CC BY
17
Структура управляющей программы и способ для обнаружения обледенения на поверхности
стрелочных переводов
аспирант Ш. Х. Султонов, бакалавр Н. А. Крицкий Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург, Россия Sultonovsh@yandex.ru, Thenikitakri@gmail.com
Аннотация. Обоснована актуальность разработки системы обнаружения и контроля обледенения поверхности стрелочных переводов («стрелок») на железнодорожных путях. Разработана структура управляющей программы для системы обнаружения снега и наледи на контролируемой поверхности. Предложен способ обнаружения снега и наледи на поверхности стрелочных переводов. Техническим результатом использования названной системы является повышение чувствительности, точности и достоверности информации, уменьшение энергопотребления, увеличение надежности и ресурса стрелочных переводов («стрелок») на железнодорожных путях.
Ключевые слова: датчик обледенения, упреждающее управление, устройство обогрева, контрольная поверхность, алгоритм, структурная схема, прогнозирование, синтез, обледенение, нотация UML, подсистема.
Введение
Повышение скорости движения поездов в условиях решения задачи сокращения эксплуатационных расходов выдвигает новые требования к оборудованию железных дорог, в том числе и к электрообогреву. Наиболее важными являются повышение срока службы и сокращение затрат на их обслуживание.
Высокие требования, в свою очередь, вызывают необходимость поиска новых технических решений, в частности таких, как выбор энергоэффективных, надежных, экологичных систем, отличающихся повышенной точностью измерения физических величин и, как следствие, получения более точной информации для принятия решений в системе управления.
На железных дорогах для предотвращения отказов срабатывания стрелочных переводов и других механических устройств в зимнее время вследствие напрессовывания снега и обледенения широко применяют устройства для их локального обогрева.
Многообразие технических средств борьбы со снегом и льдом можно классифицировать по их разновидностям (видам и подвидам — типам): механические, пневматические, тепловые и комбинированные. Среди тепловых (теплооб-менных) устройств самое широкое применение нашли электрические.
Актуальность разработки системы обнаружения
и контроля обледенения поверхности стрелочных переводов
В настоящее время для очистки стрелочного перевода от снега и льда путем электрообогрева применяется
З. Р. Султонова Навоийский государственный горный институт Навои, Узбекистан Sultonovazr@yandex.ru
устройство СЭИТ-04М, содержащее электронагреватели, установленные на рамных рельсах, датчик температуры окружающего (наружного) воздуха, коммутатор, датчик осадков, элемент сравнения, в котором датчик температуры наружного воздуха соединен со вторым входом элемента сравнения, при этом устройство содержит только один датчик температуры рельса, установленный на рамных рельсах и соединенный с первым входом элемента сравнения [1-4].
При всех положительных качествах устройства-аналога причинами, препятствующими достижению технического результата, являются следующие его недостатки:
1. Не пояснено, к какому типу (по принципу действия — «сравнения входных сигналов») относится электронное устройство обработки данных (ЭУОД), равно как не расшифрованы понятия «специальный алгоритм» и «специальное программное обеспечение». При этом есть основания предполагать выполнение ЭУОД в виде (по типу) автоматического регулятора, который уступает по своим возможностям современному типу ЭОУД — логических устройств (логических устройств, реализующих логические операции/функции над входными сигналами согласно правилам алгебры логики и выдающих сигналы, соответствующие значениям реализуемых функций).
2. Не оговорены возможность/невозможность оперативного изменения указанных алгоритма и программного обеспечения, вмешательства управляющего персонала (в том числе диспетчеров) различных уровней в алгоритм или в виде ручного двух- и трехуровневого дублирования с приоритетным ранжированием. Это отрицательно сказывается на технико-логистических возможностях прототипа при разветвленной реализации устройства, увеличивает вероятность аварийных ситуаций, сбоев организационного характера.
3. Недостаточно использованы современные возможности цифровых технологий, автоматизированных рабочих мест оператора.
Структура управляющей программы
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение технико-эксплуатационных и экономических характеристик и расширение технико-эксплуатационных возможностей устройства электрообогрева стрелочных переводов (стрелок) или иных локальных участков железнодорожной инфраструктуры за счет повышения надежности, снижения энергозатрат и
обеспечения возможности местного и многоуровневого дистанционного управления, и контроля [5].
