автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация управления высокоскоростным движением поездов

На правах рукописи

005018447

Гапанович Валентин Александрович

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о ?0;2

Москва-2012

005018447

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)» на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Розенберг Ефим Наумович Официальные оппоненты -Доенин Виктор Васильевич - доктор

технических наук, профессор, Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), заведующий кафедрой «Математическое обеспечение

автоматизированных систем управления»;

- Швалов Дмитрий Викторович - кандидат технических наук, доцент, Ростовский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО РГУПС), доцент кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте». Ведущая организация - Институт проблем транспорта

им. Н.С. Солоненко Российской Академии Наук

Защита состоится 18 апреля 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.04 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, ГСП-4, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр.9, ауд. 2505. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа.

Автореферат разослан 15.03.2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д218.005.04 д.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективное функционирование железнодорожного транспорта Российской Федерации играет исключительную роль в создании условий для перехода на инновационный путь развития и устойчивого роста национальной экономики.

Одной из стратегических задач, стоящих перед экономикой России, является широкое внедрение высокоскоростного движения поездов (ВСД) и систем управления ВСД, которые базируются на использовании современных отечественных и зарубежных инновационных информационных и спутниковых технологий (ИТ и CT). Данные технологии относятся к классу критических и вместе с ВСД определяют уровень развития страны в мировой экономике. В России 17 декабря 2009 г. началась регулярная эксплуатация на участке Санкт-Петербург-Москва Октябрьской ж.д. высокоскоростных поездов типа «Сапсан». В 2010 г. поезда «Сапсан» стали курсировать на участке Москва - Нижний Новгород Горьковской ж.д. Одновременно на этих дорогах курсируют обычные поезда (грузовые, пассажирские и пригородные) со скоростями до 160 км/ч. Таким образом, в настоящее время для Российских железных дорог (РЖД) характерным является смешанное движение высокоскоростных и обычных поездов. Особую сложность в этом случае представляют вопросы построения автоматизированной системы управления движением поездов (АСУДП).

Показатели эффективности АСУДП, в первую очередь, по надежности и безопасности движения, должны быть гармонизированы с требованиями международных нормативных документов, учитывать необходимость оперативного контроля состояния подвижного состава и объектов инфраструктуры, риски нарушения безопасности и затраты на поддержание системы в работоспособном состоянии на всех этапах жизненного цикла.

Исследованию проблем разработки и повышения эффективности систем управления на железнодорожном транспорте, в том числе при ВСД, посвящены работы российских ученых Баранова Л.А., Батурина А.П., Бестемьянова П.Ф., Василенко М.Н., Доенина В.В., Ерофеева Е.В., Козлова П.А., Колесникова В.И., Лисенкова В.М., Матвеева С.И., Махутова H.A.,

Никитина А.Б., Поплавского A.A., Розснберга E.H., Розенберга И.Н., Савоськина А.Н., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В., Сидоренко В.Г., Сотникова Е.А., Шалягина Д.В., Шубинского И.Б. и других авторов.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка автоматизированной системы управления высокоскоростным движением (АСУ ВСД) поездов на железнодорожном транспорте.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщить результаты международного опыта в области разработки и создания АСУ ВСД.

2. Разработать принципы построения АСУ ВСД для Российских железных дорог (РЖД).

3. Разработать архитектуру АСУ для линий со смешанным движением высокоскоростных и обычных поездов (до 160 км/ч), учитывающую особенности РЖД.

4. Разработать математическую модель для оценки надежности восстанавливаемых устройств и систем с учетом вероятности и длительности скрытых отказов.

5. Разработать математическую модель функциональной безопасности АСУ ВСД с учетом вероятности скрытых отказов и рисков.

6. Разработать методики для оценки эффективности АСУ ВСД и производственно-технологических процессов на РЖД с учетом рисков и затрат.

7. Разработать комплекс способов и технических решений для реализации АСУ ВСД, которые базируются на использовании новейших ИТ и CT и позволяют повысить объем, оперативность и достоверность используемых данных, обеспечить расширение количества и интеллектуализацию выполняемых функций.

Методы исследований. В работе использованы методы теории автоматического управления, теории вероятностей, теории надежности, методы анализа рисков.

Достоверность и обоснованность полученных научных выводов подтверждается корректностью использованного математического аппарата, а также реальным использованием результатов работы в АСУДП на РЖД, системах технического обслуживания пути и в серии отраслевых стандартов УРРАН.

Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:

1. Принципы повышения эффективности АСУ ВСД, отличающиеся от известных возможностью реализовать управление смешанным движением высокоскоростных и обычных поездов (до 160 км/ч), оперативное прогнозирование и выявление рисков нарушения безопасности, а также выработку превентивных мер по их предотвращению.

2. АСУ ВСД со смешанным движением высокоскоростных и обычных поездов (до 160 км/ч), отличающаяся от известных структурой прямого управления всеми объектами из единого центра, в которой формирование управляющих воздействий производится в зависимости от состояния технических средств в процессе функционирования и отклонений в движении поездов от графика.

3. Математическая модель для оценки функциональной безопасности восстанавливаемых технических средств АСУ ВСД, отличающаяся от известных учетом приемлемых или недопустимых уровней рисков, а также скрытых отказов и возможностью их обнаружения как штатными, так и нештатными средствами контроля.

4. Методика оценки эффективности функционирования АСУ ВСД, перевозочного и других технологических процессов, отличающаяся от известных учетом рисков и затрат на поддержание жизненного цикла.

5. Комплекс способов и технических решений для реализации АСУ ВСД на Российских железных дорогах, базирующихся на широком использовании современных ИТ и СТ.

Практическая ценность. Практическая ценность работы подтверждается повышением технико-экономической эффективности систем управления в рамках комплексных научных проектов на участках высокоскоростного движения Санкт-Петербург - Москва, на направлении Рыбное - Челябинск и при проектировании транспортной системы Олимпиады 2014 за счет использования полученных в диссертации результатов.

Внедрение результатов работы. Разработанные методы повышения достоверности и точности информации, используемой в АСУ ВСД, и расширения количества функций, выполняемых на основе применения

современных ИТ и СТ, нашли применение в проектах, реализованных на Октябрьской, Московской, Северной и ряде других железных дорог.

Предложенные методы построения АСУ ВСД обеспечили комплексное решение задач управления ВСД с учетом состояния инфраструктуры, а также управления проведением ремонтных и восстановительных работ.

Разработанные методики для расчета показателей надежности, безопасности и эффективности автоматизированных систем управления и технологических процессов использованы при организации ремонта пути на Северной железной дороге и в утвержденной для применения в ОАО «РЖД» серии стандартов УРРАН.

Принципы построения систем управления с применением современных ИТ и СТ использованы в разработанной при участии автора «Стратегии инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на заседаниях научно-технических советов ОАО «РЖД», Москва, 20062011гг.; на международных научно-практических конференциях: «Спутниковые технологии и цифровые системы связи», Москва, 20072010гг.; на конференции «Интеллектуальный транспорт-2010», Москва, 2010; на заседаниях и научно-практических конференциях Совета по железнодорожному транспорту государств-участников СНГ, 2007-2011; на заседаниях кафедры «Управление и информатика в технических системах (УИТС)» МГУПС (МИИТа), 20И-2012гг.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 41 печатная работа, в том числе 23 в изданиях, рекомендованных ВАК, и в 3-х монографиях; получено 6 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 154 страницы машинописного текста, 39 иллюстраций и 5 таблиц. Список использованной литературы включает 104 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены основные направления исследований, сформулированы цели и задачи диссертации.

В первой главе проведен анализ особенностей построения, выполняемых функций, применяемых технологий и технических средств в отечественных и зарубежных АСУДП при обычном (до 160 км/ч) и высокоскоростном движении поездов. На базе проведенного анализа обобщен мировой опыт создания АСУ ВСД и выделены его основные принципы:

1) значительное увеличение объема используемой информации и количества выполняемых функций на основе применения ИТ и СТ;

2) введение логического контроля за действиями персонала, в первую очередь, связанного с обеспечением безопасности движения поездов;

3) комплексное решение задач планирования и управления перевозочным процессом в штатных и нештатных ситуациях, а также задач диагностики и обслуживания технических средств;

4) интеллектуализация выполняемых функций, особенно в условиях неполной информации о состоянии объектов инфраструктуры, подвижного состава и внешней среды;

5) использование международной методологии RAMS - надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности, безопасности и рисков для оценки эффективности отдельных устройств и технических систем.

Во второй главе, наряду с принятыми, определены следующие отличительные принципы построения АСУ ВСД для РЖД:

1) обеспечение управления движением не только высокоскоростных поездов, но и поездов обычных категорий (со скоростями движения до 160 км/ч);

2) учет состояния технических средств, рисков и затрат на поддержание их жизненного цикла;

3) прогнозирование и выявление рисков нарушения безопасности, выработка превентивных мер по их предотвращению;

4) создание единого информационного пространства и единой высокоточной цифровой координатной системы железнодорожного транспорта;

5) использование и развитие международной методологии RAMS -надежности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности, безопасности и рисков для оценки эффективности не только отдельных устройств, но также систем управления, перевозочного и других технологических процессов.

Показано, что для повышения точности выполнения заданного графика при пакетном движении высокоскоростных поездов и возникновении сбойных ситуаций целесообразно применять известные графиковые, интервальные и графико-интервальные алгоритмы управления, которые могут быть адаптированы для применения в АСУ ВСД. Эффективность применения данных алгоритмов подтверждена и для участков со сложными технологическими условиями организации движения поездов на примере транспортной системы Олимпиады 2014.

Показано, что применение современных ИТ и СТ позволяет изменить традиционную структуру автоматизированных систем диспетчерского управления. В известных системах формирование базы данных и передача информации связаны с прохождением через многоступенчатую иерархическую структуру. Благодаря использованию цифровых систем радиосвязи, в том числе спутниковых, стала возможной организация прямого обмена достоверными данными между центром и объектами управления. Поэтому в диссертации, с учетом сформулированных принципов построения и особенностей процесса организации перевозками при смешанном движении высокоскоростных и обычных поездов, разработана структура системы прямого управления из единого центра.

Предложено, с целью повышения безопасности движения поездов при ВСД, оперативности управления, прогнозирования и предотвращения рисков наступления опасных ситуаций, ввести в состав АСУ ВСД ситуационный центр мониторинга и управления чрезвычайными ситуациями ОАО «РЖД» (сокращенно СЦ), который объединяет в себе несколько функциональных направлений: обеспечения безопасности

движения, транспортной безопасности, пожарной и экологической безопасности.

СЦ используется также в качестве средства интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений. В его состав входит непрерывно обновляемая база данных о ходе и всех случаях нарушений технологических процессов и отказов технических средств на линии, влияющих на точность выполнения графика движения (ГД) поездов. Использование единой базы данных позволяет обеспечить высокое качество выполнения взаимоувязанных алгоритмов всех функций в АСУ ВСД. В работе сформулированы требования к базе данных и показано, что она должна содержать высокоточную информацию для формирования единого координатного пространства для РЖД, включающего цифровые модели пути с отображением на них объектов железнодорожной инфраструктуры и положения (дислокации) всех подвижных единиц.

С целью повышения достоверности и надежности информации в АСУ ВСД используются данные, предоставляемые различными источниками: спутниковыми и информационными системами, а также АСУ хозяйств. Для автоматизации процесса сбора информации и формирования базы данных для СЦ, при участии автора, разработана и внедрена на сети дорог комплексная автоматизированная система учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности (КАСАНТ). Эта система обеспечивает получение информации о параметрах подвижных объектов, графика исполненного движения и фактическом времени проведения ремонтных и технологических операций.

Показано, что основным направлением повышения достоверности информации, используемой в АСУ ВСД, является совместное использование каналов систем СБШОБМ-К, рельсовых цепей, а также информации, получаемой от систем спутниковой навигации и электронных карт маршрутов, хранящихся в памяти бортовых устройств.

Предложено использовать ИТ и СТ для комплексного выполнения всех функциональных задач АСУ ВСД, что значительно повышает экономические показатели и эффективность системы при диспетчерском управлении: движением поездов, проведением ремонтных работ в «окнах» и восстановительных работ в чрезвычайных ситуациях.

В работе показана также возможность применения АСУ ВСД и на пригородных участках с высокой интенсивностью движения, где предъявляются повышенные требования к точности выполнения графика и соблюдению интервалов попутного следования поездов при сложившейся инфраструктуре.

В третьей главе рассмотрены особенности работы АСУ, в которых совместно взаимодействуют программно-аппаратные комплексы и персонал, выполняющий заданные организационно-технологические функции. В ряде случаев именно за счет выполнения персоналом таких функций удается обеспечить необходимый уровень эффективности систем управления. Для повышения надежности применяемые средства автоматизации охвачены встроенным автоматическим контролем, введенным с целью своевременного обнаружения отказов. В реальных условиях сложно создать средства контроля, обеспечивающие полную гарантию обнаружения отказов. Возможность пропуска отказа приводит к появлению, так называемого, скрытого отказа устройства или системы, который может существовать достаточно долго, до того момента времени, когда он будет обнаружен нештатными средствами (визуально или по косвенным признакам) при проведении организационно-технических мероприятий.

Сказанное определило необходимость разработки в диссертации специальной математической модели надежности восстанавливаемого технического устройства с учетом скрытых отказов. Используя модель в виде графа (рисунок 1) и принимая допущение об экспоненциальном законе распределения случайных величин, выведены формулы для расчета коэффициента готовности Кг и среднего времени простоя тпр:

где Т=1/Л, Т„ =I/fi, Tom = I/y- соответственно средняя наработка на отказ, среднее время восстановления и среднее время обнаружения скрытого отказа устройства нештатными средствами контроля.

Г

(1)

Т+Тв +аТ(

ОБН

P¡+P¡_/M / Г _Т

Я

-Т„ л-аТ,

ОБН >

(2)

где Р2 , Рз - вероятности пребывания устройства соответственно в состояниях 2 и 3 (рисунок 1).

1 - исправное состояние; 2 - состояние восстановления с учетом обнаружения отказа штатными средствами; 3 -состояние скрытого отказа; Я - интенсивность отказов системы, ¡х-интенсивность восстановления отказов, а - вероятность обнаружения отказов штатными средствами, а - вероятность возникновения скрытого отказа устройства вследствие его пропуска штатными средствами, у - интенсивность обнаружения отказов нештатными

■ средствами.

Рисунок 1- Графовая модель надежности устройства

Полученные результаты обобщены для систем, где применяются технические и организационные средства управления. В общем случае показатель а вероятности обнаружения отказа штатными средствами определяется применением N различных средств контроля:

а (3)

где А- событие обнаружения отказа /-м средством контроля.

Обеспечение безопасности движения является одной из главных функций АСУ ВСД. Поэтому в работе разработана модель функциональной безопасности технической системы с учетом скрытых отказов. При этом использовались принятые в нормативных документах, в том числе международных, следующие предпосылки: не обнаруженный в течение допустимого времени по требованиям безопасности скрытый отказ является опасным отказом; вероятность опасного отказа и его последствия создают риск безопасности; существует допустимый приемлемый уровень риска, превышение которого нарушает выполнение требований безопасности; если риск безопасности приемлем, то проявившийся отказ

устраняется в процессе восстановления устройства, в том числе путем его модификации.

Для построения модели устройства или системы, связанных с безопасностью, в работе был использован граф (рисунок 2), в котором дополнительно введено состояние 4 - состояние устранения ущерба и модификации системы.

1 - исправное состояние; 2 - состояние восстановления с учетом обнаружения отказа штатными средствами; 3 -состояние скрытого отказа; 4 - состояние ущерба и модификации

устройства

Рисунок 2 - Графовая модель безопасности

Дугам графовой модели (рисунок 2) приписаны следующие вероятности: а - вероятность того, что в случае обнаружения отказа штатными средствами устройство переходит из состояния 1 в состояние 2; а - вероятность возникновения скрытого отказа устройства вследствие его пропуска штатными средствами обнаружения; ц - вероятность того, что после восстановления устройство переходит в исходное состояние; Р -вероятность своевременного (в пределах допустимого времени) обнаружения нештатными средствами скрытого одиночного отказа; /? -вероятность перехода устройства в опасное состояние; у - вероятность того, что риск нарушения безопасности устройства меньше допустимого; V - вероятность возникновения недопустимого риска нарушения безопасности устройства.

С помощью аппарата теории полумарковских процессов получена формула определения среднего времени между опасными отказами:

1 -+=¿- + ^5-, (4)

а/ЗА аРи /3

где //- интенсивность восстановления отказов, нахождения в состоянии «3» по условиям безопасности.

Время возврата к исходному состоянию (переход из состояния 4 в состояние 1):

= "/- (5)

/в'

где в - интенсивность восстановления с учетом модификации устройства.

При а->1 + + (6)

РЛ Рц р

Отсюда следует вывод, что, в условиях ограниченности ресурсов, применение организационных методов в системах управления технологическими процессами, которые не могут быть автоматизированы или уровень безопасности которых недостаточен, является эффективным средством защиты от возникновения опасных ситуаций.

При а , /?->1 Тсоп=\+±+/Л„=7' + Гв+?Ли. (7)

Л //

где т- время наработки на отказ, Тв - время до восстановления.

На рисунке 3 показана зависимость среднего времени между опасными отказами (см. формулу 4) от эффективности обнаружения отказов нештатными средствами; последняя варьируется от значения /?, близкого к 0, до идеального, равного 1. Данный график показывает, что при низкой эффективности как штатных, так и нештатных средств контроля (начало координат на графике) уровень безопасности находится на уровне безотказности (частота опасных отказов сопоставима с надежностью системы). При этом, даже при низкой эффективности штатных средств, повышение эффективности нештатных средств контроля от 0 до 0,9 позволяет увеличить среднее время между опасными отказами почти в 10 раз.

Такой положительный эффект начинает проявляться уже при обнаружении половины отказов (при р > 0,5 начинается быстрый рост функции при незначительных изменениях р ). Предложенный подход

позволяет определять допустимую долю скрытых отказов и периодичность проверок персоналом технических средств, а также контролировать этот процесс за счет его автоматизации и применения современных ИТ и СТ.

Тсоп ,ч

Х=10'3 1/ч„ р 6 [0;1], а1= 0.01, а2=0.1, аЗ=0.2, а4=0.3, д =1 1/ч, (Л0Г1=1 ч. Рисунок 3 - График функции Тсоп (/?)

Случайное время до опасного отказа определяется по формуле:

(8)

где Топ - среднее время до опасного отказа.

В работе определены также коэффициент готовности Кг и коэффициент безопасности КБ при нахождении системы в неопасных состояниях ={1,2,з}:

Кг = —г—=--Лч _-(9)

7; +[а+а^+а^у)Г2 +«Г3 +а/ЗТА

Т^а + ар^У^аТ^ Т^уа + ар + ар^+се^+арг,

где: 7;, Г,, ТЬ,Т- средние времена пребывания системы в соответствующих состояниях, при этом Г3=<Ли.

В четвертой главе развиты принципы, положенные в основу методологии построения серии стандартов RAMS (EN50126, /£С62278 и др.), используемых в Европейских странах применительно к сложным техническим системам, и поставлена задача совершенствования данных стандартов для расширения области их применения не только для расчета показателей отдельных объектов или систем, но и показателей перевозочного и других технологических процессов. Это позволило использовать в АСУ ВСД более полные оценки эффективности функционирования и перейти к рациональному распределению ресурсов на этапах жизненного цикла.

В основу новой методологии УРРАН (Управление Ресурсами, Рисками, Анализ Надежности на этапах жизненного цикла) были положены следующие принципы: переход от комплексного управления надежностью и безопасностью объекта к комплексному управлению надежностью и безопасностью технологического процесса с помощью разработанной системы показателей эксплуатационной надежности и безопасности; управление инвестициями на основе оценки рисков с учетом стоимости жизненного цикла, долговечности и затрат на техническое обслуживание по фактическому состоянию объектов инфраструктуры и подвижного состава. Структура функций УРРАН и RAMS приведена на рисунке 4.

В работе введены комплексные показатели оценки эффективности перевозочного процесса. Одним из основных является коэффициент сохранения эффективности, который автором предложено использовать для оценки эффективности не только устройств и систем управления, включая АСУ ВСД, а также перевозочного и других технологических процессов на железнодорожном транспорте.

Для расчета коэффициента сохранения эффективности КЭФ автором

предложена формула:

±тп, i.i i.i

где ]Г Тш - суммарные плановые поездо-часы для выполнения

м

перевозочного процесса по участку за определенный промежуток, п-ч;

]>„- суммарные поездо-часы задержек из-за отказов и сбоев в 1=1

работе технических средств в различных хозяйствах, а также из-за ошибочных действий персонала, п-ч;

п - количество рассматриваемых поездов.

УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ, РЕСУРСАМИ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ (УРРАН)

Рисунок 4 - Комплексное управление рисками, ресурсами и надежностью на этапах жизненного цикла

Формула (11) используется также для расчета коэффициента сохранения эффективности конкретного у'-го хозяйства (пути,

автоматики и телемеханики, связи, электрификации и электроснабжения, локомотивного, вагонного, пассажирского). Необходимые для расчетов данные получают от АСУ инфраструктурных хозяйств и систем диспетчерского контроля.

Был проведен расчет КЭФ для опытного полигона Буй-Свеча Северной ж.д. (протяженностью 368 км) и хозяйства пути этого полигона, который показал, что значение КЭФ составляет для полигона 93,4 %, а для хозяйства пути - 98,5%.

Для анализа рисков в работе используются матрицы рисков, разработанные на основе методологии УРРАН. Матрица рисков представляет собой таблицу, в которой отображаются частоты возникновения события и тяжести последствий этого события, что позволяет в наглядной форме оценить уровень риска рассматриваемого события. В диссертации определены типовые уровни возникновения событий, типовые уровни тяжести последствий, типовые уровни риска и разработаны рекомендации по снижению риска для каждого уровня риска. Показано, что матрицы рисков могут использоваться в различных хозяйствах. Вариант матрицы рисков для оценки рисков травматизма пешеходов на одноуровневых переходах приведен на рисунке 5.

В пятой главе рассмотрены вопросы реализации предложенных в работе решений для АСУ ВСД и РЖД, а также в нормативных документах, утвержденных для использования в ОАО «РЖД».

При участии автора на линии Санкт-Петербург - Москва с ВСД реализована предложенная в работе структура комплексной АСУ для смешанного движения поездов. В программно-аппаратном комплексе системы решаются одновременно задачи составления планового и оперативного графиков движения, автоматизированного управления маршрутами, контроля за движением высокоскоростных поездов «САПСАН» с использованием для определения их дислокации СТ и сетей цифровой радиосвязи «TETRA» и GSM (для обмена информацией между центром управления и поездами).

При участии автора ИТ и СТ внедрены в комплексах автоматизированного управления и контроля за работой путевой ремонтной техники в «окно», которые приняты для использования в дирекции ремонта пути, в том числе на участке ВСД Октябрьской ж.д., и системах управления восстановительными поездами, рекомендованных к широкомасштабному применению.

РАЗМЕР ПОСЛЕДСТВИЙ (УЩЕРБА)

Рисунок 5 - Пример матрицы рисков травматизма пешеходов на одноуровневых переходах

1<н <ч< ю3

Редкое

1 и более

ЧАСТОТА

10-2 <Ч< 1С"1

Вероятное

10"3ІЧ< ю-2

10-5 < Ч < 104

Ч< 10-3

От 2 до 5 жертв 20 ООО тыс. руб.

>5 жертв • 20 ООО тыс. руб.

Маловероятное

Крайне редкое

Комплекс предложенных в работе технических решений использован также при создании интеллектуальной системы управления движением поездов транспортного комплекса Олимпиады 2014, в котором предусмотрено строительство однопутной линии железнодорожного движения с двухпутными вставками, что обеспечило значительное сокращение капитальных затрат. Предложенные принципы построения АСУ с использованием средств спутниковой навигации и цифровой радиосвязи нашли комплексное применение и при создании автоматизированной системы управления маневровыми работами (МАЛС).

Методы повышения эффективности управления надежностью и безопасностью объектов и технологических процессов с учетом допустимых рисков и затрат, а также методы оценки эффективности АСУ, разработанные при участии автора, вошли в серию введенных в действие стандартов серии УРРАН, использованы при создании СЦ и в новой системе организации ремонта пути Северной железной дороги. Результаты работы были использованы также при разработке стратегии развития ОАО «РЖД» на период до 2015г. и до 2030г. Полученные в диссертации результаты и решения обеспечивают получение высокого технико-экономического эффекта.

Заключение

На основании исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие результаты:

1. Обобщен мировой опыт создания АСУ ВСД и выделены его основные принципы: значительное увеличение объема используемой информации и числа выполняемых функций на основе применения спутниковых и информационных технологий (СТ и ИТ); введение логического контроля за действиями персонала, в первую очередь, связанного с обеспечением безопасности движения поездов; комплексное решение задач планирования и управления перевозочным процессом в штатных и нештатных ситуациях, а также задач диагностики и обслуживания технических средств; интеллектуализация выполняемых функций; использование международной методологии RAMS для оценки эффективности отдельных технических систем и устройств.

