CC BY
93
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ТРАНСПОРТЕ
УДК 681.5+656.34
Е. О. Аверченков
АО «Трансмашхолдинг», Москва
Л. А. Баранов, докт. техн. наук
Кафедра «Управление и защита информации», Российский университет транспорта
М. А. Шевченко
Служба технической политики, ГУП «Московский метрополитен»
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КОМПЛЕКСА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ МЕТРОПОЛИТЕНА
Описаны основные аспекты формирования архитектуры комплекса систем управления движением поездов метрополитена. Приведена структура процессов управления движением поездов на примере ГУП «Московский метрополитен». Описаны основные задачи, которые необходимо решать для достижения высоких уровней автоматизации управления движением поездов в метрополитенах. Предлагается функциональная структура комплекса систем управления движением поездов метрополитена, охватывающая уровни организации и планирования движения поездов, оперативного управления движением и непосредственно исполнительных систем. Показаны взаимосвязи между объектами автоматики и телемеханики движения поездов, устройствами операционного уровня и системами организации и планирования движения. Отмечена необходимость дооснащения метрополитена средствами обеспечения транспортной безопасности и увязки их с управляющими движением системами, такими как средства информирования пассажиров, обеспечивающие возможности оперативного информирования пассажиров как при штатной работе транспортной системы, так и в случае нештатных ситуаций, средства связи «пассажир - диспетчерский/ситуационный центр», для обеспечения взаимодействия между пассажирами и оперативным персоналом метрополитена при необходимости, средства видеонаблюдения, обеспечивающие расширенные возможности дистанционного контроля текущей ситуации в салонах вагонов подвижного состава, на платформах. Использование комплексных систем управления движением поездов в метрополитенах повышает эффективность их использования за счет повышения пропускной и провозной способности, точного выполнения графика движения и возможностей его быстрого восстановления в случае сбоев. При этом повышается безопасность движения путем уменьшения вероятности опасного сближения поездов, а также снижаются затраты энергии на тягу поезда за счет выбора энергооптимальных режимов управления поездом и оптимального по критерию минимума энергозатрат распределения времени хода по линии на время хода по перегонам.
Автоматизация движения поездов в метрополитенах; организация и управление движением поездов; беспилотное движение; архитектура системы управления движением
Р01: 10.20295/2412-9186-2021-7-3-343-361
Введение
В крупнейших городских агломерациях всего мира, население которых исчисляется миллионами и даже десятками миллионов, важнейшей транспортной системой является метрополитен [1]. Плотная застройка районов, постоянно расширяющиеся территории, огромное количество автотранспорта и динамически протекающие процессы перемещения — метрополитены крупнейших городов играют ведущую роль в пассажирских перевозках. Метрополитен представляет собой внеуличную железную дорогу, целиком или частично расположенную в тоннелях, безраздельно отданных под такое использование. Этот вид транспорта может включать в себя как подземные железные дороги, так и пролегающие на поверхности земли, а также на эстакадах над ней.
Первая подземная железная дорога была построена в Лондоне в 1863 году. Сейчас это одна из крупнейших сетей метрополитенов мира. В России первая линия метро была открыта 15 мая 1935 года в Москве. Сегодня в нашей стране метрополитены эксплуатируются в семи городах — в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Самаре, Екатеринбурге и Казани; планируется строительство метрополитена в Красноярске.
Московский метрополитен, самый крупный в России, активно развивается и расширяется в последние десятилетия. Он занимает шестое место в мире по пассажиропотоку (после Пекина, Токио, Шанхая, Сеула и Гуанчжоу), четвертое место в мире и первое в Европе по эксплуатационной длине линий и первое место в мире по суточному пассажиропотоку. Актуальная статистическая информация о перевозках и об оснащенности столичного метро представлена на сайте эксплуатирующей организации — ГУП «Московский метрополитен» [2].
Метрополитен — стратегически важная составляющая транспортной системы Москвы. Ввиду роста пассажиропотоков, строительства новых линий метрополитена, более тесной интеграции метрополитена с трамвайными и пригородными железнодорожными сетями столицы и Московской области пристальное внимание уделяется организации движения поездов, стабильности перевозок, повышению комфортабельности перевозок и решению смежных задач. Над организацией движения поездов в метрополитене работает большое количество подразделений, осуществляющих планирование, организацию и диспетчеризацию движения поездов, эксплуатацию подвижного состава и инфраструктурного хозяйства, а также технических средств автоматизации управления движением. Это позволяет обеспечивать в периоды максимального пассажиропотока (в так называемый период «часа пик») 90-секундный интервал движения поездов (пропуск до 40 пар поездов), что красноречиво характеризует используемые при планировании и организации движения технические и организационные решения, наработанные в течение продолжительного времени существования метрополитена.
Для управления движением поездов используются технические средства автоматизации, распределенные по инфраструктурному комплексу метрополитена, средства автоматизации, расположенные на подвижном составе, средства электрической и диспетчерской централизации, системы интервального регулирования движения поездов [3].
Эффективность системы автоматического управления движением поездов определяется:
— увеличением пропускной способности и, как следствие, провозной способности за счет точного выполнения графика движения и возможностей его быстрого восстановления в случае сбоев;
— повышением безопасности движения путем уменьшения вероятности опасного сближения поездов;
— снижением затрат энергии на тягу поезда за счет выбора энергооптимальных режимов управления поездом и оптимального по критерию минимума энергозатрат распределения времени хода по линии на время хода по перегонам [4-6].
