Цикл статей:
Глава 1 — Повышение эффективности функционирования железнодорожного переезда
Глава 2 — Разработка имитационной модели функционирования железнодорожного переезда
Глава 3 — Исследование безопасности движения поездов на железнодорожном переезде
Глава 4 — Измерение параметров движения поезда с помощью распределенных волоконно-оптических датчиков
Глава 5 — Разработка устройства управления АПС на основе параметров движения поезда
Введение
Но в настоящее время при управлении автоматической переездной сигнализацией (АПС) не учитываются параметры и характеристики движения поездов на участке приближения к переезду, что приводит к длительному закрытому состоянию переезда, угрозе нарушения безопасности движения поездов и простою автомобильного транспорта.
Следовательно, разработка методов управления устройствами АПС на основе информации о скорости и местоположении приближающегося к переезду поезда и совершенствование методов оценки функционирования железнодорожного переезда являются актуальными направлениями научных исследований.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики и совершенствование качества управления перевозочным процессом внесли такие ученые, как Л.А. Баранов, П.Ф. Бестемьянов, А.И. Годяев, А.В. Горелик, Д.В. Ефанов, В.И. Линьков, В.М. Лисенков, А.Б. Никитин, Е.Н. Розенберг, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Е.М. Тарасов, С.Т. Болтаев, В.Л. Герус, С.Ю. Гришаев, В.В. Ляной, В.П. Мохонько, А.В. Орлов, С.А. Щиголев и др.
Исследования ученых в основном посвящены вопросам совершенствования методов и алгоритмов определения характеристик движения поезда, повышения надежности работы устройств контроля проследования и определения местоположения подвижного состава (таких, как рельсовые цепи, индуктивные датчики колеса и др.), а также разработке бортовых комплексов, систем навигации и поездной радиосвязи. При этом открытыми остаются вопросы обоснования выбора применяемых систем и технических средств управления устройствами АПС и оценки эффективности функционирования железнодорожного переезда. Не рассматривались ранее и вопросы применения оптических распределенных датчиков для организации участков приближения к переезду.
Область исследований соответствует паспорту специальности 2.9.4 Управление процессами перевозок, а именно пунктам 6 «Системы и устройства автоматики и телемеханики, предназначенные для управления перевозочным процессом, их эксплуатация, методы построения и испытания» и 8 «Информационное, математическое и алгоритмическое обеспечение систем управления, включая методологию исследования и проектирования».
Объект исследования — устройства обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта на переездах.
Предмет исследования — методы управления устройствами автоматической переездной сигнализацией.
Целью диссертационной работы является разработка методических и технических решений для систем управления автоматической переездной сигнализацией, обеспечивающих сокращение длительности закрытого состояния железнодорожного переезда.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Выполнить анализ методов расчета параметров работы переездной сигнализации, практики проектирования и построения системы автоматической переездной сигнализации и средств определения параметров движения поездов.
- Разработать дискретно-событийную модель процесса функционирования железнодорожного переезда, позволяющую оценить параметры работы переездной сигнализации и определить минимальное, по условиям безопасности, время закрытого состояния переезда с учетом фактических данных о движении поездов по участку.
- Разработать методы определения местоположения и скорости движущегося поезда на участке приближения к переезду на основе сигнала распределенного волоконно-оптического датчика для систем управления автоматической переездной сигнализацией.
- Для оценки безопасности движения поездов на переезде разработать стохастическую модель функционирования железнодорожного переезда, учитывающую параметры работы переездной сигнализации и характеристики потоков железнодорожного транспорта и автотранспорта.
- Разработать структуру устройства управления системой автоматической переездной сигнализации с учетом информации о параметрах движения поезда на участке приближения к переезду, на основе применения распределенных волоконно-оптических датчиков.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Разработан метод исследования параметров работы переездной сигнализации, основанный на имитационном моделировании функционирования железнодорожного переезда, при котором учитываются размеры, параметры движения и категории поездов как на однопутных, так и на многопутных участках железной дороги.
- Разработан метод оценки безопасности движения поездов на переезде на основе стохастической модели, представленной в виде сети Петри, которая позволяет описать взаимодействие потоков железнодорожного транспорта и автотранспортных средств на переезде.
- Предложены методы определения местоположения, длины и скорости движущегося поезда на основе распределенного волоконно-оптического датчика, позволяющие организовать «подвижный» участок извещения к переезду.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в следующем:
- С помощью имитационной модели исследовано влияние величины межпоездного интервала на временные соотношения работы переездной сигнализации (время открытого состояния за заданный промежуток времени, длительность закрытого состояния, время подачи извещения на переезд) на основе статистических данных размеров и параметров движения поездов на участке.
- На основе предложенных методов оценки функционирования железнодорожного переезда исследовано влияние интенсивности движения транспортных потоков на безопасность движения поездов.
- С помощью численного моделирования сигнала фазочувствительного рефлектометра распределенного волоконно-оптического датчика исследовано влияние вибрационного возмущения от подвижного состава на параметры сигнала обратного рассеяния.
Практическая значимость состоит в следующем:
- Предложенные в работе методы исследования параметров работы переездной автоматики и безопасности движения поездов на переезде могут быть использованы для оценки эффективности существующих железнодорожных переездов.