Одним из требований системы устройства обнаружения осадков в виде льда или снега на контролируемой поверхности является регулярное обновление измерения о наличии или отсутствии льда, а также снега на рабочей поверхности датчика обледенения. В ответ на запрос ЭУОД чувствительные элементы датчика передают ему свои данные.
ЭУОД объединяет данные (оцифрованные сигналы) из установленных источников. Собранные данные архивируются, и с помощью данных из этого архива и установленного решающего правила (выработка признака наличия осадков) данной системы создается заключение о наличии или отсутствии льда, а также снега на рабочей пластине поверхности датчика по установленному критерию, основанному на использовании явления временной, по крайней мере, частичной, стабилизации температуры рабочей поверхности [2].
Значения сигналов, накопленные в ходе цикла, аккумулируются в ОЗУ электронного устройства обработки данных и передаются через последовательный канал связи на
внешней флэш-памяти, которая сохраняет эти данные вместе с состоянием признака, вырабатываемого оптическим датчиком, и текущим временем в виде файла. Полученные данные можно распечатать, направив их на специальный принтер, или же отобразить в различных форматах.
Из описания видно, что одна часть общей системы занимается сбором данных, другая обобщает данные, полученные из установленных чувствительных элементов (источников), третья выполняет архивирование данных, и, наконец, четвертая вырабатывает признак наличия или отсутствия осадков. На рисунке 1 изображена одна из возможных архитектур системы, которую можно построить на основе предложенного описания. Она представляет собой многоуровневую архитектуру, в которой отражены все этапы обработки данных в системе, то есть сбор, обобщение и архивирование данных и вырабатывание признака осадков. Такая многоуровневая архитектура вполне годится для данной системы, так как каждый этап основывается на обработке данных, выполненной на предыдущем этапе.
«Подсистема» Сбор данных
—1 |
Датчик температуры рельса -1 Датчик осадков
1
—1
Датчик окружающего воздуха 1
Уровень сбора данных, на котором объекты формируют запросы к данным из различных источников
«Подсистема» Обработка данных
| |
Проверка данных Интеграция данных
Уровень обработки информации индикации и/или регистрации сигналов и проверка данных
«Подсистема» Архивиров ание данных
Уровень архивирования данных, на котором объекты сохраняют данные для их дальнейшей обработки
«Подсистема» Отображение данных
Интерфейс пользователя
Отображение данных
Принтер для печати карты -1-
АРМ
Уровень отображения данных, на котором объекты занимаются подготовкой данных и отображением данных в форме, понятной человеку
Рис. 1. Многоуровневая архитектура системы обнаружения и контроля обледенения поверхности
На рисунке 1 показаны все уровни системы, а также и построены на информации, содержащейся в описании си-компоненты подсистем. Эти компоненты очень абстрактны стемы. Названия уровней заключены в прямоугольники,
что в нотации ЦМЬ обозначает подсистемы (набор объектов и других подсистем). Это обозначение используется для того, чтобы показать, что каждый уровень включает в себя множество других компонентов.
Окружение системы контроля наледи и модели ее использования Процесс проектирования состоит в выявлении взаимоотношений между проектируемым программным обеспечением и его окружением. Выявление этих взаимоотношений помогает решить, как обеспечить необходимую функциональность системы и как структурировать систему, чтобы она могла эффективно взаимодействовать со своим окружением.
Модель окружения системы с помощью пакетов языка иМЬ можно представить в развернутом виде как совокупность подсистем. Такое представление показывает, что рабочее окружение системы противообледенения находится внутри подсистемы, занимающейся сбором данных. Там же показаны другие подсистемы, которые образуют систему контроля состоянии обледенения или снега на контролируемой поверхности [6-9].
Система Вариант ис Участники
Данные
Входные сигналы
Ответ
Комментарии
Описание специального алгоритма информационно-управляющей системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности предлагается вести в виде блок-схем. Блок-схемы позволяют представить алгоритмы в обозримом виде, что дает возможность анализировать их работу, искать логические ошибки в процедуре их реализации [10-12]. Типовая блок-схема (1 — логический элемент «ИЛИ»; & — логический элемент «И»; Тг — Я^-триггер) приведена на рисунке 3.
Система противообледенения взаимодействует с внешними объектами во время запуска и завершения работы, при составлении отчетов (при выработке анализа (признака) наличия осадков) на основе собранных данных, а также при тестировании и калибровке метеорологических приборов (рис. 2).
Рис. 2. Варианты использования системы противообледенения
Таблица 1
Стрелки в блок-схеме указывают последовательность логических операций в зависимости от значения параметров и выходных сигналов логических элементов схемы в текущий момент времени.
После создания типовой блок-схемы необходимо определить структурное построение информационно-управляющей системы, способной реализовывать полученные алгоритмы управления. В общем виде структурную схему информационно-управляющей системы обнаружения снега и наледи на контролируемой поверхности можно представить в соответствии с рисунком 4.
Описание варианта использования выработки признака наличия осадков
Коммуникация
ия Выработка признака наличия осадков
Система сбора данных, система противообледенения, сравнительный элемент
По окончании цикла измерения элемент сравнения отправляет сводку с данными, снятыми системой сбора данных с чувствительных элементов в определенный временной период. В сообщении содержатся начальная температура рабочей поверхности пластины данного чувствительного элемента, время с момента включения нагревателя и время до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» (0 °С)
Датчик подключают к аппаратной части с устройствами управления, измерения, обработки информации индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, входящей, наряду с датчиком, в состав устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности.
Итоговые данные отправляются в систему сбора противообледенительных данных
Запрашивается отчет по установленному критерию, основанному на использовании явления временной стабилизации; эта частота запросов может отличаться для разных станций, а также может измениться в будущем. Делается заключение о наличии или отсутствии льда или снега на рабочей пластине датчика по установленному критерию, основанному на использовании явления временной стабилизации.
S Tr Q Управляющее ^ воздействие
R Q
Рис. 3. Типовая блок-схема алгоритма формирования управляющего воздействия
Рис. 4. Типовая структурная схема информационно-управляющей системы обнаружения снега и наледи на поверхности
Способ определения обледенения или снега
С целью определения эффективности разработанного алгоритма формирования управляющих воздействий системы предлагается способ определения обледенения или снега на контролируемой поверхности с возможностью прогноза.
На контролируемой поверхности устанавливают датчики, имеющие два чувствительных элемента, снабженных теплопроводными пластинами с внешними рабочими поверхностями для воздействия окружающей среды, встроенными датчиками температуры пластин и нагревателями на тыльной их поверхности [13, 14].
Отслеживание изменения во времени температуры рабочей поверхности обоих чувствительных элементов определяется по формуле (1) посредством датчика контроля состояния.
i
¡ 0,9
ш
¡ 0.8
I 0.7
I 0.6
I f а'5
0,4 0,3 0.2 0.1
.. .
Тх \12
ЛТ= ъ-тг
\- Г
Ti = fi- (О, Т2 = f2- (t)
(1)
где Т\, Т2 — температуры рабочей поверхности;/1,/ — функции эмпирической зависимости; t — время с момента включения нагревателя до достижения значения фазового превращения воды.
Система определяет значения разности, обеспечивая, совместно с асинхронностью, включение нагревателей, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков согласно формуле (2).
ы(г) = Ti(t) -72(t).
(2)
При наличии на пластинах льда и/или снега вклады полезных сигналов в моменты времени, соответствующие фазовому переходу, аннулируются (АТ (!) = 0) (рис. 5).
0 ГС 200 300 ¿00 600 ВД0 700 OQO »00 1000
Модельное время
Рис. 5. Временная стабилизация температуры пластин Ti, Т2 на уровне фазового перехода
Обнуление разности T1(t) -T2(t) свидетельствует о наличии осадков на датчике и в локальной зоне контролируемой поверхности.
Заключение
Предлагаемый способ обнаружения осадков позволяет построить алгоритм информационно-управляющей системы предупреждения обледенения или снега на поверхности обогреваемого рельса на основе формирования требований до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» — 0°С.
Литература
1. Патент № 2582627 Российская Федерация, МПК E01B 7/24 (2006.01). Устройство электрообогрева стрелочных переводов типа СЭИТ-04: № 2015106701/11: заявл. 26.02.2015: опубл. 27.04.2016 / Бараусов В. А., Кочубей В. Ф. — 18 с.
2. Патент № 2685631 Российская Федерация, МПК E01B 7/00 (2006.01), E01B 19/00 (2006.01), E01H
8/08 (2006.01), B64D 15/20 (2006.01). Способ и устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности: № 2018125617: заявл. 11.07.2018: опубл. 22.04.2019 / Селянин С. Г.; заявитель Бараусов В. А., Григорьев П. В. — 20 с.
