modelowanie stacyjnych systemów sterowania ruchem kolejowym

160
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
ISSN 1230–9265
PRACE NAUKOWE • TRANSPORT • z. 65
Wiesław Zabłocki
235
MODELOWANIE STACYJNYCH SYSTEMÓW
STEROWANIA RUCHEM KOLEJOWYM
OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
WARSZAWA 2008
SPIS TREŚCI
Słownik poje˛ciowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Wykaz najważniejszych oznaczeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1. WPROWADZENIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.1. Modelowanie systemu srk na tle procesu transportowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2. Stan zagadnienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. Cel i zakres pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2. SYSTEM STEROWANIA RUCHEM KOLEJOWYM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1. System srk i zadanie sterowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2. Opis nieformalny i formalny systemu srk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3. Droga przebiegu i przebieg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4. Sterowanie na stacji. Sprzeczność dróg przebiegów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5. Wybrane dokumenty opisu nieformalnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3. MODELOWANIE SYSTEMU srk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1. Model systemu srk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2. Odwzorowanie układu torowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3. Model drogi przebiegu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4. Statyczne i dynamiczne struktury informacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5. Przykład struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6. Własności drogi przebiegu i przebiegu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4. RELACJE, FUNKCJE I RÓWNANIA ZALEŻNOŚCIOWE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1. Relacje i funkcje sprzeczności dróg przebiegów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1. Sprzeczność statyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.2. Wyznaczanie wartości funkcji sprzeczności statycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.3. Sprzeczność dynamiczna i równania zależnościowe sprzeczności . . . . . . . . . . . 87
4.2. Funkcje i równania zależnościowe przebiegu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.1. Wste˛p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2. Podstawowe stany przebiegu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3. Predyspozycje przebiegowe i kryteria zwalniania przebiegu . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.4. Wyznaczanie wartości predyspozycji i kryteriów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.5. Stan przebiegu w rzeczywistym systemie srk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3. Funkcje zależnościowe i sygnały obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.1. Funkcje zależnościowe odwzorowuja˛ce stany przebiegów w obiektach . . . . . . . 108
4.3.2. Funkcje stanu własnego obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.3. Funkcje sygnałów wyjściowych z obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4. Przetwarzanie funkcji zależnościowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5. Przykłady funkcji i równań zależnościowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5. SYMULATOR SYSTEMU srk i EKSPERYMENTY SYMULACYJNE . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.1. Wybór metody symulacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2. Program zarza˛dzaja˛cy symulacja˛ w środowisku systemu operacyjnego czasu rzeczywistego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.3. Programy symulatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4. Symulator stanowisko badawcze s2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.5. Uwarunkowania poprawności modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.6. Eksperymenty symulacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6. PODSUMOWANIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
ZAŁA˛CZNIK 1. Oznaczenia sygnałów i wektorów sygnałów w obiekcie . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
ZAŁA˛CZNIK 2. Macierz dynamiczna MD stanów obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
ZAŁA˛CZNIK 3. Sygnały i wektory poszczególnych typów obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
ZAŁA˛CZNIK 4. Stanowisko symulatora S2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
ZAŁA˛CZNIK 5. Odwzorowanie przebiegu A−D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Summary. Modelling of station systems of railway traffic control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 65
Transport
2008
Wiesław Zabłocki
Wydział Transportu
MODELOWANIE STACYJNYCH SYSTEMÓW
STEROWANIA RUCHEM KOLEJOWYM
Re˛kopis dostarczono 19.05.2008 r.
Efektywne i bezpieczne sterowanie ruchem kolejowym na stacji jest realizowane przez
złożone systemy srk. Jedna˛ z podstawowych metod badania systemu srk jest metoda modelowania prowadza˛ca do badań symulacyjnych z zastosowaniem symulatora komputerowego. Metoda
modelowania wpisuje sie˛ w schemat przyje˛tej metody badawczej. W pracy określono ogólne
i szczegółowe cele modelowania systemu srk.
Podstawowym celem modelowania jest wnioskowanie o zachowaniu systemu rzeczywistego
srk, który odwzorowuje zadania sterowania. Na podstawie opisu nieformalnego powstał opis
formalny systemu srk, reprezentowany przez model systemu steruja˛cego. Model systemu steruja˛cego MSS obejmuje model statyczny MSTA i model dynamiczny MDYN.
Informacje modelu statycznego i dynamicznego sa˛ odwzorowywane przez dwie struktury
statyczne i dwie struktury dynamiczne.
Struktury statyczne zawieraja˛ informacje: o własnościach obiektów w drogach przebiegu na
stacji, wartości funkcji sprzeczności dla dróg przebiegów wyróżnionych na stacji.
Struktury dynamiczne tworza˛ rejestr przebiegów i stanów przebiegów wyste˛puja˛cych na stacji
i przechowuja˛ wartości sygnałów odwzorowuja˛cych stan urza˛dzeń zewne˛trznych na stacji.
Model systemu srk złożony jest zbioru automatów odpowiadaja˛cych drogom przebiegów
i obiektom. Każdy przebieg odpowiadaja˛cy konkretnej drodze przebiegu jest traktowany jako
skończony automat sekwencyjny o określonych wejściach i wyjściach oraz własnym stanie
wewne˛trznym. Podobnie opisywane sa˛ również obiekty urza˛dzenia zewne˛trzne.
