25
История систем безопасности движения в СССР начинается в 30-х
годах ХХ-го века с внедрения автоматической локомотивной сигнализации
непрерывного типа (АЛСН). В кабине локомотива был установлен
локомотивный светофор, а для передачи на борт информации путевого
светофора использовалась показанная в приложении А кодовая комбинация
электрических импульсных сигналов, передаваемых от путевых генераторов
по рельсам в виде радиосигналов на несущих частотах 25, 50 и 75 Гц.
Уровень сигнала в рельсах по мере приближения к светофору возрастал в
10–15 раз. При этом все дальнейшие действия по использованию полученной
информации целиком возлагались на машиниста.
С развитием скоростного движения появилась многозначная система
АЛС-ЕН [33], в которой на несущей частоте 174,38 Гц в двух подканалах в
рельсовые цепи передаются кодовые сигналы, полученные с использованием
двукратной фазоразностной модуляции. Для передачи информации
используется модифицированный код Бауэра, разрешённые комбинации
которого приведены в приложении Б.
За один цикл (0,8 с) на локомотив передаётся 1 байт информации, что
значительно превышает объём информации, передаваемой по каналу АЛСН.
Одно сообщение может включать в себя такую информацию, как показание
светофора, движение прямо или с отклонением по стрелкам, допустимую
скорость движения, количество свободных блок-участков [28].
В настоящее время с целью удешевления оборудования, а также
снижения расходов на потребляемую электроэнергию и содержание
устройств на скоростном участке Москва – Нижний Новгород проходит
испытание передача кодов АЛС-ЕН посредством радиомодемов по
выделенному радиоканалу.
При анализе научных публикаций на тему геоинформационных
технологий было обнаружено, что максимально полно раскрыта тема
использования спутниковой навигации на железнодорожном транспорте в
26
книге «Унифицированное комплексное локомотивное устройство
безопасности (КЛУБ-У)», авторами которой являются работники АО
«НИИАС» Астрахан В.И., Зорин В.И. и Кисельгоф Г.К., принимавшие
активное участие в разработке данной системы. Астрахан В.И. и Кисельгоф
Г.К. и сегодня продолжают работать в АО «НИИАС».
Унифицированный комплекс локомотивных устройств безопасности
(КЛУБ-У) [23] представляет собой локальную сеть, структурная схема
которой приведена в приложениях В и Г. Теоретически все локальные
бортовые сети КЛУБ-У можно объединить через приёмо-передающее
устройство радиосигнала (ППУ РС) в глобальную сеть локомотивного
хозяйства, однако Государственная комиссия по радиочастотам совместно со
спецслужбами и военным ведомством отказывают в выделении полосы
частот, на которой возможно обеспечить достаточный уровень шифрования
сигнала от несанкционированной подмены информации.
Важнейшей особенностью КЛУБ-У является двухканальная обработка
сигнала, после чего производится сравнение результатов обработки по
каждому из каналов, что позволило резко повысить надёжность работы
системы. Кроме этого, для отдельных модулей, выход из строя которых в
пути следования мог бы быть фатальным для функционирования всей
системы, предусмотрено горячее резервирование с мгновенным
переключением на второй модуль в случае отказа первого [28].
Ещё одной особенностью КЛУБ-У является то, что для него
разработана собственная операционная система, что обеспечивает
дополнительную информационную безопасность устройства.
Применение спутниковой навигации в КЛУБ-У при условии
загруженной электронной карты участка следования поезда позволяет
проводить более точную оценку расстояния до источника сигнала систем
АЛСН и АЛС-ЕН, а также обеспечить контроль безопасности движения по
следующим параметрам:
27
– автоматическое определение железнодорожной координаты
(километр, пикет, метр) при загруженной электронной карте;
– автоматическое построение динамически изменяющейся кривой
допустимой скорости движения согласно данным, относящимся к
техническому состоянию пути, переездов и показаниям светофоров;
– автоматическое определение расстояния до светофора с индикацией
этого расстояния и построением кривой торможения при подъезде к
светофору с жёлтым и красным огнём;
– динамический контроль за соблюдением допустимых скоростей
движения во время движения поезда, применение предупреждающих
звуковых сигналов и автостопного торможения при их несоблюдении
машинистом;
– применение автостопного торможения в случае недостаточного
давления воздуха в тормозной магистрали;
– применение автостопного торможения при попытках отключения
питания КЛУБ-У во время движения поезда;
– отображение точного московского времени;
– исключение возможности фальсификации данных, записанных на
кассете регистрации параметров движения как во время поездки, так и после
её считывания.
КЛУБ-У выпускается Ижевским радиозаводом, производящим
радиоэлектронику для оборонного и космического ведомства.
В 2009 году на рынке тягового подвижного состава появилось новое
устройство – безопасный локомотивный объединённый комплекс (БЛОК)
[24], – выпускаемый ООО «НПО САУТ» и интегрирующий функции систем
безопасности КЛУБ, САУТ-ЦМ/485 [24] (система автоматического
управления торможением) и ТСКБМ (телемеханическая система контроля
бодрствования машиниста) [25].
28
Обе системы: КЛУБ-У и БЛОК – для позиционирования на земной
поверхности используют электронную карту.
Электронная карта КЛУБ-У, БЛОК – это база данных, содержащая
информацию о географических координатах километровых и пикетных
столбов, спроецированных на ось железнодорожного пути, а также
информацию о ключевых объектах в обеспечении безопасности движения:
светофорах, станциях, стрелках, опасных местах, тупиках и т.д., – а также их
железнодорожные координаты, максимальную скорость проследования и
другие свойства [28].
Электронная карта КЛУБ-У, БЛОК представляет из себя простую
векторную нетопологическую модель геоинформационной системы (ГИС).
Линейная модель железнодорожного участка представлена в виде
последовательности координат точек, аппроксимирующих кривые участки
пути набором из прямых отрезков (рисунок 6) [26].
Рисунок 6 – Аппроксимация изгибов пути набором линейных
отрезков
Источник: [26]
При этом точки проекций километровых столбов на ось
железнодорожного пути всегда являются опорными точками при построении
электронной карты, в том числе на прямых участках пути (приложение Д).
29
Простота модели ГИС определяет быстроту обработки информации и
последующей реакции КЛУБ-У, БЛОК: суммарное время реакции не
превышает 2 с, что значительно превосходит все известные зарубежные
аналоги. Также это позволяет снизить объём хранимой информации: при
объёме информации электронной карты, равном всего 2 МБ, в этом объёме
удаётся разместить информацию о железнодорожных участках суммарной
протяжённостью более 7000 км, что также не имеет аналогов в мире.
Применение КЛУБ-У, БЛОК на железнодорожном транспорте
позволило многократно снизить аварийность и значительно повысило
графиковую дисциплину. Благодаря этому железнодорожный транспорт
является сегодня самым надёжным видом транспорта в России.
В настоящее время АО «НИИАС» совместно с ЗАО «Интех»
(г. Таганрог) завершается разработка единой геоинформационной системы
тягового подвижного состава (ЕГИС ТПС) [57], объединяющей в себе
информацию всех основных и дополнительных устройств безопасности и
автоведения на железных дорогах России, а также позволяющей получать
выходную информацию для загрузки во все эксплуатируемые типы
локомотивных устройств.
«ЕГИС ТПС включает в себя базу данных объектов инфраструктуры,
значимых для подвижного состава с точки зрения безопасности движения и
используемых бортовыми устройствами всех типов, а также программное
обеспечение для создания, ведения и поддержания базы данных в актуальном
состоянии. Программное обеспечение использует определение
местоположения тягового подвижного состава по отношению к путевой
инфраструктуре и необходимое описание объектов инфраструктуры [57].
В состав объектов базы данных ЕГИС ТПС входят не только видимые
объекты, такие как стрелки, светофоры, переезды, платформы, но и
невидимые – установленные скорости, места смены частоты кодирования,
30
места обоснованных сбоев аппаратуры локомотивной сигнализации из-за
наводимых извне электромагнитных помех и другое [57].
Разработанное программное обеспечение ведёт и использует базу
данных объектов инфраструктуры, значимых для обеспечения безопасности
движения, с привязкой их к железнодорожной и пространственной
координате. База данных представляет собой единое средство хранения и
актуализации информации для различных бортовых устройств, что
исключает риски возникновения противоречий. Система позволяет
формировать заявки на корректировку данных в связи с изменением
местоположения объектов инфраструктуры или допустимых скоростей
движения. Благодаря возможности конвертации данных, ЕГИС ТПС
позволяет формировать электронные карты для бортовых устройств
различных типов тягового подвижного состава, моторвагонного и
специального самоходного подвижного состава, а также производить
автоматическую расшифровку файлов поездок [57].
Для создания базы данных ЕГИС ТПС использует все доступные
системы ОАО «РЖД», содержащие информацию об объектах
инфраструктуры. Кроме того, активно применяется способ
видеопаспортизации участков пути, при котором производится видеосъемка
участка с движущегося локомотива с одновременным измерением
спутниковой аппаратурой координат местоположения. Результаты съемки
обрабатываются оператором с помощью специального программного
обеспечения комплекса, имеющего название «Видеоизмерительная система»,
выделяются видимые объекты и их параметры, в частности, линейная и
пространственная координаты проекции объекта на ось пути (рисунок 7)
[57]. Большим достоинством Видеоизмерительной системы» является
возможность дополнительного использования съёмки комплексов «ЭРА» и
«КСПД ИЖТ», о которых будет сказано далее.
31
Рисунок 7 – Интерфейс Видеоизмерительной системы
Источник: АО «НИИАС», сетевой ресурс ASVP
Сформированный промежуточный результат загружается в базу
данных, производится расстановка ограничений скорости и нанесение других
невидимых объектов. Из полученных и обработанных данных ЕГИС ТПС
формирует файл загрузки в бортовое устройство – электронную карту.
Сформированные электронные карты проходят процесс обкатки во время
пробной поездки по участкам полигона, при которой происходит
верификация их достоверности и точности [57].
В результате полной загрузки базы данных ЕГИС ТПС по всей сети
железных дорог наиболее важными станут работы по корректировке и
актуализации в результате модернизации инфраструктуры. Изменения
допустимых скоростей движения будут выполняться автоматически с
использованием данных Автоматизированной системы управления выдачи и
отмены предупреждений (АСУ ВОП) [57].
Уже сегодня, ведутся работы по проектированию средств
автоматического внесения изменений местоположения объектов
инфраструктуры и обеспечению возможности учёта временных ограничений
при формировании электронных карт, а также использованию систем
32
радиосвязи для передачи необходимой информации в бортовые устройства
[57].
Последующее развитие ЕГИС ТПС связано с модернизацией устройств
безопасности, в том числе с изменением технологии загрузки электронной
карты, увеличением объема памяти, а также с использованием
универсального сменного носителя информации» (информация с
официального сайта АО «НИИАС») [57].
Существенная часть научных выводов по теме геоинформационных
технологий на железнодорожном транспорте в виде норм и контрольных
значений вошла в Руководство по эксплуатации КЛУБ-У [23] и нормативные
акты Министерства транспорта РФ и ОАО «Российские железные дороги».
Параллельно с разработкой бортовых устройств шла разработка и
совершенствование автоматизированных систем диагностики технического
состояния объектов железнодорожной инфраструктуры, включая обработку,
хранение данных и автоматическое получение документации: в путевом
хозяйстве (АСУ-П), хозяйстве автоматики и телемеханики (АСУ-Ш2),
хозяйстве электрификации и энергоснабжения (АСУ-Э) и др. В хозяйстве
организации и управления движением поездов была разработана
автоматизированная система ведения техническо-распорядительных актов
станций (АС ТРА) [31]. Перечисленные системы не имели географической
пространственной привязки к земной поверхности. Данные в них в основном
представлены в виде таблиц и отчётов, а имеющееся несложное графическое
отображение схематично.
Первая серьёзная попытка использования геоинформационных
технологий в инфраструктурных проектах железных дорог привела к
созданию Геоинформационной системы Российских железных дорог (ГИС
РЖД). Данная система (рисунок 8), созданная в АО «НИИАС», представляла
собой карту железных дорог с возможностью использования в качестве фона
спутниковых снимков. Работа ГИС РЖД осуществлялась на основе базы
33
данных центральной нормативно-справочной информации (ЦНСИ), а также
на карте были предусмотрены точки, из которых при наличии у пользователя
допуска можно было запустить АСУ-П, АСУ-Ш2, АС ТРА и некоторые
другие системы для просмотра информации применительно к данному месту
на карте. Впоследствии, после установки специального приложения, на карте
стало возможно наблюдать в реальном времени движение всех локомотивов
и вагонов, оборудованных спутниковой навигацией.
Рисунок 8 – Интерфейс Геоинформационной системы
ОАО «РЖД»
Источник: ОАО «РЖД», сетевой ресурс ГИС РЖД
Другим направлением применения геоинформационных технологий на
железных дорогах является разработанный и выпускаемый АО «Научно-
производственный центр информационных и транспортных систем» (АО
«НПЦ Инфотранс») комплекс «ЭРА» (рисунок 9) [42], состоящий из
нескольких вагонов-лабораторий и выполняющий диагностику и контроль
технического состояния пути, контактной сети, проектного положения
светофоров, габаритов приближения строений и более сотни других
параметров функционирования железнодорожной инфраструктуры.
34
Рисунок 9 – Комплекс вагонов-лабораторий «ЭРА»
Источник: официальный сайт НПЦ Инфотранс
Пространственное позиционирование совместно с видеосъёмкой
позволяет зафиксировать точные места отклонения устройств от
контрольных параметров, а также в автоматическом режиме вычислить
фактический профиль пути. Проводимые комплексом измерения на каждом
из железнодорожных участков заменяют труд более чем 100 работников
дирекции инфраструктуры. В этом отношении комплекс является
уникальным и успешно продаётся в страны СНГ и Евросоюза.
Больших успехов в применении геоинформационных технологий на
железных дорогах добилось АО «Транспутьстрой», разработав и внедрив
Комплексную систему пространственных данных инфраструктуры
железнодорожного транспорта (КСПД ИЖТ) [54]. Для наполнения системы
данными выполняется высокоточная геодезическая трёхмерная съёмка, а
также лазерное сканирование Lidar объектов железнодорожного участка
совместно с видеофиксацией, из чего впоследствии получается трёхмерное
компьютерное изображение железнодорожного участка (приложение Е).
Система с успехом используется в путевых машинах, в автоматическом