RACE NAUKOWE OLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 9 Tranport Andrzej Toru Intytut Kolejnictwa Lucyna Beter Uniwerytet Technologiczno-Humanityczny im Kazimierza uakiego w Radomiu Wydzia Tranportu i Elektrotechniki Miroaw Siergiejczyk olitechnika Warzawka, Wydzia Tranportu SZACOWANIE FUNKCJONALNOCI I BEZIECZESTWA SYSTEMÓW STEROWANIA RUCHEM KOLEJOWYM Rkopi dotarczono, kwiecie Strezczenie: W artykule przedtawiono koncepcj ytemu dodatkowego otrzegania kierowców na nietrzeonych przejazdach kolejowych kategorii D opartego o wykorzytanie publicznych otwartych ytemów tranmiji danych. Dla ytemu takiego przeprowadzona zotaa analiza bezpieczetwa z wykorzytaniem proceów Markowa w celu ozacowania wpywu proponowanego dodatkowego ytemu otrzegania na bezpieczetwo ruchu pojazdów. W celu ozacowania moliwoci budowy takiego ytemu dokonano analizy funkcjonalnej dla przykadowej konfiguracji ytemu zbudowanej z ogólnodotpnych na rynku typowych elementów moduów. Analiza funkcjonalna oparta zotaa o metod FTA a do wyliczenia wpóczynnika gotowoci oraz parametrów MTBF ytemu wykorzytano oprogramowanie Windchill Quality Solution. Sowa kluczowe: Sytemy zabezpieczenia przejazdów, tranmija otwarta, niezawodno ytemów. WROWADZENIE omimo i przejazdy kategorii D i C lokowane w miejcach o maym nateniu ruchu kategoria przejazdu utalana jet wg iloczynu ruchu okrelonego w Rozporzdzeniu [7] drogowego i kolejowego, to liczba wypadków na tych przejazdach jet ponad dwukrotnie wikza ni na przejazdach wypoaonych w ytemy p oraz pórogatki
7 Andrzej Toru, Lucyna Beter, Miroaw Siergiejczyk przejazdy kat A i B. Wedug danych tatytycznych [] prawcami wypadków na przejazdach kat D i C byli w gównej mierze uytkownicy dróg, w zwizku z tym podjto dziaania na rzecz poprawy bezpieczetwa na tzw. nietrzeonych przejazdach kolejowych czyli przejazdach kat. D i C. roponowany w artykule ytem otrzegania, którego truktur funkcjonowania przedtawiono na Ry. opiera i na radiowej tranmiji danych. Koncepcja ytemu opiera i na informowaniu kierowców znajdujcych i w obrbie danego przejazdu kolejowego o zbliajcym i do przejazdu pocigu. Komunikaty otrzegawcze wyyane bezporednio do pojazdu oraz na tablic zmiennej treci tablica ledowa utawion przed przejazdem kolejowym, otrzeganie odbywa i w formie obrazowej i/lub dwikowej w potaci krótkiego komunikatu uwaga pocig. CS tranmija radiowa ie enorowa STO tranmija radiowa ie enorowa SI KIC KIC KIC KIC SI MRKC tranmija radiowa SD MRK tranmija radiowa MRKC SUZ SI SUZ KIC karta interfeju czujników SUZ terownik ukadu zailania MRKC modu radiowokryptograficzny czujników MRK modu radiowokryptograficzny SD terowniki decyzyjne UZK urzdzenia zdalnej kontroli CS centrum terowania UZK SUZ Ry.. Struktura realizacji dodatkowego ytemu otrzegania kierowców na przejazdach kolejowych kat. D lub C [ródo: opracowanie wane] Do tranmiji komunikatów otrzegawczych waciwe jet wykorzyta znormalizowane tandardy i dobra pama cztotliwoci, które bd wpódziaay z amochodowymi ytemami informacji montowanymi fabrycznie w rónych modelach amochodów. W pojazdach niewypoaonych fabrycznie we wpomniane ytemy, efektywnym rozwizaniem do przekazywania informacji drog radiow jet korzytanie z profejonalnego urzdzenia DA eronal Digital Aitant- rodzaj
Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczetwa ytemów terowania ruchem kolejowym 77 przenonego komputera oobitego - funkcjonujcych ju na rynku, które w woim dziaaniu wykorzytuj m. in. uug informowania o biecej ytuacji na drodze. Atutem proponowanego rozwizania otrzegania jet dotarczanie kierujcym aktualnych i wiarygodnych informacji, które dotarczane bezporednio do pojazdu i wywietlane w komputerach pokadowych oraz poprzez podawanie komunikatów otrzegajcych na tablicach zmiennej treci wykonanych w technice LED, co moe by poczone z nadawaniem ygnau dwikowego.. ANALIZA BEZIECZESTWA SYSTEMU oziom bezpieczetwa na nietrzeonym przejedzie wypoaonym w dodatkowy ytem otrzegania ozacowano na podtawie wyznaczenia prawdopodobietwa wytpienia zdarzenia zdefiniowanego tu, jako zderzenie pojazdu z pocigiem w modelu matematycznym tan ten jet opiany Sk. Itotnym czynnikiem oceny tanu bezpieczetwa przejazdu jet analiza zaitniaych wypadków, ich przyczyn, kutków oraz prawdopodobietw ich wytpienia. W tym celu wykorzytano procey tochatyczne w potaci jednorodnych tacjonarnych i ergodycznych proceów Markowa, modelujcych przebieg funkcjonowania ytemu dodatkowego bezprzewodowego otrzegania kierowców oraz zjawik zachodzcych na nietrzeonych przejazdach kolejowych. Metoda ta daje moliwo ozacowania granicznych wartoci prawdopodobietw wytpienia ytuacji niebezpiecznej. Ry.. Model matematyczny ytemu dodatkowego otrzegania kierowców na przejazdach kat. D lub C [ródo: opracowanie wane]
78 Andrzej Toru, Lucyna Beter, Miroaw Siergiejczyk W modelu na ryunku zdefiniowane zotay niej opiane tany: Stan tan, w którym nie ma zagroenia - pojawi i pocig i nie pojawi i amochód - pojawi i amochód i nie pojawi i pocig Stan kierowca nie otrzyma komunikatu i nie zatrzyma i przed przejazdem Stan - kierowca nie otrzyma komunikatu i zatrzyma i przed przejazdem Stan - kierowca otrzyma komunikat i nie zatrzyma i przed przejazdem Stan - kierowca otrzyma komunikat i zatrzyma i przed przejazdem Stan Sk Stan katatroficzny, kierowca wjecha pod nadjedajcy pocig rzejcia pomidzy pozczególnymi tanami okrelaj:,,,,, intenywnoci przejcia do danego tanu,,,, intenywno powrotu do tanu bez zagroenia : []. Model przedtawiony na ryunku Ry. mona opia ukadem równa operatorowych, w których wykorzytujc przekztacenia Laplace a otrzymano ukad równa Komogorowa : k k k W wyniku rozwizania ukadu równa obliczajc granic przy t dla kadego tanu, otrzymano równanie graniczne opiujce prawdopodobietwo wytpienia kadego tanu. Do analizy wpywu proponowanego dodatkowego ytemu otrzegania na bezpieczetwo ruchu na przejedzie kolejowym najitotniejzym jet tan Sk jet to tan katatroficzny. rawdopodobietwo wytpienia ytuacji katatroficznej Sk opiane zotao równaniem. t t Sk Sk rzyjmujc typowe wartoci parametrów i zgodne z warunkami wyznaczania i obliczania wpóczynników natenia ruchu okrelone w zaczniku do Rozporzdzenia [7]: =,89 [h - ], =, [h - ], =,78 [h - ], =, [h - ], =, [h - ], =,8 [h - ], =, [h - ], =,8 [h - ], =, [h - ], =, [h - ], =, [h - ], obliczono graniczne prawdopodobietwo wytpienia tanu Sk dla zaoonego iloczynu ruchu, który zczegóowo zota opiany w pracach [,]. W wyniku oblicze otrzymano Sk =, -7. Jako punkt odnieienia do wyznaczenia poziomu bezpieczetwa przejazdu z dodatkowym ytemem otrzegania przeprowadzono analiz modeli podtawowych przejazdów kat. D i C bez dodatkowego ytemu otrzegania [,,]. orównanie uzykanych wartoci prawdopodobietwa Sk przedtawiono w Tablicy. [,,]
Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczetwa ytemów terowania ruchem kolejowym 79 Tablica Zetawienie wartoci prawdopodobietwa Sk dla rónych wariantów przejazdów Kat. przejazdu C D rawdopodobietwo Sk z dodatkowym otrzeganiem,9-7. -, -7 Jak wida na zetawieniu przedtawionym w Tablicy zatoowanie dodatkowego ytemu otrzegania na przejazdach kolejowych itotnie wpywa na popraw bezpieczetwa ruchu pojazdów. Szczegóowa analiza i wyniki oblicze dla pozczególnych wariantów przejazdów kolejowych zotay zamiezczone w pracach [,,]. Kolejnymi itotnymi wkanikami oceny bezpieczetwa ytemu jet kryterium czaowe, w potaci ozacowania redniego czau do wytpienia ytuacji katatroficznej T MTF Sk. Wyznaczone ono zotao zgodnie z zalenoci. [,,] T MTF R t dt oraz bezpieczetwo ytemu B dla modelu z dodatkowym otrzeganiem kierowców opiane zalenoci. [,,] n B N lim i t t i W przypadku proponowanego ytemu dodatkowego otrzegania uzykano natpujce wartoci tych parametrów: T MTF =,9 [h] oraz B=,9999977. Naley nadmieni, e wprowadzajc nowy ytem do ekploatacji mui on zapewnia przynajmniej ten am poziom bezpieczetwa, co dotychcza wykorzytywane ytemy na przejazdach kolejowych, w przypadku proponowanego ytemu dodatkowego otrzegania twierdzono, e w itotny poób poprawia on bezpieczetwo ruchu.. ANALIZA FUNKCJONALNA SYSTEMU Analiza bezpieczetwa prowadzona z wykorzytaniem proceów tochatycznych Markowa wykazaa itotn popraw bezpieczetwa na przejazdach kolejowych, jednak funkcjonalno proponowanego ytemu dodatkowego otrzegania jet pochodn jego niezawodnoci i dotpnoci do terowania. Zgodnie z przyjt w pracy ide ytem dodatkowego otrzegania moe zota zbudowany z zatoowaniem typowych elementów moduów terowania oraz elementów
8 Andrzej Toru, Lucyna Beter, Miroaw Siergiejczyk nadawczo odbiorczych umoliwiajcych wpóprac z publicznymi ieciami teletranmiyjnymi, które z zaoenia poiadaj ograniczenia zwizane m.in. z dotpnoci, podatnoci na zakócenia, czy opónieniami [,]. W konekwencji analiza funkcjonalna ma da odpowied na pytanie Czy moliwe jet zbudowanie ytemu o wymaganej niezawodnoci dziaania oraz oczekiwanej dotpnoci w oparciu o ogólnie dotpne moduy prztowe?. W celu okrelenia parametrów niezawodnociowych proponowanego ytemu odtworzono truktur blokow ytemu zgodn z Ry.. kadajc i z punktów terenowych podytem detekcji oraz podytem decyzyjny, terujcy ytemem otrzegania, pomidzy którymi wymiana danych odbywa i z wykorzytaniem ytemu tranmiji radiowej opartej o publiczny tandard ieci otwartych. Analiza funkcjonalna przeprowadzona zotaa dla ytemu w konfiguracji z w architekturze zeregowej pozczególnych elementów kadowych. Struktura taka jet najbardziej niekorzytna z niezawodnociowego punktu widzenia, poniewa uzkodzenie dowolnego elementu powoduje niezdatno ytemu. Dla potrzeb ymulacji zaoono wykorzytanie tandardowych dotpnych na rynku elementów o znanych parametrach techniczno ekploatacyjnych, dotoowanych do pracy w rodowiku przemyowym o wanociach rodowikowych nie gorzych ni moliwo pracy zakreie temperatur: - C +7 C i wilgotnoci wzgldnej 9%. Na podtawie ogólnodotpnych danych katalogowych, jako przykadowe wytypowane zotay moduy produkcji Firmy KONTRON oraz firm Satel i SICK []: SR-EBC - karta proceora przeznaczona jet do zarzdzania kaet/kaetami SR wraz z zaintalowanymi kartami obiektowymi typu SR-xxx, SR-IO - karta wyj uniweralnych, która przeznaczona jet do terowania urzdzeniami oraz kontroli cigoci obwodów ytemów zewntrznych. SR-IO - karta wej uniweralnych, która przeznaczona jet do zbierania tanu urzdze ygnaów z zetyków przekanikowych, optoizolacji lub innych form dytrybucji ygnaów, SR-LICZ karta do wpópracy z czujnikiem koa, SR-TO karta terujca ygnalizatorami To. oraz dotpne na rynku typowe: radiowe moduy tranmiji firmy Satel Satelline -ASxE, ie enorow wykorzytujc enory odlegoci firmy SICK DML-- przytoowane do detekcji w zakreie od.m do m. Do ozacowania niezawodnoci dla tak zdefiniowanego ytemu wykorzytano komputerowy pakiet wpomagania oblicze niezawodnociowych Windchill Quality Solution znany pod wczeniejz nazw Relex, umoliwiajcy prac w rodowiku Microoft Window. akiet ten opracowany zota przez firm ReliaCore. Oprogramowanie kada i z narzdzi do analizy niezawodnociowej umoliwiajcych midzy innymi prowadzenie analiz FTA, FMEA, wyznaczania wkaników niezawodnociowych THR, MTBF. program [] w werji demo dotpny jet na tronie www.reliacore.eu Dla potrzeb wyznaczenia parametrów dla pozczególnych moduów ytemu wykorzytano TelCordia SR.. edycja odpowiednik tandardu MIL-7F-HDBK. Zgodnie z zaoeniami przyjtymi do oblicze oraz wykorzytujc efektywn dla potrzeb oceny ytemu analiz FTA [], przyjto zeregow architektur ytemu
Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczetwa ytemów terowania ruchem kolejowym 8 oraz, e kada uterka prowadzi do tanu niezdatnoci i wymuza przejcie do tanu naprawy. oniewa ytem ma truktur moduow, a komponenty zotay wykonane w technologii hot-wap pozwalajcej na wymian uzkodzonego pakietu, czy moduu bez koniecznoci wyczania zailania, przyjto makymalny cza naprawy zwizany z dotarciem erwiu i uuniciem uterki równy 8 godzin. W celu ozacowania wanoci funkcjonalnych przykadowej implementacji technicznej ytemu dodatkowego otrzegania kierowców na przejazdach kolejowych wyznaczono dwa podtawowe parametry niezawodnociowe dla tego ytemu, MTBF redni cza pomidzy uzkodzeniami oraz wkanik gotowoci technicznej K g rozumiany jako zdolno ytemu do realizacji zaoonych zada. W teorii niezawodnoci uogólniony wpóczynnik gotowoci okrelany jet, jako prawdopodobietwo zdarzenia polegajcego na tym, i ytem jet w tanie prawnoci w dowolnym momencie czau t zgodnie z przyjtym modelem niezawodnoci. Dla potrzeb niniejzej pracy przyjto tacjonarn pota tego wkanika wyraon równaniem w potaci; gdzie: T pp cza poprawnego dziaania ytemu w uprozczeniu przyjmuje i redni cza pomidzy wytpieniem uterki, MTBF T on cza oczekiwania na uunicie uzkodzenia, w obliczeniach dla rozpatrywanego ytemu przyjto 8h. Na Ry. przedtawiony zota zapi formalny truktury ytemu odzwierciedlony w programie Windchill Quality Solution program [] w werji demo dotpny jet na tronie www.reliacore.eu.
8 Andrzej Toru, Lucyna Beter, Miroaw Siergiejczyk Ry.. Obraz ekranu truktury ytemu w zapiie oprogramowania Windchill Quality Solution [ródo: opracowanie wane] W wyniku przeprowadzonych oblicze uzykano niej przedtawione wpóczynniki poziomu uzkodze, które w proty poób analityczny pozwalaj na wyznaczenie wkaników MTBF oraz wkanika gotowoci technicznej K g : a dla pojedynczego punktu detekcji punkt terenowy oznaczony w programie, jako podytem S, lub S ze wzgldu na identyczn architektur i zatoowane komponenty, uzykano wpóczynnik poziomu uzkodze failure rate: S, =9.878 - [h - ] przy czym am ytem komputerowy terujcy w konfiguracji z charakteryzowa i wpóczynnikiem poziomu uzkodze równym: S-,- =.7 - [h - ] b dla punktu decyzyjnego punkt oznaczony w programie, jako podytem S, uzykano wpóczynnik poziomu uzkodze: S =.897 - [h - ] przy czym am ytem komputerowy terujcy w konfiguracji z charakteryzowa i wpóczynnikiem poziomu uzkodze równym: S- =.9 - [h - ] Korzytajc z zalenoci :
Szacowanie funkcjonalnoci i bezpieczetwa ytemów terowania ruchem kolejowym 8 Wyznaczone zotay pozczególne rednie czay do wytpienia uzkodzenia MTBF w przypadku rozpatrywanego ytemu - dowolnego uzkodzenia: a dla pojedynczego punktu detekcji: MTBF S, = 7 [h] przy czym am ytem komputerowy terujcy w konfiguracji z charakteryzowa i wpóczynnikiem poziomu uzkodze równym: MTBF S-,- =9 9 [h] b dla punktu decyzyjnego punkt oznaczony w programie, jako podytem S, uzykano wpóczynnik poziomu uzkodze failure rate: MTBF S =9 7 [h] przy czym am ytem komputerowy terujcy w konfiguracji z charakteryzowa i wpóczynnikiem poziomu uzkodze równym: MTBF S- =8 8 [h] W konekwencji dla proponowanego ytemu o trukturze jak na ry kadajcego i z punktów terenowych detekcji oraz jednego podytemu decyzyjnego zbudowanych w konfiguracji z oraz poczonych ze ob radiow ieci tranmiji uzykano wpóczynniki S i MTBF S równe: S =78.87 - [h - ] MTBF S = 78 [h] Oznacza to, e redni cza do wytpienia uzkodzenia dla proponowanego ytemu wynoi ok. roku. odkreli naley, e uzkodzenie takie nie prowadzi jezcze do powtania ytuacji niebezpiecznej, zagraajcej bezpieczetwu prowadzenia ruchu, a jedynie ogranicza dotpno ytemu do czau uunicia uterki. oniewa rozpatrywany ytem jet ytemem dodatkowego otrzegania na przejazdach kolejowych oignicie wkanika gotowoci technicznej na poziomie -, K g =.9999 uznaje i za wytarczajce.. ODSUMOWANIE rzedtawione w pracy analizy bezpieczetwa i niezawodnoci wykazay, i zatoowanie dodatkowego ytemu otrzegania kierowców na przejazdach kolejowych kategorii C i D zbudowanego w oparciu o typowe ogólnie dotpne elementy karty, komputery, enory, czujniki oraz wykorzytaniu publicznych otwartych tandardów tranmiji bezprzewodowej powoduje itotne ograniczenie prawdopodobietwa wytpienia zdarzenia katatroficznego, a tym amym podwyzone jet bezpieczetwo na przejazdach kolejowych.
8 Andrzej Toru, Lucyna Beter, Miroaw Siergiejczyk Analiza funkcjonalna dla przykadowego ytemu zbudowanego o ogólnie dotpne elementy i moduy wykazay, e mona zbudowa ytem o zadowalajcych parametrach niezawodnociowych, który ze wzgldu na zatoowane elementy moe tanowi atrakcyjn ekonomicznie alternatyw poprawy bezpieczetwa na przejazdach kolejowych. odkreli naley, e obliczenia i analizy miay na celu potwierdzenie tylko pewnych zaoe dla ytemu dodatkowego otrzegania oraz pozwoliy na uzykanie odpowiedzi na pytanie, co do enu obranego kierunku poprawy bezpieczetwa na przejazdach kolejowych kategorii D. Bibliografia. Beter L. Analiza zintegrowanego ytemu bezpieczetwa w tranporcie ldowym na przykadzie przejazdów kolejowych, Rozprawa doktorka Wydzia Tranportu i Elektrotechniki, Uniwerytet Technologiczno-Humanityczny im Kazimierza uakiego w Radomiu, Radom padziernik.. Karty katalogowe elementów produkcji firm KONTRON, Satel, SICK.. Lewiki A., Beter L.: The Analyi of Tranmiion arameter in Railway Cro Level rotection Sytem with Additional Warning of Car Driver. Telematic in the Tranport Environment, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.. Lewiki A., Toru A., erzyki T.: Rik Analyi a a Baic Method of Safety Tranmiion Sytem Certification. Modern Tranport Telematic, Springer-Verlag Berlin Heidelberg Springer-Verlag Berlin Heidelberg.. Lewiki A., Beter L.: Additional warning ytem for cro level. Tranport Sytem Telematic, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.. Relex 7 Viual Reliability Software Reference Manual. 7. Rozporzdzenie Minitra Tranportu i Gopodarki Morkiej z dnia lutego 99 r. w prawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiada krzyowania linii kolejowych z drogami publicznymi i ich uytuowanie Dz. U. Nr poz.. THE FUNCTIONALITY AND SAFETY ASSESSING OF RAIL CONTROL COMMAND SYSTEMS Summary: Thi paper preented the concept of an additional warning ytem for unguarded level croing D category, baed on the ue public open data tranmiion tandard. In order to ae the impact of thi additional warning ytem for traffic afety wa performed the afety analyi with the ue on Markov model. In order to ae the poibility of building uch an additional warning ytem, wa performed the functionality analyi for ample ytem configuration baed on available on the market of typical element. The functional analyi baed on the FTA method, ready ratio and MTBF parameter of the ytem wa performed ued Windchill Quality Solution oftware. Keyword: ytem reliability, level croing afety, open data tranmiion ytem