СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ В ПУТИ СЛЕДОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗНОГО РАСЧЕТА СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМА ТОРМОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ТОРМОЗОВ И ДЛИНЫ ТОРМОЗНОГО ПУТИ
METHOD FOR IMPROVING SAFETY DURING ROLLING STOCK RUNNING BASED ON PREDICTIVE CALCULATION OF TRAVELING SPEED AND METHOD FOR DETERMINATION OF ROLLING STOCK BRAKING MODE BASED ON EVALUATION OF BRAKE ACTION EFFICIENCY AND LENGTH OF BRAKE PATH

Группа изобретений относится к измерительной и управляющей технике, используемой на железнодорожном транспорте, и может найти применение для контроля параметров движения подвижного состава (ПС) на основе прогнозного расчета скорости движения и длины тормозного пути в зависимости от эффективности действия тормозов.
Необходимость функции прогнозирования траектории движения ПС с расчетом точки превышения допустимой скорости движения как по пути, так и по времени, информирование об этом машиниста, выдача машинисту рекомендаций о применении наиболее эффективной и оптимальной ступени торможения на основе прогнозного расчета обусловлено исключительно высокой ответственностью машиниста в решении задачи контроля скорости движения ПС и обеспечения безопасности движения, особенно при движении по станциям и по «незеленым» сигналам напольного светофора.
Необходимость функции контроля эффективности действия тормозов ПС, выявление существенного превышения длины фактического тормозного пути и прогнозирование тормозной траектории с рекомендациями машинисту по режиму ведения ПС с учетом реальной эффективности тормозов также обусловлено исключительно высоким значением состояния тормозного оборудования в решении задачи по обеспечению безопасности движения. Контроль эффективности действия тормозов в пути следования позволит также повысить точность исполнения машинистом прицельного снижения скорости и прицельной остановки ПС, минимизировать число торможений с глубокой разрядкой тормозной магистрали, которые приводят к ее истощению и существенной потере времени хода на их отпуск и восстановление. Кроме того, обеспечивается формирование допустимых скоростей движения в зависимости от реальной эффективности действия тормозов с поправкой на возможные, непрогнозируемые изменения условия движения (атмосферные осадки, ветер, температура и другое).
Повышение уровня безопасности движения в известных локомотивных системах (каталог продукции ОАО «Электромеханика» www.elmeh.ru; каталог продукции ОАО «Ижевский радиозавод» http://www.irz.ru; каталог продукции ООО «АВП-Технология» www.avp-t.ru - прототип) осуществляется путем включения задания программы движения по маршруту следования, измерения и оценки фактической скорости и ускорения движения с заданным интервалом времени, передачи информации в локомотивную систему управления и обеспечения безопасности движения с последующей процессорной обработкой поступающей информации в соответствии с данными, занесенными в локомотивную электронную карту для расчета допустимой скорости движения, и ее визуализацией на дисплее локомотивной системы управления и обеспечения безопасности движения для контроля реализации маршрута следования и управляющих действий машиниста.
Система управления тормозами поездов повышенного веса и длины-«САУТ» (RU 2385247, МПК B61L 25/04 (2006.01) - прототип) реализует автоматическое управление тормозным оборудованием ПС в зависимости от рассчитанной ею допустимой скорости движения. По фактическим параметрам движения ПС рассчитывают и отображают машинисту параметр эффективности тормозов - тормозной коэффициент, предназначенный для расчета и корректировки допустимой скорости движения ПС для автоматического торможения без участия машиниста. При этом отсутствует визуальная информация для машиниста о длине возможного тормозного пути при применении им одной из ступеней торможения, информации о недостаточной эффективности тормозов, а также рекомендаций по ведению поезда в случае недостаточной эффективности тормозов. Как следствие, в реальном масштабе времени машинисту трудно оценить возможный тормозной путь при применении одной из ступеней торможения, что может привести к нарушению требований безопасности движения.
В основе способа обеспечения безопасности движения на основе контроля действия тормозов, реализуемого в известных системах, также лежит низкая точность прицельного снижения скорости (до 100 метров) и недостаточная информационная обеспеченность, поскольку рассчитывают только траекторию допустимой скорости движения поезда на основе заложенных в них усредненных моделей поезда, которые для машиниста малоинформативны и служат только для принудительного, автоматического торможения, нередко с применением экстренного торможении, поскольку информация для машиниста содержит или текущее значение давления в тормозной системе или траекторию снижения скорости ступенью экстренного торможения без учета параметров ПС (например, оборудование ОАО «Ижевский радиозавод»). Таким образом, информационное обеспечение машиниста не позволяет ему в реальном времени оценить темп изменения скорости движения поезда в зоне сближения фактической скорости движения и допустимой для упреждающей корректировки режима движения поезда и выработке управляющих воздействий по предотвращению возможных опасных ситуаций.
Задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является повышение уровня безопасности движения на скоростях, близких к максимально допустимым скоростям, посредством прогнозирования динамики изменения фактической скорости движения, а также контроля и прогнозирования длины тормозного пути на основе оценки эффективности тормозов с визуализацией полной и достоверной информации, рекомендаций для контроля реализации маршрута следования и принятия управляющих действий машиниста по ведению ПС и управлению тормозами.
Решение указанной задачи достигается тем, в способе повышения уровня безопасности в пути следования подвижного состава, включающем задание программы движения по маршруту следования, измерение фактической скорости и ускорения движения с заданным интервалом времени, передачу информации в локомотивную систему управления и обеспечения безопасности движения с последующей процессорной обработкой поступающей информации в соответствии с данными, занесенными в локомотивную электронную карту для расчета допустимой скорости движения, визуализацию фактической и расчетной допустимой траектории движения на дисплее локомотивной системы управления и обеспечения безопасности движения для контроля реализации маршрута следования и управляющих действий машиниста, в отличие от прототипа в процессе движения подвижного состава проводят непрерывное сравнение фактической и расчетной допустимой траектории движения с учетом аддитивно действующих внешних и внутренних сил на подвижной состав как объект управления, а при достижении заданного порога значения фактической скорости относительно допустимой производят прогнозный расчет траектории изменения скорости и точки возможного превышения расчетной скорости над допустимой, определяют место рекомендуемого изменения режима движения и ступень торможения для прицельного снижения скорости или прицельной остановки с одновременной визуализацией на дисплее предупреждающей информации о возможном превышении фактической скорости над допустимой, о превышении фактически реализуемого тормозного пути над расчетным, а также прогнозируемой траектории движения с указанием расстояния и времени до прогнозируемой точки превышения допустимой скорости движения и рекомендациями машинисту выполнить необходимые управляющие воздействия, предупреждающие нарушение требований безопасного ведения подвижного состава при следовании на установленные ограничения скорости или следовании под остановку, в частности о снятии тяги и/или применении требуемой ступени служебного торможения. В случае если точка пересечения траектории движения по прогнозному расчету и траектории допустимой скорости при данном фактическом ускорении движения ПС не зафиксирована, на дисплее визуализируют сообщение, что выбранный режим движения не приводит к превышению допустимой скорости движения.
Постоянно, с интервалом времени Δt, заданным из условия достаточности времени для прогнозного расчета при фактической скорости движения ПС и поездной ситуации, производят прогнозный расчет возможной скорости движения ПС, причем расчет производят в случае когда:
доп
ф
V≤(V-ΔV),
ф
где V - фактическая скорость движения ПС, км/ч;
доп
V - допустимая скорость движения ПС, км/ч;
ΔV - порог значения фактической скорости, определяющий начало прогнозного расчета скорости движения ПС, км/ч.
Значение ΔV устанавливают из расчета времени и объема информации, необходимого и достаточного для принятия машинистом решения по управляющим действиям для дальнейшего ведения ПС.
