Szacowanie funkcjonalności i bezpieczeństwa systemów
Transkrypt
Szacowanie funkcjonalności i bezpieczeństwa systemów
PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 95 Transport 2013 Andrzej Toru Instytut Kolejnictwa Lucyna Bester Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im Kazimierza Puaskiego w Radomiu Wydzia Transportu i Elektrotechniki Mirosaw Siergiejczyk Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu SZACOWANIE FUNKCJONALNOCI I BEZPIECZESTWA SYSTEMÓW STEROWANIA RUCHEM KOLEJOWYM Rkopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono koncepcj systemu dodatkowego ostrzegania kierowców na niestrzeonych przejazdach kolejowych kategorii D opartego o wykorzystanie publicznych otwartych systemów transmisji danych. Dla systemu takiego przeprowadzona zostaa analiza bezpieczestwa z wykorzystaniem procesów Markowa w celu oszacowania wpywu proponowanego dodatkowego systemu ostrzegania na bezpieczestwo ruchu pojazdów. W celu oszacowania moliwoci budowy takiego systemu dokonano analizy funkcjonalnej dla przykadowej konfiguracji systemu zbudowanej z ogólnodostpnych na rynku typowych elementów (moduów). Analiza funkcjonalna oparta zostaa o metod FTA a do wyliczenia wspóczynnika gotowoci oraz parametrów MTBF systemu wykorzystano oprogramowanie Windchill Quality Solutions. Sowa kluczowe: Systemy zabezpieczenia przejazdów, transmisja otwarta, niezawodno systemów 1. WPROWADZENIE Pomimo i przejazdy kategorii D i C lokowane s w miejscach o maym nateniu ruchu (kategoria przejazdu ustalana jest wg iloczynu ruchu okrelonego w Rozporzdzeniu [7]) drogowego i kolejowego, to liczba wypadków na tych przejazdach jest ponad dwukrotnie wiksza ni na przejazdach wyposaonych w systemy ssp oraz pórogatki 476 Andrzej Toru, Lucyna Bester, Mirosaw Siergiejczyk (przejazdy kat A i B). Wedug danych statystycznych [1] sprawcami wypadków na przejazdach kat D i C byli w gównej mierze uytkownicy dróg, w zwizku z tym podjto dziaania na rzecz poprawy bezpieczestwa na tzw. niestrzeonych przejazdach kolejowych czyli przejazdach kat. D i C. Proponowany w artykule system ostrzegania, którego struktur funkcjonowania przedstawiono na Rys. 1 opiera si na radiowej transmisji danych. Koncepcja systemu opiera si na informowaniu kierowców znajdujcych si w obrbie danego przejazdu kolejowego o zbliajcym si do przejazdu pocigu. Komunikaty ostrzegawcze wysyane s bezporednio do pojazdu oraz na tablic zmiennej treci (tablica ledowa) ustawion przed przejazdem kolejowym, ostrzeganie odbywa si w formie obrazowej i/lub dwikowej w postaci krótkiego komunikatu „uwaga pocig”. CS transmisja radiowa sie sensorowa sie sensorowa STOP transmisja radiowa SPI KIC KIC KIC SPI transmisja radiowa transmisja radiowa MRKC MRK KIC MRKC SD SUZ SUZ SPI UZK SUZ KIC karta interfejsu czujników SUZ sterownik ukadu zasilania MRKC modu radiowokryptograficzny czujników MRK modu radiowokryptograficzny SD sterowniki decyzyjne UZK urzdzenia zdalnej kontroli CS centrum sterowania Rys. 1. Struktura realizacji dodatkowego systemu ostrzegania kierowców na przejazdach kolejowych kat. D lub C [ródo: opracowanie wasne] Do transmisji komunikatów ostrzegawczych waciwe jest wykorzysta znormalizowane standardy i dobra pasma czstotliwoci, które bd wspódziaay z samochodowymi systemami informacji montowanymi fabrycznie w rónych modelach samochodów. W pojazdach