Методы и алгоритмы автоматизации синтеза взаимозависимостей положения стрелок и показаний светофоров в системах электрической централизации

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулирована цель исследования.
Первая глава содержит обзор современных достижений в предметной области диссертации. Рассмотрено понятие об электронной технической документации систем ЭЦ. Определено понятие «ошибка» для электронной документации и дана классификация ошибок. Приведена статистика проектных ошибок и их последствий, а также дано обоснование актуальности создания интеллектуальной системы автоматизированной экспертизы. На основе сформулированных выводов поставлены задачи исследования.
Во второй главе сформулированы требования к универсальному электронному формату технической документации (УЭФ ТД) на устройства ЖАТ (рис. 1).
Схематический план станции

Двухниточный план станции

Универсальный электронный формат технической документации
Схемы кабельных сетей

Принципиальные схемы
Монтажнные схемы
…
АРМ-ПТД
КАСПР АРМ-ВТД АСУ-Ш2 ЕК АСУИ
…
Рисунок 1. Взаимодействие различных информационных систем на основе универсального электронного формата данных
Предложены структура технической документации на устройства ЖАТ в УЭФ ТД на языке XML и метод ее реализации, позволяющий читать информацию из документа без ее преобразования и, при необходимости, расширять формат данных. Синтезировано описание цифровой модели ТВЗ в УЭФ ТД (рис. 2).
CASE системы разра ботчиков МПУ
Документ ТВЗ в УЭФ ТД
Элемент «Маршруты» обеспечивает описание всех возможных передвижений на станции с указанием сигнализации светофоров
Элемент «Замыкание Стрелок» обеспечивает описание условий всех вариантов негабаритностей стрелочно-путевых секций и охранностей стрелок на станции
Элемент «Замыкание КонтактнойСети» обеспечивает описание условий всех замыканий секций контактной сети для станций стыкования различного рода тока
Рисунок 2. Составляющие цифровой модели ТВЗ в УЭФ ТД
В данной главе также предложена структура данных электронной ТВЗ в УЭФ ТД, организованная в виде 5 элементов: «Маршруты», «Замыкание стрелок», «Замыкание контактной сети», «Список враждебностей», «Оповестительная сигнализация», что позволило определить состав и
требования к алгоритмам автоматизированного синтеза ТВЗ.
В третьей главе раскрывается разработанная соискателем методика
разделения процесса автоматизации построения ТВЗ на этапы, которая позволила выполнить автоматизированный синтез всех разделов ТВЗ (рис. 3).
Рисунок 3. Структурная схема системы автоматизированного построения ТВЗ
Алгоритмы синтеза ТВЗ используют цифровую модель топологии станции. В качестве цифровой модели топологии станции используется ориентированный
Элемент «Список Враждебностей» обеспечивает описание всех враждебностей для всех маршрутов
Элемент «Оповестительная Сигнализация» обеспечивает описание расчетов оповестительных сигнализаций
Модуль расчета параметров извещения на устройства с автоматической оповестительной сигнализацией
Модуль создания списка маршрутов
Модуль создания списка замыкания секций контактной сети
Модуль поиска охранных стрелок и негабаритных стрелочно-путевых секций
Схематический план станции
Модель схематического плана в формате УЭФ ТД
Модуль создания ТВЗ по формам И-325-15/1
Модель записи ТВЗ в формат УЭФ ТД

граф G1, вершины которого являются элементами схематического плана станции, а дуги представляют собой логические связи между этими элементами.
Граф G1 служит основой для графа второго уровня G2 – секционного графа, который состоит из вершин и дуг, описывающих стрелочные-путевые секции станции и изолирующие стыки соответственно. Таким образом, каждая вершина графа G2 представляет собой фрагмент графа G1. Принцип выделения графа второго уровня показан на рис. 4.
НГП
НГП
Светофор «Н»
ИС «Н»
ИС «Н»
НАП
НАП
Светофор «М1»
ИС «Н1»
ИС «М1»
ИС «М1»
Светофор «Н1»
Светофор «Ч2»
Стрелка «1»
IП
ИС «Ч2»
Стрелка «5»
ИС «Ч1»
Светофор «Ч1»
1-5СП
Рисунок 4. Выделение графа второго уровня из графа первого уровня
Алгоритм автоматизированного синтеза таблицы маршрутов с использованием цифровой модели топологии станции в виде ориентированного графа, разработанный на основе метода поиска в глубину, позволил обеспечить полноту и корректность поиска передвижений. В начале поиск выполняется по графу G2, в результате чего строится список графов, удовлетворяющих критериям поиска. Затем по полученным графам производится поиск путей их прохождения с учётом структуры графа G1.
Псевдокод алгоритма поиска передвижений:
1. Проход по всем вершинам v ∈ V.
2. Если вершина v не была ранее помечена, то для нее выполняется
S = S ∪ DFS(v,{x ∈ V ∶ T(x)},{x}).
Рассмотрим процедуру алгоритма DFS(u,Ve,M), где u – вершина, u ∈ V; Ve –
список вершин; M – список промежуточных результатов:
IП
ИС «Ч1»

1. Если u∈Ve , то M′ =M′ ∪{M} . Процедура оканчивается и возвращается M′.
2. Вершина u помечается.
3. Для всякой смежной u непомеченной вершины w рекурсивно
выполняем процедуру алгоритма DFS(w, M ∪ {w}).
Результатом применения алгоритма A( , ) → S является множество списков вершин графа секций маршрутов. Для дальнейшего раскрытия выполняется алгоритм B(S) → U:
1. Производится сворачивание списка S в список Z, где
Zi = DFS(cj, K, {cj}), где
cj ∈ {x ∈ Yi:P(cj)},i = 0, cj ∈ Yi ∩ Yi−1, i ≠ 0,
K = Yi ∩ Yi+1, i < |Y| − 1, {K = {x ∈ Yi: T(x)}, i = |Y| − 1. 2. Осуществляется поиск сочетания путей прохождения графов секций, участвующих в маршруте: U = (Z0p1Z1p1. . . p1Zn−1), где Ap1B = {x ∪ y: x ∈ A ∧ y ∈ B} Алгоритмы автоматизированного синтеза случаев дополнительного замыкания стрелок и негабаритных секций, а также таблицы взаимозависимости показаний разработаны с использованием метода поиска по шаблонам, что позволяет изменять шаблоны на уровне исходных данных без изменения алгоритмов. Алгоритм поиска дополнительного замыкания стрелок и негабаритных секций по шаблонам включает следующие шаги: 1. Создаётся пустое ассоциативное дерево Ti. 2. Добавляется пара ai как корневой лист дерева Ti. ai = (vs1,v2),e(vs1,v2), где v2 – любая вершина графа схематического плана G2 , vs1 – любая вершина графа шаблона Gs1, e(vi, vj) – предикат элемента шаблона equal. 3. Вызывается процедура Associative(ai, Ti). 4. Если число узлов дерева Ti равняется числу вершин графа G2 , то для любого узла pi дерева Ti следует добавить описанную шаблоном охранную стрелку в список дополнительного замыкания стрелок и негабаритных участков. Ниже приведено описание процедуры Associative (p, T), где p – параметр пара вершин (vs1, v2), T – ассоциативное дерево: 8  для каждой пары b = (v′s1, v′2), (∀b)e(v′s1, v′2), v′s1, v′2 – белые;  добавляем b в T как дочерний элемент p;  помечаем вершины v′s1 и v′2 серым;  рекурсивно вызываем Associative(b, T). Выше использованы следующие обозначения: v′s1 – смежная vs1 вершина, ∀v′s1, (vs1, v′s1) ∈ Es1 , v′2 – смежная v1 вершина, ∀v′2, (v2, v′2) ∈ E1 , Es1 – множество рёбер графа Gs1, E1 – множество рёбер графа G2. Предикат equal имеет полную сигнатуру equal(vs1, v2, signAttributes) и проверяет соответствие значений атрибутов элементов. В четвертой главе описаны принципы установки маршрутов и замыкания секций контактной сети на станции стыкования различного рода тягового тока. Они позволили организовать безостановочный пропуск двухсистемного электроподвижного состава. Принцип заключается в том, что при пропуске двухсистемного поезда в контактной сети организуется нейтральная вставка с помощью отключаемых секций контактной сети. При этом включаются маршрутный указатель с показанием «Опустить токоприемник» перед нейтральной вставкой и маршрутный указатель с показанием «Поднять токоприемник» после нейтральной вставки. Двухсистемный поезд проезжает нейтральную вставку на выбеге и переключается с одного вида тяги на другой. Минимальная скорость поезда захода на нейтральную вставку должна быть такая, чтобы поезд проехал маршрутный указатель «Поднять токоприемник» со скоростью не менее 10км/ч. Данный принцип работы станции стыкования позволяет увеличить маршрутную скорость поездов, проходящих через эти станции. Алгоритмы синтеза замыкания контактной сети на основе цифровой модели топологии станции в виде ориентированного графа первого уровня, разработанные на основе метода поиска в глубину, позволили обеспечить безопасный порядок замыкания секций контактной сети с учетом состояния изолированных участков пути. Поиск условий замыкания секций контактной сети выполняется путем сопоставления графа G3 с графом G2. Граф второго уровня G3 состоит из вершин и дуг, описывающих секции контактной сети станции и секционные изоляторы соответственно. Начало Загрузка списка маршрутов S1 и списка замыкания контактной сети из файла формата УЭФ ТД Все рельсовые цепи в маршруте имеют параметр Электрификация=«Постоянного тока» или «Переключаемая»? нет i=1 Выбор i-го маршрута Запись маршрута в список S2 с параметра Электрификация=«Автономный». У маршрутного указателя электрификации устанавливается параметр Показание=«» да да Рисунок 5. Блок-схема алгоритма поиска маршрутов для станции стыкования Все рельсовые цепи в маршруте имеют параметр Электрификация=«Переменного тока» или «Переключаемая»? нет да i n нет Конец Выбор из списка замыкания контактной сети секций контактной сети, имеющие рельсовые цепи, входящие в маршрут. Данные секции контактной сети добавляются в маршрут с параметром ПоложениеПереключателя=«=». Если секция контактной сети принадлежит любому из пунктов переключения, то добавляется у данной секции параметр ПоложениеОтключателя=«Вкл». Выбор из списка замыкания контактной сети секций контактной сети, имеющие рельсовые цепи, входящие в маршрут. Данные секции контактной сети добавляются в маршрут с параметром ПоложениеПереключателя=«=». Если секция контактной сети принадлежит любому из пунктов переключения, то добавляется у данной секции параметр ПоложениеОтключателя=«Вкл». Запись маршрута в список S2 с п арам етр ом Эле ктрифика ция=«Пос тоянного тока». У маршрутного указателя электрификации устанавливается параметр Показание=«Э» Запись маршрута в список S2 с п арам етр ом Эле ктрифика ция=«Переменного тока». У маршрутного указателя электрификации устанавливается параметр Показание=«Э» i=i+1 Поиск из списка S2 маршрутов безостановочного пропуска двухсистемных поездов Запись списка S2 в файл ТВЗ в формате УЭФ ТД в элемент «Маршруты» вместо списка S1 10 Алгоритм синтеза маршрутов для станции стыкования, построенный на основе совмещения списка маршрутов, полученного по алгоритму поиска передвижений, со списком замыкания секций контактной сети, позволил сформировать раздельно списки маршрутов для автономной тяги, электротяги переменного тока, электротяги постоянного тока, безостановочного пропуска двухсистемных поездов (рис. 5). В пятой главе предложено при проведении проверки технической документации вести электронный журнал испытаний, который включает в себя необходимые для конкретной станции таблицы испытаний и может хранить в себе эталонные значения проверок. Данный журнал может также использоваться при проведении пусконаладочных работ. Обоснованы требования к разделам и к составу таблиц ЭЖИ на основе действующей нормативной документации. Предложены алгоритмы синтеза таблиц предварительных испытаний, индивидуальных испытаний «вхолостую» и испытаний при комплексном опробовании, которые позволили полностью автоматизировать синтез структуры ЭЖИ (рис. 6). База шаблонов таблиц проверок Формирование модели станции Шаблоны предварительных испытаний Шаблоны индивидуальных испытаний «вхолостую» Шаблоны испытаний и измерений показателей при комплексном опробовании Заполнение шаблонов таблиц с результатами предварительных испытаний Заполнение шаблонов таблиц с результатами индивидуальных испытаний «вхолостую» Рисунок 6. Структурная схема процесса формирования таблиц ЭЖИ В данной главе диссертации предложена схема цифровой модели функциональной проверки проектов системы ЭЦ в УЭФ ТД (рис. 7). Выбор необходимых шаблонов таблиц испытаний и проверок Заполнение шаблонов таблиц и актов с результатами испытаний при комплексном опробовании САПР ЭЦ Схематический план станции Система функциональной экспертизы проекта Цифровая модель проекта Цифровая модель движения поездов по станции по правилам, описанным в ПТЭ Двухниточный план станции Принципиальные электрические схемы Стрелки, Рельсовые светофоры цепи Кабельные сети Цифровая модель функционирования проекта Монтажные электрические схемы Прикладное программное обеспечение ТВЗ Хвх Zвых Электронный журнал испытаний (Цифровая модель экспериментов с системой ЭЦ) ЭЖИ Список маршрутов, элементов маршрутов, взаимозависимость стрелок, светофоров и маршрутов Список функциональных проверок системы ЭЦ при задании, реализации, отмены и размыкания маршрутов Рисунок 7. Структурная схема цифровой модели функциональной экспертизы проектов на системы электрической централизации ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе получены следующие основные результаты: 1. Установлено, что большого количества ошибок в проектах ЖАТ можно избежать при развитии и внедрении эффективных систем автоматизированного проектирования и автоматизированной экспертизы проектных решений. 2. Установлено, что для информационной совместимости различных задач в хозяйстве автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» необходима формализация представления проектной документации – создание УЭФ ТД. 3.Предложена структура данных электронной ТВЗ в УЭФ ТД, представленная в виде пяти элементов. Определены состав и требования к алгоритмам автоматизированного синтеза ТВЗ. 4. Алгоритм автоматизированного синтеза таблицы маршрутов с использованием цифровой модели топологии станции в виде ориентированного графа, разработанный на основе метода поиска в глубину, позволил обеспечить корректность и полноту множества возможных маршрутов. Типовые методики испытаний системы ЭЦ 5. С использованием метода поиска по шаблонам разработаны алгоритмы автоматизированного синтеза случаев дополнительного замыкания стрелок и негабаритных стрелочно-путевых участков и таблицы взаимозависимости показаний. При этом обеспечивается корректировка шаблонов на уровне исходных данных без изменения алгоритмов. 6. Отдельным типом станции является станция стыкования различного рода тока, особенности зависимостей системы ЭЦ которой ранее нигде не были описаны. На таких станциях ЭЦ дополнительно контролирует вид тока (постоянный или переменный) в контактной сети. Предложен метод формализации ТВЗ стаций стыкования, основанный на формировании графа второго уровня элементов контактной сети. 7. Экспериментальные исследования показали, что использование предложенных методов и алгоритмов автоматизированного синтеза ТВЗ позволяет повысить производительность труда в 10-12 раз. 8. Проведение проверки технической документации требует вести ЭЖИ, который должен включать в себя необходимые для конкретной станции таблицы испытаний и может хранить в себе эталонные значения проверок. Данный журнал может также использоваться при проведении пусконаладочных работ. Предложенные алгоритмы синтеза таблиц ЭЖИ обосновывают полноту необходимых проверок для экспертизы тем, что они разработаны на базе типовых методик испытаний на конкретную систему ЭЦ, которые описывают необходимый и достаточный перечень испытаний. 9. Разработанная схема цифровой модели для функциональной проверки проектов систем ЭЦ на базе УЭФ ТД позволяет выполнить проверку технической документации проекта на соответствие нормативной документации и проверить работоспособность схемных решений.