CC BY
180
Intellectual Technologies on Transport. 2015. No 4
Вычислительный комплекс системы управления движением поездов
Проф. Соловьев В. П.
wsolowjow@gmail.com
Инж. Корнев Д. А.
da.kornev@gmail.com
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) Москва, Российская Федерация, ул. Образцова, 11с1, Москва, 127055 8 (495) 684-24-32 pk_miit@mail.ru
Аннотация. Описан процесс разработки и проектирования виртуального вычислительного комплекса с учетом решаемых задач и нагрузки на аппаратное обеспечение в зависимости от количества обслуживаемых единиц подвижного состава.
Ключевые слова: вычислительный комплекс, система управления поездом, расчет нагрузки на вычислительный комплекс, виртуализация, мониторинг вычислительной системы, структура вычислительного комплекса.
Введение
В настоящее время для непрерывного контроля поездной ситуации на участке железной дороги (ж. д.) и управления движением используется система диспетчерской централизации (ДЦ). Получившая наибольшее распространение система ДЦ «Сетунь» состоит из современной системы телемеханики с высокоскоростным обменом информацией между центральным распорядительным постом (ЦП) и линейными исполнительными пунктами (ЛП) и может контролировать участок ж. д. протяженностью до 1200 км (рис. 1). На ЦП располагаются автоматизированные рабочие места (АРМ) поездных диспетчеров ДЦ, сервер для хранения всей оперативной и справочной информации и компьютеры рабочих станций (РС) «Связь», объединенные в локальную вычислительную сеть (ЛВС). С помощью сервера ДЦ взаимодействуют с информационными системами. Рабочие станции «Связь» взаимодействуют с линейными пунктами ДЦ по линиям связи через встроенные в них модемы.
Одновременно с развитием систем ДЦ в последние десятилетия активно создавались системы автоведения поездов, в настоящее времени ими оборудовано более пяти тысяч магистральных локомотивов и электропоездов (ВЛ10, ВЛ11, ВЛ80 С, ВЛ85, 2ЭС5 К 3ЭС5 К, ЭП20, ТЭП70 и др.) [1]. Система автоведения - это аппаратно-вычислительный комплекс, который рассчитывает оптимальный алгоритм следования поезда. Результаты мониторинга движения пассажирских поездов показали, что доля поездов, отклонявшихся от энергооптимального графика, при автоведении в 3-4 раза меньше, чем при ручном управлении, а экономия электроэнергии составляет в среднем от 3 до 10 %.
Однако пока на территории России не применяются методы, позволяющие обеспечивать динамическое взаимодей-
ствие систем ДЦ с системами автоведения. Такое взаимодействие позволит повысить пропускную способность ж. д., снизить расход энергоресурсов и износ оборудования.
Анализ структуры автоведения поездов
Структура системы автоведения тепловоза УСАВП-Т включает в себя (рис. 1): КМ - контроллер машиниста; АЛС -автоматическую локомотивную сигнализацию; МКС - модуль коммутации и сопряжения; БС - блок процессорный; БМС -блок мобильной связи; БПЛК - блок питания локомотивный; БИВМ - блок измерения высоковольтный модульный; БИД -блок измерения диагностический; БК - бортовой компьютер; БСГД - блок процессорный с графическим дисплеем; ВК -высоковольтную камеру; КЭО - электропневматический клапан тепловоза; ПМ - пневмомодуль; ДД1-ДД4 - датчики давления тормозной системы; ДТ1-ДТ3 - датчики топливной системы и температуры наружного воздуха.
УСАВП-Т снимает с датчиков и аппаратов каждой секции тепловоза более 100 сигналов: для величин, определяющих безаварийность работы систем, - с интервалом времени 10 мс; для величин, определяющих режим управления тепловозом, - с интервалом времени 100 мс [2].
