Software & Systems

Автоматизация на железнодорожном транспорте является одним из наиболее перспективных направлений для решения задачи обеспечения безопасности движения поездов. В настоящее время разрабатывается система автоматического управления локомотивами (САУЛ) на станции, предназначенная для реализации таких функций, как:

·     устранение проездов на запрещающий сигнал при маневровых работах локомотивов на сортировочных станциях;

·     возможность экстренной остановки локомотива удаленно с поста дежурным по станции в случае возникновения аварийной ситуации;

·     отработка заданных маршрутов дежурным по станции без участия машиниста.

Полноценная функциональность системы САУЛ может быть обеспечена, если известно расположение на станции локомотивов, участвующих в маневровых работах. Для этого разрабатывается подсистема спутникового определения координат на базе систем глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS. При нахождении координаты локомотива определяется ближайший путь, геометрия которого заранее определена в цифровой модели путевого развития. Ошибкой первого рода в данном случае будет отсутствие позиции локомотива, что приведет к его простою. В случае возникновения ошибки второго рода (ложное позиционирование) возникает вероятность задания ложного маршрута, что может привести к аварии. Поэтому на средства спутниковой навигации (ССН) в системе САУЛ накладывается жесткое ограничение на точность: ошибка определения координаты локомотива с помощью ССН не должна превышать 0,5 метра.

Использование кинематики реального времени (real time kinematic – RTK). Метод определения координат, базирующийся на RTK, позволяет определять местонахождение фазового центра антенны движущегося объекта (ровера) с дециметровой точностью. Для обеспечения такого точного режима позиционирования к системе предъявляются следующие требования:

·     наличие стационарного навигационного приемника (базы) в точке с известными координатами, который с определенной периодичностью генерирует дифференциальные поправки;

·     наличие на базе и на ровере стабильного радиоканала для передачи от базы роверу дифференциальных поправок;

·     способность приемника разрешать неоднозначность целого числа циклов (основа RTK) для определения точного расстояния от каждого из видимых спутников до фазового центра антенны.

Кроме того, навигационные антенны на базе и ровере должны отсеивать переотраженные сигналы.

Оценка метода RTK для позиционирования локомотивов. Для проверки работоспособности метода RTK на железнодорожном транспорте в рамках системы САУЛ была проведена серия экспериментов для определения точностных характеристик. Первый эксперимент проводился для обнаружения ошибки при определении координаты статического объекта: имеется точная координата фазового центра антенны (эталонное значение); в течение нескольких дней производятся измерения координаты этого фазового центра при помощи спутниковой навигации по методу RTK. После обработки результатов была построена функция плотности распределения ошибки определения координаты относительно эталонной (рис. 1).

Таким образом, точностные характеристики определения статического объекта методом RTK следующие: максимальная ошибка определения координат составляет 15 см; ожидаемое значение ошибки составляет 9–12 см (75 % ).

Для оценки RTK в реальных условиях на крыше локомотива была закреплена антенна таким образом, чтобы ее фазовый центр находился над осью пути (линией, проходящей точно по центру между двумя рельсами). Другими словами, антенна крепится в геометрической середине локомотива по ширине. Для проведения эксперимента необходимо построить геометрическую модель пути, чтобы сопоставлять локомотив конкретному пути и оценивать ошибку позиционирования. Для этого производится серия геодезических измерений вдоль пути по его оси через каждые 50 метров на ровных участках и через 15 метров на неровных или стрелочных участках (рис. 2).

По набору точек, снятых геодезическими приборами, строится модель, представляющая собой полином 3-й степени (эмпирическая функция: yэмпир=a3x3+a2x2+a1x+a0). Затем по формуле определяется ∆y и минимизируется с целью поиска оптимальных коэффициентов ai для нахождения функции, максимально близко проходящей к замеренным точкам (рис. 3), то есть используется метод наименьших квадратов. Определив уравнение оси пути y(x), можно собрать статистику c приемника локомотива и оценить точность определения координаты. Метод оценки следующий: для каждого из замеров координат локомотива (xi,yi) ищется наименьшее расстояние от этой координаты до кривой y(x), представляющей геометрическую модель пути. Найденное расстояние и будет являться ошибкой определения координаты локомотива ∆ri (рис. 4).

После обработки результатов была построена функция плотности распределения ошибки позиционирования (рис. 5). Точностные характеристики после проведения опыта следующие: максимальная ошибка определения координат составляет 33 см; ожидаемое значение ошибки – 18–26 см (~75 %).

Использование сверхточного позиционирования локомотивов на станции методом RTK позволит решить одну из главных задач системы САУЛ – быстрое и надежное определение координат подвижных единиц. Необходимо отметить: реализаций алгоритмов RTK много, это зависит от оборудования и производителя программного обеспечения. Для железных дорог в рамках системы САУЛ разрабатывается своя реализация метода, учитывающая некоторые тонкости железнодорожной специфики, позволяя еще увеличить точность и надежность определения координат. Также следует отметить, что алгоритм определения координат использует сглаживающие фильтры, отсеивающие резкие скачки результатов, тем самым делая систему определения координат еще более эффективной. Эксперименты, представленные в статье, проводились на станции Солнечная Московской железной дороги.