1. Назначение и особенности систем

ИНТЕРВАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ

1. Назначение, разновидности и эффективность систем ИРДП

Системы интервального регулирования движения поездов относятся к классу систем, предназначенных для регулирования движения поездов с целью обеспечения безопасности движения и повышения эффективности перевозочного процесса. Системы этого класса исторически называют системами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). В названии отражены основные принципы построения систем – применение сигналов (светофоров) для передачи команд машинистам; централизованный (из одного поста) принцип управления, принятый в ряде систем; обеспечение безопасности движения поездов путем блокирования участков пути. В учебной литературе указанные системы называют системами железнодорожной автоматики и телемеханики. В последние годы в связи с разработкой и внедрением в эксплуатацию микроэлектронных и микропроцессорных систем СЦБ появился новый термин – микроэлектронные системы обеспечения безопасности движения поездов, отмечающий принципиальную новизну этих систем.

Следует учесть, что рассматриваемые системы обеспечивают регулирование движения поездов, но не управление локомотивом. Автоматизация процесса управления локомотивом(система автоведения поезда, или автомашинист) предусматривает выбор и реализацию оптимальных режимов ведения поезда (режим разгона, переход на выбег, снижение скорости) в соответствии с конкретной обстановкой. Цель такого управления – экономия электроэнергии или топлива при условии выполнения графика движения.

Регулирование с целью обеспечения безопасности заключается в выявлении препятствий для движения и принятии мер к снижению скорости или остановке поезда. При этом функции воздействия на тормозные устройства могут быть возложены на машиниста или на систему автоматики. Система автоматики в простейшем случае при нарушении условий безопасности осуществляет экстренное торможение до полной остановки поезда; в более совершенном варианте проводится плавное управление торможением и снижение скорости до требуемой величины или остановка в заданной точке пути.

Важность и сложность проблемы обеспечения безопасности движения поездов объясняются следующими причинами:

1. Высокие скорости поездов и их большой вес, инерционность тормозов и сложность управления ими. В настоящее время грузовые поезда могут следовать со скоростями до 90…100 км/ч, пассажирские – до 200 км/ч. Вес поезда составляет 6…7 тысяч тонн, длина тормозного пути достигает 2-х км. При этом из-за рельефа местности, наличия деревьев или строений, в ночное время или из-за неблагоприятных погодных условий машинист может не увидеть препятствие на расстоянии, достаточном для остановки поезда.

2. Сложность передвижения поездов на станции и наличие нескольких одновременных передвижений в условиях ограниченной видимости, возможность следования маневровых составов вагонами вперед.

3. Большой ущерб для окружающей среды и населения в случае крушения поездов при перевозках экологически опасных грузов, включая ядовитые, радиоактивные и взрывоопасные вещества.

4. Значительные человеческие жертвы и экономические потери при крушениях. Экономические потери определяются не только стоимостью подвижного состава и груза, пришедших в негодность в результате крушения, но также и расходами на восстановление пути, контактной сети и других технических сооружений, поврежденных в результате аварии или крушения, а также потерями от перерыва движения поездов.

5. Затраты на мероприятия по обеспечению безопасности движения поездов должны быть разумными с экономической точки зрения, а сами мероприятия не должны приводить к снижению эффективности перевозочного процесса.

При изучении в вузе устройства СЖАТ условно разделяют на перегонные и станционные. Системы ИРДП являются перегонными системами и включают в себя [1]:

• полуавтоматическую блокировку (ПАБ);

• автоматическую блокировку (АБ);

• системы сигнальной авторегулировки (САР) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС);

• автоматические ограждающие устройства на переездах (АП);

• системы диспетчерского контроля (ДК).

Указанные системы ИРДП, в зависимости от их назначения и функциональных возможностей, оказывают разное влияние на эффективность перевозочного процесса и уровень безопасности движения поездов. Для оценки эффективности систем ИРДП можно использовать следующие критерии [2, 3]:

1. Пропускная способность перегона (участка) – максимальное количество пар поездов, которое может быть пропущено по перегону (участку) за сутки при существующем техническом оснащении. В 70-80 гг. прошлого столетия в условиях устойчивого и непрерывного роста потребностей в перевозках этот критерий был одним из основных при решении вопроса о внедрении систем ИРДП. В настоящее время после существенного спада объема перевозок из-за сокращения промышленного и сельскохозяйственного производства появился запас пропускной способности, и этот критерий стал менее актуальным.

2. Участковая скорость грузовых поездов – средняя скорость грузовых поездов от станции формирования до станции расформирования с учетом всех остановок в пути следования. Этот показатель является одним из важнейших показателей работы железных дорог. Чем выше участковая скорость, тем меньше локомотивов, вагонов, локомотивных бригад и связанных с ними затрат потребуется для перевозки одного и того же объема груза за тот же период времени. При этом уменьшаются капитальные вложения в локомотивы, вагоны, вагонное хозяйство, что ведет к снижению себестоимости перевозок.

3. Безопасность движения. На практике численная оценка систем ИРДП по этому критерию пока не проводится, но оценить уровень безопасности при сравнительном анализе разных систем регулирования можно путем анализа функциональных возможностей этих систем. Так, например, АБ обеспечивает более высокий уровень безопасности движения, чем ПАБ за счет контроля целости рельсов.

4. Штат работников. Снижение численности работников при внедрении систем автоматики ведет к снижению себестоимости перевозок.

5. Условия труда. Благоприятные условия труда и престижность профессии являются важным фактором привлечения и закрепления квалифицированных специалистов. Системы СЦБ в ряде случаев облегчают условия труда, а в ряде случаев исключают тяжелый и опасный труд работников некоторых профессий.

Улучшение показателей по перечисленным критериям может быть достигнуто различными средствами – строительство вторых или третьих путей, дополнительных раздельных пунктов, повышение мощности локомотивов и грузоподъемности вагонов, совершенствование процессов и технологий погрузки-выгрузки и т. д. При этом внедрение устройств автоматики является одним из наиболее эффективных средств при относительно низких капитальных вложениях.

Любая из перечисленных выше систем ИРДП (за исключением системы ДК) повышает уровень безопасности движения поездов. Кроме того, внедрение систем АБ повышает пропускную способность и участковую скорость; системы САР и АЛС повышают участковую скорость и облегчают труд локомотивных бригад; системы ДК способствуют повышению участковой скорости и косвенно способствует повышению безопасности движения.

2. Специфика устройств СЦБ и особенности систем ИРДП

Известно, что любая система автоматики при возникновении отказа какого-либо элемента:

• сформирует на своем выходе ложную команду;

• не изменит состояния выхода (если данный отказ при имеющемся наборе входных данных не изменяет алгоритм работы системы).

Если в системе СЦБ сформируется ложная более разрешающая команда, то это может привести к аварии или крушению поездов. Отказы, приводящие к формированию более разрешающей команды, называют опасными отказами. Очевидно, что такие отказы в системах СЦБ должны быть исключены с достаточно высокой степенью вероятности [4, 5, 6].

Ксистемам СЦБ предъявляется специфическое требование – никакие отказы системы, ее отдельных узлов или элементов не должны приводить к формированию более разрешающей команды.

Системы, устройства и отдельные схемы или элементы, удовлетворяющие этому требованию, называются безопасными.

Для построения безопасных релейно-контактных схем применяются электромагнитные реле 1-го класса надежности. Эти реле имеют односторонние отказы, то есть построены таким образом, что любые неисправности приводят к ложному замыканию тыловых (размыкающих) контактов. Ложное замыкание фронтовых (замыкающих) контактов исключено с достаточно высокой степенью вероятности, что позволяет реализовать схемы без опасных отказов (безопасные схемы) за счет использования фронтовых контактов для формирования разрешающих команд, а тыловых – для запрещающих команд. Отказы электронных элементов являются непредсказуемыми, поэтому электронная техника долгое время не использовалась в схемах, ответственных за безопасность движения поездов.

В отдельных случаях для обеспечения требуемого быстродействия (например, в дешифраторах числового кода) или для повышения надежности применяются реле низшего класса или бесконтактные элементы. Исправность таких элементов должна контролироваться схемным путем.

Рассматриваемое специфическое требование не относится к системам и устройствам СЦБ или к их отдельным узлам и элементам, не ответственным за безопасность движения. В таких устройствах нет необходимости использовать реле 1-го класса надежности и схемный контроль исправности элементов. Так, например, не предъявляется требование безопасности функционирования к системам ДК, которые по своей сути являются информационными системами, к устройствам индикации и т. д.

Задача обеспечения безопасности движения поездов всегда выдвигалась на первый план. Это вызвано как социальными аспектами (сохранение жизни и здоровья пассажиров), так и экономическими (сохранность грузов и подвижного состава), а также задачами обеспечения конкурентоспособности и экологичности железнодорожного транспорта.

Анализ статистики показывает, что современный железнодорожный транспорт России является самым безопасным среди различных видов транспорта страны, а среди железнодорожного транспорта зарубежных стран уступает только Японии [7]. Немалая заслуга в этом принадлежит широкому внедрению систем СЖАТ. Несмотря на это, задача дальнейшего повышения уровня безопасности движения поездов считается одной из важнейших, что требует совершенствования устройств СЖАТ и расширения их функциональных возможностей. Эффективное решение этой проблемы в релейных системах сдерживается недостатками используемой элементной базы – низкое быстродействие, большие габариты, низкая надежность, что не позволяет реализовать сложные алгоритмы регулирования.

Повышаются требования и к надежности устройств СЖАТ. Отказ СЖАТ, вызвавший неоправданную остановку или снижение скорости поезда, приводит к задержкам не только этого поезда, но и следующих за ним. При длительных задержках возникают сбои в движении поездов обоих направлений на целом участке и даже на соседних участках. Следствием этого являются прямые экономические потери, вызванные простоем поездов и нарушением сроков доставки грузов, потеря доходов, снижение доверия пассажиров и грузоотправителей к железнодорожному транспорту.

Другим негативным последствием отказов устройств СЖАТ является снижение уровня безопасности движения поездов при выключенных из-за неисправности или находящихся в защитном состоянии устройствах СЖАТ. В таких случаях проверка условий безопасности и формирование управляющих команд системой регулирования не осуществляется или осуществляется частично и возлагается на человека – машиниста при проезде в инструктивном порядке светофора с запрещающим показанием, дежурного по станции при организации не маршрутизированных поездных или маневровых передвижений на станции и т. д. Известно, что доминирующей причиной происшествий, вызванных нарушением требований безопасности движения поездов, являются ошибки людей. Причем большая часть крушений, аварий и брака из-за ошибок человека допускается именно в условиях нарушения нормальной работы устройств СЖАТ.

Недостаточная надежность систем железнодорожной автоматики привела к необходимости применения планово–предупредительного метода обслуживания устройств СЖАТ, который увеличивает расходы на эксплуатацию действующих систем.

Перечисленные выше негативные факторы в наибольшей степени проявляются в системах ИРДП с традиционными структурами, что вызвано рядом особенностей этих устройств.

• Распределенность устройств в пространстве и удаленность от мест дислокации обслуживающего персонала приводят к большим потерям времени на поиск и устранение повреждений. По сети дорог страны среднее время восстановления АБ после отказа составляет 2,7 часа. При этом значительная часть времени тратится электромехаником на перемещение к неисправному объекту.

• Невозможность организации обходных путей для поездов при неисправности перегонных устройств автоматики вызывает большие сбои в движении поездов по сравнению со сбоями при отказах станционной автоматики.

• Аппаратура перегонных устройств, устанавливаемая в релейных шкафах, подвергается отрицательному воздействию температуры окружающей среды (-50…+60⁰С), влажности (до 98%), пыли, вибрации (от 5 до 160 Гц при ускорении 0,6 g), что снижает надежность и долговечность устройств.

• Необходимость передачи информации между отдельными объектами приводит к усложнению систем, снижению их надежности и увеличивает вероятность сбоев в условиях влияния помех.

Отсюда вытекает необходимость дальнейшего совершенствования перегонных устройств СЖАТ в плане повышения их безопасности и надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения затрат на обслуживание.

Одним из путей решения этих задач является применение более совершенных РЦ, а также разработка и внедрение микроэлектронных систем ИРДП [5].