CC BY
43
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ТРАНСПОРТЕ
УДК 656.256.3:656.259.9
А. Б. Никитин, д-р техн. наук
И. В. Кушпиль
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I, Санкт-Петербург
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОЕЗДОВ
В статье изложен теоретический подход к решению задачи контроля целостности поездов бортовыми средствами. Проведен анализ существующих подходов и технических решений по данному направлению. В настоящее время отсутствует теоретическая база, необходимая для проектирования и эксплуатации бортовых систем контроля целостности поездов. Были проведены соответствующие теоретические исследования с целью выявления общих закономерностей и алгоритмов, а также синтез аналитических моделей функционирования этих систем. Установлено, каким образом наличие автономного источника питания в составе бортовой системы контроля целостности (в зависимости от эксплуатационных особенностей и ошибок, возникающих в канале связи при передаче данных) влияет на систему управления движением и пропускную способность участков. Это отражено в полученных математических моделях и графиках зависимостей. Результаты будут полезны при проектировании и эксплуатации бортовых систем контроля целостности поездов, систем управления движением, в основе которых лежат принципы спутникового позиционирования.
Контроль целостности поездов, полносоставность, алгоритмы функционирования, принцип работы, управление движением поездов, пропускная способность участков
DOI: 10.20295/2412-9186-2020-6-4-411-434
Введение
Растущий спрос на экономическую эффективность железнодорожных перевозок создает предпосылки для внедрения более эффективных систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ). Изученный опыт зарубежных стран [1—8] позволяет сделать вывод, что экономически выгодные решения, гарантирующие безопасность движения поездов, основаны на использовании надежного цифрового радиоканала, систем спутникового позиционирования и бортовых систем контроля целостности поездов.
Контроль целостности поездов бортовыми средствами — перспективное направление автоматизации перевозочного процесса и одно из ключевых условий для внедрения более эффективных СЖАТ. При этом предполагается перенос функций обеспечения безопасности движения с путевой аппаратуры ЖАТ
(рельсовые цепи, системы счета осей) на локомотив и переход к принципам координатного регулирования движения поездов [9], [10].
Положительный экономический эффект заключается в сокращении количества путевой аппаратуры ЖАТ, снижении риска вандализма и краж, упрощении процесса технического обслуживания.
1. Анализ бортовых систем контроля целостности поездов
Анализ научных публикаций по данной теме [11—15] позволил выделить семь наиболее распространенных способов контроля целостности поездов (КЦП) бортовыми средствами (табл. 1).
Одним из примеров решения задачи КЦП бортовыми средствами, является использование блока хвостового вагона (БХВ) отечественной систем управления тормозами поезда разработки ЗАО «НПП ТОРМО» (рис. 1).
Таблица 1. Основные способы контроля целостности поездов бортовыми средствами
№ Способ Недостатки Примечание
1 Контроль воздушной тормозной магистрали поезда путем измерения давления и объема израсходованного воздуха В случае закупорки труб нарушение целостности не обнаруживается или обнаруживается со значительным опозданием Способ получил широкое распространение, но считается ненадежным
2 Сквозная электрическая цепь с головы поезда к хвостовому вагону Невозможно реализовать на грузовых поездах Способ получил распространение только на пассажирских поездах
3 Измерение времени прохождения радиосигнала между передатчиками, расположенными в голове и хвосте поезда Наличие аккумулятора в хвостовом вагоне, погрешности измерений, возникающие в кривых участках пути Способ получил незначительное распространение
4 Система радиолокационного импульсного контроля, состоящая из путевого радара и бортового активного ответчика Необходимость в напольном комплекте аппаратуры, сложность реализации Способ не получил распространения
5 Контроль длины поезда вРБ-приемниками, расположенными в голове и хвосте поезда, путем постоянного контроля его длины. Для повышения достоверности показаний дополнительно используется одометр Наличие аккумулятора в хвостовом вагоне, отсутствие вРБ-сигнала в тоннелях и гористой местности, значительное энергопотребление хвостового комплекта аппаратуры Способ получил незначительное распространение
Окончание табл. 1
№ Способ Недостатки Примечание
6 Контроль длины поезда при помощи радиодальномера, установленного в голове поезда и направленного в сторону хвоста. На хвостовом вагоне установлена пассивная антенна-рефлектор (без источника питания) Погрешности измерений и вероятность потери сигнала в кривых участках пути, сложность установки хвостового комплекта аппаратуры Способ не получил распространения
7 Построение и контроль топологии сенсорных узлов, размещенных вдоль всего поезда, путем анализа путей связи между ними Необходимость установки нескольких комплектов аппаратуры, сложные алгоритмы функционирования, погрешности измерений Способ не получил распространения
Рис. 1. Внешний вид БХВ
Система применяется для снижения продольных тормозных усилий при вождении поездов свыше 9000 тонн с одним локомотивом путем одновременного торможения головных и хвостовых вагонов состава [16, 17].
В состав БХВ входит: комплект крепления к автосцепке, пневмоблок, аккумуляторная батарея (АКБ), вычислительный модуль (ВМ), радиомодем типа
МОСТ 160 МГц и антенна. Локомотивное оборудование состоит из регулятора локомотивного торможения (РЛТ), модуля регистрации (МР), съемного блока индикации и ввода данных (БИВ), блока сопряжения с САУТ (БСС САУТ), источника питания и радиомодема типа МОСТ диапазона 160 МГц (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема СУТП
Универсальность БХВ заключается в выполнении одним устройством сразу двух функций — тормозной и функции КЦП — путем контроля давления воздуха в тормозной магистрали хвостового вагона. В системе применяется восьмикратный алгоритм передачи данных, что обеспечивает вероятность возникновения опасного отказа на уровне 10-7. Сигналы о состоянии тормозной магистрали передаются с БХВ на локомотив циклически каждые 4—5 с.
Недостатком БХВ является наличие аккумулятора, который в среднем рассчитан на 20—40 часов работы. Значительное энергопотребление имеет радиомодем МОСТ, который в режиме «прием» потребляет 80 % тока БХВ, в режиме «передача» потребление кратковременно увеличивается в шесть раз.
Другой пример реализации принципов КЦП — использование устройств мониторинга и диагностики грузового вагона (УМДВ) на подвижном составе [18] (рис. 3).
Устройство оснащено автономным источником питания и цифровым каналом передачи данных. Устанавливается на месте смотровой крышки буксового узла грузовых вагонов и контролирует местоположение каждого вагона, состояние рельсового пути, пробег вагона, температуру буксового узла и т. д.
Такой функциональный набор позволяет обеспечить достоверный контроль целостности поезда за счет пространственно-координатного контроля местопо-
Рис. 3. Внешний вид УМДВ
ложения каждого вагона и к тому же отказаться от аппаратуры КТСМ. Однако дооснащение вагонного парка потребует значительных вложений.
Сейчас не существует общепринятых требований к бортовым системам контроля целостности поездов (СКЦП). Зарубежные нормативные источники содержат различные показатели. Отечественная нормативная документация вовсе отсутствует, а те показатели, которые приводятся в статьях и докладах конференций [11, 12], основаны главным образом на переводах зарубежных документов. Приведем некоторые требования, основанные на анализе нормативных источников [14] по данному направлению (табл. 2).
К бортовым СКЦП предъявляются свои функциональные требования [13]:
• процесс соединения с системой целостности должен занимать минимум времени и состоять из минимума операций;
• система целостности должна функционировать без непосредственного участия человека;
• машинист должен постоянно иметь достоверную информацию о целостности поезда.
К аппаратным средствам бортовых СКЦП предъявляются свои требования:
• беспроводная связь предпочтительнее проводной;
• система целостности не должна требовать радикальных изменений в конструкции вагонов: это должно быть простое дополнение к существующему вагонному парку;
• необходимо использовать надежные, ударопрочные и вандалоустойчивые аппаратные средства и материалы с широким рабочим температурным диапазоном, способные функционировать в суровых климатических условиях;
• система целостности должна быть максимально энергоэффективной.
Проведенный анализ показал, что основные направления исследований
по данной теме сосредоточены обычно на каком-то одном способе КЦП, без теоретического подхода к задаче в целом.
Таблица 2. Количественные требования, предъявляемые к СКЦП международными железнодорожными организациями
Организация, предъявляющая требования Точность измерения длины поезда Доступность (коэффициент готовности) Уровень безопасности Допустимая погрешность измерения длины поезда, L Время реагирования системы
GRAIL < 10 м 99,98 % — для магистральных линий 95 % — для малодеятельных линий SIL 4 < 2 L — для высокоскоростных линий < 37,8 % L — для линий со смешанным движением
SUGAST 6-50 м -для высокоскоростных линий > 50 м — для малодеятельных линий 99,98 % SIL 4 < 10 с
GNSS (Rail) < 10 м 99,98 % SIL 2 - SIL 4 — 10-30 с
Примечание: SIL 2: > 10-7 1/ч - < 10-6 1/ч; SIL3: > 10-8 1/ч - < 10-7 1/ч; SIL 4: > 10-9 1/ч - < 10-81/ч
Таким образом, целью данной статьи является теоретическое исследование бортовых СКЦП для установления общих закономерностей и алгоритмов, а также синтез аналитических моделей их функционирования.
2. Принцип построения и разработка алгоритмов функционирования СКЦП
Бортовые СКЦП имеют типовой принцип построения. В общем случае они состоят из локомотивного комплекта аппаратуры (ЛКА), вагонного комплекта аппаратуры (ВКА) и среды передачи данных. Вагонный комплект аппаратуры может быть как с источником питания (активный), так и без него (пассивный), (рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема бортовых СКЦП
В состав локомотивного комплекта входят приемопередатчик (радиомодем, базовая радиостанция, радиодальномер и т. д.), вычислительное устройство (принимает решение о целостности поезда), источник питания.
Активный вагонный комплект включает в себя приемопередающее устройство, контроллер, датчики и источник питания. Пассивный состоит из рефлектора сигнала.