Все это возможно при реализации комплекса систем управления движением поездов, объединяющего и организующего функциональное и информационное взаимодействие жизненно важных для транспортной системы метрополитена компонентов — от системы организации и планирования движения до систем автоматизации, расположенных непосредственно на подвижных единицах и объектах инфраструктурного хозяйства [7—9].
Опираясь на принципы, изложенные в работе [10] и программном документе «Концепции создания Автоматизированной системы комплексного управления движением поездов метрополитена ГУП «Московский метрополитен» (АСКУ ДПМ)» [11], постараемся обосновать, почему функциональная структура — это шаг к формированию концептуальной архитектуры перспективного комплекса систем управления движением для Московского метрополитена. Концептуальная архитектура, в свою очередь, станет отправной точкой в подготовке нормативно-технической базы и требований к самой системе и ее компонентам.
1. Действующая структура управления движением поездов
Комплекс процессов управления движением, автоматизируемых АСКУ ДПМ, имеет выраженную структуру, которая схожа с описанной в ПНСТ МЭК 62290—2:2014 «Системы управления и контроля для железнодорожных пассажирских перевозок в городском и пригородном сообщении» [12], и включает следующие составляющие:
- процессы организации, планирования и анализа движения;
- процессы оперативного управления движением;
- процессы исполнения движения.
Обобщенная схема группы процессов управления движением представлена на рис. 1 [9].
Сложившийся комплекс процессов управления движением поездов в метрополитене подразумевает участие специалистов ряда служб метрополитена, а именно специалистов службы движения, службы подвижного состава и других. Управление движением поездов метрополитена осуществляется из диспетчерского центра поездными диспетчерами, каждый из которых управляет движением в рамках диспетчерского круга (линии метрополитена).
Рис. 1. Обобщенная схема группы процессов управления движением Московского метрополитена ДЦХ - поездной диспетчер; ДЦ - диспетчерская централизация; АУМ - система автоматической установки маршрутов; ЭЦ - система электрической централизации; СИРДП - система интервального регулирования движением поездов; ДСЦП - дежурный (станционного) поста централизации; ПС - подвижной состав
Процессы организации, планирования и анализа движения реализуются в основном специалистами служб движения и подвижного состава. Со стороны службы движения задействованы графисты, непосредственно осуществляющие составление плановых графиков движения поездов, и инженеры-аналитики, выполняющие ретроспективный анализ данных исполненного движения, расчет значений показателей исполненного движения, определение целевых значений показателей движения для составления плановых графиков движения поездов на будущие периоды.
Со стороны службы подвижного состава над составлением плановых графиков движения совместно с графистами службы движения работают специалисты, разрабатывающие графики оборота парка подвижного состава, в соответствии с которыми обеспечивается подготовка и выдача подвижных единиц на линию в ходе выполнения движения. Специалисты службы подвижного состава в рамках этого процесса также разрабатывают графики работы локомотивных бригад.
В ходе процесса планирования специалистами обеих служб решаются следующие ключевые задачи:
- сбор диагностических данных по движению, состоянию объектов инфраструктурного хозяйства, подвижного состава, ретроспективный анализ и определение целевых значений показателей для планирования движения и эксплуатационной работы на будущие периоды;
- планирование движения и эксплуатационной работы, заключающееся в составлении плановых графиков движения для соответствующей линии Московского метрополитена и графиков оборота подвижного состава, приписанного к обслуживающим линию депо, формирование суточных графиков движения поездов при необходимости (планирование вставок), планирование работы локомотивных бригад.
Результатом процесса планирования движения становятся плановые графики движения для каждой из линий (полигонов управления) метрополитена. Графики планового движения готовятся заблаговременно. Таким образом, процессы данной группы не выполняются в режиме реального времени.
Оперативное управление процессами движения осуществляют специалисты диспетчерских участков службы движения — поездные диспетчеры, ответственные за управление движением поездов на каждом из полигонов управления (как правило, линии метрополитена). В числе основных задач службы движения:
- организация движения поездов метрополитена на основе планового суточного графика движения поездов, актуализация графика движения при необходимости (в случае возникновения нештатных ситуаций, приводящих к сбоям графика);
- формирование команд управления объектами напольной инфраструктуры для реализации графика движения поездов;
- мониторинг процессов движения с анализом данных и выдачей указаний и рекомендаций участникам движения с целью восстановления графика движения поездов при его нарушении.
Процессы этой группы выполняются оперативными подразделениями метрополитена в режимах, близких к реальному времени. В ходе оперативного управления процессами движения не решаются задачи обеспечения безопасности движения поездов.
Технологические процессы исполнения движения реализуются при участии специалистов следующих основных подразделений службы движения и службы подвижного состава. От службы движения реализацию процессов осуществляют диспетчер-централизатор и дежурные станционных постов централизации. Диспетчер-централизатор посредством соответствующих инструментов (диспетчерская централизация) управляет техническими средствами напольной автоматизации для реализации графика движения поездов (режим диспетчерского управления). Дежурные станционных постов централизации, которые осуществляют управлением техническими средствами напольной автоматизации для реализации графика движения поездов (режим местного управления), а также выполняют ответственные функции в случае нештатных ситуаций. От службы подвижного состава процессы реализуют диспетчера, машинисты и машинисты-инструкторы, в чьи обязанности входит выдача (отставление) подвижного состава на линию, ведение его по линии с контролем выполнения расписания движения, выполнение маневровых работ при необходимости.
