Реферат по теме выпускной работы
Введение
Из-за территориальной удалённости производителя и потребителя товаров любое производство нуждается в перевозке грузов потребителю. Одной из отраслей, занимающейся доставкой грузов, является железная дорога.
Как и у других грузовых компаний, одним из основных сервисов железной дороги является предоставление информации о текущем состоянии и положении груза клиенту. Поэтому очень остро поставлен вопрос о надёжной, точной и быстродействующей системе определения местоположения подвижных единиц на железной дороге.
Существует несколько способов получения информации такого рода:
- Ручной ввод информации операторами при ДСП на станциях (такая форма преимущественна на территории Украины);
- Идентификация подвижного состава с помощью радиолокационных устройств, расположенных как на земле возле пути, так и на самих подвижных единицах (в Украине используется редко);
- Определение местоположения с помощью устройств GPS/ГЛОНАСС (вообще не используется на территории Украины не текущий момент).
В условиях глобальной автоматизации ручной труд давно не является наиболее эффективным. Таким образом, остаются два последних варианта.
При этом погрешность устройств бесплатного GPS может достигать 15 метров [1] (для ГЛОНАСС – и того больше [2]). Более точные системы являются довольно дорогими. Таким образом, такой подход возможен только для получения информации для клиентов о местоположении грузов. Потребности же самой железной дороги по идентификации подвижного состава он не удовлетворяет, так как не позволяет достоверно определить путь парка или перегона, где находится подвижная единица.
Наиболее приемлемым остаётся вариант определения дислокации подвижной единицы с помощью напольных устройств. Они дают нужную точность и приемлемую цену. В мире существует много разных систем:
- В северной Америке действует система Amtech (ISO 10374) [3];
- В Европе используют систему Dynicom – совместная разработка фирм Amtech и Alcatel [3];
- В России используются системы «Пальма» [3] и САИПС [4];
- В Украине используются системы «Каскад» и САИРС.
Все эти системы отличаются одним качеством – считывающее устройство находится на земле и передаёт информацию на БД само по себе. Только в последних разработках систем идентификации в Европе локомотив стал считывающим элементов как источник дублирующей информации.
В моей магистерской работе предлагается альтернативная концепция определения местоположения подвижной единицы типа локомотив. Она заключается в том, что на земле возле рельсовой цепи для каждого блок-участка размещается устройство-передатчик. Он генерирует кодированный сигнал и передаёт его в рельсовую цепь. Проезжающий по данному блок-участку локомотив оснащается датчиком, который считывает этот сигнал. Затем этот сигнал попадает в бортовой компьютер локомотива через COM-порт, выполненный на ПЛИС и содержащий ОС Linux. Затем по специальному алгоритму по каналу GPRS/EDGE локомотивом посылается соответствующее сообщение на базу данных. В сообщении находится информация об этом локомотиве и блок-участке, на который он въехал. При этом бортовой компьютер будет универсальным – на него можно будет добавить другие программы по слежению за состоянием систем локомотива. Общая структура системы представлена на рис. 1.
Рис.1. Общая структура системы определения месторасположения подвижной единицы типа
локомотив (566x455, 34.8 кб, 1 секунда между кадрами, 10 повторов, 5 секунд до повтора)
Прообразом этой системы стала АЛСН – автоматическая локомотивная сигнализация, которая используется на железных дорогах уже более 30 лет [5]. Она тоже использует путевое устройство для передачи сигнала локомотиву через рельс. Существенным новшеством является наличие бортового компьютера.
Итого, исследования можно разбить на несколько частей:
- Исследование работы АЛСН и рельсовой цепи в целом для выявления наиболее подходящего способа передачи сигнала по рельсовой цепи;
- Исследование способов размещения ОС Linux на ПЛИС;
- Исследование возможных ПЛИС как аппаратной части бортового компьютера;
- Исследование соответствующих программных средств разработки для выбранной ПЛИС;
- Исследование возможных встраиваемых ОС как программной части бортового компьютера;
- Исследование способов получения информации от считывающего устройства через COM-порт;
- Исследование механизмов работы программ-демонов во встроенных ОС Linux;
- Исследование стека протоколов TCP/IP во встроенных ОС Linux;
- Моделирование процесса передачи информации по рельсовой цепи;
- Моделирование процесса накопления и обработки сообщений от локомотивов на стороне БД.
Обзор исследований по теме в ДонНТУ
В работах магистров прошлых лет эта тема, в общем, раскрыта небольшими кусочками. Была найдена информация о параметрах рельсовых цепей и требованиям к ним в рамках использования шахтных локомотивов. Эта информация не применима к задачам моей магистерской работы, так как условия работы систем разные отличаются. Также была найдена довольно подробная информация по разработке на языке VHDL – языке описания аппаратуры, а также информация о программных средствах разработки на ПЛИС фирмы Xilinx[6].
Такой небольшой объём найденной информации связан с несколькими положениями:
- Железнодорожная тематика не является «родной» для ДонНТУ;
- Разработки на тему встроенных ОС и ПЛИС со встроенными процессорами стали доступны только с этого года. Это связано с тем, что только в этом году появилась техническая база для подобных разработок.
Обзор исследований по теме в Украине
Информация по технологической стороне моей магистерской в украинском пространстве представлено крайне слабо. По использованию систем идентификации в Украине вся информация почерпнута из внутренних источников. Это стало возможно только благодаря тому, что я работаю внутри отрасли. Также была найдена информация по использованию САИРС на локомотивах ЧС-7 в днепропетровской области на одном из форумов машинистов. Также было найдено, что наиболее оснащённая линия соединяет Киев и Харьков.
Относительно ПЛИС информация на украинском пространстве интернет содержится в основном на сайтах компаний-производителей (Аltera и Xilinx), а также на сайтах компаний, занимающимися распространением данной продукции. Также было выявлено большое количество учебных заведений, которые заявляют о активной разработке в данной области, но никаких результатов их деятельности найдено не было.
Что же касается руководств по Linux, то в Украине эти руководства представлены, в большинстве своём, как копии переводов на русский язык на сайтах русскоязычного интернета.
Обзор исследований по теме в мире
К ресурсам в мире относим все ресурсы, находящиеся вне Украины.
В плане информации о системах идентификации в пределах СНГ наиболее полно выглядит интернет-пространство России. Там были найдены заявления о внедрении различных систем идентификации подвижного состава, как радиочастотного типа, так и систем спутникового позиционирования. Также средства массовой информации и пресс-службы компаний России охотнее делятся информацией о дальнейших разработках в этой области.
Наиболее развитой системой идентификации подвижного состава является система, применяемая на поездах, курсирующих по тоннелю через Ла-Манш. Связано это прежде всего с огромной скоростью, которую могут развивать эти поезда (порядка 300 км/ч, хотя это и не самая высокая скорость в мире)[7].
Также очень технологичными являются японские поезда на магнитной подушке. Они могут развивать скорость до 500 км/ч.
Большая часть информации о ПЛИС была найдена на сайтах фирм-производителей. В последнее время развитие технологий ПЛИС резко ускорилось. Одним из последних новшеств является возможность создания проекта плата-процессор (архитектура ARM [8] и аналогичная для Nios II [9]). В результате исследований была выбрана ПЛИС фирмы Altera Cyclone III с технологией Nios II.
В результате исследований средств разработки для выбранной платы было определено, что наилучшим для поставленных задач подходит система Quartus II. [12]
В качестве ОС для бортового компьютера можно рассматривать как Linux-систему [10], так и Windows[11]. В моей магистерской работе будет использована встроенная ОС Linux, так она лучше документирована и по модели программирования практически не отличается от обычной версии.
В результате поисков руководств по работе с последовательными портами и стеком протоколов TCP/IP было выявлено, что лучшими являются руководства на английском языке, распространяемые по DPL-лицензии. Была найдена подробная информация по всем аспектам работы приложения: программа-демон в Linux, работа с последовательным портом и работа с сокетами во встроенной ОС Linux.
Также необходимо уточнить, что программы-приёмники сообщений на стороне БД уже написаны, но здесь описаны быть не могут по причине из закрытости.
В результате исследований средств моделирования было выяснено, что каждый из случаев моделирования в моей магистерской работе должен быть обработан разными средствами моделирования. Так, передача сигнала по рельсовой цепи должна моделироваться с учётом параметров физического канала и помех, которые могут возникнуть. В качестве подходящего средства может быть принят VHDL, Simulink или MicroCAP. Процесс накопления и обработки сообщений от локомотивов должен моделироваться с учётом топологии системы и принципов теории массового обслуживания. Для этого лучше всего подходит GPSS.
Основные результаты
В результате проведённых исследований было выявлено критически малое количество информационных источников в Украине. А оригинальных авторских источников практически вообще нет или они являются закрытыми. Поэтому эта область в нашей стране развивается крайне медленно.
Россия показывает значительно лучшие результаты. Мало того, российские средства массовой информации активно интересуются данной темой, что в Украине замечено не было.
В целом по миру лучшим набором ресурсов по этой теме обладает Европа и Япония и Китай. Это связано с тем, что там работают наиболее быстрые железные дороги. США в этой области немного уступает, зато там наибольшее количество ресурсов-руководств по Linux.
Ресурсы по ПЛИС являются безнациональными, так как они расположены на сайтах компаний-производителей, хотя есть несколько хороших англоязычных порталов с проектами на ПЛИС.
В рамках документации по моделирующим средам США безусловно лидирует.
В результате проведенных исследований в магистерской работе будут использоваться ПЛИС фирмы Altera с процессором Nios II, средство разработки Quartus II и ОС ucLinux. В качестве средств моделирования были выбраны следующие: MicroCAP и GPSS.
Средства моделирования были выбраны относительно старые из-за своей «лёгкости», хотя их достаточно, чтобы справиться с поставленными задачами.
Заключение
В результате проведённой работы были проведены исследования по всем частям системы автоматического определения местонахождения локомотива, как технологическим, так и техническим.
Области, к которым относятся разные части системы, описаны по-разному. Так, работа с различными задачами в Linux описана довольно хорошо, чего не скажешь про устройство передачи информации по рельсовой цепи, использующееся в АЛСН.
В результате исследований были выбраны технические средства для системы, средства разработки аппаратной и программной части, а также соответствующие средства моделирования.
В процессе поиска информации сложился в целом положительный образ описания данной проблемы в мире, хотя источники информации в Украине оставляют желать лучшего.
Литература
- Точность системы GPS
http://www.navgeocom.ru/gps/gps4/index.htm - Википедия - ГЛОНАСС
http://ru.wikipedia.org/wiki/Глонасс - Белов В.В., Гершензон М.М., Котлецов Д.С. «Внедрение системы идентефикации подвижного
состава на Российских железных дорогах», Железные дороги мира №7, 2003, Гл. редактор
Ершов Е.Ф.
http://www.css-rzd.ru/zdm/07-2003/03088-2.htm - На 40-м заседании Совета по железнодорожному транспорту стран СНГ было принято решение
о внедрении на железных дорогах системы автоматической идентификации подвижного
состава (САИПС)
http://www.vniizht.ru/_ru/5-index.php?type=&show=15 - Описание принципов работы АЛСН
http://www.oltep.km.ru/hepl_torm/9.1/9.1.htm - Библиотека магистра Рытова Александра Сергеевича
http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2002/fvti/rytov/library.htm - Eurostar повышает скорости поездов и продажи билетов, Travel.ru, август 2007
http://www.travel.ru/news/2007/08/22/113006.html - Википедия - Архитектура ARM
http://ru.wikipedia.org/wiki/Архитектура_ARM - Nios II Processor: The World's Most Versatile Embedded Processor
http://www.altera.com/products/ip/processors/nios2/ni2-index.html - Портал Embedded Linux/Microcontroller Project
http://uclinux.org/ - Windows Embedded CE 6.0
http://www.msembedded.ru/windowsCE6.0.aspx - Основы работы в пакете Quartus II
http://www.altera.ru/cgi-bin/go?33