Доклады и презентации

Современные технологии для перехода к интеллектуальному железнодорожному транспорту

Железнодорожный транспорт был и остаётся ведущим звеном комплексной транспортной системы России. В долгосрочной перспективе железнодорожные перевозки останутся самым экономически эффективным способом транспортировки значительных по объёмам стабильных потоков массовых грузов, доставляемых на средние и дальние расстояния.

В последние годы подавляющая часть прироста объёмов перевозок и грузооборота на железнодорожном транспорте получена путём повышения его конкурентоспособности за счёт применения современных и перспективных научных разработок, воплощённых в инновационных технологиях, услугах, оборудовании, автоматизированных системах управления и централизованной организации перевозочного процесса. Поскольку основную долю перевозок на железных дорогах России составляют грузовые перевозки, то в этой обстановке чрезвычайно важным является повышение транспортной привлекательности железнодорожного транспорта для производителей продукции. Это включает в себя не только безопасное перемещение грузов, но и предоставление клиенту полной и исчерпывающей информации о движении его вагонов и текущем местонахождении грузов.

ОАО «НИИАС» – одно из ведущих научных подразделений Российских железных дорог, – как дочернее предприятие ОАО «РЖД», является базовой организацией отраслевой науки, деятельность которой в сотрудничестве с такими научными центрами, как Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» и др., направлена на повышение эффективности и безопасности функционирования железнодорожного транспорта в целом.

Основные целевые задачи, которые ставит руководство ОАО «РЖД» перед отраслевой наукой, и в частности перед ОАО «НИИАС», включают в себя реализацию крупных комплексных научных проектов на сети железных дорог; производство научно-технической продукции, которая составит конкуренцию на зарубежном рынке технических средств; участие в международных научно-технических проектах, что обеспечит высокое качество перспективных разработок, увеличение масштабов бизнеса путём расширения перечня и дисконтента научно-технических продуктов и номенклатуры клиентской базы. Обладая высоким научным потенциалом, свои основные усилия ОАО «НИИАС» изначально сосредоточило на выполнении базовых положений Программы реализации стратегических направлений научно-технического развития ОАО «РЖД» и на разработке конкретных проектов развития для сети железных дорог.

Эти проекты включают в себя: – формирование современных технологий управления с использованием ситуационных математических моделей, мониторинговых прогнозных систем перевозочного процесса, программ реального развития логистики, формирования и использования динамических эксплуатационных резервов пропускной и провозной способности железнодорожных линий, а также повышения их уровня применением интеллектуальных автоматизированных систем управления; – создание систем управления для интеллектуального подвижного состава и соответствующей инфраструктуры на основе самодиагностируемых объектов инфраструктуры и подвижного состава, обеспечивающих передачу оперативной информации о техническом состоянии, остаточном ресурсе, целесообразности изменения режима работы и ремонтного цикла или необходимости вывода из эксплуатации, сокращение удельного энергопотребления на тягу и затрат на эксплуатацию; – обеспечение безопасности, экологичности и надёжности перевозок.

Современные технологии управления предусматривают использование многомерных ситуационных моделей, мониторинговых прогнозных систем перевозочного процесса, новейших методов логистики, динамических эксплуатационных резервов пропускной и провозной способности для магистральных железнодорожных линий, а также применение суперинтеллектуальных автоматизированных систем управления. Интеллектуальный тяговый подвижной состав и инфраструктура создаются на основе самоконтролируемых и самодиагностируемых объектов, обеспечивающих передачу в центры управления движением оперативной информации о техническом состоянии, остаточном ресурсе, целесообразности изменения режима работы или необходимости вывода из эксплуатации. Одновременно должно быть обеспечено и сокращение удельного энергопотребления и эксплуатационных затрат, что способствует снижению себестоимости перевозок. Реализация вышеперечисленных проектов невозможна без чёткой работы и взаимодействия всех систем компьютерного управления, автоматики и связи на железных дорогах страны. Поэтому одними из основополагающих требований к устойчивой работе инфраструктуры железнодорожного транспорта являются требования к надёжности, безотказности и безопасности телекоммуникационных структур, обеспечивающих эксплуатационную деятельность российских железных дорог.

Разработка новых транспортных технологий, миниатюризация и повышение надёжности микропроцессорной техники, использование нанотехнологий во многих производствах, совершенствование широкополосных систем передачи данных позволяют внедрять элементы искусственного интеллекта на подвижном составе. Всё это создаёт предпосылки к появлению интеллектуального транспорта, включая инфраструктуру и подвижной состав.

Ученые ОАО «НИИАС» совместно с коллегами из ведущих железнодорожных институтов России на протяжении нескольких лет работают над элементами и комплексными компонентами, а также над программным обеспечением интеллектуальных систем, которые способны выполнять ряд проблемных задач, ранее считавшихся невозможными, поскольку они относятся к категории эвристических.

В качестве наиболее успешного примера использования интеллектуальных транспортных систем (ИТС) являются системы, внедрённые в комплекс управления движением скоростного поезда «Сапсан» на направлении Москва–Санкт-Петербург. Особенность этого комплекса состоит в том, что, в отличие от Евросоюза со специально построенными высокоскоростными линиями на скорость движения 300 км/ч, электропоезда «Сапсан» обращаются на традиционной железнодорожной магистрали Москва – Санкт-Петербург, сданной в эксплуатацию в 1851 г. Поэтому здесь нужны нестандартные решения, обеспечивающие совместную эксплуатацию скоростных и обычных поездов дальнего сообщения, а также пригородных электропоездов. Адаптивная система, обеспечивающая контроль за параметрами движения, встроена в локомотивное устройство КЛУБУ. В ней есть элементы искусственного интеллекта, ведутся работы по дальнейшему расширению её функций, закладываются более сложные математические алгоритмы, которые существенно расширят количество параметров, контролируемых техникой в автоматическом режиме. В систему «Автодиспетчер» встроен порт информационной системы, который в штатном режиме может контролировать движение поездов исходя из конкретной обстановки.

В рамках обеспечения полной безопасности движения поездов разрабатывается приёмник сигналов автоматической локомотивной сигнализации нового поколения, реализованный на перспективной микроэлементной и наноэлементной базе с использованием корреляционных алгоритмов приёма и обработки сигналов. Одновременно предусмотрено внедрение системы автоблокировки с тональными рельсовыми цепями, централизованным размещением аппаратуры и дублирующими каналами передачи информации (АБТЦ-М). Данное решение представляет собой микропроцессорную систему интервального регулирования и обеспечения безопасности движения поездов на перегонах.

Впервые на российских железных дорогах внедрён европейский стандарт (ЕС) управления безопасностью движения. Эта система построена на основе традиционной российской системы и доработанной совместно с итальянской компанией системы ITARUS-АТС. В числе её особенностей – способность отслеживать все происходящее в транспортной системе в режиме реального времени, например, фактическое положение поездов с точностью до 10 метров и их скорость движения, и передавать управляющие команды на локомотивы с помощью специального радиоканала.

Внедрение системы ITARUS-АТС на транспортной инфраструктуре Зимних Олимпийских игр в Сочи в 2014 году даёт возможность «обкатать» самые современные технологии обеспечения безопасности движения, управления движением, многие из которых носят инновационный характер. Уникальность комбинированной автомобильно-железнодорожной магистрали потребовала возведения значительного числа объектов искусственных сооружений, в том числе 12 тоннелей, каждый из которых будет оборудован комплексными системами по управлению движением. В итоге во время проведения Олимпиады 38 поездов, двигающихся со средней скоростью 120 километров в час, обеспечат пассажиропоток до 8,5 тысяч человек в час, а в пиковое время – до 12 тысяч!

Такая высокая интенсивность движения потребовала от разработчиков реализации качественно новых решений во всех деталях проекта, начиная с системы управления и обеспечения безопасности движения поездов и заканчивая тормозными характеристиками подвижного состава, применением к ним повышенных требований надёжности, составлением чётких графиков движения. Без использования интеллектуальных систем такой проект был бы невозможен.

Олимпийские задачи потребовали определённых решений и для «умных» станций и вокзалов. Разработка Ростовского филиала ОАО «НИИАС» – система мониторинга и управления состоянием искусственных сооружений железнодорожного транспорта на основе беспроводных сенсорных сетей имеет очень широкий спектр практических приложений: обеспечение комплексной безопасности зданий (вокзалов, производственных помещений), перегонов, подвижных единиц. В настоящее время система настроена на мониторинг оползнеопасных территорий, на которых располагаются объекты железнодорожного транспорта.

Работа по интеллектуализации транспорта сталкивается с определёнными трудностями, которые вполне закономерны. Системы диспетчерской централизации проектировались и внедрялись в то время, когда ни о каком искусственном интеллекте речь не шла, но в Ростовском филиале ОАО «НИИАС» под руководством доктора технических наук А.Н. Шабельникова учёные ведут большую работу по изучению воздействия окружающей среды на искусственные сооружения. На действующем участке Северо-Кавказской железной дороги, ставшем испытательным полигоном для наших учёных, изготовлен и установлен реальный макет интеллектуальной системы. На мосту и в тоннеле размещены высокочувствительные датчики. Они в режиме реального времени снимают информацию и поставляют данные для обработки в системе, построенной по технологии нейронных сетей. Это позволяет создавать базу данных, на основе которой и строятся новые знания.

Данная разработка стала прообразом для целого ряда систем, которые будут внедряться на железнодорожном транспорте. Она интегрировала все наиболее перспективные разработки, проводимые для ОАО «РЖД». В единой системе были успешно увязаны такие информационные блоки, как диспетчерское управление движением поездов с применением спутниковых навигационных технологий и систем цифровой связи, диагностика подвижного состава и различные инструментальные средства.

Сейчас учёные института совместно с коллегами активно работают над обеспечением информационными системами центров управления движением и ситуационных центров отрасли. Одной из перспективных задач, поставленных руководством ОАО «РЖД» и требующих решения, стало более полное использование имеющейся информации об управляемом технологическом процессе перевозок на железнодорожном транспорте. Сегодня уровень использования такой информации недостаточен: контроль технологических процессов обеспечивается только на 30%, а уровень автоматизации этого процесса составляет лишь 20%. Значит, ключевая задача развития системы, в том числе с учётом использования новых технологий, состоит в устранении указанного несоответствия. На наш взгляд, это станет технологическим прорывом в управлении железнодорожным транспортом. При этом следует учесть жёсткую взаимосвязанность систем связи, железнодорожной автоматики и информационных систем. Наряду с формированием центров управления перевозками следует создавать ситуационные центры на базе имеющейся информации и осуществить переход от информационных к управляющим системам с использованием ранее не использовавшейся информации и контролем её достоверности. Решение такой задачи требует развития информационных систем с учётом их зависимости от количества постановочных задач, разработки новых систем идентификации подвижного состава и роста используемой информации практически в геометрической прогрессии. Ситуационный центр – это организационная структура, которая помогает проводить анализ ситуаций, принятие решений и управление инженерной и информационной инфраструктурой для повышения эффективности как технологических, так и бизнес-процессов. Внедрение дорожных центров ситуационного управления позволит гибко реагировать на динамику транспортного рынка, осуществлять контроль состояния транспортной инфраструктуры, применять обоснованные  управленческие решения в оперативной обстановке. Ещё одной важной задачей, которая возлагается на ситуационный центр, является последовательное создание единой системы безопасности. Комплексная информация, включающая видеозаписи с камер теленаблюдения, сводки оперативных служб и другие данные, позволит контролировать и анализировать обстановку, предупреждать возможность чрезвычайных ситуаций, а в случае возникновения ЧС оперативно оценивать обстановку и принимать правильное решение для их ликвидации. В перспективе в центре будет полная информация обо всех объектах, оснащённых системами контроля безопасности. В целом новое направление является направлением развития интеллектуального железнодорожного транспорта, что согласуется с программой Международного союза железных дорог (МСЖД), предусматривающей комплекс мер по развитию интеллектуальных железных дорог. В его состав входит разработка и производство интеллектуального поезда, не только пассажирского, но и грузового. Хотя такие разработки ведутся рядом передовых зарубежных фирм, особенность российских железных дорог требует для решения такой задачи перехода на координатные методы управления. Интеллектуальный поезд – это поезд со встроенной системой автоведения, контроля и непрерывной самодиагностики; интеллектуальная грузовая станция – это станция с обеспечением соответствия систем управления и безопасности требованиям международных стандартов. Эта цель определяет направление разработок, ведущихся в ОАО «НИИАС». За счет реинжиниринга и синтеза нового поколения систем управления, в которых был бы реализован переход от автоматизации отдельных рутинных функций к автоматизации функций интеллектуальных систем, обеспечивается достижение стратегической цели существенного повышения эффективности перевозочного процесса и обеспечения безопасности движения поездов. Спутниковые технологии применяются для позиционирования подвижных объектов и мониторинга систем. Эти технологии используются совместно со средствами радиосвязи и радиолокационным зондированием объектов железнодорожного транспорта со спутников и определением их координат, а также определением полносоставности поезда. Необходимо разработать технологию интеграции спутникового зондирования в единой системе координатного управления. В перспективе координатное управление должно стать базой единого транспортного комплекса для всех транспортных отраслей и для всех экспедиторов, чтобы обеспечить оперативный мониторинг и прогнозирование ситуаций для всех подвижных единиц и каждого занятого в технологическом процессе звена и их полномерное позиционирование.

Концепция, разработанная ОАО «НИИАС», предусматривает комплексное использование спутниковых технологий для управления движением поездов, строительства, модернизации, ремонта железных дорог, мониторинга инфраструктуры путевого хозяйства, управления имуществом и охраны окружающей среды. Все эти технологии предполагают наличие единого координатного пространства и систем позиционирования с разной степенью точности.

В перспективе необходимо на базе технологий, разрабатываемых для отдельных хозяйств, создать комплекс обеспечения безопасности железнодорожного движения с использованием спутниковых технологий в целом по железнодорожной отрасли.

Развитие ИТС позволяет выйти на качественно новый уровень создания систем с высокой надёжностью и эффективностью функционирования, обеспечить приведение уровня качества транспортных услуг и безопасности перевозок на железных дорогах России и на пространстве 1520 (ширина колеи железной дороги) в соответствие с требованиями населения и экономики, а также лучшими мировыми стандартами. Энергетическая стратегия России, ориентированная на период до 2020 года, определяет приоритеты, направления и средства структурной, региональной, научно-технической и экологической политики в области энергообеспечения, в том числе железнодорожного транспорта. Механизмы реализации энергетической политики включают в себя прогнозирование энергопотребления, структурную и инвестиционную политику в области энергетики, научно-техническую и экологическую политику, систему стимулов и условий для энергосбережения.

Для решения этой актуальной проблемы, именно за счет внедрения интеллектуальных систем и инновационных технологий, возникает необходимость в перевооружении хозяйства электроснабжения электрифицированных железных дорог, создании концепции обновления и технического развития тягового электроснабжения, разработке концептуальных решений по нетрадиционным системам тягового электроснабжения.

Новый этап технического развития также связан с освоением в производстве цифровых защит электротяговых сетей переменного тока на основе интеллектуальных терминалов (микропроцессорных многофункциональных комплексов). Такие терминалы осуществляют не только функции непосредственно релейной защиты, но и функции автоматики, управления, сигнализации, контроля параметров нагрузки, регистрации событий и аварийных процессов, самодиагностики, связи, сервисные функции.

Эффективным мероприятием, направленным на экономию энергетических ресурсов и повышение безопасности движения поездов на магистральных электрических железных дорогах, является внедрение более совершенных многопульсовых выпрямительно-инверторных агрегатов. Оптимизация структур, параметров и режимов работы выпрямительно-инверторных агрегатов продиктована также необходимостью повышения показателей качества электрической энергии в системе тягового и внешнего электроснабжения, снижения потерь электрической энергии и потребления реактивной энергии.

В настоящее время обострилась проблема контроля, анализа и коррекции качества электроэнергии в сетях электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей электроэнергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначе¬ния». Нормы, установленные этим государственным стандартом, подлежат включению в технические условия на присоединение потребителей электрической энергии и в договоры на пользование электрической энергией. В этой связи должно обеспечиваться высокое качество электрической энергии и электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте с учётом экологической и электромагнитной безопасности в системах электрической тяги, защита экономических интересов ОАО «РЖД» при взаимодействии с энергоснабжающими организациями и потребителями электрической энергии.

Система тягового электроснабжения (СТЭ) железнодорожного транспорта страны является одним из самых мощных потребителей электроэнергии. Наряду с этим СТЭ имеет самый неравномерный график энергопотребления. За период нескольких минут мощность энергии одного лишь фидера тяговой подстанции (ТП) может колебаться от 0 до 10 МВт. Такие колебания нагрузки крайне негативно влияют на все электрооборудование. Следует также отметить, что в силу отсутствия надёжных приемников энергии на пригородных участках железных дорог практически не используется рекуперативное торможение.

Эту проблему можно эффективно решить с помощью накопителей энергии (НЭ). Задача заключается в оценке возможности использования НЭ в СТЭ железнодорожного транспорта. При этом необходимо разработать имитационную модель для исследования режимов работы НЭ, проанализировать процесс энергообмена между НЭ и СТЭ, оценить технико-экономическую эффективность использования НЭ в СТЭ. Для решения задач, связанных с неравномерностью электропотребления (выравнивание тяговой нагрузки, принятие энергии рекуперации, понижение установленной мощности тяговых подстанций и т.п.), наилучшим образом подходят инерционные накопители энергии, сверхпроводящие индуктивные и ёмкостные. Однако НЭ являются единственным типом накопителей, которые можно устанавливать непосредственно на борту поезда.

Анализ мировой тенденции развития электротехники и электроэнергетики, в том числе в интересах электрифицированного транспорта, показывает, что одним из радикальных направлений этого развития в ближайшие годы будет использование сильноточной прикладной сверхпроводимости. Как известно, сверхпроводниковые материалы могут быть выполнены на токи с плотностями, в сотни раз превышающие плотности тока в традиционных резистивных материалах, и вместе с тем обеспечивать уникальные электродинамические, массогабаритные и другие характеристики электротехнического оборудования. В настоящее время ведутся научные исследования по разработке, испытаниям моделей и промышленных образцов разнообразного электротехнического оборудования на базе сверхпроводниковых материалов, включающего кабельные линии электропередачи, трансформаторы, электродвигатели, реакторы, накопители энергии и другое оборудование.

Еще более существенные возможности открывает подготавливаемое к массовому производству как за рубежом, так и в России второе поколение высокотемпературных сверхпроводников, имеющее аналогичные характеристики (магнитное поле, критический ток), но способное работать при температурах вплоть до температуры жидкого азота. Реализация сверхпроводимости при применении жидкого азота в сотни раз экономичнее, чем при применении жидкого гелия. Оценки показывают, что после освоения высокотемпературных сверхпроводников стоимость такого провода будет сравнима со стоимостью резистивных проводов. А это означает, что в ближайшие годы начнётся освоение нового сверхпроводникового электротехнического оборудования, которое не только по физико-техническим, но и коммерческим показателям будет превосходить традиционное электрооборудование.

Создание обобщённой имитационной модели системы тягового электроснабжения, учитывающей движущийся по фидерной зоне поезд, открывает возможность для построения программно-измерительного комплекса, позволяющего решать с высокой степенью точности и достоверности задачи, связанные с переходными электромагнитными процессами, протекающими как в устройствах системы тягового электроснабжения, так и в устройствах электроподвижного состава. До настоящего времени эти процессы рассматривались как независимые друг от друга, что, естественно, приводило к потере качества решаемых задач. Обобщенная имитационная модель позволит устранить указанный недостаток и решать на более высоком уровне задачи, связанные как с режимными вопросами работы системы электроснабжения, так и с расчётами защит от коротких замыканий и перегрузок с учётом переходных процессов в системе.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно