Способ управления и диагностики тормозной системой поезда с применением технологии цифрового двойника и устройство для его реализации Российский патент 2024 года по МПК B60T17/22 G06N7/00 G05B17/02 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к устройствам для управления и диагностики тормозной системы поезда, и может использоваться на локомотивах всех марок и серий, осуществляющих тягу пассажирских и грузовых поездов.

Известна система управления тормозами поездов повышенного веса и длины [1], состоящая из локомотивного и вагонного полукомплектов оборудования, которые размещены соответственно в кабине локомотива и на свободной автосцепке хвостового вагона поезда. Каждый полукомплект состоит из антенно-фидерного устройства, фильтра, блока индикации, радиомодема, источника питания, пневмоблока, ЭВМ. Радиомодемы предназначены для передачи служебной информации команд по радиоканалу в режиме помехоустойчивого кодирования. В кабине локомотива установлен регулятор локомотивного торможения, определяющий режим управления тормозами по изменениям давления воздуха в тормозном оборудовании локомотива. Регулятор локомотивного торможения посредством кабелей соединен с пультом, радиомодемом и блоком сопряжения сигналов с системой автоматического управления тормозами. Технический результат заключается в обеспечении необходимой достоверности передачи служебной информации и команд по радиоканалу, автоматическое определение режимов управления пневматическими тормозами поезда и вида торможения, автоматическое управление пневматическими тормозами поезда с головы и хвоста поезда микропроцессорной системой управления локомотивом и(или) приборами безопасности, установленными в локомотиве. Основными недостатками системы является необходимость использования автономного оборудования с периферийной установкой на хвостовом вагоне, требующего дополнительного технического обслуживания и содержания системы, обеспечения стабильного питания, отсутствием алгоритмов диагностики тормозной системы, дополнительные ресурсы и трудоемкость внедрения в сквозной технологический процесс перевозок необходимых изменений.

Известно устройство для контроля плотности тормозной магистрали поезда [2], содержащее датчик давления в тормозной магистрали выходом соединенный с управляющим входом ключевого элемента, имеющего реле, выводами обмотки которого образован упомянутый управляющий вход, генератор импульсов, соединенный одним выходом с информационным входом ключевого элемента, информационный выход которого соединен с входом счетчика импульсов, соединенного с индикатором, задатчик давления в тормозной магистрали и исполнительный блок.

В устройстве после достижения минимальной величины давления включается компрессор, прекращается отсчет импульсов, запускается делитель, который выполняет операцию деления задаваемой пневматической характеристики на число отсчитанных импульсов, и полученный результат в виде числа вагонов выдается на индикатор. Эта информация используется для вычисления исправности тормозной сети поезда и используется при формировании поезда на станции.

Однако эта информация имеет погрешность в условиях эксплуатации при движении поезда, т.к. исходные данные берутся по паспорту вагона, а в реальных условиях утечки на каждом вагоне индивидуальны и существенно отличаются друг от друга (один вагон имеет нулевые утечки, а другой максимальные, граничащие с неисправностью, угрожающей безопасности движения). Кроме того, результат, выраженный в количестве вагонов, не несет информации о месте повреждения поезда.

Другой недостаток заключается в том, что устройство работает кратковременно лишь в момент включения компрессора и не позволяет судить о работе компрессора. Время индикации измеряется так быстро (1-2 с), что машинист может и не заметить показания индикатора, и в случае перекрытия концевых кранов при создавшейся аварийной ситуации машинист для подтверждения информации будет ждать следующего цикла индикации до 5 мин, а за это время поезд может стать неуправляемым.

Известна система управления и обеспечения безопасности движения тягового подвижного состава [3], включающая подсистемы автоведения поезда, автоматического управления служебным торможением и контроля безопасности движения, а также отдельные функциональные блоки, включающие блок датчиков пути и скорости движения, приемные устройства автоматической локомотивной сигнализации и спутниковой навигационной системы, устройство выявления неисправностей оборудования локомотива, систему датчиков давления в основных агрегатах пневматической тормозной системы локомотива, бортовые приемопередающие устройства радиосвязи, устройство контроля бодрствования машиниста, устройство визуализации информации машинисту и устройство регистрации информации с энергонезависимой памятью, причем подсистемы и функциональные блоки соединены общесистемным CAN интерфейсом, а каждая подсистема снабжена электронной базой данных собственных пороговых значений допускаемой скорости по координате движения поезда.

Недостатком является отсутствие обратной связи от периферийной части поезда, что в случае формирования и переформирования состава система не обеспечивает объективными значениями параметров тормозной сети и движения поезда с последующей адаптацией алгоритмов управления.

Отсутствует контроль пневматических процессов тормозной системы поезда на предмет истощения и скорости срабатывания в следствии чего система не достигнет целевых параметров качества автоматической системы управления в случае каких-либо изменений условий управления. Также отсутствуют алгоритмы диагностики состояния тормозной системы, что существенно снижает гарантии предсказуемого поведения поезда на запланированные управляющие воздействия.