Для интеграции системы автоведения локомотива в систему ДЦ «Сетунь» разработана структура системы, содержащей дополнительный вычислительный комплекс (ВК), который позволяет осуществлять текущее взаимодействие обеих систем при рациональном использовании вычислительных ресурсов (рис. 1). Вычислительный комплекс принимает, распределяет, обрабатывает и передает оперативную информацию между ЛВС ДЦ и системами автоведения локомотивов, находящихся на участке ж. д., контролируемом ДЦ. При этом ВК выполняет функции:
1) шлюза для получения входной информации от ЛВС ДЦ, системы автоведения локомотива, комплекса локомотивных устройств обеспечения безопасности (КЛУБ), а также передачи выходной информации соответствующим системам;
2) формирования базы данных о характеристиках участка ж. д., обслуживаемого данной системой ДЦ (о профилях и длине соответствующих участков), а также о постоянных и временных ограничениях скорости, текущей координате поезда;
Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. № 4
5
Intellectual Technologies on Transport. 2015. No 4
Рис. 1. Структура взаимодействия системы автоведения поезда и ВК на базе системы диспетчерской централизации «Сетунь»
3) формирования базы данных о параметрах поезда (типа, веса, ограничения режимов движения, числе локомотивов и вагонов поезда);
4) формирования базы данных кассеты регистрации КЛУБ;
5) формирования базы данных о срабатывании систем защиты локомотива;
6) формирования базы данных о значениях текущих параметров режимов работы локомотива; расчет прогнозируемой надежности систем и агрегатов локомотива;
7) расчета мощности, которая может быть реализована локомотивом;
8) решения задачи оптимального управления локомотивом;
9) мониторинга ВК.
Вся информация, сосредоточенная на ВК, должна быть доступна для сервера ДЦ или передаваться на него в режиме реального времени. Аналогичным образом вся оперативная информация, необходимая для управления локомотивом, должна передаваться на его бортовой компьютер. Взаимодействие системы автоведения локомотивов с ВК предлагается осуществлять по каналам спутниковой связи посредством блоков мобильной связи БМС и AIRT (тепловоза) - AIR ВК, а с сервером ДЦ - по локальной сети ETHERNET (рис. 1).
Разработка структуры виртуального
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Информация, передаваемая на ВК, должна позволять управлять каждым поездом по оптимальному алгоритму с
учетом поездной ситуации на всем участке ДЦ (а не только по показаниям ближайших напольных устройств сигнализации), что дает возможность минимизировать энергозатраты, диагностировать состояние каждого локомотива, находящегося в зоне действия ДЦ и прогнозировать его возможные отказы, контролировать состояние машиниста.
Внедрение комплексной системы управления движением поездов позволит повысить пропускную способность ж. д. за счет создания единого центра управления движением на участке ДЦ с возможностью расчета текущего оптимального графика движения. Практическая реализация такого графика не только обеспечит снижение времени следования поезда и его энергозатраты, но и повысит эффективность использования подвижного состава за счет рациональной организации работы службы ремонта.
С учетом разноплановости задач, решаемых ВК, его структуру целесообразно реализовывать с использованием средств виртуализации, предусмотрев возможность развертывания дополнительной ВМ в случае необходимости расширения функционала ВК или потери любой из существующих ВМ. Такая структура ВК позволяет:
• разделять задачи организации движения, управления локомотивами, контроля действий машинистов и диагностирования состояния локомотивов с целью разграничения доступа к информации и повышения безопасности движения;
• снижать вероятность потери информации;
• эффективно использовать ресурсы хоста как вычислительной среды.
В соответствии с решаемыми задачами структура ВК предусматривает наличие десяти ВМ (рис. 2).
Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. № 4
6
Intellectual Technologies on Transport. 2015. No 4
AIR
BK
AIR
T
ШЛЮЗ
A JL
1
База данных характеристик участка, ограничениях скорости, текущей координаты
2 -|
База данных параметров поезда и текущих режимов работы тепловоза
3 -|
База данных касеты регистрации КЛУБ
4 —I
Расчет мощности, которая может быть реализована локомотивом
5 —L
Решение задачи оптимального управления локомотивом
И=-
6 -I
База данных о срабатывании систем защиты тепловоза
7 -|
Прогноз надежности агрегатов и систем тепловоза
8 -|
Мониторинг ВК
9 -I
Резерв
0 -
ТУ
ТС
я
о
Е=Г
О
m
Рис. 2. Архитектура ВК системы управления движением поездов
Для расчета оптимального алгоритма управления локомотивом ВК должен иметь полную информацию о поездной ситуации на участке движения, поэтому по запросу ему должна передаваться информация о сигналах объектов контроля и объектов управления на участке.
