Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Переборов А.С. Диспетчерская централизация - файл Книга Диспетчерская централизация.doc


Переборов А.С. Диспетчерская централизация
скачать (10031.5 kb.)

Доступные файлы (1):

Книга Диспетчерская централизация.doc11080kb.18.09.2005 17:53скачать

содержание
Загрузка...

Книга Диспетчерская централизация.doc

  1   2   3   4   5   6   7
Реклама MarketGid:
Загрузка...
А.С. ПЕРЕБОРОВ О.К.ДРЕЙМАН ЯФ. КОНДРАТЕНКО

ДИСПЕТЧЕРСКАЯ ЦЕНТРАЛИЗАЦИЯ

Под редакцией проф. д-ра техн. наук ВАЛ. В. САПОЖНИКОВА

Утверждено

Управлением учебных заведений

Главного управления кадров

и учебных заведений МПС в качестве

учебника для вузов железнодорожного

транспорта

МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1989

УДК 656.256.05(075.8)

Переборов А. С. и др. Диспетчерская централизация: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. С. Переборов, О. К. Дрейман, Л. Ф. Кондратенко; Под ред. Вал. В. Сапожникова.—М.: Транспорт, 1989.—303 с.

Рассматриваются вопросы организации телемеханических систем дис­петчерского управления стрелками и сигналами на железных дорогах. Анализируются принципы построения основных функциональных узлов систем телемеханики и их практическая реализация в современных систе­мах диспетчерской централизации.

Для студентов вузов железнодорожного транспорта специальности «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» спе­циализации «Автоматика и телемеханика». Может быть полезен инженер­но-техническим работникам, связанным с разработкой и эксплуатацией диспетчерской и станционной кодовой централизации.

Ил. 209, табл. 15.

Книгу написали: введение, главы 7, 10 — Л. Ф. Кондратенко; главы 1—4 — О. К. Дрейман; главы 5, 9 — А. С. Переборов и О. К. Дрей­ман; главу 6 — А. С. Переборов и Л. Ф. Кондратенко; главу 8 — О. К. Дрейман и Л. Ф. Кондратенко.

Рецензенты кандидаты техн. наук А. А. Новиков и Н. Ф. Пенкин Заведующий редакцией В. П. Репнева Редактор И. В. Мартынова

3202040000-171 П 049(01)-88 104"89

ISBN 5-277-00371-1 © Издательство «Транспорт». 1989

ВВЕДЕНИЕ

Диспетчерская централизация (ДЦ) — это комплекс устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, состоящий из авто­блокировки на перегонах, электрической централизации стрелок и сигналов на станциях, системы телеуправления и телесигнализации (ТУ-ТС) и дающий возможность поездному диспетчеру задавать поездные и маневровые маршруты на раздельных пунктах диспет­черского участка (круга) из одного центрального пункта — поста ДЦ.

Станционная кодовая централизация (СК.Ц) — это телемехани­ческая система управления удаленными на расстояние до 8—10 км стрелками и сигналами станций, оборудованных электрической централизацией, позволяющая сократить расход кабеля на стан­циях, сохраняя управление всеми передвижениями в пределах станции в руках дежурного поста электрической централизации' (поста ЭЦ).

Устройства ДЦ должны обеспечивать: управление из одного, пункта стрелками и сигналами ряда раздельных пунктов; контроль на аппарате управления положения и занятости стрелок, занятости перегонов, путей на станциях и прилегающих к ним блок-участков, а также повторение показаний входных, маршрутных и выходных светофоров; возможность передачи станций на резервное управле­ние стрелками и сигналами по приему и отправлению поездов,, маневровой работе или передаче стрелок на местное управление для маневров; автоматическую запись графика исполненного дви­жения поездов; выполнение требований, предъявляемых к электри­ческой централизации и автоблокировке. Диспетчер управляет устройствами электрической централизации и принимает решения по организации движения поездов, в том числе в случаях возникно­вения конфликтных поездных ситуаций. Это способствует наилуч­шему использованию пропускной способности участка при полном обеспечении безопасности движения поездов.

Диспетчерскую централизацию применяют на одно- и много­путных линиях дорог, включая пригородные участки с интенсивным движением поездов. Наиболее эффективна диспетчерская центра­лизация на однопутных линиях, особенно если перегоны имеют двухпутные вставки, а раздельные пункты построены по продоль­ной схеме, позволяющей осуществлять безостановочные скрещения поездов. В этом случае при ДЦ участковая скорость движения

3

поездов повышается на 15—25 %, а пропускная способность — на 35—40 %. Штат эксплуатационного персонала при этом на 100 км железнодорожных линий сокращается на 60 человек. Срок окупае­мости капиталовложений, затраченных на оборудование однопут­ного участка устройствами ДЦ, не превышает 5 лет.

Первый в СССР участок ДЦ Люберцы—Куровская протяжен­ностью 65 км был введен в эксплуатацию в 1936 г. В системе ДЦ, разработанной в Гипротранссигналсвязи и получившей сокращен­ное название ДВК, использовались принципы построения аппарату­ры ТУ-ТС временного кода одной из американских фирм. В даль­нейшем система ДВК неоднократно модернизировалась (ДВК-2, ДВК-ЗА): была увеличена емкость системы, введено маршрутное управление стрелками, решен вопрос управления удаленными раз­дельными пунктами, расположенными на расстоянии 100 и более километров от поста ДЦ. Однако недостатки системы — малое быстродействие (передача одного сигнала ТУ или ТС продолжа­лась 5 с), недостаточная помехозащищенность, трудности эксплуа­тации релейно-контактной аппаратуры, требующей частой и тща­тельной регулировки, — устранить не удалось.

Начиная с 1955 г. вместо системы ДВК на сети железных дорог стали применять разработанную во ВНИИЖТе полярно-частотную диспетчерскую централизацию (ПЧДЦ), в которой сигналы ТУ передавались полярными, а сигналы ТС — частотными импульса­ми. Эта система обладала более высоким быстродействием (сигнал ТУ передавался в течение 3 с, сигнал ТС — 1 с) и большей емко­стью. Разработчики усовершенствовали индикацию на аппарате управления: от точечной индикации перешли к желобковой, стали использовать аппараты типа пульта-табло с набором маршрута на­жатием двух кнопок. Наблюдения показали, что в связи с увеличе­нием информации на табло ориентация диспетчера в поездном со­стоянии на участке улучшилась, но возросла его утомляемость за время дежурства. Поэтому стали применяться пульты-манипулято­ры с выносным табло, была разработана схема переключения дис­петчерского управления двумя кругами на один манипулятор, что позволило диспетчерам более рационально организовать свою ра­боту на участке с сезонной или неравномерной работой.

Диспетчерской централизацией системы ПЧДЦ оборудовали участки общей протяженностью около 4000 км.

В дальнейшем в связи с расширением области применения ДЦ, повсеместным переходом на электрическую тягу и удлинением дис­петчерских участков возникла необходимость использования на протяженных линиях каналов тональной частоты высокочастотных систем передачи. Для этого была создана частотная аппаратура каналов ТУ и ТС. Сопряжение такой аппаратуры с физическими линейными цепями постоянного тока системы ПЧДЦ требовало сложных технических решений. Применение линейных цепей посто­янного тока в магистральных кабельных линиях СЦБ и связи при

4

электротяге переменного тока требовало большого числа трансля­ционных усилительных пунктов, что снижало качество передавае­мых сигналов ТУ. Это привело к необходимости использовать в физических линейных цепях ДЦ сигналы ТУ и ТС только перемен­ного тока тональной частоты.

Частотная диспетчерская централизация (ЧДЦ) была создана в 1961 г. В этой системе впервые кодирующая аппаратура ТС была выполнена на бесконтактных элементах (германиевых транзисто­рах и диодах), время передачи сигнала ТУ было сокращено до 1 с, а сигнала ТС — до 0,3 с, применено квитирование, т. е. посылка на передающий пункт извещения о приеме сигнала ТУ или ТС.

Несмотря на высокую надежность и достоверность передачи сигналов, система ЧДЦ обладала недостатком, свойственным всем системам спорадического действия, — очередность передачи сигна­лов ТС с различных линейных пунктов обеспечивалась с помощью реле, контакты которых включались в линейную цепь. Это порож­дало помехи и задержки передачи сигналов ТС при их накоплении на линейных пунктах, система не могла применяться при их ради­альном расположении.

Широкое применение в ДЦ быстродействующей полупроводни­ковой техники позволило вместо спорадического применять цикли­ческий способ передачи информации в канале ТС. При этом способе все линейные пункты независимо от того, произошли ли изменения или сохранились неизменными состояния их объектов, поочередно передают информацию на пост ДЦ.

