Особенности компьютерных систем управления на железнодорожном транспорте и в метрополитенах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механизация и автоматизация предприятий и средств связи


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов УДК 625. 42:656. 257
А. А. Федосеев,
C. Ю. Воронин
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И В МЕТРОПОЛИТЕНАХ
Введение
Современный подход к организации процесса оперативного управления предусматривает использование новых технических средств и передовых технологий для обеспечения высоких показателей функционирования транспортного комплекса в целом и сведения к минимуму любых производственных потерь [1]. Практическая реализация этой задачи возможна при условии повышения качества управления, связанного с применением высокоэффективных методов и систем управления.
1. Классификация систем управления
Для того чтобы определить класс систем, используемых для оперативного управления, воспользуемся классификацией К. Боулдинга [2], интересной тем, что она определяет иерархию систем по их отношению к информации.
Первый уровень — уровень статической структуры. Описание этой структуры служит началом систематизированных теоретических знаний, так как невозможно создать точную функциональную или динамическую теорию, не имея достоверного описания статических взаимоотношений.
Второй уровень иерархии систем представляет собой уровень простой динамической системы с предопределенными, обязательными движениями. Он может быть назван уровнем «часового механизма».
Третьим является уровень механизма управления или, другими словами, системы с управляемыми циклами обратной связи, причем его можно назвать уровнем «термостата».
Четвертый уровень — «открытая система», самосохраняющаяся структура. Уровень, на котором живое начинает отличаться от неживого, может быть назван уровнем «клетки».
5. Пятый уровень можно назвать «генетически-общественным» или уровнем «растения».
6. Шестой уровень — уровень «животных».
10
Системы и устройства автоматики и телемеханики
7. Седьмой уровень рассматривает отдельного человека как систему и называется «человеческий».
8. Восьмой уровень составляют общественные (социальные) институты.
9. Последний уровень — трансцендентные системы. Уровень, указывающий на потенциальную возможность существования еще более высокого класса систем.
Классификация К. Боулдинга указывает на процесс непрерывного повышения значимости информационной составляющей по мере роста организационной и поведенческой сложности систем вплоть до трансцендентного уровня.
В рассмотренной иерархии первый и второй уровни определяют системы, существование которых не связано с переработкой информации. Третий уровень отличается от простой системы устойчивого равновесия главным образом тем, что передача и анализ информации составляют существенную часть системы. Начиная с четвертого уровня и выше у систем появляется собственное отношение к входной информации, адаптация, реакция на входные воздействия с учетом знаний или образов, самосознание.
Используя предложенную классификацию, можно сказать, что системы оперативного управления в целом представляют собой взаимодействие систем третьего, седьмого и восьмого уровней. Иными словами, представляют собой комплекс, состоящий из технических средств управления, че-ловека-оператора (диспетчера), использующего эти технические средства, и множества других заинтересованных участников, оказывающих влияние на процесс управления (пассажиры, руководство, диспетчеры различных служб, дежурные по станции, машинисты, обслуживающий персонал и др.).
Процесс управления в общем виде представляет собой взаимодействие внешней среды, объекта и системы управления, его структурная схема представлена на рис. 1.
С помощью датчиков (Д) система управления получает информацию о состоянии объекта и внешней среды. На основании полученных данных, при использовании модели знаний (М) об объекте и целей управления система с помощью формирователя решений (Р) вырабатывает выходное воздействие, которое посредством исполнительных органов (ИО) передается на объект.
2. Аспекты развития систем управления
В первых релейных системах электрической централизации (ЭЦ) в основном преобладало раздельное управление стрелками, степень автоматизации была невелика и заключалась в сборе данных о состоянии объектов управления и контроля для создания информационной модели процесса управления и обеспечении условий безопасности [3]. В дальнейшем
11
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
развитие релейных систем ЭЦ в основном характеризовалось усилением зависимостей для повышения безопасности движения поездов и внедрения дополнительных функций, позволяющих исключить в работе оперативного персонала монотонные, часто повторяющиеся операции, на которые, по статистике, приходится наибольшее число ошибок. В системах ЭЦ стали применять маршрутное управление стрелками, накопление маршрутов, автоматические режимы управления сигналами, автоматический оборот (в метрополитенах) и др. Другими словами, осуществлялись мероприятия, направленные на улучшение труда оперативного персонала и исключение ошибочных действий в штатных режимах. Однако сама структура системы управления оставалась неизменна — это человек, который имеет информацию об объекте управления, знает цели управления и способен принимать решения для достижения требуемых целей, и технические средства, с помощью которых воздействуют на объект управления и получают данные о его состоянии. Технические средства функционируют по жестко заданным алгоритмам, заложенным в схемные решения.
