Энергосберегающие
технические средства

Системы автоведения и регистрации
для электровозов
пассажирского движения


А.Л. Донской, заместитель генерального директора ОЦВ
Е.Е. Завьялов, начальник отдела ОЦВ

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

Рис.1. Аппаратные средства системы
автоведения для электровозов ЧС6

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

В настоящее время разработаны и внедрены следующие системы автоведения и регистраторы для электровозов пассажирского движения:
маркированный список УСАВПП для двухсекционных электровозов постоянного тока ЧС7;
маркированный список УСАВП-ЧС2 для односекционных электровозов постоянного тока ЧС2,ЧС2т,ЧС2к;
маркированный список УСАВП-ЧС200 для двухсекционных электровозов постоянного тока скоростного движения ЧС200,ЧС6;
маркированный список УСАВП-ЧС4т для односекционных электровозов переменного тока ЧС4т.

Рис. 2. Регистраторы параметров движения
и автоведения для электровоза ЧС6

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3. Тормозная подсистема
автоведения пассажирских электровозов

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

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

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

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

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

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

Основной особенностью системы автоведения пассажирских электровозов является расчет оптимальной траектории движения, соответствующей заданному машинистом режиму исполнения расписания непосредственно в бортовом компьютере в реальном времени, что позволяет минимизировать потребленную энергию на тягу при исполнении графика движения. Кроме того, программа адаптируется к характеристикам конкретных электровоза и поезда как по тяге, так и по тормозам, что обеспечивает более высокую точность управления во всех режимах движения поезда. Система позволяет автоматизировать проверки ее и электровоза перед поездкой, что существенно уменьшает время готовности, и автоматизировать подготовку к поездке за счет предварительной записи на картридж (на АРМе в депо) задания на поездку, включая список предупреждений, и автоматическое его считывание перед отправлением. Во время движения обеспечивается оперативное тестирование аппаратуры системы автоведения и электровоза с выдачей речевого сообщения машинисту в случае обнаружения неисправности, что повышает безопасность движения.
маркированный список Система автоведения и регистратор выполняют следующие основные функции управления и регистрации для пассажирских электровозов:
маркированный список определяют фактические параметры движения поезда и индикацию их на экране;
маркированный список ведут расчет рекомендуемых параметров движения поезда и управляющих воздействий в реальном времени и индикацию их на экране дисплея;
маркированный список реализуют необходимые управляющие воздействия в тяге и торможении;
маркированный список осуществляют визуальный и звуковой интерфейс с машинистом, запись регистрируемых параметров на картридж, тестирование аппаратуры автоведения и тягового подвижного состава после включения, постоянный контроль исправности аппаратуры.

Рис. 4. Информация, выводимая на
графический дисплей автоведения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В заключение следует отметить, что созданные ЗАО «ОЦВ» системы автоведения и регистраторы для электровозов пассажирского движения, а также технология их эксплуатации являются уникальными и не имеют аналогов в мировой практике, о чем свидетельствуют патенты, полученные на РПДА, систему автоведения пассажирского поезда и тормозную подсистему электровозов.