Перспективы внедрения на железнодорожном транспорте современных инновационных спутниковых технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Обеспечение качества и безопасности услуг - одна из наиболее актуальных проблем любой отрасли, не исключение и железнодорожный транспорт, который по-прежнему является ведущим видом транспорта в России: на долю железных дорог приходится свыше 80 % грузооборота и примерно 40 % пассажирооборота. Ситуация, сложившаяся в нашей стране в конце 1980 - начале 1990-х гг., привела к заметному отставанию уровня развития российского железнодорожного транспорта от уровня развития железнодорожного транспорта в экономически развитых европейских странах и Японии. Перед работниками железнодорожного транспорта России встала сложная задача - обеспечить развитие линий, развернуть строительство новых высокоскоростных трасс, обновить парк подвижного состава, провести модернизацию существующего парка при одновременном обеспечении безопасности перевозочного процесса. Организация безопасного движения на железной дороге требует проведения комплексных мероприятий, включающих в себя контроль технического состояния инженерных сооружений, верхнего строения пути, системы связи и электроснабжения, тягового оборудования, узлов и агрегатов вагонов и локомотивов. В целях дальнейшего повышения безопасности движения на железнодорожном транспорте и создания условий для его безаварийной работы на сети железных дорог, в их структурных подразделениях необходимо провести определенную работу по подбору, расстановке руководящего состава, обучению руководителей, специалистов и работников массовых профессий, повышению их ответственности за соблюдение трудовой и производственной дисциплины. В настоящее время по этим направлениям в отрасли осуществляются мероприятия, в результате которых за последние два года наметилась устойчивая тенденция к снижению таких нарушений безопасности движения, как крушение, сход подвижного состава, излом колесных пар, отцепка вагонов пассажирских и грузовых поездов в пути следования, порча локомотивов пассажирских поездов, саморасцеп автосцепок, излом рельсов и др. Особое внимание в решении проблемы безаварийной работы транспорта уделено развитию и совершенствованию локомотивных систем безопасности, предназначенных для осуществления следующих функций:

- прием от специальных устройств, а также от радиоканалов информации о местоположении впередиидущего поезда, показаниях путевых светофоров и временных ограничениях скорости;

- прием от путевых устройств точечного канала связи данных для уточнения местоположения и идентификации пути следования поезда;

- измерение скорости, определение местоположения локомотива, ускорения и текущего времени;

- контроль состояния тормозной системы и эффективности тормозных средств;

- определение допустимой скорости движения поезда в зависимости от поездной обстановки (расстояния до впередиидущего поезда), показаний светофоров, постоянных и временных ограничений скорости, профиля пути, массы и длины поезда, эффективности тормозных средств;

- непрерывное сравнение фактической скорости с допустимой и автоматическое отключение тяги, торможение поезда при превышении допустимой скорости; исключение несанкционированного машинистом движения локомотива;

- контроль бдительности и бодрствования машиниста;

- исключение самопроизвольного движения локомотива с включенной системой безопасности.

Современные технические решения, внедряемые на железнодорожном транспорте, обусловливают необходимость совершенствования существующих устройств безопасности и разработки новых. С 1990-х гг. на железных дорогах России получили широкое применение микропроцессорные системы, позволяющие увеличить пропускную способность и повысить безопасность движения на магистралях страны. В настоящее время в локомотивном хозяйстве на тяговом подвижном составе эксплуатируют следующие приборы безопасности:

- автоматическая локомотивная сигнализация АЛС;

- блокировка № 267;

- горочная автоматическая локомотивная сигнализация ГАЛС;

- комплексная переносная система управления локомотивом - телемеханическая с передачей информации по радиоканалу КОНСУЛ-Т;

- комплексное устройство принудительной остановки локомотива КУПОЛ; комплексные локомотивные устройства безопасности КЛУБ-У, КЛУБ-П, КЛУБ-УП;

- маневровая автоматическая сигнализация МАЛС;

- механический скоростемер 3СЛ-2М;

- телемеханическая система бодрствования машиниста ТСКБМ;

- регистратор параметров движения поезда и автоведения РПДА;

- системы автоматического управления торможением поезда САУТ-Ц, САУТ-ЦМ/485;

- универсальная система автоматического ведения пассажирского поезда УСАВП; устройства Л 116, Л 116У;

- устройство контроля бдительности машиниста УКБМ; устройство контроля несанкционированного отключения ЭПК (КОН);

- электронный скоростемер КПД-3.

Изучение материала программы по локомотивным устройствам безопасности основано на знаниях физики, материаловедения, электротехники и электроники, метрологии и стандартизации, информатики, информационных технологий, общего курса железных дорог, конструкции подвижного состава и автоматических тормозов, основ технической эксплуатации и безопасности движения. В учебнике рассмотрены устройства безопасности, установленные на подвижном составе российских железных дорог. Оборудование локомотива - это единый механизм, надежная работа которого на линии зависит от технического состояния всех его элементов, знаний и эрудиции специалистов, обслуживающих и эксплуатирующих узлы и приборы локомотивов, четкого соблюдения технологической дисциплины.

Исторические сведения

Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.

Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения.

Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958-1959 гг.). Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности применения и независимости от погодных условий.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".

В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5... 6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит навигационных спутников.

Была отработана специальная схема проведения измерений параметров орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.

Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и вычислению коэффициентов согласующей модели геопотенциала, предназначенной специально для определения и прогнозирования параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале суточного прогноза величину 70... 80 м, а среднеквадратическая погрешность определения морскими судами своего местоположения уменьшилась до 80... 100 м.

Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры "Шхуна" и "Челн". В дальнейшем спутники системы "Цикада" были дооборудованы приемной измерительной аппаратурой обнаружения терпящих бедствие объектов, которые оснащаются специальными радиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти сигналы принимаются спутниками системы "Цикада" и ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление точных координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.).

Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники "Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франко-канадской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех потенциальных потребителей: авиации, морского флота, наземных транспортных средств и космических кораблей.

Выполнить требования всех указанных классов потребителей низкоорбитальные системы в силу принципов, заложенных в основу их построения, не могли. Перспективная спутниковая навигационная система должна обеспечивать потребителю в любой момент времени возможность определять три пространственные координаты, вектор скорости и точное время. Для получения потребителей трех пространственных координат беззапросным методом требуется проведение измерений навигационного параметра не менее чем до четырех спутников, при этом одновременно с тремя координатами местоположения потребитель определяет и расхождение собственных часов относительно шкалы времени спутниковой системы.

Исходя из принципа навигационных определений, выбрана структура спутниковой системы, которая обеспечивает одновременную в любой момент времени радиовидимость потребителей, находящимся в любой точке Земли, не менее четырех спутников, при минимальной общем их количестве в системе. Это обстоятельство ограничило высоту орбиты навигационных спутников 20 тыс. км, (дальнейшее увеличение высоты не ведет к расширению зоны радиообзора, а, следовательно, и к уменьшению необходимого количества спутников в системе). Для гарантированной видимости потребителем не менее четырех спутников, их количество в системе должно составлять 18, однако оно было увеличено до 24-х с целью повышения точности определения собственных координат и скорости потребителя путем предоставления ему возможности выбора из числа видимых спутников четверки, обеспечивающей наивысшую точность.

Одной из центральных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до миллиардных долей секунды (наносекунд), поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов в 10 нс вызывает дополнительную погрешность в определении местоположения потребителя до 10... 15 м.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времен потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты с относительной нестабильностью 1*10¹³ и наземного водородного стандарта с относительной нестабильностью 110¹⁴, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3... 5 нс.

С помощью этих средств и специального математического обеспечения производится определение расхождений бортовых шкал времени с наземной шкалой и их прогнозирование для каждого спутника системы. Результат прогноза в виде поправок к спутниковым часам относительно наземных закладываются на соответствующие спутники и передаются ими в составе цифровой информации навигационного сигнала. Потребителями таким образом устанавливается единая шкала времени. Расхождение этой шкалы с наземной шкалой времени системы не превышает 15... 20 нс.

Второй проблемой создания высокоорбитальной навигационной систем является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников.

Достижение необходимой точности эфемерид навигационных спутнике потребовало проведения большого объема работ по учету факторов второго порядка малости, таких как световое давление, неравномерность вращения Земли и движение ее полюсов, а также исключение действия на спутник в полете реактивных сил, вызванных негерметичностью двигательных установок газоотделением материалов покрытий.

Для экспериментального определения параметров геопотенциала на орбиты навигационных спутников были запущены два пассивных ИЗС "Эталон ("Космос-1989" и "Космос-2024"), предназначенных для измерения параметров их движения высокоточными квантово-оптическими измерительным средствами. Благодаря этим работам достигнутая в настоящее время точность эфемерид навигационных спутников при прогнозе на 30 ч составляет: вдоль орбиты - 20 м; по бинормали к орбите - 10 м; по высоте 5 м (СКО).

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника "Космос-1413"...".

В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 НС). В настоящее время предпринимаются большие усилия по поддержанию группировки.

Разработаны самолетная аппаратура АСН-16, СНС-85, АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП) и др.

Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление системами являются Военно-космические силы РФ.

В рассматриваемый период времени в США также проведены интенсивные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого поколения атомных ракетных подводных лодок "Полярис" была создана система "Транзит" (аналог СРНС "Цикада"), введенная в строй в 1964 г.

В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второго поколения - ОР 5/"Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС). Спутниковая радионавигационная система GPS полностью развернута в 1993 г.

В соответствии с Постановлением Правительства РФ № 237 от 7 марта 1995 г. основными направлениями дальнейших работ являются:

· модернизация СРНС ГЛОНАСС на основе модернизированного спутника ГЛОНАСС-М с повышенным гарантийным сроком службы (пять лет" и более вместо трех в настоящее время) и более высокими техническими характеристиками, что позволит повысить надежность и точность системы в целом;

· внедрение технологии спутниковой навигации в отечественную экономику, науку и технику, а также создание нового поколения навигационной аппаратуры потребителей, станций дифференциальных поправок и контроля целостности;

· разработка и реализация концепции российской широкозонной дифференциальной подсистемы на базе инфраструктуры Военно-космических сил ее взаимодействия с ведомственными региональными и локальными дифференциальными подсистемами, находящимися как на территории России, так и за рубежом;

· развитие сотрудничества с различными международными и зарубежными организациями и фирмами в области расширения использования возможностей навигационной системы ГЛОНАСС для широкого круга потребителей;

· решение вопросов, связанных с использованием совместных навигационных полей систем ГЛОНАСС и GPS в интересах широкого круга потребителей мирового сообщества: поиск единых подходов к предоставлен услуг мировому сообществу со стороны космических навигационных систем, согласование опорных систем координат и системных шкал времени; выработка мер по недопущению использования возможностей космических навигационных систем в интересах террористических режимов и группировок. локомотивное безопасность железнодорожный глонасс

Работы в указанных направлениях ведутся в соответствии с требованиями, выдвигаемыми различными потребителями (воздушными, морскими речными судами, наземными и космическими средствами, топогеодезическими, землеустроительными и другими службами).

Система ГЛОНАСС

Оперативность реагирования сил и средств на локализацию источника заражения зависит от времени получения информации об аварии от технических средств, в том числе и с использованием спутниковых технологий. Правительство РФ постановлением от 9 июня 2005 г. № 365 обязало оснащать аппаратурой спутниковой навигации железнодорожные транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, специальных и опасных грузов. Это открывает реальные перспективы внедрения в интересах ОАО "РЖД" самых современных инновационных спутниковых технологий. Передача сигнала с места аварии, радиомаяком (радиобуем) спутниковых систем КОСПАС-САРСАТ или ГЛОНАСС в центр управления ОАО "РЖД" позволит руководителям и специалистам железной дороги быстро оценить ситуацию и определить план действий по ликвидации чрезвычайной ситуации с опасным грузом.

26 февраля 2011 г. орбитальная группировка системы ГЛОНАСС пополнилась спутником нового поколения "Глонасс-К", что позволит обнаруживать сигналы аварийных радиомаяков. Радиомаяки являются основным техническим средством по передаче сигнала бедствия с места аварии через спутники на станции приема и обработки информации (СПОИ) и в Международный координационно-вычислительный центр (МКВЦ), расположенный в Москве. МКВЦ является единственной организацией в России, которая проводит регистрацию радиобуев 406 МГц и ведет компьютерную базу данных по всем аварийным радиобуям РФ, некоторых стран СНГ, а также ряда других государств. Сегодня в системе КОСПАС-САРСАТ зарегистрировано более миллиона радиобуев 406 МГц, которые подразделяются на морские, авиационные и персональные.

На современном этапе внедрения технологий спутниковой навигации в системы интервального регулирования движением поездов возникает острая проблема по поддержанию качества функционирования спутниковой радионавигационного системы в условиях действия внешних неблагоприятных факторов. В статье рассмотрено оперативное оповещение пользователей о геомагнитном возмущении среды как одна из эффективных мер, позволяющих повысить качество передаваемых навигационно-временных определений ГЛОНАСС. Предложен к использованию универсальный индекс мерцаний, позволяющий реализовать адаптацию к резкоменяющимся условиям распространения радиоволн за счет соответствующих автоматических настроек в схемах слежения за псевдозадержкой и фазой несущей. Программа стратегического развития ОАО "РЖД" до 2030 предусматривает внедрение инноваций, нацеленных на достижение лидирующего положения компании на отечественном и мировом рынках транспортных услуг. Одним из направлений этой программы - является внедрение систем комплексного управления движением поездов, динамического мониторинга состояния инфраструктуры и подвижного состава с использованием спутниковых технологий. Дальнейшие перспективы развития отрасли, в том числе переход на высокоскоростное и скоростное движение, а также увеличение интенсивности транспортных потоков на магистралях, создают необходимость в широком использовании информационно управляющих систем на основе ГЛОНАСС/GPS. Направление использования спутниковых радионавигационных систем (СНРС) для железнодорожного транспорта достаточно обширно, из общего числа можно выделить следующие области применения. Контроль соблюдения требований безопасности при управлении движением поездов c передачей этих данных в диспетчерские центры управления движения и в центр управления перевозками; Регистрация пробега подвижного состава (в частности, для оптимизации системы технического обслуживания и ремонта, определения платы за пользование инфраструктурой); Информирование клиентуры (пассажиров, грузоотправителей и грузополучателей) о местоположении поездов, вагонов и грузов; Локализация дефектов пути обнаруженных инспекционным подвижным составом; Наглядное представление диспетчеру оперативной и достоверной информации о перемещении подвижного состава и его скорости по цифровой карте, а так же автоматическое представление графика исполненного движения в реальном масштабе времени; Все большую значимость приобретает использование спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, систем спутниковой связи и систем дистанционного зондирования для осуществления поддержки строительства и эксплуатации железных дорог. Для проведения инженерно-изыскательных и проектных работ при строительстве и реконструкции инфраструктуры железнодорожного транспорта применение СРНС позволит существенно сократить затраты на капитальный ремонт железнодорожного полотна и его геодезическое обеспечение, на инвентаризацию земельных участков и расположенных на них зданий, строений и сооружений. Согласно технико-экономическим исследованиям окупаемость затрат на внедрение спутниковых технологий в системах контроля дислокации и управления поездом, а также обеспечение надежной архитектуры железных дорог не превышает 2-3 лет. Так же необходимо отметить, что приводящаяся на ОАО "РЖД" модернизация устройств ЖАТ обеспечивающих безопасность движения, даже с применением современных микропроцессорных систем, имеющих расширенные функциональные возможности, не может существенно повлиять на эффективность железных дорог в целом. Причиной этому является большого количества напольного оборудования и кабельных сетей, требующих постоянного технического обслуживания и ремонта. Решить такую проблему позволит только применение технических средств безопасности с использованием спутниковых технологий. Таким образом, на сегодняшний день железнодорожный транспорт - это один из крупнейших потенциальных потребителей сервиса на основе спутниковых навигационных систем. Приведенные выше существующие и перспективные направления использования СРНС предполагают наличие высоких требований к качеству навигационного обеспечения пользователей, а также все возрастающую актуальность исследований, нацеленных на разработку организационно - технических мероприятий.

Вывод

Локомотивные устройства безопасности предназначены для регулирования движения поездов с целью повышения безопасности в поездной и маневровой работе, а также повышения пропускной способности железнодорожных линий и улучшения условий труда локомотивных бригад. Основные функции локомотивных устройств безопасности:

· разграничение поездов;

· регистрация параметров движения поезда;

· контроль скоростного режима ведения поезда;

· контроль бдительности машиниста.

ГЛОНАСС предназначен для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования.

Список используемых источников

1. Посметюха А.А. Локомотивные приборы безопасности и контроль за их работой. - М.: Транспорт, 1975.

2. Леонов А.А. Техническое обслуживание автоматической локомотивной сигнализации. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982.

3. Венцевич Л.Е. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения поездов и расшифровка информационных данных их работы. - М.: Маршрут, 2006.

4. Бервинов В.И., Доронин Е.Ю. Локомотивные устройства безопасности. - М.: Маршрут, 2005.

5. Воронова Н.И. и др. Локомотивные устройства безопасности. - М.: Академия, 2011.

6. Кузнецов К.В., Локомотивные устройства безопасности. - М.: ГОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2008.

7. www.pomogalo.ru.

8. www.blog-pomochnika.ru.

9. www.scbist.com.

Размещено на Allbest.ru