Рис. 1. Структурная схема процесса управления
Важный аспект в структуре управления — наличие или отсутствие обратной связи. Это обстоятельство определяет замкнутый и разомкнутый характер системы управления. Замкнутые системы с позиции автоматизированного управления считаются более эффективными. Традиционные системы ЭЦ и ДЦ, используемые на железнодорожном транспорте и в метрополитенах, с технической точки зрения являются разомкнутыми системами, хотя и содержат, при наличии автоматических режимов, локальные замкнутые подсистемы. Для организации замкнутой системы необходимо
12
Системы и устройства автоматики и телемеханики
включение человека в контур управления. Структурная схема замкнутой системы управления с автоматическими режимами (локальной замкнутой подсистемой) показана на рис. 2. Наличие автоматических режимов позволяет минимизировать количество управляющих воздействий от человека, стоящего на более высоком уровне иерархии. Подсистема управления замещает собой определенную последовательность действий, которую требуется выполнить системе более высокого управления для достижения поставленной цели.
Система управления (человек)
М
Р
Д

ИО

______
Объект
Внешняя среда
Рис. 2. Структурная схема системы управления с автоматическими режимами
Примером локальной замкнутой подсистемы может также служить подсистема установки маршрута, когда при получении двух входных воздействий, определяющих начало и конец маршрута, подсистемой осуществляется целый комплекс мероприятий (перевод стрелок, замыкание, выбор сигнального показания и др.). Другим примером является автоматический оборот составов в метрополитенах, заключающийся в передаче состава с одного пути на другой со сменой направления движения. При включении этого режима установка маршрутов приема и отправления с пути оборота осуществляется автоматически. Эти действия повторяются циклически до их отмены вышестоящей системой управления.
13
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
В процессе функционирования подсистема управления управляется извне и изнутри. Внешнее управление исходит от вышестоящей системы и представляет собой минимальный набор входных воздействий, необходимый для выбора требуемого алгоритма функционирования или активизации его деятельности. Внутреннее управление осуществляется согласно заложенным в подсистему алгоритмам (А), которые используют для своей работы данные от объекта управления и данные о внутреннем состоянии подсистемы. Результатом работы подсистемы управления будут определенные решения (Р) по воздействию на объект управления. Набор этих решений является фиксированным, т. е. на каждом отрезке работы имеется однозначное соответствие, определяемое алгоритмом, между набором входных воздействий, внутренних состояний подсистемы и набором выходных воздействий.
Большинство эксплуатируемых в настоящее время систем релейной автоматики построено по изложенным выше принципам- забегая вперед, можно сказать, что и современные компьютерные системы управления используют аналогичный подход.
В целом релейные системы решали поставленные перед ними задачи, тем не менее возникновение нештатной ситуации приводило к резкому увеличению роли человеческого фактора при разрешении проблемы. Техническая реализация и элементная база не позволяли создать собственную систему выработки решений или выдачи рекомендаций оперативному персоналу при возникновении проблемы, а сводились только к исключению, с помощью схемных решений, действий оператора, нарушающих условия безопасности в штатных режимах функционирования. Перед разработчиками релейных систем и не ставилась подобная задача, так как выработке решений всегда сопутствует анализ и определенный объем вычислений, что практически нереализуемо на релейной элементной базе. Концепция построения релейных систем железнодорожной автоматики, в отличие, например, от систем авиационной или космической отрасли, где при возникновении неисправности все действия ориентированы на обеспечение живучести системы и продолжение ее функционирования, направлена, при возникновении отказа, на перевод системы в защитное состояние. А это, в контексте перевозочного процесса, означает прекращение движения либо исключает возможность его начала. В такой ситуации организация работ по восстановлению системы, принятие решений и управление при неисправных технических средствах возлагается на человека. Качество этого управления напрямую зависит от знаний, опыта и психофизиологических особенностей человека-оператора.
14
Системы и устройства автоматики и телемеханики
3. Способы использования компьютерных систем управления
Компьютерные системы обладают способностью накапливать информацию и в зависимости от этого менять выполняемые ими действия, т. е. могут запоминать и преобразовывать информацию. Свойство памяти реализуется за счет изменения состояний элементов системы или за счет изменения ее структуры, возможно сочетание этих вариантов. Релейные системы управления, ввиду специфики элементной базы, имеют малый объем памяти, а перенастройка на различные задачи осуществляется с помощью изменения системы связей между элементами, которая определяется схемными решениями. Компьютеры не имеют подобных ограничений, являясь универсальными преобразователями информации. Большие объемы памяти, высокое быстродействие и способность перенастраиваться на различные задачи с помощью программ создают реальные предпосылки для смещения роли управления в сторону технических средств, уменьшая влияние человеческого фактора.
