Методика и алгоритм оптимизации синтеза кабельных сетей

А. М. Горбачев

МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ СИНТЕЗА КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Рассмотрена методика и приведен алгоритм оптимизации синтеза кабельных сетей железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом новой технологии прокладки с использованием подземных муфт.

кабельная сеть, железнодорожная автоматика, оптимизация синтеза.

Введение

Проектирование кабельной сети (КС) железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) на основе двухниточного плана (ДП) станции или перегона занимает до 15 % времени, отводимого на разработку документации по проекту. В настоящее время на железнодорожном транспорте расходуется наибольшее, по сравнению с другими видами транспорта и отраслями промышленности, количество кабеля. Оптимизация конструкции КС обеспечивает снижение стоимости прокладки кабеля, ведет к уменьшению затрат времени на проектирование и сокращению числа ошибок проектировщика.

Условно КС ЖАТ можно разделить на четыре вида:

1) КС светофоров (КСС), объединяющие жилы для управления огнями светофоров, маршрутных указателей, световых указателей положения, релейных шкафов входных светофоров и шкафов переездной сигнализации;

2) КС питающих трансформаторов (КСПТ), объединяющие все жилы, необходимые для питания кодируемых и некодируемых рельсовых цепей;

3) КС релейных трансформаторов (КСРТ);

4) КС управления стрелочными электроприводами (КСП).

Чертеж любого вида КС может быть выполнен на отдельном листе или совмещен с чертежами других видов КС на одном листе.

1 Постановка задачи оптимизации синтеза

Основной целью данной работы является оптимизация синтеза КС ЖАТ путем создания специализированного модуля для использования на автоматизированном рабочем месте проектировщика технической документации (АРМ ПТД). Важнейшей задачей при этом является формализация процесса проектирования КС. Задачей следующего этапа является разработка методики автоматизированного синтеза и оптимизации КС. Следующей задачей является составление алгоритмов оптимизации синтеза КС с учетом новой технологии прокладки кабеля с

использованием подземных кабельных муфт. Задача последнего этапа -программная реализация разработанных алгоритмов в виде специализированного модуля.

Объектом двухниточного плана будем считать любой объект, условное графическое изображение которого присутствует на двухниточном плане. Тогда объект КС - это любой объект двухниточного плана, к которому подводятся провода (например, светофор или привод) или в котором содержатся провода (кабель или муфта). «Значимым» объектом КС условимся считать такой объект КС, к которому подводятся жилы кабеля питания и/или управления (сюда входят все объекты КС, кроме муфт и кабелей).

Построение кабельного плана осуществляется на основе существующего двухниточного плана с отмеченной на нем трассой кабеля. Однако, согласно нормативной документации [1], важнейшим требованием при прокладке трассы кабеля является минимизация ее длины. Понятно, что длина кабеля может быть рассчитана только после построения КС. На практике это противоречие приводит к тому, что проектировщик прокладывает кабель, руководствуясь очевидными требованиями (кабель должен проходить по возможности ближе к объектам кабельной сети, желательно с одной стороны от железнодорожных путей, иметь небольшое количество пересечений и т. д.). Практически всегда в таких случаях проектировщик не в состоянии перебрать все возможные варианты и его выбор не является оптимальным по рассмотренным ниже критериям. При автоматическом или автоматизированном построении этого можно избежать путем перебора возможных вариантов прокладки трассы кабеля на компьютере. Кроме того, на этом же этапе необходимо учитывать ряд запрещающих ограничений (отсутствие воздушных линий связи и энергоснабжения, воздухопроводов для пневмоочистки стрелок и т. д.) и ряд ограничений рекомендательного характера (прохождение по наименее пересеченному рельефу, обход участков, содержащих вещества, разрушительно воздействующие на оболочки кабеля и т. д.). Все эти требования могут быть учтены путем экспертной оценки, характеризующей возможность прокладки трассы кабеля вблизи объекта или по данному объекту (в зависимости от типа объекта). Наличие запрещающих требований значительно сокращает пространство поиска.

Другой важной проблемой является выбор критерия оптимизации при построении КС. С помощью анализа технической документации [1] выявлены три критерия оптимизации:

1) минимизация количества устанавливаемых муфт;

2) минимизация суммарной длины жил всех кабелей;

3) минимизация суммарной стоимости работ.

При оптимизации по первому критерию резко возрастает количество отдельных кабелей, содержащих небольшое число жил, а с учетом запаса жил (в кабеле, содержащем до 10 жил, должна быть одна запасная, до

20 жил - две, более 20 жил - три) увеличивается их суммарная длина и стоимость. По такому критерию можно проектировать кабельные сети малых станций. При оптимизации по критерию минимизации суммарной длины жил всех кабелей незначительно увеличивается количество устанавливаемых муфт и увеличивается стоимость кабеля, однако усложняется топология кабельных сетей, происходит передача кабеля из муфты в муфту, что значительно затрудняет проверку. Оптимизация по стоимости является наиболее удачным решением, и в данной статье рассматривается именно она. Полная стоимость прокладки кабельной сети вычисляется по следующей формуле:

Cost = Cc + Cm + Cadd + Cw,

где Сс - стоимость кабелей;

Cm - стоимость муфт;

Cadd - стоимость дополнительных материалов (трубки, гравий, песок и т. д.), используемых при прокладке КС;

Cw - стоимость работ.

Информация о стоимости единицы длины кабеля соответствующей марки и жильности, муфты конкретного типа, нормозатрат на работы хранится в базе данных.

При проектировании человек интуитивно располагает элементы на чертеже так, чтобы избежать наложений любых графических объектов и лишних пересечений кабелей. Однако при построении алгоритма расчеты для положения графических объектов на листе необходимо формализовать. При этом, учитывая большое количество объектов, располагающихся на двухниточном плане, избежать наложений графических изображений в общем случае становится практически невозможно. Решением этой проблемы является синтез кабельной сети в два этапа. На первом этапе пользователь может работать с чертежом, где полностью сохранено положение объектов кабельных сетей, как на двухниточном плане (т. е. приближенное к реальному размещению на местности), а путевое развитие изображено на нижнем слое. На данном этапе проектировщик может контролировать правильность и редактировать фактическое построение КС (правильность переноса объектов, распределения жил в муфтах, дублирования жил, расчета длин). На втором этапе осуществляется перерисовка КС в виде, принятом для изображения на конечном чертеже при проектировании. При полностью автоматическом синтезе этапы выполняются последовательно в том же порядке, но без редактирования пользователем результатов работы первого этапа.

Наконец, серьезной проблемой является необходимость программной поддержки режима модернизации кабельных сетей. Основным путем ее решения является добавление возможности «замораживания» (имеется в

виду запрет на автоматическое изменение выбранных свойств) некоторых свойств отдельных объектов (наименование объекта, марка кабеля, его жильность и т. д.) или объектов КС целиком. Например, в случае, когда отдельный существующий кабель заменять не планируется, можно «заморозить» его параметры и тем самым запретить автоматическую укладку проводов в него и автоматическое изменение его жильности, т. е. система считает, что она не имеет права изменять замороженные параметры или объекты.

Рассмотрим сначала задачу прокладки трассы кабеля как наиболее сложную. Исходными данными для ее решения является двухниточный план с дополнительной информацией о возможности прокладки трассы кабеля вблизи тех или иных объектов. Будем характеризовать ограничения при прокладке кабеля для определенного объекта ДП по условной шкале индексом Ii = 0...100. Начальное значение этого индекса равно нулю -данный объект ДП не накладывает ограничений на прокладку кабеля. Если индекс равен 100, то кабель не может накладываться на данный объект ДП на чертеже (проходить под или над объектом на реальной местности). Это ограничение является запрещающим. Все остальные значения по шкале являются граничными и характеризуют относительный уровень ограничений. Данные ограничения назначаются автоматически программой для известных ей классов объектов ДП, но могут редактироваться пользователем для любого объекта. Это обеспечивает необходимую гибкость при разработке реальных проектов. Начальные значения по этой шкале, выставляемые программой, получаются путем усреднения различных экспертных оценок для данного класса объектов ДП.

2 Алгоритмизация и математическое описание решения задачи

«Значимые» объекты КС описываются матрицей D размерностью [N, 4], при этом число строк соответствует числу объектов N, а столбцы характеризуют число жил управления объекта, число жил контроля объекта, ординату (расстояние в метрах до поста централизации), отстояние по путям до установки объекта в метрах. Отстояние по путям -это кратчайшее расстояние от пути до объекта.

Схема расположения станционных путей задается в виде матрицы ShP, размерность которой соответствует по строкам суммарному числу путей и стрелок - L, а по столбцам равна пяти. При этом первый и третий столбцы содержат соответственно значения ординаты (координата Х) начала и конца пути (или стрелки). Второй и четвертый столбцы содержат значения отстояний начал и концов путей или стрелок, а пятый столбец равен единице, если характеризуется основной путь, равен двум, если характеризуется дополнительный путь и равен трем, если характеризуется стрелка.

Информация о стоимости метра кабеля, полученная из базы данных в виде таблицы, в зависимости от типа кабеля и числа жил, сохраняется в базе данных. С математической точки зрения стоимость кабеля описывается матрицей CtK стоимости метра кабеля в зависимости от числа жил с учетом запасных жил и стоимости работ по разделке жил и укладке кабеля. Размерность матрицы по строкам соответствует числу типов кабелей, а размерность по столбцам - числу жил кабеля. Элементами матрицы являются стоимость одного метра кабеля с учетом запасных жил и стоимость работ по разделке жил и укладке кабеля. Стоимость муфт описывается матрицей CtM по числу разделываемых жил с учетом стоимости работ по разделке. Строки соответствуют типам муфт, а столбцы - числу разделываемых жил. Стоимость строительных и монтажных работ описывается матрицей CtR стоимости укладки метра кабеля в зависимости от места, где прокладывается кабель. Вводятся переменные: Тк - марка кабеля, Tmuf - тип муфт, Sn - шаг опорной сетки прокладки кабеля.

Шаг опорной сетки прокладки кабеля должен быть выбран исходя из следующих соображений. На прокладку кабеля, как это было указано, влияет положение самих объектов кабельной сети (стрелки, светофоры и т. д.), расположение путей, а также любые другие объекты, которые имеют ограничительный коэффициент больше нуля. По этой причине шаг должен быть равен разности расстояний на местности между ближайшими точками, влияющими на прокладку кабеля. К этим точкам, исходя из сказанного выше, относятся точки, характеризующие положение самих объектов КС, путевого развития, а также всех объектов, у которых I > 0. В общем случае шаг, рассчитанный таким образом, является неравномерным. Данный размер шага является оптимальным, так как при его расчете учитываются все объекты, влияющие на прокладку КС. Если принимать шаг меньше указанного, это приведет к неоправданным вычислениям. Если принимать шаг больше заданного, это приведет к потере точности.

Задача состоит в поиске оптимальных трасс укладки кабелей по выбранному критерию. Для решения задачи производится поиск матрицы RT размерности [m, n], все элементы которой равны либо единице, если траншея проходит через точку RTj либо нулю - в противном случае.

Для расположения промежуточных, разветвительных и концевых муфт производится поиск аналогичных матриц RMUpr[m, n], RMUraz[m, n], RMUkon[m, n], при этом основным критерием оптимизации является общая стоимость материалов, строительных и монтажных работ. Дополнительными критериями являются сокращение числа муфт, стоимости кабеля, длины и жильности кабеля, числа переходов под путями. Задача решается в несколько этапов.

1. Рассчитывается число строк опорной «сетки» планов:

m = max Е Di2/Sn для всех ze0..2V .

2. Рассчитывается число столбцов опорной «сетки» планов:

?2 = max Е Dj3/Sn для всех z e0..jV .

3. Формируются схемы связей поста централизации по управлению и контролю объектов в виде матрицы управления размерностью [N, N]:

SvU{D)uk=<

Di0 при j = E(Di2/Sn) л k = E(Di3/Sn) ;zg0..jV,

О в остальных случаях,

а также матрицы контроля [N, N]:

/2 j при j = /2(72 2 / Sri) л к = /2(72 3 / 27) ; z е 0...N, О в остальных случаях,

SvK(D)jJc =

где Е(х) соответствует вычислению целой части числа.

Элементом указанных матриц является число жил соответственно управления и контроля, если связь существует, и ноль, если связи нет.

4. Формируется схема расположения путей и стрелок на станции в виде матрицы RPS, размерность которой соответствует размерности матриц SvU(D) и SvK(D):

Щ2-Щ0

RPS

ShP2-ShP0

j-ShPj0 +ShPj0 л ShPj4=\ для всех / e 0 ...L,

j-ShPj0 +ShPj0 л ShPi4-2 для всех i e 0...L,

)

\

ShP0 ^ShP0 a flhl)4 = З^ля всех i e 0...L,

О в остальных случаях,

для всех j е 0... тик е 0... п.

Элементы матрицы равны единице, если основной путь проходит через данную точку, равны двум, если дополнительный путь проходит через данную точку, равны трем, если стрелка проходит через заданную точку, и равны нулю в противном случае.

5. Формируется обобщенная матрица стоимости материалов и работ OMC[m, п]. Формирование матрицы производится путем обработки матриц StK, StM, StR, RPS.

6. Формируется целевая функция, характеризующая суммарную стоимость материалов и работ для искомых планов:

т п

F КГ, ОМС = X S RTuj ‘ OMCuj •

»=1 м

7. Формируется ограничение на прокладку трасс - суммарная длина траншей не должна превышать суммы расстояний от поста до объектов:

т п N

Sh-VVkI  V/. .

i=l j=1 к=1

8. Траншеи объединяются для объектов, входящих в общую группу.

Объединение объектов КС в группы производится при помощи

специальной процедуры, при которой в качестве аргумента используется матрица D и результаты объединения объектов помещаются в матрицу Group, число строк которой соответствует числу групп, а число столбцов соответствует максимальному числу объектов, входящих в группу. Элементами матрицы являются номера объектов, входящих в группу, соответствующую номеру строки этой матрицы.

Задачи решаются симплекс-методом. Результатом решения является вариант плана кабельных сетей станции для заданной группы объектов.

3 Программная реализация алгоритмов оптимизации

При программной реализации решением задачи является сочетание САПР синтеза кабельных сетей с функциями специализированного графического редактора. Модуль синтеза кабельных сетей предоставляет средства автоматического получения варианта чертежей кабельных сетей по двухниточному плану. При построении собственно кабельной сети на основе ДП с нанесенной трассой кабеля реализуется следующая последовательность синтеза: настройка модуля; создание списка объектов, включаемых в кабельные сети; определение числа и наименований проводов, доходящих до конечных объектов; расчет длины кабеля до каждого объекта без расстановки разветвительных муфт; определение числа жил в каждом прямом и обратном проводе; группировка проводов по кабелям; выбор марки кабеля; расстановка разветвительных муфт; размещение нескольких кабелей на листе; проверка полученных результатов; составление спецификации.

Для хранения нормативно-справочной информации используются специальные базы данных. В базе кабелей содержатся сведения о применяемых кабелях, в базе проводов - информация о правилах объединения электрических цепей различного назначения, о характеристиках рода тока и напряжения, о типах приборов, об ограничениях по длине и др. Изображения объектов в технической

документации сопоставляются с реальными физическими объектами, имеющими ряд параметров, позволяющих однозначно их идентифицировать.

Каждый объект КС может быть обработан:

как оконечный объект (подходит один кабель);

соединительный объект (подходят два кабеля, происходит соединение проводов без потерь);

распределительный объект (подходят более двух кабелей, происходит перераспределение проводов по кабелям без потерь);

порождающий объект (подходят два кабеля и более, объект может вести себя как оконечный, соединительный, распределительный в любом сочетании одновременно);

соединитель (кабель).

При автоматическом синтезе кабельных сетей необходимо учитывать ряд ограничений по разделке кабеля в напольных устройствах. Конструктивно устройства содержат конечное число отверстий для ввода кабеля определенного диаметра и конечное число клемм. Разделку кабеля внутри напольных устройств при проектировании не указывают.

При составлении спецификаций с чертежей кабельных сетей собираются данные о типах и длине отрезков кабелей между двумя соседними объектами. Все данные сводятся в таблицу длин кабелей, которую можно получить автоматически.

Последовательность синтеза кабельных сетей можно подразделить на несколько этапов, первым из которых является составление списка объектов. По двухниточному плану объекты (светофоры, стрелочные электроприводы, путевые ящики и др.) собираются согласно настройкам пользователя. По желанию пользователя возможно построение совмещенных чертежей кабельных сетей (объекты различных типов по желанию пользователя могут присутствовать на чертеже).

Для каждого отдельного кабеля выполняется поиск точек пересечения с путевым развитием. Поскольку большинство элементов двухниточного плана привязываются к путевому развитию, для точного определения фактического места установки кабеля необходимо введение такого понятия, как физический центр. Все описанные этапы можно отнести к подготовительным.

Затем для каждого объекта выполняется расчет длины кабеля Lk, м, от поста централизации:

Lk k •

где Lo - расстояние от оси поста до объекта централизации по ординатам, указанным на двухниточном плане станции, м;

Lp - расстояние среднего перехода под путями (путь и междупутье), м; np - количество переходов;

LB - длина кабеля на ввод в здание поста, м;

Lh - длина кабеля на подъем со дна траншеи и разделки, м;

Lc - запас кабеля на случай перезаделки, м;

к - коэффициент, учитывающий увеличение длины кабеля на изгибы в траншее и просадки грунта.

В существующих методиках принимается Lp = 6 м; Lh = 1,5 м; Lc = 1 м; к = 1,03. Полученный результат округляется до числа, кратного пяти в большую сторону.

По параметрам объектов выявляется количество подводимых к ним проводов. Наименование проводов к объектам можно представить в виде:

[•Наименование объекта>] + [наименование провода] + [<индекс>].

Наименования объекта соответствует наименованию элемента двухниточного плана. Индекс используется, как правило, для обозначения питающих проводов. С учетом длины кабелей до объектов КС осуществляется расчет дублирования жил.

В конце построения плана с КС на ДП автоматически переносятся разветвительные муфты и ящики электрообогрева контактной системы автопереключатей стрелочных электроприводов. Завершение проектирования напольного оборудования делает возможным переход к проектированию постового оборудования. При этом чертежи кабельных сетей используют при разработке принципиальных и монтажных схем, а также являются основой для формирования спецификаций на кабели.

Программа была реализована в качестве модуля на языке C# 2005 с использованием технологии COM (Component Object Model) для связи в редактором [2].

Причины выбора языка C# 2005 были следующие:

1) язык высокого уровня, поддерживающий сложные виды абстракций;

2) поддержка технологии COM (для совместной работы с графическим редактором);

3) встроенная поддержка языка xml (объектно ориентированные базы данных, хранение настроек пользователя);

4) удобная среда разработки с поддержкой языка UML и другими средствами автоматизации.

Заключение

В основу алгоритма построения кабельных сетей положена определенная последовательность действий. Для неформализованных ранее действий были определены математические критерии оптимизации.

Созданная программа позволяет в значительной степени автоматизировать процесс построения КС на основе ДП, при этом для проектировщика доступны различные режимы построения КС. В то же время скорость проектирования КС для ж.-д. станций повышается в два-три раза по результатам опытной эксплуатации модуля оптимизации синтеза, проведенной в НТЦ САПР в 2009 г. Кроме того, число ошибок с ее использованием снижается на 10-20 %, в основном за счет допущенных из-за невнимательности проектировщика при подсчетах числа жил кабеля.

Библиографический список

1. Электрическая централизация. Проектирование кабельных сетей путевых

устройств СЦБ : метод. указания по проектированию устройств автоматики,

телемеханики и связи на железнодорожном транспорте И-81-77. - Л. :

Гипротранссигналсвязь, 1978. - 124 с.

2. Программирование на языке С# / Э. Троелсен. - СПб. : Питер, 2006. - 923 с. -ISBN 978-5-8459-1185-8.

Статья поступила в редакцию 23.03.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Ефановым

УДК 629.424.3:621.313.13

М. А. Г рищенко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЯКОРЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА

Предлагается методика бесконтактного контроля теплового состояния якоря тягового электродвигателя тепловоза в эксплуатации. В качестве датчика температуры при испытаниях использовался инфракрасный пирометр АТТ-2508, установленный в крышку люка тягового электродвигателя ЭДУ-133. Экспериментальные исследования состояли из стендовых испытаний в локомотивном депо г. Тверь и эксплуатационных поездок на участке Кириши - Пыталово. По результатам исследований получены температурные зависимости нагревания коллектора и обмоток якоря.

процессы нагревания якоря тягового электродвигателя в эксплуатации; бесконтактный метод измерения температуры якоря тягового электродвигателя.

Введение

Режим работы локомотива и тяговых электродвигателей (ТЭД), установленных на нем, изменяется под влиянием внешних условий или в результате воздействия со стороны машиниста и систем автоматического регулирования электропередачей. Каждому стационарному режиму работы