Системы и средства обеспечения безопасности движения поездов метрополитена

Метрополитены являются основным видом пассажирского транспорта в крупных городах с населением свыше 1 млн. человек. Например, удельный вес Московского метрополитена составляет около 60% в общем объеме городских пассажирских перевозок и имеет тенденцию к увеличению. Главной задачей метрополитенов является перевозка заданных объемов пассажиров при обеспечении требуемого уровня безопасности движения поездов и перевозки пассажиров. По условиям работы (малый интервал следования и высокие скорости движения поездов, большая плотность наполнения вагонов пассажирами, работа поездных бригад в условиях тоннеля с искусственным освещением) управление движением поездов является ответственным технологическим процессом, к которому предъявляются наиболее высокие требования в отношении безопасности и надежности функционирования.

Безопасность движения поездов обеспечивается содержанием в постоянной исправности оборудования линий метрополитенов: пути, подвижного состава, устройств системы сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ), устройств связи и т.д. К устройствам СЦБ относится аппаратура е систем электрической централизации (ЭЦ), автоблокировки, автоматической локомотивной сигнализации с автоматическим регулированием скорости (АЛС-АРС). Последняя из систем АЛС-АРС является наиболее важной Ц в процессе обеспечения безопасности движения поездов и отвечает за соблюдение безопасного (по пути) интервала следования между поездами.

В системе АЛС-АРС поездные устройства обеспечивают регулирование скорости на уровне, задаваемом путевыми устройствами этой системы. Поездное устройство АЛС-АРС включает тормозные средства на поезде при превышении заданной скорости над допустимой и осуществляет контроль эффективности торможения. Алгоритм воздействия на тормозные средства поезда реализуется таким образом, что сначала включается служебный электрический тормоз и проверяется его эффективность. При отрицательном результате проверки включается пневматический тормоз от вентиля замещения №2, и при его несрабатывании включается экстренный пневматический тормоз, т.е. предусмотрено трехкратное резервирование тормозных средств. Узел управления тормозными средствами на поезде построен на принципе функциональной безопасности, что предполагает включение тормозных средств при любых отказах в его работе.

В процессе работы поездного устройства АЛС-АРС предусмотрен периодический контроль бдительности машиниста посредством его нажатия на педаль (или кнопку бдительности) или посредством предварительной установки главной рукоятки контроллера в нулевое положение: при превышении фактической скорости над допустимой, при включении тяговых двигателей после остановки поезда, при самопроизвольном скатывании поезда и других ситуациях.

Система АЛС-АРС должна исключать столкновение поездов, поэтому она должна удовлетворять заданным требованиям по безопасности и надежности работы. Последнее требование предопределяет необходимость резервирования поездных и стационарных устройств системы. С этой целью разработаны и применяются модификация системы с резервированием посредством дублирующих автономных устройств (ДАУ АРС) и модификация, получившая название «Днепр». Наибольшее распространение на сети метрополитенов получила система «Днепр», в которой наряду со стыковыми используются бесстыковые рельсовые цепи (БРЦ), имеющие целый ряд преимуществ по сравнению с рельсовыми цепями с изолирующими стыками, в первую очередь, по надежности работы.

В системе «Днепр» кодовые сигналы о допустимых скоростях движения передаются посредством комбинаций двух частот из шести (75,125,175,225,275 и 325 Гц). Кодовые комбинации передаются из данной и следующей БРЦ (соответственно о допустимой скорости движения на данной и следующей БРЦ). Основными отличительными особенностями системы «Днепр» являются: резервирование аппаратуры; передача команд предупредительной сигнализации о допустимой скорости движения на следующей рельсовой цепи; контроль направления движения; передача команд основной и предупредительной сигнализации на вспомогательный поезд, сцепленный с основным электрически для вывода его с линии.

