автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Разработка системы контроля технического состояния устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи на базе цифровых методов обработки информации

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ.

1.1. Методы обработки информации в системах контроля технического состояния устройств АТиС.

1.2. Анализ контролируемых параметров устройств железнодорожной автоматики телемеханики и связи.

1.3. Обзор существующих систем контроля параметров устройств железнодорожной автоматики телемеханики и связи.

1.4. Выводы по главе и постановка задачи диссертации.

2. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В КОНТРОЛИРУЮЩИХ СИСТЕМАХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ.

2.1. Измерение основных электрических параметров устройств автоматики, телемеханики и связи.

2.2. Контроль технического состояния устройств автоматики, телемеханики и связи с использованием методов цифровой обработки информации.

2.3. Достоверность контроля.

2.4. Выводы по главе.

3. СПЕЦИФИКА ПОСТРОЕНИЯ И РАЗРАБОТКИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ.

3.1. Разработка структурной схемы системы контроля.

3.2. Схемотехническая реализация устройства контроля.

3.3. Оптимизация алгоритмов обработки информации с учетом технических средств реализации.

3.4. Выводы по главе.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ.

4.1. Определение капитальных вложений.

4.2. Вторичный экономический эффект и цена предотвращенного отказа.

4.3. Расчет экономического эффекта.

4.4. Выводы по главе.

Одной из главных задач, выполняемых устройствами железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, является обеспечение безопасного управления перевозочным процессом. Поэтому создание и внедрение новых систем железнодорожной автоматики является актуальной научной задачей. Использование достижений современной системотехники позволяет обеспечить более эффективное и безопасное управление перевозочным процессом, а также достичь необходимой адаптивности управления в условиях изменения структуры планирования перевозочного процесса. Надежное функционирование таких систем возможно при наличии достоверной и своевременной информации не только о перевозочном процессе, но и о состоянии устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.

Большое значение в этой ситуации приобретают вопросы, связанные с внедрением компьютерной техники и новых методов получения и обработки информации.

Одним из путей повышения надежности технических средств, обеспечивающих безопасность движения поездов, является внедрение устройств непрерывного контроля за их состоянием. Системы диагностики и телеконтроля позволяют уменьшить количество отказов в устройствах сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) путем прогнозирования предотказных состояний, ускорить поиск отказавшего элемента, свести к минимуму время нахождения технического персонала в опасных зонах железнодорожного транспорта, а также повысить культуру труда электромеханика, создать базу для перехода от системы планового обслуживания к предупредительно -восстановительной системе [1] с возможностью последующего высвобождения обслуживающего персонала. Устройства технической диагностики (ТД) позволяют предупреждать возникновение аварийных ситуаций путем обнаружения неисправностей, приводящих к опасным отказам, и помогают решать задачи по обеспечению безопасности систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (АТиС) [2].

Изменение экономической ситуации в стране неизбежно коснулось железнодорожного транспорта. При этом повысилась значимость вопросов эффективной хозяйственной деятельности железных дорог и, как следствие, подразделений, обслуживающих устройства железнодорожной автоматики и телемеханики.

Основной тенденцией развития информатизации железнодорожного транспорта России является создание технических средств, предназначенных для автоматизации процессов информационного обеспечения систем управления движением поездов. Широкое применение микропроцессорных устройств в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи позволяет поднять на более высокую качественную ступень процессы обработки информации и обеспечить требуемую достоверность. Однако осуществление этих задач невозможно без исследования свойств объектов управления и контроля источников технологической информации. Одной из особенностей систем железнодорожной АТиС является её пространственная распределённость и большое количество объектов контроля, что требует применения сложных алгоритмов, учитывающих эти факторы. Для диагностики распределенных систем требуется обработка информации на месте измерения. Это позволит: уменьшить загруженность линий связи, значительно снизить влияние внешних помех, равномерно распределить вычислительные мощности, повысить надежность функционирования системы, легко модифицировать конфигурацию системы и своевременно получать полную информацию о состоянии устройств всем потребителям.

Разработка и широкое внедрение микропроцессорных систем диспетчерского контроля (ДК) и диспетчерской централизации (ДЦ) позволила получать более полную и оперативную информацию. Однако отсутствие дешевых отечественных приборов, ориентированных на диагностику различных устройств

СЦБ и связи, позволяющих осуществлять сбор и предварительную обработку данных вызывает необходимость создания измерительных средств легко интегрирующихся в эти системы.

Применение новых цифровых методов обработки информации позволит значительно сократить объем релейно-контактной аппаратуры в управляющей части путем введения обратной связи о состоянии устройств СЦБ, на основе применения методов и средств технической диагностики. Наиболее эффективным и экономически оправданным является применение для этой цели однокристальных микроконтроллеров, что позволит полностью автоматизировать процесс измерений, достичь высокой достоверности контроля, существенно упростить структуру прибора, расширить его функциональные возможности, уменьшить стоимость изготовления и легко интегрировать его в существующие новейшие системы ДК и ДЦ.

