Какие данные система автоведения получает от блок

Какие данные система автоведения получает от блок

Универсальная система автоведения (автомашинист электротяги) является программно-аппаратным комплексом реального времени, построенным по модульному принципу. Эта система обеспечивает автоматизированное управление пассажирским электровозом на основе расчета оптимальной траектории движения при минимизации расхода электроэнергии на тягу и точном выполнении расписания движения поезда.

Регистратор параметров движения и автоведения пассажирских электровозов (РПДА-П) обеспечивает регистрацию 39 параметров движения и управления с записью на сменный носитель (картридж) информации, необходимой для реализации электронного маршрута машиниста. Он также позволяет записывать на картридж задание на поездку с автоматическим считыванием его в систему автоведения, что избавляет машиниста от ввода какой-либо информации перед поездкой. Система автоведения и регистратор облегчают труд машинистов и ремонтников и способствуют повышению производительности их труда, особенно в условиях постоянно увеличивающихся плеч обслуживания, позволяет экономно расходовать электроэнергию и вести ее регистрацию отдельно на тягу и отопление поезда. Повышается безопасность движения за счет автоматического исполнения скоростного режима движения по сигналам светофоров с учетом постоянных и временных ограничений скорости, а также за счет уменьшения утомляемости машиниста. Таким образом обеспечивается высокое качество вождения поездов независимо от квалификации машинистов.

В настоящее время разработаны и внедрены следующие системы автоведения и регистраторы для электровозов пассажирского движения:

УСАВПП для двухсекционных электровозов постоянного тока ЧС7;

УСАВП-ЧС2 для односекционных электровозов постоянного тока ЧС2,ЧС2т,ЧС2к;

УСАВП-ЧС200 для двухсекционных электровозов постоянного тока скоростного движения ЧС200,ЧС6;

УСАВП-ЧС4т для односекционных электровозов переменного тока ЧС4т.

Аппаратные электронные средства системы автоведения для электровоза ЧС6 показаны на рис. 1, а регистратора параметров движения РПДА-П на рис. 2.

Системы автоведения и регистраторы строятся на основе блоков комплекса автоматизированного управления и диагностирования КАУД, который представляет собой набор унифицированных блоков определенной функциональности со стандартизованными интерфейсом CAN 2.0 b и программным протоколом верхнего уровня CANOpen. В состав этого комплекса входят несколько блоков.

Блок системный БС. Это центральный блок для автоведения. В распределенной CAN сети выполняет функции шлюза внутренней сети, к которой подключаются остальные блоки системы, и внешней для подключения САУТ/ЦМ и КЛУБ-У. В состав блока входят источник питания для обеспечения всех блоков стабилизированным питанием 48В, два процессорных модуля CPU686 с двумя CAN интерфейсами каждый (может устанавливаться один модуль) и мастер-модуль, реализующий сетевые функции.

Блок индикации БИ алфавитно-цифровой (8х20 знакомест) с клавиатурой (19 клавиш) и звуковой колонкой. В составе комплекса КАУД имеется графический цветной дисплей с разрешением 640х480 пикселей.

Блок регистрации БР с индикацией потребленной энергии. Предусмотрено сжатие информации, принимаемой по CAN шине, и запись на картридж, а также загрузка ПО и электронного маршрута машиниста с картриджа.

Блок дискретного управления БДУ для управления контроллером и краном машиниста, приема и обработки дискретных сигналов. В состав блока входят модуль дискретного управления (12 ключей на токи до 20 А), модуль приема дискретных сигналов (24 сигнала, подключенных к выводам ключей) и модуль реле и защиты для восстановления штатной схемы электровоза (4 реле).

Блок аналогового ввода БАВ, в который могут устанавливаться три модуля различных модификаций, служит для преобразования тока 4..20 мА в цифровой код (датчики давления) частотных сигналов ДПС и напряжения.

Блок дискретного ввода для приема и преобразования в цифровой код 12 сигналов цепей управления электровоза.

Блок измерения высоковольтный модульный БИВМ конфигурируется под конкретный электровоз. Измеряет токи в силовых цепях электровоза, напряжение в контактной сети и вычисляет затраченную электроэнергию. Может содержать до 8 измерительных модулей.

Высоконадежный блок накопления информации (картридж) емкостью 64 Мбайт со скоростью обмена до 1 Мбит/с и временем стирания не более 1с.

Системный блок БС обеспечивает единое питание всех блоков комплекса. Установленный в нем процессорный модуль обеспечивает слежение за всеми контролируемыми параметрами, реализацию алгоритмов автоведения и передачу в блок регистрации для записи на картридж отфильтрованной информации. Конкретная комплектация блоков ввода-вывода определяется типом тягового подвижного состава и набором дискретных и аналоговых сигналов, подлежащих регистрации. Устанавливается необходимое количество модулей БИВ требуемого типа в зависимости от количества измеряемых токов и напряжений.

Прием и запись на картридж информации от приборов безопасности осуществляется по стандартизованному CAN интерфейсу. Эта информация поступает также в системный блок, процессор которого производит ее содержательную обработку. Речевая информация выдается машинисту через звуковую колонку.

Для реализации электронного маршрута вся информация по нему, включая список предупреждений, записывается на АРМе в картридж, что исключает необходимость ввода какой-либо информации перед отправлением. Информация об исполнении расписания, нарушениях и расходе энергии автоматически записывается на картридж во время поездки.

В процессе разработки систем автоведения пассажирских электровозов возникла проблема автоматического управления тормозами электровоза и поезда. Пневматическое оборудование в виде пневмоприставки 206 для системы САУТ не обеспечивало отпуск тормозов со сверхзарядкой тормозной магистрали. Поэтому была разработана тормозная подсистема автоведения, показанная на рис. 3.

Для дистанционного управления режимами торможения, перекрыши и отпуска была разработана новая приставка ПМ-07-03 на основе высоконадежных электромагнитных клапанов тип КЭО, которая устанавливается на кран машиниста 395. Реализация автоматического отпуска тормозов осуществляется совместно отпускным клапаном приставки и клапаном КЭО15, установленном на пневмопанели электровозов. Открытие этих клапанов обеспечивает проходное сечение, аналогичное 1-му положению крана машиниста 395. Для поездов с числом вагонов меньше 11 клапан КЭО 15 не применяется.