В качестве среды передачи данных может использоваться цифровой радиоканал, оптический или звуковой канал связи.
В бортовых СКЦП с пассивным ВКА отсутствует источник питания. Информационный обмен между ЛКА и ВКА осуществляется посредством отражения сигнала (отклика), посланного ЛКА от антенны-рефлектора, установленной на хвостовом вагоне в зоне прямой видимости сигнала. По полученному отклику локомотивный комплект аппаратуры принимает решение о целостности поезда. Разработан соответствующий алгоритм функционирования (рис. 5).
Особенностью СКЦП с активным ВКА является наличие источника питания. Информационный обмен между локомотивным и вагонным комплектами осуществляется по цифровому радиоканалу. Информация с датчиков ВКА формируется в пакеты данных и транслируется в ЛКА, где принимается решение о целостности [19].
Этот тип бортовых СКЦП имеет расширенные функциональные и технические возможности: применение методов кодирования информации, дополни-
Рис. 5. Алгоритм функционирования бортовой СКЦП с пассивным ВКА
тельные функции ТИ и ТС, простота монтажа. Разработан соответствующий алгоритм функционирования (рис. 6).
3. Исследование характеристик источника питания СКЦП
Наличие автономного источника питания (аккумулятора) в составе ВКА накладывает ограничения на функционирование СКЦП. К ним можно отнести зависимость времени работы СКЦП от емкости источника питания, его зарядных и разрядных характеристик, температуры окружающей среды и т. д.
Рис. 6. Алгоритм функционирования СКЦП с активным ВКА
Возникают следующие задачи.
1. Определение типа аккумулятора с наилучшими характеристиками, способного обеспечить максимальное время работы СКЦП на одном заряде.
2. Определение ожидаемого времени работы аккумулятора на одном заряде в зависимости от эксплуатационных условий.
Для решения первой задачи проведем исследование технических и эксплуатационных характеристик аккумуляторов, представленных на рынке [20], [21] (табл. 3).
Таблица 3. Технические и эксплуатационные характеристики аккумуляторов
Тип аккумулятора Технические характеристики (усредненные значения)
ЭДС, В Диапазон рабочих температур, °C Удельная энергоемкость, Вт-ч/кг Саморазряд, % за 1 месяц Допустимая глубина разряда, В Срок службы, циклов
Свинцово-кислотный 2,1 —40...+40 25-40 « 15 до 1,75 до 800
Никель-кадмиевый 1,35 —50...+40 45-65 « 10 до 1 до 900
Никель-металло-гидридный 1,25 —40...+55 60-120 « 10 до 1 до 1500
Литий-ионный 3,7 -60...+85 110-270 « 2-5 до 2,5 до 5000
Эксплуатационные характеристики
Обслуживание Влияние на экологию Сфера применения
Свинцово-кислотный требуется опасен транспорт, резервные источники питания
Никель-кадмиевый не требуется опасен транспорт, авиация, судостроение
Никель-металло-гидридный не требуется безопасен медицина, радиоаппаратура, ракетно-космическая отрасль
Литий-ионный не требуется опасен транспорт, бытовая техника
Табличные данные свидетельствуют об очевидном преимуществе литий-ионных аккумуляторов, которое выражено в широком рабочем температурном диапазоне, низком значении саморазряда, длительном сроке службе, высокой удельной энергоемкости электролита, что обеспечит, в сравнении с другими типами аккумуляторов, максимальное время работы ВКА от одного заряда при минимальных габаритах аккумулятора.
Решение второй задачи сводится к составлению аналитической модели определения ожидаемого времени работы аккумулятора (Т акк) в зависимости от величины потребляемого тока ВКА за один период контроля целостности поезда
(Т цел) и условий эксплуатации, с целью дальнейшего получения графика зависимости вида Т = /*(Т ).
акк. ^ у цел/
Один период Т цел состоит из двух более коротких временных периодов:
• периода «сна» (Т ), когда ВКА находится в состоянии ожидания запроса от ЛКА и потребляет за единицу времени минимальный ток I сна;
• периода «активности» (Т а^.), когда ВКА принимает запросы (Т прием), обрабатывает их (Т обР), снимает информацию с датчиков (Т ), формирует пакет данных (Т форМ) и передает данные на ЛКА (Т перед) в соответствии с алгоритмом (см. рис. 6). Ток, потребляемый за единицу времени каждого периода, выражается как I , I , I - , I , , I, , I (соответственно). Графически это можно
акт/ прием обр/ инф/ форм/ перед. у / !г т
изобразить следующим образом (рис. 7).
Y
Рис. 7. Диаграмма функционирования активного ВКА
Опираясь на вышеизложенное, получим следующую группу выражений:
Т = Т + Т
цел. сна акт.
Т = Т + Т + Т + Т + Т
± акт. прием 1 обр. инф. форм. перед.
^цел. _ У ^сна +У ^акт. УI = I т
сна сна сна
УI = I т +1 т +1 т +
акт. прием прием обр. обр. инф. инф.
+1 т +1 т
форм. форм. перед. перед.
(1)
где I цел — величина потребляемого тока за один период Т цел, мА.
