CC BY
10
УДК 625
РАДКОВСКИЙ С.А., канд. техн. наук, доцент (Донецкий институт железнодорожного
транспорта)
ГЕРАСИНА И.Г., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
ЛАШКО О.В., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Современные тенденции совершенствования систем переездной сигнализации
Radkovsky S.A., Candidate of Technical Science, Associate Professor (DRTI) Gerasina I.G., Senior Lecturer (DRTI) Lashko O.V., Assistant (DRTI)
Modern trends in the improvement of moving removal signaling systems
Введение
Железнодорожный переезд
представляет собой пересечение автомобильных дорог и
железнодорожных путей на одном уровне. Являясь сложным и опасным элементом транспортной сети, к данным элементам железных дорог
предъявляются высокие требования по безопасности движения, в связи с чем они оборудуются различными системами переездной сигнализации [1 ].
Анализ последних исследований и публикаций
Обеспечение безопасного
движения транспорта через
железнодорожные переезды, как правило, является одной из главных задач. В то же время её выполнение во многом упрощается, если принципы построения систем управления устройствами, ограждающих схемы извещения и увязки, разработанных в конструкторских организациях,
выбраны оптимально для конкретного переезда. Особенно это актуально для
проектных и эксплуатационных организаций в настоящее время, когда при увеличении скорости движения отдельных категорий поездов необходимо значительное изменение длины участка извещения и дополнительный предварительный контроль надежности
функционирования систем управления устройствами ограждающих
конструкций.
Широко используемые релейно-контактные системы, в основном, имеют строгий алгоритм
функционирования, низкое
быстродействие, недостаточный объём памяти, отказ или неисправность любого элемента такой структуры не исключает возможность небезопасного состояния ограждающих устройств при приближении к переезду поездов [2].
Во многом устранить указанные недостатки можно за счет расширения функциональных возможностей систем управления. Наиболее перспективным направлением дальнейшего их совершенствования является
техническая реализация систем на современной и более эффективной
элементной базе - микропроцессорной технике. Очевидно, одновременно с этим будет разработка их оптимальных принципов функционирования
надежности работы.
Необходимый уровень надежности функционирования микропроцессорных систем управления может быть достигнут увеличением их
быстродействия при традиционном принципе обработки или
информационно-организационной последовательно-параллельного принципа работы при существующем коде. Этого можно достичь следующим образом:
1) применением проблемно-ориентированных последовательно-параллельных промышленных контроллеров;
2) одновременного использования нескольких параллельно работающих промышленных контролеров с последовательной обработкой информации.
Аналоги из мирового опыта применения микропроцессорных
устройств в системах железнодорожной автоматики, все-таки, свидетельствуют об относительном приоритете испытания нескольких промышленных контроллеров с последовательной обработкой информации. Это, в основном, объясняется относительно небольшим количеством
информационных входных и
управляющих выходов.
В то же время системы управления ограждающими устройствами
переездов, расположенными на железнодорожных участках с современными, в том числе и спутниковыми устройствами ИРДП, по причине обработки большого количества информации могут быть реализованы только на
микропроцессорной элементной базе
[3]. В связи с этим необходимо разработать возможные структуры таких систем управления
ограждающими устройствами и определить влияние возможных отказов на надежность и безопасность их функционирования.
Анализу отказов
микропроцессорных систем управления технологическими процессами
промышленных объектов посвящено достаточно большое число научных работ. При этом все отказы таких систем рекомендуется подразделять на аппаратные и программные.
Цель работы
Целью статьи является выявление тенденции совершенствования систем переездной сигнализации.
Основная часть
В мировой практике в системах железнодорожной автоматики
применяются микропроцессорные
системы управления только с неразрушающим принципом
воздействия отказов. В то же время, в соответствии с требованиями Европейского стандарта СЕКЕЬЕС ЕКУ 50129 в части систем управления ограждающими устройствами
переездов, все виды необходимо своевременно выявлять и
классифицировать на небезопасные и безопасные для движения транспорта с целью дальнейшего отражения их в воздействии [4]. Это предполагает в случаях возникновения опасных отказов перевод ограждающих устройств в такое состояние, когда водители автотранспортных средств смогут принимать безопасные для движения транспорта решения.
