Для чего нужен вагон тренажер
Приближено к реальности
—> Программно-аппаратный комплекс «Сортировочная горка железнодорожной станции» моделирует работу сортировочной горки, устройств электрической централизации и движение вагонов. Он предназначен для совершенствования навыков роспуска в ручном режиме и в условиях функционирования комплексной системы автоматизации управления сортировочным процессом, микропроцессорной горочной автоматической централизации и горочного микропроцессорного комплекса. Состоит из четырёх рабочих мест дежурных по сортировочной горке и операторов по управлению устройствами сортировочной горки. Одно из них предназначено для преподавателя.
– На данном тренажёре обучающийся учится грамотно и своевременно принимать решения в различных производственных ситуациях, включая нестандартные и аварийные, – говорит преподаватель ВТЖТ – филиала РГУПСа Дмитрий Сарафанников. – Система имитирует работу оборудования и устройств, расположенных на горочном посту сортировочной станции, максимально близко к их реальным характеристикам.
Для управления тренажёром используются интерактивные панели. Они имитируют пульты рабочих мест ДСПГ и ДСПГО и являются копией реальных пультов, расположенных на горочном посту. Только вместо кнопок, регуляторов и мнемосхем – сенсорный экран. Процесс роспуска вагонов выводится на настенные панели в виде виртуальной 3D-модели сортировочной станции.
– На тренажёре можно выбрать любые погодные условия, время года и суток. Система показывает ландшафт местности, строения, растительность, железнодорожные пути и инфраструктуру. Обучающийся видит горочную горловину, спускную часть горки, локомотивы, вагоны, светофоры и оборудование сортировочной горки, – продолжает Дмитрий Иванович. – Преподаватель может выбирать различные запрограммированные сценарии и задавать любые нештатные ситуации, например, остановку вагона на замедлителе, отказ стрелочного перевода и другие.
Вторая открывшаяся в ВТЖТ лаборатория – «Организация перевозочного процесса на железнодорожном транспорте». Она оборудована программным комплексом «Поездной участковый диспетчер, дежурный по железнодорожной станции». Он представляет собой 15 рабочих мест, из которых 13 для дежурных по станции и 2 для поездных диспетчеров. Учебный класс оснащён интерактивными панелями, позволяющими на двух рабочих местах создать полную имитацию пульт-табло дежурного по станции, персональными компьютерами, средствами связи и поездной документацией, используемой дежурным по станции.
– На тренажёре можно задавать различные нештатные ситуации и отрабатывать действия диспетчерского аппарата. Система позволяет выбирать несколько наиболее приемлемых решений, даёт рекомендации и оценивает результаты работы, – рассказывает заместитель директора ВТЖТ – филиала РГУПСа по учебно-производственной работе Илья Кущ. – Тренажёр позволяет отработать и усвоить последовательность действий при выполнении каждой операции по руководству движением.
Комплекс снабжён автоматизированной обучающей системой АОС-Д новой версии 5.3. Она применяется для изучения основных документов, регламентирующих безопасность движения поездов. По сравнению с предыдущей версией в ней увеличено количество экзаменационных билетов и вопросов, улучшена поисковая система, есть возможность использовать средства мультимедиа, а также проводить оперативный анализ результатов аттестации.
Имитационный тренажёр предназначен для обучения, отработки навыков и проверки знаний не только студентов, но и оперативного персонала ОАО «РЖД». Вести подготовку на тренажёрах будут два преподавателя. Они имеют практический опыт работы на железнодорожных станциях и прошли специальное обучение под руководством IT-специалиста фирмы-разработчика.
– Данное оборудование поставлено Приволжской железной дорогой в рамках программы взаимодействия с вузами, – поясняет заместитель директора ВТЖТ – филиала РГУПСа по учебной части Елена Собина. – Со второго семестра объявляется набор групп на получение дополнительных профессий: поездного диспетчера, дежурного по станции, дежурного по сортировочной горке и оператора по управлению устройствами сортировочной горки. Длительность курса составит 6 месяцев.
Пройти обучение смогут как студенты 3–4-го курсов, так и все желающие, имеющие железнодорожное образование. Кроме того, руководство ВТЖТ планирует открыть новое направление подготовки студентов по специальности «Организация перевозок и управление на транспорте (по видам)». Сейчас она находится на стадии лицензирования.
Учебный класс… в вагоне
На Ульяновское отделение Куйбышевской железной дороги вернулся после капитального ремонта специализированный вагон-тренажер, предназначенный для обучения путейцев.
Ульяновский вагон-тренажер – один из первых учебных комплексов такого типа в России. Учиться и повышать квалификацию в нем будут представители основных железнодорожных профессий – дежурные по станции, сортировочной горке, вагонному парку, поездные и маневровые диспетчеры, то есть те, кто непосредственно обеспечивает безопасность грузовых и пассажирских перевозок. Открыт он и для студентов-железнодорожников. К услугам учеников – тренажеры с пультом управления, аудио- и видеоаппаратура, сигнальные принадлежности, комплекты инструментов, используемых в повседневной работе путейцев. Класс, в котором одновременно могут заниматься шестнадцать человек, оснащен компьютерами. В купе преподавателей собрана богатая коллекция методической литературы. Помимо технических дисциплин, железнодорожников будут подробно знакомить с основными нормативными документами ОАО «РЖД», федеральными законами, регламентирующими работу рельсовых магистралей, инструкциями по охране труда. Проверка знаний – посредством тестов. Не сдал – попытку можно повторить через несколько дней.
– Вагон-тренажер позволит сочетать теоретические занятия с практикой, а также научить путейцев действовать в нестандартных ситуациях, – объяснил корреспонденту «УС» заместитель начальника отдела перевозок Ульяновского отделения Куйбышевской железной дороги Владимир Школьников. – Как показывает опыт, подобная форма обучения наиболее эффективна, так как максимально приближена к реальным условиям работы.
Каждую неделю учебный центр будет курсировать по участкам Ульяновского отделения – его планируется включать в состав пригородных поездов, а по необходимости и выделять отдельный локомотив. Вагон автономен – способен работать на любой станции. А ближайший пункт назначения – Димитровград.
Тренажер электропоезда ЭС1 «Ласточка»: история разработки, технологии, результаты
В нашем университете, создан, и не первый десяток лет развивается учебно-лабораторный комплекс «Виртуальная железная дорога». Комплекс включает в себя не только тренажеры подвижного состава, но так же тренажеры рабочих мест поездных диспетчеров, дежурных по станции, энергодиспетчеров, тренажеры оборудования для диагностики верхнего строения пути. Если говорить конкретно о тренажерах подвижного состава, то замечу, что специфика их разработки несколько отличается от концепции тренажера для машиниста. Железнодорожный вуз не готовит машинистов, наши выпускники — инженеры железнодорожного транспорта. Поэтому в задачу тренажера локомотива или электропоезда входит не только ознакомление студента с устройством кабины, органов управления, приемов и правил управления подвижным составом. Тренажер подвижного состава является ещё и моделирующей установкой, которая в реальном масштабе времени воспроизводит работу систем подвижного состава. При их проектировании основной упор делается именно на то, какие процессы протекают в оборудовании машины в разных режимах её работы, как отражается на этих процессах воздействие на органы управления.
Совсем недавно наша команда закончила разработку тренажера скоростного электропоезда ЭС1 «Ласточка». О нем и пойдет речь далее
1. Программная часть и общая структура тренажерного комплекса
Что значит создать железнодорожный тренажерный комплекс? Это означает разработку программно-аппаратной системы, включающей в себя
Функциональная схема тренажерного комплекса электропоезда ЭС1 
Вычислительный комплекс тренажера составляют два компьютера (ПК1 и ПК2), соединенные в локальную сеть посредством бытового маршрутизатора (TPLink 842 nd rev3, ничего экстраординарного) с возможностью удаленного доступа в систему по Wi-Fi.
В качестве системной платформы для обоих машин выбрана ОС на базе GNU/Linux. Причины следующие:
TrainEngine реализует так называемую обобщенную модель поезда. Любой поезд, будь то скоростной электропоезд или грузовой состав механически представляет собой систему связанных тел, движение которых ограничено конфигурацией верхнего строения пути. К колесным парам некоторых тел прикладываются моменты, обеспечиваемые подсистемой тяги и тормозами. Так что для любого тренажера функционал будет одинаковым. Поэтому вся механика движения поезда выносится в отдельные конфигурируемые библиотеки. Различие между типами подвижного состава реализуется на уровне программных моделей остального оборудования.
Интерфейс взаимодействия машиниста с современным локомотивом/электропоездом сегодня насыщен дисплейными модулями. Фактически, множество средств отображения информации, реализуемое раньше стрелочными приборами свелось к совокупности компьютерных экранов, на которые выводится текущая информация. На той же «Ласточке» таких экранов четыре: два многофункциональных интерфейса «человек-машина», дисплей безопасного локомотивного комплекса (БЛОК) и дисплей системы видеонаблюдения.
Интерфейс «человек-машина» реального электропоезда 
Дисплей безопасного локомотивного комплекса (БЛОК) 
Интерьер кабины и расположение дисплеев на реальном электропоезде 
На настоящем электропоезде каждый дисплейный модуль — отдельный промышленный компьютер, общающийся с системой управления по специфическим протоколам MVB/WTB. Работают эти модули под управлением Windows XP Embedded (да-да, представьте себе!).
