Система управления движением локомотивов с использованием ГЛОНАСС GPS

Система управления движением локомотивов с использованием ГЛОНАСС/GPS

Илья Гундаев, Андрей Батраков

Рассматривается система точного определения местоположения локомотивов с использованием спутниковой радионавигации ГЛОНАСС/GPS, разработанная в ОАО «МКБ Компас» в рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная спутниковая система». Система может быть использована как на магистральномжелезнодорожном транспорте ОАО «РЖД»,так и на предприятиях промышленногожелезнодорожного транспорта, имеющих свой локомотивный парк и путевую инфраструктуру.

ОБЩАЯ ОЦЕНКА РАЗВИТИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS

Системы мониторинга транспортных средств с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС и GPS на протяжении ряда лет активно применяются для решения задач контроля и управления парками автомобильного транспорта и спецтехники. В ходе развития эти системы постепенно наращивали свой функционал: появились функции контроля расхода топлива, функции контроля узлов и агрегатов транспортных средств и рабочих органов спецтехники, функции видеорегистрации и др., обеспечивающие практически полный контроль использования автомобильных транспортных средств. Однако на железнодорожном транспорте системы диспетчерского управления и контроля эффективности использования локомотивного парка на основе ГЛОНАСС/GPS-технологий не нашли широкого применения, хотя функции контроля расхода топлива, а также состояния узлов и агрегатов локомотивов уже используются. Разработаны также различные системы маневровой (МАЛС) и горочной (ГАЛС Р) локомотивной сигнализации, а также система КЛУБ-У, которые используют в своём составе аппаратуру ГНСС. Основная причина такого положения – недостаточная для контроля и управления движением локомотивов на станциях точность определения местоположения. Дело в том, что приёмники радионавигационных сигналов (ПРНС) ГЛОНАСС/GPS, представленные на рынке навигационных средств и являющиеся основой любого бортового навигационного оборудования, будь то трекеры, навигаторы, регистраторы и пр., обеспечивают точность определения местоположения порядка 10–15 м. В абсолютном режиме определения местоположения по данным ГНСС такая точность является предельной. То есть если для определения местоположения по ГНСС использовать только один ПРНС, как это делается в системах мониторинга автотранспорта, то получить точность более 10 метров с доверительной вероятностью более 0,6 невозможно. Для повышения точности определения местоположения, а для железнодорожного транспорта это 10–15 м на перегонах и 1 м на станциях, необходимо использовать относительный, или, как его называют в геодезии, дифференциальный режим, предполагающий использование нескольких ПРНС.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ЦЕЛИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ

В течение ряда лет в рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная спутниковая система» специалисты ОАО «МКБ «Компас» разрабатывали систему точного определения местоположения локомотивов с использованием спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/ GPS (далее – система). Система по-своему уникальна и не имеет аналогов в России и СНГ. Структура системы построена таким образом, что позволяет использовать её как на магистральном железнодорожном транспорте ОАО «РЖД», так и на предприятиях промышленного железнодорожного транспорта, имеющих свой локомотивный парк и путевую инфраструктуру, обслуживающих различные производственные комплексы добывающей, металлургической, химической и иных отраслей промышленности. В настоящее время система находится в режиме опытной эксплуатации на опытном полигоне Красноярского транспортного узла.

^{Рис. 1. Состав и структура бортовой аппаратуры системы              Рис. 2. Общий вид блока бортовой аппаратуры системы}

Система представляет собой высокотехнологичный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для оперативного обеспечения в режиме реального времени систем управления движением на железнодорожном транспорте, а также других железнодорожных АСУ и ГИС (геоинформационных систем) информацией о местонахождении, скорости и направлении движения локомотивов с использованием систем ГЛОНАСС/GPS. Она обеспечивает диспетчерский персонал и смежные системы информацией о номере пути следования, местоположении на пути в железнодорожной системе координат, скорости и направлении движения локомотива с точностью, достаточной для решения задач управления движением. В качестве смежных систем могут быть использованы автоматизированные системы управления работой станций, автоматизированные системы контроля расхода топлива, автоматизированные системы контроля сроков проведения технического обслуживания и плановых ремонтов локомотивов, автоматизированные системы контроля использования локомотивов на предприятиях контрагентов и многие другие АСУ и ГИС, которым необходима в режиме реального времени точная информация о местоположении, направлении и скорости движения локомотивов. В настоящее время ОАО «МКБ «Компас» проводит работы по интеграции разработанной системы с хорошо известными и зарекомендовавшими себя на рынке автоматизированной системой управления станциями «АСУ СТ», разработанной НТЦ «Транссистемотехника», и аппаратурой системы FAS компании Omnicomm.
Система создавалась с целью решения следующих наиболее значимых для железнодорожного транспорта задач:

• повышение безопасности движения на железнодорожном транспорте;
• обеспечение автоматического определения местоположения, направления и скорости движения локомотивов в режиме реального времени на цифровой карте путевого развития станций и перегонов;
• обеспечение управления движением локомотивов на малодеятельных линиях и станциях, не оборудованных средствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ);
• снижение затрат, связанных с содержанием и эксплуатацией подвижного состава, за счёт повышения эффективности использования локомотивного парка, сокращения холостых пробегов локомотивов, контроля за расходом топлива;
• автоматизация и повышение качества процессов управления движением и сокращение влияния человеческого фактора;
• снижение затрат на выполнение маневровых работ на станциях.

ФУНКЦИИ СИСТЕМЫ

Функциональные возможности системы в сочетании с возможностями смежных систем позволяют полностью автоматизировать управление поездной и маневровой работой на железнодорожном транспорте, а также обеспечить автоматизированный дистанционный контроль за расходом топлива и параметрами работы локомотивов. Основные функции, которые может выполнять система, в сочетании с упомянутыми системами контроля топлива и управления работой станции, представлены далее.
Определение местоположения с точностью до 1 м, направления и скорости движения локомотивов с точностью 0,05 м/с в режиме реального времени в одноосной системе координат (километр, пикет, плюс), принятой на железнодорожном транспорте, и отображение текущего местоположения на цифровой карте путевого развития на экране ЭВМ диспетчерского персонала.

Рис. 3. Структура комплекса постовой аппаратуры системы

Воспроизведение трека траектории движения локомотива за требуемый период времени до 3 лет.
Отображение и запись в архив событий (время начала и конца простоев, время выхода и возвращения в депо, время нахождения на путях контрагентов, время включения и выключения силовой установки, время и места ухода и возвращения на пути объекта железнодорожного транспорта и др.).
Автоматическое формирование отчётов о работе локомотива и локомотивных бригад, в том числе о времени работы силовой установки локомотива, расходе топлива (при интеграции с системами контроля расхода топлива компании Omnicomm), простоях в рабочем и нерабочем состояниях, пробеге с момента последнего ремонта или технического обслуживания, времени нахождения на путях контрагентов, соблюдении предписанного скоростного режима, исполненном графике движения, переводе локомотива в нерабочее состояние и обратно, проведении отцепок (прицепок) локомотивов от поездов, смене локомотивной бригады и др.

Рис. 4. Вид окна ПО ЭВМ диспетчера с участком цифровой схемы путевого развития объекта внедрения системы

Автоматизация основных операций с поездами (при интеграции с системой «АСУ СТ» компании НТЦ
«Транссистемотехника»), в том числе учёта прибытия поездов на станции, подготовки документов на прибывшие и сформированные поезда, контроля накопления вагонов в сортировочном парке и расчёта завершения образования поезда в соответствии с нормативами, контроля операций по обмену вагонами с подъездными путями контрагентов, контроля дислокации вагонов на подъездных путях предприятия, ведения вагонной модели района управления и др.

СОСТАВ И ФУНКЦИИ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ

Система состоит из двух основных частей: бортовой аппаратуры, которая устанавливается непосредственно на локомотив, и постовой аппаратуры.
Блок бортовой аппаратуры построен на основе операционной системы реального времени (ОС РВ) QNX Neutrino и вычислительного модуля FASTWEL CPC304, выполненного в форм-факторе PC/104. Выбор в качестве вычислительного ядра модуля FASTWEL СРС304 объясняется оптимальным соотношением производительности и цены, широким температурным диапазоном эксплуатации, а также поддержкой операционной системы QNX. К достоинствам данного модуля можно дополнительно отнести пассивное охлаждение, наличие интерфейсов RS-232 и RS-485, а также разъёма для подключения CompactFlash-карт.

Рис. 5. Форма отчёта о пробегах и стоянках локомотива

Вычислительный модуль является ядром блока бортовой аппаратуры, в состав которой также входят:

• блок питания;
• плата расширения COM-портов;
• плата коммутации с установленными ПРНС, к которой подключается устойчивый к внешним воздействиям защищённый электронный ключ, выполняющий функции идентификации машиниста и функции регистрации информации;
• GSM-модем.

Состав и структура бортовой аппаратуры показаны на рис. 1.
Как видно на рис. 2, блок бортовой аппаратуры собран в виде «сэндвича» плат форм-фактора PC/104.
Постовая аппаратура системы состоит из следующих компонентов:

• QNX-сервер системы;
• ЭВМ диспетчера;
• блоки аппаратуры удалённых постов. 

