CC BY
89
52
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
7. Распознавание технологических карт, монтажных схем и схем комплектации железнодорожной документации / Е. Ю. Бурсиан // Известия Петербургского университета путей сообщения - СПб. : ПГУПС, 2007. - Вып. 3. - С. 39-45.
Статья поступила в редакцию 11.01.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.
УДК 652.25.071 А. М. Горбачёв
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИНТЕЗА КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Проектирование кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики занимает до 15% времени, отводимого на разработку проектной документации. Рассмотрены методы автоматизации проектирования кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики.
кабельная сеть, железнодорожная автоматика, автоматизация проектирования. Введение
Проектирование кабельной сети (КС) железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) на основе двухниточного плана (ДП) станции или перегона занимает до 15% времени, отводимого на разработку документации по проекту. В настоящее время на железнодорожном транспорте расходуется наибольшее по сравнению с другими видами транспорта и отраслями промышленности количество кабеля. Автоматизация процесса проектирования КС ведет к уменьшению затрат времени на проектирование и к сокращению числа ошибок проектировщика.
Условно КСЖАТ можно разделить на четыре вида: КС светофоров (КСС) - объединяет жилы для управления огнями светофоров, маршрутных указателей, световых указателей положения, релейных шкафов входных светофоров и шкафов переездной сигнализации; КС питающих трансформаторов (КСПТ) - объединяет все жилы, необходимые для питания кодируемых и некодируемых рельсовых цепей; КС релейных трансформаторов (КСРТ); КС управления стрелочными электроприводами (КСП). Чертеж любого вида КС может быть как выполнен на отдельном листе, так и совмещен с чертежами других видов КС на одном листе.
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
53
1 Постановка задачи автоматизации проектирования
Основной целью работы является автоматизация проектирования КСЖАТ путем создания специализированного модуля для использования в «Автоматизированном рабочем месте проектировщика технической документации (АРМ ПТД)» и «Автоматизированном рабочем месте ведения технической документации (АРМ ВТД)». В соответствии с целью исследования были выделены основные задачи работы. Важнейшей задачей является формализация процесса проектирования КС. Задачей следующего этапа является составление алгоритмов автоматизированного и автоматического проектирования КС с учетом поддержки режима модернизации. Задача последнего этапа - программная реализация разработанных алгоритмов в виде специализированного модуля.
Объектом двухниточного плана будем считать любой объект, условное графическое изображение которого присутствует на двухниточном плане. Тогда объект КС - это любой объект двухниточного плана, к которому подводятся, например, светофор или привод или в котором содержатся провода (кабель или муфта). «Значимым» объектом КС условимся считать такой объект КС, к которому подводятся жилы кабеля питания и/или управления (сюда входят все объекты КС, кроме муфт и кабелей).
На первых этапах разработки возникает ряд проблем, которые необходимо решить при проектировании модуля.
Построение КС осуществляется на основе существующего двухниточного плана с отмеченной на нем трассой кабеля. Однако, согласно указаниям нормативной документации [1], важнейшим требованием при прокладке трассы кабеля является минимизация ее длины. Понятно, что длина кабеля может быть рассчитана только после построения КС. На практике это противоречие приводит к тому, что проектировщик прокладывает кабель, руководствуясь очевидными требованиями (кабель должен проходить желательно ближе к объектам кабельной сети, желательно с одной стороны от железнодорожных путей, иметь небольшое количество пересечений и так далее).
Практически всегда проектировщик не в состоянии осуществить перебор всех возможных вариантов, и его выбор не является оптимальным по рассмотренным ниже критериям. При автоматическом или автоматизированном построении этого можно избежать, воспользовавшись перебором возможных вариантов прокладки трассы кабеля на компьютере. Кроме того, на этом же этапе необходимо учитывать ряд запрещающих ограничений (отсутствие воздушных линий связи и энергоснабжения, воздухопроводов для пневмоочистки стрелок и т. д.) и ряд ограничений рекомендательного характера (проходить по наименее пересеченному рельефу, обходить участки, содержащие вещества, разрушительно воздействующие на оболочки кабеля, и т. д.).
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
54
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
Все эти требования могут быть учтены с введением экспертной оценки, характеризующей возможность прокладки трассы кабеля вблизи или по данному объекту (в зависимости от типа объекта). Наличие запрещающих требований значительно сокращает пространство поиска.
Второй по важности проблемой является выбор критерия оптимизации при построении КС. С учетом анализа технической документации [1] выявлены три критерия оптимизации. Первый - минимизация количества устанавливаемых муфт. Второй - минимизация суммарной длины жил всех кабелей. Третий - минимизация суммарной стоимости работ.
При оптимизации по первому критерию резко возрастает количество отдельных кабелей, содержащих небольшое число жил, а с учетом запаса жил (в кабеле до 10 жил должна быть одна запасная, до 20 жил - две, более 20 жил - три) увеличивается их суммарная длина и стоимость. По такому критерию можно проектировать кабельные сети малых станций. При оптимизации по критерию минимизации суммарной длины жил всех кабелей незначительно увеличивается количество устанавливаемых муфт и увеличивается стоимость кабеля, однако усложняется топология кабельных сетей, происходит передача кабеля из муфты в муфту, что значительно затрудняет проверку. Оптимизация по стоимости является наиболее удачным решением, и в данной статье рассматривается именно она.
Третьей по важности проблемой является недостаток информации в исходных данных. Такие данные, как марка кабеля, используемая система электрической централизации, наличие пневмоочистки стрелок и обогрева электроприводов, коэффициенты при расчете длин кабеля не указаны на двухниточном плане станции в явном виде. Решением проблемы, связанной с недостатком информации в исходных данных, является создание специальной базы данных для хранения нормативно-справочной информации и получение недостающей информации из формализованного технического задания. В случае отсутствия такого технического задания пользователь должен указать недостающие данные явно с помощью соответствующих настроек.
Проблема размещения графических объектов на чертеже сводится к тому, что человек при проектировании интуитивно располагает элементы на чертеже так, чтобы избегать наложений любых графических объектов и лишних пересечений кабелей. Однако при построении алгоритма расчеты для положения графических объектов на листе необходимо формализовать. При этом, учитывая большое количество объектов, располагающихся на двухниточном плане, избежать наложений графических изображений в общем случае становится практически невозможно.
Решением является синтез кабельной сети в два этапа. На первом этапе пользователь может работать с чертежом, где полностью сохранено положение объектов кабельных сетей как на двухниточном плане (то есть приближенное к реальному размещению на местности), а путевое развитие
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
55
изображено на нижнем слое. На этом этапе проектировщик может осуществить контроль правильности и редактирование фактического построения КС (правильность переноса объектов, распределения жил в муфтах, дублирования жил, расчета длин). На втором этапе осуществляется перерисовка КС в виде, принятом для изображения на конечном чертеже при проектировании. При полностью автоматическом синтезе этапы выполняются последовательно в том же порядке, но без редактирования пользователем результатов работы первого этапа.
Наконец, важной проблемой является необходимость программной поддержки режима модернизации кабельных сетей. Основным путем решения является добавление возможности «замораживания» некоторых свойств отдельных объектов или объектов целиком. Под «замораживанием» понимается запрет на автоматическое изменение выбранных свойств (наименование объекта, марка кабеля, его жильность и так далее) или объектов КС целиком. Например, для случая, когда отдельный существующий кабель не планируется заменять, можно «заморозить» его параметры и тем самым запретить автоматическую укладку проводов в него и автоматическое изменение его жильности. То есть система считает, что она не имеет права изменять замороженные параметры или объекты.
Рассмотрим сначала задачу прокладки трассы кабеля, как наиболее сложную. Исходными данными для ее решения является двухниточный план, на котором присутствует также дополнительная информация о возможности прокладки трассы кабеля вблизи данных объектов.
Будем характеризовать ограничения при прокладке кабеля для данного объекта ДП по условной шкале индексом /=0..Л00. Начальное значение этого индекса равно 0 - данный объект ДП не накладывает ограничений на прокладку кабеля. Если индекс равен 100, то кабель не может накладываться на данный объект ДП на чертеже (проходить под или над объектом на реальной местности). Это ограничение является запрещающим. Все остальные значения по шкале являются ограничительными и характеризуют относительный уровень ограничений.
Данные ограничения назначаются автоматически программой для известных ей классов объектов ДП, но могут редактироваться пользователем для любого объекта. Это обеспечивает необходимую гибкость при разработке реальных проектов. Начальные значения по этой шкале, выставляемые программой, получаются путем усреднения различных экспертных оценок для данного класса объектов ДП.
2 Алгоритмизация и математическое описание решения задачи
С математической точки зрения «значимые» объекты КС описываются матрицей D размерностью [N, 4], при этом число строк соответствует числу объектов N, а столбцы характеризуют число жил управления объекта,
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
56
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
число жил контроля объекта, ординату (расстоянием в метрах до поста централизации), отстояние по путям до установки объекта в метрах. Отстояние по путям - это кратчайшее расстояние от пути до объекта.
Схема расположения станционных путей задается в виде матрицы ShP, размерность которой соответствует по строкам суммарному числу путей и стрелок L, а по столбцам равна пяти. При этом первый и третий столбцы содержат соответственно значения ординаты (координата Х) начала и конца пути (или стрелки). Второй и четвертый столбцы содержат значения отстояний начал и концов путей или стрелок, а пятый столбец равен 1, если характеризуется основной путь, равен 2, если характеризуется дополнительный путь, равен 3, если характеризуется стрелка.
Стоимость 1 метра кабеля в виде таблицы в зависимости от типа кабеля и числа жил сохраняется в базе данных. С математической точки зрения стоимость кабеля описывается матрицей CtK стоимости 1 метра кабеля в зависимости от числа жил с учетом запасных жил и стоимости работ по разделке жил и укладке кабеля. Размерность матрицы по строкам соответствует числу типов кабелей, размерность по столбцам соответствует числу жил кабеля. Элементами матрицы являются стоимости 1 м кабеля с учетом запасных жил и стоимости работ по разделке жил и укладке кабеля.
Стоимость муфт описывается матрицей CtM по числу разделываемых жил с учетом стоимости работ по разделке. Строки соответствуют типам муфт, столбцы - числу разделываемых жил. Стоимость строительных и монтажных работ описывается матрицей CtR стоимости укладки 1 метра кабеля в зависимости от места, где прокладывается кабель. Вводятся переменные: Tk - марка кабеля, Tmuf - тип муфт, Sn - шаг опорной сетки прокладки кабеля.
При этом шаг опорной сетки прокладки кабеля должен быть выбран исходя из следующих соображений. На прокладку кабеля, как это было указано, влияет положение самих объектов кабельной сети (стрелки, светофоры и т. д.), расположение путей, а также любые другие объекты, которые имеют ограничительный коэффициент больше нуля. Поэтому шаг должен быть равен разности расстояний на местности между ближайшими точками, влияющими на прокладку кабеля.
К этим точкам, исходя из сказанного выше, относятся точки, характеризующие положение самих объектов КС, путевого развития, а также всех объектов, у которых Ij > 0. В общем случае шаг, рассчитанный таким образом, является неравномерным. Данный размер шага является оптимальным, так как при его расчете учитываются все объекты, влияющие на прокладку КС. Если принимать шаг меньше указанного, это приведет к неоп-
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
57
равданным вычислениям. Если принимать шаг больше заданного, это приведет к потере точности.
Задача состоит в поиске оптимальных трасс укладки кабелей по выбранному критерию. Для решения задачи производится поиск матрицы RT размерности [m, n], все элементы которой равны либо 1, если траншея проходит через точку RTj j, либо 0 - в противном случае.
Для расположения промежуточных, разветвительных и концевых муфт производится поиск аналогичных матриц RMUpr[m, n], RMUraz[m, n], RMUkon[m, n], при этом основным критерием оптимизации является общая стоимость материалов, строительных и монтажных работ. Дополнительными критериями являются сокращение: числа муфт, стоимости кабеля, длины и жильности кабеля, числа переходов под путями. Решение задачи производится в несколько этапов.
1. Рассчитывается число строк опорной «сетки» планов:
m = max {E (Д2/Sn) для всех i e0...n} . (1)
2. Рассчитывается число столбцов опорной «сетки» планов:
n=max {e (Di3/Sn) для всех i e0...n} . (2)
3. Формируются схемы связей поста централизации по управлению и контролю объектов в виде матрицы управления размерностью [N, N]
SvU (D) j k
Di.0 при (j = E(Di,2/Sn))л(k 0 в остальных случаях
E(Di3/Sn=), i є 0...N;
(3)
и матрицы контроля [N, N].
SvK (D) j k
D,1 при (j = E(Di,2/Sn))Л(k
0 в остальных случаях,
E(Di3 /Sn)=, i є 0...N;
(4)
где Е(х) соответствует вычислению целой части числа.
Элементом указанных матриц является число жил соответственно управления и контроля, если связь существует, и 0, если связи нет.
4. Формируется схема расположения путей и стрелок на станции в виде матрицы RPS, размерность которой соответствует размерности матриц SvU(D) и SvK(D):
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
58
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
RPS(ShP)
jk
ґ ShP _ShP ^
1 ПРи k =VL p Д, p '(j -ShPi,0 H^O Л( *^4 1)> Д=явсЄх І Є0-!;
V ShPi2 ShPt,0
2 при
ShP _ShP
k=—--------— • (j _ShPi0) + ShPi 0 л( ShPi4 2), для всех i є0. .Ц (5)
V ShPi,2 _ ShPi,0
f
3 при
ShP _ShP
k = p3рД '(j_Що)+Що л(Щ4 3)> д=явсех 1 e°- l^
ShPi2 ShPi,0
0 в остальных случаях
для всех j є 0...m и k є 0...n.
Элементы матрицы равны 1, если основной путь проходит через данную точку , равны 2 , если дополнительный путь проходит через данную точку , равны 3, если стрелка проходит через заданную точку , и равны 0 в противном случае.
5. Формируется обобщенная матрица стоимости материалов и работ OMC[m,n]. Формирование матрицы производится путем обработки матриц StK, StM, StR, RPS.
6. Формируется целевая функция, характеризующая суммарную стоимость материалов и работ для искомых планов:
m n
F (RT, OMC) = ££ RTt j • OMC, ,j.. (6)
i=1 j=1
7. Формируется ограничение на прокладку трасс - суммарная длина траншей не должна превышать сумму расстояний от поста до всех объектов:
m n N
Sn•££RTij <£D„,2. (7)
i=1 j 1 = k 1 =
8. Траншеи объединяются для объектов, входящих в общую группу.
Объединение объектов КС в группы производится специальной процедурой, использующей в качестве аргумента матрицу D и помещающей результаты объединения объектов в матрицу Grup, число строк которой соответствует числу групп, а число столбцов соответствует максимальному числу объектов, входящих в группу. Элементами матрицы являются номера объектов, входящих в группу с номером, соответствующим номеру строки этой матрицы.
Решение задачи производится симплекс-методом. Результатом решения является вариант плана кабельных сетей станции для заданной группы объектов.
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
59
3 Программная реализация алгоритмов автоматизации
При программной реализации решением задачи является сочетание САПР синтеза кабельных сетей с функциями специализированного графического редактора. Модуль синтеза кабельных сетей предоставляет средства автоматического получения варианта чертежей кабельных сетей по двухниточному плану.
При построении собственно кабельной сети на основе ДП с нанесенной трассой кабеля реализуется следующая последовательность синтеза: настройка модуля; создание списка объектов, включаемых в кабельные сети; определение числа и наименований проводов, доходящих до конечных объектов; расчет длины кабеля до каждого объекта без расстановки развет-вительных муфт; определение числа жил в каждом прямом и обратном проводе; группировка проводов по кабелям; выбор марки кабеля; расстановка разветвительных муфт; размещение нескольких кабелей на листе; проверка полученных результатов; составление спецификации.
Для хранения нормативно-справочной информации используются специальные базы данных. В базе кабелей содержатся сведения о применяемых кабелях, в базе проводов - информация о правилах объединения электрических цепей различного назначения, о характеристиках рода тока и напряжения, о типах приборов, об ограничениях по длине и др. Изображения объектов в технической документации сопоставляются с реальными физическими объектами, обладающими рядом параметров, позволяющих однозначно их идентифицировать.
Каждый объект КС может быть обработан как:
оконечный объект (подходит один кабель);
соединительный объект (подходят два кабеля, происходит соединение проводов без потерь);
распределительный объект (подходят более двух кабелей, происходит перераспределение проводов по кабелям без потерь);
порождающий объект (подходят два и более кабеля, объект может вести себя как оконечный, соединительный, распределительный в любом сочетании одновременно);
соединитель (кабель).
При автоматическом синтезе кабельных сетей необходимо учитывать ряд ограничений по разделке кабеля в напольных устройствах. Конструктивно устройства содержат конечное число отверстий для ввода кабеля опре деленного диаметра и конечное число клемм. Разделку кабеля внутри напольных устройств при проектировании не указывают.
При составлении спецификаций с чертежей кабельных сетей собираются данные о типах и длинах отрезков кабелей между двумя соседними объектами. Все данные сводятся в таблицу длин кабелей, которую можно получать автоматически.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
60
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
Последовательность синтеза кабельных сетей можно подразделить на несколько этапов, первым из которых является составление списка объектов. По двухниточному плану объекты (светофоры, стрелочные электроприводы, путевые ящики и др.) собираются согласно настройкам пользователя. По желанию пользователя возможно построение совмещенных чертежей кабельных сетей (объекты различных типов по желанию пользователя могут присутствовать на чертеже).
Для каждого индивидуального кабеля также выполняется поиск точек пересечения с путевым развитием. Так как большинство элементов двухниточного плана привязывается к путевому развитию, для точного определения фактического места установки необходимо введение такого понятия, как физический центр. Все описанные этапы можно отнести к подготовительным.
Затем для каждого объекта выполняется расчет длины кабеля Lk от поста централизации, м:
Lk- k • (Lo + Lp-np + Lв + Lh + L^, (8)
где Lo - расстояние от оси поста до объекта централизации по ординатам, указанным на двухниточном плане станции, м;
Lp - расстояние среднего перехода под путями (путь и междупутье), м;
np - количество переходов;
Lв - длина кабеля на ввод в здание поста, м;
Lh - длина кабеля на подъем со дна траншеи и разделки, м;
Lс - запас кабеля на случай перезаделки, м;
k - коэффициент, учитывающий увеличение длины кабеля на изгибы в траншее и просадки грунта.
В существующих методиках принимается Lp= 6 м; Lh- 1,5 м; Lс - 1 м; k - 1,03. Полученный результат округляется до числа, кратного 5, в большую сторону.
По параметрам объектов выявляется количество подводимых к ним проводов. Наименование проводов к объектам можно представить в виде:
[<наименование объекта>]+[наименование провода]+[<индекс>].
Наименование объекта соответствует наименованию элемента двухниточного плана. Индекс используется, как правило, для обозначения питающих проводов. С учетом длин кабелей до объектов КС осуществляется расчет дублирования жил.
В конце построения с КС на ДП автоматически переносятся разветви-тельные муфты и ящики электрообогрева контактной системы автопере-
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
61
ключатей стрелочных электроприводов. Завершение проектирования напольного оборудования делает возможным переход к проектированию постового оборудования. При этом чертежи кабельных сетей участвуют при разработке принципиальных и монтажных схем, а также являются основой для формирования спецификаций на кабели.
Программа была реализована в качестве модуля на языке C# 2005 с использованием технологии COM для связи в редактором.
Причины выбора языка C# 2005 были следующие.
1. Язык высокого уровня, поддерживающий сложные виды абстракций.
2. Поддержка технологии Component Object Model - COM (для совместной работы с графическим редактором).
3. Встроенная поддержка языка xml (объектно-ориентированные БД, хранение настроек пользователя).
4. Удобная среда разработки с поддержкой языка UML и другими средствами автоматизации.
Заключение
Таким образом, в основу алгоритма положена последовательность действий, выполняемая проектировщиком при создании чертежа. Для неформализованных ранее действий были определены математические критерии оптимизации.
Созданная программа позволяет значительно автоматизировать процесс построения КС на основе ДП, при этом для проектировщика доступны ручной, автоматизированный и автоматический режимы построения КС. Для станций скорость проектирования КС повышается в 2-3 раза по результатам опытной эксплуатации модуля автоматизированного построения, проведенной в НТЦ САПР в 2008 году; для перегонов скорость повышается на 20-30%. Кроме того, число ошибок снижается на 10-20% в основном за счет сокращения ошибок, допущенных из-за невнимательности проектировщика при подсчете числа жил кабеля.
Библиографический список
1. Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте И-81-77. Электрическая централизация. Проектирование кабельных сетей путевых устройств СЦБ. - Л. : Гипротранссигнал-связь, 1978. - 124 с.
2. Программирование на языке С# / Э. Троелсен. - СПб. : Питер, 2006. - 923 с. -ISBN 978-5-8459-1185-8.
Статья поступила в редакцию 20.02.2009;
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
