Теоретичні основи ефективної експлуатації систем керування загороджувальними пристроями

(16)

Практичне використання цього значення дозволяє визначити ймовірність одного ДТП на переїздах різної категорії протягом року: I категорії - Р*_ДТП = 0,0045; II категорії -Р*_ДТП = 0,0048; III категорії - Р*_ДТП = 0,0052 і IV категорії - Р*_ДТП = 0,0061. З огляду на те, що ДТП на переїздах мають дві характерні риси зіткнення транспорту - наїзди поїздів на АЗ і в'їзди АЗ у поїзди, що рухаються, в дисертаційній роботі визначені ймовірнісні показники цих зіткнень.

Для прогнозування можливих ДТП на переїздах магістрального транспорту України визначене математичне очікування їх кількості, що дорівнює 143 випадкам, у тому числі на регульованих переїздах з черговими -32 випадки, а на регульованих переїздах без чергових - 111 випадків. При цьому число ДТП, за яких одержали травми і загинули люди, -78 випадків.

За допомогою запропонованої математичної моделі визначена тривалість періоду часу протягом доби можливого зіткнення транспорту на переїзді.

Для оцінки пропускної спроможності переїздів та затримок АЗ розроблена імовірнісна модель на основі теорії масового обслуговування з ненадійним пріоритетним обслуговуючим приладом. В основу моделі покладено те, що заявки на обслуговування залізничного транспорту мають вищий пріоритет щодо заявок автодорожнього транспорту. Основними характеристиками системи масового обслуговування є: tп - час прослідування АЗ небезпечної зони переїзду; tв = t в.с - Q(t) t з.в - час відкритого стану переїзду для руху АЗ; tз = t з.с + Q(t) t з.в -час закритого стану переїзду для руху АЗ; tж - час утворення черги АЗ перед переїздом, де Q(t) - ймовірність відмови СК ЗП; t з.в - середній час закритого стану переїзду при відмові СК ЗП; t в.с и t з.с - відповідно час відкритого та закритого стану переїзду при справній дії СК ЗП. Позначивши через л - середню інтенсивність визначеного пуассонівського потоку АЗ, м = М(tп) і ф = М(tв) - середнє значення величин tп, tв і р = лм, Ftп(х), Ftв(х), Ftз(х), Ftж(х) закони розподілу відповідних випадкових величин, а через L(s), Н(s), G(s), W(s) - їх перетворення Лапласа-Стилтьєса, тоді, згідно ергодичної теореми І.Н. Коваленка, при р ‹ 1 має місце рівність

W(S) = R₀ (S) + R₁ (S),(17)

де,

.

З огляду на те, що функція W(S) є аналітичною в напівплощині Rе › Ро і Ро ‹ 0, середній час затримки АЗ tз аз = М (tж) = - W'(0), після перетворення tз.аз = - R'1 (0), можна середній час затримки АЗ біля переїзду за період часу стаціонарної інтенсивності руху знайти, як

(18)

де d² і у² - відповідно дисперсія величин tз і tп.

Аналіз показує, що середній час затримки складається з двох частин: одна з них характеризує процес руху поїздів, а інша - процеси руху АЗ по переїзду. Щоб (18) було достовірним, і особливо його перша частина, необхідне виконання чисто математичної вимоги аналітичності функції Н(s) у напівплощині комплексної змінної S, що має тільки уявну вісь. Ця умова виконується в тому випадку, коли густина функції f(x) значення tв зменшується експоненційно у залежності від значення х, і тоді різниця між сумарним середнім часом затримки АЗ при л > ? - Тз.аз(?)-і сумарним середнім часом затримки АЗ при л > 0 - Тз.аз(0) - повинна бути більше нуля, тобто

Т_з.аз (?) - Т_з.аз (0) › 0,(19)

де ,

 Після перетворення з урахуванням , що k = л Р (л) і М = -H'(0), отримаємо

.(20)

Численними хронометражними спостереженнями за процесом руху транспорту на переїздах різних категорій і інтенсивністю його руху, які були виконані в Харківському, Донецькому і Дніпропетровському регіонах, встановлено: середній мінімальний час закритого стану переїзду на одноколійній ділянці для руху АЗ складає близько 2,2 хвилин, а на двоколійній ділянці близько 5,4 хвилин. Ці ж спостереження свідчать, що максимальні їх значення можуть у кілька разів перевищувати мінімальні і тоді використання абсолютних даних для оцінки процесів руху АЗ є неефективним. Для якісної оцінки процесів функціонування переїздів, і особливо затримок АЗ, пропонується використовувати коефіцієнт затримки Кз, чисельна величина якого може бути визначена, як

(21)

де t _{з.аз ф} і t _{з.аз мin} - відповідно середні фактичні і мінімальні середні затримки АЗ.