В соответствии с этими данными и параметрами из электронной карты, характеризующими впередилежащий участок пути, по которому производят прогнозный расчет траектории движения, а также параметрами ПС производят расчет функции скорости в масштабе пути (траектория движения):
i
o
o
путь
ПС
V=f(V,a, Δt, К, К),
i
где V - скорость движения ПС на i-м интервале времени Δt, км/ч;
0
V - фактическая скорость движения ПС в момент начала прогнозного расчета, км/ч;
0
2
а - фактическое ускорение ПС в момент начала прогнозного расчета, м/с;
Δt - интервал времени для прогнозного расчета, с;
путь
К - коэффициент, отражающий влияние профиля пути (уклон, кривая пути) на скорость движения ПС;
ПС
К - коэффициент, отражающий влияние параметров ПС на скорость движения.
Далее, для каждого рассчитанного значения прогнозируемой скорости движения рассчитывают соответствующее расстояние исходя из следующих соотношений:
i+1
cp
S=V·Δt;
,
i+1
ср
i
i+1
где S - расстояние по прогнозному расчету за интервал времени Δt для средней скорости V=(V+V)/2, м;
i
S- расстояние по прогнозному расчету на i-м интервале времени Δt, м;
Σ
S- суммарное расстояние по прогнозному расчету, м.
Прогнозный расчет выполняют при определении расстояния до ближайшей точки прицельного снижения скорости, прицельной остановки или до тех пор, пока не будет выполнено следующее соотношение:
P
доп
V(S)≥V(S),
p
где V(S) - скорость движения ПС по прогнозному расчету, км/ч;
доп
V(S) - допустимая скорость движения ПС, км/ч.
При выполнении данного условия производят фиксацию расстояния и времени до точки на прогнозируемой траектории движения, визуализируемой на дисплее, где ожидается превышение значения фактической скорости движения над значением допустимой скорости, то есть точки пересечения траектории движения по прогнозному расчету с графиком функции допустимой скорости движения.
Траекторию движения ПС, определяемую по прогнозному расчету, отображают на дисплее с указанием:
П
- расстояния до точки на траектории движения, где по прогнозу произойдет превышение значения допустимой скорости движения (S);
П
- времени, через которое по прогнозу произойдет превышение значения допустимой скорости движения (t).
А также в зависимости от реальной эффективности тормозов указывают расстояние и время, через которое машинисту при наличии тяги необходимо ее разобрать и/или применить ступень служебного торможения с минимальной разрядкой тормозной магистрали.
В зависимости от расстояния по прогнозному расчету, через которое произойдет превышение допустимой скорости движения, машинисту обоснованно рекомендуют применить требуемую при этом ступень торможения, определяемую исходя из соотношения:
nT
0
oгp
y
П
S(V,V)+ΔS<S,
nT
0
огр
где S - длина тормозного пути соответствующей n-й ступени торможения, при снижении скорости от V до V, м;
y
ΔS - величина, отражающая увеличение длины тормозного пути за счет ухудшения условий торможения (осадки, ветер и прочее), м;
0
V - скорость движения ПС в момент начала торможения, км/ч;
oгp
V- скорость ограничения, км/ч;
П
S - расстояние до точки превышения значения допустимой скорости движения ПС по прогнозному расчету, м.