Данное тормозное оборудование унифицировано и применяется на всех типах пассажирских и грузовых электровозов. Это фактически дистанционный кран машиниста, который имеет низкую стоимость, обеспечивает высокую надежность управления тормозами как в автоматическом, так и в ручном режиме.

В отличие от зарубежных систем, которые обеспечивают лишь поддержание заданной машинистом скорости, отечественные системы автоведения в реальном времени сами рассчитывают и реализуют оптимальную скорость движения в зависимости от постоянно меняющейся поездной обстановки на маршруте с учетом постоянных и временных ограничений скорости, сигналов светофоров, тяговых и тормозных характеристик конкретного электровоза и поезда, условий проезда определенных участков и напольных устройств, а также множества других факторов. В целом, как показали патентные исследования, данные системы не имеют аналогов в мире.

В основе энергооптимального вождения поездов лежат алгоритмы быстрой оптимизации движения с учетом вышеперечисленных факторов, разработанные учеными ВНИИЖТа под руководством доктора технических наук Л.А. Мугинштейна. Данные алгоритмы опробованы при разработке режимных карт вождения поездов. В отличие от статичных режимных карт, которые рассчитываются перед поездкой, в системах автоведения реализован постоянный перерасчет траектории движения при каждом изменении условий.

Следует отметить, что в отличие от моторвагонного подвижного состава, где реализуется практически старт-стопное движение, автоведение пассажирских поездов должно обеспечивать высокую точность исполнения расписания в условиях постоянно изменяющейся поездной обстановки на больших расстояниях. При этом необходимо оптимизировать траекторию движения на десятки и сотни километров вперед. Критериями, исходя из которых разрабатывалась программа автоведения пассажирских поездов, были: соблюдение графика движения с точностью 1 мин (для скоростного движения – 30 с), минимизация потребленной энергии на тягу, соблюдение ПТЭ и щадящие режимы управления тягой и тормозами, в частности минимизация числа переключений контроллера.

Основной особенностью системы автоведения пассажирских электровозов является расчет оптимальной траектории движения, соответствующей заданному машинистом режиму исполнения расписания непосредственно в бортовом компьютере в реальном времени, что позволяет минимизировать потребленную энергию на тягу при исполнении графика движения. Кроме того, программа адаптируется к характеристикам конкретных электровоза и поезда как по тяге, так и по тормозам, что обеспечивает более высокую точность управления во всех режимах движения поезда. Система позволяет автоматизировать проверки ее и электровоза перед поездкой, что существенно уменьшает время готовности, и автоматизировать подготовку к поездке за счет предварительной записи на картридж (на АРМе в депо) задания на поездку, включая список предупреждений, и автоматическое его считывание перед отправлением. Во время движения обеспечивается оперативное тестирование аппаратуры системы автоведения и электровоза с выдачей речевого сообщения машинисту в случае обнаружения неисправности, что повышает безопасность движения.

Система автоведения и регистратор выполняют следующие основные функции управления и регистрации для пассажирских электровозов:

определяют фактические параметры движения поезда и индикацию их на экране;

ведут расчет рекомендуемых параметров движения поезда и управляющих воздействий в реальном времени и индикацию их на экране дисплея;

реализуют необходимые управляющие воздействия в тяге и торможении;

осуществляют визуальный и звуковой интерфейс с машинистом, запись регистрируемых параметров на картридж, тестирование аппаратуры автоведения и тягового подвижного состава после включения, постоянный контроль исправности аппаратуры.

Форма представления информации на графическом дисплее системы автоведения показана на рис 4. На экран выводится информация о текущем времени, фактической скорости поезда, выбранной станции исполнения расписания, времени прибытия на эту станцию и оставшемся времени хода до этой станции, отклонении от графика движения, текущем ограничении скорости и расстоянии до конца этого ограничения, о следующем препятствии, требующем снижения текущей скорости, и расстоянии до этого препятствия, о сигнале очередного светофора и расстоянии до него, о расстоянии до конца текущего перегона и название этого перегона, текущая координата в км и пикетах, текущая позиция ГП и ОП и запрашиваемая позиция, основной и вспомогательный тормоз, заданные для системы автоведения. Представляется также информация о рекомендуемой скорости для поезда, токах в тяге или давлений в УР, ТЦ и ТМ в других режимах движения, состоянии и режимах работы УСАВПП, КЛУБ-У и САУТ-ЦМ. Кроме того, система выдает речевую информацию о превышении текущего ограничения скорости (в режиме ручного управления), подъезде к месту ограничения скорости с фактической скоростью, превышающей скорость ограничения, о запрещающем сигнале светофора, о приближении к переезду, воздушному промежутку, УКСПС и другим объектам, о неисправности аппаратуры.

Система позволяет рассчитывать параметры движения и необходимые управляющие воздействия при определении скорости ведения поезда (расчетной скорости), обеспечивающей выполнение графика движения. При этом используются данные, полученные в результате расчета траектории движения поезда (зависимости скорости движения от координаты) с учетом реального отклонения от заданного графика движения и наличия временных ограничений скорости на участке безостановочного движения. Автоматически выбирается режим движения: разгон, поддержание скорости тягой, выбег, поддержание скорости торможением или торможение. Режим движения выбирается исходя из фактической и расчетной скорости с учетом профиля, ограничений скорости (постоянных, временных и обусловленных запрещающими сигналами светофора), остановочных станций и других железнодорожных объектов. Ведется расчет управляющих воздействий, обеспечивающих необходимый режим движения: позиции контроллера и ослабления поля, типа используемых тормозов (ПТ, ЭПТ, ЭДТ, локомотивный тормоз) и необходимого давления в тормозных цилиндрах. При расчете позиции учитывается вес поезда, фактическая и расчетная скорости поезда, кривизна пути, средний уклон и изломы профиля на ближайшем участке движения (от 100 м до 5 км, в зависимости от изломов профиля), необходимость минимизации числа переключений контроллера.