В стационарной аппаратуре системы предусмотрено резервирование передающих устройств за счет введения схемы контроля частотных сигналов и их уровня и переключения на резервные устройства при отклонении указанных величин от заданных параметров. Кроме того, в поездной аппаратуре предусмотрен контроль пропадания одной из двух кодовых сигнальных частот и ограничение в таких случаях скорости движения поезда на установленном уровне. Полное резервирование аппаратуры предусмотрено в поездных устройствах. При отказе головного комплекта машинист осуществляет переключение на хвостовой, куда транслируются все кодовые сигналы из головы по дополнительным поездным проводам; при этом хвостовой комплект обеспечивает резервирование вышедшего из строя головного комплекта. Головной и хвостовой комплекты поездной аппаратуры «Днепр» выполнены из 7 штатных блоков серийно выпускаемой аппаратуры с размерами 140 × 280 × 380 мм, которые устанавливаются на штативе аппаратного отсека головного (также хвостового) вагона, соединяются между собой жгутом, который подключается к цепям поезда через штатный разъем Ш1. Основную элементную базу штатного поездного устройства типа «Днепр» составляют полупроводниковые и релейные компоненты.

 

Структурная схема ПУ-АРСН

Рис.1. Структурная схема ПУ-АРСН

 

При участии ОАО РЖД, Московского метрополитена и ряда других организаций разработано унифицированное поездное устройство АЛС-АРС на новой (современной) элементной базе (ПУ АРСН). Это б устройство принято междуведомственной комиссией и прошло длительную опытную эксплуатацию с пассажирами на линиях Московского метрополитена, оснащенных различными модификациями системы АЛС-АРС, в процессе которой подтвердило свои высокие технико-экономические показатели, и, в первую очередь, по надежности и безопасности работы.

ПУ АРСН выполняет функции четырех бортовых устройств: - штатного ПУ АЛС-АРС (с расширенными функциями) при полной взаимозаменяемости и совместимости с последними:

- ПУ АЛС-АРС для парковых путей метрополитена (ПУ АРСН снабжено дополнительной аппаратурой для приема-передачи информации по цифровому радиоканалу, по которому передаются с поста централизации команды о допустимой скорости движения по парковым путям 0 или 15 км/ч и реализуются в ПУ АРСН); данное устройство контролирует скорость движения поездов по парковым путями, служит для исключения & проездов поездами светофоров с запрещающими показаниями и взрезов 1 стрелок;

- устройства прицельного торможения поезда на станциях (непроезда станций поездом при потере машинистами бдительности в процессе управления движением на станциях);

- устройства автоматического считывания номера поезда АСНП (при отправлении поезда из депо ему автоматически присваивается и передается по цифровому радиоканалу номер маршрута, который высвечивается на табло машиниста и может передаваться через станционные радиостанции на центральный диспетчерский пункт для контроля за движением поездов). ПУ АРСН может резервироваться аналогичным комплектом, расположенным в хвосте (по системе «Днепр») или голове поезда. ПУ АРСН имеет также следующие дополнительные особенности:

1.Обеспечивает выключение тяги на поезде при приближении фактической скорости к допустимой на 1 км/ч, что позволяет существенно снизить число коммутаций силовой контактной аппаратуры на вагонах при регулировании скорости от системы АРС (на 30%) и повысить продолжительность ее работы без ремонтов (на 10%), а также повысить использование пропускной способности перегонов за счет уменьшения глубины перерегулирования скорости (на 5%).

2.Выполнено в виде одного блока типовых габаритов штатной аппаратуры.

3.Полностью взаимозаменяемо со штатным устройством по выполняемым функциям, креплению в раме приборного отсека и электрическому подсоединению к цепям поезда через штатный разъем Ш1.

4.Пригодно для использования на любом подвижном составе и с любыми типами систем АРС, эксплуатируемых на Московском метрополитене.

5.Имеет значительно улучшенные параметры по безопасности, помехозащищенности, стабильности характеристик, надежности, собственному электропотреблению, весу, габаритам, взаимозаменяемости блоков и эксплуатационным расходам на текущее содержание за счет замены силовых обслуживаемых реле для управления цепями вагонов на необслуживаемые бесконтактные ключи.

Синтез устройства осуществлен на основе результатов моделирования движения поезда метрополитена в системе интервального регулирования и моделирования процесса автоматического прицельного торможения на станции с учетом требований функциональной безопасности, предъявляемых в мировой практике к устройствам железнодорожной автоматики, реализованным на микропроцессорной и микроэлектронной базе.

Структурная схема ПУ АРСН, представленная на рис.1, включает в себя следующие узлы: коммутатор, приемники сигнальных частот, схему сравнения и дешифрации, узел регулирования скорости, узел управления силовыми ключами, силовые ключи, узел гальванических развязок.

Сигнал о допустимой скорости движения поезда поступает через коммутатор в приемник сигнальных частот. Последний выполнен в виде двухканального цифрового фильтра с микропроцессорной обработкой информации в каждом из каналов. Полезный сигнал с приемных катушек поступает на входы обоих каналов через узлы согласования, где осуществляется гальваническая развязка и согласование по уровню входного сигнала с блоком аналого-цифрового преобразователя АЦП. Последний реализован на одной микросхеме АД7896. Это 12-разрядный АЦП со скоростным последовательным интерфейсом SPI на выходе.

По этому интерфейсу цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на вход процессора цифровой обработки сигналов DSP56602 (быстродействие - до 30 миллионов операций в секунду, точность - 16-разрядные данные). Информация с выходов обоих сигнальных процессоров поступает в схему сравнения. Исследования, выполненные на математической модели, показали, что при существующих разбросах частот входных сигналов и уровнях помех надежная фильтрация обеспечивается полосовым фильтром 10-го порядка. Последний реализуется в сигнальном процессоре в виде циклической программы. Каждый цикл программы описывает одно звено фильтра 2-го порядка. Структура звена имеет минимальное количество элементов задержки и описывается разностным уравнением вида:

Yn = BoXn + BlXn-1 + B2Xn-2 - AlYn-1 - A2Yn-2, которые решаются сигнальным процессором.

Значительное сокращение количества и номенклатуры элементов, используемых при применении сигнальных процессоров, позволяет повысить надежность блока фильтров бортовой аппаратуры АРС.

Узел регулирования скорости безопасно сравнивает фактическую скорость поезда с допустимой и формирует два динамических сигнала: сигнал управления электропневматическим клапаном (ЭПК) и сигнал контроля соблюдения поездом допустимого уровня скорости и заданного режима движения. Последний сигнал формируется на основании информации о состоянии цепей управления поездом и органов управления ПУ-АРСН, которую собирает узел гальванических развязок. Узел управления силовыми ключами включает или выключает необходимые в данный момент силовые ключи.

Для обеспечения безопасности функционирования ПУ-АРСН используются стандартные методы:

- динамическое сравнение двух каналов приема сигналов о допустимых скоростях;

- динамическое сравнение допустимой и фактической скоростей движения;

- переход схем сравнения в состояние защитного отказа при одиночном отказе;

- управление ЭПК динамическим сигналом.

Высокая помехоустойчивость ПУ-АРСН достигнута за счет применения в приемнике сигнальных частот фильтров Баттерворта 10-го порядка, что дает подавление гармоник 50 Гц от 80 дБ (для фильтра на 75 Гц), до 55 дБ (для фильтра 325 Гц).

В штатной бортовой аппаратуре АРС прием и селекция сигналов, поступающих из рельсовых цепей в приемные катушки, осуществляется пассивными LC-фильтрами. Габариты этих фильтров весьма значительны, они занимают три блока размерами 380×300×140 мм каждый. Замена пассивных фильтров цифровым позволила в десятки раз снизить размеры этой части бортового устройства.

Устройство прицельного торможения предназначено для автоматической остановки поезда метрополитена у станционных платформ с заданной точностью. Характер работы устройства практически моделирует действия машиниста в процессе прицельной остановки состава у предельной рейки на станции.

Особенностью режима электрического торможения, используемого на подвижном составе отечественных метрополитенов, является поддержание определенного уровня замедления. Этот уровень зависит от загрузки состава и установленных параметров силовых электрических аппаратов вагонов. Измерение скорости поезда в устройстве прицельного торможения производится путем подсчета числа импульсов от датчика скорости (ДС), установленного в корпусе редуктора тягового двигателя. Для точного измерения пути и скорости учитывается также и изменение диаметра бандажа колесной пары (износа) в процессе эксплуатации. Такой учет достигается за счет использования измерительного участка на пути (рис.2), по концам которого устанавливаются пассивные контрольные датчики (КД), выполненные в виде катафотов. КД устанавливаются перед каждой станцией на фиксированном расстоянии от предельной рейки (координаты точной остановки). Луч света от инфракрасного передатчика, установленного на головном вагоне, отражается от катафота, укрепленного на стене тоннеля, и бортовой микроконтроллер (МК) фиксирует точное расстояние, оставшееся до координаты остановки.

Рассмотрим кривые движения поезда при автоматическом управлении процессом прицельного торможения, реализуемом бортовым МК (рис.2). После проследования контрольного датчика КД1 бортовой МК фиксирует точное расстояние до точки остановки, формирует команду отключения тяги и начинает расчет кривой начала торможения Vht(S) и фактической скорости Уф. После проследования датчика КД2 МК еще раз фиксирует точное расстояние до координаты остановки и рассчитывает точное значение диаметра бандажа колесной пары, получая, таким образом, возможность измерения скорости и пути с требуемой для прицельной остановки поезда точностью.

Как только фактическая скорость поезда превышает Vht(S), МК формирует команду сбора тормозной схемы - перевода двигателей в генераторный режим («Тормоз 1»), и начинает расчет первой программной кривой Vnpl(S). Тормозной эффект поезда в режиме «Тормоз 1» пропорционально зависит от фактической скорости.

После пересечения кривой фактической скорости с кривой Vnpl(S) МК формирует команду «Тормоз 2», реализация которой приводит к увеличению тормозной силы, и начинает расчет фактического значения замедления поезда (Вф=dV/dT). Как только Вф превышает некоторый фиксированный уровень (точки 1а и 16), МК снова формирует команду «Тормоз 1», и тормозная сила начинает уменьшаться. Одновременно с этим МК начинает расчет кривой Vnp2, продолжая вести периодический расчет фактических значений пройденного пути и скорости. После пересечения кривой фактической скорости со второй программной кривой Vnp2 микроконтроллер снова формирует команду «Тормоз 2», реализация которой приводит к увеличению тормозной силы поезда. При этом снова начинается расчет фактического замедления.

В момент, когда Вф превысит заданное фиксированное значение (точки 2а и 2б), МК выдает команду «Тормоз 1» (уменьшения тормозной силы) и начинает расчет последней программной кривой Vnp3. После пересечения с ней кривой фактической скорости МК выдает последний раз команду «Тормоз 2», по которой включается пневматическое торможение, и состав производит полную остановку у предельной рейки. Кривые Vht(S), Vnpl(S), Vnp3(S) аппроксимированы параболами, коэффициенты которых определены путем математического моделирования. По результатам испытаний системы торможения получена точность остановки поездов не хуже ±1,5м при интенсивности торможения, не уступающей ручному управлению.