Иными словами, речь идет о разработке, создании и внедрении информационного комплекса технических средств контроля технического состояния устройств железнодорожной АТиС, который можно разделить на следующие компоненты: портативные приборы, мобильные установки и стационарные системы.

Основные требования предъявляемые к портативным приборам - малые габариты, вес, энергоемкость и достаточное метрологическое обеспечение. Мобильные установки размещаются на дрезинах или в вагонах-лабораториях и решают вопросы автометрии и контроля, обеспечивая высокую скорость измерения. Круг решаемых ими задач не очень широк, но актуален. Это контроль параметров кодовых сигналов рельсовых цепей и AJIC, первичных параметров рельсовой линии, асимметрии. Стационарные системы дистанционного контроля должны стать мощными техническими средствами диспетчерского руководства в дистанциях сигнализации и связи и основой для АСУ технического обслуживания и эксплуатации. 6

Связующим их звеном является функционирование в едином информационном пространстве. Информация, получаемая при помощи портативных приборов и мобильных установок должна поступать на стационарные системы и быть доступна для потребителей всех уровней. Здесь необходимо обеспечить унификацию представления данных. Это позволит получить полную и объективную картину состояния устройств АТиС, даст возможность объединить оперативный анализ и интерпретацию информации, что приведет к ускорению принятия адекватных решений на всех уровнях.

Создание систем требует проведения исследования достоверности получаемой информации, в связи с наличием дестабилизирующих факторов: помех, погрешности приборов, недостаточной подготовленности или уровня образования обслуживающего персонала. Они снижают точность измерения, что может привести, с одной стороны, к невыявлению отказа, с другой - к ложному контролю.

Целью диссертации является повышение безопасности перевозок путем увеличения достоверности контроля технического состояния устройств СЦБ, используя цифровые методы обработки информации.

4.4. Выводы по главе. В разделе был проведен анализ последствий, вызываемых отказами устройств СЦБ, и влияния систем диагностики и автоконтроля на уменьшение общего числа отказов.

Анализ последствий защитных отказов устройств СЦБ позволил выделить несколько основных направлений, по которым следует определять причиненный отказами ущерб. К ним относятся

- задержки грузовых и пассажирских поездов;

- дополнительные расходы энергии на разгон и торможение поездов;

- связанное с задержками грузовых поездов увеличение времени доставки грузов, влияющее на оборотные средства других отраслей народного хозяйства;

- опоздание пассажиров на станцию назначения;

- снижение безопасности движения поездов.

Расчет экономической эффективности внедряемого новшества было предложено проводить на основе оценки предотвращенного ущерба.

В расчет объема капитальных вложений включена себестоимость разработки программного обеспечения.

Был показан процесс получения вторичного экономического эффекта от внедрения систем контроля и диагностики, и предложена методика его учета для определения последствий задержек пассажирских поездов.

Создана гибкая методика расчета экономической эффективности повышающих коэффициент готовности устройств и систем, позволяющая для определения конечного результата выбирать соответствующие формулы в зависимости от этапности и сроков внедрения новшества, прогнозируемого на ближайшие годы объема перевозок, а также наличия исходных данных о задержках поездов.

Методика расчета экономической эффективности создана на основе учета как экономических, так и социальных результатов применения новшеств,

149 использования зарубежного опыта оценки транспортных услуг, утвержденных Министерством Экономики РФ рекомендаций по оценке эффективности новой техники, а также в соответствии с последними методическими рекомендациями по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте.

Заключение

1. На основе приведенных исследований доказано преимущество цифровых методов измерения частоты и амплитуды напряжений для контроля технического состояния устройств железнодорожной автоматики телемеханики.

2. Предложен метод определения частоты сигнала в устройствах ж.д. АТиС. Проведена сравнительная оценка точности и доказано преимущество при реализации предложенного метода по сравнению с общепринятым.

3. Применение БПФ в качестве основной измерительной методики позволяет значительно увеличить скорость измерения и расширяет информативную базу измеряемых параметров для устройств СЦБ и повышает достоверность информации о состоянии контролируемых устройств.

4. Разработана асинхронная модель измерения напряжения с применением в обратной связи компаратора, позволяющая оценивать с заданной точностью изменения входного сигнала, что особенно важно для контроля сигналов устройств СЦБ, представляющих смесь полезного сигнала и помехи. Здесь же предложена модель цифрового измерителя с использованием линейной аппроксимации входного сигнала. Проведена оценка ее точности.

5. Разработана модель распознающей системы, которая определяет соответствие входного сигнала одному из эталонных. На основании проведенных исследований установлено, что работа модели по методу градиентного спуска обладает повышенной сходимостью по отношению к другим методам.

6. Проведенная оценка достоверности контроля для микроконтроллеров с интегрированным АЦП свидетельствует о том, что существующие микроконтроллеры с десяти разрядным АЦП, удовлетворяют заданному уровню достоверности контроля.

151

7. Предложена система контроля технического состояния устройств ж.д. АТиС на базе распределенной структуры, позволяющей повысить вычислительные возможности центрального сервера за счет высвобождения его от решения задач первичной обработки информации.

8. Предложена и обоснована методика выбора микроконтроллера для системы контроля. В результате исследований установлено, что эффективное функционирование системы возможно при обработке информации на основе MIDAS технологии.

9. Предложена методика оценки экономической эффективности систем контроля и диагностики устройств СЦБ, разработанная в соответствии с последними методическими рекомендациями и нормативными документами РФ, а также с использованием зарубежного опыта оценки транспортных услуг.

10.Определен экономический эффект от внедрения БКН. В соответствии с расчетами чистый дисконтированный доход составил - 115638,6 руб. в ценах 1999 года.

11.На основе разработанных алгоритмов разработан, изготовлен и внедрен в опытную эксплуатацию, на Красноярской и Восточносибирской ж.д., блок контроля питающего напряжения поста ЭЦ.

1. Брейдо А.И., Овсянников В. А. Организация обслуживания железнодорожных устройств автоматики и связи. -М. :Транспорт, 1983.-209 с.

2. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Гавзов Д.В., Марков Д.С. Методы и средства оценки обеспечения безопасности систем железнодорожной автоматики// Автоматика, телемеханика и связь.-1992, №1, с.4-7.

3. Дмитренко И.Е., Сапожников В.В., Дьяков Д.В. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Транспорт, 1994.-263 с.

4. Дмитренко И.Е. Техническая диагностика и автоконтроль систем железнодорожной автоматики и телемеханики.-М.:Транспорт, 1986.-142 с.

5. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

6. ГОСТ 20911-75 «Техническая диагностика. Основные термины и определения».

7. А.С.564202 СССР. МКИ B61L 23/16. Устройство определения ложной занятости рельсовых цепей / Н.З. Шацев, А.Е. Федотов /CCCP/.-N2103493/11; заявл. 10.02.75; опубл. 05.07.77. Бюл.№5.

8. А.С.895780 СССР. МКИ B61L 23/16. Устройство для определения ложной занятости рельсовой цепи / В.Б. Культин /CCCP/.-N2918645/27-11; заявл. 30.04.80; опубл. 07.01.82. Бюл.Ы1.

9. Кораблев Е.А. Микропроцессорная система диагностики централизованной автоблокировки // Микропроцессоры в системахтехнической диагностики железнодорожной автоматики и телемеханики: Межвуз. сб. научн. тр. / УЭМИИТ, 1988.-c.3-10.

10. Андреевских А.В., Байдуж А.Н., Доманский В.Т., Киненеев И.И. Микропроцессорная система контроля состояния устройств СЦБ // Автоматика, телемеханика и связь,-1991,N2,с. 9-11.

11. Дмитренко И.Е., Пак А.К., Пунчак А.В., Тихая Т.Я. Микропроцессорная система контроля состояния устройств СЦБ // Автоматика, телемеханика и связь.-1991,N2,с. 11-13.

12. Кораблев Е.А., Донцов В.К. Микропроцессорная система технической диагностики электрической централизации крупной станции // Автоматика, телемеханика и связь.-1992,N7,с. 8-14.

13. Кораблев Е.А., Донцов В.К. Система технической диагностики устройств электрической централизации крупной станции // Автоматика, телемеханика и связь.-2000,К2,с. 8-14.

14. Лунев С.А., Требин В.Я., Шматко Я. А. Программное обеспечение модернизированной системы ЧДК. ОмГУПС, Межвузовский тематический сборник научных трудов, 1998 г.

15. Лунев С.А., Требин В.Я., Шматко Я. А. Модернизация системы частотного диспетчерского контроля. ОмГУПС, тезисы к докладу, 1998 г.

16. Шматко Я. А. Применение стандартных библиотек языка С++ при разработке программного обеспечения АРМ-ШЧД. ОмГУПС, Сборник научных статей аспирантов и студентов, 1997 г.

17. Лосев В.В Микропроцессорные устройства обработки информации. Мн. 1990.-132 с.

18. Кулаичев А.П. Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. М.: Информатика и компьютеры, 1999. — 330 с.

19. Гольденберг JI. М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. 2-изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1990.— 256 с.