Основными решаемыми задачами специалистов данного уровня являются безопасное ведение подвижных единиц согласно расписанию с использованием технических средств систем обеспечения безопасности движения поездов (устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки, СЦБ), а также безопасное управления объектами инфраструктуры в соответствии с графиком движения поездов [13].
Ключевой особенностью задач, решаемых на данном уровне управления, в отличие от ранее рассмотренных, является предъявление жестких требований в части обеспечения безопасности движения поездов, что диктует и требования к реализации инструментов автоматизации — соответствия их уровню полноты безопасности УПБ 4 (SIL 4) [14]. Это следует учитывать при разработке АСКУ ДПМ и ее компонентов. Процессы данной группы выполняются оперативными подразделениями метрополитена в режимах реального времени.
Таким образом, инструменты реализации основных технологических процессов могут быть разделены на категории по строгости соответствия различным уровням полноты безопасности, и соответственно, выделены группы технических решений различной сложности и исполнения в смысле минимально необходимого объема аппаратно-программных средств для реализации конкретного технологического процесса.
2. Требования к задачам управления движением поездов
для достижения целевых уровней автоматизации управления
Целевыми уровнями автоматизации управления движением в Московском метрополитене, на что указывает Концепция построения АСКУ ДПМ, являются уровни GoA3 и GoA4 [11]. Указанные уровни автоматизации определяются группой международных стандартов IEC 62290 Railway applications — Urban guided transport management and command/control systems (отечественный аналог ПНСТ МЭК 62290 «Системы управления и контроля для железнодорожных пассажирских перевозок в городском и пригородном сообщении»). Рассмотрим состав задач целевой (перспективной) модели АСКУ ДПМ, дополнительно возникающих по отношению к выполняемым в настоящее время при необходимости повышении уровня автоматизации управления движениям до целевых.
Достижение высоких уровней автоматизации управления движением должно сопровождаться реализацией механизмов автоматизированного или автоматического купирования ряда угроз, связанных с обеспечением безопасности пассажирских перевозок. Другими словами, отсутствие машиниста (либо оператора) на борту поезда требует решения в автоматическом или автоматизированном режиме ряда задач, которые ранее решались в ручном режиме, с возможностью эскалации ситуации для привлечения оперативного диспетчерского персонала. Более подробно с перечнем функций, необходимых для реализации в рамках системы управления движением при реализации соответствующего уровня автоматизации можно ознакомиться в стандарте [12].
Рассмотрим спектр задач, возникающих при реализации высоких уровней автоматизации в части обеспечения безопасности, работы в случае нештатных ситуаций, и требуемые механизмы для их решения (таблица 1).
Видно, что основные задачи в части обеспечения безопасности и работы в случае нештатных ситуаций при реализации высоких уровней автоматизации управления требуют реализации средств контроля и защиты габаритов следования состава, инструментов контроля условий безопасного отправления, инструментов дистанционного контроля и управления, включая инструменты и управления подвижным составом.
Следует отметить, что не весь представленный комплекс задач относится непосредственно к задачам управления движением. Часть задач относится к задачам обеспечения транспортной безопасности, что является существенным при построении высокоавтоматизированной (беспилотной) транспортной системы.
В соответствии с приведенными задачами в схеме функциональной структуры АСКУ ДПМ должны быть предусмотрены соответствующие функциональные подсистемы.
1. Подсистема платформенных дверей, обеспечивающая защиту габарита следования подвижного состава на станциях, которая внедряется в соответствии
350 Системы управления на транспорте
Таблица 1. Обеспечение безопасности при высоких уровнях автоматизации управления
Задача Решение задачи
Задачи, требующие решения при нахождении (остановке) поезда в тоннеле
Обеспечение связи пассажиров с машинистом/ диспетчером Необходима реализация средств транспортной безопасности, для обеспечения связи с диспетчерским/ситуационным центром — видеонаблюдение, оперативная связь «пассажир — ситуационный центр».
Работа в случаях нештатных ситуаций, делающих невозможным автоматическое управление вождением Необходима реализация средств расширенного мониторинга ситуации (видеонаблюдение, телеметрия) и дистанционного управления подвижным составом из диспетчерского центра (возможность управления человеком в случае нештатной ситуации).
Управление эвакуацией Необходима реализация средств дистанционного управления дверями состава, информирования и управления эвакуацией при возникновении нештатных ситуаций.
Контроль состояния за пространством по ходу движения состава Необходима реализация средств видеонаблюдения/машинного зрения за пространством следования подвижного состава.
Задачи, требующие решения при выходе поезда на станцию (на платформу)
Нахождение человека или предметов в под-платформенном пространстве Должны быть реализованы либо средства защиты габарита следования (платформенные двери), либо средства контроля пространства пути в районе платформы с применением аварийного торможения при невыполнении условий безопасности.
Нахождение человека или предметов на платформе в габарите следования поезда Должны быть реализованы либо средства защиты габарита следования поезда (платформенные двери), либо средства контроля пространства края платформы с применением аварийного торможения при невыполнении условий безопасности (дополнительно — оповещение пассажиров/дежурной при пересечении зоны контроля).
Задачи, требующие решения при отправлении поезда от платформы
Нахождение частей тела/ предметов в пространстве между поездом и платформой (в габарите следования поезда) Должны быть реализованы средства контроля пространства между поездом и платформой и запрет отправления при невыполнении условий безопасности (дополнительно оповещение причастных), при использовании платформенных дверей средства должны быть интегрированы в систему платформенных дверей.
Задачи, требующие решения при выходе поезда на оборот/в депо
Нахождение пассажиров в салоне при отправлении с конечной станции Должны быть реализованы средства транспортной безопасности — обеспечение автоматического контроля освобождения вагонов для продолжения следования (закрытия дверей) с оповещением причастных лиц при необходимости.
с соответствующими проектными решениями при строительстве новых и модернизации существующих линий.
2. Подсистема контроля пространства в районе станционных путей (подплат-форменное пространство) и подсистема контроля пространства платформы для предотвращения несчастных случаев (травмирования пассажиров).
3. Подсистемы контроля условий безопасности при отправлении поезда в сценариях автоматизации ведения в составе системы управления подвижного состава могут реализовываться опциональные дополнительные функции (например, контроль свободности промежутка между вагоном и платформой).
4. Подсистемы дистанционного управления как в составе бортового оборудования, так и в составе систем уровня диспетчерского управления, необходимые при запуске движения без машиниста.
Кроме того, должны реализовываться средства обеспечения транспортной безопасности, непосредственно не входящие в контур комплекса систем управления движением, в частности:
- средства информирования пассажиров, обеспечивающие возможности оперативного информирования пассажиров как при штатной работе транспортной системы, так и в случае нештатных ситуаций;
- средства связи «пассажир — диспетчерский/ситуационный центр», для обеспечения взаимодействия между пассажирами и оперативным персоналом метрополитена при необходимости;
- средства видеонаблюдения, обеспечивающие расширенные возможности дистанционного контроля текущей ситуации: в салонах вагонов подвижного состава, на платформах.
3. Функциональная структура АСКУ ДПМ
Исходя из ранее описанного, далее предлагается обобщенная схема функциональной структуры АСКУ ДПМ, представленная на рис. 2. Представленная схема функциональной структуры АСКУ ДПМ разработана в соответствии со структурой процессов (см. рис. 1), и призвана обеспечить автоматизацию комплекса задач управления движением Московского метрополитена.
Схема функциональной структуры содержит следующие основные элементы, разнесенные по уровням процессов управления:
- на уровне исполнения движения предусматриваются комплекс станционных и бортовых систем, автоматизирующих процессы обеспечения безопасности, контроля и управления напольными объектами и подвижными единицами;
- для объединения территориально распределенных систем, включая мобильные компоненты на подвижном составе обязательна реализация систем технологической связи, включая как стационарные сети передачи данных, так и системы беспроводной связи;
05
3 о
а 3
с §
л: а
3 тз а а: о 3
о тз
3
ГО
Оо
3 о
>1 о
ГО
а: 3
ао
<Г N0
Организация,
планирование,
анализ
Эксплуатация парка подвижного состава
Ш Управление техобслуживанием и ремонтом подвижного состава
АРМы работников депо
Накопление и анализ телеметрических даных
Оперативное
управление
движением
АРМ машиниста (дистанционный)
И
Дистанционное управление подвижным 1 составом
ш
Планирование и анализ эксплуатационной работы
] Работа с плановыми графиками движения и оборота (формирование, ведение БД)
2 Работа с графиком исполненного движения (накопление, просмотр, ретроспективный анализ)
*
Оперативное управления движением (АСДУДПМ) (диспетчеризация эксплуатационной работы)
АРМы
специалистов
Мониторинг
(инфраструктуры, подвижного состава, состояния движения)
Ф
Ш Мониторинг транспортной;.
безопасности!
: (СС"П/, системы контроля пространства) ¡ч-| *
з Поддержка принятия диспетчерских решений
Работа в случае нештатных ситуаций
Оперативная работа с графиком движения
6 Средства взаимодействия с парком подвижного состава
I
X
[У| Автодиспетчер
(централизованное автоведение)
ш дц
с функцией АУМ
Исполнение движения
АРМ машиниста
Системы, непосредственно не входящие в контур управления движением
0
ш
л
г
ф
Е о 3 о
2 3
со о
Е &
щ
Системы связи
(вкл. беспроводные)
171 Системы транспорт, безопасности (ССТУ, связь «пассажир -диспетчерский центр»)
И
Системы информирования, пассажирские сервисы
ш
Подсистемы контроля пространства
И
Подсистема дистанционного управления поездом
3 Подсистема
управления составом (САУ борта)
ш
Подсистема безопасности (бортовая часть СИРДП, _АТР)
0 Подсистема
автоведения (АТО)
РЦ
И
Станционные системы
Системы транспортной^ рг| безо пас ноет и (СС1Л/):
|"1П Системы контроля пространства
(путь, платформа)
4 Системы платформенных _дверей
АРМы
оперативного д испет черског о персонала
ш
Системы АТДП (ЭЦ, СИРДП)
Объекты напольной инфраструктуры [7| (стрелки, сигналы, РЦ)
Опорная навигационная сеть 1 (метки, отражатели)
АРМы
станционного персонала
Рис. 2. Функциональная структура АСКУ ДПМ: АРМ - автоматизированное рабочее место; АТДП - автоматика, телемеханика движения поездов;
БД - база данных; РЦ - рельсовая цепь
и>
СП
О с о
3
ГО
тз а
05
ь
ГО
л: с
30
л: а
3 тз а л: о 3
о тз
3
ГО
- на уровне оперативного управления движением реализуется ряд систем/ подсистем для решения задач оперативного централизованного диспетчерского контроля и управления как отдельными подвижными единицами и объектами напольной инфраструктуры, так и движением поездов в целом, дополнительно включая инструменты для автоматизации работы в случае нештатных ситуаций;
- на уровне планирования движения и анализа исполненного движения должны быть реализованы системы/подсистемы, автоматизирующие процессы формирования плановых графиков, накопления данных и ретроспективного анализа исполненного движения;
- в качестве смежных (обеспечивающих) подсистем для реализации функций АСКУ ДПМ также рассматриваются:
• системы транспортной безопасности и информирования пассажиров;
• системы управления эксплуатацией парка подвижного состава.
Структура АСКУ ДПМ включает функциональные блоки и компоненты.
1. Станционные системы. Представлены следующими функциональными блоками.
1.1. Опорная навигационная сеть, расположенная на путевом развитии полигона управления и предназначенная для решения задач определения местоположения подвижного состава на полигоне управления. Как правило, навигационная сеть реализуется при помощи идентифицируемых реперных датчиков, располагаемых на путевом развитии и решающих задачи сопоставления положения подвижной единицы с точкой на электронной карте полигона управления. В зависимости от требований (точности) к решению тех или иных задач, например, задачи непрерывного мониторинга положения или задачи прицельной остановки подвижного состава, исполнение датчиков может отличаться. Как правило, предполагается пассивное исполнение датчиков, не требующее постоянного внешнего энергоснабжения и подразумевающее считывание информации оборудованием подвижного состава, — это могут быть как ЯРГО-метки, так и отражатели (электромагнитные, световые, ультразвуковые). При необходимости для решения задач навигации при условии соответствия предъявляемым требованиям могут использоваться средства активного определения местоположения подвижного состава, реализуемые в составе систем беспроводной связи.
1.2. Объекты напольной инфраструктуры движения. Включают в себя стрелки, сигналы, рельсовые цепи и прочие объекты инфраструктуры движения, при помощи которых производится контроль и управление движением подвижных единиц.
1.3. Системы АТДП. Включают традиционные системы ЭЦ, обеспечивающие возможности дистанционного управления (телеуправления), так и СИРДП. Системы ЭЦ могут быть представлены как полностью бесконтактными микро-
процессорными централизациями, так и гибридными релейно-процессорными централизациями. СИРДП могут быть представлены либо современными системами АЛС-АРС, взаимодействующими с подвижным составом посредством рельсовой линии (рельсовых цепей), либо СИРДП по радиоканалу, например, системы типа CBTC.
1.4. Системы платформенных дверей. Предназначены для предотвращения несчастных случаев, связанных с падением пассажиров на пути и травмирования пассажиров подвижным составом по прибытии либо отправлении поезда. Включает в себя как собственно систему платформенных дверей, так и исполнительные механизмы, и систему безопасного управления. Требует интеграции с напольными системами безопасности и системой управления на борту поезда.
1.5. Системы контроля пространства (пространства пути, пространства платформы). Предназначены для применения на станциях, не оборудованных системами платформенных дверей. Должны обеспечивать непрерывный контроль за пространством пути с целью оперативного реагирования в случаях падения на путь людей или предметов, а также непрерывный контроль за пространством платформы с целью недопущения травмирования пассажиров прибывающим поездом.
1.6. Системы транспортной безопасности. Представляют собой инструменты автоматизированного контроля ситуации на пассажирских платформах, переходах. Непосредственно в контур АСКУ ДПМ указанные системы не входят, но являются необходимыми к реализации при реализации малолюдных технологий для обеспечения перевозочного процесса.
2. Комплекс бортовых систем. Включает следующие функциональные блоки:
2.1. Подсистема автоведения. Обеспечивает автоматическое или автоматизированное управление движением электропоезда в соответствии с нормативами, расписанием, графиком движения. Дополнительно к функциям управления движением подсистема должна реализовывать следующие функции: прицельную остановку поезда у платформы, управление дверями поезда, расчет времени отправления поезда. Реализует функции Automatic Train Operation и/или Automatic Train Control в случае реализации режима управления без машиниста.
2.2. Подсистема безопасности (устройства безопасности, функциональная подсистема Automatic Train Protection). Включает в себя бортовые компоненты СИРДП, обеспечивающих контроль условий безопасности движения поезда, в первую очередь допустимой скорости движения поезда в зависимости от состояния объектов напольной инфраструктуры, текущего поездного положения. Обеспечивает автоматическое управление тормозной системой поезда при нарушении условий безопасности.
2.3. Система управления подвижным составом. Обеспечивает централизованное безопасное управление оборудованием и системами подвижного состава, включая тяговый привод, тормоза, двери и прочие системы.
2.4. Подсистема дистанционного управления поездом. Программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий безопасное дистанционное управление поездом из диспетчерского центра по радиоканалу в случае нештатных ситуаций, включая как функции управления движением поезда, так и функции управления дверями, системами жизнеобеспечения, информирования и т. д.
2.5. Подсистема контроля пространства. Опциональная система (системы) для обеспечения безопасности движения поезда в условиях отсутствия систем защиты габарита следования (платформенных дверей) и на открытых пространствах. Должна решать задачи контроля свободности пространства по ходу движения поезда, а также задачи контроля условий безопасности при отправлении поезда для предотвращения травмирования пассажиров из-за зажатия дверями или попадания частей тела или предметов между поездом и платформой при отсутствии платформенных дверей.
2.6. Системы информирования пассажиров, пассажирские информационные сервисы. Смежные по отношению к АСКУ ДПМ системы, призванные обеспечить оперативное информирование пассажиров в соответствии с текущей ситуацией. Необходимо предусматривать взаимодействие со стороны АСКУ ДПМ с указанными системами, обязательно при реализации автоматического режима управления движением — движения без машиниста.
2.7. Системы транспортной безопасности (ССТУ, связь «пассажир — ситуационный центр»). Смежные по отношению к АСКУ ДПМ системы, призванные обеспечить возможности централизованного объективного контроля ситуации на борту, и взаимодействия пассажиров с удаленным оперативным диспетчерским персоналом в случае нештатных ситуаций. Системы обязательны к реализации при работе транспортной системы в автоматическом режиме управления движением — режиме движения без машиниста.
3. Системы технологической связи. Подразумевается комплекс систем связи, обеспечивающий взаимодействие компонентов АСКУ ДПМ. Включает как стационарные линии и системы связи, так и системы беспроводной связи с подвижным составом на всем полигоне управления движением, включая территорию депо, главные пути, путевое развитие, оборотные тупики.
4. Комплекс систем оперативного управления движением (система АСДУ ДПМ). Является центральной частью АСКУ ДПМ и решает следующие основные задачи:
- централизованный контроль состояния объектов напольной инфраструктуры, парка подвижного состава и процесса движения поездов в границах полигона управления;
- оперативное управление движением поездов.
Комплекс предназначен для автоматизации оперативного диспетчерского управления движением поездов в границах полигона управления движением и включает в себя следующие основные функциональные блоки:
4.1. Диспетчерская централизация с возможностью автоматической установки маршрутов, обеспечивающей управление станционными системами автоматики и телемеханики и с возможностью централизованной установки маршрутов согласно действующему графику движения и текущей поездной обстановки.
4.2. Функциональная подсистема «автодиспетчер», решающая задачу согласованного управления парком подвижных единиц и объектами напольной инфраструктуры в соответствии с действующим графиком движения с учетом текущей поездной обстановки путем выдачи команд управления в систему диспетчерской централизации (установка маршрутов) и на подвижные единицы (актуальное расписание следования и необходимые корректировки).
4.3. Подсистема поддержки принятия диспетчерских решений. Подсистема реализует ряд инструментов для автоматизации работы поездного диспетчера как для режима нормальной работы, так и в случае нештатных ситуаций, а также средства для оперативной работы с графиком движения (перестроение графика движения при необходимости).
4.4. Подсистема мониторинга состояния инфраструктуры движения, состояния парка подвижного состава, состояния движения в границах полигона управления. Включает комплексные средства визуализации и объективного контроля текущей ситуации.
4.5. Подсистема мониторинга транспортной безопасности. Данная подсистема является смежной системой по отношению к АСКУ ДПМ и не входит непосредственно в состав АСКУ ДПМ. Подсистема обязательна к реализации при работе транспортной системы в автоматическом режиме управления движением (режиме движения без машиниста) для обеспечения объективного оперативного контроля.
4.6. Подсистема взаимодействия с парком подвижного состава. Является обеспечивающей функциональной подсистемой и реализует возможности онлайн-взаимодействия с подвижными единицами в границах полигона управления, в том числе в рамках выполнения ряда задач, к которым предъявляются особые требования по функциональной безопасности, например, задачи удаленного управления поездом.
4.7. Подсистема дистанционного управления подвижным составом предназначена для решения задач удаленного безопасного управления движением поезда и его системами в случае нештатных ситуаций при отсутствии машиниста на борту.
5. Комплекс систем планирования и анализа движения. Предназначен для автоматизации процессов планирования движения, накопления и анализа данных по исполненному движению. Включает в себя следующие функциональные блоки:
5.1. Подсистема работы с плановыми графиками движения, обеспечивающая формирование и ведение архива графиков планового движения и оборота подвижного состава.
5.2. Подсистема работы с графиками исполненного движения, обеспечивающая сбор, накопление и анализ (оперативный и ретроспективный) данных исполненного движения.
6. Комплекс систем эксплуатации парка подвижного состава. Данная функциональная система не входит непосредственно в контур АСКУ ДПМ и предназначена для автоматизации смежных процессов, связанных с управлением обслуживанием и ремонтом парка подвижного состава, ведением технических паспортов подвижных единиц, включая функциональные паспорта (паспорта состояния), предоставлением исходных данных для формирования графика оборота и графика работы локомотивных бригад.
Заключение
Описанные выше основные элементы функциональной структуры АСКУ являются необходимы для автоматизации процессов планирования, организации и управления движением поездов метрополитена в привязке к задачам управления движением и к ряду смежных процессов. На основании функциональной структуры АСКУ ДПМ формируется функциональная структура до уровня отдельных систем/подсистем с уточнением состава функциональных блоков в привязке к специфике конкретной транспортной системы (в нашем случае — ГУП «Московский метрополитен).
Необходимо отметить, что при разработке АСКУ ДПМ (см. «Концепцию построения АСКУ ДПМ» [11]) требуется обеспечивать режимы последовательной деградации системы от уровня максимальной автоматизации к уровню минимальной автоматизации при возникновении отказов компонентов системы, отвечающих за ту или иную функциональность. Таким образом, на этапе разработки АСКУ ДПМ необходимо обеспечить возможность модульной реализации с выделением компонентов, а также подсистем, чтобы четко задать возможные режимы работы АСКУ ДПМ как при нормальном функционировании, так и при возникновении нештатных ситуаций. Деградация системы при возникновении отказов компонентов (включая отказы программного обеспечения и аппаратных средств) соответствующих уровней должна быть управляемой и осуществляться автоматически с предупреждением участников движения об изменениях в технологии реализации движения поездов. Аналогично должно производиться обратное действие по восстановлению полной функциональности системы под контролем оперативного персонала с предупредительными сообщениями участникам движения с подтверждением переходов между режимами работы и соответствующей передачи управления.
Реализация АСКУ ДПМ позволяет повысить эффективность эксплуатации
метрополитенов и качество процесса управления движением поездов.
Библиографический список
1. About UrbanRail.Net. - Электронный ресурс [режим доступа: http://www.urbanrail.net/ about.htm#definition, 26.02.2021 г.].
2. Метрополитен в цифрах. - Электронный ресурс [режим доступа: https://mosmetro.ru/ press/digits/, 26.02.2021 г.].
3. Баранов Л. А., Головичер Я. М., Ерофеев Е. В., Максимов В. М. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава. - Под ред. Л. А. Баранова. - М.: Транспорт, 1990. - 272 с.
4. Su S., Tang T., LiZ., Gao Z. Optimization of Multitrain Operations in a Subway System // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. - 2014. - Vol. 15. - Issue 2. - Pp. 673684. - DOI: 10.1109/TITS.2013.2285737.
5. Баранов Л. А., Дощатов Д. А. Регулирование времени хода по перегону поезда метрополитена // Наука и техника транспорта. - 2018. - Т. 16. - № 3. - С. 55-59.
6. Баранов Л. А. Беспилотная система управления движением поездов как составляющая цифровизации городского транспорта // Автоматика на транспорте. - 2019. - Т. 5. - № 4. -С. 441-449.
7. Балакина Е. П. Принципы построения алгоритмов системы поддержки принятия решений поездному диспетчеру // Наука и техника транспорта. - 2008. - № 2. - С. 23-26.
8. Баранов Л. А., Балакина Е. П. Перспективы использования многофункциональных моделей // Мир транспорта. - 2012. - № 2. - С. 70-74.
9. Xiong G., Shen D., DongX., Hu B., Fan D., Zhu F. Parallel Transportation Management and Control System for Subways // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. -2017. - Vol. 18. - Issue 7. - Pp. 1974-1979. - DOI: 10.1109/TITS.2016.2622282.
10. Аверченков Е. О., Данько С. В. Актуальные задачи модернизации системы управления движением поездов Московского метрополитена // Наука и технологии железных дорог. - 2017. - № 2. - С. 11-22.
11. Концепция создания автоматизированной системы комплексного управления движением поездов ГУП «Московский метрополитен» (АСКУ ДПМ). - Москва, 2019, 68 с.
12. ПНСТ МЭК 62290-2:2014. Железные дороги. Управление городским транспортом и системы команд/регулирования. Часть 2. Спецификация функциональных требований, раздел 4. Москва, СтандартИнформ (IEC 62290-2:2014, Railway applications - Urban guided transport management and command/control systems - Part 2: Functional requirements specification).
13. Theeg G., Vlasenko S. Railway Signalling & Interlocking: 3ed Edition // Germany, Leverkusen PMC Media House GmbH, 2020. - 552 p.
14. Smith D. J., Simpson K. G. L. Functional safety: A Straightforward Guide to IEC 61508 and Related Standards. - Butterworth-Heinemann; 1st edition (June 26, 2001). - 208 p.
E. O. Averchenkov
JSC Transmashholding, Moscow
L. A. Baranov, PhD in Technical Sciences
Department of Information Management and Protection, Russian University of Transport
M. A. Shevchenko
Technical Policy Service, State Unitary Enterprise "Moscow Metro"
FUNCTIONAL STRUCTURE OF THE SUBWAY TRAIN TRAFFIC CONTROL SYSTEM COMPLEX
The main architectural aspects of metro train traffic control systems are presented. The structure of train traffic control processes is presented with the example of the State Unitary Enterprise "Moscow Metro" and the main tasks that need to be solved to achieve high levels of automation of train traffic control in subways are described. A functional structure of a complex of metro train traffic control systems is presented, covering the levels of organization and planning of train traffic, operational traffic control and direct executive systems. The relationship between objects of automation and remote control of train movement, devices of the operational level and systems of organization and planning of movement are shown. The necessity of re-equipping the metro with means of ensuring transport safety and linking them with traffic control systems such as: means of informing passengers, providing the possibility of promptly informing passengers both during normal operation of the transport system and in case of emergency situations, means of communication "passenger - control center (situation center)" is shown. The latter ensures interaction between passengers and operational personnel of the subway, and if necessary, video surveillance equipment that provides enhanced remote control of the current situation in the interior of rolling stock cars and on platforms. The use of complex systems for controlling the movement of trains in subways increases the efficiency of their use by increasing the throughput and carrying capacity, accurate fulfillment of the traffic schedule and the possibility of its rapid recovery in case of failures. At the same time, traffic safety increases by reducing the likelihood of dangerous train convergence , and also the energy consumption for train traction is reduced due to the choice of energy-optimal train control modes and the optimal distribution of travel time along the line by the criterion of minimum energy consumption for the duration of travel along the tracks.
Automation of train traffic in subways, organization and management of train traffic, automated mobility, train traffic control system complex
DOI: 10.20295/2412-9186-2021-7-3-343-361 References
1. About UrbanRail.Net. Electronic resource [http://www.urbanraiLnet/about.htm#S, accessed: 26.02.2021].
2. Metropoliten v tsifrakh [Subway in numbers]. Electronic resource [https://mosmetro.ru/ press/digits/, accessed: 26.02.2021].
3. BaranovL. A., ErofeevE. V., Maksimov V. M., Golovicher Y. M. (1990) Mikroprotsessornyye sistemy avtovedeniya elektropodvizhnogo sostava [Microprocessor-based automatic driving systems for electric rolling stock]. Under general editorship of L. A. Baranov, Moscow, Transport Publ., 272 p. (In Russian)
4. Su S., Tang T., LiZ., Gao Z. (2014) Optimization ofMultitrain Operations in a Subway System. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 15, iss. 2, pp. 673-684. DOI: 10.1109/TITS.2013.2285737.
5. BaranovL. A., Doshchatov D. A. (2018) Regulirovaniye vremeni khoda po peregonu poyezda metropolitena [Regulation of the travel time on the passage of a subway train]. Nauka i tekhnika transporta [Science and Technology in Transport], vol. 16, no. 3, pp. 55-59. (In Russian)
6. Baranov L. A. (2019) Bespilotnaya sistema upravleniya dvizheniyem poyezdov kak sostav-lyayushchaya tsifrovizatsii gorodskogo transporta [Unmanned train traffic control system as a component of urban transport digitalization]. Avtomatika na transporte [Automation on Transport], vol. 5, no. 4, pp. 441-449. (In Russian)
7. Balakina E. P. (2008) Printsipy postroyeniya algoritmov sistemy podderzhki prinyatiya resh-eniy poyezdnomu dispetcheru [Principles of algorithms construction of system of support decision making for a train dispatcher]. Nauka i tekhnika transporta [Science and Technology in Transport], no. 2, pp. 23-26. (In Russian)
8. BaranovL. A., BalakinaE. P. (2012) Perspektivy ispol'zovaniya mnogofunktsional'nykh mod-eley [Prospects for multifunction models]. Mir transporta [World of Transport and Transportation Journal], no. 2 pp. 70-74. (In Russian)
9. Xiong G., Shen D., DongX., Hu B., Fan D., Zhu F. (2017) Parallel Transportation Management and Control System for Subways. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 18, iss. 7, pp. 1974-1979. DOI: 10.1109/TITS.2016.2622282.
10. Averchenkov E. O., Danko S. V. (2017) Aktualnye zadachi modernizatsii sistemy upravleniya dvizheniyem poyezdov Moskovskogo metropolitena [Actual problems of modernization of the system control the movement of trains of the Moscow Subway]. Nauka i tekhnologiizheleznykh dorog [Science and technology of railways], no. 2, pp. 11-22. (In Russian)
11. Kontseptsiya sozdaniya avtomatizirovannoy sistemy kompleksnogo upravleniya dvizheniyem poyezdov GUP «Moskovskiy metropoliten» (ASKUDPM) [The concept of creating an automated system for the integrated traffic control of trains of the State Unitary Enterprise "Moscow Subway" (automatic dispatcher control system of underground train services]. Moscow, 2019, 68 p. (In Russian)
12. PNSTMEK 62290-2:2014. Zheleznyye dorogi. Upravleniye gorodskim transportom i sistemy komand/regulirovaniya. Chast 2. Spetsifikatsiya funktsional'nykh trebovaniy, razdel 4. Moskva, StandartInform [IEC 62290-2:2014, Railway applications - Urban guided transport management and command/control systems - Part 2: Functional requirements specification].
13. Theeg G., Vlasenko S. (2020) Railway Signalling & Interlocking: 3ed Edition. Germany, Leverkusen PMC Media House GmbH, 552 p.
14. Smith D. J., Simpson K. G. L. (2001) Functional safety: A Straightforward Guide to IEC 61508 and Related Standards. Butterworth-Heinemann, 1st edition, 208 p.
Статья представлена к публикации членом редколлегии профессором В. В. Сапожниковым Поступила в редакцию 10.03.2021, принята к публикации 02.04.2021
Информация об авторах
АВЕРЧЕНКОВ Егор Олегович — руководитель направления систем автоматизации движения Дирекции по развитию городского транспорта АО «Транс-машхолдинг», Москва [email protected]
БАРАНОВ Леонид Аврамович — д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление и защита информации» Российского университета транспорта, Москва [email protected]
ШЕВЧЕНКО Максим Анатольевич — заместитель главного инженера, начальник Службы технической политики ГУП «Московский метрополитен», Москва
© Аверченков Е. О., Баранов Л. А., Шевченко М. А., 2021
