Искусственный машинист водит поезда

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный

политехнический университет (НПИ) имени

Искусственный машинист

водит поезда

Новочеркасск, 2013

Искусственный машинист водит поезда.

Электронное научно-популярное пособие.

Предназначено для размещения на сайте ЮРГПУ(НПИ) имени .

Разработано при поддержке гранта Министерства образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогиче­ские кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (соглашение  № 14.В37.21.0289).

Авторы:

, к. т.н., доцент кафедры «Автоматизации и управления технологических процессов и производств»

, д. т.н., профессор кафедры «Автоматизации и управления технологических процессов и производств», профессор

Южно-Российский государственный политехнического институт (НПИ) имени .

г. Новочеркасск, 2013 год

Машинист локомотива, как важнейшее звено сложной ди­намической системы "человек-поезд", выполняет ответст­венные и сложные управляющие операции, связанные с пе­ремещением на значительные расстояния при больших ско­ростях пассажирских и грузовых поездов с учётом погод­ных условий и поездной ситуации [1]. При этом он должен обеспечить безопасное ведение поезда по расписанию, ми­нимальный расход энергоресурсов, поиск и устранение возникающих в процессе движения неисправностей оборудо­вания локомотива, влияющих на безопасность, а также быть готовым оперативно реагировать на возникающие в процессе вождения нештатные и аварийные ситуации.

Для  облегчения труда локомотивной бригады для тя­гового подвижного состава разрабатываются и внедряются системы автоведения поездов, называемые ещё «автомаши­нистами». Такие системы предназначены для автоматизиро­ванного управления подвиж­ным составом с соблюдением норм безопасности движения в соответствии с заданным временем хода (или графиком) на основе выбора энергети­чески рациональ­ного режима движения поезда, включая разгон и поддержание скорости, остановку на красный сигнал светофора и снижения скорости на жёлтый и белый сигналы светофора, прицельную остановку на станции, а также регистрацию параметров движения[2].

Они могут быть централизованными и автономными. Пер­вые предполагают, что команды управления поездами рас­считываются и формируются на центральном диспетчерском пункте,  после чего передаются с помощью каналов связи на борты движущихся по участкам локомотивов. Такая сис­тема характерна для метрополитенов, а также часто ис­пользуется за рубежом в пределах небольших участков об­служивания с хорошо развитой телекоммуникационной ин­фраструктурой. Однако, в условиях больших расстояний и сложных условий движения, характерных для российских железных дорог, техническая реализация данного подхода затруднена, и поэтому для магистральных грузовых и пас­сажирских локомотивов, а также поездов пригородного со­общения создаются автономные системы автоведения, кото­рые свое местонахождение и требуемые режимы движения си­стема определяет самостоятельно.

Такие системы способствуют повышению производитель­ности труда, позволяют экономно расходо­вать электро­энергию и вести учёт ее расхода [3]. Повышается безо­пасность движе­ния за счёт автоматического исполнения скоростного режима движения по сигна­лам светофоров с учётом постоянных и временных ограничений скорости, а также путем уменьшения утомляемо­сти машиниста. Система контролирует правильность работы функциональ­ных узлов аппаратуры, осуществляя при этом функцию самодиагно­стики. В состав систем автоведения входит регистратор параметров движения.

Системы автоведения выполняют следующие функции:

- определяют фактические параметры движения поезда и выводят их на экран дисплея;

- ведут расчет рекомендуемых параметров движения поезда и управляющих воздействий в реальном времени;

-  управляют тягой и торможением;

- осуществляют визуальный и звуковой диалог с ма­ши­нистом;

- производят запись регистрируемых параметров на съёмный накопитель информации;

- осуществляют контроль и диагностику аппаратуры автоведения и тягового подвижного состава, а также вы­рабатывают рекомендации по их устранению.

Эти системы с помощью специального программно-мате­матического обеспечения в условиях постоянно меняющейся поездной обста­новки непре­рывно рассчитывают оптимальное с точки зрения минимума расхода электроэнергии значение скорости в каждый момент времени и путем управления тя­говой и тормозной системами локомотива обеспечивают её поддержание строго соблюдая расписание (для пассажир­ского движения) или перегонное время хода (для грузо­вого движе­ния и правила и нормы безопасности движения.

Дисплей системы автоведения информирует локомотив­ную бригаду о текущих параметрах движения: координата, скорость и время, профиль пути, сигнал локомотивного светофора, текущее и следующее ограничение скорости, ближайшие станции и путевые объекты, информация об ис­полнении расписания и другое [4,5]. При желании машинист может вывести на экран дополнительную информацию, на­пример, давление в тормозной магистрали поезда, список всех ограничений скорости, значе­ния токов, расстояния между остановочными пунктами и т. д.

Внешний вид человеко-машинного интерфейса системы автоведения,  разработанной компанией «АВП-Технолгия» (г. Москва), показан на рис. 1. Ввод исходных данных, необходимых для работы системы (номер поезда, определяющий расписание движения, параметры состава  масса, количество вагонов, их загруженность, параметры исполнения расписания) перед началом дви­жения, а также изменения в настрой­ках системы осуществляется через соответст­вующее меню с помощью клавиа­туры, путем считы­вания их с картриджа или посредством передачи из центра управления перевозками с помощью радиоканала.

Рис.1 - Человеко-машинный интерфейс системы автоведения

Человеко-машинный интерфейс позволяет также задавать временные ограничения скорости и обеспечивает возможность оперативного вмешательства машиниста в управление в случае необходимости: переход в режим «советчик» или «ручное управление», выполнение экстренного торможения и т. д. Указанный интерфейс включает также систему индикации параметров движения и продольного профиля пути.

Проверка работы аппаратуры системы ав­товедения и локомотива также осуществляются через меню. Диагностика и самодиагно­стика аппаратуры проводится перед началом работы сис­темы автоведения – предрейсовый контроль, а также в процессе движения и в условиях депо.

Структура программно-аппаратных средств бортовой системы автоведения представлена на рис. 2 [6].

Существует два подхода к её построению: на базе существующей аппаратуры или путем установки дополнительных программно-аппаратных средств. Преимущества первого подхода заключаются в том, что функция автоведения реализуется путем установки только соответствующего программного обеспечения, однако это в большинстве случаев затруднено, поскольку большинство серийных локомотивов изначально проектировались без учета этой системы. Поэтому обычно требуется установка дополнительных аппаратных средств, что предполагает изменение электрической и пневматической схем локомотива.

Бортовая база данных формируется с помощью автома­тизированного рабочего места (АРМ) в депо и содержит: расписание движения поездов, информацию о профиле пути на участке железной дороги (величины уклонов и кривых в зависимости от текущей координаты); информацию о посто­янных ограничениях скорости на участке, а также распо­ложение объектов путевой инфраструктуры (светофоров, нейтральных вставок контактного провода, станций, пере­ездов, приборов обнаружения нагретых букс и др.). Для формирования такой базы данных может использоваться  специализированный аппаратно-программный комплекс (АПК), структура которого представлена на рис. 3.

Рассмотрим более подробно отдельные компоненты АПК, представленного на этой схеме, состоящей из двух основных бло­ков, − ин­формационного и программного обеспечения. Первый из них содержит базу данных об участке пути, включающую всю необходимую информацию.

Вторым элементом рассматриваемого блока является расписание на конкретном уча­стке эксплуатации. Данные о локомотивах и вагонах необходимы для корректного моде­лирования механических и электромеханических процессов при различных ре­жимах движения. К их числу относятся тяговые характеристики локомотивов или программные мо­дели тягового привода, тип и параметры тормозного обо­рудования, масса, длина и число осей подвижного состава и другие.

Рис. 3 - Структурная схема программно-информационного

обеспечения компьютерного моделирования движения поезда

Важной функцией АПК является возможность накопления статистики о движении поездов по участкам, включая воз­никающие нештатные ситуации. Это позволит, анализируя соответствующие данные, выработать рекомендации по оп­тимальному и безопасному ведению поездов на соответст­вующих участках и возможным действиям локомотивных бри­гад в аварийных и нештатных условиях.

Второй блок содержит средства человеко-машинного ин­терфейса, имеющего модуль визуализации и меню для ввода и корректировки данных. С их помощью пользователь осу­ществляет ввод и редактирование соответствующей инфор­мации. Для развития и наращивания функций комплекса предусмотрены инструменты разработчиков программного обеспечения и системы управления базами данных (СУБД).

Библиотека сервисных функций предназначена для пред­варительной обработки исходных данных, например, для учёта длины поезда при формировании массива ограничений скорости, наложения основных и дополнительных ограниче­ний скорости, определения координат начала торможения для поездов с различной массой и ряд других.

Генератор бортовой базы данных системы автоведения предназначен для форми­рования файлов, содержащих инфор­мацию по заданному участку эксплуатации и за­гружаемых в бортовую систему автоведения, имитационную модель или тренажер машиниста. С целью обеспечения программной стыковки АПК с тренажеро-модели­рующими комплексами и имитационными моделями предусматривается прикладной ин­терфейс программирования (API).

Текущие параметры движения поезда фиксируются борто­вым регистратором, информация из которого затем записы­вается на съёмный носитель или, при наличии соответст­вующей инфраструктуры, передается в режиме реального времени по радиоканалу,  накапливается на информацион­ном сервере и затем обрабатывается с помощью АРМа. На основе информации из бортовой базы данных блок вычисле­ния энергорациональной траектории движения рассчитывает оптимальную программу ведения поезда по результатам уп­реждающего тягового расчёта. Далее с учётом анализа те­кущей поездной ситуации (коды автоматической локомотив­ной сигнализации АЛСН, информация от бортовой системы безопасности) блок управления движением формирует ко­манды управления тяговой и тормозной системами, включая электропневматический (ЭПТ) и пневматический (ПТ) тор­моз.

Одной из важных функций системы автоматизированного ведения поезда является управление тормозами. Данная функция включает в себя управление снижением скорости при подходе к ограничению скорости движении под ограни­чения скорости, автоматическую остановку на красный сигнал светофора, прицельную остановку на станции, а также специфические режимы замещения электрического торможения автоматическим (пневматическим) при срыве первого. Типовая траектория движения поезда представлена на рис. 4.

В основе функционирования систем автоведения лежит так называемый энергоопимальный тяговый расчёт. Крите­рием оптимизации является расход электроэнергии на тягу, а с целью упрощения математических выкладок за независимую переменную принимается путь и решается за­дача с фиксированным временем, а её фор­мулировка основывается на системе уравнений и нера­венств, в которые входят следующие параметры: скорость, путь и время хода; масса поезда; коэффициент инерции вращающихся частей; основное сопротивления движению и дополнительное от уклонов и кривизны пути; сила тяги, электрического и пневматического торможения, причем обычно рассматривается один из видов тормозов, но на некоторых локомотивах может быть реализован также режим совместного торможения электрическим тормозом локомо­тива и электропневматическим поезда, энергетический критерий – суммарный расход электроэнергии,  расход энергии на тягу и возврат при рекуперации; коэффициент тягового привода в режиме тяги и рекуперации соответст­венно; начальная и конечная координата локомотива и его скорость в начале и конце пути, а также  пути; скорость в начале и в конце пути; максимально допустимая ско­рость по условиям движения на участке; максимально воз­можные силы тяги и торможения при текущей скорости дви­жения. Решая уравнение движения поезда определяют тра­екторию движения поезда.         

Задача оптимального управления заключается в нахожде­нии для объекта управления - поезда, описываемого диф­ференциальным уравнением с учётом начальных и конечных (граничных) условий, ограничений на фазовые координаты и на управляющие воздействия такого управления силами тяги и торможения, и соответствующие ему траектории, которые обеспечат заданное время хода по перегону с ми­нимальным расходом электроэнергии.

Для решения сформулированной задачи могут использо­ваться различные методы [2]. Один из вариантов решения на основе метода динамического программирования приве­ден в [7]. В основе расчетной схемы лежат идеи дина­мического программирования и решение основного уравне­ния движения поезда. Структура схемы расчёта приведена на рис. 5.

Пример рассчитанной полученной оптимальной траектории  для локомотива с непрерывным регулированием силы тяги и рекуперативным торможением для поезда массой 990 тонн приведен на рис. 6.

При этом следует отметить, что рациональные режимы вождения должны быть основаны на понимании физики про­цессов, в частности особенностей преобразования энергии движущегося поезда, поскольку вождение поезда связано с выполнением механической работы по перемещению поезда по рельсам [8].

Основная часть энергоресурсов расходуется на выпол­нение механической работы по перемещению поезда. В тя­говом режиме механическая работа затрачивается на пре­одоление сил сопротивления движению, изменение потенци­альной и кинетической энергии. В тормозном режиме ранее накопленные кинетическая и потенциальная энергии движу­щего поезда преобразуется в тепловую в процессе механи­ческого и реостатного торможения и в электрическую при рекуперативном торможении, и, кроме того, энергия рас­ходуется на преодоление значительно меньшей силы сопро­тивления движению.

Потенциальная энергия поезда определяется профилем пути. При движении поезда по подъему она увеличивается, по спуску – уменьшается. Если поезд движется по подъему ускоренно или с постоянной скоростью, потенциальная энергия увеличивается только за счёт механической ра­боты локомотива, если же – замедленно, то ещё и за счёт уменьшения кинетической энергии. При движении по спуску возможен переход потенциальной энергии в кинетическую при ускоренном движении, либо в тепловую – при механи­ческом или реостатном торможении и в электрическую – при рекуперативном.

Кинетическая энергия поезда пропорциональна квадрату скорости движения и его приведённой массе. На приобре­тение поездом требуемой кинетической энергии для под­держания заданной скорости и выполнение установленного графиком движения времени хода по перегону затрачива­ется значительная часть механической работы, выполняе­мой тяговым подвижным составом. Если поезд движется с ускорением на любых элементах профиля, его кинетическая энергия возрастает за счёт механической работы, совер­шаемой локомотивом, а при движении по спуску – ещё и за счёт перехода потенциальной энергии в кинетическую. В том случае, когда поезд движется замедленно, его кине­тическая энергия расходуется на преодоление сил сопро­тивления движению; при движении по подъёму она частично может переходить в потенциальную. При механическом и электрическом торможениях часть накопленной кинетиче­ской энергии гасится.

Таким образом, механическая работа, совершаемая тя­говым электроприводом локомотива на определенном уча­стке пути, может быть представлена в виде суммы состав­ляющих, затрачиваемых на: изменение потенциальной энер­гии поезда, преодоление сил сопротивления от кривых пути, преодоление сил основного сопротивления движению поезда, восполнение механической энергии, потерянной при регулировочных торможениях на вредных спусках, а также при торможении поезда, для снижения скорости и остановки. Рассмотренные соображения лежат в основе ра­ционального ведения поезда [8].

К настоящему моменту создано несколько систем авто­ведния. Следует отметить прежде всего системы УСАВПП, УСАВПГ, ИСАВП-РТ компании АВП-Технология, систему ЕКС ком­пании ОЦВ. Разработками систем автоведения занимаются также ВНИКТИ, НИИАС, ВНИИЖТ, НПО «САУТ» и другие. Опыт­ные системы были созданы также .

В рамках создания интеллектуальной транспортной сис­темы железнодорожного транспорта, создаваемой под руководством специалистов головного института РЖД – ОАО  «НИИАС», внедрение которой определено таким директивными документами, как Страте­гия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации на период до 2030 г. и Стратегические направ­ления научно-технического развития до 2015 г. (Белая книга ), система «Автомашинист» явля­ется частью интеллектуальной системы управления движением поездов на основе спутниковых технологий ГЛО­НАСС/GPS. Общая схема такой системы приведена на рис.7 [9].

Рис. 7. Общая схема интеллектуальной системы управления
движением поездов на направлении Санкт-Петербург - Москва

Использование и совершенствование системы автоведения и её использование в составе интеллектуальной системы управления движением поездов позволит достичь большой экономии электроэнергии, повысить безопасность движения, улучшить условия труда локомотивной бригады.

Литература

Никифоров управления торможением поездов / , , // М.: Транспорт, 1985. – 263 с. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / ,  , , ; под ред. . – М.: Транспорт, 1990. – 272 с. Пясик, М. Системы автоматического ведения поезда / М. Пясик, Е. Толстов, И. Случак// СТА. - 2000. - №4. - С. 60-69. www.avpt. ru Донской, автоведения и регистрации для электровозов пассажирского движения / , // Железнодорожный транспорт. -  № 9. - 2005. – С. 9-12. Юренко энергооптимальных режимов движения перспективного подвижного состава методом динамического программиро­вания /  Известия вузов. Электромеханика. №3. 2013. – С. 78-82. Юренко, -программный комплекс для моделирования и автоматизированного управления движением поезда / , // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2012. № 2. - С. 26-31. Вождение поездов: Пособие машинисту / , , ; под. Ред. . – М. транспорт, 1994. – 304 с. Гапанович направления развития интеллектуального железнодорожного транспорта / , //Железнодорожный транспорт.-2011.-№4.-С.5-11.