При реализации требуемого режима движения (выполнении управляющих воздействий) предусмотрен плавный разгон поезда при трогании с места и выключение тяги на малых скоростях, контроль тока при наборе позиций по введенной уставке, контроль давлений в тормозных магистралях и цилиндрах при торможении и отпуске. Система имеет интерфейс, обеспечивающий машинисту широкие возможности корректировать параметры движения поезда, в частности, выбирать режим исполнения расписания в случае опоздания, устанавливать ускорения при разгоне и торможении, оперативно ограничивать скорость (для немедленного исполнения это делается путем нажатия одной клавиши), ограничивать максимальную ходовую позицию и регулировать уставку тока, регулировать коридоры поддержания скорости между ограничением и расчетной скоростью.

Машинист может также разрешать или запрещать выполнять автоматическое торможение, выбирать основной и вспомогательный тормоз и регулировать режим торможения, корректировать координату. При работе в режиме управления поездом предусмотрено немедленное отключение режима автоуправления при вмешательстве машиниста посредством манипуляций ходовым контроллером, краном машиниста, задатчиком тормозной силы ЭДТ или отключением выходных цепей. Переход в режим подсказки сопровождается выдачей соответствующего речевого сообщения и индикацией на экране.

Система передает параметры автоведения в РПДА-П каждую секунду и принимает от него по запросу значения токов, напряжения и давления. Система реализует как ручную, так и автоматическую коррекцию текущей координаты. В последнем случае она принимает от РПДА-П сигнал от устройства коррекции координаты при прохождении границы блок-участка и устанавливает в качестве текущей координату соответствующего светофора из базы данных. Автоматическая коррекция координаты производится также при старте из тупика, когда она зависит от числа вагонов в поезде.

Системы автоведения пассажирских поездов и регистраторы существенно облегчают труд машиниста, что подтверждается проведенными ВНИИЖГом исследованиями. В частности, установлено, что применение автоведения позволяет продлить устойчивый уровень работоспособности в среднем на 2-3 ч и уменьшить загруженность машиниста.

За счет энергооптимальных режимов движения, которые в системах автоведения рассчитываются в реальном масштабе времени непосредственно на локомотиве, экономится электроэнергия. Как показывают данные результатов обработки картриджей по реальным поездкам, экономия электроэнергии находится на уровне 5-10%.

Значительно повышается безопасность движения за счет точного исполнения скоростного режима как по сигналам светофора, так и по ограничениям скорости, включая временные. Следует отметить, что система автоведения является единственным устройством на борту электровоза, которое информирует машиниста о временных ограничениях скорости, а в режиме автоведения их автоматически и отрабатывает.

Качество вождения поездов в режиме автоведения находится на высоком уровне, независимо от квалификации машинистов. При этом во время поездки проходит обучение машинистов энергооптимальному вождению поездов, так как при автоведении разброс удельного расхода на тягу в 2 раза меньше, чем при ручном управлении.

Аппаратура управляющих систем автоведения поезда

Аппаратура УСАВП строится на основе блоков, осуществляющих управление подвижным составом (тяга, торможение, рекуперация (обратное получение, возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе)). Взаимодействие аппаратуры системы автоведения поезда показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Аппаратура УСАВП

Одним из достоинств применения рекуператоров — является энергосбережение, и как следствие уменьшение (иногда значительное) энергозатрат. Несмотря на необходимость первоначальных вложений окупается использование рекуператоров достаточно быстро), датчиков, фиксирующих ключевые показатели функционирования локомотива или моторного вагона, и управляющего компьютера. Блоки систем автоведения объединяются в одну общую CAN-сеть. Эта сеть позволяет согласовать друг с другом разнотипные устройства, предназначенные для организации распределенной обработки данных и подключать новые блоки. CAN-сеть не чувствительна к электромагнитным помехам и обладает высокой степенью надежности. При этом любое из подключенных устройств может быть использовано для передачи или получения информации. Полученные от систем локомотива аналоговые и дискретные сигналы обрабатываются, поступают в сеть и становятся доступными другим блокам системы. Взаимодействие аппаратуры системы автоведения показано на рисунке 1.4. [2].

Рисунок 1.4. Взаимодействие аппаратуры системы автоведения

Основное устройство, которое несет в себе всю информацию о сети и координирует работу подключаемых модулей — Системный Блок (БС),который представляет собой высокопроизводительный компьютер. Блок БС, исходя из полученных сообщений от устройств в CAN-сети, формирует команды на управление. Также в блоке БС содержится программа автоведения.

Система автоведения получает информацию о текущем состоянии поезда от измерительных устройств (датчиков). Для выполнения точного моделирования поведения поезда системе автоведения также необходимы сведения о параметрах состава для данной поездки (количество, типы вагонов и массы состава). Эти данные, а также информация о маршруте следования, временных ограничениях скорости, номере поезда и табельном номере машиниста вводятся перед отправлением в ручном или автоматическом режиме в систему автоведения (зависит от модификации системы автоведения). При автоматическом вводе используется съемный носитель данных (картридж), куда в депо предварительно записывается вся необходимая информация.

Применение систем автоведения повышает безопасность движения за счёт:

· автоматического исполнения скоростного режима движения (с учетом сигналов светофоров, ограничений скорости и т.п.);

· уменьшения утомляемости машиниста;

· автоматического контроля функциональных узлов аппаратуры.

Системы автоматического ведения поезда

В статье описаны системы автоматического ведения поезда, применяемые на тяговом подвижном составе железных дорог. Приведены отличительные особенности систем для каждого класса поездов (электропоезд, пассажирский и грузовой электровозы), описаны функциональные возможности приборов.

ВВЕДЕНИЕ

С момента появления электрифицированных железных дорог стал подниматься вопрос об автоматизации процесса перевозок, не исключая и автоматизацию управления электроподвижным составом. Появлявшиеся в 30-е годы теоретические научные разработки сводили данный вопрос к автоматическому регулированию, решающему, как правило, две основные задачи: поддержание заданной скорости и прицельное торможение в нужной точке.
Вместе с тем повышение требований к уровню автоматизации электроподвижного состава, имеющему непосредственное влияние не только на уровень потребления энергетических ресурсов, но и на безопасность движения, а также усовершенствование и модернизация самих тяговых средств — локомотивов и электричек — заставило расширить комплекс решаемых такими системами задач.

Многолетний практический опыт эксплуатации тягового подвижного состава доказал, что процесс управления поездом — это сложная многофакторная задача, решение которой в значительной степени возложено на машиниста. По мере развития электроники стало возможным создание систем, автоматизирующих решение частных задач при ведении поезда. Функциональные возможности таких систем постепенно расширялись, соответственно увеличивался и круг решаемых ими вопросов. Вместе с тем лишь в последнее время, когда получила широкое распространение микропроцессорная техника, появилась возможность делать такие системы компактными и надежными. А решение в масштабах всей сети железных дорог России такой задачи, как прицельное торможение, вообще стало возможно только в последнее десятилетие.
В нашей стране на транспорте разработки с применением микропроцессорной техники стали внедряться в 80-х годах, когда появились первые системы управления тяговым приводом. Их использовали в основном в силовых преобразовательных установках для управления бесколлекторными асинхронными и вентильными тяговыми двигателями, инверторами на электровозах переменного тока, а также для диагностики электрических цепей. Все эти системы, безусловно, имеют различные схемные решения, однако структурная схема у всех одинакова: система датчиков — устройство ввода-микропроцессорный вычислитель — устройство вывода — исполнительные элементы. В зависимости от конкретно поставленной задачи система датчиков должна обеспечить микропроцессорный вычислитель всей необходимой информацией, а исполнительные элементы обязаны бесперебойно передавать управляющее воздействие на соответствующее тяговое оборудование. Мощность же вычислителя, его быстродействие, объем памяти определены прежде всего сложностью решаемой проблемы.
Условия эксплуатации электроподвижного состава выдвигают весьма жесткие требования к его электрическому и механическому оборудованию. Эти требования не обходят стороной и микропроцессорную технику: здесь необходимы не только устойчивость к вибрациям и тряске, но и к климатическим воздействиям, так как полигон использования отечественного тягового подвижного состава простирается от Заполярья к Средней Азии, включая приморские районы с их влажной атмосферой и континентальные районы Сибири с резкими перепадами ночных и дневных температур. Помимо этого имеется целый ряд специфических требований к блокам питания таких систем и к организации их гальванической развязки от высоковольтных цепей локомотива.

Одна из важнейших особенностей микропроцессорных систем управления тяговым подвижным составом заключается в том, что такие системы являются системами реального времени. Это, в свою очередь, предъявляет определенные требования к программному обеспечению, включая и требования к его организации. Программное обеспечение должно четко реагировать на закономерные и случайные события из заранее оговоренного перечня в жестко заданные интервалы времени, выход за границы которых недопустим.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЕДЕНИЯ

• автоматическое ведение пригородного поезда;
• автоматическое ведение локомотива пассажирского поезда;
• автоматическое ведение локомотива грузового поезда.

Рис. 1. Пример графиков кривых движения (ось абсцисс — перегон: элементы профиля, величина уклонов; ось ординат — скорость)

• соблюдение перегонного времени хода;
• выполнение расписания поезда для каждого конкретного маршрута;
• соблюдение скоростного режима, исключающего превышение установленных скоростей движения, в том числе в местах действия ограничений скорости;
• соблюдение сигналов светофоров, требующих снижения скорости;
• расчёт кривой движения поезда с учетом требования минимизации расхода электроэнергии;
• измерение фактической скорости движения и сравнение ее с расчетной, выбор, исходя из этого, соответствующей тяговой позиции;
• расчет координаты местонахождения поезда (что особенно актуально в условиях недостаточной видимости);
• оповещение пассажиров о названиях остановочных пунктов, о закрытии автоматических дверей, о правилах проезда в пригородных поездах и др.;
• сообщение локомотивной бригаде необходимой информации о местах повышенной бдительности, сигналах автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), местах ограничения скорости, расположении устройств, мимо которых необходимо проследовать с отключенной тягой, об остановочных пунктах и станциях.

Большое количество коротких перегонов и малое число ходовых позиций контроллера (всего 4), а также особенности цепей управления в электропоезде при сбросе позиций обуславливают особый режим ведения электропоезда, который в значительном числе случаев представляет собой последовательность «разгон-выбегторможение». На более длинных перегонах система реализует схему с несколькими включениями тяги, то есть режим «разгон-выбег-тяга-выбег-тяга-. -выбег-торможение». По аналогичной схеме реализуется и поддержание скорости, например, при следовании по участку с ограниченной допустимой скоростью движения. Рассчитанные траектории обобщенно задаются в виде параметров (коэффициентов), описывающих скорость разгона и среднюю скорость. Такой подход позволил построить быстрый регулятор времени хода, весь процесс регулирования при этом укладывается в один такт измерения-управления. При этом управляющая программа получилась достаточно компактной и была реализована на процессорах 8086, которые в более поздних приборах САВПЭ были заменены на 80386SX и 80386ЕX.
Система применяет прицельное торможение поезда при приближении к светофорам, требующим снижения скорости, и к местам действия ограничений скорости, которые либо вводятся заранее (закладываются в память), либо задаются нажатием кнопки с клавиатуры управления.
Управлять поездом при помощи САВПЭ машинист на свое усмотрение может, переключив систему в режим ав- товедения или в режим подсказки в соответствии с показаниями индикатора.
Значительный объем в аппаратуре систем автоведения электропоезда отводится блоку речевого информатора, который не только выполняет функции оповещения пассажиров, но и, опираясь на сигналы датчика пути и скорости и АЛСН, сообщает машинисту о приближении к переездам, мостам, тоннелям, нейтральным вставкам и токоразделам, постам обнаружения нагрева букс (приборам ПОНАБ, ДИСК), а также об ограничениях скорости, желтом и красном сигналах АЛСН. Эта функция, во-первых, способствует повышению безопасности движения, привлекая внимание локомотивной бригады к местам и событиям, требующим повышенной бдительности или соблюдения особых условий; а во-вторых, облегчает труд машиниста и его помощника, избавленных теперь от необходимости читать информационные сообщения для пассажиров.
Сегодня на электропоездах применяются унифицированные системы автоведения поезда УСАВП и УСАВП-Л. В системе УСАВП применен контроллер 6030 серии MicroPC фирмы Octagon Systems.
Создание нескольких модификаций систем автоведения, внедрение их более чем в 40 депо потребовало разработки как унифицированной управляющей программы, так и технологии (с соответствующими программными средствами) подготовки данных.

В отраслевом Центре внедрения «Желдорконсалтинг» в 2000 году была разработана универсальная управляющая программа, которая, имея независимое от системы ядро, снабжена необходимым набором низкоуровневых драйверов, непосредственно управляющих аппаратурой конкретной системы. Огромнейший объем работы по внедрению системы потребовал разработки автоматизированного рабочего места подготовки данных, программно-аппаратные средства которого существенно сокращают срок создания бортовой базы данных.

• соблюдение перегонного времени хода:
• выполнение расписания движения для конкретного номера поезда на участке между заданными станциями с точностью до 1 минуты;
• соблюдение режима установленных на участке следования скоростей движения, в том числе в местах действия ограничений скорости;
• соблюдение сигналов светофоров, требующих снижения скорости или остановки;
• расчёт кривой движения поезда, в том числе реализация механизма нагона опоздания с учетом требований по минимизации расхода электроэнергии;
• расчет координаты местонахождения поезда;
• выбор позиции контроллера машиниста, исходя из рассчитанной энергооптимальной траектории, с учетом минимизации числа его переключений;
• измерение фактической скорости движения и сравнение ее с расчетной;
• организация взаимодействия прибора автоведения и машиниста посредством отображения на индикаторе всей информации о режимах движения поезда (обратная связь);
• сообщение локомотивной бригаде необходимой информации о местах повышенной бдительности, сигналах автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), местах ограничения скорости, о приближении к станциям, о расположении устройств, мимо которых необходимо проследовать с отключенной тягой.

Известно, что энергооптимальные траектории имеют фиксированный набор режимов: разгон с максимальным ускорением, торможение с максимальным замедлением, выбег, поддержание (стабилизация) скорости. При этом, если на траектории находятся несколько участков стабилизации скорости, то Пассажирский электровоз ЧС7
на всех этих участках поддерживаемая скорость должна иметь одну и ту же величину.
Проблема построения энергооптимальной траектории состоит в следующем. Для участка без ограничений скорости и с постоянным профилем можно рассчитать точки смены режимов теоретически. При введении же реального профиля и ограничений скорости теоретически задача не решается, а численные методы, которые предлагались в 80-х годах, приводят к очень большому времени вычислений из-за перебора значительного числа вариантов управления.
Учеными ВНИИЖТ был предложен метод оптимизации, позволяющий строить энергооптимальную траекторию движения за разумное время (не более минуты для участка длиной 200 км, имеющего 1000 элементов про-
филя, 20 ограничений скорости, и 80вагонном составе). Этот метод оптимизации позволяет автоматически (без перебора) учесть профиль и все ограничения скорости, рассчитать начало предварительных выбегов перед спусками и другие режимы.

Очевидно, что для практической реализации энергооптимальной траектории необходимо соблюдать, в первую очередь, скоростной режим, а не режим управления контроллером машиниста, поскольку последний зависит от множества факторов, которые невозможно учесть заранее. В числе этих факторов напряжение контактной сети, количество вагонов в составе, метеоусловия, реальное сопротивление движению состава, зависящее от температуры окружающей среды, включение подвагонных генераторов, устройств освещения, отопления и др. Имея скоростную оптимальную траекторию в качестве базы, система автоведения должна включать в свой состав механизм реализации заданной скорости с помощью контроллера машиниста.
В отличие от электропоезда система управления пассажирского электровоза позволяет реализовывать режим поддержания заданной скорости либо скорости, близкой к заданной. Длинные перегоны предполагают наличие такого режима. В то же время тяговоскоростные характеристики электровоза постоянного тока имеют значительные области, для которых ходовые позиции контроллера отсутствуют. Поэтому необходим регулятор времени хода и скорости, позволяющий реализовывать энергооптимальную траекторию, соблюдая точки смены режимов, обеспечивающий в то же время минимизацию числа переключений контроллера и сохранение заданного отклонения от скорости стабилизации. Величина этого отклонения зависит от того, какие потери энергии на участке стабилизации скорости считаются допустимыми. При расчетных оценках дополнительный расход энергии принимается прямо пропорциональным квадрату отношения величины отклонения скорости к скорости стабилизации, а на практике допустимыми считаются отклонения в пределах 10%.
Регулятор, отрабатывающий участки стабилизации скорости, не может быть просто классическим ПИили ПИДрегулятором, реагирующим на фактический выход из заданной трубки по допустимому отклонению скорости. Это определено двумя основными причинами. Во-первых, необходимо выдержать точку окончания режима стабилизации по всем трём координатам (путь, скорость, время), так как следующий наиболее вероятный режим — выбег, а отклонение в начале выбега по скорости на величину выше допустимой может привести к значительному изменению скорости в конце выбега. Во-вторых, регулятор, не учитывающий профиль, будет переключаться значительно чаще, чем регулятор, интегрально учитывающий профиль на участке стабилизации. Таким образом, становится объективно необходимым иметь регулятор, анализирующий весь участок поддержания скорости.
Система автоведения должна иметь механизм интеллектуального нагона, то есть учитывать требования минимизации дополнительного расхода энергии на нагон, что предполагает реализацию нагона не между двумя ближайшими (зонными) станциями, а на всем пути следования, если, конечно, это возможно (как правило, это зависит от разделения протяженных участков на диспетчерские зоны обслуживания).
В системе автоведения пассажирского электровоза речевой информатор выполняет функции, аналогичные функциям информатора электропоезда.
Грузовой электровоз, в отличие от уже упомянутых классов тягового подвижного состава, имеет ряд особенностей. Этот тип локомотивов может использоваться на предельной мощности, при этом на некоторых участках маршрута возможно снижение скорости состава даже при максимальном тяговом усилии. Число ходовых позиций контроллера невелико: от 15 на электровозах постоянного тока до 36 на электровозах переменного тока. Как и на пассажирских локомотивах, на электровозах постоянного тока есть значительные области на тяговой характеристике, для которых нет соответствующих ходовых позиций контроллера. Перегонное время хода зависит от веса состава.

Рис. 2. Модуль центрального процессора CPU686 фирмы Fastwel

• ограничение сил в составе на допустимом уровне в соответствии с планом и профилем пути, а также схемой формирования состава;
• формирование управляющих сигналов, обеспечивающих допустимые продольно-динамические силы в составе;
• управление локомотивом с максимальным использованием его тяговых возможностей.

Рис. 3. БлокHсхема системы автоведения локомотива

В настоящее время во ВНИИЖТ создаются алгоритмы работы системы автоведения, позволяющие ограничивать продольно-динамические силы в составе на безопасном уровне. Все это позволяет сделать вывод о возможности создания полноценной системы автоведения грузового электровоза в самой ближайшей перспективе.

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЕДЕНИЯ

Эксплутационные требования к электронике систем автоведения достаточно жесткие. Изделия для применения на подвижном составе входят в ту же группу, что и изделия для космоса и авиации, а некоторые требования, предъявляемые к железнодорожной аппаратуре, более жесткие, чем авиационные (например, виброи ударопрочность).

• диапазон рабочих температур от –40 до +55°С;
• диапазон температур хранения от –55 до +60°С;
• относительная влажность воздуха до 95% при +25°С без конденсации влаги;
• вибрация в диапазоне частот от 1 до 150 Гц при амплитуде виброускорения по вертикальной и горизонтальной осям до 1g;
• синусоидальная вибрация в диапазоне частот от 5 до 7 Гц при амплитуде виброперемещения до 5,0 мм, в диапазоне частот от 7 до 10 Гц при амплитуде виброперемещения до 2,5 мм и в диапазоне частот от 10 до 150 Гц при амплитуде виброускорения до 1g;
• одиночные удары с максимальным ускорением до 7,5g и длительностью 10-60 мс;
• диапазон входных питающих напряжений 36-72 В или 80-160 В.
• При этом задача расчета оптимальной траектории требует следующей вычислительной мощности:
• процессор Pentium с тактовой частотой 166 Гц или выше;
• оперативная память не меньше 32 Мбайт;
• флэш-диск объемом не меньше 16 Мбайт.

Рис. 4. Структура управляющей программы пассажирского электровоза

В конечном итоге мы остановились на процессорной плате СРU686 фирмы Fastwel, выполненной в формате MicroPC (Octagon Systems). Плата CPU686 выполнена на базе современного процессора GXLV (рис. 2), при этом ее энергопотребление снижено на 30%, в связи с чем не требуется система принудительного охлаждения компонентов. Укрупненно структура системы автоведения и ее связи с цепями управления локомотивом показаны на рис. 3.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОВЕДЕНИЯ

• малое время на перенос программы расчета оптимальной траектории движения, которая имеется в варианте библиотеки DLL под Win32;
• небольшое время на освоение собственно операционной системы;
• минимальные затраты на покупку операционной системы;
• минимальные затраты на лицензирование каждой копии операционной системы на борту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня в стадии опытной эксплуатации находится система автоведения электровоза ЧС7, построенная на базе процессорного модуля Fastwel CPU686. В качестве операционной системы применена RTOS-32. Программа автоведения на борту производит расчет траектории движения, обеспечивающей минимизацию затрат энергии на тягу. Кроме того, системой решается задача подбора позиций контроллера машиниста, обеспечивающих существенное приближение к оптимальной траектории при минимизации числа переключений.
В настоящее время такими системами оборудовано более 20 локомотивов серии ЧС7, курсирующих с одной-двумя остановками или в безостановочном графике с пассажирскими поездами по участкам Москва-Вязьма (белорусское направление, 243 км), Москва-Сухиничи (киевское направление, 261 км).
Внедрение систем автоведения электропоезда изначально предполагало снижение расхода электроэнергии оборудованными составами в среднем на 5%. Реально экономия электроэнергии в разных депо составила от 3 до 18% от существующих норм расхода, что подтвердилось специально проведенными замерами в контрольных поездках. Сегодня свыше 1200 пригородных составов оборудованы различными модификациями систем автоведения. По предварительным оценкам, эксплуатация электропоездов с такими системами на борту только за 2000 год сэкономит электроэнергии на 237 млн. руб при действующих тарифах.
Вместе с тем, помимо экономии электроэнергии, есть целый ряд косвенных преимуществ применения таких систем. Например, более точное выполнение графика движения по сравнению с ручным управлением увеличивает пропускную способность участка на 10-12%, а число внеплановых торможений снижается на 10-15%. Наряду с этим имеются косвенные преимущества, которые невозможно оценить рублевым эквивалентом. Система позволяет быстро приблизить уровень управления поездом малоопытного машиниста к уровню квалифицированного специалиста и обучить его правильному выбору режимов ведения поезда. Таким образом, система выполняет функции тренажера для локомотивной бригады, снижая затраты на обучение. Наконец, главное — система позволяет повысить безопасность движения за счет освобождения машиниста от ряда рутинных операций по
ведению поезда.

Разбираемся с подключением блока индикации от системы автоведения поезда

Думаю, каждого из нас хоть раз в жизни интересовали всякие устройства, по назначению отличные от пользовательских. А кто-то наверняка хотел заполучить что-то из этой области, пусть даже единственным предназначением в домашних условиях будет просто поставить на полочку и любоваться.

Одной из таких категорий являются различные девайсы, применяющиеся на транспорте. Именно о таком устройстве, а именно о частях унифицированной системы автоведения поезда, сегодня и пойдёт речь.

Итак, в данной статье поговорим о том, как устроен данный прибор и как его запустить. Традиционно будет много интересного.

❯ Суть такова

Те, кто давно со мной общается, хорошо знают, какое место среди моих увлечений занимает транспорт (так уж вышло, что преимущественно железнодорожный). И, конечно, различная околотранспортная электроника вызывала у меня неподдельный интерес. Проблема лишь в том, что достать такие девайсы очень сложно, многие блоки были выпущены буквально парой десятков экземпляров, а если какой-то экземпляр и подвернётся под руку, то оживить его не так-то просто, так как если и удаётся что-то найти, то толку от найденной информации чуть менее, чем никакого. Именно поэтому я подумал, что об удачном опыте запуска подобных железок стоит поведать миру.

❯ О чём я?

Так получилось, что мне достались остатки от САВПЭ — системы автоведения пригородного электропоезда (также встречается название «автомашинист»). Это устройство обеспечивает автоматическое поддержание скорости, расчёт времени в пути, переключение режимов ускорения и торможения. Именно эта система проигрывает записи автоинформатора и сообщения для машиниста. Хотя до полноценного автоматического управления ей далеко, это устройство позволяет освободить машиниста от целого ряда действий.

Увы, в реальности всё не так хорошо, как рассказывается в различных описаниях данной системы: иногда девайс глючит, где-то он вообще не работает, показания традиционно имеют погрешность.

Устройство состоит из нескольких блоков: блока индикации и блока клавиатуры, установленном в кабине, а также процессорного блока. Об устройстве последнего известно мало, но удалось выяснить, что там стоит промышленный ПК на базе процессора 386EX. В более новых версиях управляющий блок находится внутри панели индикации, наружу вынесены только цепи коммутации.

❯ Обзор оборудования

Так уж вышло, что ко мне попало оборудование из кабины — блок индикации и панель с кнопками. Ну а раз так — давайте разбирать и разбираться.

А вот и блок индикации. По центру находится дисплей, отображающий текущее время, время до ближайшей контрольной точки, позицию тяги, состояние тормозов, расчётную и фактическую скорость. Снизу ряд светодиодов — десять штук служат для индикации ограничения скорости, одиннадцатый загорается при неисправности системы.

Обратная сторона. Толстенные жгуты проводов до меня кто-то грубо отрезал, зачем это было сделано, мне решительно непонятно. Возможно, кто-то хотел поживиться разъёмами, но они тут тоже на месте.

Заводская табличка. Несмотря на крайне брутальный вид, блок выпущен не в девяностые, а в самом конце нулевых.

Разъёмы закрыты крышкой, рядом обозначения «РУ» и «КЛ». Один из этих разъёмов служит для связи с системным блоком, к другому подключается кнопочная панель.

Табличка на одном из жгутов.

Крышка разъёмов открыта.

А вот и сами разъёмы, РС7ТВ для клавиатуры и РС10ТВ для блока управления.

Клавиатура. На ней девятнадцать достаточно приятных на ощупь кнопок. F1, F2, ОГР служат для ввода поездной информации и ограничения скорости, ДОП — для подтверждения введённых данных, ТЕСТ — для запуска голосового оповещения, ПУСК — для трогания поезда или для возобновления автоведения после отпуска тормозов.

Таблички, по одной на каждой из трёх незанятых боковых граней.

Обратная сторона. Тут только крепёжные винты и остатки пломбы.

Разъём РС7ТВ и какой-то кабель.

❯ Блок индикации

Что мы делаем, когда в наши руки попадает интересная железка? Правильно: мы её разбираем. Так что берём отвёртку и выкручиваем винты на блоке индикации. Также понадобятся пассатижи: крышка держится ещё и на двух гайках. Внутри нас ждёт целая куча латунных стоек, которые тоже надо выкрутить. В итоге у нас на руках оказываются две платы.

Первая из них, очевидно, является преобразователем напряжения, который преобразует указанные на табличке на корпусе двадцать четыре вольта во все необходимые для питания индикатора напряжения. На нём же закреплены все разъёмы.

Вторая плата и есть главная часть блока индикации. На ней находится целая куча микросхем драйвера ВЛИ, микроконтроллер (AT90S8515) и ещё какой-то чип с нечитабельной из-за слоя лака маркировкой.

Обратная сторона платы. Ряд светодиодов и просто шикарный ВЛИ. Геттер всё ещё не потерял цвет, а накал не провис, так что можно надеяться, что он ещё жив.

Вообще, желающим заиметь себе большой символьный ВЛИ советую обратиться в сторону табло от кассовых компьютеров (можно найти по запросу «дисплей покупателя»). В отличие от «голых» индикаторов, которые редки и часто продаются по совершенно спекулятивным ценам, эти экземпляры встречаются повсеместно, да и цена вполне молодёжная. Свой экземпляр я ухватил, кажется, всего за триста рублей. К тому же он уже будет в корпусе, что пригодится для многих проектов.

❯ Первый запуск

В отрезанном жгуте было два подозрительно толстых провода, которые на плате преобразователя шли через дроссель. Одним из них, как легко удалось установить, была земля, другой же уходил куда-то в дебри платы. Судя по толстенным дорожкам стало очевидным, что по этим проводам подаётся питание. Ну а раз так, то зачищаем конец и пробуем включать.

Подаём питание. Тихое пищание преобразователя, и на индикаторе загорается «ИДЁТ ЗАГРУЗКА СИСТЕМЫ». Работает, однако!

Следует отметить, что, разумеется, в самом блоке индикации ничего не загружается. Просто он предполагает, что после подачи питания ОС и управляющий софт промышленного ПК ещё не загрузились, поэтому на входе ничего нет. Так что эта надпись — всего лишь заглушка, сделанная исключительно для того, чтобы не показывать в это время чёрный экран.

❯ При чём тут метеостанция на ардуино и как она нам поможет?

Понятное дело, для полноценного оживления устройства необходимо знать протокол, которого у меня не было. В его поисках я отправился на просторы, где была найдена какая-то статья, повествующая нам о метеостанции на базе платы индикации от такого прибора. У автора была более старая версия, но я понадеялся, что всё совпадёт.

Схемотехнически, правда, модуль отличался, так как быстрая прозвонка выявила, что интерфейс тут не RS-232. На плате рядом с местом припайки шлейфа были некие контакты, подозрительно напоминающие RX и TX, но с UART контроллера они не звонились. «Какой же может быть интерфейс в подобном устройстве, где надо гнать данные метров на десять? Наверное, RS-485» — подумал я и стал разбираться дальше. Догадки мои в скором времени подтвердились: микросхема рядом с микроконтроллером оказалась чипом трансивера RS-485 MAX1482. Точнее, это RS-422: дифференциальных пар сразу две.

Подключаем конвертер RS-232->RS-485, на компьютере открываем терминал и выставляем там такие параметры: скорость 4800 бод, 1 стоп-бит, 8 бит данных, чётность отключена.

Пробуем что-то отправить… работает! Частота обновления, к слову, весьма маленькая, даже невооружённым глазом можно заметить мерцание, а на камере видны полосы.

Точно так же можно писать и по-русски (в кодировке CP866).

❯ Протокол блока индикации

Итак, блок индикации принимает данные из порта без каких-либо проверок и контрольных сумм. Также имеются специальные команды.

Установка положения курсора:

0x1B — код команды, position — требуемое положение.

Зажигание и гашение светодиодов:

0x1C — код команды, value1 — состояние первых восьми светодиодов:

0x00 — все погашены
0x01 — ограничение скорости в 100 км/ч
0x02 — ограничение скорости в 80 км/ч
0x04 — ограничение скорости в 70 км/ч
0x08 — ограничение скорости в 60 км/ч
0x10 — ограничение скорости в 50 км/ч
0x20 — ограничение скорости в 40 км/ч
0x40 — ограничение скорости в 25 км/ч
0x80 — ограничение скорости в 15 км/ч

Легко заметить, что по сути это битовая маска. Тем не менее, значения принимаются только такие, зажечь сразу несколько светодиодов не получится.

value2 — состояние оставшихся светодиодов:
0x00 — все погашены
0x40 — ограничение скорости в 120 км/ч
0x80 — ограничение скорости в 110 км/ч

Индикатор «сбой» загорается сам при отсутствии данных больше пяти секунд. Единовременно может быть зажжён лишь один светодиод, таким образом, одно из значений value1 и value2 всегда нулевое, иначе команда будет проигнорирована.

0x1D — код команды, value — значение от 0 до 9. 0 — дисплей погашен, 9 — горит на полную мощность. По умолчанию яркость выставлена максимальная.

❯ Клавиатура

С дисплеем разобрались. Время перейти к кнопочной панели.

Разбираем. Сдуваем с платы вековую пыль и наблюдаем там микроконтроллер ATTiny2313 и ещё какой-то чип. К контактам кнопки «Пуск» припаяны провода, судя по колхозной пайке — это явно не что-то штатное.

Снимем плату. Кнопка «Пуск» развалилась, теперь понятно, почему припаяли провода: видимо, она начала неуверенно срабатывать, замену не нашли и сделали выносную. На обратной стороне также находится линейный стабилизатор, по которому определяем плюс и минус питания.

Подаём девять вольт, на клавишах загорается красивая янтарная подсветка.

❯ Протокол клавиатуры

Позвонка показала, что UART контроллера идёт к тому самому чипу. Распиновка же совпала с тем, что стоял на плате дисплея, так что можно предположить, что это тот же самый RS-485. Вызваниваем нужные контакты, подключаемся.
Далее подрубаем логический анализатор и пробуем нажимать кнопки.
Мне повезло: никаких команд для опроса клавиатура не требует, если жмякнуть какую-то кнопку, то сразу отправляется пакет данных.
Структура его такая:

Первые четыре байта — заголовок пакета, далее идёт скан-код из двух байт, далее два байта контрольной суммы и окончание пакета в виде неизменного байта 0x2E.
Контрольная сумма рассчитывается как остаток от деления на 256 суммы второго, третьего, четвёртого, пятого и шестого байт пакета. Далее полученное число записывается в кодах ASCII (например, 47h -> 3437h).
Скан-коды клавиш оказались вот такие:

3133h - кнопка "Пуск" 3131h - кнопка "F1" 3132h - кнопка "F2" 3130h - кнопка "ОГР" 3134h - кнопка "ДОП" 3137h - кнопка "РЕГ" 3138h - кнопка "ТЕСТ" 3031h - кнопка "1/25" 3032h - кнопка "2/40" 3033h - кнопка "3/50" 3034h - кнопка "4/60" 3035h - кнопка "5/70" 3036h - кнопка "6/80" 3037h - кнопка "7/100" 3038h - кнопка "8/110" 3039h - кнопка "9/120" 3030h - кнопка "0/15" 3135h - стрелка влево 3136h - стрелка вправо

Как верно заметил в комментариях товарищ Squoworode, скан-код каждой кнопки представляет собой десятичное число в символах ASCII.

❯ Распиновка разъёмов

Теперь можно наконец разобраться с окончательной распиновкой разъёмов блока.

Нумерация контактов разъёмов видна на фото, для РС10ТВ она точно такая же.

Итак, разъём РС7ТВ с пометкой «КЛ» отвечает за клавиатуру. Распиновка его следующая (для клавиатуры и блока одна и та же):

1. Земля
2. Питание (6-12 В)
3. Земля
4. Линия «A» (передача)
5. Линия «B» (передача)
6. Линия «A» (приём)
7. Линия «B» (приём)

1. Питание (24 В)
2. Земля
3. Земля
4. Не используется
5. Земля
6. Линия «A» (передача)
7. Линия «B» (передача)
8. Линия «A» (приём)
9. Линия «B» (приём)
10. Не используется

❯ Вот как-то так

Разбирательства с этой, безусловно, редкой штукой оказались весьма интересным занятием. Даже, казалось бы, при наличии протокола обмена всё равно обнаружился целый ряд нюансов, присущих именно этой версии блока.

Конечно, сомневаюсь, что у всех имеется доступ к таким железкам. Но, как бы то ни было, экземпляр этот весьма интересный, так что о нём определённо стоило рассказать.