С этой целью в системах управления ограждающими
устройствами одновременно должны реализовываться два процесса: рабочий и контрольный. Рабочий процесс - это процесс управления ограждающими устройствами в зависимости от места, расстояния и параметров движения поездов и автотранспортных средств, а контрольный - это процесс контроля работоспособности системы
классификации отказов по влиянию на безопасность движения транспорта. При возникновении опасных отказов рабочий процесс должен прекращаться и ограждающие устройства должны переводиться в защитное состояние.
Поэтому возникает необходимость определения вероятности
возникновения опасных отказов, что позволит в дальнейшем добиться требуемых показателей надежности и безопасности.
С связи с невозможностью полного исключения опасных отказов в системах управления необходимо выполнять разработку принципов построения микропроцессорных систем с учетом возможности возникновения опасных отказов как в аппаратных средствах, так и в программном обеспечении.
Применительно к системам управления ограждающими
устройствами особый интерес представляют методы сравнения выходных параметров сигналов в нескольких каналах и сравнение промежуточных значений параметров сигналов в контрольных точках.
Наиболее эффективным методом отражения опасных отказов
программного обеспечения является метод сопоставления промежуточных результатов обработки выходной информации, полученной с
использованием различных версий программ.
Указанные методы отражения опасных отказов отличаются способами их технической реализации и подразделяются на методы с физическими и временными каналами.
Системы, реализованные на основе метода отражения с физическими каналами, имеют несколько параллельных каналов. В свою очередь такие системы могут быть реализованы по принципу идентичных каналов с жесткой или мягкой синхронизацией их работы, а также неидентичных каналов с мягкой синхронизацией.
Жесткой считается
синхронизация, когда работа каналов синхронизируется с точностью до такта. При отсутствии отказов в каналах сигналы на промежуточной и выходной контрольной точках полностью совпадают и число таких точек должно быть относительно большим.
Примером такой реализации может быть структурная схема микропроцессорной системы
управления заградительными
устройствами с жесткой
синхронизацией (рис.1), которая имеет два канала, реализованных на микропроцессорах МП1 и МП2 с постоянной и оперативной памятью. Входная информация для их функционирования приходит от тональных рельсовых цепей,
предназначенных для определения приближения поезда к переезду, где х1 - состояние первой рельсовой цепи ТРЦ1 и х2 - состояние ТРЦ2. Первичная обработка полученных данных происходит одновременно по двум каналам МП1 и МП2. Сигналы на выходе микропроцессоров
формируются согласно выражениям (1) и (2) соответственно.
тт , , ,ч г1, если х1 = 1 или х2 = 1 /1Ч тт , , ,ч г1, если х1 = 1 или х2 = 1
Hмпцl(x1, О, если =1 = =2 = 0 (1) ^^ 0, если =1 = =2 = О (2)
Рис. 1. Структурная схема микропроцессорной системы управления заградительными
устройствами с жесткой синхронизацией
Важным элементом такой системы является блок диагностики, который осуществляет анализ входных, промежуточных и выходных сигналов и запуск системы в защитное состояние. Данный блок функционирует согласно формуле:
B(HMпцl(x1, х2), нмпц2 (=1, =2))= 1,если нмпц1(=1,=2) = нмпц2(=1,=2)) = 1 О, если нмпц1(=1,=2) = нмпц2(=1,=2)) = О, либо
нмпц1(=1,=2) * нмпц2(=1,=2))
(3)
Для полной синхронизации работы каналов используется только один тактовый генератор ТГ. При несовпадении параметров сигналов на выходах МП1 и МП2 блоком диагностики прекращается работа тактового генератора и на автодорожных светофорах включаются заградительные мигающие огни.