2. Разработаны принципы повышения эффективности АСУ ВСД для Российских железных дорог, обеспечивающие, в отличие от известных, возможность управления смешанным движением высокоскоростных и обычных поездов (до 160 км/ч), оперативное прогнозирование и выявление рисков нарушения безопасности, а также выработку превентивных решений для их предотвращения.

3. Разработана АСУ ВСД со смешанным движением высокоскоростных и обычных поездов (до 160 км/ч), отличающаяся от известных структурой прямого управления всеми объектамии и контроля за ними из единого центра, в которой формирование управляющих воздействий производится в зависимости от состояния технических средств в процессе функционирования и отклонений в движении поездов от графика.

4. Впервые разработана модель безопасности контролируемого устройства/системы, учитывающая наличие скрытых отказов и восстановлений, которая позволяет оценивать риски нарушения безопасности, определять их допустимые уровни с учетом ущерба и применять полученные результаты при реальном проектировании технических систем и устройств. Установлено, что путем рациональной организации внешнего

контроля за состоянием безопасности устройства/системы можно почти на порядок увеличить среднее время между опасными отказами.

5. Разработаны новые принципы и методология расширения известных подходов для комплексной оценки надежности, безопасности и ремонтопригодности технических средств, используемых в международной системе RAMS. Показано, что их применение дает возможность применять комплексные показатели оценки эффективности не только отдельных устройств, но и в целом систем управления, перевозочного и других технологических процессов, а также осуществлять управление этими показателями и ресурсами с учетом возможных рисков и затрат на всех этапах жизненного цикла.

6. Предложено использовать для комплексной оценки эффективности систем управления, а также качества перевозочного и других технологических процессов на железнодорожном транспорте коэффициент сохранения эффективности. Разработана методика определения данного показателя и проведен его расчет для опытного полигона Буй-Свеча Северной ж.д., который показал, что значение этого коэффициента составляет для полигона 93,4 %, а для хозяйства пути - 98,5%. Полученные данные можно рассматривать как исходные для дальнейшего совершенствования процессов перевозок и обслуживания пути на рассматриваемом полигоне.

7. Полученные в диссертации результаты, технологические и технические решения позволяют получить высокий технико-экономический эффект и реалиизованы при непосредственном участии автора на Октябрьской, Московской, Северной и других железных дорогах, в том числе в системе управления движением высокоскоростных поездов «САПСАН», при проектировании транспортной системы Олимпиады 2014, а также при разработке стратегии развития ОАО «РЖД» на период до 2015г. и до 2030г.

8. На предложенные в работе технические решения получено 6 патентов РФ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих

публикациях:

1. Гапанович В. А. Инновационная политика в области подвижного состава: сборник докладов //Научно-практическая конференция «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта. Инновации ОАО «РЖД».- М.: ВНИИЖТ, 2004. - С. 14-15.

2. Гапанович В. А. Информационные технологии - базис эффективного управления ОАО «РЖД»//Сборник докладов 3-ей Международной научно-практической конференции. - Сочи:РГУПС, 2005. - С. 8-11.

3. Гапанович В. А. Новый этап реализации информационных технологий. //Железнодорожный транспорт,- М.: 2004. - №9. - С. 4849.

4. Гапанович В. А. Прорывные инновационные технологии - локомотив стратегического развития ОАО «РЖД». //Сборник докладов Международной научно-практической конференции. -М.: ВНИИАС, 2007. -С. 7-12.

5. Гапанович В.А. Инновационное обновление подвижного состава Российских железных дорог //Транспорт Российской Федерации. М:2009. - №6.-С.44-48.

6. Гапанович В.А. Белая книга ОАО «РЖД». Стратегические направления научно-технического развития компании. // Железнодорожный транспорт,- М.: 2007. - № 9. - С. 65-71.

7. Гапанович В.А. Задачи и перспективы инновационного развития отрасли. // Автоматика, связь, информатика.- М.: 2007. - № 11.- С. 2.

8. Гапанович В.А. На основе комплексных показателей рисков. // Железнодорожный транспорт.- М.: 2010. - № 4. - С. 35-37.

9. Гапанович В.А. Обеспечивать надежную работу технических средств. // Железнодорожный транспорт - М.: 2008. - № 9. - С. 2-5.

10. Гапанович В.А. Организация скоростного пассажирского движения на направлении Центр-Юг (Москва-Адлер). // Железнодорожный транспорт.- М.: 2008. - № 1. - С. 37-40.

11. Гапанович В.А. Программа инновационного развития компании. //Железнодорожный транспорт. -М.:2011.- №2. - С. 13-18.

12. Гапанович В.А. Программа научно-технического развития ОАО «РЖД». // Железнодорожный транспорт. -М: 2007. - № 2. - С. 2-6.

13. Гапанович В.А. Спутниковые технологии в инновационной стратегии ОАО «РЖД»//Автоматика, связь, информатика. М:2008. -№9. - С.2-4.

14. Гапанович В.А. Спутниковые технологии в реализации Стратегии-2030.// Железнодорожный транспорт. -М.: 2008. - № 10. - С. 21-24.

15. Гапанович В.А. Спутниковые технологии в решении задач инновационного прорыва ОАО «РЖД» в условиях финансово-экономического кризиса. // Транспортная безопасность и технологии.-М.: 2009. -№3.-С. 110-111.

16. Гапанович В.А. Спутниковые технологии в решении задач иннова-циионного прорыва ОАО «РЖД».//Новая экономика. Инновационный портрет: сб. науч. Тр.- М.: Центр стратегического партнерства, 2009. -.С. 355-358.

17. Гапанович В.А. Эффективное использование спутниковых технологий в комплексе антикризисных мер ОАО «РЖД». // Железнодорожный транспорт,- М.: 2009,- № 9,- С. 18-21.

18. Гапанович В.А., Ададуров С.Е. Спутниковые технологии в иннова-циионной стратегии ОАО «Российские железные дороги». // Аэрокос-мический курьер.-М.: 2008. - № 3. - С. 35-39

19. Гапанович В.А., Ададуров С.Е. Ставка на инновации: о стратегии инновационного развития ОАО «РЖД». // Партнер.- М.: РЖД 2008 -№ 13/14. - С. 66-68.

20. Гапанович В.А., Ададуров С.Е., Розенберг E.H. и др. Система интервального регулирования движения поездов на перегоне.-Патент RU №2390453 С1.-2010.- Бюл.№15.

21. Гапанович В.А., Галиев И.И., Матяш Ю.И., Клюка В.П. Прогрессивные технологии обеспечения безопасности движения поездов и сохранности перевозимых грузов: Монография.- М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.д. транспорте» 208.-220 с. '

22. Гапанович В.А., Грачев A.A., Грошев Г.М. и др. Системы автоматизации и информационные технологии управления перевозками на железных дорогах. /Учебник для вузов ж.-д. транспорта/Под общ. ред. В. И. Ковалева, А. Т. Осьминина, Г. М. Грошева. - М.: Маршрут, 2006. - 542 с.

23. Гапанович В.А., Замышляев А.М., Шубинский И.Б. Некоторые вопросы управления ресурсами и рисками на железнодорожном транспорте на основе состояния эксплуатационной надежности и безопасности объектов и процессов (проект УРРАН)У/Надежность.-М.:2011.-№1 .-С.2-5.

24. Гапанович В.А., Кобзев С.А., Косарев А.Б. Комплекс технических средств принудительной остановки поезда.//Автоматика, связь, информатика,- М.:2005. - №4. - С.8-11.

25. Гапанович В.А., Зиннер В.И., Розенберг E.H. и др. Способ оптимизации движения поездов на однопутной железной дороге.-Патент РФ №2395423 С1.-2010,- Бюл. №21.

26. Гапанович В.А., Поплавский A.A. Управление линией Москва-

Санкт-Петербург при организации высокоскоростного движения (основные принципы управления эксплуатацией высокоскоростных линий) // Железнодорожный транспорт,- М.: 2008. - № 2. - С. 11-13.

27. Гапанович В.А., Поплавский A.A. Интеллектуальные железнодорожные системы: состояние и направления развития. //Железнодорожный транспорт,- М.:2009. - № 11.- С. 63-67.

28. Гапанович В.А., Розенберг E.H. Спутниковые технологии на железных дорогах России. //Партнер. -М: РЖД, 2007. - № 11. - С. 2225.

29. Гапанович В.А., Розенберг E.H. Комплексная безопасность движения поездов с применением спутниковых технологий. //Автоматика, связь, информатика, -М.:2011. - №3. - С.5-8.

30. Гапанович В.А., Розенберг E.H., Абрамов A.A. Транспортное обслуживание зимних Олимпийских игр в Сочи. // Железнодорожный транспорт. М:2012. - № 1.- С. 72-77.

31. Гапанович В.А., Розенберг E.H., Мугинштейн JI.A. и др. Распределенная система для управления торможением однолокомотивным поездом повышенной длины,- Патент RU 2388630 С1. Бюл. №13,2010.

32. Гапанович В.А., Розенберг E.H., Розенберг И.Н., Никифоров Б.Д. Безопасность движения на железных дорогах на основе применения многофункциональных комплексных систем регулирования движения поездов /под. Ред В.И. Якунина.-2-e изд., перераб. и доп.-М.: ИПЦ «Дизайн. Информация. Картография», 2008,- 280 с.

33. Гапанович В.А., Розенберг E.H., Шубинский И.Б. Модель надежности восстанавливаемого технического устройства с учетом простоев в работе. //Надежность. -М: 20Ю.-№2.- С.11-19.

34. Гапанович В.А., Розенберг E.H., Шубинский И.Б. Модель функциональной безопасности технического устройства с учетом скрытых отказов.//Надежность. -М.: 20Ю.-№3.- С.2-12.

35. Гапанович В.А., Розенберг E.H., Шухина Е.Е., Назаров A.C. Система для управления рельсовым транспортным средством и определения его позиции на рельсовом пути,- Патент RU №2409442 С1. Бюл. №2, 2011.

36. Гапанович В.А., Розенберг И.Н. Основные направления развития интеллектуального железнодорожного транспорта. //Железнодорожно- ный транспорт.- М.: 2011.-№4,- С.5-11.

37. Гапанович В.А., Розенберг И.Н., Замышляев A.M. Построение системы ситуационного управления чрезвычайными ситуациями в ОАО «РЖД». //Надсжность.-М.:2010.-№4,- С.2-11.

38. Гапанович В.А., Уманский В.И. Потенциал использования спутниковых технологий в организации перевозочного процесса и

обеспечении безопасности . на железнодорожном

транспорте.//Вестник ВНИИЖТ. -М.:2011.-№1.- С. 15-19.

39. Гапанович В.А., Шубинский И.Б., Замышляев A.M. Построение и использование матриц рисков в системе управления рисками на железнодорожном транспорте //Надежность.М:2011.-№4.- С.56-68.

40. Розенберг E.H., Гапанович В.А., Тони О.В. и др. Система интервального регулирования движения поездов при диспетчерской централизации.

- Патент RU №2392156 С1.-2010.- Бюл. №17.

41. Розенберг E.H., Гапанович В.А., Тони О.В. и др. Система управления движением поездов на однопутной железной дороге с двухпутными вставками. - Патент на полезную модель RU №85434 U1.-2009.- Бюл. №22.

Гапанович Валентин Александрович АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

Подписано к печати /?> о Ъ, ÜOlSLi Объем 1,5 п.л.

Формат 60x84/16

Тираж 80 экз. Заказ № 4"3V

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр.9, УПЦ ГИ МИИТ

24

61 12-5/2172

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (МИИТ)

На правах рукописи Гапанович Валентин Александрович

-О-

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ

ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Розенберг Ефим Наумович

Москва-2012

Содержание диссертации ВВЕДЕНИЕ................................................................................4

1 АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

(АСУ ВСД)...............................................................................................................5

1.1 Особенности современного этапа развития железнодорожного

транспорта...............................................................................................................5

1.2 Автоматизированные системы управления на линиях с ВСД..................7

1.3 Инновационные направления совершенствования АСУ ВСД

на железнодорожном транспорте...............................................................14

1.4 Постановка задач исследования...................................................25

Выводы по главе.............................................................................26

2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРЫ СОВРЕМЕННЫХ АСУ ВСД НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ.......................................................................................................28

2.1 Принципы построения и архитектура АСУ высокоскоростным

движением..............................................................................................................28

2.2 Алгоритмы управления движением высокоскоростных поездов

на линии......................................................................................34

2.3 Функции и роль ситуационного центра (СЦ) в обеспечении безопасности движения поездов и повышении оперативности управления....................40

2.4 Использование спутниковых технологий (СТ) для повышения надежности и достоверности информации, используемой в АСУ ВСД.......49

2.5 Оценка эффективности использования спутниковых технологий

при ВСД.................................................................................................................53

Выводы по главе............................................................................55

