Программно-технические и тренажеро-моделирующие комплексы для разработки, испытаний, управления и обслуживания современных локомотивов
Аннотация
Дата поступления статьи: 19.09.2013Рассмотрены основные классы программно-технических и тренажеро-моделирующих комплексов, используемых на различных этапах жизненного цикла для проведения разработки, наладки и испытаний бортовых систем управления и программного обеспечения современных локомотивов, обучения локомотивных бригад, персонала депо и дорожных служб, а также автоматизации научных исследований процессов и объектов железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: Программно-технический комплекс, тренажер локомотива, бортовая система управления, имитационное моделирование, программное обеспечение.
05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
Современный локомотив представляет собой интегрированный комплекс сложного разнородного оборудования, взаимодействующего между собой при реализации технологического процесса ведения поезда. Основные этапы его жизненного цикла: разработка, наладка, испытания, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт требуют согласованной работы большого коллектива специалистов и применения специальных технических средств. К их числу можно отнести различное оборудование, в том числе, программно-технические и тренажеро-моделирующих комплексы (ПТК), используемые для разработки, наладки, контроля и диагностики, а также испытаний бортовых систем управления тягового подвижного состава железных дорог.
Такие технические средства призваны сократить сроки создания бортовых систем управления и программного обеспечения (ПО), проведения интеграционных и функциональных тестов, сертификационных испытаний, поиск и устранение неисправностей в процессе эксплуатации, технического ремонта и обслуживания, а также повысить эффективность обучения локомотивных бригад, персонала депо и дорожных служб знаниям и умениям, необходимым для работы с новым поколением тягового подвижного состава.
Однако, в настоящее время специалистам нелегко ориентироваться в сложном многообразии существующих средств при определении целесообразности их выбора и использования. Авторами предложена классификация и разбиение на категории существующего в настоящее время разнообразного оборудования ПТК и рассмотрены их основные функциональные возможности. Даны рекомендации по их использованию. Она представлена на рис.1.
К первой категории относятся ПТК, предполагающие взаимодействие с реальным оборудованием систем управления при решении задач наладки, контроля и испытаний посредством коммуникационных каналов связи и устройств сопряжения с объектом (УСО), показанным на рис. 2. Во вторую категорию включены ПТК, являющиеся автономными функционально законченными системами, включающими в свой состав в качестве подсистем модули бортового оборудования или их имитаторы, а также имитационные модели для проведения вычислительных экспериментов.
Рассмотрим более подробно категорию А. Макетные устройства для предварительной разработки и наладки программного обеспечения, относящиеся к первой категории, выпускаются для большинства коммерчески поставляемых семейств микроконтроллеров и обозначаются Evalution Kit («отладочный комплект» или «стартовый набор»).
Они используются совместно с рабочей станцией на базе персонального компьютера, на которую устанавливается специализированное ПО разработки программных средств на языках высокого уровня включающее, как правило, редактор кода, библиотеки стандартных функций, отладчик, компилятор, симулятор и другие сервисные программы. Связь устройства с рабочей станцией осуществляется с помощью интерфейса JTAG или USB. Такие устройства предназначены для освоения микропроцессорной элементной базы и начальной стадии разработки программных средств параллельно с разработкой и изготовлением аппаратуры.
Специализированные устройства контроля и диагностики бортового оборудования представляют собой портативные электронные модули с интерфейсом для подключения к соответствующим подсистемам локомотива [1]. К ним относятся, например, блок ввода данных БВД-У и многофункциональный прибор контроля для системы безопасности КЛУБ, а также блок проверки универсальный БПрУ для системы автоматического управления тормозами САУТ. Такие устройства поставляются в депо и используются сервисными службами в процессе эксплуатации, технического ремонта и обслуживания, а также предрейсового контроля.
Стенды для контроля и испытаний электронной аппаратуры позволяют автоматизировать процесс испытаний, контроля и диагностики оборудования в условиях лаборатории, производства или депо. Они используются как стационарные комплексы и обычно используют метод «черного ящика», когда осуществляется подача тестовых сигналов на вход испытываемого блока и контроль выходных сигналов. В настоящее время созданы специализированные стенды для проверки аппаратуры микропроцессорных систем управления локомотивов, электрических аппаратов [2] и других локомотивных систем.
Оборудование для проведения наладки и испытаний на локомотиве служит для повышения эффективности работы при проведении испытаний непосредственно на объекте. Эти ПТК обычно содержит портативный компьютер типа Notebook со специализированным ПО, а также блок интерфейса для организации связи с локомотивным оборудованием посредством коммуникационного интерфейса. С помощью человеко-машинного интерфейса специалист может не только осуществлять мониторинг состояния подсистем локомотива, но также, используя функции установленного ПО, имитировать команды бортовым модулям, задавать их внутренние состояние и принудительно присваивать значения различных переменных встраиваемого программного обеспечения системы управления. Это позволяет в процессе наладочных испытаний производить проверку и наладку различного оборудования локомотива без зависимости от остальных подсистем, что существенно облегчает проведение наладочных испытаний локомотива. Такие специализированные ПТК функционально взаимосвязаны с целевыми модулями и алгоритмами их работы (рис. 2).
Особенностью второй категории ПТК является стационарный характер их использования. Они содержат в своей структуре постоянные компоненты оборудования бортовых систем локомотива, а также развитое математическое обеспечение.
Специализированные стенды для разработки, наладки и испытаний бортовых систем управления являются развитием концепции макетных устройств и представляют собой комплекс взаимосвязанных компонентов – модулей локомотивного оборудования, средств мониторинга, регистрации, рабочих станций с интегрированными пакетами создания ПО, блоков имитации основных подсистем локомотива, объединенных коммуникационными каналами связи [3,4]. C их помощью, помимо разработки и наладки ПО и аппаратных средств, осуществляется отработка протоколов взаимодействия между бортовыми подсистемами, интеграционное тестирование, а также функциональные испытания подсистем.
Такой подход использовался при отработке программного обеспечения системы управления локомотива ЭП20. Стенд включал в себя блок управления электровозом, дисплей машиниста, блоки управления оборудованием, имитаторы подсистем локомотивной безопасности, управления тяговым приводом и тормозным оборудованием, а также контроллер машиниста, рабочую станцию, аппаратуру GPS/ГЛОНАСС/GSM и адаптеры бортового коммуникационного канала связи USB-to-CAN. С учётом полученного в ходе проведения работ опыта может быть рекомендована структура стенда для бортовых распределённых информационно-управляющих систем тягового подвижного состава железных дорог, показанная на рис. 3 и защищённая патентом [5].
Рис. 3 – Структура стенда для бортовых распределённых информационно-управляющих систем
На этом рисунке представлены основные компоненты ПТК: центральный блок управления локомотивом (ЦБУЛ), дисплеи машиниста ДМ1 и ДМ2, модули системы безопасности, тяговой и тормозной систем (МСБ, МТС, МТР), блок управления оборудования и органы управления машиниста (БУО, ОУ1, ОУ2), а также блок автоматической имитации сигналов, мониторинга и анализа (БАИСМА) и каналы связи. Данная структура соответствует архитектуре бортовой распределённой системы управления верхнего уровня перспективных локомотивов [6,7] и дает возможность на ранней стадии проектирования решать задачи создания ПО, интеграции оборудования и отработки управляющих алгоритмов. Предложенный стенд может использоваться также при проведении сертификационных испытаний ПТК и программных средств встраиваемых систем. Для этого требуется его аттестация, а также соответствующее методическое обеспечение проведения испытаний.
Другим классом ПТК второй категории являются тренажеры машиниста. С их помощью в настоящее время осуществляется подготовка профессиональная локомотивных бригад к управлению поездом, обучению рациональным режимам вождения поездов, ведению служебных переговоров, а также действиям машинистов и помощников в нештатных и аварийных ситуациях. Такие системы включают оборудование кабины машиниста и органы управления локомотивом. Сложное математическое обеспечение и технические средства управления видео- и аудио - информацией обеспечивают имитацию движения поезда с учётом параметров внешней среды и динамики подвижного состава, а также трехмерную визуализацию [8]. Указанные комплексы поставляются в депо и учёбные центры и позволяют отрабатывать технологию ведения поезда и выполнение обязанностей локомотивных бригад. Следует отметить, что системы данного класса активно развиваются и используются в различных технических областях [9,10].
Уникальный лабораторно-тренажерный комплекс «Виртуальная железная дорога» (ВЖД) создан в Ростовском государственном университете путей сообщения [11-13] и построен на базе средств работы оперативного персонала служб, связанных с движением поездов и современных информационных технологий. Он представляет собой программно-аппаратную модель функционирования и взаимодействия служб железной дороги. В единую систему объединены различные тренажеры. Это позволяет отрабатывать действия машиниста, диспетчера и других участников перевозочного процесса, а также организовывать их взаимодействие между собой и с другими дорожными службами. Комплекс ВЖД состоит из нескольких лабораторий («Оптимальное управление подвижным составом», «Автоматические системы электроснабжения», «Диспетчерский центр», «Станционная работа» и др.), соединенные средствами телекоммуникаций и связи. На этом учебно-исследовательском комплексе проводятся деловые игры по отработке навыков управления эксплуатационными процессами на участке железной дороги, в условиях, максимально приближенных к реальным, исследования оптимальных алгоритмов управления движением поездов и др.
Известны специализированные вычислительные системы для автоматизации научных исследований предназначены для проведения вычислительных экспериментов на базе компьютерных имитационных моделей [14]. С их помощью могут быть исследованы различные процессы и объекты на железной дороге: функционирование систем управления скоростью и автоведения, тягового привода и тормозного оборудования, процессов в системе энергоснабжения и другие. В настоящее время большое распространение получил подход, основанный на концепции программно-аппаратного моделирования с помощью технологии полнофункциональных имитационных моделей в замкнутом цикле («hardware in the loop» – HIL). Такой комплекс создан на кафедре «Электрическая тяга» Московского государственного университета путей сообщения для моделирования электромагнитных процессов и механических колебаний электроподвижного состава в режиме реального времени [15].
На основе аналогичного подхода также решались задачи исследования энергооптимальных траекторий движения перспективного подвижного состава [16] и автоматического управления электропневматическими тормозами поезда в системе автоведения [17]. Системы подобного класса используются для решения задач оптимального управления движением поездов на основе современных математических методов и за рубежом [18-20].
Рассмотрение основных классов программно-технических и тренажеро-моделирующих комплексов позволяет сделать вывод о широких возможностях их применения для решения различных задач, возникающих на всех этапах жизненного цикла современного подвижного состава. Основная тенденция развития таких систем в будущем будет заключаться в интеграции в их состав различных технических средств – бортового оборудования, высокопроизводительных вычислительных систем и вспомогательных устройств, таких как видео- и аудио-подсистемы, базы данных, автоматизированных рабочих мест и других на основе современных информационных технологий, а также совершенствования программно-математического обеспечения моделирования процессов на железнодорожном транспорте.
Предложенная систематизация существующих в настоящее время программно-технических и тренажеро-моделирующих комплексов позволит разработчикам, испытателям, эксплуатационникам, преподавателям, а также руководителям и другим заинтересованным лицам осуществить обоснованный выбор технических средств для решения тех или иных задач на всех стадиях жизненного цикла создаваемой и эксплуатируемой железнодорожной техники.
Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013, соглашение № 14.В37.21.0289.
Литература:
- Головин В.И., Шухина Е.Е., Висков В.В., Архипов А.С. Комплекс БЛОК: прорывные технологии в системах обеспечения безопасности движения [Текст] // Локомотив. №6, 2011. – С. 28-31.
- Потапов А.А, Добряков А.В., Универсальный комплекс для испытаний электрических аппаратов ЭПС [Текст] // Вестник ВЭлНИИ, 2010. - № 2 (60). – С. 161-165.
- Юренко К.И., Фандеев Е.И. Аппаратно-программный комплекс для моделирования и автоматизированного управления движением поезда[Текст] // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2012. - № 2. – С. 26-31.
- Юренко К.И., Фандеев Е.И. Компьютерная модель и программно-аппаратные средства бортовой системы автоматизированного ведения поезда[Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки, 2012.- №5. – С.51-56.
- Пат. ПМ 125737 Российская Федерация МПК B G05B23/02. Стенд для разработки, наладки и испытаний бортовых распределённых информационно-управляющих систем подвижного состава железных дорог // К.И Юренко., Е.И Фандеев. – опубл. 10.03.12.