Для сохранения программ функционирования данная система должна иметь большой объем запоминающих устройств. В такой системе может осуществляться
адаптивное частичное параметрическое и полное алгоритмическое
регулирование. После каждого срабатывания ограждающих устройств из-за возможных симметричных отказов как элементов, так и программ должно осуществляться полное тестирование.
В системах с мягкой синхронизацией по циклам
выполненных команд сравнение результатов функционирования
осуществляется после выполнения определенного цикла. Учитывая, что в разных каналах может использоваться разная тактовая частота выполнения операций, процесс синхронизации должен осуществляться после полного выполнения цикла в обоих каналах, независимо от времени. При этом в системах, к которым можно отнести и систему управления ограждающими устройства, эта частота не может быть высокой, поэтому за любой цикл выполняемой операции может выполняться несколько
последовательностей циклов в разных каналах.
В системах с мягкой синхронизацией физических каналов затруднено использование различных версий программ в каналах для цели выявления отказов аппаратных средств и ошибок программ.
Структурная схема
микропроцессорной системы
управления ограждающими
устройствами с временными каналами (рис. 2) имеет два устройства обработки и преобразования с различными форматами, на вход которых поступает информация от тональных рельсовых цепей ТРЦ1 и ТРЦ2 согласно выражениям (4) и (5):
У2(х1, х2)={
г 1, если х1 = 1 или х2 = 1
0, если х1 = х2 = 0
(5)
Надежное функционирование указанных устройств контролируется первым блоком диагностических устройств и при их повреждении система переводится в защитное состояние:
В1(У1(х1, х2), У2(х1, х2))= (1, если У1(х1,х2) = У2(х1,х2) = 1 0, если У1(х1,х2) = У2(х1,х2) = 0 I либо У1(х1,х2) Ф У2(х1,х2)
(6)
У1(х1, х2)={
1, если х1 = 1 или х2 = 1 0, если х1 = х2 = 0
(4)
Основной процессор МП1 функционирует на базе двух разных программных версий А и Б. Контроль исправного функционирования
указанных программных версий осуществляется вторым блоком диагностирования:
В2(Нмпц1 (т1, т2), Нмпц2 (т1, т2))= 1, если Нмпц1(т1,т2) = Нмпц2(т1,т2)) = 1 0,если НМПц1(т1,т2) = НМПц2(т1,т2)) = 0, либо
Нмпщ(т1,т2) Ф Нмпц2(т1,т2))
(7)
где т1 - результат функционирования программы А;
т2 - результат функционирования программы Б.
Информация, получаемая по разным временным каналам, поступает на входы исполнительного процессора МП2 и после соответствующей обработки аналогично (7) выражению передается в исполнительное устройство.
Контроль исправного
функционирования МП2
осуществляется путем сравнения команд третьим блоком
диагностирования, при отказе системы осуществляет перевод ее в защитное состояние.
Рис. 2. Структурная схема микропроцессорной системы управления ограждающими
устройствами с временными каналами
Двухпрограммная реализация системы позволит выявлять не только отказ программных средств, но и отказ аппаратных средств по результатам обработки информации.
Однако, сложность таких систем и особенно перевод их в защитное состояние при программных или элементных отказах может
способствовать автотранспортным
задержкам на переездах. Поэтому представляется целесообразным
реализацию системы управления выполнить на двух независимых каналах с жесткой синхронизацией в каждом из каналов.
Структурная схема такой системы (рис. 3) состоит из одного устройства защиты и преобразования двух каналов с двумя процессорами в каждом, находящихся в рабочем состоянии. Один из этих каналов является ведущим, а другой ведомым. В процессе функционирования из контрольных точек первого и второго процессоров первого канала через узлы сжатия данных тестовые сигналы поступают на вход схемы контроля, где и происходит их сравнение:
_г 1, если ш1 = ш2 = 1 .„ч Кведущ = 10,ш1 = ш2 = 0 или ш1 * ш2' (8)
где т1 - результат функционирования т2 - результат функционирования
МПЦ 1; МПЦ2.