Следует отметить, что Т аКТ. и, следовательно, У I аКТ. можно считать условно постоянными величинами, т. к. они зависят только от особенностей аппаратных
средств ВКА, а величина Т и, следовательно, XI являются переменными
сна сна.
величинами, зависимыми от установленного значения Т .
' J цел.
Зная I , можно вычислить Т как:
ТТР.ТТ 7 яктг
с
т _ акк. т (2)
акк._ j цел.' (2/
цел.
с
где C акк — емкость аккумулятора ВКА, мАч, а —акк- — ожидаемое количество
1 цел.
возможных передач.
0.1 1 10 100 10ОО
Current (mA)
Рис. 8. Графики зависимости емкости батареи от температуры окружающей среды и тока нагрузки (батарея Saft; тип LS 33600; 17,0 А-ч)
0.01 0.1 1 10 100
Current [mA)
Рис. 9. Графики зависимости емкости батареи от температуры окружающей среды и тока нагрузки (батарея Saft; тип LS 142500; 1,2 А-ч)
Однако выражение (2) позволяет вычислить только теоретически возможный максимум Т акк, достижимый в идеальных условиях эксплуатации. На практике же значительное влияние на C акк оказывает температура окружающей среды. В качестве примера приведем графики зависимости емкости (сараейу) литиевых батарей от температуры окружающей среды и тока нагрузки (сштеП;), см. рис. 8, 9 [22].
Из графиков видно, что с понижением температуры наблюдается значительное снижение емкости источника питания. Например, при температуре —40 °C и токе нагрузки 10 мА потенциальная емкость батареи снижается с 17 Ач до 10 Ач (рис. 8), что нужно учитывать при расчете Т акк.
4. Влияние ошибок, возникающих в канале связи,
на функционирование СКЦП
Ошибки, возникающие в канале связи при передаче данных, оказывают влияние на Т [23]. При этом Т снижается из-за необходимости повтор-
акк. L J г акк. r
ных передач, уменьшающих ожидаемое количество безошибочных передач (2). Ошибки могут возникать из-за шумов, искажений и замираний сигнала, явления интерференции и т. д.
Количество ошибок, которые появляются на приемном конце при передаче данных, принято характеризовать коэффициентом битовых ошибок — BER (bit error ratio). Это безразмерная величина, указывающая на число битов из общего количества информации, которые исказятся при передаче:
n
BER = (3)
Побщ.
где пошиб — количество ошибочно принятых битов; побщ — общее количество переданных битов.
Предполагается, что информационный обмен осуществляется в режиме неполного декодирования (обнаружение ошибок без исправления), а вероятность трансформации информационной посылки на несколько порядков меньше вероятности появления отказа от декодирования (зависит от выбранного способа кодирования), что позволяет пренебречь ею в расчетах.
Условимся, что критерием необходимости повторной передачи является искажение хотя бы одного бита в принятом ЛКА от ВКА пакете данных. Тогда целесообразен переход от понятия «искаженный бит» к понятию «искаженный пакет» — PER (packet error ratio). Аналогично BER эта величина указывает на количество пакетов из общего числа пакетов, которые исказятся при передаче. При условии, что битовые ошибки не зависят друг от друга, PER определяется как [24]:
PER = 1 - (1 - BER)N = 1 - eN log(1-BER), (4)
где N — длина пакета, бит.
Введем в (2) коэффициент PER и получим выражение, позволяющее учесть влияние ошибок, возникающих в канале связи, на Т :
Т =
акк.
f C C Л
акк. акк. . PER
V1 цел. I цел. у
цел.
(5)
где
C
. per
V 1 цел. у
ожидаемое количество ошибочных передач.
На основе полученных моделей (1), (5) и исходных данных (табл. 4, 5) получим графики зависимости Т = f(Т ) для различных значений PER (рис. 10).
Таблица 4. Первичные исходные данные для построения графика зависимости Т = f (Т )
акк. 1 цел/
Т , цел." мин. Т , акт." мин. I I , акт.' мА Т , сна." мин. I , сна." мА/мин. I I , сна.' мА I , цел.' мА C , акк." мА-ч PER
1 0,05 0,3 0,95 0,05 0,048 0,348 5000 1-101,
2 1,95 0,098 0,398 1-10-2, 1-10-3, 1-10-4,
3 2,95 0,148 0,448
4 3,95 0,198 0,498 1-10-5, 0
5 4,95 0,248 0,548
6 5,95 0,298 0,598
7 6,95 0,348 0,648
8 7,95 0,398 0,698
9 8,95 0,448 0,748
10 9,95 0,498 0,798
11 10,95 0,548 0,848
12 11,95 0,598 0,898
13 12,95 0,648 0,948
14 13,95 0,698 0,998
15 14,95 0,748 1,048
16 15,95 0,798 1,098
17 16,95 0,848 1,148
18 17,95 0,898 1,198
19 18,95 0,948 1,248
20 19,95 0,998 1,298
Таблица 5. Итоговые исходные данные для построения графика зависимости Т = f (Т )
Т , мин. цел.' Т , мин. акк." (PER= =Н0-1) Т , мин. акк. (PER= = 1-10-2) Т , мин. акк. (PER= =1-10-3) Т , мин. акк. (PER= =1-10-4) Т , мин. акк. (PER= =1-10-5) Т , мин. акк." (PER=0)
1 12931 14224 14353 14366 14368 14368
2 22613 24874 25101 25123 25125 25126
3 30134 33147 33449 33479 33482 33482
4 36145 39759 40120 40157 40160 40161
5 41058 45164 45575 45616 45620 45620
6 45151 49666 50117 50162 50167 50167
7 48611 53472 53958 54007 54012 54012
8 51576 56734 57249 57301 57306 57307
9 54144 59559 60100 60154 60160 60160
10 56391 62030 62594 62650 62656 62657
11 58373 64210 64794 64852 64858 64858
12 60134 66147 66748 66808 66814 66815
13 61709 67880 68497 68559 68565 68565
14 63126 69439 70070 70133 70140 70140
15 64408 70849 71493 71558 71564 71565
16 65574 72131 72787 72852 72859 72860
17 66638 73301 73968 74034 74041 74042
18 67613 74374 75050 75118 75124 75125
19 68510 75361 76046 76114 76121 76122
20 69337 76271 76965 77034 77041 77042
Примечание: в качестве исходных данных были использованы усредненные значения потребления тока цифровым радиопередатчиком LoRaWAN [23], при этом в расчетах не учитывается влияние длины поезда на величину тока /перед.
Отметим, что на графике намеренно не показаны кривые со значениями PER= = 110-3; 110-4; 110-5, т. к. они практически полностью сливаются с кривой PER=0 и поэтому не будут различимы. Кривая PER=0 соответствует идеальным условиям, при которых в канале связи не возникают ошибки (2).
5. Влияние СКЦП на пропускную способность однопутных участков
При использовании бортовых СКЦП целостность поезда регулярно контролируется с заданной периодичностью T , после чего информация о це-
Рис. 10. График зависимости Т = ((Т ) при C = 5000 мА-ч
г ~ акк. 1 цел/ г акк.
лостности и местоположении поезда передается на опорную станцию за время Гред. Там полученная информация обрабатывается за время То'бр и передается поездам, находящимся в пределах участка управления за время Т"ред. Далее она обрабатывается локомотивной аппаратурой и воспринимается машинистом за время Т" .
г обр.
Постановка задачи. Установить, как периодичность Тцел влияет на наличную пропускную способность однопутных участков N N = / (Тцел)] с целью определения минимально допустимой периодичности Тцел для заданных размеров движения и решения обратной задачи.
Решение сводится к определению минимально допустимого межпоездного интервала Т, мин. Построим схему, отражающую суть исследуемой задачи (рис. 11).
Из схемы видно, что для соблюдения условий БДП должно выполняться условие J > Тцел, при этом формула расчета межпоездного интервала имеет следующий вид:
Т = Т + Т ' + Т ' + Т " + Т " (6)
цел. перед. обр. перед. обр.
Однако при таком способе расчета Т на идущем сзади поезде будет постоянно срабатывать служебное торможение для его гарантированной остановки в расчетной стоп-точке. Чтобы движущиеся вслед поезда не снижали скорость из-за несвоевременно полученной информации о целостности идущего впереди
Рис. 11. Схема исследуемой задачи
поезда, в выражение (6) нужно дополнительно включить ожидаемое время, которое будет затрачено на служебное торможение идущего сзади поезда Тторм см. рис. 11 [25].
Тогда выражение (6) принимает вид:
Т = Т + Т ' + Т ' + Т " + Т " + Т
цел. перед. обр. перед. обр. торм.
V , (7)
Т = п ' у '
торм. _
а торм.
где Уп — скорость сзади идущего поезда (установленная скорость движения на участке); а торм — нормальное ускорение торможения сзади идущего поезда. Допущение 1. Ввиду того, что сумма временных отрезков Т' , Т' , Т ",
' ' ^ 7 ' г г перед.' обр.' перед. '
Т" является незначительной, ими можно пренебречь в расчетах, что упростит выражение (7), следовательно:
Т = ^цел. + ^торм.. (8)
Наличная пропускная способность однопутных участков (Жн) рассчитывается в парах поездов с округлением результата в меньшую сторону следующим образом [26]:
х = (1440-*техн.)-ан • К, (9)
н гр
период
где 1440 — количество минут в сутках; *техн — длительность технологических окон (для однопутных участков принимается равной 75 мин); ан — коэффициент надежности работы технических устройств (на однопутных линиях с тепловозной тягой принимается равным 0,92); Тпериод — период графика, мин; К — число пар поездов в периоде графика.
Допущение 2. Движение поездов с применением бортовых СКЦП фактически реализовано по принципу подвижных блок-участков, что условно соответствует пакетному графику движения (рис. 12).
