ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

FORMATION OF REQUIREMENTS FOR THE INFORMATION-MEASURING AND CONTROL SYSTEM FOR MONITORING THE PARAMETERS OF THE RAILWAY TRACK

Dmitriy Roshchin

Candidate of Science, Senior Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

На основе анализа нормативно-технической документации сформированы требования к информационно-измерительной и управляющей системе, разрабатываемой в целях повышение точности и оперативности контроля пространственных параметров верхнего и нижнего строения железнодорожного пути. Определена иерархическая структурная схема обработки информации о состоянии железнодорожного пути. Сформированные требования должны учитываться в дальнейшем при разработке концепции информационно-измерительной и управляющей системы.

ABSTRACT

Based on the analysis of regulatory and technical documentation, the requirements for the information-measuring and control system developed in order to improve the accuracy and efficiency of monitoring the spatial parameters of the upper and lower structure of the railway track are formed. A hierarchical structural scheme for processing information about the state of the railway track is defined. The formed requirements should be considered in the future when developing the concept of an information-measuring and control system.

Ключевые слова: информационно-измерительная и управляющая система; контроль параметров; железнодорожный путь; рельсовая колея.

Keywords: information-measuring and control system; parameter control; railway track; track gauge.

Формирование требований к информационно-измерительной и управляющей системе (ИИУС) осуществляется в соответствии с нормативными документами на создание автоматизированных систем (ГОСТ Р 59793–2021) и происходит на предпроектной стадии её разработки. Разрабатываемая ИИУС предназначена для решения задач связанных с измерением параметров железнодорожного (ж.-д.) пути, характеризующих положение рельсовых нитей в профиле, плане, по уровню и по ширине колеи, а также для измерения параметров формы и положения земляного полотна железной дороги в пространстве. Для разработки ИИУС необходимо определить ее назначение, состав, принцип действия, а также сформировать основные требования, предъявляемые к системе в целом и к отдельным элементам в частности.

Контроль параметров ж.-д. пути предполагает применение сложных систем с большим количеством измерительных каналов, что предъявляет повышенные требования к метрологическим характеристикам этих каналов, поскольку необходимо учитывать влияние не только всех включенных в измерительный канал блоков, но и временные влияния каналов друг на друга [1]. К перечню задач информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), обеспечивающей контроль параметров ж.-д. пути, относится:

• получение первичной измерительной информации о геометрических размерах и координатах отдельных элементов ж.-д. пути;
• преобразование измерительной информации в форму удобную для дальнейшей обработки;
• определение параметров ж.-д. пути;
• выработка управляющего сигнала для изменения контролируемых параметров.

Обобщенная схема передачи информации от ж.-д. пути к ИИУС представлена на рисунке 1. Состояние ж.-д. пути характеризуется большим количеством параметров, которые необходимо определять с большой скоростью. Для получения информации о параметрах ж.-д. пути, необходимо провести комплексные измерения физических величин, определяющих его характеристики. Затем с помощью известных функциональных зависимостей между измеряемыми величинами расчетным путем определить требуемые параметры. В случае выхода значений параметров за диапазон допустимых значений формируется управляющий сигнал для последующего воздействия на ж.-д. путь с целью приведения его параметров к допустимым значениям.

Рисунок 1. Схема передачи информации от ж.-д. пути к ИИУС

Согласно ГОСТ Р 8.596-2002, все компоненты в составе ИИУС подразделяются функционально на измерительные, связующие, вычислительные, информационные, управляющие и вспомогательные. Измерительные функции выполняются средствами измерений (измерительный прибор, измерительный преобразователь мера и т.п.). Вычислительный компонент представляет собой цифровое вычислительное устройство (или его часть) совместно с программным обеспечением, выполняющее функцию обработки (вычисления) результатов измерений, а также управление работой ИИУС. Компонент управления производит выработку управляющих воздействий и выдачу командной информации, реализуя функции телемеханики для объекта управления. Связующий компонент ИИУС (проводная линия связи, радиоканал и т.п.) предназначен для передачи с минимально возможными искажениями информации между компонентами ИИУС. Вспомогательный компонент ИИУС представляет собой техническое устройство (блок питания, система вентиляции и т.п.), обеспечивающее нормальное функционирование ИИУС, но не участвующее непосредственно в измерительных преобразованиях. Все компоненты ИИУС функционируют как единое целое и обеспечивают:

• получение информации о состоянии ж.-д. пути с помощью измерительных преобразований множества, изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин;
• машинную обработку результатов измерений;

• регистрацию и индикацию результатов измерений и параметров, а также преобразование этих данных в выходные сигналы системы;
• выработку управляющих сигналов для воздействия на ж.-д. путь.

Создание новых высокоэффективных ИИУС возможно на основе применения инновационных структурно-алгоритмических принципов их построения, снижения габаритов, массы средств измерений и потребляемой ими электрической энергии, повышения точности, производительности и расширения диапазонов измерений, совершенствования методик, автоматизации методов обработки и протоколирования результатов измерений [2]. Бортовое исполнение ИИУС, даже без повышенной степени автономии, накладывает ограничения как на энергетику, массово-габаритные характеристики, так и на вычислительные ресурсы, которые могут быть задействованы в реализации алгоритмического обеспечения ИИУС. При этом требуется интеграция и учёт особенностей аппаратного обеспечения всех уровней системы управления [3].

Одно из главных требований к ИИУС заключается в обеспечении выполнения своих функций в режиме реального времени. Под реальным временем понимается такая производительность ИИУС, при которой время, в течение которого показания датчиков измерительной системы актуальны, а реакция системы управления заканчивается до того, когда эти показания перестанут быть актуальными. Данное требование накладывает жёсткие ограничения на допустимое время анализа получаемой информации и формирование управляющего сигнала. Организация обработки информации и управления в реальном времени возможна только при реализации в системе управления распределённых вычислений по аналогии с мультиагентными системами [4].

ИИУС может быть представлена в виде мультиагентной системы, состоящей из полнофункциональных электронных модулей – агентов, взаимодействующих друг с другом для достижения определённой цели. Модульная архитектура предполагает наличие в каждом модуле собственной измерительной и управляющей системы, реализованной на встраиваемых системах – относительно дешёвых микроконтроллерах. Модульное решение позволяет существенно снизить себестоимость ИИУС и реализовать её оперативное реконфигурирование. Межмодульное информационное и управляющее взаимодействие в этом случае организуется по иерархическому принципу – группа полнофункциональных модулей и субмодулей, работающих совместно над решением измерительных задач, и управляются модулем, расположенным на более высоком уровне иерархии. В этой иерархической структуре ИИУС прослеживается аналогия с такими направлениями научных исследований в области информационных технологий, как распределенные информационные системы, компьютерные сети, методы искусственного интеллекта, объединенные под общим названием «Многоагентная система» [5].

Повышение точности измерений может достигаться за счет введения в средства измерений встроенных калибраторов (мер) электрических величин (напряжения, тока, частоты, сопротивления и т.д.) для периодической или непрерывной подстройки (градуировки) применяемых средств измерений по результатам тщательных исследований метрологических характеристик отдельных их компонентов и схемно-конструктивных решений этих средств измерений. Обеспечение возможности введения в средства измерений поправочных множителей на известные систематические погрешности для их исключения или снижения [6]. Важным аспектом для функционирования измерительных систем также является проблема информационного отбора [2].

Разработка ИИУС состоит из нескольких стадий [7]: формирование целей и функций, разработка концепции; математическое моделирование работы системы; разработка подсистемы управления; построение кинематической схемы и т.д. В ходе сбора и анализа требований формулируются цели, для достижения которых разрабатывается система, и задачи, которые она должна решать для достижения поставленных целей. Формулировка функций и целей выражается, как в качественном, так и количественном виде. После завершения формулировки целей дается количественное описание функций, которые должна выполнять ИИУС и её подсистемы.

Конечной целью разработки ИИУС является повышение точности и оперативности контроля пространственных параметров ж.-д. пути. Согласно ГОСТ Р 57656-2017 пространственные данные – это данные о пространственных объектах, включающие сведения об их форме, местоположении и свойствах, в том числе представленные с использованием координат. Под параметром, в технике, подразумевается величина, характеризующая какое-либо свойство объекта измерения, например, масса, плотность, длина, форма поперечного сечения и т.д. Количественное выражение свойств ж.-д. пути задается физическими величинами. Соответственно, пространственные параметры ж.-д. пути – это физические величины, характеризующие его свойства, представленные с использованием координат.

