Беспроводная система контроля подвижного железнодорожного состава

6.2.5.1 Радиотрансиверы MC13191 и MC13192 стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee

MC13191 и MC13192 - радиотрансиверы диапазона 2,4 ГГц, предназначенные для использования в системах беспроводной передачи данных стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, но могут быть использованы для организации любого радиоинтерфейса, не только ZigBee-совместимого.

ОСОБЕННОСТИ:

Трансиверы имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель мощности (до 4 dBm), встроенный стабилизатор напряжения, схемы кодирования / декодирования обеспечивают поддержку протоколов физического уровня (PHY) стандарта IEEE 802.15.4. Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь портов ввода-вывода общего назначения и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.

Трансиверы MC1319х работают с микроконтроллерами серий HCS08, HC9S12(X), DSC, ColdFire компании Freescale, но могут использоваться совместно с любым другим контроллером, имеющим SPI-интерфейс. Для обеспечения работы трансивера требуется внешний кварцевый резонатор, несколько навесных компонентов и источник питания напряжением 2-3,4 В. Трансиверы имеют три режима энергосбережения и возможность программного регулирования уровня выходной мощности, что позволяет в значительной степени снизить средний ток потребления и обеспечивает длительное время автономной работы в системах с батарейным питанием.

Радио трансиверы работают в двух режимах: пакетном (МС1319х) и потоковом (МС13192). Пакетный режим задействует два 128-байтовых буфера (один буфер для МС13191) во время передачи данных и один 128-байтовый буфер приема данных. В режимах приема и передачи устройство не требует взаимодействия с внешним микроконтроллером (МК). В потоковом режиме используется 2-байтовый буфер, при этом МК обрабатывает прерывания каждые 64 мкс для приема/пересылки слова данных и осуществляет программную обработку заголовков. Скорость обмена по SPI синхронизируется со скоростью передачи пакета данных.

Радиомодемы МС13191/2 требуют минимум внешних компонентов, обладая всей необходимой интегрированной периферией, встроенным усилителем мощности с программируемым коэффициентом усиления и внутренней схемой регулятора напряжения.

Технические характеристики приведены в приложении А.

В таблице 6.6 приведен перечень режимов работы трансивера, а также токи потребления в соответствующих режимах:

Таблица 6.6

Режимы работы радио трансиверов MC13192/1	Ток потребления	Время перехода
Off	Отключены все функции МС, данные регистров и памяти не сохраняются, цифровые выводы трансивера находятся в «третьем» состоянии, только ток утечки	0.2 мкА	10...25 мс to Idle
Hibernate	Отключен генератор тактовой частоты. Данные регистров и памяти сохраняются, цифровые выводы трансивера сохраняют свои состояния, Активация - от внешнего сигнала (линии ATTN и RST микросхемы)	1.0 мкА	8...20 мс to Idle
Doze	Возможность активации внутреннего генератора тактовой частоты и активации встроенных таймеров для обеспечения точной временной базы работы устройства, активация сигнала тактирования внешнего МК. Данные регистров и памяти сохраняются, цифровые выводы трансивера сохраняют свои состояния, Активация - от внешнего сигнала (линии ATTN и RST микросхемы) либо от внутреннего таймера	35 мкА	330 мкс to Idle
Idle	Генератор тактовой частоты активен, тактовая частота подается на вход МК, SPI интерфейс активен. Быстрый переход в режимы приема, передачи и измерения мощности сигнала в радио канале	500 мкА
Receive	Активны: генератор тактовой частоты, радио приемник, SPI интерфейс приостановлен	37 мА	144 мкс from Idle
Transmit	Активны: генератор тактовой частоты, радио передатчик, SPI интерфейс	30 мА	144 мкс from Idle

Doze - уникальный режим, обеспечивающий быстрый переход в активное состояние для оптимизации энергопотребления в системе и обеспечения точной временной базы работы устройств без задействования МК.

Остановимся более подробно на одной особенности этих приёмопередатчиков - встроенном 2- или 4-канальном таймере событий (Event Timer) в микросхемах МС13191 и МС13192/3 соответственно. Таймер состоит из предделителя частоты и 24-битного счётчика, который инкрементируется с каждым импульсом системы тактирования приёмопередатчиков. Предделитель обеспечивает частоту на входе счётчика в диапазоне 15,625 кГц...2 МГц. Модуль таймера способен генерировать прерывания для МК в моменты равенства текущего времени таймера и значений в определённых регистрах радиомодема. Запись данных в регистры осуществляется через интерфейс SPI. Модуль таймера выполняет следующие функции: генерация системного времени, генерация прерываний при сравнении текущего времени со значением регистров сравнения, выход из энергосберегающего режима Normal Doze Mode по окончании заданной временной задержки, «защёлкивание» времени начала приёма данных в режиме пакетной передачи. Текущее значение таймера может быть считано по интерфейсу SPI. Модуль таймера работает при активированном модуле тактирования радиомодема.

6.2.5.2 Радио-трансиверы МС13201 и МС13201 стандарта IEEE802.15.4/ZigBee

MC13201 и MC13202 - радиотрансиверы диапазона 2,4 ГГц второго поколения, с интегрированным Rx/Tx переключателем. Предназначены для использования в системах беспроводной передачи данных стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, но могут быть использованы для организации любого радиоинтерфейса, не только ZigBee-совместимого.

Второе поколение радиоприемопередатчиков МС1320х было представлено в начале 2006 года. Основным отличием микросхем МС1320х от трансиверов первого поколения является наличие интегрированного Rx/Tx переключателя, что позволяет в большинстве приложений сократить число внешних элементов и уменьшить себестоимость решения. Причем возможна реализация антенного радиотракта с использованием печатной антенны и с минимальным числом согласующих пассивных элементов.