Известна микропроцессорная система управления и диагностики локомотива, содержащая мониторный блок (МБ), предназначенный для отображения текущей информации об измеряемых параметрах локомотива и аварийных сообщений, блок центрального вычислителя (БЦВ), предназначенный для выполнения алгоритмов системы и для обмена по интерфейсу между мониторным блоком МБ и блоком центрального вычислителя БЦВ, блоки управления контакторами (БУК), предназначенные для управления электромагнитными и электропневматическими клапанами локомотива в соответствии с управляющими сигналами БЦВ и диагностики включаемых аппаратов, блоки связи с пультом (БСП), предназначенные для обработки сигналов, поступающих от органов управления локомотива, и обеспечивающие информационный обмен по интерфейсу с БЦВ, устройства входных сигналов (БВС), преобразователи напряжения в код (ПНКВ), предназначенные для преобразования постоянного напряжения в цифровой формат и передачи по интерфейсу результатов измерений, блок управления возбуждением (БУВ), предназначенный для измерения частоты вращения коленчатого вала дизеля по сигналу тахогенератора дизеля, для формирования напряжения возбуждения тягового генератора с помощью управления тиристорами управляемого выпрямителя, блок связи с датчиками давления (БС-ДД), предназначенный для преобразования сигналов с датчиков напряжения, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи их по интерфейсу в БЦВ, блоки связи с токовыми датчиками давления (БС-ДД-Т), предназначенные для преобразования сигналов с датчиков давления и температуры, установленных на локомотиве, в последовательный код и передачи его по интерфейсу в БЦВ, а также для обеспечения питания датчиков и диагностики нарушений их работы, блок связи с датчиками пути скорости (БС-ДПС-БЗС), предназначенный для преобразования импульсного сигнала с датчика пути скорости в цифровой код и передачи обработанных сигналов в БЦВ, отличающаяся тем, что мониторный блок выполнен с дополнительными функциями диагностики систем и аппаратов локомотива и всех блоков, входящих в микропроцессорную систему управления, сохранения архива параметров с возможностью последующего просмотра архива, при этом МПСУиД дополнительно содержит устройство взаимодействия с локомотивом посредством цифровой технологической радиосвязи (СВЛ-ТР), а устройства входных и выходных сигналов выполнены в виде блоков, при этом все блоки и устройства, входящие в МПСУиД, распределены группами по отсекам локомотива и связаны между собой в сеть по последовательному дублированному интерфейсу, при этом блоки ПНКВ соединены с БЦВ через блок управления возбуждением БУВ по отдельным каналам связи для сбора и передачи данных с ПНКВ в БЦВ.

Недостаток известного устройства состоит в том, что отсутствует алгоритм управления пневматическим торможением, и функционально не включена в процесс управления системой приборов безопасности с регистрацией и передачей параметров движения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Способ интеллектуальной диагностики тормозной сети поезда и устройство для его реализации» [5].

Недостатком данного способа является узкий спектр диагностических возможностей и низкая точность выявления заявленных неисправностей тормозной сети поезда.

Целью изобретения является повышение уровня безопасности движения поезда за счет сокращения времени определения тормозной системы поезда, автоматизации процесса определения неисправности тормозной системы поезда, а также более устойчивого автоматического управления автотормозами поезда.

Цель достигается тем, что управление реальным объектом осуществляется за счет управляющих воздействий системы автоматического управления на основе полученных данных о поезде путем расчетов состояний модели и измерений с датчиков, а диагностика основана на анализе отклонения ожидаемых параметров виртуальных датчиков от показаний реальных датчиков

Параллельно с управлением реальным объектом осуществляется дублирующая подача управляющих воздействий на модель тормозной системы поезда с высокой сходимостью (цифровой двойник) составленную с учетом информации о особенностях формирования состава и текущего профиля пути, загруженной в память бортового компьютера локомотива. Поведение поезда моделируется в режиме реального времени, что позволяет организовать виртуальную обратную связь с периферийной частью поезда, а диагностика основана на анализе отклонения ожидаемых параметров виртуальных датчиков от показаний реальных датчиков. Система контролирует отклонение подконтрольных параметров от заданных или критических значений, а также корректирует управляющее воздействия, определяет оптимальный режим работы тормозной системы и осуществляет вывод информации на дисплей.

Функциональная схема устройства представлена на рисунке 1 (функциональная схема устройства диагностики тормозной системы поезда с применением технологии цифрового двойника).

Система управления с моделью реального объекта с использованием базы данных о поезде (загрузка вагонов, тип вагонов, формирование поезда, информация о техническом состоянии) имеет блок прогноза поведения объекта (позволяет производить ускоренные расчеты, моделируя поведение поезда для предупреждения критических и аварийных ситуаций в зависимости от исходных, данных с датчиков и управляющих воздействий, вычисляя ключевые подконтрольные параметры для предупреждения машиниста или автоматической корректировки управляющего воздействия), блок реального времени (позволяет производить расчетные операции с моделью синхронно с процессами реального движения поезда). Устройство имеет блок корректировки управляемых возмущений системы, который позволяет на основе составленных прогнозов поведения предупреждать о критических значениях контролируемых параметров, из-за их возникновения, корректирует управляющие воздействия. Особенностью данного изобретения является то, что цифровой двойник получает управляющие воздействие параллельно с реальным объектом, а также в реальном времени производит расчеты поведения реального объекта и передает информацию на систему управления. При этом, на цифровом двойнике размещены два типа виртуальных датчиков: дублирующие и периферийные. Виртуальные датчики дублируются с реальными датчиками, расположенными на узлах поезда, показания дублирующих виртуальных датчиков не должны расходиться с показаниями реальных датчиков в процессе эксплуатации, а периферийные виртуальные датчики, располагаются на периферийной части цифрового двойника (периферийные виртуальные датчики могут размещаться на любых необходимых частях реального объекта или внутри частей, даже где размещение реального датчика технически невозможно). Дублирующие датчики используются для диагностики, в случае, если система фиксирует отклонение показаний виртуальных и реальных датчиков друг от друга, то по классификации неисправностей составленной на основе анализа эксплуатационных данных определяется вероятный вид отказа. Полученные данные с датчиков передаются на блок интерфейса и демонстрируются оператору (машинисту). Блок сравнения сигналов реальных и виртуальных датчиков выявляет отклонения показаний и на основе изменения данных передает информацию об этом в систему автоматического управления. Периферийные датчики используются в дополнение к дублирующим для построения обратной связи системы автоматического управления, а также информирования машиниста о состоянии периферийной части поезда.

В результате применения данного способа и устройства для его реализации:

1. Существенно повышается уровень безопасности движения поезда и сокращается время обнаружения неисправностей тормозной системы;

2. Прогнозирование состояния объекта позволяет избежать формирование управляющих воздействий, приводящих к критической величине продольно-динамических реакций, истощению тормозной сети поезда, образованию ползунов;

3. Позволяет формировать и демонстрировать оператору информацию о параметрах, состоянии и поведении периферийной части поезда;

4. Повышается энергоэффективность ведения поезда, за счет оптимального управления тормозами поезда.

Источники информации:

1. Патент РФ №2385247 МПК B61L 25/04, «Система управления тормозами поездов повышенного веса и длины», 2010.

2. Авторское свидетельство СССР №432024 кл. В60Т 17/22, 1970.

3. Патент РФ №2355596, МПК B61L 3/00, «Система управления и обеспечения безопасности движения тягового подвижного состава», 2009.

4. Патент РФ на полезную модель №116114, МПК B61L 29/00, «Микропроцессорная система управления и диагностики локомотива» 20.05.2012.

5. Пат. 2662295 Российская Федерация, МПК В60Т 17/22 «Способ интеллектуальной диагностики тормозной сети поезда и устройство для его реализации» 25.07.2018.

Группа изобретений относится к системам управления тормозами транспортных средств. Способ управления и диагностики тормозной системой поезда с применением технологии цифрового двойника заключающийся в том, что управление осуществляют реальным объектом за счет управляющих воздействий системы автоматического управления на основе полученных данных о поезде, параллельно осуществляют дублирующую подачу управляющих воздействий на цифровой двойник реального объекта, а диагностика основана на анализе отклонения ожидаемых параметров виртуальных датчиков от показаний реальных датчиков. Также заявлено устройство для управления и диагностики тормозной системой поезда с применением технологии цифрового двойника, состоящее из блока интерфейса и информации, блока сравнения виртуальных и реальных датчиков, системы автоматического управления, блока корректировки управляемых возмущений, блока прогноза поведения объекта, канала обратной связи, виртуальных и реальных датчиков, цифрового двойника, блока реального времени, которые реализованы на базе системы бортовых вычислительных устройств. Технический результат заключается в повышении уровня безопасности движения поезда. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления и диагностики тормозной системой поезда с применением технологии цифрового двойника заключающийся в том, что осуществляют управление реальным объектом за счет управляющих воздействий системы автоматического управления на основе полученных данных о поезде, параллельно с управлением реальным объектом осуществляют дублирующую подачу управляющих воздействий на цифровой двойник реального объекта, который в реальном времени производит расчеты поведения реального объекта, а диагностика основана на анализе отклонения ожидаемых параметров виртуальных датчиков от показаний реальных датчиков.

2. Устройство для управления и диагностики тормозной системой поезда с применением технологии цифрового двойника, состоящее из блока интерфейса и информации, блока сравнения виртуальных и реальных датчиков, системы автоматического управления (САУ), блока корректировки управляемых возмущений, блока прогноза поведения объекта, канала обратной связи, виртуальных и реальных датчиков, цифрового двойника, блока реального времени, которые реализованы на базе системы бортовых вычислительных устройств, при этом САУ выполнено с возможностью параллельно отправлять сигналы на органы управления и на цифровой двойник реального объекта, виртуально дублирующий поведение реального объекта в режиме реального времени, виртуальные датчики цифрового двойника через блок реального времени соединены с блоком сравнения виртуальных и реальных датчиков, образуя цифровой дублер канала обратной связи, блок сравнения виртуальных и реальных датчиков выполнен с возможностью проводить диагностику на основе цифрового двойника, заключающуюся в анализе отклонения реального поведения объекта от эталонного поведения вследствие неисправностей.