Методы моделирования движения поездов в координатных системах интервального регулирования

Средства железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) создают техническую базу для управления перевозочным процессом и обеспечения безопасности движения поездов. Современные средства СЖАТ, в основном, соответствуют требованиям безопасности и размерам движения. Однако, на данном этапе развития общей инфраструктуры железнодорожного транспорта к средствам СЖАТ предъявляются дополнительные требования по функциональному развитию и созданию на этой основе условий для комплексного улучшеI ния эксплутационных показателей всей сети дорог [1].

К основным средствам железнодорожной автоматики относятся системы интервального регулирования (ИР) движения поездов. В настоящее время регулирование движения поездов осуществляется с помощью систем автоблокировки (АБ), автоматической локомотивной сигнализации (AJIC) и систем централизованного управления стрелками и сигналами на станциях (ЭЦ).

Данные системы, обладая рядом достоинств, имеют и ряд существенных недостатков. Основной недостаток заключается в использовании большого количества напольного оборудования. Оснащение линий системами ИР, их эксплуатация, приводят к значительным материальным затратам. По данным [2] на отказы рельсовых цепей приходится 19% всех отказовкабельных линий — 12- аппаратуры — 33- сигналов 5%.

Вторым недостатком рассматриваемых систем является то, что их запас по пропускной способности линий фактически исчерпан. Увеличение числа сигнальных показаний приводит к значительному увеличению числа напольной аппаратуры.

Структура и сложность применяемых в настоящее время систем не зависят от интенсивности движения поездов, на малодеятельных участках их применение становится экономически невыгодным [2].

Низкая информативность является еще одним недостатком систем ИР, основанных на рельсовых цепях.

Одним из самых перспективных направлений в развитии систем ИР являются координатные системы. Тенденция развития подобного рода систем показывает, что наиболее эффективным средством передачи информации между поездами и центром управления является цифровой радиоканал связи. Подтверждением этого является проект создания подобной системы управления.

ERTMS), инициированный в 1995 г. [3], в состав которого вошли железные дороги Германии, Италии, Франции, Нидерландов, Испании и Великобритании.

Применение сотовой радиосвязи позволит реализовать координатный принцип ИР, который позволяет минимизировать объем напольного оборудования и поэтому одинаково эффективен на участках как с малой, так и с высокой интенсивностью движения. Кроме того, он позволяет применить для увеличения провозной способности участков не тяжеловесные поезда, а пачки поездов с интервалами между ними порядка несколько сот метров [2].

Следует отметить, что принципы построения координатной системы ИР с использованием радиоканала связи были заложены советскими учеными еще в 60-х годах. Значительный вклад в развитие системы внесли известные ученые: Волков А. А., Брылеев A.M., Дмитренко И. Е., Кравцов Ю. А., Лисенков В. М., Пугин Д. К. и др. Однако, уровень технических средств, несмотря на’огромные усилия ученых и инженеров, не позволил в то время реализовать систему, удовлетворяющую требованиям безопасности движения. Основная сложность заключалась в отсутствии высокоточных систем измерения параметров движения поезда, надежного радиоканала связи и вычислительных средств, позволяющих осуществить управление движением в реальном масштабе времени. В конце 80-х, начале 90-х гг. проект по созданию системы ИР с использованием радиоканала связи был свернут.

Современный зарубежный опыт в построении систем ИР на основе радиоканала, достигнутый уровень развития средств связи, вычислительной техники, электроники, показывают, что сейчас имеются все предпосылки для возобновления работ по созданию рассматриваемой системы.

Актуальность данного вопроса подтверждается утвержденной в октябре 2003 года на заседании Государственного Совета — Транспортной стратегии Российской Федерации, важнейшей задачей которой является развитие опорной транспортной сети с учетом приоритетов пространственного развития и укрепления национальной безопасности России.

Развитие транспорта России, особенно железнодорожного (80% грузоперевозок приходится на железнодорожный транспорт), является важной государственной задачей. Главным ориентиром для всей экономики страны стала необходимость удвоить за десятилетие внутренний валовой продукт. Экономический рост, безусловно, стимулирует спрос на услуги транспорта. Но одновременно он выявляет и обостряет имеющиеся диспропорции в транспортной системе [4]. В течение 2000;2002 годов на железнодорожном транспорте наблюдался стабильный рост объема перевозок грузов. Наибольший прирост наблюдался в 2000 году — 11.3%. В 2001 и 2002 годах он составил соответственно 1.4 и 2.7%. По мере выхода из кризиса промышленности и сельского хозяйства потребности в транспортировке продукции будут возрастать. Между тем состояние транспортных сетей России таково, что можно говорить только о дефиците пропускной способности, который еще остро не проявился лишь в связи с общим кризисом хозяйственных комплексов и спадом производства. Если не принять мер, то транспорт станет главным тормозящим звеном на пути выхода из кризиса. Пока есть запас времени, необходимо принять наиболее рациональные решения, направленные на подъем и развитие транспорта России.

5].

Повышение провозной способности железнодорожного транспорта можно достичь за счет: увеличения средней скорости движения поездов, строительства дополнительных путей, увеличения длины и веса грузовых поездов, сокращения межпоездных интервалов, организационных мероприятий. Для увеличения средней скорости движения поездов необходимо повышение качества содержания пути и подвижного состава, кроме того, потребуется реконструкция отдельных участков пути. Указанные мероприятия, включая строительство дополнительных путей, являются долгосрочными и приведут к существенным материальным затратам. Увеличение длины и веса грузовых поездов приводит к росту числа аварийных ситуаций. В настоящее время наиболее эффективным способом повышения провозной способности является сокращение межпоездных интервалов в совокупности с проведением ряда организационных мероприятий.

