CC BY
26
УДК 656.25:656.256
КУЗЬМЕНКО Д.М., шженер (УкрДАЗТ); ПАНЧЕНКО С В., д.т.н., доцент (УкрДАЗТ); БОЙНИК А.Б., д.т.н., професор (УкрДАЗТ); ЧЕПЦОВ М.Н., д.т.н., доцент (Дон1ЗТ).
Нейромережеве моделювання та аналiз надiйностi пристрою керуван-ня свiтлофором
Вступ, огляд останшх публ1кац1й
Одним з найбiльш поширених вузлiв систем залiзничноi автоматики е пристрiй керування свiтлофором [1 - 6]. Його основы функцп розглянемо на прикладi схем-но'1 реалiзащi з використанням релейно'1 елементноi бази (рисунок 1).
Рисунок 1. - Релейна схема керування св^лофором
Показання, яке дозволяе рух, повинно вмикатися на свiтлофорi тшьки в разi виконання вах умов забезпечення безпе-ки, що перевiряеться системою автоматики. При цьому вiдповiдним сигнальним
реле формуеться вихщний сигнал X] [7].
Сигнал забезпечуе вмикання жовтого (Ж) або зеленого (З) показання, тобто встановлюе допустиму швидкiсть просль дування свiтлофора.
Класичний пiдхiд щодо моделювання функцш пристрою керування св^ло-
фором орiентований на використання тео-рп автоматiв, логiчних схем та булiвоi ал-гебри. При цьому функци вмикання вог-нiв св^лофора формалiзуються наступним чином [8]:
f3 = X1X2 , /ж = X1X2 та /к = X1 , (1)
тобто в моделi використанi логiчнi елементи NOT та AND (рисунок 2).
X;
Ж
К
Рисунок 2. - Структура моделi пристрою керування свгглофором на основi використання логiчних елеменпв NOT та AND
Як вщзначено в публiкацiях [6, 7], розглянута модель адекватна тшьки за умовою наявносп iдеальних логiчних си-гналiв. Крiм цього у виразi (1) не врахову-еться час, тобто модель не е динамiчною. Якщо передбачаеться реалiзацiя пристрою керування св^лофором, то повиннi роз-
глядатися реальш, з урахуванням впливу завад, напруги та струми, що дiють у система
Задача досл1дження
G розробка функцюнально'1 динамь чно'1 нейромережево'1 модел^ побудовано'1 на основi базового елементу систем СЦБ [9], прототипом яко'1_дощльно обрати на-ведену на рисунку 1 структуру.
Основний матер1ал
Виконаемо перетворення функцiй кон'юнкци та шверси у вiдповiднi динамь чнi з використанням нейронно!' мереж з логютичною функцiею збудження нeйронiв та мшмально можливою топологiею [9].
Структура модeлi динамiчноi ней-ромережево'1 функцп кон'юнкци (ДНФ AND) складатиметься з двох нейрошв першого шару, трьох - другого та одного вихщного. Навчання ще'1 модeлi за моди-фшованим методом зворотного поширен-ня помилки складалося з трьох ^ерацш. Середньоквадратична енерпя помилки, розрахована вiдповiдно наведено!' в роботi [9] методики, прийняла значення
Eгп = 2,76312 • 10 16 . Ваговi коефь
цiенти та параметри нахилу лопстично'1 функци наступнi:
s[1) = 0,1769311 , w(1\) = -41,42415 , w(112) = -42,17706 , s21) = -0,09523301, w2]) = 36,85195 , w212) = 38,73086 , s{2) = 0,02855007 , w(121) = 930,6558 ,
W(12) = 224,6750 , s22) = 0,03828547 , w(22) = -2891,223 , w22) = -3250,934 , sf32) = -0,2811823 , w32) = -1245,983 , w32) = 1789,803 , s(31) = 0,1235542 , w(3\) = -1577,959 , w^ = 46,36807 , w31) = 2694,305 .