Период графика при пакетном графике движения определяется как:
Тпериод = У + У' + + ' + *з'з+ * '' +ТА +Тб + (п -1) • (/' + /"), (10)
где *р' + *р '' — суммарное время разгонов поездов; * ' +* '' — суммарное время хода поездов по перегону; *з ' + *з '' — суммарное время замедлений поездов; тА, тБ — станционные интервалы ст. А и ст. Б. п — число поездов в пакете; Т , Т" — межпоездной интервал в пакете нечетного и четного направлений, мин; символы «'» и «''» означают четное и нечетное направления движения соответственно.
Полная формула расчета наличной пропускной способности при использовании бортовых СКЦП примет вид:
N =_(1440-*техн)•ан • К_
х н
у + *р' ' + * ' + * ' ' + *з' + *з' ' +тА + тБ +(п-1) •(/ ' + Т ') Т' = Т ' + Т ' (11)
цел. торм.
ТП _ гр " гр »
~ цел. торм.
По выражению (11) и исходным данным (табл. 6) выполним моделирование с целью получения графика зависимости Хн = /(Т ), а затем, наложив на него график зависимости Т акк =/(Тцел) при РЕЯ=0 (см. рис. 10), получим результирующий график зависимости вида Т = /(Т , N) (рис. 13).
Заключение
Общемировые тенденции развития экономически эффективных систем управления движением поездов идут по пути совершенствования и внедрения в перевозочный процесс систем спутникового позиционирования, бортовых СКЦП и надежных систем цифровой радиосвязи.
Рис. 12. Пример однопутного пакетного графика движения поездов Таблица 6. Исходные данные для построения графика зависимости Мн = 1 (Т ел)
t, техн" мин. а н t'+t', p з ' мин t' '+t' ', p з ' мин ТЛ + ТБ, мин t', мин t' ', мин n, ед. К, ед. T ' — цел. — T ' ' цел. мин T ' — торм. — T ", торм. " мин J = J", мин
75 0,92 3 3 5 20 20 2 2 1 2 3
2 4
3 5
4 6
5 7
6 S
7 9
S 10
9 11
10 12
11 13
12 14
13 15
14 16
15 17
16 1S
17 19
18 20
19 21
20 22
Рис. 13. График зависимости вида T = f (T , N ) при C = 5000 мА-ч
ИРП v якк/ И7 1 якк
Проведенные теоретические исследования показали, что бортовые СКЦП имеют общий принцип построения и функционирования и обеспечивают работу систем интервального регулирования движения поездов посредством контроля целостности поездов, обращающихся на участке.
Было установлено, что при наличии аккумулятора в составе бортовых СКЦП накладываются ограничения на продолжительность работы этих устройств. Полученные зависимости позволяют определить наличную пропускную способность с учетом продолжительности работы бортовой СКЦП на одном заряде. Установлено, что условия эксплуатации и ошибки, возникающие в канале связи, влияют на продолжительность работы бортовой СКЦП.
Полученный график, отражающий зависимость наличной пропускной способности участков от периодичности контроля целостности поездов, позволяет оптимизировать параметры работы аккумулятора бортовой СКЦП за счет изменения периодичности контроля целостности поездов при расчете межпоездных интервалов.
Библиографический список
1. Wang J. A train control system for low density line in China / J. Wang, M. Cheng, C. Baigen, L. Jiang // Journal of the China railway society. - 2015. - P. 46-52.
2. Материалы компаний JR East. ATACS - японская система управления движением поездов по радиоканалу // Железные дороги мира. - 2017. - № 1. - С. 56-60.
3. Shigeto H. Train control system for secondary lines using radio communications in specific area / H. Shigeto, F. Mitsuyoshi, F. Hiroyuki, O. Yuto // Quarterly Report of RTRI. - 2012. -Vol. 53. - № 1. - P. 1-6.
4. Barbu G. SATLOC - система управления движением поездов на базе спутниковой навигации для малодеятельных линий / G. Barbu // Железные дороги мира. - 2014. - № 6. -С. 63-67.
5. Graham H. Implementation of electronic train order working on the NSW country regional network / H. Graham // AusRAIL. - 2015. - P. 1-7.
6. Hyunjeong J. Development of the on-board centered train control system to enhance efficiency of low-density railway line / J. Hyunjeong, K. Gonyop, B. Jonghyen, L. Kangmi, K. Yong-kyu // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2012. - P. 269-276.
7. Norris D. Cost effective signaling for secondary lines / D. Norris, S. Axelsson // Signal+Draht. -1999. - P. 599-603.
8. Geistler A. ETCS уровня 2 с альтернативными системами радиосвязи / A. Geistler, M. Schwab // Железные дороги мира. - 2013. - № 10. - С. 57-63.
9. Попов П. А. Основные принципы контроля корректности бортовой системы позиционирования средствами железнодорожной автоматики / П. А. Попов, И. Н. Королев, П. Д. Мыльников // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 4. - С. 355-366.
10. Шаманов В. И. Системы интервального регулирования движения поездов с цифровыми радиоканалами / В. И. Шаманов // Автоматика на транспорте. - 2018. - Т. 4. - № 2. -С. 223-240.
11. Quante F. Контроль полносоставности грузовых поездов // Железные дороги мира. -2005. - № 2. - С. 43-48.
12. Марюхненко В. С. Радиолокационная система контроля целостности железнодорожного подвижного состава с активным ответом / В. С. Марюхненко, М. А. Гурулёва // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2016. - № 2. - С. 158167.
13. Scholten H. Sensing Train Integrity / H. Scholten, R. Westenberg, M. Schoemaker // IEEE SENSORS 2009 Conference. - 2009. - P. 669-674.
14. Report on rail user needs and requirements (outcome of the European GNSS' user consultation platform) // European-GNSS-Agency. - 2018. - 1st ed. - 80 p.
15. Train Integrity Concept and Functional Requirements Specifications // European railway agency. - 2018. - 3rd ed. - 83 p.
16. Блок хвостового вагона 034. Руководство по эксплуатации 034.00.000 РЭ. - 2012. - 18 с.
17. Гончаров А. В. Система управления тормозами поезда (СУТП) : Методическая разработка / А. В. Гончаров. - Кулунда : ОАО «РЖД», 2009. - 28 с.
18. Устройство мониторинга и диагностики вагона. - URL : https://ratorm.ru/produktsiya/ ustrojstvo-monitoringa-i-diagnostiki-vagona (дата обращения : 20.01.2020).
19. Никитин А. Б. Принцип построения и алгоритмы функционирования бортовых систем контроля целостности поездов / А. Б. Никитин, Н. В. Шаталова, И. В. Кушпиль // «Транспорт России : проблемы и перспективы-2019» : Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - СПб. : ИПТ РАН, 2019. - 324 с.
20. Электрический аккумулятор. - URL : https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_ак-кумулятор (дата обращения : 20.10.2019).
21. Primary Lithium. - URL : https://www.saftbatteries.com/products-solutions/products (дата обращения : 20.10.2019).
22. LS, LSH, LSP. - URL : https://www.saftbatteries.com/products-solutions/products/ls-lsh? text=&tech=80&market=&sort=newest&submit=Search (дата обращения : 21.10.2019).
23. Casals L. Modeling the Energy Performance of LoRaWAN / L. Casals, B. Mir, R. Vidal, C. Gomez // Sensors. - 2017. - N 17, 2364. - P. 1-30.
24. Bit error rate. - URL : https://en.wikipedia.org/wiki/Bit_error_rate (дата обращения : 22.10.2019).
25. Pearson L. Moving block railway signalling. Ph. D. thesis / L. Pearson. - England : Loughborough University of Technology, 1973. - 320 p.
26. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог. - М. : Стандартинформ, 2010. - 175 с.
A. B. Nikitin I. V. Kushpil'
The department of "Automation and Telemechanics on the Railway" Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Saint Petersburg
RESULTS OF STUDYING TECHNICAL MEANS OF TRAIN INTEGRITY MONITORING
The article describes a theoretical approach to solving the problem of train integrity monitoring by on-board means. The existing approaches and technical solutions in this area have been analyzed. Currently, no theoretical basis required for the design and operation of on-board train integrity monitoring systems exists. Topical theoretical studies have been carried out to identify general patterns and algorithms, as well as the synthesis of analytical models of the functioning of these systems. It has been established how an independent power source within the on-board train integrity monitoring system (depending on the operational features and errors occurring in the communication channel during data transmission) affects the traffic control system and the section capacity. This is represented by the obtained mathematical models and dependency graphs. The results obtained will be useful in the design and operation of on-board train integrity monitoring systems and traffic control systems governed by satellite positioning rules.
Train integrity monitoring, completeness, algorithms of functioning, the principle of operation, train traffic control, section capacity
DOI: 10.20295/2412-9186-2020-6-4-411-434 References
1. Wang J., Cheng M., Baigen C. & Jiang L. (2015) A train control system for low density line in China. Journal of the China railway society, pp. 46-52.
2. (2017) Materialy kompaniy JR East. ATACS - yaponskaya sistema upravleniya dvizheniyem poyezdov po radiokanalu [JR East materials. ATACS - Japanese radio train control system]. Zheleznyye dorogi mira [Railways of the world], no. 1, pp. 56-60. (In Russian)
3. Shigeto H., Mitsuyoshi F., Hiroyuki F. & Yuto O. (2012) Train control system for secondary lines using radio communications in specific area. Quarterly Report ofRTRI, vol. 53, no. 1, pp. 1-6.
4. Barbu G. (2014) SATLOC - sistema upravleniya dvizheniyem poyezdov na baze sputnikovoy navigatsii dlya malodeyatel'nykh liniy [SATLOC - Satellite-based railways traffic management system for low traffic lines]. Zheleznyye dorogi mira [Railways of the world], no. 6, pp. 63-67. (In Russian)
5. Graham H. (2015) Implementation of electronic train order working on the NSW country regional network. AusRAIL, pp. 1-7.
6. Hyunjeong J., Gonyop K., Jonghyen B., Kangmi L. & Yongkyu K. (2012) Development of the on-board centered train control system to enhance efficiency of low-density railway line. Springer-VerlagBerlin Heidelberg, pp. 269-276.
7. Norris D. & Axelsson S. (1999) Cost effective signaling for secondary lines. Signal+Draht, pp.599-603.
8. Geistler A. & Schwab M. (2013) ETCS urovnya 2 s al'ternativnymi sistemami radiosvyazi [ETCS level 2 with alternative radio communication systems]. Zheleznyye dorogi mira [Railways of the world], no. 10, pp. 57-63. (In Russian)
9. Popov P. A., Korolev I.N. & Myl'nikov P. D. (2015) Osnovnyye printsipy kontrolya kor-rektnosti bortovoy sistemy pozitsionirovaniya sredstvami zheleznodorozhnoy avtomatiki [Basic principles of monitoring the correctness of the on-board positioning system by railway automation means]. Avtomatika na transporte [Automatic Equipment in Transport], vol. 1, no. 4, pp. 355-366. (In Russian)
10. Shamanov V.I. (2018) Sistemy interval'nogo regulirovaniya dvizheniya poyezdov s tsifrovymi radiokanalami [Systems of train traffic interval control with digital radio channels]. Avtomatika na transporte [Automatic Equipment in Transport], vol. 4, no. 2, pp. 223-240. (In Russian)
11. Quante F. (2005) Kontrol' polnosostavnosti gruzovykh poyezdov [Monitoring the completeness of freight trains]. Zheleznyye dorogi mira [Railways of the world], no. 2, pp. 43-48. (In Russian)
12. Maryukhnenko V. S. & Gurulyova M. A. (2016) Radiolokatsionnaya sistema kontrolya tsel-ostnosti zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava s aktivnym otvetom [Active response radar system for monitoring the integrity of railway rolling stock]. Sovremennyye tekhnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovaniye [Modern technologies. System analysis. Modeling], no. 2, pp. 158-167. (In Russian)
13. Scholten H., WestenbergR. & Schoemaker M. (2009) Sensing Train Integrity. IEEE SENSORS 2009 Conference, pp. 669-674.
14. (2018) Report on rail user needs and requirements (outcome of the European GNSS' user consultation platform). European-GNSS-Agency, 1st ed., 80 p.
15. (2018) Train Integrity Concept and Functional Requirements Specifications. European railway agency, 3rd ed., 83 p.
16. (2012) Blok khvostovogo vagona 034 [Tail car unit 034]. Rukovodstvo po ekspluatatsii 034.00.000 РЭ [Operating manual 034.00.000RE]. (In Russian)
17. Goncharov A. V. (2009) Sistema upravleniya tormozami poyezda (SUTP): Metodicheskaya razrabotka [Train brake control system (TBCS): guidance paper]. Kulunda, JSC Russian Railways Publ., 28 p. (In Russian)
18. Ustroystvo monitoringa i diagnostiki vagona [Device for monitoring and diagnostics of a cargo wagon]. URL: https://ratorm.ru/produktsiya/ustrojstvo-monitoringa-i-diagnostiki-vagona (accessed: January 20, 2020). (In Russian)
19. Nikitin A. B., Shatalova N. V. & Kushpil'I. V. (2019) Printsip postroyeniya i algoritmy funk-tsionirovaniya bortovykh sistem kontrolya tselostnosti poyezdov [Principle of arrangement and operation algorithms of on-board train integrity monitoring systems]. Transport Rossii: problemy iperspektivy - 2019 [Transport of Russia: problems and prospects - 2019]: Ma-terialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference]. Saint Petersburg, IPT RAS (Institute of Transport Problems of the Russian Academy of Sciences) Publ., 324, p. (In Russian)
20. Elektricheskiy akkumulyator [Electric accumulator]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электрический_аккумулятор (accessed: October 20, 2019). (In Russian)
21. Primary Lithium. URL: https://www.saftbatteries.com/products-solutions/products (accessed: October 20, 2019). (In Russian)
22. LS, LSH, LSP. URL: https://www.saftbatteries.com/products-solutions/products/ls-lsh?text =&tech=80&market=&sort=newest&submit=Search (accessed: October 21, 2019).
23. Casals L., Mir B., Vidal R. & Gomez C. (2017) Modeling the Energy Performance of LoRaWAN. Sensors, no. 17, 2364, pp. 1-30.
24. Bit error rate. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Bit_error_rate (accessed: October 22, 2019).
25. Pearson L. (1973) Moving block railway signalling. Ph. D. thesis. England, Loughborough University of Technology Publ., 320 p.
26. (2010) Instruktsiya po raschetu nalichnoy propusknoy sposobnosti zheleznykh dorog [Guidelines for calculating the available capacity of railways]. Moscow, Standartinform Publ., 175 p. (In Russian)
Статья представлена к публикации членом редколлегии Л. А. Барановым Поступила в редакцию 22.02.2020, принята к публикации 02.07.2020
НИКИТИН Александр Борисович — доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
e-mail: nikitin@crtc.spb.ru
КУШПИЛЬ Игорь Васильевич — аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
e-mail: i_kushpil@mail.ru
© Никитин А. Б., Кушпиль И. В., 2020