Существенного сокращения межпоездных интервалов можно достичь только за счет реализации координатного принципа интервального регулирования. Применение цифрового радиоканала связи при реализации координатного принципа ИР позволяет не только сократить интервалы попутного следования поездов, но и минимизировать объем напольного оборудования.

Таким образом, разработка и внедрение координатной системы ИР с использованием цифрового радиоканала связи позволит одновременно решить насущные и назревающие проблемы СЖАТ.

Создание координатной системы ИР с использованием радиоканала связи является сложной технической и наукоемкой задачей. Ее решение должно вестись в нескольких основных направлениях [6−8]:

— организация надежного цифрового радиоканала связи между поездами и станционными устройствами;

— создание высокоточных систем измерения параметров движения поезда;

— создание систем контроля целостности состава и рельсовых нитей;

— разработка и совершенствование математического аппарата для моделирования процесса движения поездов;

— совершенствование программных средств и алгоритмического обеспечения применительно к задачам и особенностям координатного способа регулирования.

Работы по решению отдельных технических вопросов в настоящее время ведутся специалистами научных организаций и транспортных ВУЗов [9−14] в основном в рамках создания единой комплексной системы управления и обеспечения безопасности движения на тяговом подвижном составе, включающей локомотивные устройства КЛУБ-У, САУТ-ЦМ, ТСКБМ — телемеханическую систему бдительности, УСАВП — систему автоматического ведения поезда. Значительный вклад в развитие современных бортовых устройств для систем ИР внесли известные ученые нашей страны: Шалягин Д. В., Розенберг Е. Н., Никифоров Б. Д., Головин В. И. и др.

Однако, для реализации координатной системы ИР не менее важным является создание программного уровня управления (ПУ), отвечающего за обработку полученной с поездов информации и формирование команд для безопасного регулирования их движения.

Помимо задачи управления движением поездов, которое должно осуществляться с учетом графика движения и оптимизацией по энергетическому критерию, на программный уровень может быть возложено еще ряд очень важных задач. Математическое моделирование является одним из основных методов исследования различных процессов. Возможность работы программы в режиме имитации позволит произвести оптимизацию структуры рассматриваемой системы ИР на всех этапах ее разработки без проведения дорогостоящих и длительных исследований.

В рамках одной работы решение задачи построения программного уровня управления не представляется возможным. При координатном способе ИР, полученные на основе математических моделей программы и алгоритмы, должны гарантированно обеспечивать безопасность следования поездов с минимальными интервалами.

Указанное обстоятельство послужило основанием необходимости проведения комплекса исследований в области методологии обеспечения безопасности и организации движения поездов посредством уточнения существующих и разработки новых математических моделей движения поезда применительно к специфике координатного способа ИР.

Конечные результаты исследований направлены на решение задачи по определению величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов, обеспечивающего при координатном способе регулирования требуемые безопасность движения и пропускную способность линий.

Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и отвечает задачам проекта по созданию многоуровневой системы обеспечения безопасности движения, поэтапно реализуемого в настоящее время на железнодорожном транспорте.

5.3 Основные результаты и выводы по главе.

С использованием известных детерминированных эмпирических зависимостей, лежащих в основе расчета тормозной силы и силы сцепления, а также методики определения тормозной силы поезда, основанной на учете параметров отдельных экипажей, разработана методика определения тормозной силы поезда при возможном юзе колесных пар вагонов.

Определение среднего значения реализуемого коэффициента сцепления на отдельных участках пути перегона предложено осуществлять путем контроля упругого скольжения колес локомотивов.

Подтверждена практическая применимость модели движения для определения продольных квазистатических сил в поезде.

Разработан алгоритм выявления опасных режимов движения поезда, приводящих к превышению предельно-допустимой продольной квазистатической силы в его сечениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена актуальная задача исследования и разработки математического обеспечения основных блоков программного уровня координатной системы интервального регулирования — модели движения поезда и алгоритма определения минимально-допустимого интервала следования попутных поездов.

В ходе проведения работы получены следующие основные научные результаты:

1. Предложена методика определения сил нажатия тормозных колодок вагонов, оснащенных автоматическими регуляторами режимов торможения.

2. Произведен учет скорости распространения тормозной волны, скорости распространения нажатий тормозных колодок, параметров отдельных экипажей при определении тормозной силы поезда.

3. Разработана унифицированная методика аналитического представления участков профиля и плана пути с помощью сплайнов.

4. Разработана методика аналитического представления функции распределения удельных масс экипажей вдоль длины поезда туд = f (ln), на основе усреднения значений удельных масс экипажей на различных участках длины поезда.

5. Предложен способ определения и учета действительных тормозных характеристик поезда, заключающийся в предварительном измерении значений замедления поезда в различных режимах его движения и нахождении постоянных коэффициентов, входящих в эмпирические зависимости для определения величины удельной тормозной силы ЪТ и удельного основного сопротивления движению й)0.

6. Произведены оценка и учет абсолютных отклонений расчетных параметров движения поезда при определении минимально-допустимого интервала следования попутных поездов.

Получено аналитическое выражение для определения величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов при координатном способе интервального регулирования, учитывающее время реакции системы, возможные абсолютные отклонения текущих координат местоположения регулируемого и впередиидущего поездов, вероятность отказов тормозного оборудования регулируемого поезда.

Разработана методика определения величины интервала безопасности на основе вероятностной и количественной оценки изменения тормозной эффективности поезда в процессе его движения.

Разработаны методики прогнозирования и предотвращения аварийных режимов движения поезда, связанных с возможным массовым юзом колесных пар вагонов и превышением предельно-допустимой продольной квазистатической силы в его сечениях.