3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ АСУ ВСД С УЧЕТОМ СКРЫТЫХ ОТКАЗОВ И РИСКОВ..........................................................................................58

3.1 Модель надежности восстанавливаемых технических средств с учетом скрытых отказов....................................................................................................58

3.2 Модель функциональной безопасности технических средств с учетом

скрытых отказов...........................................................................69

Выводы по главе..........................................................................101

4 РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ RAMS ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСУ ПЕРЕВОЗОЧНЫМ ПРОЦЕССОМ...........................................................103

4.1 Основы методологии УРРАН.......................................................................103

4.2 Комплексный показатель сохранения эффективности АСУ

на железнодорожном транспорте....................................................115

4.3 Комплексные показатели готовности инфраструктуры направления

и достаточности предоставления технологических перерывов...............117

Выводы по главе .......................... ........................................... 119

5 РАЗРАБОТАННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ.......121

5.1 Автоматизированная система управления движением поездов (АСУ)

для магистрали Санкт-Петербург-Москва........................................................121

5.2 Автоматизированная система управления движением поездов для железной дороги транспортного комплекса Олимпиады 2014..................127

5.3 Система маневровой автоматической локомотивной

сигнализация (МАЛС)...................................................................132

5.4 Технико-экономическая эффективность разработанных систем.............137

Выводы по главе...........................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................141

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................144

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное функционирование железнодорожного транспорта Российской Федерации играет исключительную роль в создании условий для перехода на инновационный путь развития и устойчивого роста национальной экономики [17, 19, 20, 24-32].

Одной из стратегических задач, стоящих перед экономикой России, является широкое внедрение высокоскоростного движения поездов (ВСД) и автоматизированных систем управления (АСУ), которые базируются на использовании современных отечественных и зарубежных инновационных информационных и спутниковых технологий (ИТ и СТ) [15-20, 39, 51,75, 78, 83, 100].

Данные технологии относятся к классу критических и вместе с ВСД определяют уровень страны в мировой экономике. Россия с 17 декабря 2009 г. вошла в число стран, обладающих железнодорожными линиями с ВСД. В этот день началась регулярная эксплуатация на участке Санкт-Петербург-Москва Октябрьской ж.д. высокоскоростных поездов «Сапсан». В 2010 г. поезда «Сапсан» стали курсировать на Горьковской ж.д. на участке Москва-Нижний Новгород.

На обоих участках с ВСД одновременно осуществляется и движение обычных поездов (со скоростями менее 160 км/ч), т.е. в настоящее время для Российских железных дорог (РЖД) является характерной организация ВСД при смешанном движении. Вопросы построения АСУ в этом случае представляют особую сложность.

В ближайшие годы будет закончено строительство однопутной железнодорожной линии с двухпутными вставками на Олимпийской трассе в Сочи. Данная линия и все линии с ВСД на РЖД оборудуются АСУ, которые впоследствии найдут также применение и на вновь строящихся двухпутных выделенных линиях ВСД.

Показатели эффективности АСУ ВСД, в первую очередь, по безопасности движения, должны быть гармонизированы с требованиями международных нормативных документов, они должны учитывать возможные риски нарушения безопасности и затраты на поддержание АСУ в работоспособном состоянии на всех этапах жизненного цикла [22, 98, 99].

Исследованию проблем разработки и повышения эффективности систем управления технологическими процессами, в том числе при ВСД, посвящены работы российских ученых Баранова JI.A., Бестемьянова П.Ф Ерофеева Е.В., Козлова П.А., Колесникова В.И., Лисенкова В.М., Матвеева С.И., Махутова H.A., Поплавского A.A., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В., Сотникова Е.А., Розенберга E.H., Шалягина Д.В, Шубинского И.Б. и других авторов.

Дальнейшее повышение эффективности АСУ движением поездов на железнодорожном транспорте, особенно при высокоскоростном и смешанном движении, вызывает необходимость проведения анализа отечественных и зарубежных направлений развития этих систем на современном этапе с учетом использования новейших инновационных технологий и достижений науки и техники.

1 АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

(АСУ ВСД)

1.1 Особенности современного этапа развития железнодорожного

транспорта

Российские железные дороги (РЖД) являются основой транспортного комплекса России, на их долю приходится ежегодная перевозка более 1,3 млрд. тонн грузов и более 1,3 млрд. пассажиров. Программа стратегического развития ОАО «РЖД» до 2030г. предусматривает использование инноваций для достижения лидирующего положения РЖД на отечествен-

ном и мировом рынках транспортных услуг [14, 21, 24, 26, 28, 29, 31, 33-35].

Достижение данной целевой функции может быть обеспечено за счет широкого использования АСУ на линиях ВСД, повышения безопасности движения, пропускной и провозной способности линий, комфорта перевозки пассажиров и сохранности предъявляемых к отправлению грузов, снижения численности эксплуатационного персонала и потребляемых энергоресурсов, перехода к прогрессивной системе содержания и ремонта подвижного состава и объектов инфраструктуры «по фактическому состоянию».

Одним из направлений достижения целевой функции является строительство новых участков и линий железных дорог с ВСД, однако на это требуются значительные инвестиции и время, поэтому основным направлением достижения целевой функции для РЖД является совершенствование используемых и синтез новых АСУ ВСД [33, 35, 37-39, 44, 48,62, 75, 80-83, 100].

В новых системах производится автоматизация не отдельных рутинных функций, а сложных интеллектуальных функций, выполняемых в настоящее время персоналом: анализ ситуации, выбор оптимального решения с использованием динамических моделей, переход к методам управления, включающим оценку рисков. Такой подход требует коренной модернизации структуры системы управления железнодорожным транспортом: повышения уровня интеллектуализации систем [2, 40, 70, 75, 83, 100], совершенствования информационного обеспечения процессов управления [2, 15, 16, 19, 32, 39, 40 ] и обеспечения безопасности, применения современных технологий контроля местоположения и параметров подвижного состава, разработки научных основ принятия решений по поддержанию подвижного состава и объектов инфраструктуры на требуемом уровне надежности и безопасности [14, 18, 19, 45, 79, 83, 85].

Анализ особенностей функционирования АСУ при ВСД выявил одно из основных требований, которое заключается в необходимости получения

и обработки значительных объемов информации о параметрах технологических процессов за ограниченное время, отведенное на принятие и реализацию управленческих решений. Выполнить данное требование можно только путем автоматизации управления технологическими процессами, повышения достоверности используемой информации, расширения функциональных возможностей АСУ и перехода в перспективе к интеллектуальным методам принятия решений [2, 39, 42, 54, 83].

В рамках стратегии научно-технических программ международного союза железнодорожного транспорта данное направление работ, включающее решение задач интеллектуализации АСУ ВСД на базе использования спутниковых технологий, признано приоритетным [2, 22, 40, 75, 83, 100].

Утвержденная Правительством Российской Федерации федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система на 2001-2011г.г.» ориентируется на удовлетворение в кратчайшие сроки потребностей гражданских пользователей спутниковых систем. Это привело к необходимости разработки научных и практических принципов построения структуры интеллектуальной системы управления железнодорожным транспортом, базирующейся на использовании спутниковых и информационных технологий, компьютерных и микропроцессорных технических средств [2, 20,21,40, 83, 100].

1.2 Автоматизированные системы управления на линиях с ВСД

К настоящему времени накоплен значительный опыт создания и использования АСУ, используемых на железнодорожных линиях с ВСД России и зарубежных стран [62, 82, 91]. Так, например, на скоростной железнодорожной магистрали Мадрид-Севилья используется АСУ, разработанная фирмой Alcatel SEL (Германия). Управление линией осуществляется из единого центра в Мадриде. Диспетчера на своих рабочих местах получают полную информацию в режиме реального времени о

текущей ситуации на линии; на мониторы выводится таблица, в которой указываются номера поездов и их маршруты движения, времена проследования контрольных точек. В случаях отклонений от графика движения диспетчер может ввести в информационную таблицу новые команды, которые будут исполнены системой управления.

Центр управления связан волоконно-оптической линией с девятью постами электронной централизации Е1 Ь, каждый из которых в автоматическом режиме по командам из центра управления устанавливает маршруты движения поездам, находящимся в зоне его действия. В нештатной ситуации допускается установка маршрута непосредственно с пульта управления Е1Ь.

Из центра управления на станции линии автоматически передается сервисная информация для пассажиров (номер приближающегося поезда, платформа прибытия, время отправления поезда со станции и т.д.). Через каждые 50 км на пути установлена аппаратура контроля нагрева букс, которая передает в центр управления диагностические данные о состоянии подвижного состава.

На трассе Мадрид-Севилья маршрут поезда проходит через более чем 200 тоннелей и путепроводов, поэтому предусмотрена система автоматического контроля за этими объектами, которая фиксирует нарушение габаритов приближения строений, а также наличие посторонних предметов на путях. Эта информация поступает в центр управления линией.

Безопасность движения обеспечивается системой АЛС непрерывного типа LZB80. Напольная часть этой системы состоит из девяти связанных между собой центров, каждый из которых получает необходимую информацию от соответствующего поста. Эта информация позволяет сформировать команды, которые передаются в виде телеграмм на поезда через индуктивные шлейфы, уложенные между рельсами. Бортовая антенна поезда принимает сигналы из шлейфа и передает их в логическое устройство LZB80. Система индуктивной связи с поездом позволяет

обеспечивать надежный обмен информацией с поездом при скоростях движения более 300 км/ч.

На бортовой дисплей машиниста выводится информация о поездной обстановке на впереди лежащем участке длиной до 10 км и значения допустимой скорости движения. Если фактическая скорость поезда начинает превышать допустимую, то вырабатывается сигнал предупреждения машиниста. При отсутствии реакции с его стороны бортовая аппаратура LZB80 осуществляет автоматическое торможение поезда.

В системе LZB80 предусмотрена также передача информации в направлении «поезд-путь». Из бортовой аппаратуры в путевой шлейф поступает информация о фактической скорости поезда и его координате. Эта информация передается в центр управления линией для контроля за продвижением поездов. С целью обеспечения высокой безопасности и надежности системы LZB80 ее решающие блоки (на пути и локомотиве) включены по схеме «два из трех».

Выделенные каналы связи в системе используются для передачи данных видео мониторинга, поездной радиосвязи и обмена информацией между постами El L и центром управления, для громкоговорящей связи и вспомогательных телефонов, установленных вдоль трассы.

Компания Siemens (Германия) разработала систему управления VICOS ОС (Vehicle and Infrastructure Control and Operating System), которая выполняет широкий спектр функций: от автоматического мониторинга и управления системой автоблокировки до автоматической установки маршрутов. Эти система используются не только на железных дорогах Европы, но и на линиях ВСД Китая. Существует ряд модификаций для управления движением на разных типах участков и станций. Так, система VICOS ОС 100 предназначена для участков с высокими скоростями движения. Она имеет модификации 101 и 111 и включает в свой состав: АРМы диспетчеров {VICOS ОС 111), систему установки маршрутов (VICOS

ОС 100 ARS), систему слежения за движением поездов (VICOS ОС 100 АТТ).

В системе используется полнографический интерфейс пользователя. Посредством изображений обзорной и детальной схем путей, а также электронного журнала с данными о нарушениях и ходе эксплуатационного процесса диспетчер в любое время получает информацию о поездной ситуации и состоянии напольных устройств.

Для повышения эксплуатационной готовности компьютеры АРМов диспетчеров включены по схеме «2 из 3». При выходе из строя одного компьютера система может продолжать работу без каких-либо ограничений. Оба рабочих места равноценны, т. е. с любого из них могут при необходимости выполняться все управляющие воздействия.

При включенном режиме управления установкой маршрутов диспетчер при нормальной эксплуатации в значительной мере освобожден от ввода команд вручную. На экран монитора АРМ диспетчера наряду с информацией о занятости путей выводятся номера находящихся на них поездов. Эти номера перемещаются по экрану по мере продвижения поездов с одного изолированного участка на другой, при этом печатающее устройство протоколирует все поездные передвижения в контролируемой зоне.

Уже более десяти лет в ряде стран Европы идет внедрение Европейской системы управления движением поездов ETCS {European Train Control System) [62], которая разработана как гибкая система с возможностью адаптации к разным условиям эксплуатации. Система ETCS реализуется в одной из трех возможных модификаций (каждая модификация называется также уровнем.). Причем, архитектура системы позволяет модифицировать ее, постепенно наращивая от первого (самого низкого) до третьего (самого высокого) уровня.

Первый уровень ETCS построен с использованием минимального количества аппаратуры. Он позволяет организовывать на линии движение,

когда часть поездов управляется системой ETCS, а часть - движется по сигналам традиционной системы сигнализации. Это достигается за счет того, что в рамках первого уровня напольные устройства ETCS могут работать параллельно с существующими ус