niewyposaonych fabrycznie we wspomniane systemy, efektywnym rozwizaniem do przekazywania informacji drog radiow jest korzystanie z profesjonalnego urzdzenia PDA (Personal Digital Assistant- rodzaj Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczestwa systemów sterowania ruchem kolejowym 477 przenonego komputera osobistego) - funkcjonujcych ju na rynku, które w swoim dziaaniu wykorzystuj m. in. usug informowania o biecej sytuacji na drodze. Atutem proponowanego rozwizania ostrzegania jest dostarczanie kierujcym aktualnych i wiarygodnych informacji, które s dostarczane bezporednio do pojazdu i wywietlane w komputerach pokadowych oraz poprzez podawanie komunikatów ostrzegajcych na tablicach zmiennej treci wykonanych w technice LED, co moe by poczone z nadawaniem sygnau dwikowego. 2. ANALIZA BEZPIECZESTWA SYSTEMU Poziom bezpieczestwa na niestrzeonym przejedzie wyposaonym w dodatkowy system ostrzegania oszacowano na podstawie wyznaczenia prawdopodobiestwa wystpienia zdarzenia zdefiniowanego tu, jako zderzenie pojazdu z pocigiem w modelu matematycznym stan ten jest opisany Sk. Istotnym czynnikiem oceny stanu bezpieczestwa przejazdu jest analiza zaistniaych wypadków, ich przyczyn, skutków oraz prawdopodobiestw ich wystpienia. W tym celu wykorzystano procesy stochastyczne w postaci jednorodnych stacjonarnych i ergodycznych procesów Markowa, modelujcych przebieg funkcjonowania systemu dodatkowego bezprzewodowego ostrzegania kierowców oraz zjawisk zachodzcych na niestrzeonych przejazdach kolejowych. Metoda ta daje moliwo oszacowania granicznych wartoci prawdopodobiestw wystpienia sytuacji niebezpiecznej. Rys. 2. Model matematyczny systemu dodatkowego ostrzegania kierowców na przejazdach kat. D lub C [ródo: opracowanie wasne] 478 Andrzej Toru, Lucyna Bester, Mirosaw Siergiejczyk W modelu na rysunku 2 zdefiniowane zostay niej opisane stany: Stan 0 – stan, w którym nie ma zagroenia - pojawi si pocig i nie pojawi si samochód - pojawi si samochód i nie pojawi si pocig Stan 1 – kierowca nie otrzyma komunikatu i nie zatrzyma si przed przejazdem Stan 2 - kierowca nie otrzyma komunikatu i zatrzyma si przed przejazdem Stan 3 - kierowca otrzyma komunikat i nie zatrzyma si przed przejazdem Stan 4 - kierowca otrzyma komunikat i zatrzyma si przed przejazdem Stan Sk – Stan katastroficzny, kierowca wjecha pod nadjedajcy pocig Przejcia pomidzy poszczególnymi stanami okrelaj: 1, 2, 3, 4, 5, 6 – intensywnoci przejcia do danego stanu 1, 2, 3, 4, 5 – intensywno powrotu do stanu bez zagroenia „0”: [1]. Model przedstawiony na rysunku Rys. 2 mona opisa ukadem równa operatorowych, w których wykorzystujc przeksztacenia Laplace’a otrzymano ukad równa Komogorowa (1): s ° °s °° s ® °s °s ° ¯° s ( O 1 O 2 O 3 O 4 ) P0 P 1 P1 P 2 P2 P 3 P3 P 4 P4 P 5 Pk O 1 P0 ( P 1 O 5 ) P1 O 2 P0 P 2 P2 O 3 P0 ( P 3 O 6 ) P3 O 4 P0 P 4 P4 O 5 P1 O 6 P3 P 5 Pk P0 1 P1 P2 P3 P4 Pk (1) W wyniku rozwizania ukadu równa (1) obliczajc granic przy t¤¥ dla kadego stanu, otrzymano równanie graniczne opisujce prawdopodobiestwo wystpienia kadego stanu. Do analizy wpywu proponowanego dodatkowego systemu ostrzegania na bezpieczestwo ruchu na przejedzie kolejowym najistotniejszym jest stan Sk jest to stan katastroficzny. Prawdopodobiestwo wystpienia sytuacji katastroficznej Sk opisane zostao równaniem (2). Sk Sk (t )t of P 2 (O3O6 (O5 P1 ) O1O5 (O6 