3. Woloszyn M. Analysis of Resistive and Inductive Heating of Railway Turnouts / M. Woloszyn, K. Jakubiuk, M. Flis // Przegl^d Elektrotechniczny. 2016. No. 4. C. 54-57.
DOI: 10.15199/48.2016.04.14.
4. Brodowski D. Railway Turnouts Heating — The New Method. Contactless Heating as a Way to Melt Snow in the Turnout Faster. Technical information. — Warsaw, Instytut Kolejnictwa, 2012.
5. Barausov V. A. Control Software for Surface Ice and Snow Detecting Device / V. A. Barausov, V. P. Bubnov, Sh. Kh. Sul-tonov // Proceedings of Models and Methods of Information Systems Research Workshop 2019 (MMISR 2019). CEUR Workshop Proceedings. 2020. Vol. 2556. Pp. 75-79.
6. Султонов Ш. Х. Программа для автоматизации вычислений величин нагрузок, действующих на кузов вагона при прочностных расчетах / Ш. Х. Султонов, В. П. Бубнов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019. № 9. С. 37-43.
7. Bubnov V. P. On the Application of Information Technology for the Development of Software for Automation the Modeling Process of Wagons at Wagon Enterprises JSC «O'zbekiston Temir Yo'llari» / V. P. Bubnov, Sh. Kh. Sul-tonov // Вестник ТашИИТ. 2019. № 2. С. 84-92.
8. Бубнов В. П. Алгоритм автоматизации проектно-кон-структорских работ и его применение в вагоностроении / В. П. Бубнов, Ш. Х. Султонов // Проблемы математической
и естественнонаучной подготовки в инженерном образовании: Сборник трудов IV Международной научно-методической конференции (Санкт-Петербург, 03 ноября 2016 г.). — T. 2. — СПб.: ПГУПС, 2017. — С. 16-21.
9. Модели и методы исследования информационных систем: Монография / А. Д. Хомоненко, В. П. Бубнов, А. В. Забродин [и др.]; под ред. А. Д. Хомоненко. — СПб.: Лань, 2019. — 204 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература).
10. Методы интеграции инструментальных систем в процессе разработки безопасных приложений / С. Е. Ада-дуров, А. В. Красновидов, И. В. Коротеев, А. Д. Хомо-ненко // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. 2017. № 4. С. 80-86.
11. Бей И. Взаимодействие MATLAB с ANSI С, Visual С++, Visual Basic и Java / И. Бей, Д. Ксу. — М.: Ви-льямс, 2005. — 207 с.
12. Смоленцев Н. К. Создание Windows-приложений с использованием математических процедур MATLAB. — М.: ДМК-Пресс, 2008. — 456 с.
13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Российская Федерация. Программа для устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности: № 2020612292/69 / В. А. Бараусов, П. В. Григорьев, Ш. Х. Султонов.
14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019661192 Российская Федерация. Программа для оценки силового воздействия подвижного состава на железнодорожный путь: № 2019660103: заявл. 06.08.2019; опубл. 21.08.2019 / Р. В. Рахимов. — 1 с.
Structure of the Control Program and Method for Detecting Icing on the Surface of Switches
PhD student Sh. Kh. Sultonov, Bachelor N. A. Kritsky Emperor Alexander I Peterburg State Transport University Saint Petersburg, Russia Sultonovsh@yandex.ru, Thenikitakri@gmail.com
Abstract. The article considers the process of developing the structure of the control program for detecting snow and ice on the controlled surface, choosing the optimal method for detecting snow and ice, and also considers the essence of the development of a system for detecting and controlling icing on the surface of switches ("arrows") on railway tracks, the technical result of which is to increase the sensitivity, accuracy and reliability of information, as well as to reduce energy consumption, increase reliability and resource.
Keywords: icing sensor, ice thickness, electronic data processing device (EDI), comparison element, electric heating systems, UML notation, subsystem, use case.
References
1. Barausov V. A., Kochubej V. F. Electrical Heating Device of Track Switches Type SEIT-04 [Ustroystvo el-ektroobogreva strelochnykh perevodov tipa SEIT-04], patent RU No. 2582627, published at April 27, 2016, 18 p.
2. Selyanin S. G. Method and Device of Detecting Icing or Snow on a Controlled Surface [Sposob i ustroystvo ob-naruzheniya obledeneniya ili snega na kontroliruemoy poverkh-nosti], patent RU No. 2685631, published at April 22, 2019, 20 p.
3. Woloszyn M., Jakubiuk K., Flis M. Analysis of Resistive and Inductive Heating of Railway Turnouts, Przeglqd Elektro-techniczny, 2016, No. 4, Pp. 54-57.
DOI: 10.15199/48.2016.04.14.
4. Brodowski D. Railway Turnouts Heating — The New Method. Contactless Heating as a Way to Melt Snow in the Turnout Faster. Technical information. Warsaw, Railway Research Institute, 2012.
5. Barausov V. A., Bubnov V. P., Sultonov Sh. Kh. Control Software for Surface Ice and Snow Detecting Device, Proceedings of Models and Methods of Information Systems Research Workshop 2019 (MMISR 2019), CEUR Workshop Proceedings, 2020, Vol. 2556, Pp. 75-79.
6. Sultonov Sh. Kh., Bubnov V. P. Program for Automation of Calculations of Load Values, Acting on a Wagon Body at Electronic Calculations with Further Three-Dimensional Modeling [Programma dlya avtomatizatsii vychisleniy velichin nagruzok, deystvuyushchikh na kuzov vagona, pri prochnostnykh raschetakh], Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University [Izvestiya SPbGETU «LETI»], 2019, № 9, Pp. 37-43.
7. Bubnov V. P., Sultonov Sh. Kh. On the Application of Information Technology for the Development of Software for Automation the Modeling Process of Wagons at Wagon Enterprises JSC «O'zbekiston Temir Yo'llari», Journal of Tashkent Institute Railway Engineering [Vestnik TashllT], 2019, No. 2, Pp. 84-92.
Z. R. Sultonova Navoi State Mining Institute Navoiy, Uzbekistan Sultonovazr@yandex.ru
8. Bubnov V. P., Sultonov Sh. Kh. Algorithm of Automation of Design and Development Work and its Application in Railroad Cars Building [Algoritm avtomatizatsii proektno-kon-struktorskikh rabot i ego primenenie v vagonostroenii].
In: Problems of Mathematical and Natural Science Training in Engineering Education: Proceedings of the IV International Scientific and Methodological Conference [Problemy matematich-eskoy i estestvennonauchnoy podgotovki v inzhenernom obra-zovanii: Sbornik trudov IV Mezhdunarodnoy nauchno-metodicheskoy konferentsii], Saint Petersburg, November 03, 2016, Volume 2, St. Petersburg, PSTU, 2017, Pp. 16-21.
9. Khomonenko A. D., Bubnov V. P., Zabrodin A. V., et al. Models and methods of research of information systems: Monograph [Modeli i metody issledovaniya informatsionnykh system: Monografiya], St. Petersburg, LAN Publishing House, 2019, 204 p.
10. Adadurov S. E., Krasnovidov A. V., Koroteev I. V., Khomonenko A. D. Methods of Integration of Instrumental Systems in Development Process of Safe Applications [Metody integratsii instrumental'nykh sistem v protsesse razrabotki be-zopasnykh prilozheniy], Information Security Problems. Computer Systems [Problemy informatsionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy], 2017, No. 4, Pp. 80-86.
11. Bay I., J. Xu. Interaction of MATLAB with ANSI C, Visual C ++, Visual Basic and Java [Vzaimodeistvie Matlab s ANSI C, Visual C ++, Visual Basic i Java], Moscow, Williams Publishing House, 2005, 207 p.
12. Smolentsev N. K. Creating Windows applications using MATLAB mathematical procedures [Sozdanie Windows-prilozheniy s ispol'zovaniem matematicheskikh protsedur MATLAB], Moscow, DMK-Press Publ. House, 2008, 456 p.
13. Barausov V. A., Grigoryev P. V., Sultonov Sh. Kh. Software for Detecting Icing or Snow on a Controlled Surface [Programma dlya ustroystva obnaruzheniya obledeneniya ili snega na kontroliruemoy poverkhnosti], Certificate of State registration of a computer program.
14. Rakhimov R. V. Program for Assessing the Power Impact of Rolling Stock on Railway Tracks [Programma dlya otsenki silovogo vozdeystviya podvizhnogo sostava na zheleznodorozhnyy put'], Certificate of State registration of a computer program RU No. 2019661192, published at August 21, 2019.
