МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ МПЦ-ЭЛ Российский патент 2019 года по МПК B61L21/04 

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, в частности, к микропроцессорной системе централизации, предназначенной для централизованного управления стрелками, светофорами и другими объектами на железнодорожных станциях, перегонах и т.п. с целью организации движения поездов с требуемым уровнем безопасности.

Предлагаемая система разработана под названием МПЦ-ЭЛ, апробирована и рекомендована к тиражированию на сети железных дорог Российской Федерации.

Управление движением поездов с высоким требуемым уровнем безопасности является одной из основных задач отрасли железнодорожного транспорта, при решении которой необходимо учитывать как многокритериальную организацию самого перевозочного процесса, так и условия технической эксплуатации подвижного состава и инфраструктуры железных дорог.

В настоящее время для организации движения поездов, маневровой работы и обеспечения безопасности движения, железнодорожные станции оборудованы, в основном, различными системами релейной электрической централизации (ЭЦ), объектами управления и контроля которых являются:

- стрелки, электрические рельсовые цепи, светофоры и их совокупность;

- переезды, маневровые колонки или вышки;

- устройства УКСПС;

- средства оповещения работающих на путях и стрелочных переводах;

- устройства ограждения составов.

В уровне техники широко известны системы диспетчерского контроля и централизации («Сетунь», «Диалог», «Тракт», «Юг» и др.), создаваемые на базе средств релейной электрической централизации.

Данные централизации позволяют наравне с удаленным управлением контролировать соблюдение технологии перевозочного процесса и являются информационной основой для контроля технологической дисциплины.

Однако до сих пор процессы управления недостаточно сбалансированы между собой и кроме этого устройства автоматики нижнего уровня не всегда надлежащим образом связаны с системами ЖАТ верхнего уровня, обеспечивающими безопасность движения поездов (диспетчерской централизацией), и информационными системами (АСУ крупной станции и т.п.), а также с одноуровневыми системами ЖАТ (автоблокировка, полуавтоматическая блокировка), что снижает эффективность их применения.

Данные недостатки можно отнести к известным системам управления, контроля и диагностики перевозочных процессов на железных дорогах РФ и стран СНГ. Не всегда данные устройства выполнены с функцией контроля состояния объектов, диагностики технического состояния устройств, самодиагностики аппаратуры, протоколирования работы системы.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание системы микропроцессорной централизации, обеспечивающей управление, контроль и мониторинг процесса движения поездов с требуемым уровнем безопасности.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предложенной микропроцессорной системы централизации с маршрутными зависимостями МПЦ-ЭЛ, является выполнение функций централизации и блокировки стрелок и сигналов, обеспечение отображения состояния объектов контроля и управления автоматики нижнего уровня, формирование задач по управлению этими объектами в реальном масштабе времени при обеспечении автоматической взаимосвязи устройств автоматики нижнего уровня с верхними уровнями управления - дежурными по станции и инженерами СЦБ, что дает им возможность непосредственного управления и контроля объектами автоматики нижнего уровня, при упрощении системы, за счет использования типовых средств, уменьшения числа ЭВМ, принимающих решения в условиях реального движения поездов и маневровой работе, при реализации ее с переменным составом функциональных элементов, необходимых для создания требуемых конфигураций каналов ввода-вывода и реализации конкретных функций и задач, что значительно упрощает ее установку, наладку, адаптацию ко всем напольным и постовым устройствам и эксплуатацию без изменений управляемых объектов ЖАТ, что в целом позволяет использовать систему на железнодорожных станциях магистрального и промышленного транспорта любой конфигурации с высокой пропускной способностью станции и при выполнении необходимых условий безопасности движения.

К функциям централизации, выполняемым предложенной системой, относятся: дистанционное централизованное управление стрелками, светофорами и другими объектами напольного оборудования на железнодорожных станциях с целью организации движения поездов, а также контроль состояния технических средств, участвующих в процессе осуществления и управления движения поездов, выдача дежурному по станции (ДСП) оперативной, архивной и нормативно-справочной информации, а также формирование протоколов работы устройств (событий и состояний) и действий персонала, контроля состояния объектов железнодорожной автоматика и управления состоянием объектов, диагностики технического состояния устройств, самодиагностики аппаратуры, протоколирование работы системы, контроля и управления системой в диалоговом режиме, что значительно улучшает эксплуатационные показатели работы участков железных дорог, повышает безопасность движения поездов.

Применение микропроцессорной системы централизации МПЦ-ЭЛ позволяет организовать удаленное управление смежными станциями, а также реализовать функции систем интервального регулирования АБ, ПАБ, АЛСО.

Кроме этого система МПЦ-ЭЛ оборудуется средствами повышения киберзащищенности от несанкционированного доступа и проникновения вредоносных программ, что становится особенно актуально на сегодняшний день для всех компьютеризированных систем управления.

Микропроцессорная система централизации МПЦ-ЭЛ строится на основе управляющих компьютеров, что в совокупности с отечественным прикладным программным обеспечением, позволяет решать задачи обработки поездных, маневровых маршрутов со следующими технико-экономическими показателями:

1) сокращение материале- и энергоемкости станционной системы электрической централизации стрелок и сигналов;

2) сокращение капитальных вложений при строительстве и реконструкции ЭЦ за счет:

- уменьшения необходимых площадей, т.к. система может размещаться в модулях и децентрализовано;

- сокращение сроков и трудоемкости проектирования, объемов монтажа и пусконаладочных работ;

3) сокращение эксплуатационных расходов на содержание устройств и площадей;

4) сокращение потерь в перевозочном процессе за счет расширения функциональных возможностей;

5) повышения культуры труда оперативного и обслуживающего персонала.

Указанные технические результаты достигаются микропроцессорной системой централизации МПЦ-ЭЛ, строящейся с переменным составом функциональных элементов, в зависимости от решаемых задач, и состоящей из:

- компьютера централизации (ЦП), который состоит из, по меньшей мере, двух (основного и резервированного) процессорных модулей (каналов) с блоками питания и коммутации для каждого. При этом допускается увеличение производительности системы путем добавления дополнительных компьютеров централизации (ЦП);

- устройств ввода-вывода (УВВ) для сопряжения с устройствами управления и контроля объектами;

- устройств управления и контроля (УУК) объектами автоматики нижнего уровня - стрелками, светофорами и т.п.;

- устройств управления и контроля дежурного по станции (ДСП), который образует рабочее место - АРМ ДСП;

- устройств электропитания (УП);

- напольного оборудования (НО) объектов автоматики нижнего уровня (стрелок, светофоров, рельсовых цепей, переездов и т.д.);

- средств повышения киберзащищенности от несанкционированного доступа и проникновения вредоносных программ (КСПК-ЭЛ).

Комплекс устройств системы, кроме напольного оборудования, может располагаться как централизованно на посту ЭЦ, так и распределено, например, в транспортабельных модулях, в зависимости от примененных проектных решений и решаемых функциональных задач.

Микропроцессорная система централизации может масштабироваться путем подключения дополнительных рабочих мест, управляющих компьютеров и устройств управления объектами нижнего уровня, обеспечивая функции централизации по контролю и управлению стрелками, светофорами и другими объектами железнодорожной автоматики и телемеханики с соблюдением требований безопасности движения поездов в соответствии с принципами, принятыми в существующих устройствах интервального регулирования для объектов различного размера и технического оснащения.

Компьютер централизации (ЦП), который состоит из, по меньшей мере, двух процессорных модулей (каналов) - основного и резервного, обеспечивающих обработку логических зависимостей централизации при соблюдении требований безопасности движения поездов. При этом компьютер централизации обеспечивает контроль состояния и управление стрелками, светофорами и другими объектами автоматики нижнего уровня станции и прилегающих перегонов с соблюдением требований безопасности движения поездов в соответствии с принципами, принятыми в существующих устройствах релейной ЭЦ.

Структура микропроцессорной централизации МПЦ-ЭЛ имеет трехуровневую структуру:

- верхний уровень является уровнем взаимодействия «оператор - система» и содержит автоматизированные рабочие места дежурного по станции и обслуживающего персонала, содержащие средства ввода команд для управления объектами железнодорожной автоматики и телемеханики, диагностики состояния объектов железнодорожной автоматики и телемеханики и обеспечивающие отображение состояния объектов контроля и управления, а также формирующие задачи по управлению объектами железнодорожной автоматики и телемеханики в реальном масштабе времени;

- уровень обработки информации содержит компьютер централизации (ЦП) с горячим резервированием, обеспечивающий выполнение функций централизации с маршрутными зависимостями по состоянию объектов железнодорожной автоматики и телемеханики и/или управление стрелками, светофорами и другими объектами железнодорожной автоматики и телемеханики;

- нижний уровень управления и контроля объектами железнодорожной автоматики и телемеханики, состоящий из устройств управления и контроля.

На Фиг. 1 изображена общая схема структуры микропроцессорной системы централизации.

Архитектура технических средств системы микропроцессорной системы централизации МПЦ-ЭЛ представляет собой комплекс составных частей, позволяющий создавать любые конфигурации системы в соответствии с конкретным проектом станции, системы автоблокировки, или их комбинаций с последующей переконфигурацией при изменении путевого развития, в случае необходимости.

Время представления информации об изменениях состояния контролируемых объектов (от момента времени возникновения этого изменения до момента времени появления соответствующего отображения на экране монитора) не превышает 1,8 с.

Верхний уровень информационного обеспечения может содержать автоматизированное рабочее место дежурного по станции (АРМ ДСП) и, в случае необходимости, инженера СЦБ (АРМ ШН), серверы баз данных и приложений с функциями отображения процесса движения поездов, диагностики состояния объектов и нормативно-справочной информации, а также дополнительные устройства сопряжения с информационными Системами различного назначения. Диалоговая подсистема должна обеспечивать полное отображение информации и взаимодействие ДСП и инженеров СЦБ с системой, а также связь с вышестоящими системами.

Автоматизированные рабочие места дежурного по станции (АРМ ДСП) и инженера СЦБ (АРМ ШН) обеспечивают отображение состояния объектов контроля и управления, позволяют вести сбор и обработку диагностической информации о техническом состоянии устройств автоматики на станции, прогнозировать появление отказов и оптимизировать процесс технического обслуживания. Помимо этого АРМ ДСП формирует задачи по управлению объектами в диалоговом режиме, в реальном масштабе времени (без проверки зависимостей и условий безопасности - ответственные команды), а также ведение и чтение архива событий.

Ввод команд управления на всех АРМ ДСП осуществляется с помощью стандартных средств вычислительной техники (алфавитно-цифровой клавиатуры, манипуляторов типа «мышь»).

Контроль состояния объектов на станции и прилегающих перегонах и поездной ситуации осуществляется по изображению на мониторах.

Ввод команд управления производится с исключением несанкционированного доступа.

Системные блоки дежурного по станции (АРМ ДСП), инженера СЦБ (АРМ ШН) и связь с системами удаленного мониторинга организована с использованием оборудования Ethernet и протокола TCP/IP.

Допустимое время реакции системы на воздействия на устройства ввода информации АРМ (клавиатура, манипулятор) не превышает 0,5 с.

Общее время передачи команд управления от АРМ ДСП до исполнительных устройств не превышает 1 с.

Для повышения надежности работы системы можно использовать дополнительные АРМ ДСП. Тогда управление производится с одного из АРМ ДСП, находящегося в режиме управления, другой в этом случае находится в резерве. Для расширения функциональности системы могут быть организованы дополнительные рабочие места, например управления маневровыми районами, отдельными парками станции, табло коллективного пользования и т.п.

Команды с АРМ ДСП поступают и обрабатываются на уровне логической обработки информации компьютером централизации (ЦП), построенном на базе управляющего компьютера, который обеспечивает выполнение функций по централизации и блокировке стрелок и сигналов с целью обеспечения высокой пропускной способности станции при необходимых условиях безопасности.

ЦП представляет комплекс процессорных устройств, обеспечивающий установку, замыкание и размыкание маршрутов на станции при соблюдении требований безопасности движения поездов путем проверки выполнения требуемых взаимозависимостей программно-аппаратными средствами, с обеспечением горячего резервирования.

Управляющий компьютер выполнен на базе модулей существующего специализированного компьютера для реализации системы централизации.

Управляющий компьютер располагается на посту электрической централизации в релейном или отдельном помещении, или транспортабельном модуле.

Аппаратная часть управляющего компьютера размещается в 19'' компьютерных шкафах и состоит из следующих элементов и составных частей:

- 19'' крейт для установки модулей компьютера;

- модули источников питания компьютера;

- модули процессоров компьютера централизации;

- модули обмена данными и хранения информации;

- модули связи;

- коммутационные соединения.

Шкаф представляет собой металлический каркас со съемными боковыми стенками, выполненные из листовой стали. На переднюю и заднюю стороны устанавливаются двери из листового метала, передняя дверь компьютерного шкафа оборудована прозрачным смотровым окном.

В шкафу устанавливаются 19'' крейт для установки модулей компьютера, модули источников питания компьютера, модули процессоров компьютера централизации, модули обмена данными и хранения информации, модули связи, устройства защиты от перенапряжений, оборудование связи, коммутационные клеммы, элементы крепления коммутационных кабелей.

Процессорное ядро управляющего компьютера состоит из двух идентичных модулей и имеет структуру «два из двух» с диверсифицированным программным обеспечением и представлением данных.

Модули процессорного ядра выполняют обработку данных по алгоритмам технологического (логика обеспечения зависимостей централизации) и системного программного обеспечения.

На фронтовой панели модуля процессорного ядра располагаются органы локального управления, коммутации и индикации.

Структура «два из двух» представляет собой два независимых идентичных по конструкции и программному обеспечению, с учетом диверсификации, процессорных модуля, которые синхронизируются аппаратно-программным способом.

В каждый процессорный модуль вводятся идентичные данные с точки зрения логического представления, но диверсифицированные в своем физическом представлении.

Результаты обработки и промежуточных вычислений в процессорных модулях сравниваются в двух независимых каналах, и принимается решение о выдачи команды на устройства управления.

Проверка каналов проводится циклически, в фоновом режиме. При расхождении результатов работы процессорных модулей или обнаружении сбоев диагностики процессорные модули переводятся в безопасный режим, а система переходит на работу комплекта, находившегося в горячем резерве. При этом время переключения составляет не более 0,6 секунды.

Такая структура процессора централизации позволяет сохранять полнофункциональную работоспособность управляющего компьютера даже при выходе из строя одного процессорного модуля, а также выявить и отключить неисправный процессорный модуль по результатам вычислений в процессе их сравнения.

Управляющие воздействия в системе МПЦ-ЭЛ осуществляются через подсистему управления и контроля объектами автоматики нижнего уровня - уровень безопасного интерфейса ввода/вывода, выполненного в виде устройств ввода/вывода (объектных контроллеров), которые обеспечивают непосредственное управление и контроль объектами автоматики нижнего уровня (стрелочные переводы, светофоры, релейные интерфейсы и т.п.).

Устройства ввода/вывода являются специализированными контроллерами, с диверсифицированным программным обеспечением, для непосредственного управления аппаратурой нижнего уровня. Существует три типа устройств ввода/вывода для: управления/контроля стрелочных приводов, управления/контроля светофорами и управления/контроля релейных элементов.

Для получения достоверной информации о состоянии объектов, которые непосредственно влияют на безопасность движения поездов и управления ими, применена двухканальная диверсифицированная схема ввода данных (двухканальный вход с представлением информации с применением модифицированного кода Хемминга).

Реализация принципа заключается в том, что при считывании информации с входов модуля анализируется состояние обоих входов двуканального входа.

Каналы должны представлять информацию в соответствии с принципами диверсификации, в противном случае вход считается неисправным.

При двухканальном управлении команда воспринимается только при корректном приказе управления, полученном от двух каналов управления одновременно.

Источники питания системы запитываются от первичного источника переменного т.ока (УП), обеспечивающего выбор фидера питания, и аварийного питания при пропадании входного напряжения на фидерах.

Программное обеспечение МПЦ-ЭЛ содержит данные о путевом развитии станции, алгоритмы и программы, реализующие функции системы. Технические алгоритмы и процедуры, составляющие математическое обеспечение системы, не зависят от путевого развития станции. Привязка математического обеспечения к конкретной станции выполняется в процессе проектирования, на уровне технологического объектно-ориентированного ПО.

Обмен данными в системе и вне ее происходит посредством технических средств АРМ, в состав которых могут входить:

- АРМ дежурного по станции (с резервированием);

- АРМ инженера СЦБ.

АРМ ДСП или выделенный сервер содержит архивный сервер приложений и баз данных, предназначенный для контроля за технологическим процессом на станции.

Обмен информацией с компьютером централизации (ЦП) осуществляется через сеть TCP-IP. Для защиты информации от искажений и поддержания целостности структур данных в случае непредвиденных помех используется подсчет контрольной суммы по алгоритму CRC-8, CRC-16 и учет порядковых номеров всех входящих и исходящих пакетов.

Используя сеть TCP-IP микропроцессорная система централизации МПЦ-ЭЛ имеет возможность организации взаимодействия с соответствующими программно-аппаратным средствами ЖАТ верхнего уровня, обеспечивающими безопасность движения поездов (диспетчерской централизации), информационными системами (АСУ крупной станций и т.п.), а также с одноуровневыми СЖАТ - автоблокировкой, полуавтоматической блокировкой. Для обеспечения требований информационной безопасности внешние системы должны подключаться через устройства комплексной системы повышения киберзащищенности (КСПК-ЭЛ), обеспечивающей требования информационной безопасности и соответствующей требованиям безопасности движения поездов.

В маршрутном режиме управления микропроцессорная система централизации обеспечивает установку поездных и маневровых маршрутов, открытие светофоров, ограждающего данный маршрут, при обеспечении всех условий безопасности путем проверки необходимых взаимозависимостей и взаимного замыкания стрелок и светофоров.

В режиме индивидуального управления система обеспечивает индивидуальное управление" объектами (стрелки, светофоры и т.д.) с проверкой всех зависимостей, относящихся к данному объекту.

Программное обеспечение МПЦ-ЭЛ содержит всю необходимую информацию по выполнению взаимозависимостей и привязке к конкретному объекту.

Изобретение относится к железнодорожной автоматике для управления движением поездов. Система включает компьютер централизации (ЦП), который состоит из двух основного и резервированного процессорных модулей с блоками питания и коммутации для каждого, с возможностью увеличения производительности системы путем добавления дополнительных компьютеров централизации (ЦП); устройства ввода-вывода (УВВ) для сопряжения с устройствами управления и контроля объектами; устройства управления и контроля (УУК) объектами автоматики нижнего уровня; устройства управления и контроля дежурного по станции (ДСП), который образует рабочее место - АРМ ДСП; устройства электропитания (УП); напольного оборудования (НО) объектов автоматики нижнего уровня; средства повышения киберзащищенности от несанкционированного доступа и проникновения вредоносных программ (КСПК-ЭЛ). Достигается обеспечение автоматической взаимосвязи устройств автоматики нижнего и верхнего уровня. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микропроцессорная система централизации стрелок, сигналов и объектов железнодорожной автоматики и телемеханики с маршрутными зависимостями и индивидуальным управлением, характеризующаяся переменным составом функциональных элементов и состоящая из по меньшей мере одного автоматизированного рабочего места дежурного, содержащего средства отображения состояния и ввода команд управления стрелками, сигналами и объектами железнодорожной автоматики и телемеханики в реальном масштабе времени, управляющего вычислительного компьютера, который соединен с автоматизированным рабочим местом дежурного, при этом процессорное устройство под управлением операционной системы реального времени выполняет функции централизации, обработки данных и формирует команды управления стрелками, светофорами и объектами железнодорожной автоматики и телемеханики, и устройств ввода-вывода для сопряжения управляющего компьютера с объектами железнодорожной автоматики и телемеханики, электронных устройств управления и контроля, осуществляющих непосредственный контроль и управление объектами нижнего уровня локальной железнодорожной автоматики и телемеханики, где управляющий компьютер содержит процессорное ядро, состоящее из идентичных процессорных модулей, отличающаяся тем, что

- архитектура технических средств выполнена с возможностью создавать любые конфигурации системы в соответствии с конкретным проектом станции, системы автоблокировки или их комбинаций с последующей переконфигурацией;

- время представления информации об изменениях состояния контролируемых объектов от момента времени возникновения этого изменения до момента времени появления соответствующего отображения на экране монитора не превышает 1,8 с;

- процессорное ядро управляющего компьютера имеет структуру «два из двух» и представляет собой два независимых идентичных по конструкции и программному обеспечению, с учетом диверсификации, процессорных модуля, которые синхронизируются аппаратно-программным способом;

- получение достоверной информации о состоянии объектов, которые непосредственно влияют на безопасность движения поездов, и управление ими осуществляется с применением двухканальной дивесифицированной схемы ввода данных;

- для защиты информации от искажений и поддержания целостности структур данных, в случае непредвиденных помех, выполняется подсчет контрольной суммы по алгоритму CRC-8, CRC-16 и учет порядковых номеров всех входящих и исходящих пакетов,

- а для обеспечения требований информационной безопасности все внешние системы должны подключаться через устройства комплексной системы повышения киберзащищенности (КСПК-ЭЛ), обеспечивающей требования информационной безопасности и соответствующей требованиям безопасности движения поездов.

2. Микропроцессорная система централизации по п. 1, отличающаяся тем, что система может масштабироваться путем подключения дополнительных рабочих мест, управляющих компьютеров и устройств управления объектами нижнего уровня, обеспечивая функции централизации по контролю и управлению стрелками, светофорами и объектами железнодорожной автоматики и телемеханики с соблюдением требований безопасности движения поездов в соответствии с принципами, принятыми в существующих устройствах интервального регулирования для объектов различного размера и технического оснащения.

3. Микропроцессорная система централизации по п. 1, отличающаяся тем, что двухканальная дивесифицированная схема ввода данных представляет собой двухканальный вход с представлением информации с применением модифицированного кода Хемминга, при этом каналы должны представлять информацию в соответствии с принципами диверсификации, в противном случае вход считается неисправным.