P3 ) P 4 ) O1P 2 (O6 P3 ) P 4 (O5 P5 ) (O5 P1 )((O6 P3 )(O4 P 2 (O2 P 2 ) P4 ) P5 O3P 2 P 4 (O6 P5 ))) (2) Przyjmujc typowe wartoci parametrów i zgodne z warunkami wyznaczania i obliczania wspóczynników natenia ruchu okrelone w zaczniku 2 do Rozporzdzenia [7]: 1=0,00089 [h-1], 2=0,00011 [h-1], 3=0,00078 [h-1], 4=0,0052 [h-1], 5=0,0000001 [h1 ], 6=0,000000068 [h-1], 1=0,0016 [h-1], 2=0,083 [h-1], 3=0,0016 [h-1], 4=0,13 [h-1], 5=0,33 [h-1], obliczono graniczne prawdopodobiestwo wystpienia stanu Sk dla zaoonego iloczynu ruchu 14 400, który szczegóowo zosta opisany w pracach [3,5]. W wyniku oblicze otrzymano Sk = 1,1·10-7. Jako punkt odniesienia do wyznaczenia poziomu bezpieczestwa przejazdu z dodatkowym systemem ostrzegania przeprowadzono analiz modeli podstawowych przejazdów kat. D i C bez dodatkowego systemu ostrzegania [1,3,5]. Porównanie uzyskanych wartoci prawdopodobiestwa Sk przedstawiono w Tablicy 1. [1,3,5] Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczestwa systemów sterowania ruchem kolejowym 479 Tablica 1 Zestawienie wartoci prawdopodobiestwa Sk dla rónych wariantów przejazdów Kat. przejazdu C D z dodatkowym ostrzeganiem Prawdopodobiestwo Sk 4,9·10-6 7.6·10-5 1,1·10-7 Jak wida na zestawieniu przedstawionym w Tablicy 1 zastosowanie dodatkowego systemu ostrzegania na przejazdach kolejowych istotnie wpywa na popraw bezpieczestwa ruchu pojazdów. Szczegóowa analiza i wyniki oblicze dla poszczególnych wariantów przejazdów kolejowych zostay zamieszczone w pracach [1,3,5]. Kolejnymi istotnymi wskanikami oceny bezpieczestwa systemu jest kryterium czasowe, w postaci oszacowania redniego czasu do wystpienia sytuacji katastroficznej TMTF (Sk). Wyznaczone ono zostao zgodnie z zalenoci (3). [1,3,5] f T MTF ³ R ( t ) dt (3) 0 oraz bezpieczestwo systemu B dla modelu z dodatkowym ostrzeganiem kierowców opisane zalenoci (4). [1,3,5] B 1 PN ª n º 1 lim « ¦ Pi (t ) » tof ¬i 1 ¼ (4) W przypadku proponowanego systemu dodatkowego ostrzegania uzyskano nastpujce wartoci tych parametrów: TMTF= 4,02592·1011 [h] oraz B=0,999997007. Naley nadmieni, e wprowadzajc nowy system do eksploatacji musi on zapewnia przynajmniej ten sam poziom bezpieczestwa, co dotychczas wykorzystywane systemy na przejazdach kolejowych, w przypadku proponowanego systemu dodatkowego ostrzegania stwierdzono, e w istotny sposób poprawia on bezpieczestwo ruchu. 3. ANALIZA FUNKCJONALNA SYSTEMU Analiza bezpieczestwa prowadzona z wykorzystaniem procesów stochastycznych Markowa wykazaa istotn popraw bezpieczestwa na przejazdach kolejowych, jednak funkcjonalno proponowanego systemu dodatkowego ostrzegania jest pochodn jego niezawodnoci i dostpnoci do sterowania. Zgodnie z przyjt w pracy ide system dodatkowego ostrzegania moe zosta zbudowany z zastosowaniem typowych elementów (moduów) sterowania oraz elementów 480 Andrzej Toru, Lucyna Bester, Mirosaw Siergiejczyk nadawczo odbiorczych umoliwiajcych wspóprac z publicznymi sieciami teletransmisyjnymi, które z zaoenia posiadaj ograniczenia zwizane m.in. z dostpnoci, podatnoci na zakócenia, czy opónieniami [1,4]. W konsekwencji analiza funkcjonalna ma da odpowied na pytanie „Czy moliwe jest zbudowanie systemu o wymaganej niezawodnoci dziaania oraz oczekiwanej dostpnoci w oparciu o ogólnie dostpne moduy sprztowe?”. W celu okrelenia parametrów niezawodnociowych proponowanego systemu odtworzono struktur blokow systemu zgodn z Rys. 1. skadajc si z 2 punktów terenowych – podsystem detekcji oraz podsystem decyzyjny, sterujcy systemem ostrzegania, pomidzy którymi wymiana danych odbywa si z wykorzystaniem systemu transmisji radiowej opartej o publiczny standard sieci otwartych. Analiza funkcjonalna przeprowadzona zostaa dla sytemu w konfiguracji 2 z 2 w architekturze szeregowej poszczególnych elementów skadowych. Struktura taka jest najbardziej niekorzystna z niezawodnociowego punktu widzenia, poniewa uszkodzenie dowolnego elementu powoduje niezdatno systemu. Dla potrzeb symulacji zaoono wykorzystanie standardowych dostpnych na rynku elementów o znanych parametrach techniczno – eksploatacyjnych, dostosowanych do pracy w rodowisku przemysowym o wasnociach rodowiskowych nie gorszych ni moliwo pracy zakresie temperatur: -300C +700C i wilgotnoci wzgldnej 95%. Na podstawie ogólnodostpnych danych katalogowych, jako przykadowe wytypowane zostay moduy produkcji Firmy KONTRON oraz firm Satel i SICK [2]: • SR-EBC1 - karta procesora przeznaczona jest do zarzdzania kaset/kasetami SR wraz z zainstalowanymi kartami obiektowymi typu SR-xxx, • SR-IO2 - karta wyj uniwersalnych, która przeznaczona jest do sterowania urzdzeniami oraz kontroli cigoci obwodów systemów zewntrznych. • SR-IO3 - karta wej uniwersalnych, która przeznaczona jest do zbierania stanu urzdze sygnaów z zestyków przekanikowych, optoizolacji lub innych form dystrybucji sygnaów, • SR-LICZ – karta do wspópracy z czujnikiem koa, • SR-TOP – karta sterujca sygnalizatorami ToP. oraz dostpne na rynku typowe: • radiowe moduy transmisji firmy Satel – Satelline -2ASxE, • sie sensorow wykorzystujc sensory odlegoci firmy SICK (DML-40-2 przystosowane do detekcji w zakresie od 0.5m do 1200m). Do oszacowania niezawodnoci dla tak zdefiniowanego systemu wykorzystano komputerowy pakiet wspomagania oblicze niezawodnociowych Windchill Quality Solutions (znany pod wczeniejsz nazw Relex), umoliwiajcy prac w rodowisku Microsoft Windows. Pakiet ten opracowany zosta przez firm ReliaCore. Oprogramowanie skada si z 11 narzdzi do analizy niezawodnociowej umoliwiajcych midzy innymi prowadzenie analiz FTA, FMEA, wyznaczania wskaników niezawodnociowych THR, MTBF. (program [6] w wersji demo dostpny jest na stronie www.reliacore.eu) Dla potrzeb wyznaczenia parametrów dla poszczególnych moduów systemu wykorzystano TelCordia SR 2.3.2 edycja 2 odpowiednik standardu MIL-217F-HDBK. Zgodnie z zaoeniami przyjtymi do oblicze oraz wykorzystujc efektywn dla potrzeb oceny systemu analiz FTA [4], przyjto szeregow architektur systemu Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczestwa systemów sterowania ruchem kolejowym 481 oraz, e kada usterka prowadzi do stanu niezdatnoci i wymusza przejcie do stanu naprawy. Poniewa system ma struktur moduow, a komponenty zostay wykonane w technologii „hot-swap” pozwalajcej na wymian uszkodzonego pakietu, czy moduu bez koniecznoci wyczania zasilania, przyjto maksymalny czas naprawy zwizany z dotarciem serwisu i usuniciem usterki równy 8 godzin. W celu oszacowania wasnoci funkcjonalnych przykadowej implementacji technicznej systemu dodatkowego ostrzegania kierowców na przejazdach kolejowych wyznaczono dwa podstawowe parametry niezawodnociowe dla tego systemu, MTBF (redni czas pomidzy uszkodzeniami) oraz wskanik gotowoci technicznej Kg rozumiany jako zdolno systemu do realizacji zaoonych zada. W teorii niezawodnoci uogólniony wspóczynnik gotowoci okrelany jest, jako prawdopodobiestwo zdarzenia polegajcego na tym, i system jest w stanie sprawnoci w dowolnym momencie czasu t zgodnie z przyjtym modelem niezawodnoci. Dla potrzeb niniejszej pracy przyjto stacjonarn posta tego wskanika wyraon równaniem (5) w postaci; ܭ ൌ ܶ ܶ ܶ gdzie: Tpp – czas poprawnego dziaania systemu (w uproszczeniu przyjmuje si redni czas pomidzy wystpieniem usterki, MTBF) Ton – czas oczekiwania na usunicie uszkodzenia, w obliczeniach dla rozpatrywanego systemu przyjto 8h. (5) Na Rys. 3 przedstawiony zosta zapis formalny struktury systemu odzwierciedlony w programie Windchill Quality Solutions (program [6] w wersji demo dostpny jest na stronie www.reliacore.eu). 482 Andrzej Toru, Lucyna Bester, Mirosaw Siergiejczyk Rys. 3. Obraz ekranu struktury systemu w zapisie oprogramowania Windchill Quality Solutions [ródo: opracowanie wasne] W wyniku przeprowadzonych oblicze uzyskano niej przedstawione wspóczynniki poziomu uszkodze, które w prosty sposób analityczny pozwalaj na wyznaczenie wskaników MTBF oraz wskanika gotowoci technicznej Kg: a) dla pojedynczego punktu detekcji – punkt terenowy oznaczony w programie, jako podsystem S1, lub S3 (ze wzgldu na identyczn architektur i zastosowane komponenty), uzyskano wspóczynnik poziomu uszkodze (failure rate): S1,3=29.010878·10-6 [h-1] przy czym sam system komputerowy sterujcy w konfiguracji 2 z 2 charakteryzowa si wspóczynnikiem poziomu uszkodze równym: S1-1,3-1=20.153735·10-6 [h-1] b) dla punktu decyzyjnego – punkt oznaczony w programie, jako podsystem S2, uzyskano wspóczynnik poziomu uszkodze: S2=20.852397·10-6 [h-1] przy czym sam system komputerowy sterujcy w konfiguracji 2 z 2 charakteryzowa si wspóczynnikiem poziomu uszkodze równym: S2-2=11.519064·10-6 [h-1] Korzystajc z zalenoci (6): ܨܤܶܯൌ ͳ ߣ௦ (6) Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczestwa systemów sterowania ruchem kolejowym 483 Wyznaczone zostay poszczególne rednie czasy do wystpienia uszkodzenia MTBF (w przypadku rozpatrywanego systemu - dowolnego uszkodzenia): a) dla pojedynczego punktu detekcji: MTBFS1,3=34 470 [h] przy czym sam system komputerowy sterujcy w konfiguracji 2 z 2 charakteryzowa si wspóczynnikiem poziomu uszkodze równym: MTBFS1-1,3-1=49 619 [h] b) dla punktu decyzyjnego – punkt oznaczony w programie, jako podsystem S2, uzyskano wspóczynnik poziomu uszkodze (failure rate): MTBFS2=49 756 [h] przy czym sam system komputerowy sterujcy w konfiguracji 2 z 2 charakteryzowa si wspóczynnikiem poziomu uszkodze równym: MTBFS2-2=86 813 [h] W konsekwencji dla proponowanego systemu o strukturze jak na rys 1 skadajcego si z 2 punktów terenowych detekcji oraz jednego podsystemu decyzyjnego zbudowanych w konfiguracji 2 z 2 oraz poczonych ze sob radiow sieci transmisji uzyskano wspóczynniki S i MTBFS równe: S=78.874153·10-6 [h-1] MTBFS=12 678 [h] Oznacza to, e redni czas do wystpienia uszkodzenia dla proponowanego systemu wynosi ok 1.5 roku. Podkreli naley, e uszkodzenie takie nie prowadzi jeszcze do powstania sytuacji niebezpiecznej, zagraajcej bezpieczestwu prowadzenia ruchu, a jedynie ogranicza dostpno systemu do czasu usunicia usterki. Poniewa rozpatrywany system jest systemem dodatkowego ostrzegania na przejazdach kolejowych osignicie wskanika gotowoci technicznej na poziomie 3·10-4, (Kg=0.999369) uznaje si za wystarczajce. 4. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy analizy (bezpieczestwa i niezawodnoci) wykazay, i zastosowanie dodatkowego systemu ostrzegania kierowców na przejazdach kolejowych kategorii C i D zbudowanego w oparciu o typowe ogólnie dostpne elementy (karty, komputery, sensory, czujniki) oraz wykorzystaniu publicznych otwartych standardów transmisji bezprzewodowej powoduje istotne ograniczenie prawdopodobiestwa wystpienia zdarzenia katastroficznego, a tym samym podwyszone jest bezpieczestwo na przejazdach kolejowych. 484 Andrzej Toru, Lucyna Bester, Mirosaw Siergiejczyk Analiza funkcjonalna dla przykadowego systemu zbudowanego o ogólnie dostpne elementy i moduy wykazay, e mona zbudowa system o zadowalajcych parametrach niezawodnociowych, który ze wzgldu na zastosowane elementy moe stanowi atrakcyjn ekonomicznie alternatyw poprawy bezpieczestwa na przejazdach kolejowych. Podkreli naley, e obliczenia i analizy miay na celu potwierdzenie tylko pewnych zaoe dla systemu dodatkowego ostrzegania oraz pozwoliy na uzyskanie odpowiedzi na pytanie, co do sensu obranego kierunku poprawy bezpieczestwa na przejazdach kolejowych kategorii D. Bibliografia 1. Bester L. „Analiza zintegrowanego systemu bezpieczestwa w transporcie ldowym na przykadzie przejazdów kolejowych”, Rozprawa doktorska Wydzia Transportu i Elektrotechniki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im Kazimierza Puaskiego w Radomiu, Radom padziernik 2012. 2. Karty katalogowe elementów produkcji firm KONTRON, Satel, SICK. 3. Lewiski A., Bester L.: „The Analysis of Transmission Parameters in Railway Cross Level Protection System with Additional Warning of Car Drivers”. Telematics in the Transport Environment, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012. 4. Lewiski A., Toru A., Perzyski T.: „Risk Analysis as a Basic Method of Safety Transmission System Certification”. Modern Transport Telematics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011. 5. Lewiski A., Bester L.: “Additional warning system for cross level”. Transport System Telematics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010. 6. Relex 7 Visual Reliability Software – Reference Manual. 7. Rozporzdzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 26 lutego 1996 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiada skrzyowania linii kolejowych z drogami publicznymi i ich usytuowanie” (Dz. U. Nr 33 poz. 144). THE FUNCTIONALITY AND SAFETY ASSESSING OF RAIL CONTROL COMMAND SYSTEMS Summary: This paper presented the concept of an additional warning system for unguarded level crossings D category, based on the use public open data transmission standards. In order to assess the impact of this additional warning system for traffic safety was performed the safety analysis with the use on Markov models. In order to assess the possibility of building such an additional warning system, was performed the functionality analysis for sample system configuration (based on available on the market of typical elements). The functional analysis based on the FTA method, ready ratio and MTBF parameters of the system was performed used Windchill Quality Solution software. Keywords: systems reliability, level crossing safety, open data transmission systems