Структура модeлi динамiчноi ней-ромережево'1 функци шверси (ДНФ NOT) складатиметься з одного нейрону першого шару, двох - другого та одного вихщного. При навчанш модeлi ДНФ NOT отримано значения середньоквадратично'1 помилки
18
EГП = 6,18143 • 10 . Розраховаш ваговi коeфiцiенти та параметри нахилу лопстично'1 функци:
s11) = -0,4082308 , w11) = 175,6699 , s12) = 0,1036256 , w(2) = 930,6558 , s22) = 0,1504105 , w22) = -536,8004 , s(1) = 0,4668569 , w1 = 37,57515 , w(1 = -171,3893 .
Для фшьтрацп короткотривалих за-вад, забезпечення стiйкостi та надшносп функцiонування пристрою керування свь тлофором до структури моделi доцшьно додати три базових елемента [9] за вихщ-
ними сигналами /з (i) , /ж , /к • З урахуванням наведеного, структура нейромережево'1 динамiчноi моделi пристрою керування свiтлофором (НДМ ПКС) набувае вигляду, наведеного на рисунку 3.
Розглянемо функщонування НДМ ПКС у штатному режимi (при вщсутносп спотворень сигналiв та завад). Так, тсля
перевiрки умов безпеки, в момент часу система автоматики формуе команду на вщкриття свгглофора шляхом змiни рiвня
сигналу х1(!) (рисунок 4). Пюля вста-новленоi при навчаннi МБЕ часовоi за-тримки [9] рiвень вихiдного сигналу
/к ) зменшуеться до нульового та од-
ночасно зростае значення /ж , тобто св^лофор вiдкриваеться на жовте пока-зання.
Рисунок 3. - Структура нейромережево'1' динамiчноi моделi пристрою керування св^лофором
В момент часу ¿2 збiльшуеться значення сигналу х2(^), це призводить до вимикання жовтого та вмикання зеленого вогню свгглофора. Зi зникненням ,
незалежно вщ х2(^), свiтлофор перекри-ваеться на червоний (момент часу ¿з ).
0,8
0,6
0,4
0,2
х2(1)
х2(г)
ГкЮ V Гжп) ьа) ГМ
\ II ' £
~ I I I
Рисунок 4. - Часова дiаграма функщонування нейромережево'1 динамiчноi моделi пристрою керування св^лофором при змiнi вхiдних сигналiв
Таким чином, при вщсутносп спо-творень вхiдних сигналiв, НДМ ПКС адекватно вщтворюе необхiднi функцiональнi вимоги [1, 2, 8]. Аналiз часово! дiаграми (рисунок 4) свщчить про спiвпадання ре-зультатiв роботи нейромережево! та щеа-льно! логично! (1) моделей (за винятком рiвня вихiдних сигналiв та часових затри-мок). З шшого боку, в реальних умовах експлуатацп пристрою керування св^ло-фором не виключена можливiсть виник-нення завад, в першу чергу короткотрива-лих. У зв'язку з цим необхщно виконати
оцiнку адекватно! реакцп НДМ ПКС за таких умов.
Так, якщо вхщш послiдовностi
) та ) шстятъ випадковi по-одинокi iмпульси, то реакцiя моделi дещо змiнюeться (рисунок 5). Наприклад, у момент часу 11, при червоному показанш св^лофору, замiсть нульового значення х1(1) з'являеться короткотривале оди-ничне. Реакцiя моделi - зменшення рiвня вихiдного сигналу /к (1) . Аналогiчна ситуацiя вiдбуваeться в iнших випадках.
Рисунок 5. - Часова дiаграма функщонування НДМ ПКС при наявностi завад у
вхщних сигналах
Слiд вщзначити, що зменшення рiв-ня вихщних сигналiв складае приблизно 70% вщ максимального. Враховуючи ше-рцiю ниток накалювання свiтлофорних ламп та реакщю зорово! системи людини [6], таю явища не призведуть до вщмови пристрою в цiлому. При бшьш жорсткь ших проектних вимогах зменшення рiвня вихiдних сигналiв при впливi завад може бути повнiстю усунуте, якщо замють МБЕ з мшмальною конфiгурацiею (див. рис. 3) використовувати модель зi складнiшою структурою, з двома або трьома парами лiнiй затримки [9].
Крiм наведеного, слiд вщзначити по-зитивну особливiсть моделi, яка розгляда-еться, а саме - вщсутшсть проблиску ш-шого показання замiсть дiючого у дiйсний момент часу при наявносп завад. На вщ-мiну вiд реалiзацii щеально! логично! мо-делi, де подiбне явище усунено за рахунок використання релейно!! елементно!! бази, в НДМ ПКС фшьтращя е властивiстю мо-делi й виконуеться базовими елементами, встановленими на виходах.
Розглянемо показники надшносп нейродинамiчноi моделi пристрою керування свiтлофором. З урахуванням реаль
зацп НДМ ПКС на мкропроцесорнш еле-ментнiй баз^ застосуемо розроблений де-градацiйний метод [10].
Вважаемо, що при ушкодженш МП елементу випадковим чином змшюеться значення одного вагового коефiцiенту
якогось одного 3i структурних складових НДМ ПКС. Шсля розрахунку середньо-квадратично'' енергп помилки, значення ушкодженого вагового коефщенту вщно-влюеться. Приклад фрагменту процесу деградацп наведений у таблиц 1.
Таблиця 1. - Фрагмент процесу деградацп вагових коефщеш!в
Елемент структури моделi № шару № нейрону № вагового коефщенту Попередне зна-чення Змшене значення
NOT2 0 0 0 175,67 876,736
AND1 2 0 0 -1577,96 505,692
NN1 0 0 1 -674,081 641,408
NN3 0 2 0 3717,41 -22,309
AND2 1 2 1 1789,8 529,893
NN3 1 0 1 -8727,49 -868,16
В процес дослiджень застосованi вхiднi xj(t) , x2(t) та еталонш вихiднi
f3 (t) , fж (t), fk (t) послвдовносп. Змша кожного значення вагового коефщь енту приводить до збiльшення енергп се-редньоквадратично'' помилки за вщповщ-ним виходом моделi (рисунок 6).
Вщповщш енергп середньоквадра-тично'' помилки на кожнш ^ерацп процесу деградацп вагових коефщешив НДМ ПКС розраховуються наступним чином
1
E3 = [/з (tj) - /ЗД (tj)]
2 j=
j=o
1 T
' j=o
EЖ = 2 s [/ж (tj) - /Ж (tj)]2, (3)
2 i-r
1
виходiв у дискретш моменти часу tj (ро-зрахунок проводився при T = 63 ).
Розiб'емо дiапазони значень E3, Eж, Eк на 20, вщ 0 до максимального
(max(Eз) = 16,63536376 , max(Eж ) = 7,62516224 , max(Eк ) = 9,42689994 )
та розглянемо розподшення кiлькостi ^е-
рацш процесу деградацп до перевищення
E п E п E п вщповщного порогу E3 , Eж , ek . То-
(2)
дi
поверхш
щiльностi
розподiлу
Ek [/k (tj) - /Д (tj)]2 ,(4)
2 j=0
де E3 , E ж , Ek - енергп помилки за вщповщним виходом моделц f3 (tj), /ж (t j ) , fk (t j ) - еталоннi значення
/Ф (iter), /Ж (iter) , /Ф (iter) набу-вають вигляду, наведеного на рисунку 7.
Аналiз поверхонь показуе, що без вщсутносп структурно'' надлишковосп деградацiя кожного функцюнального елементу призводить до збшьшення загально'' енергп середньоквадратично'' помилки. З шшого боку, пристрою керування свггло-фором властивий бiнарний принцип функщонування за виходами, тобто вщповщ-не показання може бути увiмкнено або вимкнено. Такий спосiб забезпечують ключовi елементи, безпосередньо тдклю-чеш до ламп свiтлофору. З цього випли-
2
вае, що виконусться фiльтрацiя спотво-рень вихiдних сигналiв, якi мають промь жнi значення. Тод^ якщо за номiнальний piBeHb вихiдного сигналу вмикання пока-
зання прийняти 0,5, то значення порогу спрацювання встановимо на рiвнi 0,4, тоб-то 80% номiнального.