Система АЛС-АРС, состоящая из путевых и поездных устройств, используется на главных путях линий метрополитена и обеспечивает безопасность движения поездов за счет регулирования интервала между поездами путем поддержания заданного уровня скорости. Основу путевых устройств составляют двухниточные рельсовые цепи, с помощью которых определяется интервал по пути между поездами и задается их допустимая скорость движения. В то же время парковые пути линий, по которым происходит движение поездов из депо и участков отстоя на главные пути и обратно, не оборудованы рельсовыми цепями системы АЛС-АРС из-за серьезной технической сложности их реализации и утечек сигнальных токов рельсовых цепей на соседние и смежные рельсовые цепи. Возможное применение однониточных рельсовых цепей на парковых участках пути требует значительных капитальных затрат на их оборудование и больших эксплуатационных затрат - на текущее обслуживание. Поэтому в настоящее время парковые пути линий метрополитена не оборудованы системой АЛС-АРС, и движение по ним осуществляется по сигналам путевых светофоров системы автоблокировки без автоматического контроля скорости. При потере машинистами бдительности или неправильном восприятии показаний светофоров происходит проезд светофоров с запрещающими показаниями, взрез стрелок, сход поездов с рельсов и потери в использовании пропускной способности линий.

 

Траектории движения поезда при автоматическом управлении процессом прицельного торможения

Рис.2 Траектории движения поезда при автоматическом управлении процессом прицельного торможения

 

Созданные блоки расширения системы АЛС-АРС (для стационарной аппаратуры АЛС-АРС и ПУ АРСН) делают ее пригодной для работы на парковых путях и не требуют для своей реализации значительных материальных затрат. В модифицированной системе (АРСП) используется канал цифровой радиосвязи для передачи на поезда команд о допустимой скорости при их движении по парковым путям. Блоки аппаратуры АРСП выполняют функции по передаче информации на поезда о допустимой скорости движения по парковым путям и работают совместно с блоками аппаратуры ПУ АРСН, которые выполняют команды, передаваемые как по рельсовым цепям, так и по радиоканалу. Блоки расширения системы АРСП включают аппаратуру специализированных стационарных и поездных устройств (СУ АРСП и ПУ АРСП). В состав СУ АРСП входят блоки: питания, ввода и отображения информации на базе ПЭВМ, стационарный приемо-передатчик цифровой радиосвязи, модем, стационарная антенна, блок управления, адаптер связи, блок съема информации (блок сопряжения с аппаратурой электрической централизации). В состав ПУ АРСП входят блоки: бортовой приемо-передатчик канала цифровой радиосвязи, модем, блоки формирования команд управления и сигнализации (контроля), регулирования скорости, питания, индикатора, сопряжения с поездным устройством ПУ АРСН. Аппаратура СУ АРСП обеспечивает контроль и отображение информации о занятости пути по заданным маршрутам следования поездов, передачу на головные вагоны поездов с присвоенными инвентарными номерами информации о номере маршрута следования, передачу на поезда с заданными маршрутами команд о допустимой скорости движения 0 или 15 км/ч, прием и отображение квитирующей информации от поездных устройств системы ПУ АРСП, в том числе, о принятом номере маршрута. Аппаратура ПУ АРСП совместно с ПУ АРСН обеспечивает прием команд от СУ АРСП о допустимой скорости движения по парковым путям (0 или 15 км/ч), контроль фактической скорости (выключение тяги при приближении фактической скорости к допустимой на 1 км/ч и включение служебного, а при необходимости, и экстренного торможения при превышении ; фактической скорости над допустимой), индикацию машинисту информации о допустимой скорости по парковым путям и номере маршрута поезда. Создан также комплект модулей расширения для ПУ АРСН и стационарных устройств системы АЛС-АРС, использующий информацию, передаваемую по рельсовым цепям и каналам цифровой радиосвязи, который позволяет дополнительно реализовать функции по регулированию времени хода поездов по перегонам, по регулированию скорости (в качестве дополнительного контура точного регулирования с коррекцией по производной), а также по централизованному контролю и управлению за движением всех поездов на линии.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 




Недорогие, но качественные противопожарные двери с доставкой в любую точку РФ.

 


Энергоаудит сро

 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.