Структура комплекса постовой аппаратуры системы представлена на рис. 3.
Система работает в соответствии с изложенными далее пунктами.

• Бортовая аппаратура собирает данные от ПРНС и датчиков контроля параметров, установленных на локомотиве, выполняет первичную обработку данных, формирует пакеты данных и передаёт их по радиоканалу сотовой GSM-связи на QNX-сервер системы.
• QNX-сервер принимает информацию от оснащённых блоками бортовой аппаратуры локомотивов и информацию от блоков аппаратуры удалённых постов, распределённых по объекту внедрения системы, в состав которых входят ПРНС с антенной и модем.
• QNX-сервер выполняет в режиме реального времени совместную обработку данных, полученных от блоков бортовой аппаратуры и аппаратуры удалённых постов, вычисляет местоположение, направление и скорость движения локомотивов, записывает в базу данных (БД) координатно-временну' ю и служебную информацию, а также информацию о параметрах работы локомотива и передаёт эту информацию в ЭВМ диспетчера и смежные системы.
• ЭВМ диспетчера получает по каналу Ethernet (это позволяет использовать существующие линии связи) из БД информацию о местоположении, направлении и скорости движения локомотивов, а также информацию о произошедших событиях (начало движения, выход за границы предписанных зон, въезд и выезд на территорию контрагентов и др.) и, по желанию оператора, отображает её на цифровой карте или схеме путевого развития объекта внедрения. Вид окна программного обеспечения (ПО) ЭВМ диспетчера с участком цифровой схемы путевого развития объекта внедрения системы и обозначенными на ней неподвижным и движущимся локомотивами представлен на рис. 4. ПО ЭВМ диспетчера позволяет также осуществлять воспроизведение траектории движения выбранного локомотива, формировать, отображать на экране и выводить на печать различные отчёты о работе объекта, упомянутые ранее. Форма отчёта о пробегах и стоянках локомотива, выведенная на экран ЭВМ диспетчера, представлена на рис. 5. Форма отчёта о пребывании локомотива на смежных предприятиях, подготовленная к выводу на печать, представлена на рис. 6.

Обеспечение необходимой точности и оперативности предоставления и обработки данных, расчёт местоположения сразу для нескольких локомотивов должны проводиться в режиме реального времени, поэтому сервер работает под управлением ОС РВ QNX Neutrino. Применение QNX Neutrino позволяет достигнуть высокого уровня надёжности работы системы. Уровни приоритетов задач и дисциплина их планирования, свойственные данной ОС РВ, обеспечивают многопоточную обработку данных с заранее определённой циклограммой работы, а её микроядерная архитектура – требуемую производительность системы.

Рис. 6. Форма отчёта о пребывании локомотива на смежных предприятиях

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе испытаний системы на Красноярском транспортном узле были подтверждены её основные эксплуатационные характеристики:

• среднеквадратичное отклонение (СКО) определения местоположения – 0,35 м;
• СКО определения скорости движения – 0,05 м/с;
• задержка в получении информации о местоположении локомотивов – не более 2 с.
• Потенциал развития системы для решения различных задач железнодорожного транспорта поистине огромен. Информация, получаемая с помощью системы, может быть использована:
• для построения систем автоматического оповещения о приближении поездов к переездам;
• для построения систем автоматической привязки мест обнаружения дефектов в элементах верхнего строения пути, земляного полотна и контактной сети с использованием средств неразрушающего контроля;
• для построения систем автоматизации путевых работ с использованием путевых машин и комплексов;
• для построения автоматизированных систем учёта и контроля выполнения графиков плановых ремонтов и технического обслуживания локомотивов;
• для обеспечения в режиме реального времени координатно-временно' й информацией ГИС и АСУ железнодорожного транспорта (АСОУП, АСУ СС, ГИС РЖД, ИОММ и др.).

Внедрение системы в сочетании с упомянутыми в начале статьи системами на предприятиях магистрального и промышленного железнодорожного транспорта позволит:

• значительно (до 60%) сократить ручной труд по вводу и обработке информации;
• повысить оперативность и качество управления движением локомотивов;
• до 30% сократить расходы на эксплуатацию локомотивного парка;
• до 20% повысить эффективность использования локомотивного и вагонного парков;
• значительно сократить количество ошибок, обусловленных человеческим фактором, возникающих в процессе управления движением;
• повысить безопасность движения за счёт более точного определения местоположения по сравнению с используемыми в настоящее время на железнодорожном транспорте системами СЦБ.