Рисунок 6. - Пстограми розподiлу середньоквадратично! енерги помилки за iтерацiями процесу деградацп
З урахуванням цього, з множини щшьностей розподiлу кiлькостi ^ерацш процесу деградацп беремо до уваги значення 0,8 ■ max(E) . Апроксимацiя
дискретних функцш f (iter),
/ж(iter) , f<K(iter) за вказаним рiв-нем Пуасонiвським законом розподшу першого порядку дозволила перейти до
безперервних функцш щшьносп розподь лу часу безвiдмовноi роботи [10]
U (t) = хф e
-Хф t
(5)
де Х - штенсившсть функщональ-них вщмов, яка набувае наступних зна-
чень: Х3 = 0,5122, Хж = 0,75, ХЗ = 0,7778
Рисунок 7. - Поверхш щшьносп розподiлу /К (iter), /Ж (iter) , /К (iter)
При апроксимацп функцш (5) пере- му, отримано результати, якi свiдчать про
вiрялась вiдповiднiсть критерiю
X'
х\ = 1,66407
цьому
отримано
Хж = 158675, хК = 1,49901
зменшення штенсивносп вiдмов припри строю керування зеленим, жовтим та чер-воним вогнем св^лофору приблизно на 49%, 25%, 22% вщповщно.
Л1тература
Висновки та практичш рекомендацп
Таким чином, отримаш результати свiдчать про адекватнiсть динамiчноi нейромережево'1 моделi пристрою керування свгглофором критерiям фунодюнально! спроможностi та показникам надшносп з урахуванням реалiзацii НДМ ПКС на мш-ропроцесорнш елементнiй базi. При цьо-
1. Правила техшчно! експлуатаци залiзниць Украши. Затв. наказом Мшю-терства транспорту Украши вщ 20 грудня 1996 р. №411. 1з змiнами i доповненнями, внесеними наказом Мiнiстерства транспорту Украши вщ 8 червня 1998 р. №226, вщ 23 липня 1999 р. №386, вщ 19 березня 2002 р. №179. - Кшв, 2003. - 134 с.
2. Автоматизированные системы интервального регулирования движения поездов / [А. А. Казаков, В.Д. Бубнов, Е.А. Казаков и др.]. - М.: Транспорт, 1995. -320 с.
3. Бойник А.Б. Безопасность желез-нодорожних перездов: Монография. / А.Б. Бойник - Харьков.: ХФИ "Транспорт Украины", - 2003. - 204 с.
4. Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики / [Вл. В. Сапожников, В.В. Сапожников, Х.А. Христов, Д.В. Гав-зов]; Под. ред. Вл. В. Сапожникова. - М.: Транспорт, - 1995. - 342 с.
5. Путевая блокировка и авторегулировка / Н.Ф. Котляренко, А.В. Шишляков, Ю.В. Соболев, ИЗ. Скрыпин. - М.: Транспорт, 1983. - 408 с.
6. Чепцов М.М, Бойшк А.Б., Кузь-менко Д. М. Методи синтезу сигнально-процесорно'1 централiзащi стршок i сигна-лiв: Монографiя. - Донецьк: "Дон1ЗТ", -2010. - 181 с.
7. Чепцов М.М. Моделi пристроiв керування станцшними св^лофорами / М.М. Чепцов // Схщно-Свропейський журнал передових технологш. - 2009. -№3/8(39), - С. 20-24.
8. Станционные системы автоматики и телемеханики: [Учеб. для вузов ж.-д.
трансп.] / [Вл.В. Сапожников, Б.Н. Елкин, И.М. Кокурин и др.]; Под ред. Вл.В.Сапожникова. - М.: Транспорт, -1997. - 432 с.
9. Кузьменко Д. М., Блиндюк В. С., Чепцов М.М. Нейромережеве моделюван-ня функцш систем залiзничноi автоматики / Д М. Кузьменко, В.С. Блиндюк, М.М. Чепцов // Зб. наук. праць УкрДАЗТ. Ви-пуск 122, - Харюв, - 2011, - С. 33-43.
10. Кузьменко Д.М., Блиндюк В.С., Чепцов М.М. Деградацшний аналiз надш-носп нейродинамiчноi функцюнально!' моделi / Д.М. Кузьменко, В.С. Блиндюк, М.М. Чепцов // Зб. наук. праць УкрДАЗТ. Випуск 124, - Харюв, - 2011, - С. 68-77.
Анотацн:
В работе представлены результаты нейросе-тевого моделирования функций устройства управления светофором.
В робот представлеш результати нейроме-режевого моделювання функцш пристрою керування свилофором.
In work presented results of neural network modeling functions device of traffic light governing.