20. Толстов Г. П. Ряды Фурье. М.: Наука. 1980 г. 384 с.

21. Макклептан Д. X., Рейдер Ч. М. Применение теории чисел в цифровой обработке сигналов: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1983. 264 с.

22. Гольденберг JI. М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. 2-изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1990.— 256 с.

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. :Наука, 1984, 831 с.

24. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». 2-е изд., перераб. и доп.-М.: «Высшая школа», 1988г.-350 с.

25. Колмогоров А.Н., Фомин С. В. Элементы теории функций и функционального анализа. -М.: Наука, 1972. 280 с.

26. Пархоменко П. П., Согомонян Е. С. Основы технической диагностики: (Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства). М.: Энергия, 1981.-320 с.

27. Микроконтроллеры. Справочник. 1998 г. 384 с.

28. А. Кофман, А. Анри-Лабордер «Методы и модели исследования операций» Москва издательство «МИР» 1977г. 374 с.

29. Е.С. Вентцель «Исследование операций» Москва «Советское радио» 1972г. 460 с.

30. Ю.В. Чуев, Г.П. Спехова «Технические задачи исследования операций» Москва «Советское радио» 1971г. 214с.

31. Лунев С.А., Требин В .Я., Шматко Я. А. Разработка методики и средств контроля соотношения фаз питающих фидеров поста ЭЦ. СибГУПС, тезисы к докладу, 1999 г.

32. Лунев С.А., Требин В.Я., Шматко Я. А. Разработка микропроцессорного измерителя сдвига фаз питающих фидеров поста ЭЦ. ОмГУПС, отчет по НИР. 1999 г.

33. Шматко Я. А. Разработка устройства контроля напряжения питающих фидеров поста ЭЦ. ОмГУПС, Сборник научных статей, 2000 г.

34. Шматко Я. А. Применение мультимедийных команд в алгоритмах цифровой фильтрации. ОмГУПС, тезисы к докладу, 1999 г.

35. Лутченко С. С., Шматко Я. А. Оценка надежности программного обеспечения диагностических микропроцессорных систем. ОмГУПС, тезисы к докладу, 1999 г.

36. Власенко С. В. Автоматизированные системы технической диагностики станционных рельсовых цепей. Автореферат диссертации канд. техн. наук.- С.Петербург, 1997.-122 с.

37. Грязнова Л.П. Определение эффективности внедрения средств технической диагностики состояния устройств автоматики и телемеханики: Метод, указания. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. 1984. - 22 с.

38. Нормативы труда специалистов НИИ и КБ межотраслевая методическая рекомендация. -М:1990.

39. Укрупненные нормы времени на разработку программных средств вычислительной техники. -М: Экономика, 1988.

40. Приказ министра путей сообщения № 47Ц от 6 ноября 1986г. О совершенствовании организации заработной платы и введении новых тарифных ставок и должностных окладов работников производственных отраслей народного хозяйства. -М:1986.

41. Вайнштейн Б.С. Об оценке социальных результатов научно-технического прогресса // Вопр. экономики, 1974, N10,с. 90-101.

42. Дерзкий В.Г., Нечай Т.А., Шкверец Ю.В., Щедрина Т.И. Прогнозирование технико-экономических параметров новой техники. -Киев: Наукова думка, 1982.-1 Юс.

43. Александрова В.П., Пасхавер А.И., Бажал Ю.Н., Гордань В.И., Петров Д.Г. Экономическая оценка социальных результатов применения новой техники.-Киев: Наукова думка, 1981 .-206 с.

44. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. -М.; 1994.-80 с.

45. Методические рекомендации по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте / ВНИИЖТ МПС. -М.: Транспорт, 1991 .-239 с.

46. Методические вопросы определения социально-экономической эффективности новой техники. -М.: Наука, 1977.-230 с.49.3ыков Ю.А. Экономическое прогнозирование научно-технического прогресса. -М.: Наука, 1975.-168 с.

47. Айзинбуд С .Я., Козубенко В.Т., Курков В.Н. Машинист и безопасность. М. Транспорт, 1992.-48 с.

48. Шашин В.И., Малашкевич Г.В. Анализ состояния безопасности движения в локомотивном хозяйстве железных дорог за 1991 год// Железнодорожный транспорт. Серия "Безопасность движения". ОИ/ЦНИИТЭИ МПС.-1992г.-Вып.1-2.-с.1-76.

49. Белишкина Т.А. Методы и средства обеспечения безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Дисс. . канд. техн. наук.-СПб.,1996.-158 с.

50. Сотников И.Б., Выгнанов А.А., Гоманков Ф.С. Технико-экономические расчеты в эксплуатации железных дорог. М.: Транспорт, 1983.-254 с.