CC BY
93
© Л.А. Бахвалов, С.И. Долганюк, 2010
УДК 621.396:004.94:519.2
Л.А. Бахвалов, С.И. Долганюк
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО РАДИОКАНАЛА СВЯЗИ СИСТЕМЫ АВТОМА ТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛОКОМОТИВАМИ НА СТАНЦИИ
Работа посвящена исследованию радиоканала связи системы автоматизированного управления локомотивами на станции средствами имитационного моделирования. В рамках исследования рассматривается ряд проблем, возникающих при радиообмене, и предлагается способ их решения. В работе выделяются факторы, оказывающие влияние на исследуемый процесс, определяются основные параметры системы, радиоканал представляется как система массового обслуживание и производится его моделирование в среде GPSS World на примере одной из станций. Ключевые слова: автоматизированное управление локомотивами, радиообмен, моделирования работы радиоканала.
Система автоматизированного
управления локомотивами на станции (САУЛ) создается для предотвращения аварийных ситуаций во время маневровых и горочных работ. Наиболее важной задачей САУЛ является позиционирование локомотивов, то есть определение их месторасположения на плане станции (координат). Для решения задачи позиционирования используются два метода: спутниковое позиционирование (GPS, ГЛОНАСС навигация) и отслеживание с помощью электрической централизации (ЭЦ). Каждый из способов имеет свои недостатки и область применения, поэтому предполагается их совместное использование, что влечет за собой большую нагрузку на цифровой радиоканал связи, служащий для обмена телеграммами между локомотивами и управляющим вычислительным комплексом (УВК) на посту. Данное исследование проводится для выявления удовлетворительных параметров при радиообмене.
Радиообмен. Навигационные искусственные спутники земли (НИСЗ) отсылают данные о своих орбитах в кадре навигационных сообщений. Приемники получают радионавигационный сигнал, рассчитывают своё положение в глобальной системе координат (ГСК) и передают данные в бортовой контроллер на локомотиве, который в свою очередь транслирует навигационные данные и массив скоростей в радиоканал (рис. 1).
Постовой сервер получает данные от дифференциальной станции, вычисляет дифференциальные поправки по каждому спутнику и транслирует их в радиоканал локомотивам для коррекции решения (метод DGPS). Пропускные способности всех каналов передачи данных выше 1 Мб/с, а скорость передачи по радио составляет около 1 Кб/с : радиоканал является слабым местом в тракте информационного потока данных системы САУЛ. Ниже приведены протоколы обмена между УВК и локомотивами.
Рис. 1. Схема потоков данных системы САУЛ
Из описания протоколов видно, что размеры телеграмм сравнимы по размеру с максимальной пропускной способностью радиоканала за секунду.
Моделирование цифрового радиоканала. Радиообмен можно представить в виде системы массового обслуживания (рис. 2).
Ответные телеграммы локомотивов формируются и транслируются в эфир в строго фиксированный момент (принцип временного разделения каналов ). Временная диаграмма радиообмена представлена ниже (рис. 3).
Далее, требуется выделить набор факторов, оказывающих влияние на процесс радиообмена и определить критерий удовлетворительной работы радиоканала.
Определение факторов влияния на радиообмен
1. Количество локомотивов в системе. Количество локомотивов на станции влияет на загрузку радиоканала. Для конкретной станции эта величина строго определяется количеством оборудован-
ных локомотивов бортовыми контроллерами системы САУЛ, однако, не все подвижные единицы могут находиться в системе в произвольный момент времени (ремонтные работы, перегоны и т.д.). Величина, определяющая количество локомотивов в системе, носит случайный характер и определяется исходя из статистических данных. Далее, рассмотрена статистика работы маневровых локомотивов на станции «Бекасово - сортировочный» Московской железной дороги и приведено распределение рассматриваемой величины (рис. 4).