Система «Нева» с циклическим контролем состояния объектов впервые была применена в 1967 г. на двухпутном пригородном участке Октябрьской дороги. Продолжительность цикла контроля около 1300 объектов в этой системе составляет 5 с, она работает в дуплексном режиме как при линейном подключении станций, так и при радиальной схеме. При этом возможно одно- и двустороннее управление, что значительно повышает надежность действия ДЦ.

В этот же период в комплекс устройств ДЦ внесли много ново­го. Устройства монтируют уже не в ячейках, а на стативах с закон­ченным заводским монтажом. На постах ДЦ устанавливают испы­тательный пульт для контроля работы каналообразующей аппара­туры. Вся аппаратура, работающая в импульсном режиме, переве­дена на бесконтактные элементы, причем на центральном посту предусматривается 100 %-ный резерв каналообразующей аппара­туры, находящийся в готовности к действию. На промежуточных станциях применяют схему повторного перевода стрелок, при кото­рой в случае неперевода стрелки остряки возвращаются в исходное положение и перевод стрелки повторяется до двух раз. Предусмот­рена автоматическая установка маршрутов (АУМ) на промежуточ­ных станциях для того, чтобы избежать задержки поездов в случае повреждения кодовой линии. При повреждении в зависимости от состояния перегонов, прилегающих к станции, участков приближе-

5

ния и приемо-отправочных путей маршрут устанавливается автома­тически и движение поездов продолжается.

Система «Нева» хорошо зарекомендовала себя, но тем не менее развитие полупроводниковой техники продолжалось, что давало возможность дальнейшего совершенствования системы. Кроме того, возникла необходимость расширения круга эксплуатационных за­дач, решаемых системой ДЦ.

На основе системы «Нева» была создана система «Луч» и впер­вые применена в 1977—1978 гг. на одном из участков Белорусской дороги. Она позволяет управлять не только поездной, но и маневро­вой работой на промежуточных станциях, передавать ответствен­ные команды, в частности, изменять направление движения на однопутном перегоне. Некоторые параметры системы, относящиеся главным образом к тракту передачи управляющей информации, существенно отличаются от параметров системы «Нева».

Первыми системами станционной кодовой централизации были релейные системы РВК (временного кода), РСК (схемного кода) и РПК (полярного кода). Обладая значительными недостатками (небольшая емкость и скорость передачи команд, ненадежная ра­бота релейной аппаратуры и др.), эти системы не нашли широкого распространения. В 1961—1963 гг. во ВНИИЖТе была разработа­на бесконтактная система СКЦ. Большая емкость, высокое быстро­действие, надежность бесконтактной аппаратуры позволили приме­нять систему СКЦ вместе с устройствами маршрутно-релейной централизации на крупных станциях для управления удаленными районами, включающими в себя до 200 стрелок и сигналов. Эту систему применяют и на метрополитенах.

Внедрение систем ДЦ и СКЦ, обеспечивающих необходимую пропускную способность магистральных железных дорог при высо­ком уровне безопасности движения, позволяет получить значитель­ный технико-экономический эффект, имеющий народнохозяйствен­ное значение. При их внедрении не только сокращается эксплуата­ционный штат, но снимается или намного отодвигается необходи­мость осуществления дорогостоящих мероприятий по повышению провозной способности железных дорог.

Большой вклад в развитие отечественных систем ДЦ и СКЦ внес авторский коллектив ВНИИЖТа под руководством Н. Ф. Пенкина и при активном участии С. Б. Карвацкого, И. М. Кутьина, В. Я- Со­болева, Н. Г. Егоренкова, а также Н. В. Старостиной (Гипротранс-сигналсвязь) и П. Н. Жильцова (МПС).

Технические средства телемеханических систем в СССР нахо­дятся на уровне передовой зарубежной техники, а накопленный опыт широко используется во многих социалистических и развива­ющихся странах, и все же принципиально новые системы железно­дорожной автоматики, создаваемые на базе микропроцессорной техники и ЭВМ, позволят поднять качество управления движением на сети железных дорог СССР на еще более высокую ступень.

6

Глава 1

^ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ТЕЛЕМЕХАНИКИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

1.1. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Железнодорожный транспорт, представляющий сложную терри­ториально рассредоточенную систему огромного числа технологиче­ских подразделений и технических средств, должен обеспечивать выполнение государственного плана перевозок пассажиров и грузов с максимально возможной производительностью, с минимальной себестоимостью и гарантированной безопасностью движения.

Объемы перевозок на железнодорожном транспорте неуклонно растут, и организация перевозочного процесса все более усложня­ется. Это требует постоянного совершенствования систем управле­ния железнодорожным транспортом, т. е. улучшения организации взаимодействия технологических подразделений и их технической оснащенности.

В основу организации движения на железных дорогах СССР положены принципы диспетчерского управления, осуществляемого на всех уровнях — от Министерства путей сообщения до участка и станции.

На крупных станциях формированием и расформированием по­ездов, подачей вагонов под погрузку и разгрузку, внутристанцион-ными операциями руководят станционные и маневровые диспетче­ры (ДСД). Организацией движения на уровне отделений железной дороги занимаются старший диспетчер (ДНЦС) и его заместители, сменные дежурные по отделению (ДНЦО), поездные участковые и узловые диспетчеры (ДНЦ), а также диспетчеры вагоно-распоря-дители (ДНЦВ) и локомотивные диспетчеры (ДНЦТ).

Соответственно организацией движения в масштабе дороги за­нимаются дорожные диспетчеры (ДГП). Они контролируют работу отделений и решают вопросы, возникающие на стыках между отде­лениями. Основными задачами ДГП являются обеспечение продви­жения поездов в соответствии с планом, формирование составов на сортировочных и участковых станциях, рациональное использо­вание локомотивов.

На уровне МПС, т. е. в Главном управлении движения, коорди­нация работы определенной группы дорог находится в ведении де­журных помощников начальника распорядительного отдела отве­чающих за текущую работу железнодорожного транспорта.

Таким образом, оперативное диспетчерское управление движе­нием охватывает все уровни.

7



^
1.2. СИСТЕМЫ. УПРАВЛЕНИЕ В СИСТЕМАХ


Любая целенаправленная деятельность возможна только в рамках определенной системы той или иной степени сложности. Вообще под системой принято понимать объект любой природы (или их совокупность), обладающий такими свойствами, которых нет ни у одной его части при любом способе членения.

В нашем случае речь должна идти о технологических системах, состоящих из людей и технических средств. Эти средства обычно выступают в виде технических или кибернетических систем, взаи­модействующих с человеком в более сложной системе (надси-стеме).

Любая техническая система может быть представлена в виде структурной схемы, приведенной на рис. 1.1, а.

Технические системы создаются для выполнения определенной целевой функции, они способны выполнять ее при изменении внеш­них условий в определенных пределах. Процесс формирования це­лесообразного (эффективного в смысле выполнения функции) пове­дения системы называется управлением. Поведение технической системы целиком определяется программами, заложенными в нее при создании.

На одну и ту же ситуацию на входе система всегда вырабаты­вает одну и ту же программу управления, т. е. поведение системы однозначно. Суть управления в технической системе сводится к от­несению входной ситуации по определенному критерию к одной из известных, при которой реализуется определенная программа воз­действия на объект управления. Обычно в технических системах критерий один и число программ невелико.

Рис. 1.1. Структурные схемы технической и кибернетической систем о


Более сложным поведением обладают кибернетические системы, в которые технические системы входят как подсистемы (элементы). Обобщенная структурная схема кибернетической си­стемы представлена на рис. 1.1,6. В отличие от технической систе­мы для оценки входной ситуации используются многие критерии и

соответственно для определенного набора входных данных могут быть выбраны разные программы управления. Кибернетическая си­стема имеет возможность перекомбинации программ управления под воздействием внешнего или внутреннего управления. В одной и той же ситуации однотипные кибернетические системы могут вес­ти себя по-разному и, с другой стороны, одинаково в различных ситуациях, т. е. для кибернетических систем характерно формиро­вать поведение исходя из оценки внешней ситуации по определен­ному критерию в соответствии с внутренней целью.

В отличие от технических систем, где соблюдается жесткое соот­ветствие между ситуацией на входе и реакцией системы на выходе, в кибернетических системах принимается то или иное управляющее решение (программа управления) и при нестандартной ситуации на входе системы.

Такой же формой поведения обладают и все системы более вы­соких классов, т. е. биологические и общественные (производные от индивидуума). Это сходство в поведении объясняется наличием таких общих свойств у кибернетических, биологических и общест­венных систем, как возможность восприятия и распознавания внешних воздействий и формирования образа (модели) среды; на­личие исходной информации о среде, хранимой в виде образов сре­ды; наличие исходной информации о себе, своих свойствах и воз­можностях, хранимой в виде образов системы.

Разумеется, глубина отображения существенно различна у си­стем разных классов и даже у разных систем одного класса. Важно подчеркнуть, что во всех случаях поведение системы — это резуль­тат распознавания, сопоставления и преобразования информацион­ных образов той или иной сложности.

Таким образом, управление требует критерия, информации о си­туации и исходной информации о системе и среде.

Качество управления прежде всего зависит от объема исходной информации и полноты представления ситуации на входах системы, от которых^ зависит точность опознания ситуации и, следовательно, правильный выбор программы управления. Это объясняется тем,' что обычно каждой ситуации однозначно противопоставлена опре­деленная программа управления.

Ошибки в опознании ситуации на входах системы неизбежно ведут к потере эффективности в управлении независимо от причи­ны ошибки, т. е. безразлично была ли непредусмотренная ситуация или неправильно опознана предусмотренная.

Кроме внутреннего управления (самоуправление), система мо­жет подвергаться внешнему управлению, если она входит как эле­мент (подсистема) в более сложную целенаправленную систему в качестве управляемой или сотрудничающей. Взаимоотношения с другими системами могут быть организованы по разным структу­рам: цепочечной (рис. 1.2,а), централизованной радиальной (рис. 1.2,6), кольцевой (рис. 1.2, в), многосвязевой (рис. 1.2, г).

9




Рис. 1.2. Структуры взаимосвязи систем

Под структурой системы принято понимать множество возмож­ных отношений между подсистемами и элементами внутри системы. Структуры реализуются при помощи связей, осуществляющих взаи­модействие между подсистемами (элементами). По характеру взаимодействия различают связи прямые и обратные. Этим выра­жается направленность передачи управляющей и контрольной ин­формации между подсистемами. Часто структура выражает только соотношение между подсистемами по управлению (подчинен­ность).

В диспетчерском управлении железнодорожным транспортом получили распространение иерархические централизованные струк­туры (рис. 1.2,(9). В этом случае каждый более высокий уровень управления имеет радиальные связи с однотипными управляемыми системами. Число систем на каждом уровне зависит от сложности целевых функций и управляемых систем.

Главной причиной появления любой иерархии является несоот­ветствие между сложностью объекта управления и способностью управляющего органа охватить и переработать информацию об объекте с требуемой точностью в заданное время. Действительно, любой сложный производственный процесс требует своевременного формирования согласованных с другими процессами правильных решений, ведущих к цели.

Всем иерархическим системам управления присущи следующие основные особенности:

  1. последовательная вертикальная соподчиненность;

  2. правом вмешательства в действие любой системы обладает
    только система вышестоящего уровня;

  3. действия любой системы фактически зависят от исполнения
    своих функций управляемыми подсистемами;

  4. более высокие уровни управления имеют дело с более круп­
    ными подсистемами и более широкими аспектами поведения всей

10

системы в целом, т. е. чем выше уровень, тем больше общность отображения объекта управления;

  1. более высокий уровень управления имеет больший период
    выработки управляющего решения из-за необходимости сбора и
    обработки большего количества разнородной информации;

  2. чем выше уровень управления, тем больше неопределенно­
    стей в выработке математически точной программы управления
    объектом.

Основным видом управления в иерархических системах являет­ся программное (командное) управление. Для эффективного функционирования систем при таком управлении необходима хо­рошо отлаженная технология информационного обмена между уровнями, позволяющая достаточно оперативно и полно отражать управляемый объект. Однако практически в сложной иерархиче­ской системе это сделать трудно и поэтому все недостатки в инфор­мационном обмене оборачиваются потерей в эффективности управ­ления.

При недостаточно полном отражении объектов управления вы­шестоящими уровнями более эффективной является передача уп­равляемой подсистеме не программы, а критерия для выработки программы управления в подсистеме на основе оценки ситуации. Такой способ называется рефлексивным управлением.

В случае нестандартных ситуаций или при неполном отражении состояния среды и системы для выбора правильной формы поведе­ния может использоваться метод адаптивного управления. Этот способ предполагает втягивание систем в однотипное поведе­ние на основе подражания наиболее эффективным образцам.

Вообще любые формы поведения сложных систем (кибернетиче­ских, биологических, общественных) могут быть представлены той или иной комбинацией программного, адаптивного и рефлексивно­го управлений, удельный вес которых колеблется от ситуации на входах и глубины исходной информации в системе.

В кибернетических системах как внутреннее, так и внешнее управление является программным, так как другие виды управле­ния еще не имеют технической реализации (в автоматических системах).

Однако адаптивное и рефлексивное управления используются в сложных технологических системах с людьми и автоматизирован­ными подсистемами, в частности, и в диспетчерском управлении железнодорожным транспортом.

Например, если самый нижний уровень управления обеспечи­вает выбор программы управления на основе оценки входной ин­формации от объектов и командных предписаний от вышестоящего уровня, то уже второй уровень, имеющий в управлении несколько однотипных систем, может использовать адаптивную или рефлек­сивную форму управления.

11

^ 1.3. ДИСПЕТЧЕРСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

В управлении у поездных и маневровых диспетчеров находится ряд однотипных технологических подразделений, непосредственно управляющих объектами железнодорожного транспорта. Техниче­ское оснащение диспетчерского управления наиболее развито пока только для основных задач поездных и станционных (маневровых) диспетчеров.

Поездной диспетчер руководит движением поездов на участке (диспетчерский круг) железной дороги, содержащем ряд станций. Протяженность участка зависит от размеров движения и объема грузовой работы.

Основными приемами диспетчерского регулирования движения поездов являются: сокращение времени стоянок поездов; ускорение хода поезда по перегонам относительно скорости, предусмотренной расписанием; изменение пунктов и порядка скрещения, обгона и технических стоянок поездов; использование неправильного пути на двухпутных линиях (параллельное движение в одну сторону по двум путям); отправление поездов вслед; пропуск сдвоенных поез­дов; первоочередной пропуск опаздывающих поездов или примене­ние скоростного подталкивания; регулирование подхода поездов к станциям. Любые регулировочные задания диспетчера заблаговре­менно передаются дежурным по станциям и другим ответственным лицам для исполнения.

Объем работы поездных диспетчеров велик особенно по сбору и обработке информации о состоянии участка (около 70 % рабочего времени), поэтому большое значение для улучшения организации движения имеют технические средства, облегчающие деятельность диспетчеров. Наиболее эффективны средства, составляющие уст­ройства диспетчерской централизации, т. е. совокупность электри­ческой централизации (ЭЦ) на станциях, автоблокировки (АБ) на перегонах между станциями и системы телемеханики, объединяю­щей территориально рассредоточенные объекты ЭЦ и АБ в единую систему управления. Если для диспетчера организуется только сбор информации о состоянии объектов на перегонах и станциях, то та­кую систему принято называть системой диспетчерского контроля. Если диспетчер имеет возможность не только контролировать, но и управлять объектами ЭЦ и АБ, речь идет о системе диспетчерской централизации.

Для служебных переговоров со станциями, входящими в уча­сток, поездному диспетчеру предоставляются специальные средст­ва телефонной связи, охватывающие телефоны дежурных по стан­циям, операторов, дежурных по локомотивным депо, подменным пунктам, тяговым подстанциям, телефоны локомотивных диспетче­ров и энергодиспетчеров. Кроме того,, поездной диспетчер имеет средства поездной радиосвязи, предназначенной для служебных переговоров с машинистами поездных локомотивов.

12

Маневровый диспетчер на станциях имеет радиосвязь с маши­нистами маневровых локомотивов и телефонную связь с необходи­мыми технологическими подразделениями станции.

Оперативным руководством движением поездов в рамках отде­ления дороги занимается отдел движения, имеющий сменных стар­шего диспетчера, дежурных по отделению и поездных диспетчеров.

Поэтому естественно стремление разместить поездных диспет­черов в одном месте. В этом случае каждый диспетчерский участок отображается самостоятельными средствами ДЦ, но в совокупно­сти возникает отражение ситуации по всему отделению дороги.

Для повышения эффективности диспетчерского управления по­стоянно стремятся к увеличению зоны действия одного диспетчера. С этой целью системы ДЦ совершенствовались в направлении уве­личения информационной емкости и скорости передачи сообщений.