В геометрии под параметрами принято понимать признаки (положение в пространстве, форму, величину), позволяющие однозначно выделить из множества однотипных объектов, соответствующих одному и тому же определению, подмножество или единственный объект. Все геометрические параметры объектов подразделяются на параметры положения и параметры формы. Под параметрами положения ж.-д. пути следует понимать параметры, однозначно определяющие его положение в пространстве. Параметры формы однозначно определяют форму ж.-д. пути. Например, в соответствии с Инструкцией по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи МПС РФ № ЦП-515 от 14.10.1997 параметрами рельсовой колеи являются: ширина колеи, положение рельсовых нитей по уровню, просадки рельсовых нитей, положение пути в плане с привязкой к координатам участка ж.-д. пути. Также, согласно Инструкции №436/р по оценке состояния рельсовой колеи от 28.02.2020, параметры, характеризующие положение рельсовых нитей в профиле, плане, по уровню и по ширине определяют ГРК.

В ГОСТ 21778-81 установлены основные положения по обеспечению точности геометрических параметров рельсовой колеи. Точность геометрического параметра, представляющего собой случайную величину, определяют характеристиками точности. При этом точность угловых величин характеризуется точностью линейных размеров, которыми определяются эти величины. Точность геометрических параметров на всех этапах строительного проектирования и эксплуатации устанавливается в зависимости от функциональных, конструктивных, технологических и экономических требований, предъявляемых к ж.-д. пути и его отдельным элементам. Правила контроля, в том числе геометрические параметры, выбранные для контроля, средства, методы, условия и число проводимых измерений, а также правила обработки их результатов должны обеспечивать необходимую точность и сопоставимость результатов определения действительных значений параметров ж.-д. пути, установленными в нормативно-технической документации.

Метрологические характеристики ИИУС во многом зависят от фотоприёмного устройства, лежащего в её основе. Основными параметрами, характеризующими фотоприёмное устройство, являются тип ПЗС-матрицы, пространственное и временное разрешение фотоприемников на матрицах ПЗС, а также динамический диапазон [8]. Во многих случаях главным требованием, предъявляемым к оптической системе, является ее способность обеспечивать высокое разрешение. Например, кинетика исследуемого процесса требует получения изображений со скоростью видеорежима и с умеренным разрешением. Полнокадровые камеры с медленной разверткой не обеспечивают высокое разрешение в режиме видеосъемки. Для формирования одного кадра, в случае большой матрицы пикселей, требуется около одной секунды, в зависимости от скорости работы и разрядности цифро-аналогового преобразователя.

Пространственное разрешение оптоэлектронного устройства для формирования изображений напрямую связано с размерами пикселей. Современные технологии позволили существенно уменьшить пиксели фотоприемников на ПЗС, не ухудшая другие их рабочие характеристики. Существуют ПЗС-камеры научно-исследовательского класса, с построчным переносом и размером пикселей менее 5 мкм, оснащенных объективами с большим увеличением, что делает их пригодными для получения изображений с высоким разрешением. В том случае, когда требуется сохранить пространственное разрешение оптической системы, важным критерием выбора цифровой камеры становится взаимосвязь размеров фотоэлемента и оптического разрешения.

Для определения адекватности размера пикселей фотоприемника разрешающей способности оптической системы используется критерий Найквиста. Согласно теореме Найквиста, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения, наименьший радиус дифракционного кружка, который создается оптической системой, должен измеряться, минимум, двумя пикселами матрицы формирования изображения. При такой частоте дискретизации критерий Найквиста удовлетворяется даже с использованием бининга 2х2 пиксела [9].

На основе анализа существующих средств измерений линейных и угловых величин, а также путем обоснования целесообразности реализации технологии компьютерного зрения в координатно-измерительной системе [10], были определены следующие основные требования, предъявляемые к ИИУС в целом и к ее функциональным возможностям, в частности:

• разрабатываемая система должна решать координатно-измерительные задачи с точностью измерений, не уступающей геодезическим приборам и при этом обеспечивать высокую скорость измерений и функциональность фото-видеограмметрических систем;
• система должна обладать возможностью автоматического поиска и обнаружения объекта измерения или визирной цели в зоне прямой видимости, отслеживать перемещение в пространстве и определять его координаты в реальном времени;
• технические и метрологические характеристики системы должны определятся характеристиками входящих в ее состав компонентов;
• для разработки системы необходимо осуществить подбор или изготовление таких компонентов, которые будут удовлетворять заданным требованиям и при этом обеспечивать слаженное взаимодействие в составе измерительной системы.

Сформированные требования будут учтены в дальнейшем при разработке концепции ИИУС. Остальные требования к другим видам обеспечения (информационному, техническому, программному и т.д.) будут сформированы на последующих стадиях разработки ИИУС.

Список литературы:

1. Парахуда Р.Н., Литвинов Б.Я. Информационно-измерительные системы: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2002, – 74 с.
2. Колтик Е.Д., Литвинов Б.Я. Технологии и системы получения информации в метрологии // Датчики и системы. – 2002, № 10. – С. 21-22.
3. Соколов С.М., Богуславский А.А., Романенко С.А. Реализация алгоритмов обработки зрительных данных на бортовых вычислительных ресурсах // Робототехника и техническая кибернетика. – 2021. – Т. 9. – № 2. – С. 106-111. doi:10.31776/RTCJ.
4. Андреев В.П., Кувшинов С.В., Раев О.Н. Проблемы трёхмерного восприятия окружающего пространства мобильными роботами // Запись и воспроизведение объёмных изображений в кинематографе, науке, образовании и в других областях : Материалы и доклады XIII межд. научно-практ. конф., Москва, 15–16 апреля 2021 года. – Москва: ООО "ИПП "КУНА", 2021.
5. Андреев В.П. Система управления модульных мобильных роботов как мультиагентная система с пирамидальной топологией // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2020. – № 3(207). – С. 41-54. doi:10.17213/1560-3644-2020-3-41-54.
6. Колтик Е.Д., Синяков А.И., Федоров А.М. Инноватика в современной метрологии электрорадиоэлектроники // Компетентность. – 2009. – № 3(64). – С. 19-21.
7. Кревченко Ю.Р., Шайхутдинов Д.В. Проектирование измерительных приборов и систем: учеб. пособие. – Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова, 2015. – 283 с.
8. Бокшанский В.Б., Карасик В.Е. Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью: Учебно-методическое пособие. – М.: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2002. – 52 с.
9. Источники шумов в ПЗС-камерах URL: https://www.microsystemy.ru/info/articles/istochniki-shumov-v-pzs-kamerakh.
10. Рощин Д.А. Формирование требований для разработки следящей оптической координатно-измерительной системы // Научный поиск в современном мире. – Махачкала: Общество с ограниченной ответственностью "Апробация", 2016. – С. 21-26.
11. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Стадии создания. // ГОСТ 34.601 – 90, 1990.
12. РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2008. – 91 c.
13. Антипов В. А. Начертательная геометрия: курс лекций. – Самара: СамГАПС, 2005. – 64 с.
14. Котов И.И., Полозов В.С., Широкова Л.В. Алгоритмы машинной графики. – М.: Машиностроение, 1977. – 231 с.
15. Тевлин А.М., Иванов Г.С., Нартова Л.Г., Полозов В.С. Курс начертательной геометрии на базе ЭВМ. – М.: Высшая школа, 1983. – 175 с.
16. Полозов В.С., Широкова Л.В. Структурно-лингвистический подход в применении к начертательной геометрии и инженерной графике // Прикладная геометрия и инженерная графика. – 1990. – Вып. 50. – С. 65-70.
17. Четверухин Н. Ф. и др. Начертательная геометрия. – М., 1963. – 420 с.
18. Лячек Ю.Т., Нахимовский Я.А. Проблемы параметризации конструкторских чертежей. URL:  http://www.cad.ru (дата обращения 12.07.2021).
19. Полозов В.С., Будеков В.Л., Ротков С.И. Автоматизированное проектирование. Геометрические и графические задачи. – М.: Машиностроение, 1983. – 280 с.
20. Полозов В.С., Багинская Л.Ф. Распознавание трехмерных геометрических объектов с помощью ЭВМ // Начертательная геометрия и ее приложения. – Саратов: Политехнический институт, 1977. – № 2. – С. 107-112.
21. Раскаткин Ю.Н. Геометрические методы определения параметров пространственного положения и формы строительных конструкций: дис. … канд. техн. наук. – Нижний Новгород, 2016. – 130 с.