- Управление устройствами переездной сигнализации на основе параметров движения приближающегося к переезду поезда позволяет получить экономический эффект за счет повышения реализуемой пропускной способности участка, обеспечивая при этом сокращение времени простоя автотранспортных средств перед закрытым переездом.
- Разработанные в работе методы математической обработки сигнала распределенного волоконно-оптического датчика могут быть использованы при разработке устройства управления автоматической переездной сигнализацией на основе параметров движения поезда (патент на изобретение № 2732685).
- Программа, позволяющая рассчитать параметры переездной сигнализации на основе статистических данных движения поездов на участке (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021663659), используется в учебном процессе кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Уральский государственный университет путей сообщения».
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались общенаучные методы исследования, метод формализации и математического представления исследуемых процессов. Для описания функционирования железнодорожного переезда применены методы имитационного моделирования и теория построения и анализа сетей Петри. Основы прикладной статистики и статистические методы анализа были использованы при обработке данных о параметрах движения поездов на железнодорожных участках. Кроме того, в работе применяются известные методы цифровой обработки сигналов: метод сглаживания, метод корреляционного анализа и метод фильтрации.
Положения, выносимые на защиту:
- Имитационная модель функционирования железнодорожного переезда, позволяющая рассчитать время пребывания переезда в закрытом состоянии, основанная на статистических данных параметров движения поездов на участке. С помощью модели установлено, что управление устройствами АПС на основе параметров движения поезда позволяет сократить суммарное время закрытого состояния переезда на 30 %.
- Стохастическая модель взаимодействия транспортных потоков на переезде, реализованная в виде сети Петри, позволяющая численно оценить вероятности столкновения железнодорожного и автомобильного транспорта в зоне переезда. Выявлено, что применение метода управления устройствами АПС на основе информации о скорости и местоположении приближающегося к переезду поезда не влияет на величину вероятности возникновения опасного состояния движения поездов.
- Структура устройства управления системой автоматической переездной сигнализации, позволяющего сократить время подачи извещения на переезд за счет предлагаемых методов определения параметров движения поезда на участке приближения к переезду на основе сигнала распределенного волоконнооптического датчика, укладываемого вдоль контролируемого пути.
Степень достоверности результатов исследования подтверждается сопоставимостью теоретических и экспериментальных данных. Расхождения результатов измерения фактических значений времени закрытого состояния переезда и теоретических расчетов за заданный временной интервал не превышает 7 %. Разница в результатах объясняется принятыми упрощениями при математическом описании функционирования переезда и неполным соответствием реальным условиям работы переездной сигнализации.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы
докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах:
Международная конференция «Technological, economic and cultural evolution in retrospective and prospects» (Екатеринбург, 2017);
Внутривузовская конференция электротехнического факультета УрГУПС
(Екатеринбург, 2018);
Внутривузовская конференция электротехнического факультета УрГУПС (Екатеринбург, 2018);
V Межвузовский научный семинар «Информационные технологии и когнитивная электросвязь» (Екатеринбург, 2019);
XII Международная научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту» (Самара, 2019);
Научный семинар аспирантов УрГУПС (Екатеринбург, 2019);
Международная научно-практическая конференция «Железнодорожный транспорт и инжиниринг» (Пермь, 2021);
Международная научно-практическая конференция «Транспорт: логистика, строительство, эксплуатация, управление (ТЕС2М)» (Екатеринбург, 2022);
- Расширенное заседание кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» УрГУПС (Екатеринбург, 2022).
Публикации. По теме исследования опубликовано десять печатных работ, в том числе четыре работы в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации, одна работа в издании, индексируемом в международных базах данных Зсориз. Получены: один патент на изобретение и одно свидетельство о государственной регистрации программы для электронных вычислительных машин.Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа представлена на 210 страницах, содержит 166 страниц основного текста, 89 рисунков, 21 таблицу и 6 приложений на 17 страницах, список использованной литературы составляет 194 наименование.
Вопросы организации участков извещения к объектам
железнодорожной инфраструктуры
Анализ существующего метода расчета параметров работы переездной сигнализации
Повышение пропускной и провозной способностей железнодорожных линий, рост грузооборота [1] зависит от технического развития систем обеспечения движения поездов и качества управления технологическими процессами [2, 3]. Система управления движением поездов (СУДП) рассматривается как единый комплекс (рис. 1.1). С одной стороны, СУДП включает в себя элементы систем интервального регулирования движением поездов (СИРДП): системы диспетчерской централизация (ДЦ), электрической централизация (ЭЦ) автоблокировки (АБ), диагностики и мониторинга (СТДМ), с другой стороны, тесно связана с техническими средствами локомотивных бортовых устройств и других смежных хозяйств: элементами тягового и нетягового электроснабжения, системами технического обслуживания и ремонта подвижного состава и др.
В то же время важным вопросом является обеспечение потребных возрастающих показателей перевозок организационными мерами не требующих значительных капиталовложений и длительных сроков выполнения строительства и модернизации существующей инфраструктуры. На всем протяжении железнодорожной сети Российской Федерации используется смешанный тип движения: грузовые и пассажирские поезда, имеющие различные технические и ходовые характеристики, сообщение которых осуществляется по одним и тем же железнодорожным линиям. Стоит отметить, что рациональным решением, позволяющим снизить издержки по содержанию и эксплуатации железнодорожной инфраструктуры, может быть разделение грузовой и пассажирской составляющих по принципу «масса — скорость» [4].
Поэтому актуальной задачей является необходимость в повышении эффективности использования существующей инфраструктуры и проведении организационно-технических мероприятий, позволяющих увеличить показатели эксплуатационной работы железных дорог путем совершенствования существующих методов и принципов построения устройств и средств СИРДП и применения инновационных технических решений в области железнодорожной автоматики и телемеханики [5].
Вследствие повышения диапазона скоростей движения поездов актуальной становится задача совершенствования методов и алгоритмов автоматизации управления в части изменений временных параметров функционирования железнодорожных систем и устройств ЖАТ [6]. Ввиду того, что длительность осуществления технологических операций на железнодорожном транспорте являются основной характеристикой качества управления движением поездов [7], работа устройств ЖАТ, при которой допускается как избыточная, так и недостаточная пропускная и перерабатывающая способности, может привести к экономическим потерям [8].
Проектирование и строительство инфраструктуры объектов железнодорожного транспорта производится согласно принятой обязательной нормативно-технической документации [9], на основании которой устанавливаются и рассчитываются параметры функционирования, и временные зависимости устройств ЖАТ. Стоить отметить, что расчет производится аналитическими методами, без математического обоснования и учёта характеристик транспортного потока. Это в свою очередь может приводить к неточностям в определении моментов времени реализации команд управления техническими средствами, которые используются для регулирования и обеспечения безопасности движения поездов. К числу таких технологических процессов управления на железнодорожном транспорте можно отнести: определение моментов времени для своевременного приготовления маршрутов для поездов различных категорий с целью обеспечения оптимального межпоездного интервала [32], определение времени подачи извещения о приближении к переезду, управление скоростью скатывания отцепа на сортировочных горках и др.
За последние 20 лет проведено большое количество исследований, посвященных анализу функционирования железнодорожных переездов как с точки зрения обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта, так и с точки зрения экономических, социальных и экологических последствий задержки автотранспортных средств на пересечении с железнодорожной линией [10, 11].
Технические мероприятия по повышению безопасности и снижению аварийности на железнодорожных переездах подробно описаны в работах отечественных авторов Д.В. Ефанова [12] В. Л. Геруса [13], Л.В. Птушкиной [14], А.И. Ганичева [15]. Вопросы обеспечения безопасности автомобильного транспорта на переезде и построения устройств заграждения изложены в трудах Н. П. Чех [16], Д. Е. Минакова [17] и др.
Разработкой методов оценки уровня безопасности железнодорожных переездов на основе построения вероятностных моделей занимались ученые А. И. Годяев [18], Н. А. Тарадин [19], исследованиями происшествий на железнодорожных переездах с точки зрения экономических и социальных потерь освещены в работах С. Т. Гатауллина [20] и др [21].
Вопросы совершенствования устройств ЖАТ в части контроля проследования поезда через переезд, поднимались в научных трудах авторов В. П. Мохонько [22], Е. Г. Моисеева [23], В. А. Сисина [24], Е. М. Тарасова [25], А. М. Трунаева [26] и др.
Технические решения, посвященные организации контролируемых железнодорожных участков на основе индуктивных датчиков колеса системы счета осей, изложены в работах таких ученых, как И. Г. Тильк [27], В. В. Ляной [28], В. В. Гнитько [29], С. А. Щиголев [30] и др.
Способы совершенствования методов и алгоритмов автоматизации управления переездной сигнализацией, в том числе с учетом высокоскоростного движения предложены в работах А. Б. Никитина [31], С. Т. Болтаева [32] и др.
Для заблаговременной подачи извещения о приближении поезда к железнодорожному переезду и автоматического управления переездной сигнализацией, устройствами заграждения железнодорожного переезда и шлагбаумами, предполагается организация участка извещения перед переездом. Длина такого участка железнодорожного пути рассчитывается исходя из времени подачи извещения на переезд.
Под временем извещения на переезд понимается время, необходимое самому медленному транспортному средству максимальной длины для гарантированного проследования железнодорожного переезда при вступлении его на пересечение с железнодорожными путями до подхода поезда по любому железнодорожному пути, независимо от специализации железнодорожных путей и установленного направления [33, 34]. Таким образом, расчетное время извещения о приближении поезда к железнодорожному переезду зависит от параметров проезжей части автомобильной дороги в границах железнодорожного переезда. При этом расчетное время извещения о приближении поезда к железнодорожному переезду должно соответствовать следующим условиям:
Также, согласно Указанию «Об изменении времени извещения о приближении поезда к переезду при оборудовании переезда УЗП», при проектировании устройств автоматической переездной сигнализации необходимо учитывать, что время подачи извещения на переезд с устройствами заграждения переезда (УЗП) должно быть не менее 45 сек. Исходя из проведенного анализа зависимостей времени извещения о приближении поезда от длины переезда выявлено, что принятое фиксированное время подачи извещения на переезд является избыточным по отношению к расчетным значения для переездов длиной менее 30 м (рис. 1.2).
Стоит отметить, что при проектировании систем управления переездной сигнализации как на существующих железнодорожных линиях, так и при новом строительстве, реальные значения длин участков извещения в большинстве случаев отличаются от расчетных (рис. 1.4). При этом в качестве устройств контроля свободности пути и средств слежения за движением поездов на сети железных дорог применяются технические решения на основе электрических рельсовых цепей (РЦ) в составе систем централизации и блокировки, и индуктивных датчиков колеса систем счета осей (ССО) [35 — 38].
Поэтому в качестве зависимых параметров работы переездной сигнализации вводятся величины:
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что расчет параметров работы автоматической переездной сигнализации производится с рядом существенных допущений [39]:
- расчет основывается на максимальной установленной на участке скорости движения поездов (до 140 км/ч);
- уменьшение значения скорости движения поездов принимается мгновенным;
- увеличение значения скорости движения поездов задаётся согласно условию равноускоренного движения для локомотивов с тепловозной тягой — с ускорением 0,6 м/с2, при электротяге — 0,8 м/с2;
- для расчета длины участка извещения принимается маршрут с наименьшим временем движения до станционного переезда;
- не учитывается возможность увеличения скорости движения поезда на прямых участках при наличии в установленном маршруте стрелочных участков;
- допускается разница между расчетным временем подачи извещения и фактическим на величину до 20 сек.;
- не учитываются длины поездов, обращающихся на участке.
Поэтому с точки зрения обеспечения оптимальных временных зависимостей при подаче извещения на переезд и сокращения длительности закрытого состояния устройств переездной сигнализации необходимо совершенствовать методы управления устройствами АПС, учитывающие параметры движения приближающегося к переезду поезда.
Управление технологическими процессами железнодорожного транспорта на основе информации о параметрах движения подвижного состава
Примером динамических технических систем, в которых качественное управление транспортными процессами обеспечивается регулированием параметров работы устройств, являются системы горочной автоматики на сортировочных станциях [40]. Техническая реализация процесса расформирования — формирования составов включает в себя подсистемы для управления скоростью надвига и роспуска вагонов, маршрутами скатывания отцепов с горки, скоростью движения отцепов по спускной части и сортировочным путям [41]. Также при построении систем автоматизации на горках учитывается ряд факторов, влияющих на показатели процесса роспуска вагонов: погодные условия, сопротивление движению отцепа, сопротивление от кривых в пути, количество стрелок по маршруту следования отцепа, необходимая дальность пробега отцепа, весовая категория и длина отцепа, скорость и ускорение скатывания отцепа, ходовые свойства вагонов.
В процессе скатывания отцепов первоначальный интервал между скатывающимися с горки отцепами зависит от скорости роспуска и может значительно меняться на всём протяжении движения [42]. При этом возникает разность во времени прохождения отцепами участков и появляется опасность нагона одних отцепов другими. Для исключения нагона отцепов применяют интервальное регулирование. При установленной скорости выхода отцепа с тормозной позиции, кроме расчетных скоростей по прицельному регулированию, учитываются также изменение скорости и на спускной части горки, определяющее скорость роспуска, местонахождение отцепов, ходовые характеристики отцепов и т.д. Основным средством контроля занятости участков пути на сортировочных горках являются рельсовые цепи. Однако в силу определенной специфики процесса расформирования и формирования составов также применяются технические решения, обеспечивающие дополнительный контроль следования подвижных единиц и измерение характеристик движения, такие как, например, индуктивные датчики колеса, доплеровские измерители скорости и др.
Безопасность и быстродействие процесса пропуска составов с горки в значительной мере определяется длиной горочного стрелочного участка Iсу, причем, чем меньше длина, тем выше скорость роспуска [43].
Перевод горочной стрелки под отцепом предотвращается исключительно путем контроля занятости стрелочных участков:
Помимо реализации интервального регулирования движения отцепов на основе измеренных параметров движения, горочные информационноизмерительные устройства позволяют также определить следующие характеристики [47]:
- оптимальная скорость роспуска;
- скорость выпуска отцепа с тормозной позиции;
- местоположение отцепов на путях сортировочного парка;
- момент отрыва отцепа;
- координата прицельного торможения отцепа.
К тому же в подсистеме управления скоростью скатывания отцепов реализован алгоритм адаптивного управления замедлителями, при котором оценивается текущее состояние устройства и рассчитывается время затормаживания и отмораживания отцепа. Применение методов прогнозирования движения отцепов на спускной и парковой частях горки, алгоритмов адаптивного торможения обеспечивают безопасность функционирования горочных устройств, сохранность вагона и груза, энергосбережение и увеличение срока эксплуатации тормозных средств.
Таким образом, с помощью применяемых современных комплексных технических средств автоматизации в полной мере может быть решена задача согласованности процессов регулирования, обеспечение необходимых временных зависимостей работы устройств ЖАТ и безопасности условий движения поездов. Применение средств контроля фактических параметров движения подвижных единиц (скорость, ускорение, местоположение, ходовые свойства) позволяют в значительной степени повысить качество регулирования технологическими процессами на железнодорожном транспорте.
Выбор целевого показателя для оценки функционирования железнодорожного переезда
На сегодняшний день актуальной задачей является снижение риска возникновения транспортных происшествий на железнодорожном транспорте, а также минимизация вероятности возникновения угрозы жизни и здоровью людей, имуществу и окружающей среде [48]. На основе данных о транспортных происшествиях на переездах [49, 50] выявлено, что основной причиной столкновений железнодорожного и автомобильного транспорта в зоне переездов является игнорирование и нарушение правил безопасности движения на переезде, в том числе выезд автомобильного транспорта на железнодорожные пути при закрытом исправном состоянии переездной сигнализации, шлагбаумов и заградительных устройств.
Для решения задач в области обеспечения безаварийного движения владельцами инфраструктуры общего и необщего пользования сети железных дорог разрабатываются мероприятия по внедрению более совершенных и эффективных технических решений, отвечающих возрастающим требованиям в обеспечении безопасности перевозок грузов и пассажиров. Известно, что потери от простоя автотранспорта на переезде пропорциональны квадрату времени задержки [51]:
В рамках решения задачи оптимизации целевую функцию, подлежащую минимизации, можно представить в виде разности между фактическим и расчетным временем закрытого состояния переезда:
Существенным эксплуатационным недостатком всех действующих систем автоматической переездной сигнализации является фиксированная длина участка извещения, рассчитанная, как указано выше, исходя из установленной максимальной скорости движения поездов на участке. Однако в реальных же условиях поезда по участку следуют с меньшей скоростью и, в подавляющем большинстве случаев, переезд закрывается преждевременно, в результате чего длительность времени закрытого состояния переездной сигнализации увеличивается. В работах авторов [53, 54] подтверждено, что основными мероприятиями, позволяющими минимизировать простой автотранспорта у переезда являются:
- уменьшение фактической длины участка извещения;
- управление устройствами автоматической переездной сигнализацией по параметрам движения поезда.
Уменьшение фактической длины участка извещения предполагает переоборудование участков пути перед переездом короткими рельсовыми цепями, тем самым обеспечивая равенство фактической длины участка извещения к расчетной (Iф = Iи). Вместе с тем на железнодорожных путях необщего пользования, где отсутствует возможность обустройства рельсовой цепи, участки приближения к железнодорожным переездам оборудуются устройствами счета осей, которые так же позволяют сократить разницу между расчетным и фактическим значениями длин участка извещения. Поэтому возможно применение систем счета осей в качестве резервного по отношению к рельсовым цепям средства контроля свободности участков пути на приближении к переезду.
Стоит отметить, что подобные мероприятия по переустройству существующих путевых участков для соответствия условию равенства фактических и расчетных длин участков извещения требуют значительных капиталовложений.
С другой стороны, в работах [55, 56] поднимается вопрос обеспечения безопасности движения поездов на переездах в случае возникновения препятствий или аварийных ситуаций на пересечении с автодорогой (остановившийся автотранспорт, развалившийся груз и т. д.). Теоретически подтверждено, что существующие методы расчета участков извещения переездной сигнализации не обеспечивают возможности остановки поезда торможением перед переездом после его закрытия в случае необходимости.
Возможные мероприятия, позволяющие снизить вероятности столкновений на переездах [57, 58]:
- оборудование переезда устройствами обнаружения препятствий;
- увеличение длины участка извещения;
- уменьшение скорости поезда на участке приближения к переезду;
- совершенствование средств торможения поезда;
- управление устройствами автоматической переездной сигнализацией по характеристикам и параметрам движения поезда.
Таким образом, актуальным вопросом исследования также является совершенствование методов и средств управления устройствами железнодорожной автоматики и телемеханики и систем интервального регулирования движения поездов с учетом фактических параметров движения поезда и его характеристик [59, 60]. В том числе разработка адаптивных алгоритмов управления параметрами работы переезда и самонастраивающихся систем управления устройствами автоматической переездной сигнализации, совершенствование путевых датчиков и устройств, предоставляющих информацию о наличии и местонахождении подвижных единиц и методов определения фактических параметров движения поезда. Наряду с этим при разработке и модернизации систем управления устройствами переездной сигнализации должно быть обеспечено соответствие следующим требованиям:
- устройства АПС должны переходить в закрытое состояние автоматически при следовании поезда по участку извещения любого пути перегона независимо от установленного направления движения;
- на участках приближения к переезду обеспечить передачу информации о параметрах поезда по любому пути перегона независимо от установленного направления движения;
- обеспечить контроль направления движения поезда на участках приближения к переезду по любому пути перегона независимо от установленного направления движения;
- исключить открытие переезда при передвижениях на участках извещения к переезду специальных самоходных железнодорожных подвижных составов.
Анализ средств измерения параметров движения подвижного состава
В настоящее время измерение параметров движения поезда на контролируемых участках можно осуществить дискретными и непрерывными методами (рис. 1.6).
Однако устройства, с помощью которых осуществляется дискретное измерение параметров движения, обладают следующими недостатками:
- малая информационная емкость;
- значительный промежуток времени дискретизации;
- имеет место мешающее влияние тягового тока и атмосферных перенапряжений на напольное оборудование устройств [61].
- К существующим средствам, позволяющим непрерывным методом определить параметры движения поезда, можно отнести:
- рельсовые цепи;
- радиолокационные устройства;
- системы спутниковой навигации (ССН);
- системы бортовой одометрии.
В системах ЖАТ РЦ является наиболее распространенным устройством, предоставляющее информацию о наличии и местонахождении подвижных единиц.
Известно, что при движении поезда по участку, оборудованному РЦ, изменяются электрические параметры РЦ (напряжение и, ток I и фаза ф) [62] (рис. 1.7). Таким образом, РЦ можно использовать в качестве информационноизмерительного устройства для определения параметров движения поезда. Задача определения параметров движения сводится к нахождению зависимости некоторой функции, описывающей координаты подвижной единицы в каждый момент времени в зависимости от изменения входных и выходных параметров рц х={ и, I, ф} [33, 63].
Существенным недостатком подобных технических решений является влияние изменения сопротивления балласта пути на параметры РЦ. Также стоит отметить, что в абсолютном исчислении РЦ являются одни из самых энергоемких, дорогих и ресурсоемких средств информации, а напольная аппаратура РЦ требует наличия непрерывного электропитания, периодического обслуживания, регулировок и ремонта.
Широкое распространение на железнодорожном транспорте получили радиотехнические устройства, использующие радиолокационные принципы [64]. Эти устройства позволяют измерять скорость роспуска отцепов на сортировочной горке и скорость движения поезда, обнаруживать препятствия на железнодорожном полотне и переездах, определять наличие подвижных единиц на стрелочных переводах и тормозных позициях, выявлять степень заполнения подгорочных путей на сортировочных горках, считывать информацию с подвижного состава и т.п.
Принцип работы радиолокационных информационно-измерительных устройств можно описать общей структурной схемой, изображенной на рисунке 1.8. На вход приемника поступает два сигнала: отраженный от подвижного объекта и сигнал передатчика. В результате обработки и сравнении двух входных сигналов выделяется составляющая, которая несет информацию о доплеровской частоте и о скорости объекта.
Недостатком радиотехнических устройств, применяемых на железнодорожном транспорте, является то, что они работают на малых расстояниях. Ввиду того, что антенны не обеспечивают одновременный обзор всей зоны наблюдения. Также стоит отметить, что погрешность измерения скорости доплеровским измерителем зависит от стабильности частоты излучаемого сигнала в диапазоне рабочих температур, точности установки частоты генератора СВЧ, ширины диаграммы направленности антенны, уровня подавления боковых лепестков антенн [65].
Наиболее точную оценку положения, скорости и пройденного расстояния движущегося подвижного состава можно осуществить подсистемой бортовой одометрии, например, с помощью датчика пути и скорости (ДПС). Принцип действия ДПС, устанавливаемого на буксе колесных пар локомотива, основан на преобразовании угла поворота колесной пары в последовательность электрических импульсов.
В работе [66] подтверждается, что колесная пара не является идеальным преобразователем угловой скорости в линейную и может вносить ошибки в измеренные значения параметров движения. В процессе измерения накапливается погрешность, вызванная проскальзыванием колеса относительно рельса, возможным юзом при торможении, движением в кривых, изменением радиуса колеса и конусностью бандажа. Также в области малых скоростей движения подвижного состава погрешность измерения в сторону завышения показаний может в отдельных циклах достигать предела измерения ДПС.
Стоит отметить, что коррекцию ошибок возможно осуществить напольными датчиками — точечными отметчиками, сигналами от которых производится сброс счетчика ДПС.
Однако в силу нерешенности ряда проблем, связанных с недостаточной точностью и нестабильностью измерений, функции бортовых устройств измерения параметров движения локомотива на основе осевых датчиков ограничены и, по существу, сводятся, как правило, к измерению и отображению в кабине машиниста фактической скорости движения [67].
Оборудование локомотивного парка техническими средствами, контролирующие и обеспечивающие безопасное движение поездов, таких как АЛС-ЕН, САУТ-ЦМ/НСП, КЛУБ привело к объединению подобных устройств и созданию безопасных локомотивных объединенных комплексов БЛОК. Подобные локомотивные комплексы нередко оборудованы спутниковой системой навигацией ОР8/ГЛОНАСС. На основе координат, полученных с помощью позиционирования ОР8/ГЛОНАСС, может быть решена задача определения параметров движения подвижной единицы.
На точность определения координат с помощью ССН существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна [68, 69]:
- неточное определение времени;
- ошибки вычисления орбит;
- инструментальная ошибка приемника;
- вторичные отражения сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника;
- ионосферные и тропосферные задержки сигнала.
Другим фактором, сдерживающим применение ОР8 в качестве основной системы позиционирования, является необходимость в составлении карты местности, с учетом перевода абсолютной координаты в расстояние согласно прокладке железнодорожного пути. При определении местоположения используется алгоритм «кривая-кривая», который строится на вероятностной модели ошибок спутниковой навигации. Данный алгоритм является сложным и основывается на сопоставлении нескольких точек, найденных по спутнику, точкам кривой электронной карты [70].
Недостатком подобных технических решений, основанных на измерении параметров и характеристик движения поезда локомотивными бортовыми устройствами, является необходимость в непрерывной передаче управляющих команд и вычисляемой информации удаленным объектам управления. Вследствие этого возникает задача в оснащении всех обращающихся поездов на участке радиопередающей аппаратурой и сооружении стационарных модулей цифровой радиосвязи [71].
В рамках исследования особый интерес представляют технические решения на основе технологии виброакустического мониторинга, а именно распределенного волоконно-оптического датчика. Использование оптических датчиков для решения задачи измерения характеристик движения подвижного состава позволяет избавиться от существенных недостатков, присущих рассмотренным в текущем разделе устройствам и системам контроля проследования поездов, и обеспечить требуемую точность измерения.
Выводы и постановка задач исследования
- Существующий метод расчета параметров работы устройств переездной сигнализации не позволяет обеспечить оптимальных значений временных зависимостей при подаче извещения на переезд и длительности закрытого состояния устройств переездной сигнализации. Кроме этого в расчете не учитывается фактические параметры движения поездов, интенсивность движение железнодорожного и автомобильного транспорта в зоне железнодорожного переезда.
- Дальнейшее совершенствование теории и практики проектирования переездных устройств автоматики должно основываться на методах, обеспечивающих минимальное, по условиям безопасности, времени закрытого состояния устройств переездной сигнализации. Однако для организации «плавающих» участков извещения к переезду, длина которых зависит от параметров движения поезда, необходимо непрерывное измерение и оценка значений скорости и ускорения движения подвижного состава.
- В результате проведенного анализа технических решений в области железнодорожной автоматики и телемеханики, выделены недостатки существующих средств определения характеристик движения поезда и контроля свободности пути. Предложено применение оптических распределенных датчиков для решения задачи измерения параметров движения поезда на основе технологии виброакустического мониторинга.
Целью исследования является разработка методических и технических решений для систем управления автоматической переездной сигнализацией, обеспечивающих сокращение длительности закрытого состояния железнодорожного переезда.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Выполнить анализ методов расчета параметров работы переездной сигнализации, практики проектирования и построения системы автоматической переездной сигнализации и средств определения параметров движения поездов.
- Разработать дискретно-событийную модель процесса функционирования железнодорожного переезда, позволяющую оценить параметры работы переездной сигнализации и определить минимальное, по условиям безопасности, время закрытого состояния переезда с учетом фактических данных о движении поездов по участку.
- Разработать методы определения местоположения и скорости движущегося поезда на участке приближения к переезду на основе сигнала распределенного волоконно-оптического датчика для систем управления автоматической переездной сигнализацией.
- Для оценки безопасности движения поездов на переезде разработать стохастическую модель функционирования железнодорожного переезда, учитывающую параметры работы переездной сигнализации и характеристики потоков железнодорожного транспорта и автотранспорта.
- Разработать структуру устройства управления системой автоматической переездной сигнализации с учетом информации о параметрах движения поезда на участке приближения к переезду, на основе применения распределенных волоконно-оптических датчиков.
Список литературы
- Ворона, А. А. Тенденции и перспективы грузооборота железнодорожного транспорта в России / А. А. Ворона // Таможенная политика России на Дальнем Востоке. — 2020. — № 3(92). — С. 93-99.
- Стратегия научно-технического развития холдинга «Российские железные дороги» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года : «Белая книга» : одобр. Науч.- техн. советом ОАО «РЖД» 2018 г. — Москва, 2015. — 128 с.
- Стратегия научно-технического развития холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2025 года : «Белая книга» : одобр. Науч.- техн. советом ОАО «РЖД» 2015 г. — Москва, 2015. — 63 с.
- Агафонов Д. В. Анализ целесообразности отделения железнодорожной инфраструктуры высокоскоростных магистралей в Российской Федерации // Науковедение. 2017. Т. 9. № 1 (38). 2223-5167.
- Бушуев, С. В. Повышение пропускной способности участка железной дороги с применением технологии виртуальной сцепки / С. В. Бушуев, К. В. Гундырев, Н. С. Голочалов // Автоматика на транспорте. — 2021. — № 1 (7). — С. 7¬20.
- Галинуров, Р. З. Системы управления движением поездов в контексте высокоскоростного сообщения / Ю. В. Могильников, К. В. Гундырев, Р. З. Галинуров // Транспорт Урала. — 2017. — № 3 (54). — С. 35-40.
- Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. — 4-е изд., перераб. и доп. — СПб. : Профессия, 2003. — 747 с.
- Тимухина Е. Н., Кащеева Н. В., Колокольников В. С., Кощеев А. А. Повышение экономической эффективности функционирования существующих систем железнодорожного транспортаза счет применения уточненного подхода к расчету перерабатывающей способности обслуживающих устройств / Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 2 (49), 26¬33.
- Свод правил. Железнодорожная автоматика и телемеханика. Правила проектирования (утверждены приказом Минтранса России № 205 от 21.07.2015) — М.: Минтранс России, 2015. — 176 с.
- Ефанов, Д.В. Комплексный учет параметров объектов инфраструктуры железной дороги, железнодорожного подвижного состава и автомобильного транспорта для обеспечения безопасности движения на переездах / Д.В. Ефанов, Г.В. Осадчий, Д.Г. Плотников, В.В. Хорошев // Автоматика на транспорте. — 2018. — № 2. — Т. 4. — С. 167-194.
- Герус, В. Л. Повышение безопасности на железнодорожных переездах на основе совершенствования управления автоматической переездной сигнализацией : диссертация … кандидата технических наук : 05.22.08 / Герус Владимир Леонидович; [Место защиты: Ур. гос. ун-т путей сообщ.]. — Самара, 2018. — 201 с.
- Птушкина, Л. В. Совершенствование системы защиты от наездов подвижного состава на инфраструктуре железнодорожного транспорта : автореферат дис кандидата технических наук : 05.26.01 / Птушкина Любовь
Викторовна; [Место защиты: Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ) МПС РФ]. — Москва, 2017. — 24 с. - Ганичев, А. И. Обеспечение безопасности движения на нерегулируемых железнодорожных переездах в системе «машинист-локомотив-окружающая среда» : автореферат дис. кандидата технических наук : 05.22.07, 05.22.01 /
Самарский ин-т инж. железнодорожного транспорта. — Ростов-на-Дону, 2001. — 20 с. - Чех, Н. П. Устройство заграждения переезда / Н. П. Чех, В. Ф. Скубак, О. И. Цысь, В. А. Лавров // Путь и путевое хозяйство. — 1998. — № 1. — С. 28-29.
- Минаков, Д. Е. Методы построения и технической эксплуатации электромеханических устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: дисс канд. техн. наук : 05.22.08 / Минаков Денис Евгеньевич. — М., 2015. – 188 с.
- Годяев, А. И. Методологические основы и принципы построения систем поддержки принятия решений в задачах обеспечения безопасности управления движением на железнодорожном транспорте : автореферат дис доктора
технических наук : 05.22.08 / Годяев Александр Иванович.. — Москва, 2006. — 48 с. - Тарадин, Н. А. Методы оценки безопасности функционирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики : автореферат дис кандидата
технических наук : 05.22.08 / Тарадин Николай Александрович; [Место защиты: Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ) МПС РФ]. — Москва, 2010. — 23 с. - Гатауллин, С. Т. Экономическая оценка и пути снижения потерь на железнодорожных переездах : автореферат дис кандидата экономических наук: 08.00.05, 08.00.13 / Гатауллин Сергей Тимурович; [Место защиты: Гос. ун-т упр.]. — Москва, 2009. — 20 с.
- Хашев, А.И. Технология расчета потерь на железнодорожных переездах / А.И. Хашев // Вестник РГУПС. — 2020. — № 1. — С. 137-144.
- Мохонько, В. П. Устройство контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией : дис кандидата технических наук : 05.13.05. — Самара, 2002. — 188 с.
- Моисеев, Е. Г. Самонастраивающееся устройство контроля состояний рельсовых линий для систем управления переездной сигнализацией : автореферат дис кандидата технических наук : 05.13.05 / Моисеев Евгений Геннадьевич;
[Место защиты: Уфим. гос. авиац.-техн. ун-т]. — Уфа, 2011. — 16 с. - Сисин, В. А. Рельсовые цепи с импульсными методами преобразования информации для систем автоматической переездной сигнализации : автореферат дис кандидата технических наук : 05.22.08 / Сисин Валерий Александрович;
[Место защиты: Ур. гос. ун-т путей сообщ.]. — Екатеринбург, 2012. — 18 с. - Тарасов, Е. М. Принцип инвариантности в системах контроля состояний рельсовых линий [Текст] : монография / Е. М. Тарасов — М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. — 212 с.
- Трунаев, А. М. Совершенствование методов и средств формирования извещения в системах автоматического управления процессом функционирования железнодорожных переездов : автореферат дис кандидата технических наук :
специальность 05.13.06 / Трунаев Андрей Михайлович. — Донецк, 2020. — 20 с. - Тильк, И. Г. Исследование и разработка комплекса технических средств, основанных на применении электронных систем счета осей (КТС ЭССО) : дисс кандидата технических наук : 05.22.08 / Тильк Игорь Германович. — Екатеринбург, 2005. — 164 с.
- Ляной, В. В. Обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта на основе совершенствования индуктивных датчиков регистрации колеса / В. В. Ляной // Транспорт Урала. — 2016. — № 2 (49). — С. 93-98.
- Патент РФ № 2013153989/11, 04.12.2013. Устройство управления переездной сигнализацией // Патент России № 2544285, 2015. Бюл. № 8. / Гнитько Р.В., Курганский А.А., Тильк И.Г., Ляной В.В.
- Щиголев, С. А. Новые решения для повышения безопасности на переездах / С. А. Щиголев // Автоматика, связь, информатика. — 2019. — № 4. — С. 29-32.
- Никитин, А. Б. Обеспечение безопасности на станционных переездах при организации высокоскоростного движения на действующих линиях / А. Б. Никитин, С. Т. Болтаев // Известия Петербургского университета путей сообщения. — 2016. — № 2 (47). — С. 206-214.
- Болтаев, С. Т. Методы и алгоритмы автоматизации управления на станциях железных дорог Республики Узбекистан при высокоскоростном движении : автореферат дис кандидата технических наук : 05.22.08 / Болтаев
Суннатилло Туймуродович; [Место защиты: Петерб. гос. ун-т путей сообщ.]. — Санкт-Петербург, 2018. — 16 с. - ГОСТ 33893-2016 Системы железнодорожной автоматики и телемеханики на железнодорожных переездах. Требования безопасности и методы контроля : Межгосударственный стандарт. — М. : Стандартинформ, 2017. — 16 с.