Математическое моделирование управления движения поезда (стр. 2 из 4)

Система управления энергией в режиме реального времени подсказывает инженеру поезда, как наиболее эффективно использовать установку. Входными данными для этой системы являются: профиль и качество пути, ограничения по скорости, расписание, загрузка поезда, максимальная развиваемая мощность. Исходя из этих данных, система может определить оптимальный по расходу топлива режим работы двигательных установок, согласующийся с заданным расписанием и требованиями безопасности. Рекомендации системы, профиль и качество пути, местоположение и скорость поезда могут отображаться с помощью бортовой системы индикации.

Бортовая система индикации обеспечивает человеко-машинный интерфейс для машиниста. На нее может выводиться информация из системы анализа и отображения информации на локомотиве, системы управления энергией и блока управления данными. Специальные клавиши позволяют машинисту просматривать различные данные.

Блок управления данными представляет собой шлюз между всеми бортовыми системами поезда и глобальной сетью передачи данных, к которой подключены все поезда, диспетчеры и прочие пользователи.

Отслеживание маршрутов движения поездов осуществляется с помощью подключенных к сети передачи данных ответчиков местоположения и глобальной спутниковой системы указания местоположения. Система анализа и отображения информации на локомотиве может вычислять пройденный путь с помощью счетчика, подсчитывающего число оборотов колеса. Эта информация дополняется данными ответчиков местоположения, которые размещены через каждый километр пути или чаще (на важнейших развилках). Ответчики передают информацию о себе на проходящие поезда (используя блок управления данными), что позволяет более точно определить местоположение.

Блок интерфейса путевых устройств размещается там, где есть какое-либо управляемое устройство (например, стрелка), или датчик (например, инфракрасный датчик для обнаружения перегрева подвесок колес). Каждый блок интерфейса получает команды (например, команды на включение и выключение сигнала) от локального наземного контроллера. Устройства могут быть переведены в ручной режим управления. Кроме того, каждое устройство может сообщать свои установочные параметры. Наземный контроллер транслирует информацию на блоки интерфейса путевых устройств и обратно, а также на проходящие мимо поезда и обратно. Контроллеры расположены вдоль железнодорожного пути через такие расстояния, чтобы любой поезд всегда находился в зоне действия хотя бы одного из них.

Каждый наземный контроллер передает свою информацию на объединенную систему управления сетью. Связь между системой управления сетью и наземным контроллером может осуществляться по радио в микроволновом диапазоне, по наземным линиям или по оптоволокну в зависимости от удаленности данного контроллера. Система управления сетью обеспечивает функционирование всей сети. Она может автоматически направлять информацию по другому маршруту в сети, если на одном из путей произойдет отказ оборудования.

Система управления сетью, в свою очередь, подсоединяется к одному или нескольким диспетчерским центрам, которые объединены в систему управления операциями. Система управления сетью соединена и с другими пользователями. В системе управления операциями диспетчеры могут задавать маршруты поездов и отслеживать их передвижение. Для управления различными участками выделяются отдельные диспетчеры; каждая диспетчерская управляющая консоль отвечает за одну или несколько территорий. Маршрутизация поездов подразумевает выдачу инструкций для автоматического перевода поезда с пути на путь, установку ограничения скорости, управление пропуском автомобилей на переездах, разрешение и запрещение движения поезда в зависимости от занятости определенных участков пути. Диспетчеры могут наблюдать за состоянием путей впереди по маршруту поезда и передавать эту информацию машинисту. Поезда могут быть остановлены системой управления операциями, когда обнаруживается опасность (выход поезда из графика, повреждение пути, возможность столкновения). Диспетчеры могут также вызвать на экран любую информацию, доступную машинистам отдельных поездов, разослать распоряжения по движению, установить параметры путевых устройств и пересмотреть план движения.

Расположение путей и путевое оборудование могут со временем меняться. Число поездов и маршруты их движения могут изменяться ежедневно. Система должна обеспечивать возможность подключения новых датчиков, сетей и оборудования, выполненных по более совершенным технологиям.

На врезке сформулированы основные требования к системе управления движением поездов. Очевидно, они сильно упрощены. На практике детальные требования к большой системе вырабатываются после демонстрации жизнеспособности программного решения проблемы. При этом анализ отменяет сотни человеко-месяцев труда с участием экспертов в данной области и пользователей системы. В конечном счете требования к системе могут состоять из тысяч страниц документации, специфицирующей не только базовое поведение, но и такие детали, как макеты форм интерфейса.

В данном курсовом проекте мы рассмотрим не все требования, а только их малую часть.

2. Постановка задачи

Спроектировать на основе микропроцессора контроллер для модели железной дороги. Рассмотреть путь, состоящий из замкнутого кольца и тупиков со стрелками на разветвлениях, причем считайте, что на путях находиться один поезд с мотором постоянного тока. Контроллер должен управлять маршрутами поезда в соответствии с поступающими с клавиатуры командами. Должны быть предусмотрены, например, такие команды:

1. Проследовать кратчайшим маршрутом из данной точки в указанный пункт назначения и остановиться.

2. Уйти в тупик.

3. Выдать длину маршрута.

Начальное положение поездов можно считать фиксированным и известным микропроцессору. В дальнейшем он должен следить за положением поезда.

Исходные данные:

1.количество остановок на пути

2.расстояние между остановками

3.начальная координата поезда

4.конечная координата поезда

5.тупик (расстояние до тупика)

6.место положения стрелки

3. Первый этап моделирования. Формирование модели

На первом этапе моделирования формулируется модель, строится ее формальная схема и собственно решается вопрос об ее эффективности и целесообразности моделирования системы на вычислительной машине.

Рассмотрим путь, состоящий из замкнутого кольца и тупиков со стрелками на разветвлениях, причем считаем что на путях находится один поезд с мотором постоянного тока. Спроектируем на основе микропроцессора контроллер для модели железной дороги.

Для того, чтобы определить положение поездов и управлять их движением, все пути разбиваются на участки. Присутствие состава на участке можно определить по потребляемому этим участком току. Для этого достаточно в цепь питания рельса включить резистор. Если есть потребление на участке, то на резисторе возникает падение напряжения, которое с помощью специального усилителя будет превращено в логический сигнал. В нашей модели присутствие поезда на данном участке будет определяться по метке.

В интерфейс между микропроцессором и железной дорогой будут входить порт вывода для подачи напряжения на каждый участок и бит порта ввода для управления стрелкой.

Начальное положение поездов можно считать фиксированным и известным микропроцессору. В дальнейшем он должен следить за их положением, управляя их перемещениями, в соответствии с поступающими с клавиатуры командами. Программа микропроцессора должна уметь находить кратчайшие маршруты.

Графически наше замкнутое кольцо с тупиками можно представить в виде взвешенного графа.

Эффективность и целесообразность моделирования системы представленной графом, дает возможность рассмотреть полностью структуру системы движения поезда по пути, не запуская его экспериментально на самом деле, и связи между элементами системы. Обход данного графа, возможно, провести несколькими способами расчета: аналитическим, имитационным. Аналитическое моделирование-процесс функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий. Имитационное моделирование реализует модель, алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени, имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет по исходным данным получит сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы. Имитационный метод включает все элементы реальной системы.

Методологическую основу построения маршрутов составляет расширенная граф-модель, реализующая событийное управление, позволяющая проводить адаптацию алгоритмов построения маршрутов, основанную на формальных манипуляциях с объектами без изменения исходной граф-модели. Для графа зависимости по управлению

на каждом конкретном шаге процесса управления для узла, из которого исходят несколько дуг, возникновение коллизии на одной из них определяет выбор стратегии (алгоритма) управления. Активизация некоторого события зависит от состояния транспортной инфраструктуры, определяемого ее текущими характеристиками.

Введем множество предикатов

для реализации событийного управления на графе управлений и поставим их в соответствие дугам графа . Алгоритм, реализующий переход → на графе , инициируется, если объект на текущем шаге находится в состоянии , и предикат , помечающий данный переход, принимает «разрешающее» значение. При этом на дугах, исходящих из одной вершины, возможна ситуация появления значения истинности одновременно нескольких предикатов.