- Юренко К.И., Фандеев Е.И., Сапунков А.Н. Эволюция бортовых систем управления подвижного состава железных дорог [Текст] // Труды VIII международной научно-практической конференции «Научная индустрия европейского континента – 2012», Прага, «Наука и образование», 27 ноября - 5 декабря 2012. – Том 25. Технические науки. – С. 44-49.
- Шепилова Е.Г., Юренко К.И. Интеллектуальная бортовая информационно-управляющая сеть перспективных локомотивов [Текст] // Труды первой научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте ИСУЖТ-2012» г. Москва, МГУПС (МИИТ) 15-16 ноября 2012, - Ч.3. – С.228-232.
- Ройзнер, А.Г. Тренажеры нового поколения: особенности, возможности, перспективы [Текст] // Локомотив. №5, 2012. – С. 17-19.
- Файзрахманов Р.А., Бакунов Р.Р., Мехоношин А.С., Федоров А.Б., Бикметов Р.Р. Особенности разработки и реализации мобильных пультов тренажерного комплекса операторатпортального крана [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4(часть1). – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/arhive/n4r1y2012/1267 (доступ свободный) - Заглав. с экрана. – Яз. рус.
- Долгова Е.В., Курушин Д.С., Федоров А.В., Бикметов Р.Р. Организация сетевого взаимодействия элементов мобильного тренажерного комплекса. крана [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4(часть1). – Режим доступа http://ivdon.ru/magazine/arhive/n4r1y2012/1266 (доступ свободный) - Заглав. с экрана. – Яз. рус.
- Верескун В.Д., Колесников В.И., Сухорукова Н.Н. Учебно-исследовательский лабораторный комплекс «Виртуальная железная дорога // Тp. 3-й междунаp. науч.-техн. конф. «Компьютеpное моделиpование−2002». — СПб.: СПбГПУ, 2002. — С. 203−209.
- Верескун В.Д., Колесников В.И., Сухорукова Н.Н. Применение на железнодорожном транспорте тренажеров с использованием практики деловых игр [Текст] // Сбоpник докладов 1-й Межведомственной научно-пpактической конфеpенции «Телекоммуникационные технологии на тpанспоpте России: ТелеКомТранс−2003», г. Сочи. — Ростов н/Д: РГУПС, 2003. — C. 383.
- Колесников В.И., Гольцев А.В., Гречук И.А. Виртуальная железная дорога поможет воспитать профессионала [Текст] // Локомотив, 2011, № 5. – С. 13-15.
- Савоськин А.Н., Болдин Д.И., Телегин М.В. Использование технологий NI для создания программно-аппаратного комплекса имитационного моделирования в реальном времени [Текст] // Сборник научных трудов IX международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологий National Instruments. Москва, 3-4 октября 2010. – С. 34-39.
- Савоськин А.Н., Чучий А.А., Болдин Д.И., Телегин М.В. Исследование электромагнитных процессов в электрической железной дороге переменного тока на базе вычислительного комплекса реального времени [Текст] // Вестник ВЭлНИИ, 2011. - №1 (61). – С. 23-38.
- Юренко, К.И. Расчёт энергооптимальных режимов движения перспективного подвижного состава методом динамического программирования [Текст] //Известия вузов. Электромеханика, 2013.- №3. – С. 78-82.
- Юренко К.И., Фандеев Е.И., Сапунков А.Н. Автоматическое управление тормозами поезда на основе математического аппарата нечёткой логики в системе автоведения[Текст] // Вестник Всеукраинского национального университета им. В. Даля. Техн. науки. Серия Транспорт. – Луганск, 2012. - Ч.2 №5(176). – С.22-29.
- Chang C. S., Sim S. S., Optimising train movements through coast control
using genetic algorithms// IEE Proceedings-Electric Power Applications, vol. 144, 1997, pp. 65.
- Seong Ho, H., Yun Sub, B., Jong Hyen, B., Tae Ki, A., Su Gil, L., and Hyun
- 179 Jun, P., An optimal automatic train operation (ATO) control using genetic algorithms (GA)// Proceedings of IEEE. IEEE Region 10 Conference. TENCON 99. `Multimedia Technology for Asia-Pacific Information Infrastructure' (Cat. No.99CH37030), vol. 1: IEEE Inst. Electron Eng.Korea.,
- Wong, K. K. and Ho, T. K., Coast control for mass rapid transit railways with searching methods// IEE Proceedings-Electric Power Applications, vol. 151,