EKSPLOATACJA URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH STOSOWANYCH W SYSTEMACH TELEMATYKI TRANSPORTU Z UWZGLĘDNIENIEM ZAKŁÓCEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 118 Transport 217 Jerzy Chmiel, Adam Rosiński Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Jacek Paś Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Instytut Systemów Elektronicznych EKSPLOATACJA URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH STOSOWANYCH W SYSTEMACH TELEMATYKI TRANSPORTU Z UWZGLĘDNIENIEM ZAKŁÓCEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH Rękopis dostarczono: maj 217 Streszczenie: W artykule przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z oddziaływaniem zakłóceń elektromagnetycznych na urządzenia elektroniczne stosowane w systemach telematyki transportu. Są one eksploatowane w różnych warunkach otaczającego ich środowiska elektromagnetycznego. Występujące na rozległym obszarze transportowym zaburzenia elektromagnetyczne zamierzone lub niezamierzone (stacjonarne lub ruchome) mogą być przyczyną zakłócenia ich funkcjonowania. Dlatego też tak istotne jest przeprowadzenie analizy niezawodnościowo-eksploatacyjnej urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu z uwzględnieniem zakłóceń elektromagnetycznych. Takie podejście zaprezentowano w niniejszym artykule. Słowa kluczowe: systemy telematyki transportu, modelowanie, eksploatacja 1. WSTĘP Głównym celem transportu jest przemieszczanie osób i ładunków. Proces ten powinien cechować się wysokim poziomem niezawodności i bezpieczeństwa. Dlatego też coraz częściej stosowane są systemy telematyki transportu, które to integrują informatykę z telekomunikacją w zastosowaniach dla potrzeb systemów transportowych. Wdrażanie tego rodzaju systemów zwiększa poziom bezpieczeństwa oraz efektywność wykorzystania zarówno infrastruktury transportowej jak i środków transportu. Jednocześnie też poprzez zastosowanie zaawansowanych urządzeń elektronicznych oraz wielu systemów telekomunikacyjnych i informatycznych w transporcie, możliwe jest wdrożenie

2 4 Jerzy Chmiel, Adam Rosiński, Jacek Paś nowoczesnych usług, które w większości nie mogłyby być zaoferowane podróżnym i przewoźnikom [15]. Urządzenia elektroniczne stosowane w systemach telematyki transportu pracują w zróżnicowanych warunkach eksploatacyjnych. Ich poprawne funkcjonowanie jest uzależnione nie tylko od niezawodności poszczególnych części składowych tworzących system, ale także od poziomu zakłóceń elektromagnetycznych i przyjętych do realizacji strategii eksploatacji. W artykule przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z oddziaływaniem zakłóceń elektromagnetycznych na urządzenia elektroniczne stosowane w systemach telematyki transportu. Są one eksploatowane w różnych warunkach otaczającego ich środowiska elektromagnetycznego, w tym w szczególności dość wymagające jest środowisko transportu kolejowego [4,21]. Występujące na rozległym obszarze kolejowym zaburzenia elektromagnetyczne zamierzone lub niezamierzone (stacjonarne lub ruchome) mogą być przyczyną zakłócenia jego funkcjonowania [1,11]. Ponieważ systemy telematyki transportu biorą udział w procesie transportowym [6,16,24], to zarejestrowane przez nie dane mogą mieć istotny wpływ na wystąpienie zagrożenia realizacji procesu przemieszczania ludzi i/lub ładunków [8,23]. Dlatego tak istotne jest prawidłowe funkcjonowanie urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu w środowisku elektromagnetycznym występującym na obszarze transportowym (w szczególności jeśli dotyczy systemów związanych z bezpieczeństwem publicznym i pasażerów [5]). Poprawna praca urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu jest możliwa przy zabezpieczeniu ich przed oddziaływaniem niepożądanych pól elektromagnetycznych [9] i wibracji [2]. Na podstawie licznych obserwacji można stwierdzić, że wytworzone sztucznie pola elektryczne i magnetyczne, z różnych zakresów częstotliwości, mogą wpływać negatywnie na funkcjonowanie tych systemów [3,13]. Stwierdzono, że praca urządzeń i systemów elektronicznych może być poważnie zakłócana w wyniku oddziaływania niepożądanych pól elektromagnetycznych [19,2]. Dotychczas autorzy dokonali analiz z zakresu niezawodnościowo-eksploatacyjnego całych systemów [17] jak też ich poszczególnych podsystemów (np. układów zasilania [7,14], systemów nawigacyjnych [18,22]). Nie uwzględniono jednak zakłóceń elektromagnetycznych. Dlatego też tak istotne jest przeprowadzenie analizy niezawodnościowo-eksploatacyjnej urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu z uwzględnieniem zakłóceń elektromagnetycznych. 2. PODSTAWOWE ZAGADNIENIA DOTYCZĄCE KOMPATYILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ Kompatybilność elektromagnetyczna jest to zdolność danego urządzenia lub systemu (traktowanego jako całość) do funkcjonowania w określonym środowisku elektromagnetycznym w sposób zadawalający i bez wytwarzania zakłóceń nietolerowanych przez inne urządzenia i systemy, które w tym środowisku się znajdują.

3 Eksploatacja urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu 41 Według definicji kompatybilności elektromagnetycznej IEC 5(161) system telematyki transportu, który jest zainstalowany w ruchomym lub stacjonarnym środku transportu powinien posiadać: - instalacje składają się z przestrzennie rozmieszczonych systemów np. telematyki, bezpieczeństwa, SRK, itd., urządzeń, jednego lub kilku elementów konstrukcyjnych wsporczych oraz przestrzennie usytuowanych połączeń z systemami i urządzeniami traktowanymi jako urządzenia końcowe (np. nadajnik systemu), eksploatowane we wzajemnym powiązaniu funkcjonalnym; - podzespół każdy element, który jest przewidziany do wbudowania w urządzenie, nie posiadający jednak samodzielności funkcjonalnej oraz nie przeznaczony do bezpośredniego zastosowania przez użytkownika; - system według dyrektywy kompatybilności elektromagnetycznej definiowany jest jako kilka połączonych wzajemnie, w określonym celu urządzeń, które są wprowadzone do obrotu jako wyłącznie jedna jednostka funkcjonalna np. elektroniczny system bezpieczeństwa, itd.; - system tworzą powiązane funkcjonalnie ze sobą urządzenia, które są eksploatowane przy wykorzystaniu konstrukcji wsporczej (otwartej lub zamkniętej) oraz przestrzennie rozłożonych połączeń (przewody elektryczne wykorzystywane do zasilania, pola elektromagnetyczne do łączności bezprzewodowej, połączenia optyczne i mechaniczne obudowa urządzeń, podsystemów). Ze względu na dość złożoną strukturę pola elektromagnetycznego i różnice jego własności w pobliżu źródła zakłóceń, np. przewodu, anteny (pole bliskie) i w pewnym oddaleniu od źródła zakłóceń (pole dalekie odległość zależy od częstotliwości) sprzężenie przez pole elektromagnetyczne dzielone jest na sprzężenie indukcyjne lub pojemnościowe (w polu bliskim) oraz promieniowanie elektromagnetyczne (w polu dalekim). Parametrem sygnałów zakłócających decydującym o rodzaju sprzężenia, w którym energia związana z zakłóceniami wpływa na urządzenie wrażliwe jest częstotliwość sygnałów. Dla częstotliwości mniejszych od 3 MHz dominującymi są zakłócenia urządzenia (systemu) za pośrednictwem przewodów do niego dochodzących, natomiast dla częstotliwości wyższych coraz większego znaczenia nabierają sygnały przenoszone przez pole elektromagnetyczne. Istniejące zakłócenia elektromagnetyczne na obszarze transportowym (w tym w szczególności kolejowym) oddziaływają na systemy telematyki transportu poprzez sprzężenia: - promieniowane, zakres częstotliwości od 3 MHz - wielkość zakłóceń proporcjonalna do parametrów pola elektromagnetycznego tj. natężenia E pola elektrycznego i natężenia H pola magnetycznego; - przewodzone proporcjonalnych do wartości prądu I[A], napięcia U[V] zakłócającego; - indukcyjne (amplituda zakłócenia proporcjonalna do szybkości zmian prądu w czasie); - pojemnościowe (amplituda zakłócenia proporcjonalna do szybkości zmian napięcia w czasie). W przypadku oddziaływania zakłóceń elektromagnetycznych na systemy telematyki transportu możemy wyróżnić cztery stany pracy tego systemu: - system nie reaguje na zakłócenie zewnętrzne i wewnętrzne poziom zakłóceń zbyt mały, nie został przekroczony dopuszczalny poziom zakłóceń, system pozostaje w danym stanie eksploatacyjnym, w którym aktualnie się znajduje,

4 42 Jerzy Chmiel, Adam Rosiński, Jacek Paś - urządzenia wchodzące w skład systemu sterowania samoczynnie likwidują zakłócenia poprzez zastosowane filtry pasywne lub aktywne, ekranowanie, odpowiednie rozmieszczenie lub rozwiązania układowe, - wystąpienie zakłócenia powoduje przejście systemu ze stanu zdatności do stanu (lub stanów) częściowej zdatności przywrócenie stanu zdatności wymaga podjęcia określonych działań interwencyjnych, - wystąpienie zakłócenia o wartościach przekraczających dopuszczalne powoduje uszkodzenie systemu, a tym samym przejście ze stanu zdatności (lub stanu częściowej zdatności) do stanu niezdatności. 3. MODEL PROCESU EKSPLOATACJI URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH STOSOWANYCH W SYSTEMACH TELEMATYKI TRANSPORTU Z UWZGLĘDNIENIEM ZAKŁÓCEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH Modele procesu eksploatacji urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu z uwzględnieniem zakłóceń elektromagnetycznych wymagają analizy ich funkcjonowania w warunkach rzeczywistych urządzeń. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie zależności pozwalające wyznaczyć wartości prawdopodobieństw przebywania rozpatrywanych systemów w wyróżnionych stanach eksploatacyjnych [1,12,15]. Przeprowadzając analizę funkcjonowania urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu z uwzględnieniem zakłóceń elektromagnetycznych, można zilustrować relacje zachodzące w tej strukturze, w aspekcie niezawodnościowoeksploatacyjnym, tak jak przedstawia to rys. 1. RZ2 S PZ Z2 Z3 S S S Z2 R O (t) (t) Z2 (t) (t) Rys. 1. Relacje w systemie telematyki transportu z uwzględnieniem zakłóceń elektromagnetycznych [oprac. wł.]

5 Eksploatacja urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu 43 Oznaczenia na rys.: R O(t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie pełnej zdatności S PZ, (t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zagrożenia bezpieczeństwa S, Z2(t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zagrożenia bezpieczeństwa S Z2, (t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zawodności bezpieczeństwa S, intensywność przejść ze stanu pełnej zdatności S PZ do stanu zagrożenia bezpieczeństwa S, Z2 intensywność przejść ze stanu zagrożenia bezpieczeństwa S do stanu zagrożenia bezpieczeństwa S Z2, Z3 intensywność przejść ze stanu zagrożenia bezpieczeństwa S Z2 do stanu zawodności bezpieczeństwa S, intensywność przejść ze stanu pełnej zdatności S PZ do stanu zawodności bezpieczeństwa S, RZ2 intensywność przejść ze stanu pełnej zdatności S PZ do stanu zagrożenia bezpieczeństwa S Z2, intensywność przejść ze stanu zagrożenia bezpieczeństwa S do stanu pełnej zdatności S PZ. Jeśli system telematyki transportu jest w stanie pełnej zdatności SPZ i pojawiają się zakłócenia elektromagnetyczne (w dopuszczalnym przedziale) to następuje przejście systemu do stanu zagrożenia bezpieczeństwa S z intensywnością. Jeśli system jest w stanie zagrożenia bezpieczeństwa S to możliwe jest przejście do stanu pełnej zdatności SPZ z intensywności μ pod warunkiem podjęcia działań polegających na zmniejszeniu skutków zakłóceń elektromagnetycznych. Jeśli system telematyki transportu jest w stanie zagrożenia bezpieczeństwa S i pojawiają się zakłócenia elektromagnetyczne (przekraczające wartości dopuszczalne, ale jeszcze system funkcjonuje) to następuje przejście systemu do stanu zagrożenia bezpieczeństwa SZ2 z intensywnością Z2. Jeśli system telematyki transportu jest w stanie zagrożenia bezpieczeństwa SZ2 i pojawiają się zakłócenia elektromagnetyczne (przekraczające wartości dopuszczalne i skutkujące przerwaniem funkcjonowania systemu) to następuje przejście systemu do stanu zawodności bezpieczeństwa S z intensywnością Z3. Jeśli system telematyki transportu jest w stanie pełnej zdatności SPZ i pojawiają się zakłócenia elektromagnetyczne (przekraczające wartości dopuszczalne, ale jeszcze system funkcjonuje) to następuje przejście systemu do stanu zagrożenia bezpieczeństwa SZ2 z intensywnością RZ2. Jeśli system telematyki transportu jest w stanie pełnej zdatności SPZ i pojawiają się zakłócenia elektromagnetyczne (przekraczające wartości dopuszczalne i skutkujące przerwaniem funkcjonowania systemu) to następuje przejście systemu do stanu zawodności bezpieczeństwa S z intensywnością. System przedstawiony na rys. 1 może być opisany następującymi równaniami Kołmogorowa-Chapmana: ' R (t) ' ' ' Z3 R R (t) R PZ1 Z3 R (t) RZ2 R (t) RZ2 (t) PZ1 R (t) (t) (1)

6 44 Jerzy Chmiel, Adam Rosiński, Jacek Paś Przyjmując warunki początkowe: R () 1 () () () (2) i stosując przekształcenia matematyczne otrzymujemy zależności umożliwiające obliczenie wartości prawdopodobieństw przebywania rozpatrywanego systemu w wyróżnionych stanach funkcjonalnych w ujęciu symbolicznym (Laplace a): * b R(s) a b * * Z2 (s) a b b RZ2 (s) a b c c Z2 PZ1 (3) * b c b Z3 RZ2 (s) a b c s c s Z2 PZ1 Z3 gdzie: a s b s c s Z2 Z3 RZ2 Przeprowadzając dalszą analizę matematyczną otrzymuje się zależności pozwalające na wyznaczenie prawdopodobieństw przebywania system telematyki transportu w stanach: pełnej zdatności SPZ, zagrożenia bezpieczeństwa S i SZ2 oraz zawodności bezpieczeństwa S. Stosując wspomaganie komputerowe można przeprowadzić obliczenia umożliwiające wyznaczenie wartości prawdopodobieństwa przebywania system telematyki transportu w poszczególnych stanach. Postępowanie takie przedstawia poniższy przykład. Przykład Przyjmijmy następujące wartości opisujące analizowany układ: - czas badań 1 rok (wartość tego czasu podano w jednostkach, jako godz. [h]): t 876 h - intensywności przejść ze stanu pełnej zdatności do stanu zagrożenia bezpieczeństwa 1 :

7 Eksploatacja urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu , intensywności przejść ze stanu zagrożenia bezpieczeństwa 1 do stanu zagrożenia bezpieczeństwa 2 Z2: 7 Z2 1, intensywności przejść ze stanu zagrożenia bezpieczeństwa 2 do stanu zawodności bezpieczeństwa Z3: 8 Z3 1, intensywności przejść ze stanu pełnej zdatności do stanu zawodności bezpieczeństwa : 1 1, intensywności przejść ze stanu pełnej zdatności do stanu zagrożenia bezpieczeństwa 2 RZ2: 9 RZ2 1, intensywności przejść ze stanu zagrożenia bezpieczeństwa 1 do stanu pełnej zdatności μ:,1 Dla powyższych wartości wejściowych z wykorzystaniem równań (3) otrzymujemy: R, Z2,1147,11,1 Przedstawiona analiza pozwala na liczbową ocenę różnego rodzaju rozwiązań, które mogą być wdrożone w celu zminimalizowania wpływu zakłóceń elekromagnetycznych na funkcjonowanie urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu. 4. PODSUMOWANIE Powszechne stosowanie układów elektrycznych i elektronicznych w systemach telematyki transportu powoduje konieczność ich funkcjonowania w określonym środowisku elektromagnetycznym. Skutkiem tego może być zwiększenie wystąpienia prawdopodobieństwa zakłóceń w funkcjonowaniu urządzeń tworzących te systemy. Dlatego też projektując systemy telematyki transportu należy przygotować je do pracy w warunkach rzeczywistych, czyli w otoczeniu innych urządzeń. Pomocna może w tym być przedstawiona metodyka analizy niezawodnościowo-eksploatacyjnej uwzględniająca zakłócenia elektromagnetyczne. Pozwala ona liczbowo określić wartość prawdopodobieństwa przebywania systemu w wyróżnionych stanach. W dalszych

8 46 Jerzy Chmiel, Adam Rosiński, Jacek Paś badaniach przewiduje się przeprowadzenie analiz z uwzględnieniem innych rodzajów struktur tych systemów. ibliografia 1. ędkowski L., Dąbrowski T.: Podstawy eksploatacji, cz. II Podstawy niezawodności eksploatacyjnej. Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa urdzik R., Konieczny Ł.: Research on structure, propagation and exposure to general vibration in passenger car for different damping parameters. Journal of Vibroengineering, vol. 15, issue 4, 213, pp Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. WNT, Warszawa Dyduch J., Paś J., Rosiński A.: Podstawy eksploatacji transportowych systemów elektronicznych. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom Kierzkowski A., Kisiel T.: Airport security screeners reliability analysis. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management IEEM 215, Singapore 215. pp Kłodawski M., Lewczuk K., Jacyna-Gołda I., Zak J.: Decision making strategies for warehouse operations. Archives of Transport, vol. 41, issue 1, 217. pp Korczak D., Rosiński A.: A discussion of the reliability and performance of the power supply systems used in the airport security systems. In: the monograph Wyzwania inżynierii ruchu lotniczego, editor: J. Skorupski, Warsaw University of Technology, Faculty of Transport, Warsaw 216. pp Łubkowski P, Laskowski D.: Selected issues of reliable identification of object in transport systems using video monitoring services. In: Communication in Computer and Information Science, editor: J. Mikulski, vol Springer, erlin Hedelberg 215. pp Ott H. W.: Metody redukcji zakłóceń i szumów w układach elektronicznych. WNT, Warszawa Paś J., Duer S.: Determination of the impact indicators of electromagnetic interferences on computer information systems. Neural Computing & Applications 212. DOI:1.17/s Paś J., Siergiejczyk M.: Interference impact on the electronic safety system with a parallel structure. Diagnostyka, Vol. 17, No. 1, 216. pp Paś J.: Eksploatacja elektronicznych systemów transportowych. Uniwersytet Technologiczno - Humanistyczny, Radom Paś J.: Shock a disposable time in electronic security systems. Journal of KONiN, 2(38)216. pp Rosinski A., Dabrowski T.: Modelling reliability of uninterruptible power supply units. Eksploatacja I Niezawodnosc Maintenance and Reliability, Vol.15, No. 4, Rosiński A.: Modelowanie procesu eksploatacji systemów telematyki transportu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Rychlicki M., Kasprzyk Z.: Increasing performance of SMS based information systems. In: Proceedings of the Ninth International Conference Dependability and Complex Systems DepCoS- RELCOMEX, given as the monographic publishing series Advances in intelligent systems and computing, Vol Springer, 214. pp Siergiejczyk M., Chmiel J., Rosiński A.: Reliability-maintenance analysis of highway emergency communication systems. In: Nowakowski T.,Młyńczak M.,Jodejko-Pietruczuk A.,Werbińska Wojciechowska S. (eds) Safety and Reliability: Methodology and Applications - Proceedings of the European Safety and Reliability Conference ESREL 214. CRC Press/alkema, London 215. pp Siergiejczyk M., Krzykowska K., Rosiński A. Reliability assessment of integrated airport surface surveillance system. In Proceedings of the Tenth International Conference on Dependability and Complex Systems DepCoS-RELCOMEX, given as the monographic publishing series Advances in intelligent systems and computing, vol Springer 215. pp Siergiejczyk M., Paś J., Rosiński A.: Evaluation of safety of highway CCTV system's maintenance process. In: J. Mikulski (ed.) Telematics support for transport, given as the monographic publishing

9 Eksploatacja urządzeń elektronicznych stosowanych w systemach telematyki transportu 47 series Communications in Computer and Information Science, Vol Springer-Verlag, erlin Heidelberg 214. pp Siergiejczyk M., Paś J., Rosiński A.: Issue of reliability exploitation evaluation of electronic transport systems used in the railway environment with consideration of electromagnetic interference. IET Intelligent Transport Systems 216,vol. 1, issue 9, 216, pp Siergiejczyk M., Paś J., Rosiński A.: Train call recorder and electromagnetic interference. Diagnostyka, vol. 16, no. 1 (215). pp Siergiejczyk M., Rosiński A., Krzykowska K.: Reliability assessment of supporting satellite system EGNOS. In W. Zamojski, J. Mazurkiewicz, J. Sugier, T. Walkowiak, J. Kacprzyk (eds) New results in dependability and computer systems, given as the monographic publishing series Advances in intelligent and soft computing, Vol Springer, 213. pp Stawowy M., Dziula P.: Comparison of uncertainty multilayer models of impact of teleinformation devices reliability on information quality. In: Proceedings of the European Safety and Reliability Conference ESREL 215, editors: L. Podofillini,. Sudret,. Stojadinovic, E. Zio, W. Kröger. CRC Press/alkema, 215. pp Sumiła M., Miszkiewicz A.: Analysis of the problem of interference of the public network operators to GSM-R. In: the monograph Tools of Transport Telematics,editors: J. Mikulski, given as the monographic publishing series Communications in Computer and Information Science, Vol. 531, Springer, 215, pp EXPLOITATION OF ELECTRONIC DEVICES USED IN TRANSPORT TELEMATICS SYSTEMS WITH CONSIDERATION OF ELECTROMAGNETIC INTERFERENCES Summary: The article presents the basic issues related to the influence of electromagnetic interference on electronic devices used in transport telematics systems. They are operated under different environmental conditions of the surrounding them electromagnetic environment. Widespread electromagnetic disturbance, whether intentional or unintentional (stationary or mobile), can cause interference with their operation. Therefore, it is important to perform a reliability and exploitation analysis of the electronic devices used in transport telematics systems, including electromagnetic interference. Such an approach is presented in this article. Keywords: transport telematics systems, modeling, exploitation