Однако обратной стороной расширения зоны управления ста­новится перегрузка диспетчера нетворческой работой, снижающей его возможности по оптимизации управления. Отсюда другая по­стоянная тенденция в развитии систем ДЦ— автоматизация повто­ряющихся операций управления вплоть до создания автодиспетче­ра.

Первые советские установки, автоматически устанавливающие маршруты в системах ДЦ, появились в 60-х годах. Были испытаны программно-задающие устройства, рассчитанные на автоматиче­скую установку маршрутов по графику движения, оборудован опытный участок с системой «Автодиспетчер участковый», в кото­рой на управляющую ЭВМ возлагались также задачи по выбору оптимального графика движения на основе оценки фактического состояния на участке.

Позднее были проведены испытания системы «Автодиспетчер станционный», предназначенной для оптимального управления ра­ботой крупной станции. Сразу отметим, что в целом эти системы себя не оправдали, и практическое распространение на отечествен­ных железных дорогах получили лишь сравнительно простые систе­мы автоматической установки маршрутов на промежуточных стан­циях.

Основной причиной низкой эффективности управления в систе­мах «Автодиспетчер» является недостаточное информационное от­ражение объекта управления, т. е. управляющая ЭВМ поставлена в такие условия, когда программа управления выбирается по весь­ма неточному описанию состояния диспетчерского участка. Объяс­няется это прежде всего тем, что основным источником информации для регулирования движения в системах «Автодиспетчер» являют­ся устройства электрической централизации и автоблокировки. Однако в силу своего назначения — контролировать условия безо­пасности — эти системы оперируют данными только о состоянии стрелок, светофоров и рельсовых цепей, т. е. стационарных путевых объектов. Для принятия правильного управляющего решения по

13

организации движения диспетчером или ЭВМ данных в системе «Автодиспетчер» явно недостаточно.

Действительно, чтобы принять решение об установке того или иного маршрута предварительно необходимо оценить ситуацию на станции по многим составляющим технологического процесса. По­скольку конечной целью перевозочного процесса является целена­правленное перемещение подвижных единиц (поездов, вагонов, ло­комотивов), то для организации любого перемещения исходным является точное знание места, назначения и состояния каждой еди­ницы, технологического состояния систем и подразделений, т. е. полное информационное описание объектов управления (модели­рование).

Отсюда при диспетчерском управлении движением на станции или участке в системе должны быть представлены следующие ин­формационные модели (рис. 1.3): поездная, вагонная, локомотив­ная, технологического состояния станции и состояния путевых объ­ектов (стрелок, светофоров и т. д.). На основе оценки ситуации по этим моделям может быть выбрано управляющее решение, конечно же, эффективнее, чем при использовании информации- только о со­стоянии путевых объектов.




Рис. 1.3. Информационные модели системы управления станцией 14


Таким образом, для автоматизации управления движением не­обходимы технические средства, отражающие состояние станции или участка по всем технологическим составляющим.

Исходя из этого можно решать вопрос и о том, какая система диспетчерского управления лучше— автоматическая или автомати­зированная?

Принципиальным различием между ними следует считать способ принятия управляющего решения в системе. В автоматической системе решение выбирает техническое устройство (ЭВМ и т. п.), а в автоматизированной эти функции выполняет человек. Разумеет­ся, в автоматизированной системе и некоторые другие функции мо­гут выполняться человеком, т. е. распределение обязанностей меж­ду человеком и техническими средствами может быть различным, но главное — как принимаются решения?

Нетрудно заметить, если на входе решающего устройства со­стояние объекта управления представлено точно и эта ситуация является стандартной (предусмотренной), то в подобных условиях оперативнее будут приниматься решения техническим устройством. В тех же случаях, когда формализованное информационное описа­ние состояния объекта управления в системе не является полным и для снятия неопределенности в ситуации требуется привлечение дополнительных данных из других источников, то управляющие ре­шения, принимаемые человеком, оказываются лучше.

В системах диспетчерского управления наиболее перспективно комбинированное управление, т. е. сочетание управляющей ЭВМ с диспетчером-оператором. В этом случае ЭВМ должна оперативно выполнять наиболее трудоемкую работу по оценке входной инфор­мации и выдавать оператору рекомендации (советы) по управле­нию, которые могут быть приняты или отвергнуты им с учетом из­вестной ему дополнительной неформализованной информации.

В стандартных ситуациях из режима совета ЭВМ легко может быть переведена в режим автоматического управления, однако предпочтительнее все же сохранять за оператором функции оконча­тельного выбора управляющего решения, так как для обратного перехода от автоматического управления потребуется значитель­ное время на восприятие оператором сложившейся ситуации в си­стеме.

Таким образом, введение средств автоматизации диспетчерского управления объективно ведет к расширению зоны управления из одного пункта.

В настоящее время на железных дорогах СССР происходит со­здание единых центров диспетчерского управления движением в масштабах дорог. Поскольку в таких масштабах при современных технических средствах один диспетчер не в состоянии охватить си­туацию, то в центре работают несколько диспетчеров с взаимным контролем смежных зон на общих выносных табло и видеомони­торах. В дальнейшем по мере совершенствования средств автома­тизации повторяющихся функций зоны управления одним диспет­чером будут расширяться еще больше.

!5





Следует отметить, что при ДЦ имеется возможность управле­ния объектами ЭЦ с трех уровней: диспетчером с центрального пульта; резервное с местного пульта ЭЦ; местное с маневровых ко­лонок.

Работа с резервного пульта или местное управление возможна

только с разрешения диспетчера.

Обычно на диспетчерском участке крупные станции постоянно сохраняются дежурными по станции на автономном управлении. Некоторые станции диспетчерского участка могут передаваться на местное управление на длительное время (сезон). Такое управле­ние часто называют сезонным.

На станциях, передаваемых в отдельных случаях с диспетчер­ского управления на местное, управление осуществляется началь­ником станции или составителями по разрешению диспетчера.

^ 1.4. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ

Управление движением поездов на участке ДЦ производится путем организации определенных маршрутов средствами ЭЦ и АБ по командам диспетчера. Маршруты на станциях содержат стрелки и ограничивающие светофоры, по показаниям которых осуществля­ется движение.

Основным элементом любого раздельного пункта являются све­тофоры, которые разграничивают участки для нахождения поездов. По характеру работы и путевого развития раздельные пункты де­лятся на станции, разъезды, обгонные пункты, блок-участки.

При АБ блок-участки образуются на перегоне установкой про­ходных светофоров, автоматически разрешающих или запрещаю­щих вступление поезда на участок. Управлению со стороны диспет­чера такие светофоры не подвергаются. На всех прочих раздельных пунктах светофоры управляемы.

Разъезд представляет собой раздельный пункт однопутной линии с путевым развитием, предназначенным для скрещения и об­гона поездов, а также в некоторых случаях для выполнения грузо­вых и пассажирских операций. Разъезд (рис. 1.4, а) имеет главный / и приемо-отправочные пути 2, 3, платформу для пассажиров, погрузочно-разгрузочный тупик, служебное здание. Разъезды мо­гут иметь пути, обеспечивающие безостановочное скрещение поез­дов (рис. 1.4,6).

Обгонный пункт представляет собой раздельный пункт на двухпутном участке, служащий для обгона срочными поездами ме­нее срочных и перевода движения с одного главного пути на дру­гой (рис. 1.5). Кроме главных путей, он содержит обгонные пути и диспетчерские съезды, пассажирскую платформу, погрузочно-раз­грузочный тупик, служебное здание. 16



Рис. 1.4. Разъезд

Станции в зависимости от основного назначения и характера работы делятся на промежуточные, участковые, сортировочные, грузовые и пассажирские.

Промежуточные станции могут быть с продольным (рис. 1.6), полупродольным и поперечным расположением приемо-отправоч-ных путей. На промежуточных станциях основными операциями являются скрещение и обгон поездов, одновременный прием и от­правление поездов противоположных направлений, посадка и вы­садка пассажиров, маневры для выполнения грузовых операций.

Участковые станции в отличие от промежуточных выполняют также формирование и расформирование участковых и сборных по­ездов, обработку транзитных и групповых поездов, смену локомоти­вов и бригад, экипировку и ремонт локомотивов и вагонов. Для это­го они имеют соответствующее путевое развитие и сооружения (рис. 1.7): парк приема-отправления ПО, сортировочный парк С, грузовой двор ГД, пункт экипировки локомотивов и вагонов соот­ветственно ЭК и ВК.

Взаимное расположение устройств должно обеспечивать беспре­пятственное выполнение всех операций технологического процесса с минимальным числом пересечений маршрутов поездов, локомоти­вов и маневров. Все парки должны иметь выходы на главный путь с обоих концов.