В соответствии с Руководством, для программного обеспечения АРМ поездного диспетчера ДЦ «Сетунь» в пределах диспетчерского круга должно быть не более 20 РС «Связь»; при этом емкость канала управления (ТУ) составляет 1120 объектов, а емкость канала контроля (ТС) - 1380 объектов [3, 4]. Каждый сигнал управления представляется 19 импульсами, а каждый сигнал контроля - 20 импульсами. Таким образом, по запросу ВК от ДЦ ему должна передаваться информация о 2500 аналоговых сигналах с периодом Т2 = 100 мс.
В соответствии с алгоритмом работы системы УСАВП-Т вычислительный комплекс с периодом Т2 = 100 мс должен принять и обработать 73 аналоговых и 60 дискретных сигналов.
Расчет требуемого ресурса ВК выполнялся исходя из алгоритмов функционирования ДЦ «Сетунь» и системы автоведения поезда. При определении нагрузки на ресурс принималось, что в соответствии с требованиями алгоритма работы системы автоведения поезда информация на ВК от каждой секции локомотива и от ДЦ «Сетунь» должна передаваться
пакетами данных с интервалом Т2 = 100 мс [2]. Выяснилось, что при неблагоприятном распределении заявок на обслуживание локомотивов с учетом поддержания технологии виртуализации, резерва и функционирования системы диагностирования максимальный требуемый ресурс ВК должен составлять 6,2 ГБ.
Моделирование нагрузки
НА АППАРАТНЫЕ РЕСУРСЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО
комплекса
Для моделирования процессов, происходящих в ВК, и определения вероятностных нагрузок на ресурс требовалось соблюдение двух принципиально важных условий: правдоподобной траектории нагрузки и надежной среды, в которой можно было бы проводить численные эксперименты [5]. Как отмечено в [6, 7], анализ динамики ресурсных потоков целесообразно выполнять с использованием аппарата сетей Петри.
Этот аппарат позволяет объединять преимущества графового представления и дискретной динамической модели системы, рассчитывать количественные показатели её работы, которые характеризуются параллельными и асинхронными процессами. В связи с этим для исследования работы ВК в
Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. № 4
7
Intellectual Technologies on Transport. 2015. No 4
SRC,
МБ
100 80 60 40 20 0
0 0,1 0,2 т, с
Рис. 3. Нагрузка на ресурс ВК от систем автоведения 68 поездов при поступлении заявок на обслуживание с равномерным распределением и случайным временем расчета режима работы с математическим ожиданием Тр = 15 мс
терминах сетей Петри была разработана его динамическая модель, представленная 71 логическим уравнением.
Модель прошла верификацию при моделировании алгоритма взаимодействия системы УСАВП-Т с ДЦ «Сетунь», что подтвердило возможность ее использования для определения параметров ВК и анализа его работы.
При эксплуатации локомотивов в реальных условиях ж. д. следует ожидать, что заявки на обслуживание систем автоведения поездов будут поступать на ВК в разное время. Кроме того, необходимо учитывать, что характеристики профиля, поездная ситуация и режим работы локомотива каждые 100 мс не меняются, поэтому при расчете предполагалось, что массивы данных о параметрах и ограничениях движения могут в течение секунды многократно повторяться, что сокращает время использования ресурса ВК.
На рис. 3 приведены результаты расчета нагрузки на ресурс ВК при обслуживании заявок 68 поездов (в соответствии с допустимым интервалом двухпутного следования поездов на участке ж. д. протяженностью 1000 км). При расчетах предполагалось, что математическое ожидание времени работы ВК по обслуживанию заявки от одного локомотива на каждом периоде составляет тр = 15 мс, а поступление заявок на обслуживание от каждого локомотива носит случайный характер. Результаты показали, что при таких условиях максимальное значение требуемого ресурса ВК составляет 140 МБ.
При увеличении времени обработки заявок до максимального значения 0 < Тр < 99 мс и при случайном характере поступления заявок на обслуживание локомотивов нагрузка на ресурс возрастает до 320 МБ.
Заключение
Исследования показали, что в среднем при эксплуатации ВК системы управления движением его ресурс только на обслуживание систем автоведения будет использоваться на 50 %. Однако, учитывая нагрузку от системы мониторинга,
удельные показатели использования ресурса ВК возрастают до 73 % от рассчитанного ресурса.
Таким образом, разработана структура и метод расчета вычислительного ресурса комплексной системы управления движением поездов как единого информационнокоммуникационного пространства на основе средств цифровой связи со стандартизованными технологиями идентификации, навигации и позиционирования, обеспечивающей высокий уровень взаимодействия участников перевозочного процесса за счет интеграции их полномочий на базе вычислительного комплекса и позволяющей повысить эффективность и экономичность работы железных дорог.
ЛИТЕРАТУРА
1. Евсеев И. Система виртуализации OpenVZ. Ч. 1 / И. Евсеев. - URL : http://www.ibm.com/developerworks/ru/library/ l-openvz_1/#authorN10021.
2. Williams J. G. Modeling External Consistency of Automated Systems / J. G. Williamsand, L. J. LaPadula // J. High-Integrity Systems. - 1995. - Vol. 1, N 3. - P. 249-267.
3. Ширманов А. Безопасность виртуальной инфраструктуры / А. Ширманов // Открытые системы. СУБД. - 2009. -№ 6. - С. 30-31.
4. Самойленко А. Защита виртуальной инфраструктуры VMware vSphere от специфических типов угроз с помощью решения vGate R2 / А. Самойленко. - URL : http://www.vmgu. ru/articles/vgate-r2-against-treats (дата обращения 29.07.2012).
5. Барсуков В. С. Современные технологии безопасности. Интегральный подход / В. С. Барсуков, В. В. Водолазкий. -М. : Нолидж, 2000. - 496 с.
6. Герасименко В. А. Защита информации в автоматизированных системах обработки данных : Кн. 1, 2 / В. А. Герасименко. - М. : Энергоатомиздат, 1994. - 576 с.
7. Герасименко В. А. Основы защиты информации /
В. А. Герасименко, А. А. Малюк. - М. : МОПО РФ МГИФИ,
1997. - 500 с.
Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. № 4
8
Intellectual Technologies on Transport. 2015. No 4
Computing Complex of Train Control System
Vladimir Solowjov
Moscow State University Of Railway Engineering (MIIT) Moscow, Russian Federation wsolowjow@gmail.com
Dmitry Kornev
da.kornev@gmail.com
Abstract. The process of developing and designing the virtual computing system based on problems and capacity hardware depending of the number of serviced train units.
Keywords: computer system, train control system, the calculation of the capacity on the computer system, virtualization, monitoring computer system, computer system structure.
References
1. Evseev I. System virtualization OpenVZ: Part 1 [Siste-ma virtualizatsii OpenVZ: Chast' 1] Available at: http://www.ibm. com/developerworks/ru/library/l-openvz_1/#authorN10021.
2. Williams J. G., LaPadula L. J. Modeling External Consistency of Automated Systems. High-Integrity Systems, 1995, vol. 1, no 3, рр. 249-267.
3. Shirmanov A. Secure virtual infrastructure [Bezopasnost' virtual'noi infrastruktury]. Open systems. SUBD. [Otkrytye sistemy. SUBD]. 2009, no. 6, pp. 30-31.
4. Samoilenko A. Protecting Virtual Infrastructure VM-ware vSphere on the specific types of threats by solving vGate R2 [Zashchita virtual'noi infrastruktury VMware vSphere ot spetsificheskikh tipov ugroz spomoshch'iu resheniia vGate R2]. Available at: http://www.vmgu.ru/articles/vgate-r2-against-treats (accessed 29.07.2012).
5. Barsukov V., Vodolazkiy V. Modern security technology. Integrated approach [Sovremennye tekhnologii bezopasnosti. Integral'nyipodkhod], Moscow, Nolig, 2000. 496 p.
6. Gerasimenko V. Information protection in automated data processing systems: Book 1, 2 [Zashchita informatsii v avtoma-tizirovannykh sistemakh obrabotki dannykh: Kniga 1 i 2.]. Moscow, Energoatomizdat, 1994. 576 p.
7. Gerasimenko V., Malyuk A. Fundamentals of information security [Osnovy zashchity informatsii]. Moscow, IATUO RF MGIFI, 1997. 500 p.
Интеллектуальные технологии на транспорте. 2015. № 4
9