Рис. 3. Структурная схема системы управления с жесткой синхронизацией
При несогласованности в работе процессоров блоком перезапуска и выбора канала осуществляется их срочный перезапуск, а схемой контроля - постоянный контроль синхронности функционирования. При неисправности или отказе в ведущем канале блоком перезапуска и выбора канала он отключается и к процессу управления подключается второй - ведомый канал. Этот канал на время данного срабатывания переездной сигнализации становится ведущим и функционирует согласно выражению:
_ г 1, если ш3 = ш4 = 1 .„ч
кведом = [0> шз = Ш4 = 0 ИлИ шз ф ^ (9)
где т3 - результат функционирования МПЦ3;
т4 - результат функционирования МПЦ4.
После проследования поездом зоны переезда и выключения переездной сигнализации первый канал должен быть полностью
протестированным, и если после перезапуска он не начал нормально функционировать, то информация о предотказном состоянии системы управления передается
обслуживающему персоналу. Переход в защитное состояние системы управления происходит после несогласованности в работе
процессоров двух каналов.
Такое построение системы позволит, используя принцип жесткой синхронизации, в два раза повысить надежность ее функционирования. Однако, техническая реализация подобных систем в микропроцессорной кодовой автоматической блокировке типа АБ-ЧКУ и КЕБ и их эксплуатация указывают на большую зависимость надежности их функционирования от аппаратных средств.
Использование четырех
микропроцессорных устройств и
необходимость адаптивного
регулирования указывает на
возможность построения самой перспективной системы управления с архитектурой нейронной сети (рис. 4). В такой системе четыре микропроцессора МП1, МП2, МПЗ и МП4 являются условными нейронами с двумя входами и одним выходом. В этом случае любой из нейронов будет обрабатывать информацию согласно таблице 1 истинности логического элемента И:
Рис. 4. Структурная схема системы управления с архитектурой нейронной сети
Таблица 1 Таблица истинности нейронного логического элемента И
f1(x1, x2) f2(x1, x2) F
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
При этом каждый процессор в любой момент может выполнять как присущую только ему, так и любую другую задачу по поддержанию надежности системы на достаточном уровне. В процессе функционирования системы, построенной по такому принципу, одновременно все четыре микропроцессора могут выполнять ту же операцию, в результате чего повышается надежность системы к возможным искажениям программных средств.
Искажения исходной информации после преобразования контролируется первым блоком диагностирования, а исходной информации
микропроцессоров - вторым блоком диагностирования.
В случаях недопустимых отказов система управления блоками
диагностики автоматически
переводится в защитное состояние.
Выводы
Таким образом, целесообразный
выбор структуры построения
микропроцессорной системы
управления ограждающими
устройствами железнодорожных
переездов определит надежность их функционирования и, тем самым, позволит сократить число аварийных ситуаций во время движения транспорта.
Список литературы:
1. Казаков, А.А., Бубнов В.Д., Казаков Е.А. Автоматизированные системы интервального регулирования движения поездов: Учеб. для техникумов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1995. 320 с.
2. Виноградова В.Ю. Автоблокировка и переездная сигнализация: Учебное иллюстрированное пособие. - М.: Маршрут, 2003. - 20 с.
3. Системы железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Ч. 1. [Электронный сетевой ресурс] /А. В. Горелик [и др.]. - М.: УМЦ ЖДТ, 2012.
4. CELES ENV 50129 Railway applications - Communication, signalling and processing systems - Safety related electronic systems for signalling. ICS: 93.100 - 158 page
Аннотации:
Представлены возможные перспективы развития в принципах построения систем переездной сигнализации.
Ключевые слова: безопасность, система железнодорожной автоматики, переездная сигнализация.
Possible prospects of development in the principles of construction of moving alarm systems are presented.
Keywords: safety, railway automation system, removal signalling systems.