2. Размер постовой широковещательной телеграммы. Размер телеграммы равен PTS (Post Telegram Size) -не строго фиксирован, как видно из табл. 1 и зависит от количества локомотивов и команд, передаваемых им с поста. PTS = 111 + 7 * N + CMND_VAL * N * 12. Величина N - количество локомотивов в системе и определяется исходя из вышезаданной функции распределения. CMND_VAL
Таблица 1
Структура постовой телеграммы
ТИП № Размер, байт Описание
4 Установочная последовательность
1 1 Структура типа телеграммы (битовые поля)
ЗАГОЛОВОК 2 1 Циклический номер телеграммы (1-255)
3 2 Код станции
4 2 Контрольная сумма (CRC16)
5 2 Размер информации (включая заголовок)
6 2 Размер информации в инверсной форме
7 1 Версия программы
8 32 Резерв
«К 9 64 Дифференциальные поправки по 16 НИСЗ
ТЕЛЕГРАММА БОРТУ БНД 10 7 Описатель локомотива 1
11 12 1-я команда локомотиву 1
... остальные команды локомотиву 1
7 Описатель локомотива і
12 1-я команда локомотиву і
... остальные команды локомотиву і
7 Описатель локомотива N
12 1-я команда локомотиву N
... остальные команды локомотиву N
X
PTS = 47 + 64 + N*7 + CMND VAL * 12 * N.
N - количество локомотивов на станции,
СМЖ^АЪ - суммарное количество команд этим локомотивам. PTS - суммарный размер постовой телеграммы
Таблица 2
Структура бортовой телеграммы
ТИП № Размер, байт Описание
4 Установочная последовательность
1 2 Структура типа телеграммы
ЗАГОЛОВОК 2 1 Порядковый номер
3 2 Код станции
4 2 Код серии
5 2 Инвентарный номер
6 2 Контрольная сумма (CRC 16)
7 1 Версия бортовой программы
КВИТАН- ЦИЯ 1 2 Расстояние от левого стыка
2 1 Допустимая скорость
3 32 Массив скоростей за последние 16 секунд
4 3 Битовые поля (маска)
э из 1 NBPMIN Необходимый минимальный размер БНД
2 nbpres Зарезервировано
X
ETS = 54 + NBPmin + NBPmin = 54 + NBS
БНД - Блок Навигационных Данных - новая часть телеграммы.
NBS - сумма необходимого размера и зарезервированного (подробно об NBS) в главе « 3.3. Выделение входных и выходных параметров».
Рис. 2. Радиообмен как система массового обслуживания
А
' со
ЛОКОМОТИВ N ЖКН
* + * ■ ш
ЛОКОМОТИВ і • ф * ■ т
ЛОКОМОТИВ 1 ШШ^тГщЯШ ш
ПОСТ ЦІМИ . , о-
1 ]
Ті+1
ЦИКЛ
Рис. 3. Временная диаграмма радиообмена
ОБМЕНА
ETS -размер бортовой телеграммы. характеризует размер блока данных маршрута, передаваемого с поста, является случайной величиной и имеет собственное распределение независимо от станции. Ниже приведено это распределение, исходя из статистических данных, накопленных в период
пусконаладочных работ САУЛ (рис.
5).
3. Размер навигационных данных в бортовой телеграмме (БНД). Данная величина характеризует информативность навигационного решения. Значение этой величины колеблется в достаточно большом диапазоне от 7 до 50
байт: увеличение размера БНД влияет на точность определения координаты.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Рис. 4. Распределение количества локомотивов в системе
Количество £ вероятность
1 0.05
2 0.11
3 0.19
4 0.29
5 0.56
6 0.83
7 0.90
> 8 1
100%
30%
60%
40%
20%
0%
0 91 °.95 °'97
Размер, %
£ вероятность
0,51 0;63
0,03 0,0В 0,06 и и 1 0,24
0.1 0.03
0.2 0.05
0.3 0.06
0.4 0.24
0.5 0.51
0.6 0.63
0.7 0.91
0.8 0.95
0.9 0.97
1.0 1.00
0.1 0,2 0,2 0,і 0,5 0,6 0',7 0,6 0,9
Рис. 5. Распределение величины, определяющей размеры команд локомотивам
2
Размер навигационных данных определяется как константа до начала процесса моделирования.
4. Цикл обмена. Как было сказано выше, в системе САУЛ временное разделение каналов при радиообмене, и каждый локомотив отвечает на широковещательную телеграмму постового сервера в строго определенные для него временные рамки. Минимальное время, необходимое для опроса всех локомотивов в системе с учетом небольшого временного резерва называется циклом обмена. Значение величины цикла может варьироваться от 1 до 3 секунд. Увеличение данной величины позволяет увеличивать размеры телеграмм, но снижает оперативность управления подвижными единицами. При моделировании радиоканала необходимо выбирать минимальный размер цикла обмена, при максимально возможном значении БНД.
При радиообмене имеется также ряд факторов, являющих собой случайный шум, неблагоприятно влияющий на работу канала и возникающий с определенной вероятностью. При моделировании радиоканала возникновение шума ликвидирует телеграмму из эфира и фиксирует это событие в блоке сбора статистики.
5. Фактор внутренних ошибок радиомодема и отсутствия помехозащищенного кода радиомодемов. Время возникновения неблагоприятного события - величина вероятностная и имеет распределение, которое неизменно для определенного типа модема и указывается в документации к устройству. Данное исследование проводится для модемов МОСТ-У Ижевского Радиозавода ( «ИРЗ»). Вероятность возникновения ошибки составляет 0.05%.
6. Фактор неблагоприятного расположения локомотива. Время возникновения неблагоприятного события - величина вероятностная и имеет рас-
пределение, которое неизменно для конкретной станции. (наличие высоких железобетонных конструкций, геометрия местности и т.д.). Нижеприведенное распределение сделано исходя из статистических данных на станции «Бекасо-во - сортировочный» (рис. 6).
7. Фактор наложения внешних радиоволн. Проблема заключается в том, что несущая частота радиопередачи ~ 160 МГц совпадает с частотой голосовой связи с машинистами, в результате чего возникает искажение волн через случайные интервалы времени, распределенные по следующему закону независимо от станции (рис. 7).
Моделирование на GPSS. Обработка результатов.
Радиоканал является одноканальным прибором массового обслуживания (ПМО), поэтому любая телеграмма, находящаяся в очереди (рис 2), а значит пытающаяся занять ПМО должна быть ликвидирована, причем ликвидируется также и телеграмма, находящаяся в самом ПМО. Такая интерпретация работы является реальной, так как в случае вещания сразу с 2-х или более антенн все телеграммы перекрываются и в результате смешивания до всех приемников доходит шум. В случае, если перекрывается постовая телеграмма, то локомотивы не могут получить ее и будут пассивны в течение целого цикла обмена. Под активным будем понимать локомотив, принявший участие в радиообмене за текущий цикл, в противном случае будем его считать пассивным.
Исходя из вышесказанного, в статистику будет заноситься отношение количества пассивных локомотивов к их общему количеству за цикл обмена.
Рис. 6. Распределение времени возникновения неблагоприятного события
Рис. 7. Распределение времени возникновения неблагоприятного события
_
10 0.01
30 0.05
50 0.11
70 0.12
90 0.12
120 0.20
180 1,00
Время, с - вероятность
100 0.10
150
250
1000
0.20
0.25
1.00
2
ДПЛ, % Интегральная
вероятность
00.0 - 05.0
05.0 - 10.0
10.0 - 15.0
15.0 - 20.0
20.0 - 25.0
25.0 - 30.0
30.0 - 35.0
35.0 - 40.0
40.0 - 45.0
45.0 - 50.0
50.0 - 55.0
55.0 - 60.0
60.0 - 65.0
65.0 - 70.0
70.0 - 75.0
75.0 - 80.0
80.0 - 85.0
85.0 - 90.0
90.0 - 95.0
95.0 - 100.0
89.24 % 93.77 % 95.81 % 95.99 % 97.15 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 %
98.02 % 100.00 %
102,00% п 100,00% -98,00% -96,00% -94,00% -92,00% -90,00% -88,00% -86,00% -84,00% -
Рис. 8. Функция распределения доли пассивных локомотивов (ДПЛ) за один цикл радиообмена
Данное отношение будет характеризовать степень искажения радиосвязи на станции. Таким образом результатом моделирования будет распределение величины PEP (Passive Engine Part - доля пассивных локомотивов или ДПЛ ).
Для моделирования работы радиоканала был выбран язык GPSS исходя из следующих характеристик пакета: эффективный алгоритм имитации, позволяющий производить быстрое моделирование сложных систем за большой период модельного времени; возможность обработки результатов в процессе моделирования (сбор статистики, построение функций распределения случайных величин): эффективный язык написания имитационного кода и возможность моделирования сложных систем при минимальных затратах времени; возможность интеграции в модель кода языка программирования высокого
уровня общего назначения (библиотека PLUS). PLUS позволяет вставлять процедуры для дополнительных вычислений на языке близкому по синтаксису с Turbo Pascal; наличие статистических функций и процедур, входящих в стандартный пакет GPSS. Для написания имитационной модели в рамках данного исследования функциональность GPSS является достаточной.
Моделирование проводилось по конфигурации: станция «Бекасово -сортировочный», модем МОСТ-У «ИРЗ» (под конфигурацией понимается набор функций распределения и констант, характерных для конкретной станции и для конкретного радиомодема). В результате были получены следующие результаты (рис. 8).
По распределению видно, что от 0 до 5 % вероятности обрыва телеграмм практически укладывается в 90%. Одна-
ко 2 % приходится на обрыв 95-100%: по виду гистограммы можно понять, что обрывается постовая телеграмма, что влечет за собой отсутствие ответа от всех локомотивов. Полученные результаты являются удовлетворительными,
1. Minuteman Software GPSS World Tutorial. Справочная система среды разработки GPSS World.
2. Шрайбер Т. Дж. Моделирование на GPSS._M.: Машиностроение,1980 г.
но есть возможность уменьшить обрывы пакетов. Для этого нужно переопределить входные параметры (уменьшать блок навигационных данных и/или увеличивать цикл обмена) и проводить моделирование заново.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Королев В.Ю. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник/В. Ю. Королев; Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова.-М. : Проспект, 2006
4. Gordon, Geoffrey, System Simulation, 2nd ed., Prentice-Hall, 1978.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Бахвалов Л.А. - профессор кафедры АСУ, доктор технических наук, Долганюк С.И. - аспирант кафедры АСУ,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
------------------------------------------------------ ТРЕБОВАНИЯ
К РУКОПИСЯМ, ПРЕДСТАВЛЯЕМЫМ ДЛЯ ОПУБЛИКОВАНИЯ В ГОРНОМ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОМ БЮЛЛЕТЕНЕ (НА УЧНО-ТЕХНИЧЕСКОМ ЖУРНАЛЕ)
1. Статья должна содержать следующие сведения:
• аннотацию (не более 300 знаков), ключевые слова, название статьи на русском и английском языках;
• фамилию, имя, отчество автора (авторов), полное название места работы с указанием почтового адреса, ученую степень и звание, телефон, факс, электронный адрес.
2. На первой странице рукописи проставляется индекс УДК.
3. Статья должна быть подписана авторами.
4. Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается.
5. Все статьи ГИАБ рецензируются. Редакция принимает решение о публикации по результатам рецензирования.
6. Рукопись статьи представляется в одном экземпляре в напечатанном виде с приложением копии (включая рисунки, подрисуночные подписи и таблицы) на любом носителе информации (дискете, СЦ DVD, флэшке) в редакторе Word.