Рис. 1.5. Обгонный пункт

17


Сортировочные станции создаются для формирования и расфор­мирования поездов разных направлений, поэтому они имеют парки




Рис. 1.6. Промежуточная станция



Рис. 1.7. Участковая станция

приема и отправления, сортировочные и транзитные парки, сорти­ровочные горки, а также сооружения различных назначений.

Грузовые станции предназначены в основном для выполнения погрузки-разгрузки вагонов, поэтому они имеют грузовые дворы с различного рода складскими помещениями и механизмами для по­грузки-разгрузки, для очистки и промывки вагонов и т. д.; путевое развитие, приспособленное для указанных нужд с параллельным или последовательным расположением парков и грузового двора.

Пассажирские станции предназначены для создания максималь­ных удобств при обслуживании пассажиров и поэтому имеют вок­залы, платформы, переходы и т. д. Путевое развитие предусматри­вает парки приема и отправления, парки для отстоя и маневровых операций, технические парки для очистки, ремонта и экипировки вагонов, локомотивное хозяйство, багажные и почтовые устройства.

Сосредоточение указанных типов станций в определенной ком­бинации образует железнодорожный узел, обеспечивающий неза­висимый пропуск поездов с одной линии на другую с соответствую-

щей обработкой транзитного грузово­го, пассажирского и внутриузлового потоков.

В железнодорожных узлах и вбли­зи от них очень часто встречаются раздельные пункты в виде примыка­ний (рис. 1.8), т. е. раздельные пунк­ты, содержащие 1—3 стрелки для ор­ганизации ответвлений с основной ли­нии. На диспетчерских участках такие пункты составляют до 12 % общего чи­сла станций. Из общего числа стан-

Рис. 1.8. Примыкания

ций сети более 80 % имеют путевое развитие до 30 стрелок, причем преобладающими из них являются станции, содержащие до 10 стрелок.

Таким образом, при отсутствии ДЦ основная масса эксплуата­ционного штата приходится на малые станции, где объем работы невелик. Перенос управления этими малыми станциями на более крупные (например, с числом стрелок более 30) создает нормаль­ную загрузку операторам и резко сокращает эксплуатационный штат.

Практически сложилась следующая система в диспетчеризации станций. Участковый диспетчер управляет движением на участке со многими станциями, но станции участка со значительной мест­ной работой (около 8 % станций) остаются на автономном управ­лении. Станционный диспетчер организует работу крупных станций с автономным управлением раздельных пунктов, но каждый авто­номный район по возможности укрупняется средствами диспетчер­ского управления. Эта разновидность систем получила название станционной кодовой централизации (СКЦ).

Системы СКЦ позволяют существенно увеличивать зону управ­ления одним дежурным за счет включения в централизацию уда­ленных парков, горловин, примыканий. В каждом таком пункте ме­стные устройства ЭЦ подключают к пульту управления центрально­го поста (ЦП). Особенностью включения исполнительных пунктов (ИП) в зону ЦП является использование радиальной структуры связи устройств, т. е. каждый ИП для связи с ЦП имеет отдельный телемеханический канал.

В остальном принципиальной разницы в построении систем ДЦ и СКЦ нет и в перспективе такое деление телемеханических средств станет условным.






Глава 2

^ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕХАНИКИ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Любая целенаправленная деятельность относительно каких-ли­бо технологических объектов возможна в том случае, если сущест­вует система управления, содержащая необходимые функциональ­ные узлы (рис. 2.1). Не имеет принципиальных отличий от указан­ной структуры и система диспетчерского управления движением поездов на участках железных дорог и станциях.

Выполнение целевых функций любой системы достигается, если между ее частями происходит обмен информацией, энергией и ве­ществом. В зависимости от назначения системы и средств ее реали­зации три вида обмена одновременно могут не наблюдаться, одна­ко информационные и энергетические взаимодействия для рассмат­риваемого класса устройств являются обязательными.

На железнодорожном транспорте получили широкое распро­странение следующие способы информационного и энергетического взаимодействия между территориально разобщенными частями си­стемы управления технологическими объектами.

Местный способ характеризуется тем, что информационные преобразования осуществляются только в пункте управления и в результате выработанных команд на объекты управления по инди­видуальным линейным проводам подается вся энергия, необходи­мая исполнительным механизмам (рис. 2.2).

Контроль состояния исполнительных механизмов по отдельным проводам также осуществляется за счет энергоресурса пункта уп­равления. Такой способ взаимодействия с объектом является основ­ным в системах электрической централизации с центральными за­висимостями и центральным питанием.

Основными недостатками, ограничивающими область использо­вания рассмотренного способа, являются небольшая дальность уп­равления (единицы километров) и большой расход кабеля с раз­личным поперечным сечением проводов (в зависимости от переда­ваемой мощности) для индивидуальных цепей.

Отмеченные недостатки менее ощутимы при использовании так называемого дистанционного способа управления объектами.

Дистанционный способ (рис. 2.3) характеризуется тем, что пункт управления (ПУ) взаимодействует с устройствами контроли­руемого пункта (КП) только на уровне информационного обмена по индивидуальным для каждого сообщения линейным проводам.

20



Рис. 2.1. Структурная схема системы управления

Рис. 2.2. Местное управление

Рис. 2.3. Дистанционное управление

21






Исполнительные механизмы получают необходимую энергию от ме­стного источника в соответствии с командами пункта управления. Сравнительно небольшие мощности передаваемых информаци­онных сигналов позволяют существенно увеличить дальность ^уп­равления и сократить расход кабеля на организацию взаимодейст­вия в системе. Дистанционный способ получил широкое распро­странение в системах электрической централизации с местным пи­танием и в устройствах перегонной автоматики.

С увеличением зоны управления, т. е. с увеличением числа групп объектов и расстояний между ними, в системе управления исполь­зуют телемеханические способы взаимодействия.

Телемеханический способ обмена информацией (рис. 2.4) в системах управления обеспечивает передачу всей совокупности сообщений между пунктами по общей линии (каналу) связи при энергетической независимости каждого пункта.

Таким образом, предмет телемеханики составляют способы и устройства, позволяющие производить независимую передачу мно­гих дискретных сообщений по общим линиям связи любой протя­женности. Точнее, телемеханика — отрасль науки и техники, охва­тывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применением специальных преобразо­ваний сигналов для эффективного использования каналов связи.

В зависимости от назначения передаваемой информации приня­то различать телемеханические устройства телеуправления, теле­сигнализации и телеизмерения.

Телеуправление (ТУ) обеспечивает управление положением или состоянием дискретных объектов и объектов с непрерывным множеством состояний (рис. 2.5, а) методами и средствами теле­механики. Телеуправление объектами с непрерывным множеством состояний называется телерегулированием (ТР).

Телесигнализация (ТС) обеспечивает получение информации о состоянии контролируемых и управляемых объектов (рис. 2.5,6), имеющих ряд возможных дискретных состояний.

Телеизмерение (ТИ) — получение информации о значениях из­меряемых параметров контролируемых или управляемых объектов методами и средствами телемеханики (рис. 2.5, в).

Практически любая система телемеханики представляет собой определенную комбинацию перечисленных устройств. На железно­дорожном транспорте для диспетчерского управления наибольшее распространение получили системы ТУ-ТС. В последнее время с целью диагностирования состояния устройств они стали дополнять­ся и аппаратурой ТИ, т. е. приобретают структуру ТУ-ТС-ТИ.

Территориально объекты системы телемеханики могут быть размещены относительно пункта управления различным обра­зом. Поэтому телемеханическая сеть — совокупность устройств телемеханики и объединяющих их каналов связи — выполняется по радиальной (рис. 2.6, а), цепочечной (рис. 2.6,6) или радиально-це-

22

Рис. 2.4. Телемеханическое управление

Рис. 2.5. Структурные схемы систем телеуправления, телесигнализации и теле­измерений

23





почечной структуре (рис. 2.6, б). На железнодорожном транспорте эти структуры являются наиболее распространенными, хотя с раз­витием систем телемеханики возможна реализация и более слож­ных древовидных структур (рис. 2.6, г).

Любая структура системы телемеханики реализуется с помо­щью линий связи, в качестве которых может выступать та или иная физическая среда, способная передавать сигналы. Современными системами телемеханики чаще всего используются проводные ли­нии (выделенные или совмещенные с энергоснабжением) или ра­диотракты. В перспективе для передачи телемеханических сигна­лов будут использовать световодные линии.

По любой линии связи может быть организовано определенное число каналов связи для независимой передачи сообщений. При передаче сигналов телемеханики такой канал принято называть телемеханическим.

^ 2.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Телемеханические каналы являются средством объединения в систему источника и получателя сообщений. Под системой понима­ется объект любой природы, обладающий такими свойствами, кото­рых не имеет ни одна из частей системы при любом способе ее членения. В свою очередь, если части системы обладают аналогич-

24

ными свойствами, то они называются подсистемами, а объединение нескольких систем в новую называют надсистемой.

Таким образом, телемеханические устройства являются частя­ми системы управления технологическими процессами, а с другой стороны, сами составляют систему передачи телемеханической ин­формации. Поэтому дальнейшее изложение будем связывать с ана­лизом свойств систем телемеханики и их членением по тем или иным признакам.

Итак, системы телемеханики необходимы для организации ин­формационного взаимодействия между частями надсистемы, управ­ляющей технологическим процессом.

Известно, что информация выражает свойства материальных объектов и процессов порождать и сохранять определенное состоя­ние, которое в различных вещественно-энергетических формах мо­жет быть передано от одного объекта другому, т. е. одна матери­альная система может быть отражена на другую. Таким образом, в основе информационного процесса лежит необходимость отраже­ния одной системы (отраженной) в другой (отражающей), в ре­зультате чего устанавливается некоторое соответствие между ними.

Телемеханический канал в этом смысле является той матери­альной средой, через которую происходит отражение. Отражаемые элементы являются генератором информации, а отражающие — ее приемником. Нетрудно заметить, что количественная сторона этого процесса зависит от характера отражаемого объекта и целей отра­жения.

Источники информации разнообразны, рассредоточены в про­странстве, могут иметь детерминированное и неопределенное число состояний. Соответственно и организация устройств телемеханики различна для сосредоточенных и рассредоточенных объектов, для отражения их дискретного или непрерывного множества состояний. Любое изменение внутреннего состояния объектов контроля приня­то считать событием. О каждом событии контролирующий пункт должен получить сообщение. Сообщение, порожденное событием на передающем конце, должно быть определенным образом достав­лено получателю. Передача сообщений в системах телемеханики происходит по каналам связи, где в роли переносчика сообщений выступает переменный или постоянный ток. Поэтому переносчик с нанесенным на него сообщением уже представляет собой сигнал. Разумеется, что каждое сообщение образует свой собственный сиг­нал, отличный от других. Это необходимо для различения сообще­ний на приемном конце по виду сигналов.

Для упрощения процедур организации сигналов и выделения из них сообщений стремятся использовать ограниченное число при­знаков переносчика. Если число сообщений превышает число ис­пользуемых признаков, то каждому сообщению соответствует сложный сигнал, состоящий из определенной совокупности этих признаков, используемых на определенных интервалах времени.

25

Интервал времени, в течение которого признак переносчика не меняется, называют импульсом сложного сигнала, а используемые характеристики переносчика — импульсными признаками.

Любой сложный сигнал на приемном конце может быть пра­вильно понят, если будет выделен каждый импульс сигнала и произойдет запоминание его качества (т. е. импульсного признака) на время, достаточное для определения известных приемнику свойств всей совокупности импульсов сложного сигнала. Каждой такой совокупности импульсов сложного сигнала соответствует вполне определенное сообщение. Поэтому, если правильно принят сложный сигнал, то правильно будет понято переданное сообщение. Процесс образования сложного сигнала, соответствующего опреде­ленному сообщению, называют кодированием, а обратные преобра­зования на приемном конце — декодированием.

Таким образом, в системах телемеханики всегда наблюдается определенная последовательность информационных преобразова­ний, обусловленная необходимостью оптимального согласования отдельных частей системы. В любом случае на передающем конце каждое сообщение преобразуется в эквивалентный сигнал для согласования источника сообщений с каналом связи, а на приемном конце из сигнала выделяется соответствующее сообщение.

Сложность этих преобразований зависит от соотношения коли­чества информации, производимой источником сообщений, и про­пускной возможности используемого канала, так как этим опреде­ляется выбор импульсных признаков и закона преобразования сиг­налов.

^ 2.3. СООБЩЕНИЕ И ИНФОРМАЦИЯ

В любой технологической системе объекты управления являют­ся источниками сообщений для пункта управления и в свою оче­редь являются получателями сообщений с управляющими воздей­ствиями, т. е. всегда можно наблюдать встречные потоки сообще­ний, на основе которых функционирует система. Для правильного выбора средств передачи необходимо уметь качественно и количе­ственно определять потоки сообщений.

Причиной, порождающей сообщение, является событие, т. е. изменение внутреннего состояния источника сообщений. По числу возможных состояний источники сообщений могут быть с дискрет­ным или с непрерывным множеством событий.

Получатель сообщений всегда моделирует (отображает) источ­ник сообщений на основе полученной информации, т. е. той части сообщения, которая была неизвестна приемнику до получения оче­редного сообщения. Чем больше информации содержится в сообще­нии, тем точнее отражается состояние источника. 26

Впервые меру количества информации предложил в 1928 г. американский инженер Р. Хартли. Используя концепцию выбора, он связал получение информации с указанием конкретного исхода из п равновероятных событий. В этом случае количество информа­ции при данном исходе / = log п.

Если система содержит N двухпозиционных объектов, то ее ин­формационная емкость может быть оценена по числу возможных состояний: / = log2jV.

За единицу двоичной информации принято такое ее количество, которое получается при выборе одного из двух равновероятных со­бытий, например при бросании монеты. Такая единица информации носит название бит.

Для записи и хранения двоичной информации используют эле­менты памяти с двумя устойчивыми состояниями (реле, триггеры и т. п.).

Через 20 лет К. Э. Шеннон развил понятие количественной ме­ры информации для общего случая с п неравновероятными исхода­ми. При этом, если Pi— вероятность i-ro исхода, в качестве меры информации принимается математическое ожидание количества информации /j==—logPj. т. е.

(2.1)

При непрерывном распределениивероятностей исходов в выра­жении (2.1) знак суммы заменяется интегралом, а вероятности — соответствующими плотностями, т. е.

(2.2)

При передаче информации по каналу снимается неопределен­ность состояния источника, поэтому в теории информации широко используется понятие энтропии как меры неопределенности. Энтро­пия Н(х) численно совпадает с количеством информации [см. фор­мулу (2.2)], поэтому мера информации Шеннона может в общем случае иметь вид

(2.3)

где ^ Н(х/у)—неопределенность ситуации х, оставшаяся после получения о ней сведений у.

Понятие вероятности используется только при оценке массовых явлений. Поэтому для оценки какого-либо единичного события на­до хорошо знать вероятности массовых явлений. Это не всегда возможно. Поэтому советским ученым А. Н. Колмогоровым в 1962—1965 гг. была разработана принципиально иная концепция, по которой понятия теории информации могут быть определены на основе теории алгоритмов без привлечения теории вероятностей В этом случае по выражению (2.3) находят алгоритмическое коли-

27











чество информации в индивидуальном объекте у относительно ин­дивидуального объекта х. При таком подходе нет необходимости в знании исходного множества объектов и в задании их статистиче­ских характеристик, но необходим алгоритм, по которому, зная / (х/у), можно воспроизвести состояние объекта х. Иначе, энтропия Н (х/у) есть минимальная длина программы, записанной в виде нулей и единиц, которая по алгоритму позволяет отобразить х, имея у.

Помимо рассмотренных, существует еще много других подходов к определению меры информации в зависимости от конкретных целей исследований. Важным для правильного понимания инфор­мационных процессов в системах является следующее:

информация есть величина, допускающая различного рода из­мерения и представляющая собой описание (различной полноты) материального объекта (системы), на основе этого описания воз­можно отражение (моделирование) объекта;

информация порождается системой и ее информационный ре­сурс определяется структурой и протекающими процессами;

информационное взаимодействие в системах происходит обычно вместе с энергетическим и вещественным взаимодействиями, хотя может существовать и отдельно;

информация в любых системах передается посредством сигна­лов через каналы связи.

2.4. СИГНАЛЫ

Информационные взаимодействия в любой системе происходят на основе определенной совокупности сигналов, являющихся пере­носчиками информации от одной части системы к другой. Каждому состоянию системы соответствует один сигнал или определенное множество эквивалентных сигналов. Число и форма сигналов зави­сят от сложности системы и точности отображения ее состояния. Сигналы всегда имеют материальную и энергетическую основу той или иной формы. Это может быть электромагнитное поле, световой поток, звук, температура, масса, скорость, знаки на бумаге и т. д.

Технические системы передачи сигналов служат человеку, но не все формы физических сигналов воспринимаются органами чувств человека или не все физические параметры удобны для передачи. В этих случаях информационные параметры специальными техниче­скими устройствами преобразуются в форму, удобную для восприя­тия или передачи.

Первичные преобразователи, реагирующие на изменение физи­ческого параметра (механического, электрического, оптического, теплового, химического и т. п.) источника сообщений, принято назы­вать датчиками, а все последующие — информационными преобра­зователями. 28

Рис. 2.7. Последовательность информационных преобразований в системах теле­механики

В любом преобразователе происходит отображение множества входных сигналов в эквивалентное множество выходных с измене­нием формы представления сигналов. Это позволяет любую систе­му телемеханики рассматривать как определенную последователь­ность информационных преобразователей, видоизменяющих сигна­лы. Например, сигналы х2 с выходов датчиков (рис. 2.7) в кодиру­ющем устройстве преобразуются в форму хъ, удобную для согласо­вания с возможностями канала, после чего модулятор осуществля­ет преобразование кодированной записи сообщения х% в линейный сигнал л:4, т. е. модуляцию переносчика в соответствии с передавав мым сообщением. На приемном конце производятся обратные пре­образования сигналов с целью представления информации в наи­более удобной форме.

Таким образом, для каждого преобразователя нужно уметь за­давать взаимосвязь между входами и выходами в соответствующей математической форме, а также описывать сигнал любого вида.

Чаще всего для описания сигналов используют функцию време­ни (рис. 2.8), так как удобно наблюдать изменение физических па­раметров сигналов во времени. Если изменения наблюдаемых па­раметров происходят дискретно во времени, то и сигналы получают дискретную форму.

Рис. 2.8. Функция времени Рис. 2.9, Дискретный сигнал

29


При непрерывном изменении параметров во времени сигналы могут быть аналоговыми или после дополнительных преобразова­ний (квантование) дискретными (рис. 2.9).








Представление сигналов как функции времени yx(t) графи­чески удобно выражать совокупностью точек определенной кривой в двухмерном пространстве прямоугольных координат х и t (см. рис. 2.8). Однако не во всех случаях такое представление сигналов оказывается достаточным и наглядным в особенности для изучения свойств совокупности сложных сигналов. В этих случаях использу­ют сложные пространства сигналов, в которых каждый сигнал изо­бражается точкой в этом многомерном пространстве. Иными слова­ми, все сигналы, обладающие свойствами Р, образуют множество сигналов S, т. е. S= {х; P). В другой форме эта же взаимосвязь мо­жет быть записана следующим образом: Р=>х£ S, т. е. Р верно для х, принадлежащего S.

Таким образом, определяя Р, задают нужное множество сигна­лов. Оперируя множествами, в теории сигналов широко используют операции объединения и пересечения.

Объединение множеств Si и S2 (рис. 2.10, а) представляется как



а пересечение (рис. 2.10,6) как



Операторы U и П используются также для разбиения множест­ва S на ряд непересекающихся подмножеств (рис. 2.10, в), т. е. S=51US2U53lj54, если 5,f|5, = 0 для 1ф\, где 0 — знак пустого множества.

Для получения более удобных узких подмножеств обычно ис­пользуют разбиения с помощью отношения эквивалентности, выра­жаемого следующими свойствами:

а) л:~х для любого х (свойство рефлексивности);

б) х~у=& у~х (симметрия);

Рис. 2.10. Пересекающиеся и непересекающиеся множества и подмножества


Рис. 2.11 Отображение сигналов 30


в) х~г/и г/~2=^л'~2 (транзитивность).



Рис. 2.12. Составное отображение

Более общий способ установления отношений между элемента­ми множеств состоит в отображении элементов одного множества на элементы другого по определенному правилу, т. е. отображе­ние — это правило, по которому элементам множества S\ (рис. 2.11) ставятся в соответствие элементы множества S2. Символически это записывается как f: Si-kS2, что означает y = f(x); xeSi и i/eS2, т. е. у — образ х в S2 при отображении f.

При взаимно однозначных отображениях используют и обрат­ное отображение S2 на Su т. е. /-': 52^-Sb а также составные или последовательные отображения (рис. 2.12), т. е. / : S\—*-S2 =>z =

= Ы</)=ЫЫ*)) =/(*)•

Любое отношение эквивалентности может быть выражено как отображение, а любое отображение порождает отношение эквива­лентности.

Наиболее широко применяемым в теории сигналов является отображение, называемое преобразованием Фурье. Это отображе­ние задается следующим образом:

(2.4)



Обратное отображение задается соотношением

(2.5)

Соотношения (2.4) и (2.5) являются парой преобразований Фурье, причем первое из них выражает так называемую спектраль­ную плотность сигнала (частотный спектр).

31








Любой сигнал конечной длительности 5d(t) = {x; x{t)=0 для всех И>П или периодический сигнал



могут быть представлены совокупностью периодических (гармони­ческих) составляющих (рис. 2.13) в соответствии с разложением в ряд Фурье



Коэффициенты разложения определяются функционалами



где т = 0, ±1, ±2 ...

Рис. 2.13. Представление сигналов гармоническими составляющими


Рис. 2.14. Представление сигналов временным рядом


Другим широко используемым способом представления любого сигнала является его представление временным рядом, т. е. конеч­ным набором функций, описывающих интерполирующий импульс ф(0 (рис 2.14, а) при разных его смещениях по оси времени




Рис. 2.15. Представление сиг­налов дискретными отсчетами

(рис. 2.14,6). Обычно такой импульс удовлетворяет условиям <р(0) = 1 и ф(£т) = 0 для1гф0, тогда

/6=7, {<рк;Л=1,2...}.

Сигналы с ограниченной частотой изменения ш представляют дискретным набором отсчетов через равностоящие промежутки вре­мени (рис. 2.15) в соответствии с теоремой Котельникова (теорема отсчетов), т. е. для любого xeS((o) и любого /:



Кроме указанных способов представления произвольных сигна­лов, существует множество других, например разложения по поли­номам Лежандра, Чебышева, Лагерра, функциям Бесселя, Хаара и др.

Таким образом, для описания любых детерминированных во времени сигналов существуют различные методы. Однако в реаль­ных системах часто приходится иметь дело со случайными сигна­лами, т. е. с такими функциями времени, значения которых лежат в определенном диапазоне и появление любой из которых имеет определенную вероятность (стохастический процесс) X={x(t); t^.T}, где X(t) рассматривается как вектор в гильбертовом про­странстве, образуемом точками по параметру /.

В таких системах стремятся определить не конкретное значе­ние сигнала (отдельная реализация), а вычислить статистические средние значения по отношению к случайным переменным (матема­тическое ожидание). Тогда случайный процесс во времени характе­ризуется детерминированной во времени функцией от различных ожиданий, а не формой конкретных сигналов. В этом состоит прин­ципиальное различие в описаниях детерминированных и случайных сигналов.

Для сравнительной оценки сигналов одного множества по ка­ким-либо свойствам каждой паре элементов множества ставится в соответствие действительное положительное число, называемое расстоянием между элементами.

Расстояния во множестве, представляющем пространство сиг­налов, определяют по условному правилу, называемому метрикой данного пространства. Метрика должна удовлетворять следующим условиям:

а) d(x, г/)^0 (если х = у, то d(x, y)=0), т. е. расстояние неот­
рицательно;

б) d(x, y)=d(y, х), т. е. расстояние от х до у равно расстоянию
от у до х (симметрия);

в) d(x, z)^d(x, y)-\-d{y, г), т. е. длина одной стороны треуголь­
ника векторов не может быть больше суммы двух других.

Для одного и того же множества элементов по разным метри­кам могут быть образованы разные метрические пространства. Например, если принять х={аи а2,...,ап} и у={Ь{, Ь2, ..., Ьп}, то расстояние в трехмерномпространстве (Евклидова метрика)

Из этого же множества элементов может быть образовано про­странство, определяемое, скажем, по метрике Хэмминга, т. е.



В этом случае расстояние между любой парой слов определяет­ся числом несовпадающих символов (суммирование по модулю 2) по всем разрядам. Эта метрика широко применяется для срагне-ния кодов по возможностям обнаружения и исправления ошибок.

2.5. КОДИРОВАНИЕ

Сообщения, подлежащие передаче по каналу связи, должны быть представлены в такой форме, которая является наиболее удобной для передачи по данному каналу. Таким образом, подра­зумевается преобразование одного исходного пространства сигна­лов в эквивалентное ему другое. Подобное преобразование прохо­дит в два этапа. Первоначально из избыточного множества сигна­лов 1/(дт) необходимо выделить подмножество V(M\ содержащее М нужных сигналов. Затем их необходимо поставить в однозначное соответствие с исходными сигналами. Первый этап может быть осу­ществлен См различными способами, а второй — Ml. Таким обра­зом, общее число возможных правил кодирования



Подмножество V{M\ выбранное по любому из К правил, состав­ляет код. По ГОСТ 26.014—81 код — совокупность условных сигна­лов, обозначающих дискретные сообщения.

34

Символическая запись сложного сигнала из подмножества V<M> представляет кодовую комбинацию (кодовая последовательность). Вид записи комбинации зависит от системы счисления, используе­мой для рассматриваемого кода, так как любая комбинация — это число, записанное в определенной системе счисления.

Основание системы счисления состоит из конечного набора цифр (символов), из комбинаций которых может быть образовано любое число. Так, основание наиболее привычной в обычной жизни деся­тичной системы счисления содержит 10 цифр (0—9), а основание наиболее распространенной в технике передачи и обработки дан­ных двоичной системы составляют цифры 0 и 1.

Любое число в системе счисления с основанием х может быть представлено многочленом:



где а — знаки основания от 0 до х—1.

Например, десятичное число 169 в двоичной системе записы­вается следующим образом: F(х) = 1-х7+О-л:6+1-л:5+О-л:4+1-х3+ +0-х2+0-х1 + \-х° == 1-27+0-26+1-25 + 0-24+1-23 + 0-22 + 0 • 21 + + 1-2°, или F(x) = 10101001. Обычно при записи двоичного числа в виде многочлена опускают члены с коэффициентами 0 и не пишут множители 1, т. е. для числа 169 получаем F(x)=x7 + x5 + x3+\.

Представление кодовых комбинаций в виде многочленов широ­ко используется благодаря возможности производить над ними обычные алгебраические операции при анализе свойств кода. Од­нако для сохранения заданного кодом числа разрядов при сложе­нии любых комбинаций используется сложение по модулю 2, т. е. по следующимправилам:

Пространство сигналов, построенное в соответствии с этими требованиями, удовлетворяет метрике Хэмминга



Действительно, при использовании п разрядов в комбинации возможно всего 2П комбинаций. Сложение любых двух (или боль­шего числа) комбинаций по модулю 2 дает комбинацию из указан­ной совокупности. Такие коды называются систематическими. Если в коде используются все возможные комбинации, то некоторые от­личаются друг от друга только в одном разряде, т. е. по Хэммингу расстояние d= 1. Такие коды являются непомехозащищенными, так как искажение какого-либо разряда помехами (любого происхож­дения) приводит к другой разрешенной комбинации.

Однако, если выбрать для использования только комбинации с расстоянием d=2, то одиночные искажения в комбинациях легко обнаруживаются. Такая совокупность комбинаций будет уже пред-

2* 35

ставлять код с обнаружением одиночных ошибок. Коды с расстоя­нием d^1 получили название помехозащищенных, они подразде­ляются на две группы: коды с обнаружением ошибок (пассивная помехоустойчивость); коды с обнаружением и исправлением оши­бок (активная помехоустойчивость), т. е. корректирующие коды.

По числу разрядов, используемых в кодовых комбинациях, коды могут быть разномерными и неравномерными, т. е. содержащими одинаковое или разное число элементов в комбинациях.

Непомехозащищенные коды (представляющие группу кодов с кодовым расстоянием d=l) получили достаточно широкое распространение в телемеханических системах, несмотря на низкую помехозащищенность.

Наиболее известными представителями этой группы являются коды Морзе, Бодо, Грея, международный телеграфный и двоично-десятичный коды.

В коде Морзе используются комбинации двух символов — точка и тире, разделяемые паузой. Длительности точки и паузы между элементами одной комбинации одинаковы, а длительность тире в три раза больше. Число элементов (и время передачи) в комбина­циях колеблется в широких пределах и это является серьезным не­достатком кода Морзе.

Код Бодо более удобен, так как он является равномерным и содержит пять элементов в каждой комбинации.

Для уменьшения влияния помех в отдельных разрядах при пере­даче цифровых данных используется код Грея, соседние комбинации в котором отличаются только в одном разряде. Такие коды широко используют при передаче результатов телеизмерений.

Двоично-десятичные непомехозащищенные коды нашли приме­нение в системах передачи данных и вычислительной технике. В этих кодах каждый десятичный разряд представляется четырех­разрядной комбинацией двоичного кода. Например, цифра 1 пред­ставляется как 0001, а цифра 9 — как 1001. Нетрудно заметить, что запись многоразрядных десятичных цифр двоично-десятичным кодом получается весьма громоздкой. Для сокращения числа раз­рядов используют различные приемы.

Помехозащищенные коды предполагают, что из множе­ства 2П различных слов (комбинаций) для использования выбраны только такие, для которых d^2. Выбор такого подпространства у(т) с нужными свойствами из пространства сигналов Vn представ­ляет задачу выбора кода, оптимального по какому-либо определен­ному критерию. Чаще всего таким критерием является именно ко­довое расстояние d при ограничениях на число разрядов пит. При этом широко используются следующие постановки задачи:

  1. выбрать из множества V(n> заданное число ^ М комбинаций с
    максимально возможным кодовым расстоянием d;

  2. выбрать из множества F<n) максимальное число комбинаций
    Мтах с заданным кодовым расстоянием d\

36

3) найти такой оператор, который однозначно трансформирует m-значные комбинации в я-значные (п^т) и обеспечивает макси­мальное кодовое расстояние для данного вида преобразований.

Наиболее широко используются в телемеханических системах коды, получаемые в результате линейных преобразований ш-знач-ных комбинаций в n-значные (п^т), называемые поэтому линей­ными.

Линейное преобразование в пространстве X обладает следую­щими свойствами:



где Xi и хг — произвольные векторы из пространства X; аи|3 — произвольные скалярные величины.

Множество всех линейных преобразований некоторого линейно­го пространства само является линейным пространством, в котором определены векторное сложение и умножение на скаляр:



Операция сложения схемно легко реализуется в виде парал­лельного соединения, а умножение — путем последовательного соединения соответствующих блоков, выражающих указанные опе­раторы.

Линейные коды с избыточностью (корректирующие коды) стро­ятся путем добавления к каждой m-значной комбинации исходного кода k проверочных символов, выбираемых по определенному пра­вилу (линейной форме).

Комбинации Xi корректирующих кодов в общем виде записыва­ются следующим образом:



гдеа,-; — информационные символы /-Й комбинации исходного кода;

— проверочные символы.

Коэффициенты С,; могут иметь значения 0 и 1, суммирование производится по модулю 2.

Корректирующие возможности кода зависят от кодового рас­стояния, косвенно отражаемого в форме общей записи числом про­верочных символов p?t. В табл. 2.1 приведена система кодовых слов при минимальном для помехозащищенных кодов расстоянии d — 2.

Разряд Pi является проверочным на четность по правилу pi =

= (ai + <X2 + Ct3)mod 2.

Из примера видно, что появление ошибки в любом разряде мо­жет быть обнаружено, так как возникает комбинация не из набора разрешенных ххх%. Добавляя проверочные разряды, можно полу­чить множество комбинаций с кодовым расстоянием d>2, что по-

37

Таблица 2.1







«2

a.

P.

xi

a,







p.

Xi

0

0

0

0

4

1

0

0

1

x2

0

0

1

1

xe

1

0

1

0




0

1

0

1

X-!

1

1

0

0

Xi

0

1

1

0

xs

1

1

1

1

зволяет не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их (кор­ректировать).

Например, множество кодовых слов с d — З (табл. 2.2) обладает возможностью обнаружить и исправить ошибку в одном разряде или же только обнаружить ошибки в двух разрядах.

Разряды



являются проверочными на четность.

В общем виде корректирующие возможности кодов с d^z2 мо­гут быть охарактеризованы выражением



где г — число обнаруживаемых ошибок; 5 — число исправляемых ошибок.

Например, при d = 4 код может обнаружить две и исправить од­ну ошибку (7 = 2, s=l) или же обнаружить три ошибки (г=3, s=0).

Синтез линейных кодов с заданными свойствами обычно осуще­ствляется кодирующими устройствами (рис. 2.16, а), которые срав­нительно просты, так как содержат только ячейки регистра сдвига (х\, ..., хт) и сумматор по модулю 2. К сумматору подключаются

Таблица 2.2




«1










p.




Рз

xi

«1






  1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (10031.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации