CC BY
53
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Информационные технологии в автоматизированной системе мониторинга инфраструктуры
ъ/
железной дороги
В. Н. ЛИ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение транспорта», П. С. ПИНЧУКОВ, канд. техн. наук, доцент, директор Электроэнергетического института, М. Ю. КЕЙНО, ст. преподаватель кафедры «Электроподвижный состав», Е. Ю. ТРЯПКИН, преподаватель кафедры «Электроснабжение транспорта», Дальневосточный государственный университет путей сообщения
Автоматизированная система мониторинга (АСМ), создаваемая для одного из участков Дальневосточной железной дороги, обеспечивает оперативное отображение поездной и технической информации контролируемых объектов, позволяя быстро выявлять факты возникновения перегрузочных режимов в работе основного оборудования и другие отклонения. Внедрение пилотного проекта подсистемы АСМ на станции Анисимовка ДВЖД продемонстрировало ее высокую надежность и эффективность.
На участке Дальневосточной железной дороги Уссурийск — Находка осуществляется перевозка грузов от основного направления Транссиба к портам Находкинского узла (Находка, Восточный, Козьмино).
Объем перевозки грузов составляет свыше 20 млн т в год. В связи с запуском первой очереди нефтепровода Восточная Сибирь — Тихий океан (ВСТО) количество тяжеловесных поездов увеличилось до 35-40 в сутки. При установленной весовой норме 6300 т поезда проходят участок Анисимовка — Красноармейский с двумя локомотивами 2ЭС5К в голове и хвосте поезда. Для обеспечения безопасности движения используется система управления локомотивами по радиоканалу (СУЛ-Р). Участок проектировался для пропуска поездов весом до 4000 т, и пропуск поездов массой 6300 т стал возможен только после реализации комплекса мер по усилению инфраструктуры и замене локомотивов.
Тем не менее, как показывают проведенные исследования, инфраструктура зачастую подвергается сверхнормативным, нерасчетным нагрузкам. Значительные нагрузки испытывают устройства служб СЦБ, пути, хозяйства электроснабжения.
Объекты инфраструктуры необходимо не только усиливать; не менее важно отслеживать их состояние. Для реше-
ния этой задачи сотрудники Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС) разработали автоматизированную систему мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.
В качестве экспериментального участка был выбран самый сложный, 171-километровый участок Угловая — Смоляни-ново — Находка. Железная дорога здесь пересекает Шкотовский, Сихотэ-Алиньский, Бархатный перевалы, по плану и профилю пути являясь наиболее сложной на сети РЖД. Участок от станции Анисимовка до станции Красноармейский характеризуется наличием перевального профиля с подъемами до 27% и кривыми малого радиуса (до 160 м). Экспериментальным объектом для установки и тестирования устройств АСМ была выбрана тяговая подстанция Анисимовка.
Функции АСМ
Участок Уссурийск — Находка характеризуется экстремально тяжелыми условиями работы подвижного состава и устройств инфраструктуры железной дороги. АСМ Уссурийск — Находка способна обеспечивать оперативное отображение поездной и технической информации контролируемых объектов, что позволяет оперативно выявлять факты перегрузочных режимов основного оборудования и условия их воз-
никновения, а также элементы с ненормативными или ускоренно деградирующими параметрами. Вся информация передается потребителям в соответствии с их уровнем управленческой и эксплуатационной деятельности.
В число основных функций системы АСМ Уссурийск — Находка входят измерение физических величин основных объектов инфраструктуры, автоматический сбор, хранение и первичная обработка измерительных данных, включая защиту от потери информации и от несанкционированного доступа. Передача данных осуществляется через шлюзы сетей операторов подвижной связи и технологической IP-сети передачи данных. Сведения о текущем состоянии участка отображаются на веб-интерфейсе. Защита оборудования, программного обеспечения и данных от несанкционированного доступа осуществляется на физическом и программном уровне (установка паролей и т. п.). Дополнительно производится диагностика и мониторинг программных средств системы, конфигурирование и настройка параметров АСМ.
Структура АСМ
Структура системы АСМ соответствует требованиям ГОСТ 24.104-85 «Автоматизированные системы управления. Общие требования» и состоит из трех основных компонентов:
• объектовые (бортовые) комплексы;
• коммуникационная подсистема;
• центр обработки данных.
Объектовые комплексы являются
нижним уровнем многоуровневой системы, характеризующейся иерархической распределенной обработкой информации. Они включают в себя уровень физических сигналов, прецизионные модульные измерительные системы, блок сбора и первичной обработки данных на основе промышленного компьютера, приемник спут-
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ГЛОНАСС/GPS
Беспроводная связь
Определение местоположения, синхронизация времени
Система сбора данных (ССД)
1 -V
Локальные
аЛГОрИТМЫ Объекта База
данных
ДАТЧИКИ
<5
Хозяйство электроснабжения
t
ш
Подвижной состав ж.-д. автоматики Путевое хозяйство и телемеханики
Рис. 1. Единая система мониторинга участка
никовых навигационных сигналов ГЛОНАСС^РЭ, коммуникационную аппаратуру для обеспечения проводной и беспроводной связи со шлюзами системы передачи данных (СПД).
Основными объектами сбора первичной информации являются тяговые подстанции, локомотивы, устройства железнодорожной автоматики и контрольно-измерительные посты путевого хозяйства. Объектовые (бортовые) комплексы обеспечивают автоматическое проведение измерений и выполнение следующих функций:
• автоматическое выполнение измерений контролируемых физических величин;
• автоматическое вычисление расчетных показателей;
• автоматическое выполнение синхронизации времени;
• автоматическую регистрацию сопровождающих процессы измерения событий в журнале событий;
• хранение результатов измерений, информации о состоянии средств измерений в специализированной базе данных;
• конфигурирование и параметризацию технических средств и программного обеспечения (ПО);
• предоставление сетевого административного и технологического доступа к измеренным значениям параметров и журналам событий;
• передачу оперативных и технологических сообщений в центр обработки данных.
Центр обработки данных — это совокупность аппаратно-программных решений, обеспечивающих сбор данных, поступающих от объектовых комплексов, оперативное отображение информации для доступа с использованием веб-интерфейса, подготовку баз данных для последующей аналитической обработки. В центре обработки данных осуществляется прием оперативных и технологических сообщений от объектовых комплексов. Полученные сообщения помещаются в структурированную базу данных. База данных центра обработки данных содержит разделы для оперативной и технологической информации.
На основе записей, имеющихся в базе данных оперативной информации, формируются динамически обновляемые страницы веб-сервера и экраны клиентского ПО. С использованием базы данных технологической информации на периодической основе формируется аналитическая база данных, содержащая консолидированные статистические и аналитические данные. Программная защита позволяет установить три уровня доступа: полный доступ к системе, чтение базы данных и чтение публикуемой информации. Система защиты предусматривает аутентификацию доступа потребителей информации ко всем ресурсам системы, кроме публичного веб-сервера. Доступ к страницам публичного веб-сервера осуществляется по протоколу HTTP (порт 80) без ау-
тентификации и протоколируется в системном журнале.
Для минимизации объема передаваемой оперативной информации вычислительные системы объектовых комплексов выполняют первичную обработку данных и формируют оперативные сообщения, передаваемые в центр обработки данных с высоким приоритетом и минимальными задержками. Основной массив технологических данных передается через скоростную IP-сеть в виде сообщений с обычным приоритетом. Для уменьшения трафика массив технологических данных сжимается с помощью стандартного алгоритма компрессии. Пересылка осуществляется в соответствии с периодом, настроенным администратором системы. В случае если пересылка окончилась неудачей, попытка повторной отправки сообщений выполняется по принципу LIFO, что обеспечивает приоритетную доставку наиболее оперативной информации.
Информация для пользователей
Предоставляемая пользователям информация делится на оперативную, отчетную и статистическую.
Оперативная информация отображается в виде многоуровневой мнемосхемы, доступ к которой возможен через стандартный веб-обозреватель. На основной странице отображается общая информация об участке: общее состояние инфраструктуры хозяйства,
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
поездная ситуация (номер локомотива, скорость и вес поезда), информация об объектах других хозяйств (Э, АТ).
Отчетная информация формируется в виде послеаварийного однотипного протокола, рассылаемого на все уровни управления службы, и ежедневного расширенного отчета о ситуации на участке за прошедшие сутки.
Статистическая информация состоит из отчетов, формируемых на периодической основе с использованием типовых процедур обработки данных и выдаваемых с учетом показателей смежных служб. Также, при значительных отклонениях в работе контролируемых объектов (аварии, ненормальные режимы работы), формируется специальный отчет. Он содержит информацию об объекте: о его местоположении и наименовании, предыстории и истории изменения измеряемых величин. Данные отображаются с высоким разрешением дискретизации по времени, что дает возможность наиболее полно контролировать протекающие процессы. Благодаря синхронизации различных каналов информации в пределах как одного объекта, так и объектов различных хозяйств появляется возможность оценивать взаимное влияние работы оборудования в рамках всей инфраструктуры железнодорожного транспорта, охваченной системой АСМ.
АСМ представляет собой сложную гетерогенную распределенную систему, состоящую из множества объектов. Для ее корректной работы необходима синхронизация времени для возможности анализа быстротекущих процессов. Нормирование величин отклонений встроенных часов осуществляется при помощи синхронизации с единым календарным временем, данные о котором получают от спутникового навигационного приемника GPS. Синхронизация внутренних часов объектового блока происходит периодически в соответствии с настройкой администратора (1 раз в час, 1 раз в сутки).
Показатели для интегральной оценки
Система автоматизированного мониторинга инфраструктуры участка Смоляниново — Находка охватывает инфраструктуру пути, локомотивное хозяйство, систему электроснабжения и систему сигнализации и автоблокировки. Каждая из перечисленных подсистем характеризуется длинным рядом параметров и показателей, определяющих техническое состояние
Рис. 2. Структура объектовой измерительной системы на тяговой подстанции Анисимовка
Рис. 3. Шкаф объектовой измерительной системы на ТП Анисимовка:
1 — устройство первичной обработки информации; 2— блок измерительного оборудования и питания; 3 — сетевой фильтр; 4 — источник бесперебойного питания; 5 — шкаф 19 дюймов.
отдельных элементов инфраструктуры. Неоднородность показателей, различная степень их влияния на работоспособность подсистемы в целом, различие во временных интервалах и степени дискретизации делают нецелесообразным сведение всего перечня разнородных показателей в натуральных величинах на верхний уровень системы мониторинга.
Для формирования интегральной оценки готовности объекта инфраструктуры (участка пути, локомотива, тяговой подстанции или участка автоблокировки и телемеханики) была введена унифицированная групповая оценка, представляющая собой комплект показателей.
Один из показателей — статус сигнала. Это абстрактный логический тип, характеризующий важность передаваемого сообщения и степень его влияния на работоспособность элемента инфраструктуры; возможные значения: «зеленый», «желтый», «красный» [1].
Следующий показатель — балльная оценка, т. е. целочисленный неотрицательный тип, определяющий степень соответствия контролируемого параметра элемента инфраструктуры номинальным и предельным значениям. При нормальной эксплуатации элемента инфраструктуры для балльной оценки определены значения в диапазоне от 100 до 75. При превышении паспортных или нормативных значений параметра оценка осуществляется в пределах от 50 до 75. При отказе или нарушении условий эксплуатации значения варьируются в диапазоне от 0 до 50.
Третий показатель — временная характеристика, которая определяет частоту обновления сигнала и время сохранения статуса сигнала. Она зависит от физической природы контролируемого параметра и степени его влияния на работоспособность элемента инфраструктуры. Частота обновления обычно принимается равной 1, 15, 30 минутам или 1 часу. Для аварийных со-
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 4. Основное информационное окно системы мониторинга тяговой подстанции
Рис. 5. Окно просмотра архивных значений величин выбранного элемента
общений частота обновления может устанавливаться либо по факту превышения контролируемого параметра, либо по факту отказа. Время сохранения статуса сигнала устанавливается в пределах от 15 минут до 2 часов.
Модуль для тяговой подстанции
В 2010 г. был создан рабочий макетный образец системы и введен в работу модуль АСМ для тяговой подстанции.
Объектовый комплекс для тяговых подстанций поставляется в виде стандартного металлического шкафа
19 дюймов и комплекта первичных измерительных преобразователей с вторичными электрическими цепями. Структурная схема объекта приведена на рис. 2, рабочий образец — на рис. 3.
Металлический шкаф находится внутри здания тяговой подстанции, обеспечивая возможность размещать оборудование в промышленных помещениях. Кроме того, так предотвращается несанкционированный доступ к оборудованию и осуществляется климатическая защита оборудования [2].
Объем измерений в онлайн-режи-ме модуля АСМ на подстанции обес-
печивает измерение следующих величин:
• напряжения плеч питания на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций участка;
• токи фидеров контактной сети;
• токи вводов тяговых обмоток трансформаторов;
• напряжение гарантированного питания устройств СЦБ на шинах ВН и НН КРУН СЦБ;
• ток фидера воздушного отсоса цепи обратного тягового тока.
Каждый отображаемый объект имеет цветовой маркер, соответствующий статусу состояния. При этом для определения состояния объекта были внедрены элементы экспертной оценки, влияющие на продолжительность статуса объекта, а также на включение статуса в журнал событий.
В рамках расширения пилотного проекта в 2011 г. планируется повышение функциональности объектового комплекса и увеличение количества контролируемых параметров подстанции, включая контроль качества электроэнергии и состояние коммутационного оборудования.
Опыт эксплуатации АСМ в 2010-2011 гг. показал ее высокую надежность и эффективность. Даже частично реализованная система обеспечивает оперативное выявление сверхнормативных нагрузочных режимов оборудования, позволяет определять отклонения от нормативных значений межпоездных интервалов, осуществлять анализ работы тяговой подстанции при увеличении поездопото-ка по перевальному участку Смоляни-ново — Находка.
Таким образом, разработанная АСМ, ввиду своей гибкости, является основой для внедрения высокотехнологичных методик анализа состояния оборудования и исследования причин его отказов, для разработки экспертных систем.
Литература
1. Штовба С. Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику. Винница: Изд-во Винницкого гостехуниверситета, 2001.
2. Ли В. Н., Пляскин А. К., Кейно М. Ю. Автоматизация оперативного мониторинга участков железных дорог // Наука, творчество и образование в области электроснабжения — достижения и перспективы: труды Всероссийской науч.-практ. конф. с междунар. участием представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников (Хабаровск, 11-12 ноября 2010 г.). — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. — С. 28-33.
