Координатная система интервального регулирования движения поездов с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства

На правах рукописи

НОВИКОВ ВЯЧЕСЛАВ ГЕННАДЬЕВИЧ

КООРДИНАТНАЯ СИСТЕМА ИНТЕРВАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ С РАСШИРЕННЫМИ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

ЛОКОМОТИВНОГО УСТРОЙСТВА

Специальность 05.22.08 – Управление процессами перевозок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (ОАО «НИИАС»).

Научный руководитель - доктор технических наук Розенберг Ефим Наумович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шаманов Виктор Иннокентьевич

кандидат технических наук

Романчиков Андрей Михайлович

Ведущая организация: Уральский государственный университет

путей сообщения (УрГУПС)

Защита состоится 6 апреля 2011 г. в 13.15 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.07 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 9 стр. 9, ауд. 1504.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа.

Автореферат разослан «___» марта 2011 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя учёного секретаря совета.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 218.005.07,

доктор технических наук, профессор В.И. Шелухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Процесс перевозок на железнодорожном транспорте требует постоянного повышения показателей его качества (сохранности и своевременной доставки грузов, комфортности для пассажиров и т.д.), а также повышения надёжности технических средств, улучшения показателей пропускной способности линий железных дорог и безопасности движения. Для решения данных задач наиболее эффективными мерами являются:

1. Совершенствование алгоритмов работы стационарных и локомотивных систем обеспечения безопасности, повышение их надежности.
2. Интеграция систем интервального регулирования и безопасности движения с автоматизированными системами управления на железнодорожном транспорте.
3. Улучшение содержания технических средств за счет применения систем контроля и диагностики, использования дублирующих каналов передачи информации и современных методов безопасной обработки информации.
4. Исключение влияния «человеческого фактора» на безопасность движения за счет автоматизации процессов управления и введения дополнительного логического контроля действий персонала.

Значительный вклад в развитие теории систем интер­вального регулирования движения поездов внесли известные ученые Абрамов В.М., Баранов Л.А., Бестемьянов П.Ф., Брылеев A.M., Гавзов Д.В., Дмитренко И.Е., Дмитриев В.С., Ерофеев Е.В., Кравцов Ю.А., Лисенков В.М., Никифоров Б.Д., Переборов А.С., Розенберг Е.Н., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И., Шалягин Д.В., Шелухин В.И. и другие.

Технической основой процессов управления поездной работой и обеспечения безопасности движения поездов являются системы интервального регулирования движения поездов (СИР ДП).

Согласно теории автоматических систем интервального регулирования, разработанной В.М. Лисенковым, существенным отличием координатных систем интервального регулирования движения поездов (КСИР) является то, что регулирование движения (скорости) поезда осуществляется не на границу блок-участка, а на координату «хвоста» идущего впереди поезда, с минимально допустимым межпоездным интервалом, который рассчитывается с учетом реальных тормозных характеристик обоих поездов.

Появление спутниковых навигационных систем, цифрового радиоканала передачи данных и высокоточных микропроцессорных вычислительных комплексов, позволяет реализовать КСИР на более высоком техническом уровне.

Исследование методов расширения функциональных возможностей бортовых и стационарных устройств обеспечения безопасности движения, использующих спутниковые навигационные системы и цифровой радиоканал передачи данных, является актуальной задачей, что подтверждается положением о важнейших направлениях научно-технического развития «Белой книги» ОАО «РЖД» на период с 2012 по 2015 год в области систем управления и обеспечения безопасности движения поездов.

Развитие в Европе КСИР предопределило то, что система ERTMS уровня 2 с фиксированными блок-участками внедряется и функционирует на линиях европейских железных дорог. Система ERTMS уровня 3 с подвижными блок-участками еще не реализована и находится на стадии теоретических исследований, в том числе из-за того, что методы совершенствования и расширения функциональных возможностей локомотивных устройств не достаточно глубоко исследованы применительно к их реализации на базе конкретных программно-аппаратных средств, не достаточно проработаны вопросы контроля длины состава.

Переход к КСИР с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства позволяет при минимальных затратах на оборудование железнодорожных линий устройствами КСИР улучшить показатели пропускной способности за счёт сокращения межпоездного интервала, сократить количество напольного оборудования за счёт расширения функциональных возможностей стационарного и бортового оборудования и демонтажа устаревшего оборудования, выполняющего дублирующие функции, повысить показатели безопасности движения за счет применения безопасных аппаратно-программных комплексов.

В настоящее время отсутствует общая методология построения в КСИР локомотивных устройств с расширенными функциональными возможностями. Поэтому особую актуальность приобретают задачи, адаптации имеющихся теоретических и методических результатов исследования КСИР, разработки нового методического, информационного и алгоритмического обеспечения, развитие формализованных процедур моделирования КСИР, построенной на базе локомотивных устройств с расширенными функциональными возможностями. Это подтверждает актуальность и практическую пользу диссертационной работы.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методического и алгоритмического обеспечения координатной системы интервального регулирования движения поездов с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства для повышения пропускной способности линий железных дорог.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

• разработка принципов и архитектуры КСИР с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства, а также алгоритмов, подтверждающих работоспособность и безопасность системы;
• построение математической модели КСИР с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства для расчета пропускной способности участка железной дороги, оборудованной системой;
• разработка методики определения длины поезда средствами стационарной аппаратуры, оборудованной радиоканалом, с целью повышения точности определения координаты «хвоста» поезда;
• разработка методики определения линейной координаты локомотива с целью повышения точности позиционирования поезда;
• расчет показателей технико-экономической эффективности КСИР, построенной на базе локомотивных устройств с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе использования методов теории вероятностей и математической статистики, элементов векторной алгебры, методов теории дифференциальных уравнений, а также с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений, теории информации, методов имитационного моделирования, методов технико–экономического анализа.

Достоверность научных результатов подтверждена корректностью использованных математических положений, обоснованностью принятых допущений, подтверждена расчетами и моделированием на ЭВМ, а также результатами практического внедрения систем.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертации заключается в следующем:

• предложены принципы и архитектура КСИР с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства;

• разработана математическая модель системы с целью расчета значения межпоездного интервала на железнодорожной линии, оборудованной координатной системой интервального регулирования;
• разработана методика определения длины поезда средствами стационарной аппаратуры, оборудованной радиоканалом, учитывающая скорость проследования поездом места установки точечного датчика, определена погрешность методики;
• разработана методика определения линейной координаты подвижной единицы, учитывающая радиус кривизны железнодорожного пути, определена погрешность методики.

Практическая значимость результатов диссертации состоит в использовании результатов научных исследований в конкретных инженерно-технических решениях систем интервального регулирования и обеспечения безопасности движения поездов. Применение полученных результатов позволит сократить межпоездной интервал на линях железных дорог, оборудованных системой.

Реализация результатов работы.

Научные результаты диссертационной работы использованы ОАО «НИИАС» при разработке многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения для средних и малых станций на станции Баженово Свердловской железной дороги; при разработке системы интервального регулирования движения поездов на основе спутниковых навигационных средств и цифрового радиоканала передачи данных на станции Решетниково Октябрьской железной дороги; системы информирования работающих на перегонах бригад с использованием спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS; при выполнении работ в рамках молодежного Гранта, предоставленного ОАО «РЖД» на тему: «Разработка алгоритмического обеспечения координатной системы интервального регулирования движения поездов с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства».

Положения, выносимые на защиту:

• методическое и алгоритмическое обеспечение координатной системы интервального регулирования движения поездов с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства;
• математическая модель, рассчитывающая значение межпоездного интервала на железнодорожной линии, оборудованной КСИР с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства;
• методика определения длины поезда средствами стационарной аппаратуры, оборудованной радиоканалом, учитывающая вариацию скорости проследования поездом места установки точечного датчика;
• методика определения линейной координаты подвижной единицы, учитывающая радиус кривизны железнодорожного пути.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на НТС отделения А и АЛС ОАО «НИИАС»; ежегодной конференции молодых учёных и аспирантов «Вопросы развития железнодорожного транспорта в условиях рыночной экономики» (г. Щербинка 2007г.); ежегодной конференции молодых учёных и аспирантов «Железнодорожный транспорт на современном этапе» (г. Щербинка 2008г.); на девятой и десятой научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (г. Москва, 2008-2009 г.); научно-технической конференции молодых работников ОАО «НИИАС» «Наука и инновации – железнодорожному транспорту» (г. Москва, 2009 г.); научно-практической конференции «Наука и инновации на транспорте» (г. Москва, 2009 г.); 10-й всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2010».

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 11 печатных работах. Четыре их них опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение, 2 патента на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 190 страниц основного текста, 50 иллюстраций и 14 таблиц. Список литературы включает 111 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы, определяются основные направления исследований, их научная новизна, формируется цель и задачи диссертации.

В первой главе проведен анализ научных направлений и технических решений, реализация которых позволила создать системы, отвечающие необходимым требованиям по надёжности, безопасности и пропускной способности. Показано, что координатная система интервального регулирования движения поездов может быть построена на базе локомотивного устройства безопасности КЛУБ-У с расширенными функциональными возможностями. Создание такой системы требует разработки соответствующего алгоритмического и методического обеспечения.

Во второй главе разработана трехуровневая структура КСИР (рис. 1). При её разработке были применены известные элементы теории и принципы технической реализации многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов, которые были детализированы с учетом конкретных вариантов применения технических средств.

Для осуществления координатного интервального регулирования существующие бортовые и стационарные устройства управления и обеспечения безопасности движения поездов дополняются унифицированным вычислительным комплексом системы интервального регулирования (УВК СИР) с блоком контроля и регистрации параметров (БКРП), устройством определения длины поезда (УОДП), а также сервером пакетной связи (СПС), блоком пакетной связи (БПС) и мобильным устройством оповещения (МОУ) для оповещения работающих на путях (рис. 1).

Первый уровень системы включает в себя унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У) с расширенными функциональными возможностями, которое взаимодействует по цифровому радиоканалу с УВК СИР и устройствами автоматической переездной сигнализации с радиоканалом (АПС РК). КЛУБ-У, также посредством БПС осуществляет обмен данными с СПС.

Локомотивное устройство включает в себя также устройство контроля полносоставности состава (УКП). УКП может отсутствовать в составе локомотивного оборудования, но тогда интервальное регулирование осуществляется не на «хвост» идущего впереди поезда, а на ближайший по ходу движения поезда светофора с запрещающим сигналом.

Второй уровень включает в себя УВК СИР, который взаимодействует по цифровому радиоканалу с КЛУБ-У, а также по межмодульным интерфейсам с УОДП, с системой электрической централизации через БРКП и АРМ ДНЦ через систему передачи данных (СПД). Устройства автоблокировки используются для интервального регулирования на перегоне при неисправности КСИР или при отсутствии связи между попутно движущимися локомотивами.

Третий уровень системы располагается в диспетчерском центре управления движением поездов (ДЦ-УДП) и состоит из: автоматизированного рабочего места поездного диспетчера (АРМ ДНЦ), которое подключено к системе передачи данных (СПД). СПС принимает информацию от БПС локомотивного устройства безопасности, через GSM сервер, а также информацию от мобильного устройства оповещения (МОУ).

Разработана имитационная модель системы для определения межпоездного интервала, обеспечиваемого системой. Для расчета значения межпоездного интервала рассмотрены два характерных случая.

В первом случае движение поездов на перегоне осуществляется с постоянной скоростью.

Расчет межпоездного интервала при применении четырехзначной системы автоблокировки и КСИР ведется по следующим формулам.

. (1)

, (2)

где - межпоездной интервал для линий, оборудованных системой трёхзначной автоблокировки, с;

- межпоездной интервал для линий, оборудованных КСИР, с;

- средняя длина блок-участка в действующей на линии системе автоблокировки, м;

- средняя длина заградительного блок-участка в действующей на линии системе автоблокировки, м;

- пути, проходимым поездом за время задержки при передаче и обработке данных, м;

- погрешности при определении длины поезда, м;

- погрешности системы позиционирования, определяющей координату головы поезда, м;

- замедление поезда при экстренном торможении, ;

- длина поезда, м;

- минимальное дополнительное время реакции машиниста, с;

- время задержки при передаче и обработке данных, с;

p - признак наличия бортового устройства контроля полносоставности на впередиидущем поезде (р=1 – есть, р=0 – нет).

Во втором случае движение поездов рассматривается с учетом остановок.

Формулы для расчета межпоездного интервала при применении четырехзначной системы автоблокировки и КСИР для этого случая имеют вид:

. (3)

, (4)

где - замедление при служебном торможении, ;

- ускорение при разгоне поезда, ;

- время стоянки поезда.

Выполненные расчеты с использованием формул (3) и (4) на примере участка Решетниково - Завидово Октябрьской железной дороги, которые показали, что КСИР позволяет уменьшить межпоездной интервал по сравнению с действующей системы четырехзначной автоблокировки АБТЦ на 33 – 50 % при движении поездов без остановок и на 19 – 47 % при движении поездов с остановками.

В работе приведена оценка показателей безопасности, которая показала, что при переходе от информационных систем к комплексным системам обеспечения безопасности, вероятность опасного отказа снижается за счет применения спутниковой навигационной системы и цифрового радиоканала передачи данных в сочетании с действующей системой автоблокировки.

В третьей главе диссертационной работы разработаны алгоритмы и методики определения основных параметров движения, которые, позволяют улучшить эксплуатационные характеристики посредством применения КСИР.