У реальних умовах на переїздах при різній інтенсивності і швидкості руху транспорту, з різними ЗП і системами їх керування чисельні значення цього коефіцієнта змінюються, і особливий інтерес представляють такі значення: К_з ? 1 і К_з > 1. У першому випадку, коли К_з ? 1, затримки АЗ мінімальні, а процеси регулювання руху транспорту через переїзди при існуючій інтенсивності руху транспорту і типах ЗП оптимальні. У другому випадку, при К_з > 1, затримки АЗ перевищують мінімально припустимі в залежності від його чисельного значення, необхідне вживання заходів для підвищення пропускної спроможності переїздів.

Значення коефіцієнта затримки АЗ, згідно статистичних спостережень (інтенсивність руху поїздів 68 пар/добу; довжина поїздів 850 м; швидкість руху поїздів 65 км / годину та інтенсивність руху АЗ до 4 тис.од / добу ) і розрахунків з використанням розглянутої вище моделі на переїзді двоколійної ділянки, досягає свого максимального значення у робочі дні з 14⁰⁰ до 18 ⁰⁰ годин (рис.2).

Аналіз результатів хронометражних спостережень і теоретичних розрахунків за допомогою критерію ч² для номінальних ознак свідчить про їх задовільний збіг, тому що похибка не перевищує 11%.

Згідно з діючими у цей час нормативними документами, безпека руху транспорту на переїздах оцінюється коефіцієнтами небезпеки К_н з чисельними значеннями від 0 до 17. При цьому переїзд вважається безпечним, якщо К_н 1,0; малонебезпечним, якщо К_н = 1,0 - 2,0; небезпечним, якщо К_н = 2,0 - 3,0 і дуже небезпечним, якщо К_н 3,0.Одним з недоліків цієї методики є те, що вона ефективна при оцінці небезпеки переїздів з кількістю переміщень АЗ в один мільйон одиниць за рік та більше.

У той же час на залізницях України експлуатується велика кількість переїздів, на яких розміри прослідувань АЗ в один мільйон можуть бути досягнуті протягом багатьох років, і тоді оцінити небезпеку такого переїзду за допомогою зазначеної методики за рік та за менший термін часу Т дуже важко. Встановлено, що для ефективної оцінки безпеки руху транспорту на переїздах при значному росту інтенсивності руху та зміні його техніко - експлуатаційних характеристик недоцільно використовувати методи, які були розроблені раніше і не враховували коефіцієнт завантажування переїздів. Тому для оцінки безпеки переїздів пропонується використовувати удосконалений метод розрахунку коефіцієнта безпеки К^Т_бп, чисельні значення якого повинні змінюватися у межах 0 ? К^Т_бп ? 1. Значення цього коефіцієнта з урахуванням показників процесу функціонування транспорту для одного переїзду за термін часу Т пропонується визначати, як

,(22)

а групи переїздів

,(23)

де n а і n п - число АЗ і поїздів, що проїхали через переїзд без ДТП; n а.a і n п.а - число АЗ і поїздів, що брали участь у ДТП; t а і t п - середній час заняття переїзду АЗ і поїздом; n - число переїздів у групі.

На підставі аналізу статистичних матеріалів з ДТП, а також значення максимальної і фактичної пропускної спроможності визначені можливі значення К^Тбп для переїздів різної категорій для одного ДТП (табл.2).

Таблиця 2 Значення коефіцієнта безпеки переїздів різних категорій

Коефіцієнт безпеки переїзду	Коефіцієнт завантажування КТз.п	Залізничні переїзди
		I категорії	II категорії	III категорії	IV категорії
КТб.п	0,9	0,89934	0,89901	0.89866	0,89613
	0,8	0,79954	0,79914	0,79881	0,79656
	0,7	0,69969	0,69883	0,69896	0,69699
	0,6	0,59977	0,59845	0,59811	0,59742
	0,5	0,49986	0,49877	0.49812	0,49785

З урахуванням вимог нормативних документів щодо оцінки умов руху транспорту визначені значення граничного коефіцієнта безпеки переїздів різних категорій К^Т_{б.п. п} при К^Т_з.п = 0,9 (табл. 3).

Таблиця 3Граничні значення коефіцієнта безпеки переїзду різних категорій

Граничні значення коефіцієнта безпеки переїздів	Залізничні переїзди
	I категорії	II категорії	III категорії	IV категорії
КТб.п. п	0,89892	0,89866	0.89733	0,89226

Порівнюючи значення К^Т_бп і К^Т_бп.п, можна об'єктивно планувати реконструкцію автомобільної дороги та СК ЗП безпосередньо до будівництва розв'язок у різних рівнях.

Третій розділ присвячений розробці основ технічної реалізації перспективних СК ЗП. Визначені можливості внутрішніх та зовнішніх параметрів цих систем, і для оцінки ступеня пристосування їх до безпечного регулювання руху транспорту запропонований критерій оцінки їх ефективності. Розроблені загальні принципи систематизації СК ЗП, що дозволило класифікувати експлуатовані та перспективні системи за критерієм часу сповіщення на автоматичні системи переїзної сигналізації з фіксованою ділянкою сповіщення ( АПС - ФL_с ) , з фіксованим часом за параметрами швидкості ( АПС - Фt_С._V ), з фіксованим часом закритого стану загороджувальних пристроїв (АПС - Фt_з ), з контролем усіх параметрів руху поїзда (АПС - КП ). Розглянуті їх основні принципи побудови, алгоритми функціонування, основні схемні вузли та елементна база. Встановлено, що під час експлуатації систем мають місце випадки, коли при в'їзді поїзда на ділянку сповіщення ЗП переїздів не включалися або їх інформація викривлялася такою мірою, що не могла сприйматися водіями АЗ як заборонна. Основною причиною таких випадків, як свідчить статистика ДТП, є перекручування колійними датчиками (КД) ділянок сповіщення інформації про стан контрольованої ними рейкової лінії. Ці датчики по своїй суті є зворотними перетворювачами вхідної інформації J_вх про наближення до переїзду поїзда у вихідну J _вих.к.д, і науковий інтерес представляє визначення їх ймовірнісних характеристик функціонування.

Виходячи з теорії перемикаючих пристроїв, вихідний сигнал такого перетворення може набувати таких значень:

0 - при в'їзді поїзда на ділянку сповіщення;

J _вих.кд = (24)

1 - при відсутності поїздів на ділянках сповіщення.

Аналіз можливого впливу викривлення значення вихідного сигналу КД- J _вих.кд на стан ЗП, а також умови безпечного руху транспорту показує, що на переїзді можуть виникати відмови (табл.4).

Таблиця 4 Характер відмов загороджувальних пристроїв

Стан ділянки сповіщення до переїзду	Вихідний сигнал колійного датчика (J вих. к.д)	Вихідний сигнал загороджувальних пристроїв ( J вих)	Характер відмов пристроїв
J вх = 1	J вих. к.д =1	J вих = 0 (режим вимикання ЗП )	небезпечний
	J вих.. к..д = 1 - 0 - 1 - 0.... (перемежований режим )	J вих = 0 ( режим вимикання ЗП )	небезпечний при t ц › 8с
		J вих = 1 ( режим вмикання ЗП )	безпечний
J вх = 0	J вих. к.д = 0	J вих = 0 ( режим вимикання ЗП )	безпечний
	J вих. к.д = 0 - 1 - 0 -1... (перемежований режим )	J вих = 0 ( режим вимикання ЗП )	безпечний
		J вих = 1 ( режим вмикання ЗП )	безпечний

Встановлено, що небезпечні відмови КД можуть виникати з двох причин:

1) недостатнього фактичного зменшення амплітуди шунтового струму I _{ф шр}, що протікає через обмотку колійного реле, до рівня надійного неспрацьовування I _н.шр , тобто I _{ф. ш.р} › I _н.шр або постійного замикання загальних і фронтових контактів цього реле через їх “зварювання” з причини перевищення величини струму, що протікає через контакти I_к, щодо величини струму їх “зварювання” I _з.к, тобто I_к >I _з.к;

2) ушкодження елементів РД, при яких колійне реле постійно знаходиться під струмом і не знеструмлюється при в'їзді поїзда на ділянку сповіщення.

Для оцінки невиконання шунтового режиму РД ділянок сповіщення, як найбільш важливого з погляду небезпечного впливу на СК ЗП, пропонується використовувати такі ймовірнісні показники: Р_н.шр - ймовірність невиконання шунтового режиму і Р_з.к - ймовірність „зварювання” загальних і фронтових контактів. Умови невиконання шунтового режиму КД описуються рівняннями, що одночасно характеризують модель небезпечного впливу процесу функціонування СК ЗП:

Р*_н.шр = Р* (I _{ф. ш р} - I_{н. ш р} › 0) = Р* (I _{н.ш р} ‹ I _{ф.ш р}),

Р* _з.к = Р* (I _к - I _з.к › 0) = Р *(I _з.к ‹ I _к). (25)

Дослідженнями, виконаними з використанням зазначеної моделі, встановлено, що сумарна середня статистична ймовірність невиконання КД шунтового режиму роботи Р*_н.ш.р і Р*_з.к дорівнює 0,00011 у РД із безупинним живленням і 0,00032 - з імпульсним живленням, і при цьому похибка обчислень не перевищує 9,5%.

Установлено, що підвищення надійності функціонування КД може бути досягнуто з одночасним контролем параметрів рейкової лінії ділянки сповіщення на різних частотах чи спектрах багатофакторного контролю параметрів рейкової лінії спеціальними КД накладення. У роботі розглянуті принципи побудови і способи технічної реалізації зазначених КД з урахуванням обробки інформації про параметри руху прискорених і швидкісних поїздів. Розроблено еквівалентні схеми заміщення КД, що представляють собою каскадне з'єднання трьох чотириполюсників Н_о, КЛ і К_о, методи електротехнічного розрахунку й аналізу їх параметрів, а також виконана класифікація цих датчиків (рейкових кіл накладання).

Аналіз сучасних тенденцій удосконалювання систем інтервального регулювання руху поїздів (ІРРП) вказує на два принципові їх напрямки. Перший із них - це розробка і впровадження нових систем автоматичного блокування, електричної централізації, безстикових КД, пристроїв диспетчерського керування і контролю, запису і зчитування даних і т.п. з напольним розміщенням устаткування. Це “наземні” пристрої, які, як відомо, розміщаються уздовж усієї мережі залізниць і є дорогим устаткуванням.

Другим і більш перспективним варіантом подальшого удосконалювання систем ІРРП є використання супутникових пристроїв навігації для визначення координат місцезнаходження і параметрів руху поїздів. При такому варіанті ліквідується напільне устаткування існуючих перегінних систем ІРРП і, що найважливіше, КД. Це вимагає перегляду процесів функціонування СК ЗП переїздів, тому що на таких ділянках залізниць повинні функціонувати цілком самостійно з такими принципами керування ЗП:

включення ЗП повинне здійснюватися на основі сигнальної інформації про координату місця перебування поїздів, одержуваної від пристроїв супутникової навігації, а їх вимикання - за інформацією про прослідування останнього вагона поїзда небезпечної зони переїздів, яка одержана від рейкових КД;

для забезпечення надійного функціонування СК ЗП переїзний супутниковий навігаційний приймач повинен здійснювати прийом сигнальної інформації не менше ніж від трьох супутників;

логічна обробка і збереження великого обсягу інформації про наближення поїздів і параметри їх руху повинні здійснюватися за допомогою промислових контролерів з достатнім обсягом електронної пам'яті;

для виконання сучасних вимог з безпеки руху транспорту на переїздах СК ЗП повинні доповнюватися пристроями автоматичного контролю аварійних ситуацій;

інформація про небезпечні ситуації для руху транспорту на переїздах і ушкодження елементів СК ЗП повинна автоматично передаватися на локомотиви поїздів і водіям АЗ.

Аналіз розглянутих принципів керування ЗП вказує на можливу технічну реалізацію СК ЗП переїздів ділянок залізниць з розглянутими пристроями ІРРП на основі перспективних систем, таких як АПС - КП і АПС - ФL_Г.

Встановлено, що релейно-контактні логічні СК ЗП, які експлуатуються на залізницях України і країнах СНД, мають послідовну структуру побудови, “жорсткий” алгоритм функціонування, недостатню швидкодію і малу електронну пам'ять. Несправність будь-якого елемента такої системи призводить до порушення алгоритмів їх функціонування і, як наслідок, до часткового чи повного викривлення сигнальної інформації ЗП, яка передається водіям АЗ.

Усунути зазначені недоліки і тим самим підвищити ефективність процесів регулювання руху транспорту через переїзди можливо за рахунок розширення функціональних можливостей СК, і особливо, у частині самодіагностики. Реалізація таких СК ЗП на релейно- контактній елементній базі дуже ускладнене, і тому найбільш перспективним напрямком є застосування сучасної і високонадійної елементної бази - мікропроцесорної техніки.

Необхідний рівень надійності функціонування мікропроцесорних СК ЗП може бути досягнутий за рахунок збільшення їх швидкодії за традиційним принципом обробки інформації чи організації послідовно-рівнобіжного принципу роботи за існуючої швидкодії. У результаті досліджень встановлено, що на сучасному етапі можлива реалізація СК ЗП з використанням декількох промислових контролерів з послідовною і рівнобіжною обробкою інформації. У роботі розроблені перспективні принципи і структури побудови інтелектуальних мікропроцесорних СК ЗП стосовно існуючих і перспективних систем ІРРП і визначений вплив можливих відмовлень на надійність і безпеку їх функціонування з урахуванням вимог Європейського стандарту CENELEC ENV 50129.

При виникненні небезпечних відмов у мікропроцесорних СК ЗП процес керування ЗП повинен припинятися й вони переводяться у захисний стан. У дисертаційній роботі визначена загальна ймовірність відмов і, особливо, небезпечних.

Усі небезпечні відмови апаратних Q_в.н.а і програмних Q_в.н.п засобів, як свідчить статистика, мають випадковий і незалежний характер. У такому випадку загальну ймовірність безвідмовної роботи мікропроцесорних СК ЗП можна визначити за формулою

при t_в ? t, t _в.н ? t.(26)

Цілком виключити небезпечні відмови СК ЗП важко, тому у роботі обґрунтований вибір структури мікропроцесорних СК ЗП з урахуванням можливості автоматичного виявлення небезпечних відмов як апаратних засобів, так і програмного забезпечення з подальшим парируванням їх впливу у роботі. Встановлено, що стосовно СК ЗП найбільш ефективним методом парирування небезпечних відмов програмного забезпечення є метод зіставлення проміжних результатів обробки вихідної інформації, отриманої з використанням різних версій програм. Технічна реалізація цього методу парирування небезпечних відмов у СК ЗП може здійснюватися як фізичними, так і тимчасовими каналами. У СК ЗП, реалізованих з урахуванням парирування небезпечних відмов фізичних каналів, повинно бути не менше двох рівнобіжних мікропроцесорних комплектів. Такі системи можуть бути побудовані за принципом ідентичних каналів із жорсткою і м'якою синхронізацією роботи, а також неідентичних каналів з м'якою синхронізацією.

У розділу запропоновані структурні схеми двопроцесорних СК ЗП з жорсткою і м'якою синхронізацією щодо циклів виконаних команд із двома фізичними незалежними каналами з жорсткою синхронізацією у кожному з них, а також з архітектурою нейтронної мережі.

Двопрограмна реалізація СК ЗП дозволить найпростіше виявляти не тільки відмову програмних, але і відмову апаратних засобів. Складність реалізації двопрограмних СК ЗП, і особливо переводу ЗП в захисний стан при небезпечних відмовах, може викликати зайві затримки АЗ. Тому такі СК ЗП найбільш ефективні на переїздах з невисокою інтенсивністю руху транспорту.

На переїздах з високою інтенсивністю руху транспорту найбільш ефективним є застосування СК ЗП з двома незалежними каналами і жорсткою синхронізацією в кожному з них. Використання чотирьох мікропроцесорних контролерів і необхідність повного адаптивного регулювання вказує на можливість побудови найбільш перспективної СК ЗП з архітектурою нейтронної мережі. У результаті використання розроблених В. Швіром, Дж. Кольєром, С. Адомітом, Х.Христовим і Вл. і В. Сапожніковими методів і математичних моделей структурного аналізу визначена ймовірність першої потрійної, як небезпечної, відмови, що складає не більше 10^-10. Встановлено, що розроблені структури побудови мікропроцесорних СК ЗП значною мірою відповідають вимогам Білої книги Європейської комісії “Європейська транспортна політика до 2010 року: час рішень”.

Четвертий розділ присвячений питанням моделювання процесів функціонування переїздів з різними СК ЗП, метою якого є визначення можливих транспортних затримок перед переїздами. Як показник оцінки ефективності функціонування переїздів запропоновано використовувати коефіцієнт затримки АЗ Кз, що зрозумілий усім “споживачам”, статистично ефективний і прямо залежить від інтенсивності руху АЗ ла.з, поїздів лп, а також коефіцієнта безпеки Кбп. У розділі визначені особливості процесів моделювання і розроблені їх алгоритми. В основу процесів моделювання покладені такий принцип: будь-яке зменшення фактичної швидкості руху поїздів чи АЗ у порівнянні з розрахунковою приводить до значних їх затримок. При зменшенні швидкості руху АЗ на переїзді такі затримки визначаються, як

(27)

а при зупинці їх перед переїздами

(28)

де V _{а.фак.ср} (?) і V _а.роз (?) - відповідно фактична середня і розрахункова швидкості руху АЗ;

?_н і ?_к - відповідно місце знаходження перед і після небезпечної зони переїзду;

t_з - час зупинки АЗ у ЗП.

Виходячи з того, що процес руху АЗ через переїзд має дві періодично повторювані фази - відкритого t_в і закритого стану t_з, його можна вважати циклічним із часом циклу t_ц = t_в + t_з, і число яких залежить від інтенсивності руху поїздів л_п. Далі розглянуті характерні риси індивідуального і групового руху АЗ на автомобільних дорогах перед переїздами та в їх небезпечних зонах. У процесі моделювання в залежності від інтенсивності руху поїздів л_п спочатку визначається число циклів спрацьовування ЗП - Nt_ц і, виходячи з цього, - сумарна кількість затриманих АЗ n _з.а за час усіх циклів, а потім, використовуючи розроблену ймовірну модель руху транспорту за критерієм транспортних затримок, - середні і сумарний часи затримки АЗ t_з.аз і Т_з.аз, а також коефіцієнт затримки К_з.

Розглядаючи процес нагромадження і розосередження черги АЗ біля переїзду у кожному циклі враховується інтенсивність руху АЗ до переїзду л_аз.д, небезпечною зоною л_аз.п, а також тривалість тимчасових періодів t_з і t_в. При цьому найбільш характерними є процеси з повним (л_аз.д < л_аз.п) або частковим розосередженням (л_аз.д > л_аз.п) черги АЗ за час t_в.

При обчисленні числа затриманих АЗ n_з у першому і в другому випадках визначаються значення періодичної функції інтенсивності руху АЗ - л _аз.д(t) і л _аз.з(t), відповідно до і за переїздом.

Оскільки процес руху потоку АЗ перед переїздом здійснюється у вигляді груп зі швидкістю руху їх головних автомобілів, а в небезпечній зоні вони, в основному, формуються в єдину колону, то для спрощення обчислень функція л _аз.д(t) розкладається в ряд Фур'є і визначається, як _аз.д(t)

(29)

де з - кількість членів ряду Фур'є;

л _аз.с - середня інтенсивність руху АЗ до переїзду

Практичними дослідженнями вибору необхідного числа членів ряду Фур'є встановлено, що при збільшенні числа членів ряду Фур'є функція л _аз.д(t) > _аз.д(t) і при n > ? - л _аз.д(t) = _аз.д(t), і вже при з = 3 одержані результати вказують на достатнє наближення -5%. Після інтегрування і перетворення ця функція може бути записана у такому вигляді:

(30)

де а^! _з і b^! _з - члени ряду Фур'є.

У тих випадках, коли при м-ому циклі виконується нерівність л_аз.д < л_аз.п , і в кінці періоду часу t_в.м черга АЗ у ЗП переїзду цілком розосереджується, що характерно для малої та середньої інтенсивності руху АЗ, для цих випадків найбільш ефективна наступна модель визначення середнього часу затримки АЗ. За цією моделлю на переїзді за час t_з може зосереджуватися черга з n _{з.1 м} (t) АЗ і вона за час t _в.м розосереджується з інтенсивністю л_аз.п, тоді обов'язково виконується умова

(31)

За час наближення чергового поїзда і його руху через переїзд t_з.м збирається черга АЗ з кількістю автомобілів

(32)

У цьому випадку середній час затримки АЗ за час одного й циклу при розглянутій моделі складає

(33)

де t _{з.аз.ср i} - середній час затримки k -ї АЗ.

У випадку високої інтенсивності руху транспорту через переїзд, коли л_аз.д > л_аз.п, будуть мати місце випадки, коли за час i-го циклу деяка частина АЗ, яка під'їхала до переїзду, не встигне проїхати небезпечну зону за час t_в.м. Стосовно таких випадків більш ефективною є модель, за якою за час t_з біля переїзду може зосереджуватися черга з n_з.а.2м(t) АЗ і при цьому вона за час t_в.м розосереджується з інтенсивністю л_аз.п, але не повністю. Це значить, що

(34)

У цьому випадку у момент закінчення часу t_в поблизу ЗП переїзду утвориться черга АЗ, рівна n _з.аз.м (t_в) > 0 і тоді за час t_з Я-го циклу біля переїзду збирається черга з числом АЗ

(35)

Середній час затримки АЗ при зазначених умовах процесу їх руху визначиться, як

(36)

Визначення сумарних середніх затримок АЗ за тривалий період часу, наприклад, доба, здійснюється

(37)

У тих випадках, коли на переїзді відбувається ДТП (К_бп < 1), рух АЗ через нього припиняється на час відновлюваних робіт t _в.а і тоді сумарні середні затримки АЗ складають

(38)

Сумарний середній час затримки поїздів при ДТП на переїзді, при якому припиняється їх рух по всіх залізничних коліях, визначається, як

(39)

 Використовуючи дані статистичних спостережень (інтенсивність руху поїздів 88 пар/добу; довжина поїздів 850 м; швидкість руху поїздів 82 км / год., інтенсивність руху АЗ до 6,6 тис. од. / добу та довжина переїзду 14,5 м) на регульованому переїзді першої категорії 769 км перегону Харків - Сортувальний - Дергачі Південної залізниці, обладнаного системою АПС - ФL_с, виконане моделювання процесів руху транспорту і визначені затримки АЗ. При цьому в процесі моделювання при незмінних зовнішніх параметрах переїзду і параметрах руху транспорту по черзі імітувалася заміна системи АПС - ФL_с на системи АПС - Фt_з, АПС - Фt_с.v, АПС - КП і АПС - ФL_г. У результаті моделювання процесів руху транспорту через переїзд із безупинним рухом поїздів встановлені:

а) максимальна похибка моделювання при системі АПС - ФL_с не перевищує 10 %;

б) при л_aз до 500 авто/добу К_з.ср ?1, зі збільшенням л_aз до 4 тис. авто/добу, що найчастіше зустрічається на практиці, К_з.ср ? 4 за системою АПС - КП, К_з.ср ? 6 за системою АПС - ФL_г, К_з.ср ? 8 за системою АПС - Фt _с.v і К_з.ср ? 10 за системою АПС - ФL_с й АПС - Фt_з. При л_aз = 8 і більше тис. авто/добу К_з.ср ?16-17 при широко експлуатованих системах АПС - ФL_с і К_з.ср ?12-14 при перспективних системах АПС - КП і АПС - ФL_г.

Зважаючи на те, що середні затримки АЗ будуть перевищувати припустимі значення у вісім - десять разів, можна зробити висновок про низьку ефективність експлуатації переїздів і доцільність будівництва замість них шляхових розв'язок у різних рівнях.

П'ятий розділ присвячений розробці основ інформаційного забезпечення процесів керування ЗП небезпечних об'єктів залізничного транспорту, зв'язаного з оптимізацією ДК ЗП, діагностуванням і прогнозуванням технічного стану ЗП і систем їх керування, а також автоматизацією контролю стану небезпечних зон.

Здійснюваний за останні роки перехід регульованих переїздів з черговими в категорію без чергових супроводжується скороченням їх штату і перебудовою СК ЗП. У більшості випадків на переїздах, розташованих у межах чи поблизу станцій, влаштовується ДК ЗП черговими станцій (ДСП). За статистичними даними, на таких переїздах відбуваються десятки ДТП, і однією з їх причин є несвоєчасне керування ЗП, викликане воно недостатньою інформацією ДСП про процеси руху транспорту на переїздах і неоптимальним розташуванням органів ДК.

У результаті виконаних досліджень встановлено, що за допомогою зору ДСП обробляється до 81% і за допомогою слуху біля 15% усієї технологічної інформації. Для збільшення обсягу цієї інформації, особливо візуальної, в окремих випадках застосовуються пристрої технічного “зору” - промислове чорно-біле телебачення. Встановлено, що ефективність і об'єктивність зорової оцінки відеозображення ДСП може бути підвищена за рахунок аналізу ними кольорового відеозображення процесів руху транспорту. Дослідження показали, що у результаті природності сприйняття зображення транспортних процесів час аналізу інформації зменшується з 1,2 хвилин до 25 - 35 секунд, що дозволить оптимізувати процес керування ЗП і тим самим зменшити кількість ДТП. Однак, при кольоровому представленні зображення транспортних процесів на відеомоніторі обов'язковим є зменшення розмірів їх об'єктів, і з цієї причини, у силу законів суб'єктивного сприйняття інформації, частково порушується колір дрібних об'єктів. Для компенсації цього недоліку встановлені особливості кольорового відеоконтролю процесів руху транспорту, розроблені алгоритми послідовного і рівнобіжного оптимального представлення кольорового відеозображення і принципи оптимального розташування моніторів у приміщенні ДСП. Встановлено, що оптимальні пристрої ДК ЗП переїздів повинні складатися з двох схемних вузлів, що складаються з пристроїв: відеоспостереження за процесом руху транспорту та безпосередньо ДК. Виходячи з того, що ДСП керують ЗП за допомогою рук, що, як відомо, можуть рухатися зі швидкістю від 5 до 800 см/с і мають функціональний поділ, виявлено, що за моторними функціями у 85-90 % випадків провідною є права рука, але за рівнем розходження статичних напруги і дотику - ліва. Дослідження прийнятого розташування органів ДК ЗП на пультах керування свідчать, що їх проектування здійснюється без урахування особливостей функціонального поділу можливостей рук людини. У результаті цього виконання ДСП декількох установлених проміжних дій із кнопками ДК, просторово рознесеними на пульті, у короткий період часу дуже ускладнено. Оскільки ДТП виникають швидкісно, а також за результатами практичних досліджень, запропоновано розміщати органи ДК ЗП на пультах керування поблизу провідної, як правило, правої руки.

Виходячи з того, що усі СК ЗП мають послідовну структуру побудови, відмовлення їх елементів приводить до повного чи часткового перекручування сигнальної інформації ЗП, переданої водіям АЗ. Значне скорочення кількості відмов і зменшення часу на їх усунення може бути досягнуте в результаті ефективного прогнозування стану елементів СК ЗП. Для його здійснення в силу особливостей СК ЗП розроблений окремий алгоритм екстраполяції. Він повинний застосовуватися для встановлення майбутніх моментів часу передвідмовного стану і відмовлення системи та зводитися до визначення багатомірної векторної функції

,(40)

де ( ,t) - функція стану системи в періоди t ₀…t_n відомого періоду часу Т_спов.

Спочатку обчислюються значення функції (t₀), (t₁), (t₃),…(t_n)у моменти часу t₀, t₁,…....t_n, а потім після підстановки у відому в теорії прогнозування модель W(,t) визначаються значення функції (t_n+1),…(t_n+j) у майбутні моменти часу t_n+1,…t_n+j. У результаті цього можуть бути отримані необхідні статистичні характеристики. Оцінювання за відомим критерієм небезпеки К_о стану СК ЗП може визначити категорію можливої відмови (небезпечні чи безпечні) і такі найбільш важливі параметри, як середній час і ймовірність критичної зміни параметрів систем у цілому і їх окремих елементів.

Ефективний процес регулювання руху транспорту через небезпечні зони може бути отриманий у результаті автоматизації контролю аварійної ситуації. З цією метою в різних країнах світу протягом тривалого часу розроблялися кілька пристроїв, але широкого застосування, на жаль, вони не одержали. Гостра необхідність у розробці таких пристроїв очевидна, і тому в дисертаційній роботі розроблені сучасні вимоги, яким повинні вони відповідати, виконана їх класифікація як за принципом дії, так і по застосовуваних датчиках. Це дозволило установити, що більшості вимог відповідають розроблені в останні роки замкнуті і розімкнуті промислові телевізійно-обчислювальні пристрої (ПТОП). У розділі розроблені принципи їх побудови, алгоритми функціонування і структурні схеми з урахуванням того, що процес функціонування пристроїв на основі ПТОП повинний ґрунтуватися на реалізації поетапного порівняння фактичного стану небезпечної зони S_ф з безпечним S_б. Періодично в залежності від зміни погодних умов, стану навколишнього середовища і дорожнього покриття повинна автоматично обновлятися інформація про безпечний стан небезпечної зони. Далі розглянуті можливі структурні схеми таких пристроїв і обґрунтована необхідність використання не менше двох відеокамер. Встановлено, що процес функціонування промислового контролера, як пристрою аналізу інформації від відеокамер, повинний здійснюватися шляхом первинного “накладення” інформації відеозображення від однієї камери на іншу, а потім порівняння результативної інформації з інформацією безпечного стану небезпечної зони. У такому випадку сигнал від відеокамер ₁(t) і ₂(t) у будь-який момент часу t можна подати таким чином:

₁(t) =,

₂(t) = (41)

де j¹m,n і j²m,n - обсяг інформації від першої і другої відеокамер про стан елементарної ділянки (пікселя) відеокадру небезпечної зони з координатами в кадрі m і n у момент часу t.

У цілому процес аналізу цієї інформації промисловим контролером описується матричною функцією (t) з такими її значеннями

J _{J k} = 1 - за наявністю перешкод у небезпечній зоні;

(t)=f{(₁(t)?₂(t)}=(42)

J _{j k} =0 - при відсутності поїздів на ділянках сповіщення;

де j = ; k =

Практичною частиною досліджень установлено, що в небезпечній зоні переїздів можуть знаходитися як безпечні, так і небезпечні для руху транспорту об'єкти, що мають різні геометричні розміри. Це вказує на необхідність їх розпізнавання з погляду небезпеки, що може бути виконано відомим програмним шляхом, використовуючи інтелектуальний режим з регулюванням чутливості до яскравості і кольору об'єкта. Для прискорення процесу розпізнавання відеозображення будь-якого об'єкта в небезпечній зоні, включаючи й АЗ, доцільно аналізувати не за інформацією пікселей, а за їх визначеною групою, об'єднаною в чуттєві зони. Максимальне число пікселей у таких зонах залежить від точності визначення контурів і розмірів об'єктів і, як установлено, не повинно перевищувати більше двохсот у кожнім кадрі зображення. Зміною чутливості до границь зображення небезпечної зони можна організувати автоматичний контроль стану тільки в суворо встановлених межах. Оскільки безпечні об'єкти мають малі геометричні розміри, то, як показують практичні дослідження, одиничне значення зони повинне присвоюватися тільки в тому випадку, якщо близько 78% площі її має той самий колір. Дослідженнями також установлена можливість перекручування інформації чуттєвих зон, основними з яких є “змазування” зображення контурних границь АЗ через вібрацію відеокамер і недостатню частоту спрацьовування їх електронного затвора. Це дуже ускладнює однозначне визначення факту стану небезпечної зони стаціонарного стану АЗ і тому процес функціонування промислового контролера повинний здійснюватися з урахуванням компенсації можливих перекручувань. Також установлена природа просторових перекручувань і виконане теоретичне обґрунтування визначення величини зони змазування границь об'єктів. Для підвищення надійності функціонування розглянутого пристрою і для зменшення погрішності обчислення параметрів руху АЗ пропонується використовувати дві відеокамери. З урахуванням цього розроблені принципи функціонування переїзного відеошвидкоміра і теоретичне обґрунтування визначення параметрів руху об'єктів небезпечною зоною. Встановлені оптимальні залежності між максимальними фокусними відстанями об'єктивів відеокамер і зменшенням поля огляду пристроїв. Практичні дослідження показали, що при використанні в ролі фотоперетворювачів матриць ПЗС погрішність у визначенні швидкості руху АЗ складає ± 0,3 км/год.

У шостому розділі, базуючись на розроблених теоретичних основах безпечного руху транспорту, розглянуті перспективні принципи побудови, структурні схеми й алгоритми функціонування СК ЗП з автоматичним контролем перешкод у небезпечній зоні, з частковим і повним пріоритетом руху через переїзди спеціальних засобів безрейкового транспорту, системи ДК ЗП составів на станційних технологічних коліях, в'їзної та виїзної сигналізації, а також ефективних колійних приймачів.

...