Средства вычислительной техники в зависимости от поставленных задач и конкретных целей автоматизации включаются в контур управления различными способами. Отметим три из них, представляющих наибольший интерес с точки зрения применения на железнодорожном транспорте и в метрополитенах.
1. Системы прямого программного управления: управляющие воздействия формируются компьютерной системой управления (КСУ) и передаются непосредственно к исполнительным органам, что позволяет исключить схемы локальной автоматики.
2. Системы супервизорного управления: управляющие воздействия (критерии, параметры) от КСУ более высокого уровня передаются системе более низкого уровня иерархии, осуществляющей непосредственное взаимодействие с объектом управления. Роль оператора и в первом и во втором случае сводится к наблюдению за процессом и корректировке в случае необходимости.
3. Системы поддержки принятия решений (ППР): в таких системах, кроме сбора и обработки информации, осуществляется анализ развития технологического процесса и определение возможных управляющих воздействий для обеспечения оптимального управления. Полученные решения предлагаются оператору, который на основе собственных знаний о технологическом процессе и опыта может воспользоваться ими или оставить их без внимания. Системы ППР используются, когда существуют сложности с формализацией процесса управления, при неполном информационном обеспечении или отсутствии четкой математической модели.
15
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Если процесс управления подлежит формализованному описанию, используются средства контроля состояния управляемых объектов и определенный порядок действий при неисправностях, возможна полная автоматизация управления с помощью технических средств. Примером, напрямую не связанным с движением поездов, может служить система обеспечения жизнедеятельности станции метрополитена, реализованная с помощью средств вычислительной техники в рамках комплексной автоматизированной системы диспетчерского управления (КАС ДУ) [4−6]. В данной системе реализовано большое количество автоматических режимов. Например, автоматическое управление освещением на станции, с учетом утвержденного графика и данных от фотодатчиков. В автоматическом режиме подаются аварийно-оповестительные сигналы с помощью тоннельного освещения. При этом всегда сохраняется возможность прямого управления человеком-оператором. На уровне диспетчера электромеханической службы организовано автоматическое управление мощной тоннельной вентиляцией линии метрополитена. На уровне энергодиспетчера реализуются плановая подача и снятие напряжения с контактного рельса на линии. На АРМ поездного диспетчера внедрены автоматические режимы: автооборот, зонный оборот, автоследование и другие специфические авторежимы.
Заключение
При проектировании компьютерных систем управления необходимо учитывать не только объем управления (количество объектов управления), но и требования к его качеству (принятие тех или иных решений), а также соизмерять количество объектов управления, интенсивность процессов управления и нагрузку на человека-оператора как в нормальном режиме, так и при возникновении нештатной ситуации, поскольку любая из систем -лишь механизм для повышения эффективности управления, принятия правильных стратегических и тактических решений на основе своевременной и достоверной информации.
Библиографический список
1. Никитин А. Б. Управление стрелочными электроприводами в компьютерных системах горочной централизации / А. Б. Никитин, А. Н. Ковкин // Автоматика на транспорте. — 2015. — Том 1. — № 1. — С. 51−62.
2. Боулдинг К. Общая теория систем — скелет науки / К. Боулдинг // Исследования по общей теории систем. — М., 1969. — С. 79.
3. Системы автоматики и телемеханики на железных дорогах мира / Под ред. Г. Тее-га, С. Власенко. — М.: Интекст, 2010. — С. 287.
16
Системы и устройства автоматики и телемеханики
4. Бушуев С. В. Комплекс систем, обеспечивающих безопасность и непрерывность перевозок железнодорожным транспортом / С. В. Бушуев, С. Ю. Воронин [и др.] // Промышленный транспорт Урала. — Тематический выпуск № 9 (17). — 2007. — С. 16−18.
5. Никитин А. Б. Реализация комплексной автоматизированной системы диспетчерского управления линией метрополитена / А. Б. Никитин, М. Ю. Королев // Наука и транспорт: метрополитены будущего. — 2010. — С. 39−41.
6. Комплексная автоматизированная система диспетчерского управления работой линии метрополитена. КАС ДУ. ЦКЖТ ПГУПС, 2015 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http: //crtc. ru/kas. php. — Загл. с экрана.
E-mail: voronin@crtc. spb. ru
17

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой