Часть III. Научные основы обеспечения безопасности движения поездов

3.1. Введение

Безопасность движения поездов может быть обеспечена, если оно реализуется с помощью

- безопасных аппаратных (технических) средств;

- безопасных программных средств;

- безопасного персонала.

Поэтому ниже изучаются методы обеспечения безопасности аппаратных, программных средств и персонала железных дорог.

3.2. Методы обеспечения безопасности аппаратных средств

3.2.1. Надежность и безопасность аппаратных средств

В теории надежности невосстанавливаемых объектов функцией надежности называют функцию, выражающую вероятность того, что - случайная наработка до отказа будет не менее заданной , отсчитываемой от начала эксплуатации, т.е.

Функцией ненадежности называют функцию вида

– функция распределения на множестве t.

Мы называли ее также интегральной функцией распределения вероятностей на множестве значений .

Практика эксплуатации аппаратных средств позволяет сделать заключение, что функция подчиняется показательному закону, т.е.

,

где интенсивность отказов, равная некоторой постоянной величине.

Известно, что все множество отказов состоит из опасных и неопасных отказов и поэтому множество представляет собой смесь и , где - случайная наработка до опасного отказа, а -случайная наработка до неопасного отказа.

Отсюда

Это выражение справедливо только в случае отсутствия цензурированных отказов.

Очевидно, что тогда имеет две составляющие

и или

Введем обозначения

– вероятность того, что на интервале от 0 до t не произойдет опасного отказ; это функция распределения;

и .

Функция является функцией безопасности аппаратных средств.

Соотношение между функцией надежности и функцией безопасности принимает следующий вид

;

.

3.2.2. Принципы обеспечения безопасности аппаратных средств

Для формулировки этих принципов воспользуемся функцией

.

Величина определяется интенсивностями опасных отказов различных видов, т.е.

,

тогда

.

Теперь допустим, что есть некоторый наблюдатель, который обнаруживает некоторую часть опасных отказов го вида и переводит систему в защищенное состояние. Тем самым уменьшается на число опасных отказов за интервал . Это в свою очередь, как следует из приведенной выше формулы , приводит и к уменьшению .

Такой процесс «преобразования» опасных отказов на неопасные называется парированием опасных отказов, а система в целом – системой с парированием опасных отказов.

Для системы с парированием функция безопасности аппаратных средств принимает вид

.

Величина - называется коэффициентом парирования го опасного отказа.

Следует отметить, что парирование опасных отказов приводит к увеличению , но уменьшает на столько же и поэтому надежность аппаратных средств не уменьшается.

Коэффициент парирования изменяется в пределах.

Для формулирования принципов повышения показателя безопасности технического средства воспользуемся его выражением, полученным ранее при условии, что функция распределения имеет экспоненциальный закон и 𝜆₀(t)=const= 𝜆₀.

, т.к. , то

.

Для повышения показателя безопасности необходимо:

- уменьшить 𝜆_0i;

- уменьшить N₀.

Уменьшить 𝜆_0i можно путем увеличения запаса прочности элементов технического средства, т.е. путем увеличения ресурса элементов технического средства. Поэтому принцип называется ресурсным или прочностным.

Уменьшить N₀ можно путем использования технических средств таких структур, конструкций, которые характеризуются меньшим числом N₀. Поэтому принцип называется структурным.

Теперь рассмотрим принцип повышения безопасности функционирования технического средства, в котором происходит обнаружение опасных отказов и перевода системы в защищенное состояние.

Обозначим часть опасных отказов, которая обнаруживается и устройство переводится в защищенное состояние через ν_0i.

Он зависит от способности системы своевременно обнаруживать опасные отказы и переводить систему в защищенное состояние, благодаря чему движение поезда не переходит в опасное состояние. Очевидно поэтому, что

,

где - вероятность обнаружения -го опасного отказа;

- вероятность перевода системы в защищенное состояние.

Используя выражение , сформулируем следующие принципы повышения безопасности аппаратных средств:

- принцип уменьшения путем увеличения ресурса системы (запаса прочности элементов);

- принцип уменьшения числа видов опасных отказов путем использования структур с наименьшим числом ;

- принцип увеличения путем повышения вероятности обнаружения опасных отказов и вероятности перевода системы в защитное состояние.

Методы, основанные на первом принципе, называются ресурсными (прочностными); методы, основанные на втором принципе, называются структурными; методы, основанные на третьем принципе, называются методами парирования.

 

3.2.3. Ресурсные методы обеспечения безопасности аппаратных средств.

Ресурсные методы обеспечения безопасности аппаратных средств направлены на создания запасов прочности в тех местах элементов, где имеют место опасные отказы. В зависимости от вида опасного отказа разрабатывается и применяется соответствующий метод.

В результате создается не вообще безопасный элемент, а элемент, безопасный в смысле определенного вида отказов. Такие элементы получили название элементов с асимметричными отказами, так как вероятность отказов одного вида существенно отличается от вероятности отказов другого вида. Такой подход к обеспечению обусловлен тем, что не представляется возможным по технологическим причинам практически реализовать элементы, безопасные относительно всех видов отказов.

Таким образом, методы создания безопасных элементов электротехнических систем – это методы создания элементов с асимметричными отказами. Рассмотрим их на конкретных примерах.

Тогда выражение , входящее в выражение будет иметь вид

Таким образом, показатель безопасности аппаратного средства принимает вид:

Коэффициент назовем коэффициентом парирования. Он зависит от вероятности обнаружения опасного отказа i-го вида P_0i и вероятности перевода устройства в защищенное состояние P_Зi, а именно

Опасный отказ i-го вида характеризуется своими коэффициентами парирования.

Так, все резисторы характеризуются номинальным значением сопротивления постоянному и переменному току в конкретных условиях применения. Отказы резистора приводят к увеличению вплоть до бесконечности или уменьшению вплоть до нуля его сопротивления. Так, например, сопротивление резисторов определенного типа изменяется до 0 под действием протекающего по ним тока большой величины, т.е. происходит их короткое замыкание. У других типов резисторов при тех же условиях сопротивления увеличиваются до бесконечности.

Нами было выше установлено, что в рельсовых цепях постоянного тока короткое замыкание резистора является опасным отказом. Поэтому методом обеспечения безопасности является выбор материала с таким запасом электрической прочности, при котором вероятность уменьшения была бы снижена до установленного значения. Примерами таких резисторов являются металлооксидный резистор на стеклянной основе и проволочный эмалированный трубчатый резистор типа ПЭ-15. К безопасным относятся регулируемые и нерегулируемые проволочные резисторы типов 7156 и 7157 из оксидированной константановой проволоки, намотанной на фарфоровые изоляторы. Изоляция всех токоведущих частей относительно корпуса выдерживает в течение 1 мин напряжение 1500В переменного тока частотой 50 Гц. Сопротивление изоляции электрической цепи относительно корпуса составляет не менее 25 Мом при температуре окружающей среды от -15 до +25 С.

В рельсовых цепях переменного тока в качестве элемента, ограничивающего ток на входе рельсовой линии, является дроссель. Он имеет также, как и , опасный отказ, когда его сопротивление становится равным нулю, в виде межвиткового короткого замыкания. Для снижения вероятности такого опасного отказа созданы дроссели специальной конструкции РОБС-3А. При изготовлении дросселей этого типа создается достаточный запас электрической прочности изоляции проводников обмотки дросселя, изоляции между обмоткой и сердечником дросселя, а также применением определенной укладки отдельных витков обмотки на сердечник.

Однако применение рассмотренных методов не всегда представляется возможным, если необходимо выполнить жесткие требования к габаритам элементов. Такое положение имеет место при необходимости создания безопасных частотных фильтров электрических сигналов в диапазоне рабочих частот от нескольких килогерц и выше. Основными элементами полосовых частотных -фильтров являются последовательные и параллельные колебательные контуры. Создать для таких -контуров малогабаритные дроссели и конденсаторы с достаточным запасом прочности не представляется возможным по технологическим соображениям. Поэтому используется другой подход, а именно, резонансные системы из дросселей и конденсаторов заменяют механическими резонансными системами (резонаторами), и таким образом проблему создания запаса электрической прочности заменяют проблемой создания запаса механической прочности.

Примером механического резонатора, обладающего такой же частотной характеристикой сопротивления как и последовательных -контур, является пьезоэлектрический резонатор (рис.7.а). Его электрическая схема замещения показана на рис.7.б.

Рис.7. Пьезоэлектрический резонатор (а) и его электрическая схема замещения (б)

Уменьшение числа видов опасного отказа – реле I класса: специальные материалы контактов, антиштифты, конструкция осей.

3.2.4. Структурные методы обеспечения безопасности аппаратных средств

Рассмотрим применение этих методов на примере построения безопасного -фильтра.

Задача построения такого фильтра возникала при создании рельсовых цепей тональной частоты с бесстыковыми рельсовыми линиями. Для исключения взаимных влияний между смежными рельсовыми цепями в них используются сигналы различных частот: 420 и 480 Гц.

На рис.8 приведена схема подключения приемников смежных рельсовых цепей к рельсовым линиям.

Из схемы видно, что на входах приемников присутствуют сигналы обеих рельсовых цепей.

На рис.9.а показаны эти сигналы. Задача фильтра первого приемника состоит в том, чтобы пропустить на свой выход сигналы частотой 420 Гц с малым затуханием, а сигналы с частотой 480 Гц с большим затуханием. У фильтра второго приемника задача обратная. Поэтому частотные характеристики затухания фильтров должны иметь вид, показанный на рис.9б. Сигналы различных частот на его выходе показаны на рис.9.в.

При опасном отказе фильтра первого приемника на его выход могут пройти сигналы с частотой 480 Гц. с уровнем, превышающим порог РУ1. Тогда при нахождении в пределах РЛ1 поезда или разрушенного рельса на светофоре будет гореть лампа зеленого или желтого огня.

Аналогичная ситуация может иметь место при опасных отказах фильтра второго приемника.

Результаты исследований степени влияния отказов -фильтров на их селективные свойства показали, что они весьма значительные и многие фильтры являются опасными. Это утверждение справедливо относительно цепочечных и мостиковых фильтров и некоторых фильтров в виде связанных контуров. Доказано, что безопасными можно считать фильтры в виде параллельных контуров с трансформаторной связью, приведенную на рис.10.

Рис.10. фильтр в иде двух параллельных контуров с трансформаторной связью

Не будем использовать аналитические выражения для доказательства данного утверждения, а будем основываться лишь на особенностях физических процессов. Аналитические исследования можно выполнить с помощью формул, приведенных в .

Рассмотрим сначала обычный трансформатор, к первичной обмотке которого подключен генератор сигналов с внутренним сопротивлением , а ко вторичной обмотке подключена нагрузка с сопротивлением (рис.10). Его амплитудно-частотная характеристика будет иметь примерно такой вид, как на рис.11, а именно, в диапазоне тональных частот ток будет примерно постоянным.

При подключении и возникают резонансы токов, на выходе ток резко увеличивается примерно в Q раз и он становится выше порога РУ. В случае обрыва цепей подключения или , или обеих одновременно уменьшается до уровня , т.е. ниже порога срабатывания РУ- . Значит этот фильтр можно считать безопасным, ток как при всех отказах он переходит в защищенное состояние, когда РУ рельсовой цепи принимает решение о занятости ее или о наличии разрушенного рельса в ее пределах при фактической свободности и целостности рельсовой линии.

Методы парирования опасных отказов

5.5.1. Классификация методов парирования опасных отказов.

Все методы подразделяются на две основные группы:

- методы, основанные на автоконтроле функционирования устройств;

- методы, основные на сравнении параметров сигналов в контрольных точках нескольких каналов.

Если в системе используются физические каналы, то она называется многокомплектной.

Устройства с автоконтролем подразделяются в свою очередь на устройства с

- внутренними тестовыми сигналами и

- внешними тестовыми сигналами.

Устройства с автоконтролем с внешними тестовыми сигналами подразделяются на устройства со

- специальными тестовыми сигналами и

- рабочими тестовыми сигналами.

Многокомплектные устройства подразделяются на устройства с

- жесткой синхронизацией работы нескольких комплектов и

- мягкий синхронизацией.

3.2.5. Устройство с внутренним тестовым автоконтролем

Применение метода с внутренним автоконтролем рассмотрим на примере построения безопасного логического элемента .

На рис.12 приведена схема в виде усилителя на однопереходном транзисторе. Она имеет опасные отказы в виде пробоев участков Б1-Б2 и Э-Б2. При этих отказах нарушаются алгоритмы функционирования элемента , что видно из таблиц истинности 5, 6, 7 для схемы с различными отказами.

Рис.12. Опасная схема И

Таблица 5. Для схемы без отказов

Таблица 6. Для схемы с пробоем участка Б1-Б2

 

Таблица 7. Для схемы с пробоем участка Э-Б2

 

Теперь преобразуем схему в виде усилителя в схему в виде генератор импульсных сигналов. Для этого введем в схему конденсатор , разделительный конденсатор и трансформатор для разделения цепей постоянного и переменного токов; вентиль и емкость введены для преобразования переменного тока в постоянный (рис.13).

Рис.13. Безопасная схема И

Благодаря включению схема начинает генерировать импульсные сигналы длительностью существенно меньшей длительностей сигналов и . Они возникают как результат периодического заряда через и лавинообразного разряда его через участок Э-Б2 и . В результате на создаются остроконечные импульсы с периодом, определяемом величинами и . С помощью и переменная составляющая отделяется и затем преобразуется в сигнал в виде импульса постоянного тока. Эпюры сигналов в схеме показаны на рис.14.

Рис.14. Эпюры напряжений в схеме

Таким образом, тестовыми сигналами являются импульсные сигналы, формируемыми внутри схемы . Действительно, при любом отказе генерация импульсных сигналов прекращается и выходной сигнал становится равным нулю (), т.е. система переходит в защищенное состояние.

Функциональная схема элемента приведена на рис.15. Она может быть реализована на базе любого генератора, управляемого по двум входам.

Рис.15. Функциональная схема И на управляемом генераторе

3.2.6. Устройства с внешними специальными тестовыми сигналами

Примером технического средства с внешними специальными тестовыми сигналами является система автоматической блокировки (АБ).

Функциональная схема АБ приведена на рис.16.

Рис.16. Функциональная схема системы двухпутной АБ постоянного тока

Основными функциями АБ являются:

- оценка состояния рельсовой линии с помощью тестовых сигналов и

- ограждение участка пути, занятого другим поездом или с разрушенным рельсом, светофором с соответствующим сигнальным показанием (горящей лампой соответствующего цвета).

АПК – аппаратура передающего конца рельсовой цепи. Основной функцией ее является формирование тестовых сигналов определенной формы и энергии.

АПРК – аппаратура приемного конца рельсовой цепи. Основными функциями ее являются:

- идентификация тестовых сигналов, т.е. оценка принадлежности сигналов на входе АПРК к тестовым сигналам данной рельсовой цепи;

- оценка состояния рельсовой линии по изменениям параметров тестовых сигналов;

- преобразование формы тестовых сигналов с целью удобства управления ими цепями БУС.

БУС – блок управления светофором (блок сигнальных реле). Основной функцией его является включение ламп светофора в соответствии с состоянием рельсовой линии.

Совокупность АПК, АПРК и РЛ называется рельсовой цепью.

Таким образом, с помощью специальных тестовых сигналов рельсовая цепь обнаруживает опасные отказы рельсовой линии, а помощью БУС и светофора система АБ переводится в защищенное состояние, когда на светофоре загорается лампа красного огня.

Рассмотрим одну из возможных технических реализаций АБ, а именно, АБ с тестовыми сигналами в виде импульсов постоянного тока (рис.17). В системах АБ тестовые сигналы называются сигналами контроля рельсовых линий (КРЛ).

Рис.17. Схема импульсной рельсовой цепи

Тестовые сигналы в начале рельсовой линии имеют форму прямоугольных импульсов постоянного тока с периодом следования от 0,33 до 0,8с. (рис. 18.а).

 

Рис.18. Тестовые сигналы в начале рельсовой линии (а), амплитуда импульсных сигналов в конце рельсовой линии (б)

Они формируются с помощью источников постоянного тока в виде аккумулятора и выпрямителя ВАК-14Б и контакта МТ маятникового трансмиттера. Маятниковый трансмиттер содержит трансмиттерное реле контакт которого МТ периодически замыкается и размыкается.

Амплитуда импульсных сигналов в конце рельсовой линии зависит от состояния рельсовой линии (рис.18.б). Если рельсовая линия свободна и ее рельсовые нити целы, то амплитуда тока максимальная . При занятии поездом рельсовой линии амплитуда уменьшается до уровня . Уменьшается она и при обрыве рельсовой нити. Порог срабатывания импульсного поляризованного реле выбирается таким образом, чтобы достаточно надежно происходило обнаружение изменений амплитуды импульсов при изменении состояния рельсовой линии и, как следствие, достаточно надежно происходило обнаружение поезда или разрушенного рельса.

Контакт реле воздействует на элементы конденсаторного дешифратора КД, основными функциями которого являются:

- идентификация тестовых сигналов и

- преобразование импульсных тестовых сигналов в постоянный ток для питания обмотки путевого реле . Фронтовой контакт реле непрерывно замкнут, если рельсовая линия свободна и отсутствует разрушенный рельс. Он разомкнут, если в пределах рельсовой линии имеется поезд или разрушенный рельс.

В зависимости от состояния контактов реле БУС формирует команду на включение той или иной лампы светофора.

Следует обратить внимание на то, что реле , КД и БУС не должны иметь опасных отказов.

Другим примером устройства с внешними специальными тестовыми сигналами является схема , приведенная на рис.19.

Рис.19. Принципиальная схема логического элемента И со специальными тестовыми сигналами

Период следования тестовых сигналов в виде импульсов постоянного тока существенно меньше длительности информационных импульсов и : . Защищенным принято считать состояние устройства, при котором на его выходе имеет место сигнал в виде константы ().

При отсутствии на выходе имеет место и ни один из отказов не может привести к появлению на выходе сигнала Конденсатор заряжен по цепи ; конденсатор по цепи ; конденсатор по цепи . При этом напряжение на выходе равно 0, т.е. При появлении первого импульса светодиод оптрона освещает базу фототриода , вследствие чего он открывается и конденсатор разряжается на светодиод . Вследствие этого освещает базу транзистора оптрона , который открывается. Тогда разряжается на светодиод оптрона , который освещает базу фототранзистора и последний открывается. Как следствие, разряжается на параллельное соединение и . заряжается во время такового импульса и разряжается на в интервале между импульсами. При появлении на входе следующего тестового импульса на выходе также появляется положительный импульс.

Таким образом во время токовых импульсов заряжается, а в интервалах между ними она разряжается на .

Можно сказать так же, что переменные составляющие последовательности импульсов шунтируются конденсатором , а постоянная составляющая выделяется на . Если произойдет отказ какого-либо элемента схемы, то прекратятся процессы заряда и разряда конденсаторов , , и на выходе установится сигнал , т.е. схема перейдет в защищенное состояние.

 

3.2.7. Устройство с внешними рабочими тестовыми сигналами

Примером устройства с внешними рабочими тестовыми сигналами является конденсаторный дешифратор импульсной рельсовой цепи постоянного тока, приведенной на рис.20.

Рис.20. Конденсаторный дешифратор

В качестве тестовых сигналов, с помощью которых осуществляется обнаружение отказов элементов КД используются сигналы, которые уже применены для оценки состояния РЛ. Это импульсные сигналы постоянного тока.

В качестве решающего устройства, с помощью которого определяется свободность рельсовой линии и целостность рельсовых нитей является импульсное поляризованное реле .

Функциями дешифратора является

- идентификация сигналов КРЛ и

- преобразование импульсных сигналов в непрерывные сигналы постоянного тока.

Отличительными признаками импульсных сигналов КРЛ на выходе РЛ являются их амплитуда, длительность и период следования.

Под действием этих сигналов происходит замыкания и размыкания контактов реле . Период и длительность этих процессов являются отличительными признаками, с помощью которых происходит идентификация сигналов КРЛ. Эти параметры сигналов КРЛ отличаются от аналогичных параметров возможных помех в рельсовой линии. Благодаря этому обеспечивается необходимая помехозащищенность рельсовой цепи.

Конденсаторный дешифратор работает следующим образом.

При замыкании тылового контакта реле конденсатор заряжается по цепи . При замыкании фронтового контакта реле конденсатор разряжается на параллельное соединение реле и С2 по цепи . Постоянные времени цепей заряда и разряда С1 подбираются таким образом, чтобы конденсатор полностью заряжался и разряжался только от тестовых сигналов, а от помех более высоких частот он не должен полностью заряжаться и отдавать необходимую энергию для притяжения якоря реле и замыкания его фронтового контакта.

Легко убедиться в том, что при отказе любого из элементов дешифратора реле обесточивается и вследствие этого размыкается его фронтовой контакт, а на светофоре включается лампа красного огня.

Сигнал КРЛ таким образом выполняют роль тестовых сигналов, с помощью которых проверяется (тестируется) отсутствие отказов элементов схемы.

3.2.8. Метод парирования отказов в многокомплексных системах с жесткой синхронизацией

Применение метода рассматривается ниже на примере двухкомплектной системы (рис.21).

Рис.21. Двухкомплектная система жесткой синхронизации

Жесткой называется потактная синхронизация работы нескольких комплектов, в данном случае двух.

На схеме показаны основные функциональные узлы: I и II комплекты с жесткой или программируемой логикой; устройство жесткой синхронизации комплектов ТС; устройство сравнения параметров сигналов УС; система перезапуска работы каналов СПЗ; ключ К; устройство синхронного ввода информации УВИ.

Сигналы в КТ представляют собой импульсы постоянного тока с уровнями, соответствующими логическим 1 и 0. Поэтому в КТ происходит сравнение сигналов по уровню (рис.22).

Рис.22. Эпюра сигналов КТ

В случае, если в обоих комплектах отсутствуют отказы, то во всех идентичных контрольных точках обоих комплектах сигналы будут одинаковыми, соответствующими логическим 1 или 0. тогда УС вырабатывает команду ключу К о передаче результатов обработки входной информации на выход системы.

Предполагается, что если произойдет отказ какого-либо элемента одного из комплектов, то нарушится идентичность уровней сигналов хотя бы в одной паре контрольных точек. В этом случае УС вырабатывает команду на закрытие ключа К, тем самым запрещает ему передачу результатов обработки информации на выход системы. Кроме того, система переводится в защищенное состояние, когда на ее выходе будет иметь место сигнал (рис.22).

Отказы не будут обнаружены, если они возникнут в обоих комплектах одновременно и вызовут одинаковые изменения параметров сигналов в контрольных точках. Тогда ключ К даст разрешение на использование ошибочных результатов обработки входной информации. Вероятность такого события тем выше, чем больше время накопления отказов. На рис.22 оно равно интервалу между отдельными моментами проверки идентичности сигналов, называемому интервалом контроля. Это объясняется тем, что если отказы произойдут в обоих комплектах в любые моменты одного интервала контро