцжжзлышх системах управления, начиняет видаляться в самостоятельное научное направление проблема ЭМС систем управления ОТП.
Суцоствущая методология л нзколлеами опыт репекля проблэмм ЭМС в области РЭС. средств цифровой вычислительной тохнжи и автоматизированных систем управления, хотя очень вазэш я полезна для решения частных задач, но не позволяет1 осуществлять нормирование ,' контроль и анализ параметров ЭМС микроэлектрзнных ССЗД при заданных уров.чях обеспечения надежности и безоласяосга их функционирования.
Целью диссертационной работа являются комплексные исследования, разработка теории и научное обоснование методов контроля и анализа ЗИС мнкрээлокгропшх СОЗД, исходя из принципа системности, трвбувцего нормирования, согласования и контроля как параметров ЭМО, так и характеристик помехозащищенности устройств для обеспечения заданного уровня безопасности Функционирования СОБД.
В диссертации осуществлено теоретическое обобщение в области ЭМС мнкроэлектрояяых систем управленая ОТП а решена научно-техническая проблема контроля а анализа ЭМС микроэлектронных ССЗД на всех этапах их жизненного цикла, именцэя важное народнохозяйственное значение, заключающееся в повышении безопасности тохнологичэских трансаортных процессов, ускоренны внедрения в производство новых высокоф$ектнвяых мккрозлекгронных систем управления. .
Основные направления выполненных исследований:
- разработка, исследование с позиции системного подхода математических модолол ЭМС, учитывающее эффективность
функционирования микрозлектроняих СОБД, параметры ЭМО и степени помехозащищенности устройств;
разработка методов нормирования параметров ЭМС, исходя из условий обеспечения заданных уровней безопасности микроэлектротшх СОБД;
разработка методов идентификации результатов испытаний различными имитаторами помех;
разработка принципов и мэтодов многофаиторных исследовательских испытанна на помехозащищенность на основа теории планирования экспериментов,-
обоснование и формулирование требований к аппаратурному обеспечению теории и мэтодов контроля и анализа ЭМС млкрозлектронных СОБД;
создание комплексе аппаратуру для исследования паролізтров ЭМО и проведения исследовательских и контрольных испытаний на помехозащищенность.
Метода исследования. Теоретические исследования выполнялись с привлечением методов системного анализа, теорій случайных процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории надежности. теории целей, теории планирования экспериментов, . теории конечных автоматов, математического анализа и имитационного моделирования на ЭВМ.
Достоверность научных полокзиий. обеспечивается корректностью постановки рассматриваемых задач, строгостыз математических викладок я использованном обоснованных мэтодов решения, а также подтверждена их экспериментальной проверкой, результатами внедрения и опытной эксплуатации систем АЛС-ЕН и АБ-Е1 на участках Московской з.д., результатами расчетов и моделирования на ЭВМ.
Научная ковизка. Разработана теория и методы контроля
электромагнитной со&м&стамостп шеого поколения млхроэлектронных састзм обеспечения безопасности движения поездов. 3 рамках разработанной теорій получены следутхцно новые научные результаты:
сформулированы понятая парируемых, зз'лятних и опасных сбоев и показано их влияние на характеристики надэ:кности а безопасности минроэлоктропных слетом обеспечения безопасности движения поездов;
предложены и научно-обоснованы фу:с;циопзлышэ вероятностно-статлстичоскио- модели контроля и анализа элоктромагнитнол соаместимоеттл михроэлектроыных систем, учитывайте параметры электромагнитной обстановка, степень дамехоззіжонлостл устройств и эффективность их Фу нкциони рова юн;
получены аналитические выражения для определения значений вероятности сбоев устройств при распределениях уровней П0М9Х по нормальному, усеченно-нормальному, логарифмически нормальном!', экспоненциальному, Релеевскому, Вейбулла и Гамэ-распредэлением в сочетании с нормальным и усеченно-нормальным заколами распределения степени помехозащищенности устройств;
разработан метод получения среднего времени наработки на сбой для статических моделей электромагнитной совместимости;
получены аналитические выражения вероятности сбоев и среднего вромони наработки на сбой при сочетаниях стационарных случайных процессов уровней помех и. монотонно убываниях равномерных нестаціонарних линейных случайных процессов степени помехозащищенности устройств;
сформулирована и доказана теорема об эквивалентности импульсов ломох различной форма;
получены, теоретически и экспериментально проверены,
условия эквивалентности для девяти импульсов поизх различной формы по отношению к прямоугольному импульсу;
разработаны метода нормирования контролируемых параметров ЭМС я согласования этих норм, исходя из условий обеспечения требований безопасности;
разработаны метода проведения многофэкторных исследовательских испытаний на помехозащищенность;
разработан способ определения адекватности модели при репении интерполяционных задач методами теории планирования эксперимента с использованием планов полного факторного эксперимента типа 2* для случая, когда в уравнении регрессии оказываются значимими большинство, либо все коэффициенты при факторах и их взаимодействиях.
Практическая ценность результатов : работы состоит в методическом и аппаратурном обеспечении теории и катодов контроля параметров электромагнитной совместимости, гозволяпцэм обеспечивать требования по надежности и Оезопаяости мнкрозлектроншх систем в условиях воздействия роальной электромагнитной обстановки.
Результаты исследовании, выполненных в диссертационной работе, послужили основой разработки комплекса аппаратуры измерения и моделирования помех.
Применение разработанных методов контроля и анализа ЭМС даит возможность сократить время на разработку и внедрение в эксплуатацию нового поколения высокоэффективных микроэлоктрошшх систем обеспечения безопасности дажаэния поездов при выполнении требования по надежности и безопасности их Функционирования в условиях роальной ЭИО.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа направлена на росеыио отраслевой научно-технической проблемы
N 4.a "Совершенствование существухсзк, разработка и вяедерэниз нових устройств автоматики, телемеханики и-связи с применением современной элементной базы, микроэвм к микропроцессоров" (N 1122 от 26.05.1S81 г.) и выполнялась в рамках научно-технической программы Д-4024 "Разработка и внедрение
ВЫСОКОЭффеКТЛБНЫХ Т8ХНОЛ0ПГЧЄСК2Х Процессов И ТЄХНИЧЄСХИХ
средств в хозяйстве сигнализации и связи" {г; 1456 от 18.12.1985г.). а также в рамках тем 1.2.4. "Усовершенствование аппаратуры' АЛС частотного типа на новой элементной базе" и "Автоматическая локомотивная сигнализация повышенной помехозащищенности и зпэчностя АЛС-ЕН", N1.19 "Единый ряд микроэлектронных перспективных систем и устройств автоматизации управления движением поездов. Микропроцессорная система автоблокировки АЗ-Е1". Б рамках этих программ и тем результаты исследований использовались при проведении научно-исследовательских л опытно-конструкторских работ в следующих организациях: Московском, Белорусском, Санкт-Петербургском и Харьковском институтах инженеров железнодорожного транспорта, в Конструкторском бюро Главного управления сигнализации и связи, Государственном проектно-изыскательском института "Гипротранссигналсвязь".
В ходе выполнения этих программ и тем, для-технической реализации созданной теории под руководством и непосредственном участии автора разработан а изготовлен комплекс аппаратуры по контроля я анализу ЭМС мнкроэлектронных СОЗД, вклэчзюсий в себя следующие приборы:
-
Измеритель параметров импульсных помех, предназначенный для исследования параметров ЭМО в сетях питания и интерфейсных линиях устройств железнодорожной автоматики и телемеханика.
-
Измеритель л имитатор длительных пзмех, предназначенный
для измерения и имитации параметров провалов и шранапряазний в сети питания. 3 разработке прибора использовано а.с. N 1580262.
-
Хмягатор импульсных помех, предназначенный для моделирования одиночных и лачек импульсных помех в сетях питания и интерфейсных линиях млкрозлектровлых ССБД. В разработки прибора использованы а.с. X 922802 и 1287200.
-
Специализированный гибкий видеотерминал, предназначенных для обмена информацией мезду оператором и комплексом аппаратуры при производство измерений и испытаний.
-
Пробник для экспресс анализа ЭМС мякроалектронных СОБД, предназначенный для оперативного качественного оценивания ЭМС при воздействии различных видов помех. В разработка прибора использовано а.с. к 1287200.
Для автоматизации процесса измерений и испытаний разработаны и изготовлены также имитаторы импульсных помех, провалов и перенапряжений с микропроцоссорішм управлением и автоматизированний регистратор-анализатор.
С использованием теоретических исследований и комплекса аппаратуры контроля и анализа ЭМС проведаны обследования ЭМО и испытания на помехозащищенность, результата которых использованы при разработке к внедрении в эксплуатацию слодущих видов новой техники.
1. Автоматическая локомотивная сигнализация повышенной помехозпщищоїшостя и значноста АЛС-ЕН, разрабатываемая по заданию МПС (К 58Ц от 30.12.1986 г.). Система АЛС-ЕН относится к новому поколении высокоэффоктившга современных микрозлектрошшх систем по управлению движением поездов. Введена в эксплуатации с 1983 года.
г. Микропроцессорная система авгоматичоской локомотивной сигнализации и автоматического управления тормозами АЛСЕ-САУЕ,
разрабатываемая ' по задании МПС. АЛСЕ-САУТ является первой в стране микропроцессорной системой, устанавливаемой на сорту локомотива и предназначенной для рокения задач, связанных с обеспечением безопасности движения .поездов. Проолз слытную эксплуатации на экспериментальном кольцо ЕНИХЖГз.
-
Микропроцессорная система автоблокировки АБ-Е1, разрабатываемая по заданим МПС и входящая в единый ряд микроэлектронных систем и устройств для автоматизации процесса управления 'движением поездов на диспетчерском участке зэлезяой дороги. Находися в опытной эксплуатации на одном из участков Московской железной дороги.
-
Бесконтактный кодовый путовой трансмиттер БКПГ. Серийно выпускается Саратовским электротехническим заводом. При разработке использовано а.с. N 779141.
Результата диссертационной, работы внедрены в учебный процесс при подготовке студентов по специальности "Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте" и вклинены в учебную программу по курсу "Теоретические основы железнодорожной автоматики я телемеханики" и "Основы теории надежности устройств автоматики, телемеханика и связи".
Апробация работы. Основные нолохэния диссертационной работы докладывались и обсуждались на
международных симпозиумах по электромагнитной совместимости в г.Вроцлав ПР 1S90, 1992 гг.;
научно-технической конференции электромагнитная совместимость технических средств, Санкт-Петербург 1992 г.;
научно-технической конференции, посвященной бо-летив ВИУГа, Новосибирск 1992 Г.;
3-й Зсесош'щй научно-технической конференции "Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного
транспорта", Омск 1991 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Электромагнитная совместимость судовых технических средств", Новороссийск, 1990г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Метода и сродства диагностирования технических средств гелезнодорожного транспорта", Омск 1989 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции
"Автоматизированные системы испытаний объектов железнодороаяого транспорта", Москва, 1989 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции с участием специалистов социалистических стран "ПроОлеіш повышения надежности и безопасности технических средств железнодорожного транспорта". Москва, 1988 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Метода и средства борьбы с помехами в цифровой технике''.Вильнюс, 1986,1990 гг.;
Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности транспортній систем'и технологических процессов", Гомель, 1989 г.;
Республиканской научно-технической конференции "Пути повышения эффективности использования подвижного состава", Гомель, 1983 г.;
Отраслевой научно-технической конференции "Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте", Москва, 1984 г.;
Межведомственном семинаре "Радиоэлектронные и микропроцессорные системы обеспечения безопаности движения транспорта". Москва, 1989 г.;
заседаниях кафедр "Автоматика и телемеханике на холезнодорожном транспорта" БедІОЖГа и МИИТа;
Публикация. По томе диссертационной робота опубликовано 27
ІЧ-
печатных работ, в том числе получено 5 авторских свидетельств на изобретений.
Объем н структура работы. Диссертация состоят из введения, пяти глаз, заключения и приложения. Сна содержат 251 страницу основного текста. 70 иллюстраций (на 55 листах), ю таблиц, список литературы из 282 наименований и приложение на 69 страницах.
Внутренне единство и взаимосвязь всех пяти глав диссертация базируется на функциональных вероятностно-статистических медалях ЭМС,- "прэдложанннх на основе системного подхода и связывании показатели ЭМС с параметрами помех реальной ЗМО, помохозаівденностьв микроэлектроншос СОЗД и безопасностью ах функционирования.
3 первой главе из основе анализа материалов по проблеме ЭМС выполнено теоретическое обобщение и определено место проблема ' ЭМС С?П, а, в частности, ЭМС микроздектрояных СОБД в общей проблеме ЗиС технических средств. Приводится характеристика макроэлектронных ССЗД как объекта исследования. Дается анализ разработок теоретических моделе.1 и практических методов контроля и анализа ЭМС в различных сферах народного хозяйства и формулируются цели и задачи исследования.
Вторая глава самая бодьиая по объему (79 стр.) является основоподогзщей в разработке теории и методов контроля ЭМС микроздектронпнх С05Д. В ной всесторонне исследованы и проанализированы предложенные функциональные вероятностно-статистические модели ЭМС для известных на практике сочетании законов распределения уровней помех и помехозащищенности устройств. Установлена взаимосвязь показателей ЭМС и безопасности фунхцло-ырованая микрозлехтронных СОБД. Подучены аналитические выраданпя для определения вероятности сбоя
микроэлектронных СОБД и среднэго времени наработки на сбой для статических и динамических моделей ЭМС.
Для репення проблемы контроля и анализа ЭМС микрозлоктронных СОБД на осноеэ функциональных вэроятностно-статистичвсккх моделей в третьей главе обоснованы и сформулированы требования к аппаратурнм.м средствам исследования параметров ЭМО к помехозащищенности устройств. На осново сформулированной и доказанной теоремы об эквивалентности импульсов помех различной формы и полученных соотношении их параметров для девяти импульсов реиенэ также важная задача по идентификации результатов испытаний на помехозащищенность различными имитаторами помех и упрощения их постровная.
В четвертой главе, опираясь на теоретические результата второй главы, разработана методы нормирования параметров ЭМО и помехозащищенности микрозлектроннпх СОБД, исходя из обеспечения заданного уровня их безопасности. Б этой кэ главе разработаны методы многофакторных исследовательских испытаний на поммозаіднценнссть с ^излечением аппарате теории планирования экспериментов. Выполнен анализ требования кзвдзародаого стандарта и сформулирована рекокондациз по устранению его недостатков.
Для реализации разработанной теории- в пятой главе разработана методология и аппаратурной обеспечение кот-ролл и анализа ЭМО микроэлохтронпых СОБД нз всех этапах их азгопенного цикла. Приводятся техшіч'Єша;о характеристики комплекса аппаратуры по контролю и анализу ЗМС. Рассмотрены так» вопроси оптимизации нормируемых параметров S.K по критерия стойкости и обеспечения заданного уровня безопасности ф/нкцаопироваынл микрозлокгронкнх СОНД.
В приложении лргшедэни протоколы исследования параметров
ЭКЮ и помэхозадщензостя различных михрозлектронных С05Д, выполненные с помощьп разработанной аппаратуры.