Решение указанной задачи достигается тем, в способе определения режима торможения подвижного состава на основе оценки эффективности действия тормозов и длины тормозного пути, включающем первоначальную оценку действия тормозов и расчет длины тормозного пути в соответствии с правилами тяговых расчетов, задание программы движения по маршруту следования, измерение фактической скорости и ускорения движения с заданным интервалом времени, передачу информации в локомотивную систему управления и обеспечения безопасности движения с последующей процессорной обработкой поступающей информации в соответствии с данными, занесенными в локомотивную электронную карту для расчета допустимой скорости движения, визуализацию фактической и расчетной допустимой траектории движения на дисплее локомотивной системы управления и обеспечения безопасности движения для контроля реализации маршрута следования и управляющих действий машиниста, в отличие от прототипа после первоначальной оценки действия тормозов на установленном участке пробы тормозов в пути следования (проба тормозов) и затем при каждом последующем торможении осуществляют выбор управляющих воздействий на подвижной состав как на объект управления с учетом аддитивного действия возможных изменений условий движения, например состояние пути, факторы, влияющие на сопротивление движения и эффективность действия тормозов, путем сравнительной оценки длины фактического тормозного пути и длины тормозного пути по прогнозному расчету с последующим определением коэффициента эффективности действия тормозов для прогнозного расчета тормозной траектории, при этом если длина фактического тормозного пути превышает длину тормозного пути по прогнозному расчету на величину эксплуатационного среднестатистического фактического отклонения тормозного пути, являющимся нормативным, определяют ступень торможения и расчет скорости движения, при которой расчетная и фактическая длина тормозного пути совпадет, и на дисплее визуализируют рекомендации о дальнейшем режиме, в частности о ступени торможения и/или уменьшении допустимой скорости движения и месте на маршруте следования, где необходимо применить рекомендованную степень служебного торможения, при этом если для компенсирования сверхнормативного превышения длины фактического тормозного пути требуется использование более глубоких ступеней служебного торможения, на дисплее визуализируют рекомендации о снижении скорости движения и требование дополнительной проверки тормозов на ближайшей станции.
Оценку эффективности действия тормозов и выработку рекомендаций машинисту производят в случае, если
расч
факт
S<S,
факт
где S - фактически реализованная длина тормозного пути, м,
pacч
S - длина тормозного пути по прогнозному расчету, являющаяся нормой при фактическом снижении скорости, м:
pacч
0
end
ПС
путь
y
S=f(V, V, ΔР, К, К)+ΔS,
0
где V - фактическая скорость движения ПС в момент начала прогнозного расчета, км/ч;
end
V - установившаяся скорость движения после торможения, км/ч;
2
ΔР - фактическая величина снижения давления в тормозной магистрали, кг/см;
ПС
К - коэффициент, отражающий влияние параметров ПС на скорость движения;
путь
К - коэффициент, отражающий влияние профиля пути (уклон, радиус кривой) на скорость движения;
y
ΔS - величина, отражающая увеличение длины тормозного пути за счет ухудшения условий торможения.
end
Расчетный тормозной путь определяется в соответствии с утвержденными Правилами тяговых расчетов для поездной работы. Рассчитанную траекторию торможения выводят на дисплей на одном графике вместе с графиком измеряемой фактической скорости движения, то есть, таким образом обеспечивают прогноз скорости движения в момент торможения для контроля и управляющих действий машиниста. По окончании торможения тормозной путь по расчетной траектории, соответствующий конечной скорости (V), и фактический тормозной путь фиксируют и определяют разность их значений:
факт
расч
ΔS=S-S.
торм
В случае если длина фактического тормозного пути превышает длину тормозного пути по прогнозному расчету на величину эксплуатационного среднестатистического отклонения тормозного пути при данной ступени торможения, то в этом случае производят расчет требуемой ступени торможения с таким давлением разрядки тормозной магистрали (ΔР), при котором длина тормозного пути для данной ступени торможения меньше на значение ΔS, полученное по прогнозному расчету, а именно:
торм
pac
0
end
ПС
путь
ΔР=f(S·(V,V, ΔР К, К)-ΔS).
тр
торм
тр
Алогичным образом рассчитывают допустимую скорость и момент торможения (V), при которой длина тормозного пути, без увеличения разрядки тормозной магистрали, по прогнозному расчету уменьшится на соответствующее значение ΔS. На дисплее визуализируют рекомендации машинисту о дальнейшем применении ступени торможения с более глубокой разрядкой тормозной магистрали не менее чем ΔР, или о снижении скорости движения ПС относительно допустимой скорости до величины не более V с учетом профиля пути.
В случае если для компенсации полученной величины ΔS необходимо применять глубокие ступени служебного торможения, машинисту рекомендуют движение ПС с пониженной скоростью и с требованием дополнительной проверки тормозов на ближайшей станции.