Statyczne własności drogi przebiegu i dynamiczne własności przebiegu staja˛ sie˛ podstawa˛
formalizacji zależności, ze szczególnym uwzgle˛dnieniem funkcji sprzeczności dróg przebiegów.
Własności drogi przebiegu i przebiegu pozwalaja˛ sformułować relacje modelu systemu steruja˛cego. Do relacji tych należa˛ relacje zależnościowe, które wyrażaja˛: warunki sprzeczności lub
niesprzeczności dróg przebiegów, predyspozycje przebiegowe, kryteria zwalniania oraz pozostałe relacje opisuja˛ce zmiany stanu systemu srk. Na podstawie relacji i funkcji zależnościowych
tworzone sa˛ równania zależnościowe, wyznaczaja˛ce wartości sygnałów zmiennych stanu przebiegów i obiektów oraz sygnałów wyjściowych obiektów do zewne˛trznych urza˛dzeń wykonawczych tych obiektów.
Zasady formalizacji systemu srk zostały dostosowane do koncepcji cyklicznego przetwarzania
równań zależnościowych dla każdego przebiegu. Stan procesu zachodza˛cego w systemie i stany
4
Słownik poje˛ciowy
obiektów sa˛ wczytywane na pocza˛tku każdego cyklu przetwarzania. Po wczytaniu sygnałów od
obiektów naste˛puje przetwarzanie informacji o przebiegach i poleceniach do obiektów, zakończone wyznaczeniem nowych stanów przebiegów i obiektów oraz generacja˛ poleceń
sygnałów
wyjściowych obiektów do urza˛dzeń wykonawczych obiektów. Przeprowadzone eksperymenty
symulacyjne dla zadanych ograniczeń i przykładowo przyje˛tego układu torowego potwierdzaja˛,
że koncepcja opisu formalnego systemu oraz przygotowane na podstawie tego opisu oprogramowania symulatora systemu srk sa˛ poprawne i spełniaja˛ warunek przetwarzania w czasie rzeczywistym. Uzyskane wyniki modelowania i symulacji sa˛ istotne m.in. z naste˛puja˛cych wzgle˛dów:
opracowany model systemu srk staje sie˛ forma˛ standaryzacji opisu takiego systemu,
opracowany opis formalny stwarza podstawy do:
zastosowania nowoczesnych metod projektowania oprogramowania, uwzgle˛dniaja˛cych
je˛zyk UML lub metody specyfikacji formalnej, np. logiki modalnej,
projektowania oprogramowania rzeczywistego systemu zależnościowego,
Słowa kluczowe: transport kolejowy, ruch kolejowy, system sterowania, stacja, droga przebiegu, przebieg, sprzeczność, zależności stacyjne, modelowanie, symulacja
Summary
179
MODELLING OF STATION SYSTEMS
OF RAILWAY TRAFFIC CONTROL
Summary
Effective and safe automatic train control (ATC) at station is conducted by means of composed ATC systems. One of the basic methods for testing an ATC system is the modelling
method leading to simulation research using a computer simulator. The modelling method fits
into a frame of adopted research method. General and detailed modelling goals of ATC system
have been defined in chapter 1.3 and in chapter 6. The basic purpose of modelling is to draw
conclusions about the behaviour of a real ATC system that reflects controlling tasks. On the
basis of an informal description, a formal description of ATC system has been made represented by the control system model. The control system model MSS includes a static model MSTA
and a dynamic model MDYN.
Informations fed by the static and dynamic models is reflected by two static structures and two
dynamic structures. The static structures include data about: properties of objects in route at the
station, values of conflict function for routing processes identified at the station. The dynamic
structures establish a register of the routing processes and statuses of processes taking place at the
station and store values of signals reflecting the status of external devices at the station.
The ATC system model consists of a set of automatons corresponding to routes and objects.
Each routing process corresponding to a specific routing process is treated as finite sequential
automaton of defined inputs and outputs and its own internal state. Objects external devices
are also described in a similar way.
Static properties of the route and dynamic properties of the routing process become a basis
for formalisation of dependence with a special focus on the route conflict function.
Properties of the routes and the routing process itself allow to formulate relations of the
control system model. The relations include dependence relations that express conditions of
conflict or lack of conflict between routing processes, process predispositions, slowing down
criteria and other relations describing changes in ATC system status. On the basis of relations
and dependence functions, dependence equations are created, thus determining values of signals
of variables of the processes and object states and output signals of objects to external executive devices of the objects.
The ATC system formalisation rules have been tailored to the concept of cyclical processing
of dependence equations for each process. The state of a process ongoing in the system and states
of objects are fed at the beginning of each processing cycle. Processing of processes and orders
data to objects commence after the signals from objects have been fed and they finish with
determination of new states of the processes and objects as well as generation of orders output
signals of the objects to the executive devices of the objects. The conducted simulative experiments
for the assumed limitations and the adopted track system confirm that the concept of a formal
description of the system and software programs, prepared on the basis of that description, for the
ATC system simulator, is correct and meets the requirement of real-time processing.
The obtained modelling and simulation results are essential inter alia for the following reasons:
the prepared model of ATC system becomes a form of standardisation of description of
such a system,
the prepared formal description constitutes the basis for:
application of modern methods of software designing, taking into consideration UML
language or formal specification methods, e.g. modal logic,
designing software of the real dependence system.
Key words: rail transport, railway traffic, control system, station, route, conflict, station relations, modelling, simulation.