В нашем случае подобное расточительство бессмысленно — четыре тачскина от фирмы Elo, подключенные к ПК1 через кабели Display Port и USB для тач-интерфейса. Дисплейные модули реализованы в виде отдельных процессов, общающихся с вычислительным ядром через TCP-сокеты. Настройка Xorg разрешает каждому окну жить исключительно в предназначенном для него мониторе. Аппаратные кнопки на рамке дисплея имитируются программно.
Удалось воспроизвести основной функционал этих устройств, касающийся систем электропоезда, ответственных за тягу и торможение. Приложения написаны на C++ с применением фреймворка Qt5. Вообще, Qt5 пронизывает всё программное обеспечения, в виду его высокой приспособленности как к созданию пользовательских интерфейсов, так и наличия библиотек для работы с протоколами TCP/IP и Modbus RTU. Плюс знаменитая технология «сигнал-слот» оказалась совершенно незаменима при организации взаимодействия классов на всех уровнях.
Интерфейс «человек-машина» тренажера
Дисплей БЛОК тренажера
В силу специфики именно нашего тренажера дисплей системы видеонаблюдения оказался без надобности, вместо него оставшийся экран был использован под наши нужды для управления запуском тренировки, настройки и управления питанием компов.
Интерфейс запуска тренировки
2. Аппаратная часть — органы управления и распределенное устройство сопряжения
Самой сложной и дорогостоящей операцией является оснащение тренажера органами управления, аутентичными реальной кабине. О том чтобы закупить оригинальные железки не заходит речь по двум причинам. Первая — огромная стоимость оригинальных узлов, оправданная их применением на реальном подвижном составе и изготавливаемых по соответствующим требованиям. Вторая — сопряжение с ЭВМ затруднено тем, что на реальном подвижном составе используются закрытые протоколы взаимодействия аппаратуры и системы управления. Единственным выходом для нас стало самостоятельное проектирование и изготовление таких элементов как контроллер тяги/торможения, тормозной кран и манометры тормозной системы электропоезда.
Чтобы было понятно, речь идет прежде всего об этом рычаге
Реальный контроллер тяги/торможения в кабине электропоезда 
Его внешние размеры, то что торчит над панелью, под скептические улыбки локомотивной бригады «Ласточки» удалось обмерять штангелем. Внутренности мы спроектировали так, как нам представлялось удобным в плане компоновки агрегата в будущем пульте и установки на нем измерительных преобразователей. Получилась такая концепция, унифицированная для обоих «джойстиков»
Концепция унифицированного контроллера для тренажера
Пневматически тормозной кран отличается от контроллера тяги лишь начальным положением рукоятки в «нуле» и наличием пластиковой декоративной накладки. В остальном контроллеры получились унифицированы по деталям, датчикам и электронным платам.
В качестве датчиков положения использованы инкрементальные энкодеры, для установки нуля в управляющей программе применен оптический датчик нулевой позиции. Прошивка электронной части устройства опрашивает экодер и оптрон и выдает на выходе положение рукоятки в процентах тяги/тормозного усилия и ряд логических признаков: нулевая позиция, нажатие колпачка на рукоятке, режим экстренного торможения.
Под спойлером ещё ряд фото, поясняющих в общих чертах конструкцию этих устройств.
Механика в голом неокрашенном металле, только что с завода 
Окрашенный комплект контроллера тяги 
Механика контроллеров сразу после порошковой окраски. Примеряем энкодеры 
Подопытный на отладочном стенде 
Пневматический кран машиниста после установки декоративной накладки, напечатанной на 3D-принтере 
Отлаженный контроллер тяги в сборе с «мозгами» 
Контроллер тяги, установленный на штатную панель. Виден соседний модуль дисктретного ввода/вывода 
Другим камнем преткновения стали манометры, вот эти
Контрольные манометры пневмосистемы электропоезда 
Даже если бы мы и заполучили штатные — эти приборы пневматические, подключаемые к трубопроводам тормозной системы. Нужен был прибор, отображающий давления, приходящие из компьютерной модели. Плюс имеющий вид, походящий на оригинал. Плюс, не имея возможности изготавливать шестерни, пришлось исхитрится и придумать бесшестеренчатый механизм, позволяющий поворачивать две стрелки независимо
В итоге, после пары месяцев раздумий, разработки, изготовления и отладки вышел такой агрегат
Комплект деталей, изготовлено на 3D-принтере 
Отладка при написании прошивки 
С другими органами управления проблем не возникло — остальное просто кнопки и выключатели. Однако, их количество вполне достаточно, для того чтобы задуматься над тем, каким образом все эти сигналы ввести в компьютер.
Решили пойти проторенным в промышленных масштабах путем — RS485 наше всё. Короткие жгуты от кнопок и контрольных ламп идут в платы дискретного ввода/вывода, а уже оттуда их состояние вводится в машину по двум проводкам витой пары.
Панель в зоне J пульта машиниста вид сверху
… вид снизу на монтаж. Видны платы ввода/вывода 
В качестве протокола обмена данными был выбран Modbus RTU в силу своей простоты, открытости и распространенности в областях, связанных с промышленной автоматизацией. Платы дискретного ввода/вывода универсальны и устанавливаются на панели пульта по месту, где в них имеется необходимость. Для таких устройств как контроллеры и манометры, а так же локомотивный светофор в силу специфики их работы применены отдельные решения.
В итоге получилась сеть на 12 абонентов. Ввод сигнала в вычислительный комплекс производится через адаптер RS485/USB. В ПО использована готовая реализация Modbus RTU из фреймворка Qt5.
Потроха пульта перед окончательной сборкой тренажера 
Первый запуск дисплейных модулей на штатных экранах 
Отладка в самом разгаре 
Отсек электрооборудования 
Какой-то из этапов финальной сборки 
Собран и отлажен. Готов к монтажу в кабине 
В целом получилось достаточно надежно, а главное удобно для последующего расширения функций. Все электронные блоки системы находятся под неусыпным контролем системы программной диагностики. Сообщения об отказах выдаются максимально человеко-читабельными, с прицелом на раннее обнаружение барахлящего блока
Диагностический экран с журналом текущей сессии работы тренажера 
3. Подсистема трехмерной визуализации
При всей мощности в части создания эффекта присутствия, эта часть системы наименее функциональна. Внутри нет никакой «физики», вся «физика» — серверная. Графический клиент вынесен на отдельный компьютер ПК2. От сервера он получает так называемую железнодорожную координату — перемещение вдоль пути в километрах, переводит её в трехмерные координаты камеры и показывает вид из кабины на окружающий пейзаж. На ПК2 установлена обычная NVidia GTX 1060. Видеосистема написана на Unity Personal.
Видеосистема в процессе отладки 
Здесь нам ещё предстоит большая работа в плане поиска оптимальной архитектуры, и над этим мы непрерывно работаем. Нюансов тут достаточно, чтобы рассказ о них стал темой отдельного поста.
Заключение
В настоящее время тренажер проходит опытную эксплуатацию и апробацию в учебном процессе в лаборатории высокоскоростного транспорта нашего университета. Надеюсь у меня вышел интересный рассказ, благодарю читавших за проявленное внимание. Извиняюсь за огромное количество тяжелых фоток, ну без этого никак.
4 инновации для поездов будущего
Нужно увеличивать пропускную способность сети и делать поезда безопаснее. Для этого разрабатывается множество технологий, которые должны заменить те, что внедрялись в прошлом веке.
Поломки стрелочных переводов становятся причиной почти 20% всех задержек поездов — составы не могут перейти с одного пути на другой. Несмотря на частоту возникновения проблемы, технология, используемая в этих механизмах, практически не изменилась с момента появления первого стрелочного перевода почти 200 лет назад.
Но альтернативные технологии есть. Например, одна инновационная конструкция под названием Repoint имеет три независимых двигателя, которые могут сдвигать рельсы. Это позволит стрелочному переводу работать даже после отказа одного или двух двигателей. «Мехатронные» переключатели нового поколения могут работать быстрее, их проще обслуживать, а количество отказов может быть сведено к нулю.
Чтобы увеличить скорость поездов, их вагоны нужно оснастить новой системой подвески. Колесные пары сегодня жестко связаны осями, что ограничивает скорость поезда на кривой: внешнее колесо проходит большее расстояние, а внутреннее — меньшее. В результате появляется трение.
В настоящее время разрабатываются системы активной подвески с независимыми колесами, в которых используются новые датчики, исполнительные механизмы и контроллеры для более точного изменения расстояния между колесами и кареткой. Это также повышает комфорт езды и позволяет поезду двигаться в поворотах без потери скорости и неприятного дребезга. Также можно внедрить систему для выравнивания вагона на уклонах, что даст дополнительные преимущества.
Высокоскоростные электропоезда должны иметь надежный контакт с воздушными линиями электропередач через пантограф, установленный на крыше локомотива. Для этого разрабатывают активные пантографы, высота которых контролируется исполнительным механизмом. Благодаря этому во время сильного ветра пантограф всегда плотно прижат к проводам и не отскакивает от них.
Пропускная способность линии зависит от системы распределения составов. Для этого используется система деления путей на участки. На каждом участке может находиться только один поезд, из-за чего между поездами оказывается значительный промежуток.
Но уже сегодня некоторые железные дороги используют систему подвижных участков, которая определяет необходимый промежуток между поездами в зависимости от расстояния, которое требуется для их остановки в аварийной ситуации. Но этот разрыв можно было бы сократить еще, если бы данные передавались в режиме реального времени. В идеале два поезда могли бы обмениваются информацией о своей скорости и местоположении, сокращая дистанции до минимальных, но безопасных.