Bt
Далее, по полученным значениям длины тормозного пути по прогнозному расчету и длины фактического тормозного пути величины снижения давления в тормозной магистрали, величины начальной и конечной скорости движения рассчитывают коэффициент эффективности действия тормозов Kкак функцию от перечисленных параметров, а также параметров, характеризующих ПС, и длины тормозного пути:
Bt
pacч
0
end
ПС
путь
K=f(ΔS, S, ΔP, V,V, К, К).
Рассчитанный коэффициент эффективности действия тормозов учитывают в последующих прогнозных расчетах длины тормозной траектории при фактическом торможении:
/
расч
расч
Вt
S =S·K,
/
рacч
где S - длина тормозного пути по прогнозному расчету с учетом эффективности действия тормозов, м.
Способ повышения уровня безопасности в пути следования подвижного состава на основе прогнозного расчета скорости движения и способ определения режима торможения подвижного состава на основе оценки эффективности действия тормозов и длины тормозного пути реализуются следующим образом.
В микропроцессорный модуль - бортовой вычислитель - поступают данные от внешних датчиков и данные со штатных бортовых систем о текущей фактической скорости движения, ускорению, давлению в тормозной системе, сигналу автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), установленные ограничения скорости, текущему местоположению поезда, эффективности тормозной системы и другие. Перед поездкой в бортовой вычислитель записывают параметры ПС: масса и длина состава, тип локомотива, число вагонов, нагрузка на ось и прочее. В процессе поездки в вычислитель от бортовых систем непрерывно поступают данные о фактической скорости движения и ускорению, показанию сигнала АЛСН, давлению в тормозной системе, ограничению скорости движения и текущей координате на траектории движения. Из бортовой электронной карты в вычислитель поступают параметры о текущем ограничении скорости движения (или текущее ограничение скорости поступает от внешних источников), о ближайшем ограничении скорости и о профиле пути.
В случае если фактическая скорость движения меньше допустимой скорости движения на величину ΔV, значение которой устанавливают из расчета текущей скорости, времени и объема информации, необходимого и достаточного для принятия машинистом решения по управляющим действиям для дальнейшего ведения ПС, например, для грузовых поездов ΔV≤15 км/ч, то по фактической скорости и ускорению в каждый последующий интервал времени выполняют прогнозный расчет траектория движения и ее визуализацию на дисплее локомотивной системы управления и обеспечения безопасности движения с указанием времени и расстояния, через которое произойдет превышение значения допустимой скорости. На дисплее визуализируют прогнозируемую траекторию торможения и автоматическое сравнение ее с фактической траекторией торможения ПС, а также визуальный контроль эффективности действия тормозов с особым предупреждением при опасном снижении их эффективности. В зависимости от профиля впередилежащего участка пути, оставшегося расстояния до прогнозируемой точки превышения скорости движения и эффективности тормозов визуализируют и озвучивают рекомендации машинисту о дальнейшем режиме движения, в частности о снятии тяги и/или применении требуемой ступени служебного торможения.
Таким образом, реализация заявляемой группы изобретений позволит машинисту не только наглядно видеть динамику возможного изменения скорости движения ПС на впередилежащем участке пути с прогнозным временем и расстоянием до точки возможного превышения скорости, а также наглядно видеть варианты изменения режима движения ПС, например разбор тяги, применение ступени торможения для предотвращения превышения предельно допустимой скорости в зависимости от реальной оценки эффективности действия тормозов. В результате обеспечивается решение задачи повышения уровня безопасности движения на максимально допустимых скоростях за счет повышения точности исполнения машинистом прицельного снижения скорости или прицельной остановки ПС, минимизации числа торможений с глубокой разрядкой тормозной магистрали, приводящих к ее истощению и существенной потере времени хода на их отпуск и восстановление, а также за счет формирования допустимых скоростей движения в зависимости от реальной эффективности действия тормозов с поправкой на возможные, непрогнозируемые условия торможения (атмосферные осадки, ветер, температура и прочее).
Важной особенностью заявляемых способов является также их адаптация в процессе эксплуатации к любым изменяющимся условиям движения и изменяющимся параметрам ПС и выдача соответствующих рекомендаций машинисту по управлению тормозами ПС.