Уникальность трансиверов МС1320х заключается в способности работать в двух режимах. Первый режим - работа трансивера с внешним Rx/Tx переключателем с автоматическим управлением. Данный режим позволяет использовать дополнительные LNA и PA усилители. В таком режиме работы трансиверы совместимы по выводам с трансиверами МС1319х.

Второй режим - трансиверы МС1320х настраиваются на работу с внутренним Rx/Tx переключателем. Таким образом, разработчику предоставляются максимум возможностей по использованию одной и той же микросхемы при проектировании беспроводных устройств различного типа, с минимальной стоимостью комплектующих в одних устройствах и максимальной дальностью радиопередачи в других.

ОСОБЕННОСТИ:

Трансиверы имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель мощности (до 4 dBm), встроенный RxTx переключатель? стабилизатор напряжения, схемы кодирования/ декодирования обеспечивают поддержку протоколов физического уровня (PHY) стандарта IEEE 802.15.4. Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь портов ввода-вывода общего назначения и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.

Трансиверы MC1320х работают с микроконтроллерами серий HCS08, HC9S12(X), DSC, ColdFire компании Freescale, но могут использоваться совместно с любым другим контроллером, имеющим SPI-интерфейс. Для обеспечения работы трансивера требуется внешний кварцевый резонатор, несколько навесных компонентов и источник питания напряжением 2-3,4 В. Трансиверы имеют три режима энергосбережения и возможность программного регулирования уровня выходной мощности, что позволяет в значительной степени снизить средний ток потребления и обеспечивает длительное время автономной работы в системах с батарейным питанием.

Радио трансиверы работают в двух режимах: пакетном (МС1320х) и потоковом (МС13202). Пакетный режим задействует два 128-байтовых буфера (один буфер для МС13201) во время передачи данных и один 128-байтовый буфер приема данных. В режимах приема и передачи устройство не требует взаимодействия с внешним микроконтроллером (МК). В потоковом режиме используется 2-байтовый буфер, при этом МК обрабатывает прерывания каждые 64 мкс для приема/пересылки слова данных и осуществляет программную обработку заголовков. Скорость обмена по SPI синхронизируется со скоростью передачи пакета данных.

Технические характеристики приведены в приложении А.

Перечень режимов работы трансивера, а также токи потребления в соответствующих режимах такие же, как и в серии МС13191/2/3 (таблица 6.6).

6.2.5.3 Однокорпусные микросхемы МС1321x стандарта IEEE802.15.4/Zigbee

Радиомикросхемы МС1321x - недорогое интегрированное решение для использования в беспроводных системах стандарта ZigBee/IEEE802.15.4, включающее радио трансивер МС13202 и 8-разрядный микроконтроллер семейства MC9S08GTxx в одном корпусе. Доступны варианты с различным объемом FLASH памяти: 16КБ, 32КБ, 60КБ.

Однокорпусное решение было представлено 2006 году. Микросхемы семейства МС1321х сочетают в одном корпусе размером 9х9мм LGA два кристалла: кристалл микроконтроллера семейства MC9S08GTxx и кристалл радиомодема второго поколения MC13202. Линейка микросхем включает в себя три типа: МС13211, МС13212 и МС13213, различающихся только объемом внутренней FLASH и RAM памяти микроконтроллера. С точки зрения остальных технических характеристик микросхема МС1321х идентична упомянутым микроконтроллеру и радио трансиверу. Отличия заключаются в меньшем числе портов ввода/вывода МК (по сравнению с МК в отдельном корпусе с числом выводов 44/48) и наличию внутренних связей кристаллов, продублированных дополнительными выводами в корпусе, в области земляной подложки в основании микросхемы.

Основными достоинствами интегрированного решения являются сокрашение стоимости компонентов и занимаемой радиотрактом площади. При переходе от двухкорпусного решения к однокорпусному, площадь радиотракта на плате устройста, без учета антенны, сокращается с 300ммІ до 200ммІ, на 40% сокращается число внешних компонентов, стоимость элементной базы уменьшается более чем на 30%

ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРИРОВАННОГО МК:

Микроконтроллеры семейства МС9S08GTxx спроектированы для беспроводных низкопотребляющих решений, приложений с автономным питанием, радиоприложений стандарта IEEE802.15.4/ZigBee.

С точки зрения программного обеспечения реализации беспроводных приложений, для МК семейства MC9S08 доступны следующие программные библиотеки: SMAC, 802.15.4MAC и стек ZigBee - BeeStack. Основной средой разработки ПО для микроконтроллеров является Metrowerks CodeWarrior версий 5.х и старше, для создания программного обеспечения беспроводного канала на базе перечисленных выше библиотек удобно использовать среду разработки BeeKit Wireless Connectivity Toolkit.

Технические характеристики микроконтроллеров, интегрированных в микросхемы МС1321х, и режимы работы МК семейства MC9S08GTxx приведены в приложении А.

6.2.5.4 Однокристальные микросхемы МС1322X стандарта IEEE802.15.4/ZigBee

МС1322x - высокоинтегрированное микропотребляющее однокристальное решение, сочетающее в себе радио трансивер диапазона 2.4ГГц стандарта ZigBee/IEEE802.15.4, 32-разрядный МК с ядром ARM7, входной и выходной радио усилители, 50-Ом согласованный антенный выход, аппаратные модули 802.15.4 MAC и 802.15.4 Security, а также разнообразную периферию (рисунок 6.20).

Начиная с первого квартала 2008 года, будут доступны образцы специализированного однокристального ZigBee/802.15.4 решения на базе ARM7 ядра с интегрированным аппаратным MAC ускорителем - МС1322х. Выпуск серийных изделий намечен на 2 квартал 2008 года. По предварительной информации новая микросхема будет одним из лидеров по энергопотреблению не только в энергосберегающих режимах, но и в режимах приема и передачи. Встроенная периферия включает в себя 12-разрядный модуль АЦП, набор интерфейсных модулей UART/SCI, SSI/I2S, SPI, I2C, модуль аппаратного шифрования, модули таймеров/ШИМ и обработки внешних прерываний и др. Для работы микросхемы необходимо минимально возможное число внешних компонентов (антенна 50 Ом, кварцевый резонатор). Интегрированый приемопередатчик микросхемы, помимо режима работы согласно стандарту IEEE802.15.4, обладает уникальным для подобного класса микросхем режимом увеличения скорости обмена до 2 мегабит в секунду.

Технические характеристики микросхемы МС1322х приведены в приложении А.

Рассмотрев весь модельный ряд решения по реализации беспроводных соединений на базе стандарта 802.15.4, отметим, что наиболее целесообразно использовать однокорпусные микросхемы МС1321x, т. к. сочетание в одном корпусе двух кристаллов (микроконтроллера семейства MC9S08GTxx и радиомодема второго поколения MC13202) сокращает стоимость компонентов и занимаемую радиотрактом площадь. При переходе от двухкорпусного решения к однокорпусному, площадь радиотракта на плате устройста, без учета антенны, сокращается с 300ммІ до 200ммІ, на 40% сокращается число внешних компонентов, стоимость элементной базы уменьшается более чем на 30%.

6.3 Построение ЛВС

6.3.1 Алгоритмическое обеспечение проекта

Алгоритмом называется математическая функция или конечный набор описаний конкретной последовательности действий (правил), необходимых для того, чтобы компьютер или интеллектуальная система выполнили за конечное время некоторую задачу, например, алгоритм работы сервера вагона. Алгоритм может быть описан блок-схемой. Алгоритмы упрощают процесс построения функциональных и структурных схем разрабатываемого устройства и позволяют четко представлять архитектуру системы и последовательность действий работы системы. На следующих ниже рисунках представлены алгоритмы работы сервера ЛВС состава, функционирования сервера ЛВС вагона и функционирования контроллера состояния букс вагона.



Рисунок 6.21 - Алгоритм функционирования сервера ЛВС состава.

Рисунок 6.22 - Алгоритм функционирования сервера ЛВС вагона.

Рисунок 6.23 - Структурная схема ЛВС состава.

В ЛВС железнодорожного состава предусмотрено два режима передачи данных: циклическим и спорадический. При циклическом режиме на сервере сети (локомотиве) формирует управляющий сигнал, по которому клиенты (вагоны) поочередно устанавливают соединение и передают накопленную информацию на сервер вне зависимости от того, есть ли критические значения параметров, т.е. передают текущее состояние объекта контроля. Локомотив поочередно опрашивает все вагонные подсистемы. Системой выделяется определенный промежуток времени доля опроса вагонной подсистемы. В случае, если сервер не получает ответ от опрашиваемого вагона, то формируется повторный запрос. Одновременно с повторным запросом формируется протокол о повторном запросе на конкретный вагон и сохраняется в базе данных для последующего анализа состояния системы и выяснения обстоятельств отказа системы. Если нет ответа на второй запрос, формирует третий, последний, запрос с повышенным приоритетом, при котором остальные вагонные подсистемы обязаны уступить канал связи при любых обстоятельствах. Если вагонная подсистемы не отвечает и на третий запрос, то формируется протокол о выходе вагонной подсистемы из строя, о чем информируется машинист локомотива и ближайшая узловая станция.

В случае выявления критического значения одного из контролируемых параметров (превышение допустимого значения температуры буксового узла, силы удара колеса о рельс или спектра шума), вагонная система начинает работу в спорадическом режиме, т.е. формирует пакет данных со значением превышающего параметра и топологией нахождения узла ходовой части, значение которого является критическим, и устанавливает соединение с последующей передачей данных.

Итак, информация с буксовых контроллеров поступает по технологии ZigBee на контроллер вагона, где обрабатывается и, в случае обнаружения критических значений, передается по ячеистой сети через сервера других вагонов на контроллер локомотива. После этого она отображается на дисплее машиниста и передается на ближайшую узловую станцию для сравнения с данными постового оборудования и выработки решения о состоянии подвижного состава.

6.3.2 Синтез контроллера состояния буксы вагона

Возможно 2 варианта контроля состояния элементов движения вагона: контроль вибрационного состояния и контроль температурного режима.

6.3.2.1 Синтез контроллера состояния температуры

Логика работы: по сигналу таймера контроллер температуры n-ой буксы вагона(n-число букс) передает на сервер вагона пакет данных, содержащих информацию о текущем состоянии температуры буксы, информация записывается в соответствующие ячейки памяти ОЗУ, отведенные для хранения информации о температурном режиме букс вагона, и содержится там до следующего сеанса связи. При следующем сеансе связи ячейки ОЗУ стираются и заполняются новыми данными. Инициатором связи является буксовый контроллер.

Выбор датчика температуры

Известно 4 типа датчиков, их сравнительная характеристика представлена в таблице 6.7.

Таблица 6.7

Термопара	RTD	Термистор	Полупроводниковый датчик
Широчайший диапазон -184 - +2300 Сє	Диапазон -200 -+850Сє	Диапазон 0 - + 100 Сє	Диапазон -55 -+150 Сє
Высокая точность и воспроизводимость	Превосходная линейность	Сильная нелинейность	Линейность: 1Сє
Требует компенсации напряжения на холодном спае	Требует токового возбуждения	Требует токового возбуждения	Требует токового возбуждения
Низковольтный выход	Низкая цена	Высокая чувствительность	Типовой выходной сигнал: 10мВ/ Сє, 20мВ/ Сє, 1мкА/ Сє

Выберем в качестве датчика температура недорогой, пассивный датчик, не требующий токового возбуждения - термопару (ТП). Действие ТП основано на эффекте Зеебека -- одном из 12 термоэлектрических явлений, известных в современной физике твердого тела. В упрощенном и достаточно строгом представлении ограничиваются следующими тремя термоэлектрическими явлениями.

Эффект Зеебека (1826г.) -- в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных различных проводников, возникает термоЭДС, если в местах контактов(горячего спая) поддерживается различная температура. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термопарой (составная часть ПТ). ТермоЭДС термопары зависит от температуры рабочего (измерительного) и свободного (опорного) спая и от состава материала проводников, образующих термопару. Основные виды термопар представлены в таблице 6.8.

Таблица 6.8

Тип термопары	Материал термоэлектродов	Обозначение градуировки	Диапазон измерения при длительном измерении, °С
ТХК	Хромель - копель	XK(L)	-200 ... +600
ТХА	Хромель - алюмель	ХА(К)	-200 ... +1000
ТПП	Платинородий (10%) - платина	S	0 ... +1300
ТВР	Вольфрамрений (5%) - вольфрамрений (20%)	ВР(А)-1	0 ... +2200

При соединении 2х разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов - термоЭДС(А). Соединив два провода в двух местах формируется 2 спая. Если эти спаи имеют разную температуру, в результате действия термоЭДС, в цепи потечет ток. Разрыв одного из проводников покажет, что напряжение в точках разрыва будет равно термоЭДС, включив в цепь вольтметр можно измерить это напряжение. Температуру Т1 называют температурного измерительного спая, а Т2 температурой опорного. Выходное напряжение обычно определено, как значение полученное при поддержании температуры холодного спая, равной 0 Сє. Для обеспечения высокой точности термопарных измерений необходимо поддерживать температуру холодного спая, равной 0 Сє.

Для обеспечения этого предлагается применить схему AD 595 термопарный усилитель.

Рисунок 6.24 - Термопарный усилитель.

6.3.2.2 Синтез контроллера спектра вибраций подшипников букс

В качестве датчика вибрации используем датчик линейного ускорения (акселерометр), который широко используется для осуществления виброконтроля объектов, находящихся в движении.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Акселерометры меряют проекцию (на свои оси чувствительности) суммы всех сил, приложенных к их корпусу, кроме силы тяжести. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Оптимальным соотношением цена/качество обладают поверхностные интегральные акселерометры, к тому же в них предусмотрено уменьшение влияния температуры за счет введения отрицательную обратную связь по положению инерционной массы, выберем данный тип акселерометров в качестве датчика вибрации подшипников буксы.

Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г. (рисунок 6.25) Весь кристалл акселерометра размером 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремневой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремневых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.

Рисунок 6.25 - Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50.

Хотя в ИМС акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки Y и Z. Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подается на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.

Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подается на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.

В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 % ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом, проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

6.3.3 Синтез вагонного контроллера

Сигнал от буксового контроллера поступает на вход микроконтроллера, в котором осуществляется сравнение входных параметров методом безэталонного контроля и выявляются параметры, превышающие допустимые значения. Выявленные значения контролируемых параметров поступают вне зависимости от того, имеются ли в наличии параметры, превышающие допустимые значения или нет, поступают в запоминающее устройство, где хранятся до окончания следующего цикла проверки данных. При выявлении критического значения параметра формируется сигнал, по которому инициируется соединение с сервером состава и осуществляется передача данных, а именно - значение «критического» параметра, адрес вагона и топология нахождения «критического» узла (спорадический режим).

При инициализации соединения со стороны локомотива в блоке управления формируется сигнал о выдаче информации хранящейся на данный момент в блоке памяти не зависимо от значения параметров, чем подтверждается работоспособность вагонной подсистемы.

7. Экономическое обоснование проекта

7.1 Анализ рынка

Доля участия железнодорожного транспорта в обеспечении грузопотока в нашей стране достаточно значительна и эффективное обеспечение его безаварийности является актуальнейшей задачей.

Одной из составляющих этой комплексной проблемы является реализация контроля состояния элементов движения товарных вагонов, в частности букс, колес, осей, обнаружения волочащихся деталей.

Приведенный перечень функций реализуется, как дифференциально, так и комплексно, стационарной системой контроля с определением характера и мест дефектов, а именно: номера буксы (скольжения или качения), номера вагона с последующей передачей этой информации по канальным средствам на диспетчерский пункт. Однако подобные системы не позволяют наблюдать динамику изменения измеряемых параметров и соответственно предсказывать и предупреждать аварийные ситуации на железнодорожном транспорте.

С целью повышения надежности функционирования железнодорожного транспорта предлагается разработать автоматизированную телекоммуникационную систему для динамического контроля состояния железнодорожного состава. Такое решение позволит фиксировать состояние вагонов состава для последующего прогноза их надежности и обоснования необходимости проведения профилактического, текущего и капитального ремонтов.

Данная система будет иметь возможность интегрироваться в АСУ диспетчерской централизацией (ДЦ), образующий информационную сеть, предназначенную для обеспечения оперативного персонала информацией о движении поездов и состоянии технических средств железнодорожной автоматики.

Дешевле предотвратить аварию, чем ликвидировать ее последствия, поскольку авария может нанести не только непоправимый ущерб окружающей среде, но и привести к гибели людей.

Все эти факторы дают основание надеяться, что продвижение системы контроля железнодорожного состава на рынке будет успешным.

Экономические показатели дают обобщенную оценку в денежном выражении самых разнообразных достоинств и недостатков системы нового типа, помогают исследовать различные варианты конструкции и экономически оценить каждую техническую идею [19].

Так же успешным фактором продвижения информационной системы на рынке является то, что пока нет средств надежного контроля колес железнодорожного подвижного состава движущегося поезда [20]. Так как на рынке не обнаружено систем данного класса, цена разрабатываемой системы будет исходить из расчет получения максимальной прибыли.

В качестве конечного потребителя разработки могут выступать как гражданские фирмы, занимающиеся перевозками по железным дорогам России, так и военно-промышленный комплекс, так же не исключается возможность попадания системы на международные рынки, что может привлечь иностранных покупателей.

При продаже системы приоритет будет отдаваться крупным промышленным предприятиям, так как именно крупные предприятия способны делать большие заказы на приобретение информационной системы. Также будут рассматривать заказы и от менее крупных предприятий и небольших фирм. Информационная система способна работать на всей территории России, что придает системе больший вес относительно стационарных аналогов.

7.2 Выбор и обоснование аналогов или базы сравнения. Расчет интегрального показателя качества

Исходя из анализа рынка известно, что на данный момент на рынке присутствуют системы способные производить измерение температуры буксовых узлов подвижного состава. К таким системам относятся - Диск-Б, АСДК-Б, ПОНАБ. Рассмотрим более подробно некоторые из них.

7.2.1 Анализ системы ДИСК-Б

Согласно принятым предписаниям на железнодорожном транспорте, напольная стационарная система контроля устанавливается непосредственно на пути движения транспорта и удалена от ближайших станций на 10 км.

Контроль состояния букс движущихся вагонов осуществляется путем неконтактного телеметрического измерения их температуры посредством инфракрасных каналов с последующим сравнением текущих значений с эталонным и фиксацией состояния вагонов состава [2]. Система контроля снабжена также подсистемой обнаружения дефектов колес вагонов по кругу катания путем измерения значений амплитуд колесных ударов о рельсы и сравнения с допустимым, и подсистемой обнаружения волочащихся деталей посредством фотоэлектронных каналов. В состав напольной стационарной системы входят каналы и каналообразующие средства связи ее с диспетчерским пунктом железнодорожной станции.

Типовой алгоритм сбора и обработки информации от аналоговых датчиков состояния вагонов и передачи ее на центральный диспетчерский пункт (ЦДП) можно представить в виде структуры на рисунке 7.1.



Рисунок 7.1 - Структура алгоритма типовой системы контроля.

Операторы FKCi (поканальная передача сигналов Xij(t), Zij(q), i=l....,8 -число датчиков, j=l,...,m - число вагонов), Fка (коммутация аналоговых сигналов), FАЦП (аналого-цифровое преобразование) и FВВ (операция ввода) производят последовательный циклический ввод аналоговой информации Xi(t), zi(q) от температурных и пьезоакселерометрических датчиков о состоянии соответственно букс и колес катания в вычислительный процессор стационарной системы контроля, после чего реализуются оператор FM масштабирования и представления информации контроля в технических единицах, соответствующих физическому смыслу контролируемых параметров. Затем текущая информация сравнивается (Fcц) с уставками и после кодируется (FK) и посредством модема передается на станционный диспетчерский пункт (Fcц, Fk, FM). Управление системой контроля производится программой-диспетчером (Fд). Блок-схема подсистемы ДИСК-Б показана на рисунке 7.2.



Рисунок 7.2 - Блок-схема подсистемы ДИСК-Б.

Помимо контроля указанными средствами общее состояние движущего состава оцениваются при его дуговых поворотах путем визуальных осмотров, осуществляемых с локомотива машинистом и его помощником.

На стоянках станционный технический персонал производит выборочно визуальный спектрально-акустический контроль элементов движения вагонов.

7.2.2 Анализ базовой подсистемы АСДК-Б

Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления представляет собой распределенную компьютерную систему сбора, обработки информации, оперативного управления и речевой связи [3].
АСДК работает под управлением встроенной микропроцессорной системы и ПЭВМ пункта управления (диспетчерской).

Базовая подсистема АСДК-Б автоматически распознает перегретые буксовые узлы в результате оценки температуры шейки оси колеса по данным дистанционного контроля температуры корпуса буксы и ступичной части при помощи камер напольных, передает на станцию и регистрирует в аппаратуре станционного пульта контроля и сигнализации информацию о наличии таких буксовых узлов в поезде с указанием порядкового номера и стороны подвижной единицы. Кроме того, аппаратура АСДК-Б обеспечивает оповещение работников соответствующих служб железнодорожной станции о результатах контроля.

Базовая подсистема АСДК-Б так же как и система Диск-Б имеет типовой алгоритм работы (рис. 7.1).

Структура алгоритма типовой системы контроля типа Диск-Б, АСДК-Б, ПОНАБ и другие может быть записана в следующем виде:

где - последовательность вагонов; n - номер букс (колеса);

хi - сигнал о температурном состоянии букс (сила удара колеса о рельс).

Как и системы, у систем диспетчерской централизации есть свои недоработки. Предполагается в будущем разработать системы нового поколения, нейтрализующие эти недоработки. Новые системы диспетчерской централизации должны обеспечивать возможность изменения направления движения поездным диспетчером при ложной занятости блок-участков и контроль исправности работы переездной сигнализации.

Устройства телеуправления стрелками и светофорами прилегающих станций должны обеспечивать выполнение требований, предъявляемых к устройствам диспетчерской централизации.

Главным недостатком систем диспетчерского контроля является стационарность. На сегодняшний день еще не существует систем способных оценивать состояние букс на всем пути следования железнодорожного состава.

К существенным недостаткам традиционных подходов при оценке состояния вагонов и состава в целом, можно отнести:

- инерционность контроля, заключающаяся в том, что состояние подвижного состава телеметрически контролируются только в двух дискретных точках локального маршрута (в десятикилометровых отдалениях от конечных станций);

- наличие ошибок первого и второго рода, источником которых является сама система контроля;

- значительные временные и материальные затраты на осуществление контроля при стоянках состава при недостаточной достоверности и неполном охвате контролируемого объекта;

- отсутствие информации о динамике контролируемых параметров на пассивных участках пути не позволяет осуществлять прогнозирующие оценки состояния элементов вагонов, состава в целом.

В дальнейшем в качестве аналога будем рассматривать систему АСДК-Б, т.к. данная система является более новой и отвечает современным техническим требованиям.

7.2.3 Расчет интегрального показателя качества

Значимость параметров будем оценивать по десятибалльной шкале.

Параметры	Единицы измерения (к)	Весовой коэффициент важности (аi)	Значимость (bi)
			разработка	аналог
1) максимальная скорость работоспособности системы		0,2	9	7
2) достоверность полученных данных		0,3	8	6
3) определение точного адреса неисправного букс		0,3	9	8
4) динамика обновления данных о состоянии подвижной единица		0,2	9	-
		? = 1

Интегральный показатель качества рассчитываем по следующей формуле:

Подставляя табличные данные в расчетную формулу получим:

7.3 Расчет затрат на этапе проектирования и себестоимости системы

Затраты на этапе проектирования состоят из трех частей: заработной платы программиста (Z), накладных расходов (Н) и машинного времени (М):

КП = Z + Н + М, (1)

где М = с · t, Н - примерно 80% - 100% от зарплаты.

Общую заработную плату на весь этап проектирования можно рассчитать по следующей формуле:

, (2)

где Zд - дневная заработная плата,

Т - итоговая ожидаемая длительность,

ас - социальные отчисления (примерно 26,5% от зарплаты),

ап - процент премии (от 50% от зарплаты).

В свою очередь итоговая ожидаемая длительность представляет собою сумму ожидаемых длительностей:

, где (3)

Наименование работы	Длительность, дн.
	миним.	максим.	ожид.
1) Анализ технического задания	1	2	1,4
2) Сбор материалов	2	5	3,2
3) Анализ собранного материала	2	3	2,4
4) Выбор и адаптация математического аппарата	10	15	12
5) Разработка архитектуры и топологии ЛВС	10	20	14
6) Выбор источников информации (датчиков)	3	5	3,8
7) Разработка базы данных	15	25	19
8) Графическое изображение информации	15	20	17
9) Разработка сетевого интерфейса	15	20	17
10) Отладка АСОИУ	7	14	9,8
11) Тестирование АСОИУ	7	14	9,8
12) Внедрение АСОИУ	-	-	-
Итоговая ожидаемая длительность	109,4

Дневную заработную плату программиста будет считать из расчета 10000 руб./месяц, тогда Zд = 476 рублей (будем считать, что в месяце 21 рабочий день). Из расчета зарплаты имеем: ас = 2650

ап - примем равным 70% от заработной платы, тогда ап = 7000 руб.



Рисунок 7.3 - График организации работ на этапе проектирования.

Так как показатели длительности являются приближенными значениями, итоговую длительность примем равной 110 дней.

Н примем равно 60% от заработной платы, Н = 6 000 руб.

М возьмем из расчета 10 руб/час. Рабочий день будем считать равным 7 часам, тогда Мдневное = 10 · 7 = 70 руб/день. Итоговое значение машинного времени рассчитаем из формулы: Митог = Мдневное · Т, Митог = 7700 руб.

Подставляя полученные значения в формулу (1) получим:

КП = 52866 + 6000 + 7700 = 66566

Себестоимость проекта складывается из затрат на разработку комплексной модели надежности информационно вычислительных систем и заработной платы проектировщика.

К = 52866 + 7700 + 66566 = 127 132 (руб.)

Расчет трудоемкости по созданию программного продукта не представляется возможным, так как программный продукт представляет собой базу данных с графическим представлением хранящихся в ней данных. Значение затрат на этапе проектирования не является фиксированным значением, так как параметры длительности были взяты приближенными и расчет затрат производился из расчета, что работы выполняются последовательно и последующая не может быть начата пока не будет закончена предыдущая. В действительности же некоторые виды работ можно совмещать и выполнять параллельно, что значительно может сократить длительность проектирования и соответственно затраты на проектирования автоматизированной системы обработки информации и управления. Так как затраты на этапе проектирования являются частью себестоимости системы в целом, то оптимизировав график работ на этапе проектирования тем самым сократив скор работ, мы уменьшим себестоимость разрабатываемой системы контроля.

7.4 Оценка экономического эффекта у потребителя

Конечная цель любой разработки заключается в удовлетворении потребностей потребителя. То есть, если функции, актуальность, цена продукта не устраивают покупателя, то нашему продукту покупатель предпочтет другой. Поэтому в данном пункте проводится оценка экономического эффекта для потребителя, а также содержание эксплуатационных затратах.

Ожидаемый годовой экономический эффект у потребителя можно вычислить по формуле:

Эож. г. = (И1 · Ки - И2) - Ен · К,

где И1 - эксплуатационные затраты по аналогу; И2 - эксплуатационные затраты по разработке; Ки - интегральный показатель качества; EН - норма рентабельности (принимаем Ен = 0,25); К - капитальные затраты потребителя (цена разработки без НДС).

Эксплуатационные затраты потребителя как по аналогу, так и по разработке будут складываться из следующих составляющих:

- основная заработная плата обслуживающего персонала, ИОЗП;

- дополнительная заработная плата обслуживающего персонала, ИДЗП;

- отчисления на социальное страхование и травматизм, ИССТ.

При установке на железнодорожном составе отпадает необходимость в бригаде техников, которую теперь заменяют один техник и оператор.

Следовательно, эксплуатационные затраты потребителя по аналогу будут в 5 раза выше, чем по разработке (из расчета, что и в том, и в другом случае основная заработная плата одного рабочего одинакова, а бригада обслуживания состоит из 10 человек), то есть

И1 = 5 · И2.

Рассчитаем эксплуатационные затраты потребителя по разработке.

Основная заработная плата обслуживающего персонала Иош равна 4000 рублям.

Дополнительная заработная плата обслуживающего персонала составляет 10% от основной, то есть

ИДЗП = 0,1 · ИОЗП = 0,1 · 4000 = 400 (руб.)

Отчисления на социальное страхование и травматизм составляет 37,4% от общей заработной платы

ИССТ = 0,374 · (ИОЗП + ИДЗП) = 0,374 · (4000 + 400) = 1646 (руб.)

Тогда получаем,

И2 = ИОЗП + ИДЗП + ИССТ = 4000 + 400 + 1646 = 6046 (руб.)

Эксплуатационные затраты потребителя по аналогу

И1 = 5 · И2 = 5 · 6046 = 30230 (руб.)

В результате, годовой экономический эффект для потребителя равен:

Эож. г. = (30230 · 1,55 - 6046) - 0,25 · 127132 = 9027,5 (руб.)

Для нахождения расчетной рентабельности воспользуемся формулой:

Р = (И1· КИ - И2)/К

Тогда, получаем

Р = (30230 · 1,55 - 6046)/127132 = 0,32

Критерием принятия решения о целесообразности покупки разрабатываемого устройства является положительная величина показателя годового экономического эффекта для потребителя, а также превышение рентабельности затрат Р = 0,32 над нормативом Ен = 0,25. Таким образом анализируя полученные показатели Эож. г. и Р, приходим к выводу о экономической жизнеспособности данной разработки.

8. Безопасность и экологичность разработки

8.1 Анализ условий труда, степени тяжести и напряженности трудового процесса

Разработанная система представляет собою автоматизированную информационную систему контроля состояния подвижной единицы железнодорожного транспорта и предотвращения возникновения аварийной ситуации. Работа автоматизированной информационной системы сводится к отслеживанию информации, поступающей от первичных источников данных с последующим выявлением «критических» значений величин и информирование машиниста локомотива по средствам радиосвязи и звуковой сигнализации, а также передача информации о возможности возникновения аварийной ситуации на ближайший диспетчерский пункт для принятия мер по предотвращению аварии и возможности ремонта подвижной единицы.

Так как система является автоматизированной, то роль оператора как субъекта труда и управления становится основополагающей в обеспечении работоспособности системы и правильности принимаемых решений. Оператор несет ответственность за эффективную работу всей технической системы. В связи с этим мы провели оценку напряженности трудового процесса оператора.

Таблица 8.1

Оценка напряженности трудового процесса оператора

Наименование фактора	Оценка	Класс
1. Нагрузки интеллектуального характера:
Характер выполняемой работы	Работа протекает по строго установленному графику с возможной его коррекцией по мере необходимости.	2
Восприятие сигналов и их оценка	Оценить сигнал не очень сложно - главное его не пропустить.	2
2. Сенсорные нагрузки
Длительность сосредоточенного наблюдения (в % от времени работы с системой)	Наблюдение за изменениями параметров менее 25 % от времени работы с системой.	2
Плотность сигналов (световых, звуковых) и сообщений в среднем за 1 ч работы	Плотность сигналов и сообщений при уже поставленной задаче минимальна.	1
Число производственных объектов одновременного наблюдения	До пяти объектов одновременного наблюдения.	1
Размер объекта различения при длительности сосредоточенного внимания (% от времени смены)	В качестве объекта различения выс-тупает только рабочая документация в электронном и бумажном виде.	1
Наблюдение за экраном видеотерминала (ч. в смену)	Работа с электронной доку-ментацией, составление отчетов, программирование и отладка прог-рамм, ознакомление с ходом техно-логического процесса и т.д. Работа с видеотерминалом не фиксирована и не ограниченна. Возникает по мере необходимости. Имеется возмож-ность проведения перерывов по мере зрительного утомления.	2
Нагрузка на слуховой анализатор	Нагрузка на слуховой анализатор отсутствует.	1
Нагрузка на голосовой аппарат	Нагрузка на голосовой аппарат отсутствует.	1
3. Эмоциональные нагрузки
Степень риска для собственной жизни	Риск для жизни отсутствует.	1
Степень ответственности за безопасность других лиц	Ответственность за безопасность других лиц при отсутствии ошибок в работе отсутствует.	1
4. Монотонность нагрузок
Число элементов (приемов), необходимых для реализации простого задания или многократно повторяющихся операций	Минимально, зависит от квалификации оператора	1
Продолжительность выполнения простых производственных заданий или повторяющихся операций	Минимальная, зависит от квалификации оператора	1
Время активных действий (в % к продолжительности работы с системой)	Разработчик имеет возможность делать перерыв от работы в любое время.	1
Монотонность производственной обстановки (время пассивного наблюдения за ходом процесса в % от времени работы с системой)	Минимальное количество времени	1
5. Режим работы
Фактическая продолжительность рабочего дня	Рабочее время ограничено и сменой.	1
Сменность работы	Одна смена	1
Наличие регламентированных перерывов и их продолжительность (без обеденного перерыва)	Перерывы имеют место, но они недостаточно продолжительны.	2

В ходе проведения анализа учитывались все показатели, оценивающие работу разработчика. По каждому из них в отдельности определялся свой класс условий труда. В том случае, если по характеру или особенностям профессиональной деятельности какой-либо показатель не представился (например, отсутствует работа с оптическими приборами), то по данному показателю ставился 1 класс (оптимальный) - напряженность труда легкой степени [3]. Учитывая это, мы получили следующие результаты:

Таблица 8.2

Вредоносные факторы напряженности трудового процесса

Наименование фактора	Оптимальные условия труда	Фактическое значение	Оценка
1. Интеллектуальные нагрузки:
Содержание работы	Напряженность труда средней степени	Эвристическая (творческая) деятельность, единоличное руководство в сложных ситуациях	3.2
Распределение функций по степени сложности задания	Напряженность труда легкой степени	Обработка, проверка и контроль над выполнением задания	3.1
2. Сенсорные нагрузки
Наблюдение за экранами видеотерминалов (часов в смену): при буквенно-цифровом типе отображения информации; при графическом типе отображения информации	Напряженность труда легкой степени	Длительное наблюдение с необходимостью постоянно находится в сконцентриро-ванном состоянии	3.1
3. Эмоциональные нагрузки
Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки	Напряженность труда легкой степени	Несет ответственность за функциональное качество основной работы (задания). Влечет за собой исправления за счет дополнительных усилий всего коллектива (группы, бригады и т. п.) или к возникновению ситуаций опасных для жизни	3.1

8.2 Мероприятия по улучшению условий труда

В предыдущем разделе были выявлены следующие нагрузки, выходящие за рамки допустимых

ь Содержание работы

ь Распределение функций по степени сложности задания

ь Наблюдение за экранами видеотерминалов (часов в смену): при буквенно-цифровом и графическом типе отображения информации;

ь Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки.

Характер организации мероприятий:

v Общие рекомендации:

Для улучшения условий труда оператора и пользователя ЭВМ, рекомендуется ежедневная влажная уборка и проветривание помещения.

Так как работа связана с умственной деятельностью, необходимо делать периодические перерывы для отдыха и эмоциональной разгрузки. Для уменьшения утомляемости зрительного аппарата следует выполнять специальный комплекс упражнений для глаз и выполнять санитарно-гигиенические требования к освещенности и эргономическим показателям.

Работа пользователя ЭВМ характеризуется такими психофизиологическими факторами как психическое напряжение, концентрация внимания, монотонность, обездвиженность, влияющими на физическое здоровье и психическое состояние человека. Для минимизации этих воздействий необходимо наличие регламентированных перерывов, продолжительность которых не должна быть меньше 7% рабочего времени. Во время этих перерывов необходимо выполнять разнообразные физические упражнения.

v Фактор содержания работы:

Постепенное вхождение в трудовой процесс после отдыха, индивидуальный ритм работы, соблюдение привычной последовательности в трудовой деятельности, правильное чередование периодов труда и отдыха, декомпозиция сложных заданий - разбиение сложной работы на более простую, не требующую большой умственной нагрузки, тщательное планирование этапов разработки и всех проводимых работ и т.д.

v Распределение функций по степени сложности задания:

Для уменьшения воздействия этого негативного фактора необходимо назначать человеку, принимающему решения заместителей, которые будут брать на себя часть работ по организаторской и наблюдательной деятельности, т.е. на начальнике остается только работа по наблюдению и анализу ситуации.

v Наблюдение за экранами видеотерминалов (часов в смену) при буквенно-цифровом и графическом типе отображения информации:

Снижения уровня шума - при постоянном пребывании людей и одновременной работе нескольких периферийных устройств в лаборатории создается повышенный уровень шума. Чтобы понизить его до допустимых значений на стенах помещения необходимо устанавливать звукопоглощающее покрытие и использовать звукоизолирующие перегородки.

Создание рационального освещения -- нормальное освещение и правильная цветопередача световых сигналов повышает воспринимаемость сигналов.

v Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки:

Для уменьшения влияния этого фактора необходимо применение информационно-советующей системы при принятии решения, а также необходимо общение с психологом при заступлении на дежурство и после дежурства для снятия стресса.

8.3 Системный анализ работоспособности информационной системы

Вначале приведем возможные варианты отказа локально-динамической информационной системы контроля состояния подвижного состава.

Рисунок 8.1 - Дерево отказов системы контроля.

Отказ системы возможен в трех случаях: нет электропитания, неисправность самой системы контроля и отсутствие сигналов от объектов контроля, т.е. неисправность линии связи. Отсутствие питания может объясняться двумя факторами - это обрыв линии электропроводов, либо выход из строя источника электроэнергии (генератор для тепловоза или трансформатор для электровоза). Наличие высокочастотных помех может вызвать искажение информационных сигналов, что также приводит в неработоспособное состояние систему контроля. Этот фактор относится к неисправности в линии связи. Также сюда относится такой фактор как неисправность приемо-передающего устройства, поступают сигналы от объектов контроля, но для системы они остаются невидимыми, в результате системой принимается ошибочное решение, что объект контроля вышел из строя. К отказу самой системы могут привести три фактора: нет информационных сигналов от объектов контроля, отказ элементной базы системы и сбой работы программного обеспечения.

По аналогичной схеме представим дерево отказов вагонного оборудования системы контроля.

Рисунок 8.2 - Дерево отказов вагонной подсистемы.

Отказу вагонной подсистемы соответствуют аналогичные факторы. Отличаем является лишь то, что вместо объекта контроля здесь рассматриваются источники информации первого рода, и отсутствие информационных сигналов рассматривается как неработоспособность вагонной системы. Если в системе выведены из строя какие-либо ее элементы, то невозможно достоверно и качественно оценить состояние объекта контроля. Поэтому система является работоспособной при надежном функционировании всех ее элементов.