Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Факультет Заочного обучения

Направление (специальность) Информационные системы и технологии

Кафедра Информационных систем и технологии

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

(БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА)

Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Руководитель

доцент к.п.н., доцент

Е.И. Ряполова

Разработал БИСТу-30

Е.И. Синдеев

Самара 2017



Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

ЗАДАНИЕ

по подготовке выпускной квалификационной работы

Студента Синдеева Егора Ивановича

1 Тема ВКР

Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Утверждена приказом по университету от 25.11.2016 № 291-2

2 Срок сдачи студентом законченной ВКР 25.01.2017

3 Исходные данные и постановка задачи

1 Провести анализ базовой системы мониторинга передвижения поездов.

2 Построить модель информационных потоков для системы мониторинга передвижения поездов.

3 Провести аналитический обзор существующих систем мониторинга.

4 Определить требования к системе спутникового мониторинга передвижения поездов.

5 Разработать структурную схему системы спутникового мониторинга передвижения поездов.

6 Разработать информационное обеспечение для системы спутникового мониторинга.

7 Провести выбор беспроводных каналов связи/

8 Провести выбор оборудования, необходимого для разработки системы спутникового мониторинга передвижения поездов для предприятия.

9 Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для спутникового мониторинга.

4 Перечень подлежащих разработке в ВКР вопросов или краткое содержание ВКР. Сроки исполнения 20.01.2017

1 Задача проектирования системы спутникового мониторинга передвижения поездов на участке

2 Разработка структурной схемы автоматизированной системы спутникового мониторинга передвижения поездов

3 Проектирование аппаратно - программных средств для системы спутникового мониторинга передвижения поездов на участке

5 Перечень графического материала. Сроки исполнения 20.01.2017

1. Структура системы диспетчерского управления

2. Схема информационных потоков существующей системы

3. Структура online мониторинга

4. Классификация мониторинга передвижения поездов

5. Классификация систем спутникового мониторинга

6. Структура программы спутникового мониторинга передвижения поездов

7. ER-модель

8. Алгоритма программы спутникового мониторинга

9. Основное окно программы

6 Дата выдачи задания «12 » декабря 2016 г.

Кафедра

Информационных систем и технологий

Утверждаю зав.кафедрой д.т.н., доцент 12.12.16 Н.И. Лиманова

Должность Уч.степень, звание Подпись Дата Инициалы Фамилия

Руководитель доцент. к.п.н.,доцент 12.12.16 Е.И.Ряполова

Должность Уч.степень, звание Подпись Дата Инициалы Фамилия

Задание принял 12.12.16 Е.И. Синдеев



Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

ОТЗЫВ РУКОВОДИТЕЛЯ

Тип ВКР бакалаврская работа

Студента(ки) Синдеев Егор Иванович

Специальность/ направление Информационные системы и технологии

Тема ВКР Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Руководитель Ряполова Елена Ивановна

Ученая степень, звание к.п.н., доцент

Место работы

(должность) доцент МиЕНД

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ

(Структура, логика и стиль изложения представленного материала. глубина и степень проработки мате-риала, обоснованность изложенных выводов, использование математического аппарата, использование средств вычислительной техники, макетирование, моделирование, экспериментирование)

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

СТЕПЕНЬ ДОСТИЖЕНИЯ ЦЕЛИ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

(Полнота раскрытия исследуемой темы, практическая ценность и возможность внедрения)

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО ПРЕДСТАВЛЕННОЙ РАБОТЕ

(Степень самостоятельной работы студента; совокупная оценка труда студента и его квалификация)

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Руководитель ВКР Е.И. Ряполова



Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВКР

По ВКР студента Синдеева Егора Ивановича

На тему Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов

1 Работа выполнена :

- по теме, предложенной студентом

- по заявке предприятия наименование предприятия

- в области фундаментальных и поисковых научных исследований указать область исследований 2 Результаты ВКР:

- рекомендованы к опубликованию указать где

- рекомендованы к внедрению указать где

- внедрены акт внедрения

3 ВКР имеет практическую ценность

Разработан проект системы спутникового мониторинга передвижения поездов в чем заключается практическая ценность

4 Использование ЭВМ при выполнении ВКР:

(ПО, компьютерное моделирование, компьютерная обработка данных и др.)

5. ВКР прошла проверку на объем % заимствований заимствований эл. версия сдана

Студент БИСТу-30 Е.И. Синдеев

Руководитель

ВКР доцент к.п.н., доцент Е.И. Ряполова



Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

РЕФЕРАТ

Название Разработка системы спутникового мониторинга пере-движения поездов

Автор Синдеев Егор Иванович

Научный руководитель Ряполова Елена Ивановна

Ключевые слова Отслеживание поездов, спутниковый мониторинг, пе-редвижение поездов

Дата публикации 2017

Библиографическое описание Синдеев, Е.И. Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов [Текст]: бакалаврская работа / Е.И. Синдеев. Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ). Факультет заочного обучения (ФЗО). Кафедра информационных систем и технологий (ИСТ): науч. рук. Е.И. Ряполова - Самара. 2017. - 106 с.

Аннотация Создание спутникового мониторинга передвижения поездов на РЖД является повышением безопасности передвижения поездов. Системы спутникового мониторинга на базе GPS технологии позволяют точно определить местоположение транспорта его координаты, скорость и курс направления.

Руководитель ВКР Е.И. Ряполова



Введение

Проблема, связанная с организацией движения подвижного состава на железной дороге, остается актуальной. Многие исследования транспортных проблем городов показывают, что выход из создавшегося положения заключается в повышении качества обслуживания населения и эффективности работы подвижного состава, в том числе, за счет применения более совершенных методов и средств управления маршрутизированным транспортом. Поэтому одной из важнейших задач по разрешению этой проблемы является создание системы спутниковой навигации.

Все вышесказанное определило актуальность темы работы - разработки системы спутникового мониторинга передвижения поездов.

Целью дипломного проекта (работы) является повышение безопасности передвижения поездов за счет сокращения времени на обработку информации. Создание спутникового мониторинга передвижения поездов на РЖД является повышение безопасности передвижения поездов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: мониторниг спутниковый слежение

1. Провести анализ базовой системы мониторинга передвижения поездов.

2. Построить модель информационных потоков для системы мониторинга передвижения поездов.

3. Провести аналитический обзор существующих систем мониторинга.

4. Определить требования к системе спутникового мониторинга передвижения поездов.

5. Разработать структурную схему системы спутникового мониторинга передвижения поездов.

6. Разработать информационное обеспечение для системы спутникового мониторинга.

7. Провести выбор беспроводных каналов связи.

8. Провести выбор оборудования, необходимого для разработки системы спутникового мониторинга передвижения поездов для предприятия.

9. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для спутникового мониторинга.

Объектом исследования выступает (является) - система спутникового мониторинга на базе GPS технологии.

Предметом исследования является система спутникового мониторинга передвижения поездов.

Основными источниками информации для написания работы послужили: существующая система мониторинга передвижения поездов, справочная литература и литература по теме ВКР.

Цель и задачи написания работы определили ее структуру, которая состоит из введения, 3 глав и заключения.

Во введении обосновывается актуальность работы, цель, задачи, объект и предмет исследования.

Первая глава ВКР раскрывает: задачи проектирования системы спут-никового мониторинга передвижения поездов на участке.

Вторая глава: разработку структурной схемы автоматизированной системы спутникового мониторинга передвижения поездов.

Третья глава: проектирование аппаратно-программных средств для системы спутникового мониторинга передвижения поездов на участке.

В заключении сделаны основные выводы и результаты по проделанной работе.



1. Задача проектирования системы спутникового мониторинга передвижения поездов на участке

1.1 Характеристика существующей системы передвижения поездов на участке

Участковые поездные диспетчеры - многочисленный отряд работников, во многом определяющих ход эксплуатационной работы на железных дорогах.

На участках, оборудованных автоблокировкой, рабочее место диспетчера оборудуется устройством диспетчерского контроля - табло, на котором изображена схема участка и промежуточных станции. Световая индикация сигнализирует о показании сигналов и фактическом занятии поездами участков и путей на промежуточных станциях[1].

Структурная система диспетчерского управления представлена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 - Структура системы диспетчерского управления



Поезд движется из станции А на станцию Б. После прибытия поезда по заданному маршруту машинисту данного поезда необходимо связаться с дежурным по станции тот в свою очередь связывается с диспетчером для того чтобы его приняли на этой станции. Связаться с диспетчером машинист может по телефону или радиосвязи. После того как диспетчер примет его на станцию нажмет на кнопочном пульте номер этой станции. Затем для определения поезда его маршрута нажмет на кнопку «Откуда» и «Куда» прибыл данный поезд. После этого устройство сформирует кодовый сигнал ТУ (устройства, состоящие из автоблокировки и электрической централизации с управлением стрелками и светофорами всех промежуточных станции участка с одного поста).

Устройство формирующие сигнал ТУ управляет движением поездным диспетчером. Диспетчер обычно управляет участком протяженностью 100 -150 км с числом станции от 1 до 15.

Кодовый сигнал передается в кодовую линию и принимается на станции с номером 1. Затем сигнал расшифровывается и станции устанавливается маршрут приема, который переводит стрелки и открывает вход[1].

Задача передвижения поездов от А станции до станции Б требует сбора и анализа данных со следующих подразделений (рисунок 1.2).

Схема информационных потоков представлена на рисунке 1.2

Рис. 1.2 - Схема информационных потоков существующей системы



1.Данный информационный поток содержит текущие координаты поезда (можно добавить, скорость движения, расчётное время прибытия до следующей станции и т.п.), его состояние и маршрут движения пройденного и запланированного пути;

2. Необходимая отчётность между диспетчером и начальником отдела;

3. Данный информационный поток содержит сведения о неисправности оборудования на ЖД линиях, аварийных ситуациях и других случаях, когда необходимо вмешательство главного технолога.

Таким образом, входными потоками для отделения управления РЖД является:

- телефонный звонок, заявка или письмо на выполнение некоторой функции отделения управления РЖД;

- персональные данные машиниста, в чьём распоряжении находится поезд

предприятия (в том числе корпоративная - связь с предприятием для удалённых сотрудников);

- распоряжение о разрешении выдачи служебных номеров предприятия целым отделам или конкретным сотрудникам.

Выходными потоками для отделения управления РЖД являются:

- отчётность диспетчеров;

- запрос в отделение дороги о разрешении выезда машиниста поезда на маршрут.

Система Гид заключается в выделении и фиксации во встроенном календаре дней обращения конкретных поездов. Так же можно закладывать и потом просматривать из справки о поезде любую текстовую информацию. Вариантный график является вариантом нормативного графика, рассчитанного на конкретные сутки с учетом планируемых окон для производства ремонтно - путевых работ. Схема существующей системы «Гид» табло диспетчерского контроля представлено на рисунке 1.3[2].



Рис. 1.3 - Схема существующей системы «Гид» табло диспетчерского контроля

Основной недостаток существующей системы заключается в отсутствии видимости в реальном времени место нахождения поезда внутри станции. Поскольку считыватели устанавливаются на входе и выходе со станции. В данный момент можем зарегистрировать место нахождения только вначале пути поезда и в конце. При поломке локомотива связаться с машинистом диспетчер может только по радиосвязи.

1.2 Актуальность внедрения технологии спутникового слежения в процессе мониторинга передвижения поездов на участке

Одной из функции регионального отдела автоматизированных систем управления является слежение за передвижением поездов и их прибытии на объект осуществляется через диспетчеров железной дороги по средствам сотовой связи или радиосвязи предприятия. Работа диспетчеров не всегда эффективна поскольку машинист иногда превышает скорость и уклоняется от заданного маршрута. Тем самым может создать аварийную ситуацию на железной дороге.

Принцип работы системы будет заключается в отслеживании и анализе пространственных и временных координат в online режиме с дистанционной передачей координатной информации. Структура online мониторинга представлена на рисунке 1.4

Рис. 1.4 - Структура online мониторинга

Система спутниковогоonline мониторинга передвижения поездов будет решать следующие задачи:

Мониторинг направления и скорости движения транспортного средства.

Учёт статистики использования транспортного средства, включая пройденный километраж, скорость движения, время нахождения поезда.

Контроль соответствия фактического маршрута плановому позволяет повысить дисциплину водителей, избежать случаев нецелевого использования поезда. Контроль нахождение транспортного средства в заданных границах.

Безопасность: знание местоположения позволяет быстро найти попавшее в аварию транспортное средство.

Система мониторинга на базе GPS технологии позволит точно определить местоположение транспорта его координаты, скорость и курс направления. На основе этих данных диспетчер планирует маршрут машиниста и оперативно управляет поездом. Отклонения от заданного диспетчером маршрута, превышение скорости и другие нарушения автоматически фиксируются в системе, информация о нарушителе передается в диспетчерский центр.

1.3 Обзор и классификация существующих методов мониторинга передвижения поездов

Производить мониторинг передвижения поездов от станции до станции можно следующими способами:

Радиосвязь (передатчик) - принцип работы основан на колебательном контуре. Достигая антенны приемника, радиоволны пересекают ее провод и возбуждают в ней очень слабые частоты. [3].

Сотовая связь (телефон) - принцип работы основан на включенных телефонах, прослушивающих эфир находя сигнал базовой станции. Телефон посылает станции уникальный идентификационный код.

САИ ПС - принцип работы основан на СВЧ - технологии с применением частот 865,867 и 869 МГц. Передающая антенна пункта считывания излучает не модулированный сигнал при проследовании первой колесной парой датчиков колесных пар.

ПСЧ устанавливаются на входе и выходе локомотивных депо, сортировочных, узловых, стыковых, участковых и других станций, на вокзалах перед контейнерными площадками, а при необходимости на контрольных пунктах, ограничивающих поездные участки, внутри отдельных станций, например, между парками формирования и отправления сортировочных станций[4].

Гид - принцип работы системы основан на съеме данных с устройств (считывателей). Все транспортные единицы оснащаются радиочастотными метками со встроенной антенной, приемником и передатчиком. Метки прикрепляются к корпусу транспортного средства по две метки с каждой стороны.

GPSнавигация - принцип работы спутниковых систем основан на изменении расстояния от антенны на объекте (координаты которые необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, который должен располагать любой спутниковый приемник до начала изменений.

Метод измерений расстояния от спутника до антенны приемника основан на определенности скорости расположения радиоволн. Для изменения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. [5].

Классификация мониторинга передвижения поездов представлена на рисунке 1.5

Рис.1.5 - Классификация мониторинга передвижения поездов



Классификация методов анализа систем спутникового мониторинга по различным признакам представлена на рисунке 1.6.

Методы анализа спутникового мониторинга в зависимости от территориального признака[6]:

глобальные;

региональные;

локальные;

точечные.

Методы в зависимости от конструкции и сферы использования[9]:

персональный;

автомобильный.

Методы анализа в зависимости от типа архитектуры[9]:

портативные;

встроенные.

Классификация представлена на рисунке 1.6.

Рис.1.6 - Классификация систем спутникового мониторинга



Классификация систем в зависимости от архитектуры систем [7]:

1 портативный, устройство устанавливается без подключения к цепи питания автомобиля и используется для тестирования системы мониторинга транспорта, работает на аккумуляторной батарее, которая не требует подзарядки в течение 2-х суток[9].

2 встроенный, устройство устанавливается с подключением к цепи питания транспорта и используется для тестирования системы мониторинга транспорта, работает от сети [9].

Система спутникового мониторинга на базе GPSнавигации позволит более точно определить местоположение поезда его координаты, скорость и курс направления. На основе этих данных диспетчер сможет планировать маршрут машиниста и оперативно управлять поездом. Отклонения от заданного маршрута, превышение скорости будут автоматически фиксироваться в системе, информация о нарушителе будет передаваться в диспетчерский центр.

1.4 Недостатки системы мониторинга передвижения поездов на предприятии

Поезд движется от предыдущей станции до следующей станции. После прибытия поезда по заданному маршруту машинисту данного поезда необходимо связаться с дежурным по станции тот в свою очередь связывается с диспетчером для того чтобы его приняли на этой станции. Связаться с диспетчером машинист может по телефону или радиосвязи. После того как диспетчер примет его на станцию нажмет на кнопочном пульте номер этой станции. Затем для определения поезда его маршрута нажмет на кнопку «Откуда» и «Куда» прибыл данный поезд. После этого устройство сформирует кодовый сигнал ТУ (устройства, состоящие из автоблокировки и электрической централизации с управлением стрелками и светофорами всех промежуточных станции участка с одного поста).

Диспетчерское табло системы Гид показывает график исполненного движения. Недостатком его является то, что нужно каждый раз вручную нужно проставлять метки если поезд остановился по какой-либо причине на перегоне.

Недостатком существующей системы заключается в отсутствии видимости в реальном времени место нахождения поезда внутри станции. Поскольку считыватели устанавливаются на входе и выходе со станции. В данный момент можем зарегистрировать место нахождения только вначале пути поезда и в конце.

Много времени занимает процесс передачи координат о местоположении по прибытию на станцию, на которой дежурит диспетчер. Поскольку машинист связывается сначала с дежурным по станции, а тот в свою очередь докладывает поездному диспетчеру о прибытии машиниста.

Разработка системы спутникового мониторинга передвижения поездов поможет сократить время передачи координат от машиниста к диспетчеру станции. Так же диспетчер сможет отслеживать местонахождения поезда по компьютеру в реальном времени.

Методы систем спутникового мониторинга обладают рядом недостатков, которые приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Недостатки методов систем спутникового мониторинга

Метод	Недостатки
1	2
В зависимости от территориального признака
Глобальный	При определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника
Локальный	Недостаток известной локальной сети является невозможность объединения десятков тысяч объектов, распределенных на большой территории (город, мегаполис) и передающих информацию в единый центр с целью ее архивирования для длительного хранения, а также обеспечения доступа к ней ограниченному кругу пользователей.
Региональный	Не раскрыты сетевые средства территориального расширения зоны мониторинга, сбора и передачи больших объемов информации от нескольких тысяч локальных технических средств мониторинга
Точечный	Невозможность объединения десятков тысяч объектов, распределенных на большой территории
В зависимости от конструкции и сферы использования
Персональные	Высокая стоимость трафика
Транспортные	Достаточно высокая стоимость подключения, необходимость наличия канала исходящей связи (модемное соединение и т.д.), сравнительно длительное время ответа сервера
В зависимости от архитектуры системы
Портативные	Устройство постоянно требует подзарядки. Мониторинг в режиме online подразумевает большой расход на трафик передачи данных.
Встроенные	Устройство работает только с подключением к цепи питания транспорта

Исходя из таблицы 1.1, можно сделать вывод о том, что не существует универсального метода навигации на основе анализа систем спутникового мониторинга.

Таким образом, для достижения лучших результатов в плане защиты системы необходимо проводить комбинацию из нескольких методов спутниковой навигации, используя обстоятельственный подход при принятии решений.

1.5 Определение требований к системе спутникового мониторинга передвижения поездов на участке

В качестве навигационного оборудования должен использоваться приемники навигации GPS, позволяющие с высокой точностью определять местонахождение. Весь объем навигационной информации, получаемой от приемников отслеживаемых поездов, поступает и хранится на сервере базы данных.

Подключение к навигационному серверу осуществляется через любой WEB - браузер.

Анализ информационных потоков системы мониторинга передвижения поездов на предприятии показал, что разрабатываемое программное средство должно обеспечить:

автоматизацию обработки данных отделом РИВЦ за счет:

- сокращение времени выполнения операций (о местонахождении поезда на станции или перегоне);

- автоматически принимать от серверного программного обеспечения сервера связи данные о местоположении: координаты, скорость и время поездов от мобильных терминалов. Для хранения данных использовать СУБД;

уменьшение вероятности ошибок пользователей за счет:

- на уровне администраторов системы с использованием политики резервного копирования и наличием возможности выполнения запросов в СУБД.

персональных данных, хранящихся в БД за счет:

- наличия доступа к персональным данным определённых пользователей, определённых системой;

- возможности отката текущего состояния БД к ранее созданной, сохранённой на момент установления подлинности БД.

разграничение доступа пользователей к базе данных.

обеспечение сетевого функционирования АС в качестве среды для передачи данных необходимо использовать:

сеть Internet с пропускной способностью не ниже 236Кбит/с;

средства поддержки протокола TCP/ IP.

1.6 Постановка задачи на ВКР

Цель: повышение безопасности передвижения поездов за счет сокращения времени на обработку информации.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

Провести анализ базовой системы мониторинга передвижения поездов.

Построить модель информационных потоков для системы мониторинга передвижения поездов.

Провести аналитический обзор существующих систем мониторинга.

Определить требования к системе спутникового мониторинга передвижения поездов.

5 Разработать структурную схему системы спутникового мониторинга передвижения поездов.

6 Разработать информационное обеспечение для системы спутникового мониторинга.

7 Провести выбор беспроводных каналов связи.

8 Провести выбор оборудования, необходимого для разработки системы спутникового мониторинга передвижения поездов для предприятия.

9 Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для спутникового мониторинга.



2. Разработка структурной схемы автоматизированной системы спутникового мониторинга передвижения поездов

2.1 Определение и обоснование функций автоматизированной системы спутникового мониторинга при организации системы мониторинга передвижения поездов, подлежащих автоматизации

Анализ работ, проведенный в первой главе, позволяет выделить следующие особенности мониторинга передвижения поездов:

невозможность проведения полной автоматизации процесса мониторинга передвижения поездов.

много времени занимает процесс передачи координат о местоположении по прибытию на станцию, на которой дежурит диспетчер.

местонахождения поезда можно определить только в начале и в конце пути.

невозможность определить с точностью (в реальном времени) координаты, скорость и время передвижения поезда.

Исходя из этого, необходимо определить функции, подлежащих автоматизации, которые помогут проконтролировать действия машиниста управляющего поездом. Наилучшим вариантом отслеживания местоположения поезда, его времени и скорости передвижения будет создание системы спутникового мониторинга, которая будет выполнять следующие функции:

определение местоположения объектов по спутникам GPS;

занесение в память навигационной информации и информации о состоянии объектов при потере основного и резервного канала связи с последующей отправкой записанных данных;

возможность выбора отдельных объектов для слежения за их перемещением и состоянием в режиме реального времени;

отображение в графической форме местоположения и параметров объектов на картах местности.

контроль и анализ фактического пробега транспортных средств за определенные промежутки времени;

автоматическая запись в журнал всех событий и действий.

хранение информации в единой базе данных;

создание архивных баз данных;

производить оперативный контроль состояния транспортных средств на основе поступающей информации:

отображение местоположения транспорта на карте;

регистрация происходящих плановых и внеплановых событий;

просмотр истории перемещения транспортных средств;

контроль и учет времени работы водителей;

выгрузка в БД.

Данная система позволит сократить время на выполнения операции мониторинга движения поездов, а также позволит избежать возникновения аварийных ситуации.

2.2 Определение опасных участков железных дорог

Действия машиниста поезда не всегда корректны иногда машинист может превышать скорость движения поезда, если он выезжал из депо с опозданием, не придерживаясь своего графика движения. Поскольку прибыть машинист должен на станцию вовремя согласно своему графику, он превышает скорость движения для того чтобы уложиться в график. Увеличение скорости движения поезда перед участком таком как поворот неприемлема.

Высокоскоростной поезд Alvia сошел с рельсов в ночь на 25 июля. В результате погибли не менее 77 человек, более 140 получили ранения. Всего в поезде находилось 218 человек. Эта авария стала крупнейшей железнодорожной катастрофой в Испании за последние 40 лет. В стране объявлен недельный траур[8].

Опасный участок поворот изображен на рисунке 2.1.

Рис.2.1 - Опасный участок поворот

Опасным участком дороги является развилка. Ситуация с аварией может произойти, если один поезд выйдет раньше или позже своего времени.

Опасный участок дороги развилка изображен на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 - Опасный участок развилка



Одним из примеров является, авария, произошедшая 23 мая в 2011 году в Оренбурге, произошло столкновение бензовоза с двумя поездами, вследствие чего пострадали 13 человек.

2.3 Разработка модели внештатного движения поезда

Для предотвращения аварии на железнодорожных путях необходимо разработать модель внештатного движения поезда. Модель внештатного движения поезда представлена на рисунке 2.3.

Рис.2.3 - Модель внештатного движения поезда

Машинист поезда иногда превышает скорость. Превышение скорости на таких участках как поворот неприемлема для машиниста поскольку он может тем самым подвергнуть опасности себя, пассажиров и свое транспортное средство. Превышения скорости на запрещенных участках приведено в формуле:

,

где - превышение скорости машинистом;

-эквивалентное время;

-полученное время со спутника;

-эквивалентный путь (точка координаты);

-полученный путь (точка координаты) со спутника;

-эквивалентная скорость;

-полученная скорость со спутника.

Машинист поезда иногда уменьшает скорость. Уменьшение скорости поезда машинистом в случае опоздания выезда из депо не в свое время неуместно, поскольку у каждого поезда есть свой маршрут и расписание, в котором указывается, в какое время должен ехать поезд. Уклонение от заданного расписания приведет к возникновению аварии. Уменьшение скорости на запрещенных участках приведено в формуле (2.1)

,

где - Уменьшение скорости машинистом;

-эквивалентное время;

-полученное время со спутника;

-эквивалентная скорость;

-полученная скорость со спутника;

Техническое описание таблицы «Считанные данные» представлено в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Таблица «Эквивалентные данные»

id			(точка)
1	13:05:15	40	104987
2	13:05:17	40	104989

В таблице 2.1 представлены эквивалентные данные. Эквивалентные заранее рассчитанные данные позволяющие смоделировать точный маршрут поезда, чтобы избежать возникновения аварии.

Техническое описание таблицы «Эквивалентные данные» представлено в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Таблица «Считанные данные»

id			(точка)
1(min)	13:05:15	40	104987
2	13:05:17	40	104989

В таблице 2.2 представлены считанные данные полученные со спутника (GPS).

Эквивалентные данные составлены в соответствии с расписанием. Точки координат указаны точно. С помощью них можно контролировать передвижение поезда на заданном ему маршруте. Его точное местоположение (указание опасных участков, например, поворот). Скорость передвижения на каком-либо участке (где нужно снизить скорость, например, поворот) и время проезда на участках.

2.4 Определение и обоснование перечня исходных данных при организации системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Таблица 2.3 Определение и обоснование исходных данных для реализации функций системы спутникового мониторинга

Функция автоматизированной системы при организации системы спутникового мониторинга	Исходные данные	Обоснование наличия исходных данных
Контроль и анализ фактического пробега транспортных средств за определенные промежутки времени, скорость движения и местонахождении поезда	Нормативно - правовая информация о станциях: Название станции, название организации, № поезда, ФИО машиниста, скорость движения поезда, время движения поезда	В соответствии с пунктом 5.2.37Положения о Министерстве транспорта Российской Федерации, утвержденного постановлением Правительства Российской Федерации от 30 июля 2004 г. N 395 Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации

Для реализации функций в автоматизированной системы спутникового мониторинга, подлежащих автоматизации и определенных в п.2.1, необходимо определить исходные данные для каждой из функций. Определение и обоснование исходных данных представлено в таблице 2.3.

Исходя из определенных ранее функций, система позволяет осуществлять ввод и обработку исходных данных для автоматизированной системы, хранит объемы информации нормативно - методического характера.

2.5 Разработка структурной схемы, автоматизированной системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Целью разработки является повышение безопасности передвижения поездов за счет сокращения времени на обработку информации.

Особой задачей является преобразование географических координат в путевые координаты, поскольку на текущий момент в информационном пространстве РЖД отсутствуют автоматизированные системы, позволяющие решать эту задачу на полигоне Южно - Уральской железной дороге.

Диспетчер предприятия подключается к навигационному серверу через любой WEBбраузер. Структура программы спутникового мониторинга передвижения поездов представлена на рисунке -2.4.

На переносных (мобильный телефон или специальное устройство GPS) устройствах установлено специальное приложение, которое через определенные промежутки времени вычисляет свои координаты по показания GPS и отправляет на специальный Сервер приложений приема координат устройств. Сервер приложений принимает информацию от переносных устройств и сохраняет информацию в Базу данных.



Рис. 2.4 - Структура программы спутникового мониторинга передвижения поездов

Так же к серверу БД подключаются Сервер приложений, который отображает в реальном времени положений переносных устройств и Web-сервер, который также отображает в реальном времени положений переносных устройств.

2.6 Разработка алгоритма работы автоматизированной системы спутникового мониторинга передвижения поездов

Для корректной разработки программных модулей системы спутникового мониторинга необходимо разработать подробный алгоритм работы системы и ее подсистем. Схема алгоритма программы спутникового мониторинга представлена на рисунке 2.5.

На блоке 1 схемы производится ввод исходных данных, которые включают в себя нормативно-справочная информация по станциям и участкам направления Южно-Уральской железной дороги, в том числе:

данные о станциях полигона, включая GPS-координаты станций для привязки мобильных устройств системы;

На блоке 2 машинист поезда включает мобильный терминал, который определяет своё текущее местоположение с помощью GPS, по каналу GPRS передает в серверную часть приложения:

текущее местоположение (координаты);

скорость движения поезда;

время.

На блоке 3 вывод результата текущего выполнения программы мобильного терминала должен отображаться интерфейсом программы с частотой обновления данных о текущем местоположении мобильного устройства по данным спутниковой навигации.

Рис. 2.5 -Алгоритма программы спутникового мониторинга



На блоке 4 сервер приложения мобильного терминала подключается к серверу БД.

На блоке 5 информация (координаты, скорость и время) от мобильного терминала сохраняется в базе данных (создание архивных баз данных).

На блоке 6 к серверу БД подключаются Web-сервер который также отображает в реальном времени положений мобильного устройства его координаты, время и скорость движения.

На блоке 7 диспетчер следит за местонахождение поезда черезweb-браузер (Internet Explorer 9, Firefox 23 и более поздних). По IP - адресу.

Диспетчер может задавать: период анализа, участок анализа, выборку поезда (по номеру), по работе которого выполняется анализ.

На блоке 8 после окончания рейса машинист отключает функцию CPSна мобильном устройстве.



3. Проектирование аппаратно-программных средств для системы спутникового мониторинга передвижения поездов на участке

3.1 Выбор технических средств для реализации системы

К техническим средствам для реализации системы можно отнести автотрекеры и сотовые телефоны (смартфоны) на базе Android.

Сотовый телефон - сложное высокотехнологичное электронное устройство, включающие специализированный контроллер управления, цветной дисплей, интерфейсные устройства, аккумулятор.

Большинство стандартов мобильной связи используют для идентификации абонента SIM-карту.

Сотовый телефон работает на платформах таких как Symbian OS, Windows Mobile, Windows CE, Android, Linux, Blackberry 10 и др.

Сотовый телефон имеет множество программных интерфейсов, благодаря которым к БД могут подключаться приложения, созданные с помощью языков программирования: Java, Visual C++, Borland C++, Builder C/С++ и C#. Базы ДанныхMySQL, MS SQL Oracle Postgre SQL [16]. Автотрекер - это устройство приема передачи данных для спутникового контроля автомобилей, людей или других объектов, к которым оно прикрепляется, использующее Global Positioning System для точного определения местонахождения объекта содержит GPS - приёмник, с помощью которого он определяет свои координаты, а также передатчик на базе GSM, передающий данные по GPRS, SMS или на базе спутниковой связи для отправки их на серверный центр, оснащённый специальным программным обеспечением для спутникового контроля. Кроме GPS-приёмника и передатчика важными техническими элементами трекера является GPS-антенна, которая бывает, как внешняя так и встроенная в трекер; аккумуляторная батарея; встроенная память.

Автотрекер имеет множество программных интерфейсов, благодаря которым к БД могут подключаться приложения, созданные с помощью языков программирования: Delphi, Visual C++, Borland C++,Builder C/С++ и C#, Базы Данных MySQLMSSQL, Oracle, Postgre, SQL Interbase, Visual Fox Pro [14] .

Трекер работает на платформах таких как Windows, MacOSX, Windows RT, Android, Blackberry 10 и др[14].

В таблице 3.1 приведено сравнение устройств по ключевым показателям.

Таблица 3.1. Сравнительная характеристика устройств

Параметры	Наименование устройств
	Трекер	Сотовый телефон
Габариты	115х70х30	62,5х117х12,8
Масса, (г)	120	112
Цена (на 1 поезд)	12000	2200
Необходимость связи с ПК	Да	Нет
GPS	Да	Да
Тип питания, (w)	10 -30	Аккумулятор 3,6 - 3,8
Температурный диапазон, ()	-40..+80	-40..+45
GSM	Да	Да
Наличие дисплея	Нет	Да

Если оценить формальное выполнение требований, то лучше всего для дипломного проекта подходит сотовый телефон (смартфон). Поскольку цена мобильного смартфона намного ниже цены автотрекера и на мобильном телефоне имеется дисплей, с помощью которого машинист тоже может видеть свое местоположение: координаты, время и скорость с которой он движется. Необходимо выбрать модель сотового телефона, которая будет удовлетворять требованиям системы. В таблице 3.2 приведено сравнение мобильных телефонов (смартфонов) по ключевым показателям.



Таблица 3.2 Сравнительная характеристика устройств

Сотовый телефон	Lenovo A2 69i	Philips Xenium W 3568
Стандарт	GSM 900/1800/1900, 3G	GSM 900/1800/1900, 3G
Тип	Смартфон	Смартфон
ОС	Android	Android
Интерфейсы	Wi -Fi, Bluetoon, USB	Wi -Fi, Bluetoon, USB
Спутниковая навигация	GPS	GPS
Доступ в интернет	WAP, GPRS, EDLE, HSDPA, HSUPA	WAP, GPRS, EDLE, HSDPA, HSUPA
Модем	есть	есть
Процессор (Гц)	1000	1200
Объем ОП	512 Mб	512 Mб
Поддержка карт памяти	Объем micro SD 32 Гб	Объем micro SD 32 Гб
Емкость аккумулятора	1500 мАч	1800 мАч
Размер	62,5x117x12,8	68x126,8x11,95
Вес(г)	112	137
Время разговора(ч)	14,5	13
Объем встроенной памяти	1 Гб	4 Гб
Цена	2200	3890

Для системы спутникового мониторина лучше всего подойдет модель сотового телефона (смартфон) LenovoA2 69i. Поскольку она удовлетворяет требованиям системы, а так же подходит по ценавому параметру поскольку по сравнению с другими моделями она меннее затратна.

3.2 Алгоритмческое и программное обеспечение для спутникового мониторинга

Выбор среды программирования. Инструментальные программные средства - это программы, которые используются в ходе разработки, корректировки или развития других прикладных или системных программ.

Классификация программного обеспечения по различным признакам представлена на рисунке 2.1

По способу исполнения программ [9]:

интерпретируемые;

компилируемые.

Интерпретатор - программное средство (иногда аппаратное средство), анализирующая команды или операторы программы и тут же выполняющая их[9].

Компилятор- системная программа, выполняющая преобразование программы, написанной на одном алгоритмическом языке, в программу на языке, близком к машинному, и в определенном смысле эквивалентную первой[9].

По степени переносимости [10]:

платформенные;

кроссплатформенные.

Платформенные -программное обеспечение, работающее на одной аппаратной платформе и/или операционной системе[10].

Кроссплатформенное - программное обеспечение, работающее более чем на одной аппаратной платформе и/или операционной системе. Типичным примером является программное обеспечение, предназначенное для работы в операционных системах Linuxи Windows одновременно[10].

По назначению[11]:

системные;

прикладные;

инструментальные.

Системное ПО - комплекс программ, которые обеспечивают управление компонентами компьютерной системы, такими как процессор, оперативная память, устройства ввода - вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс», с одной стороны которого аппаратура, а с другой - приложения пользователя[11].

К системным ПО относят:

операционные системы;

оболочки операционной системы;

утилиты;

драйвера устройств ЭВМ.

Прикладное ПО -программа, предназначенная для выполнения определенных пользовательских задач и рассчитанная на непосредственное взаимодействие с пользователем. В большинстве операционных систем прикладные программы не могут обращаться к ресурсам компьютера напрямую, а взаимодействуют с оборудованием и проч. посредством операционной системы[11].

Инструментальное ПО -программное обеспечение, предназначенное для использования в ходе проектирования, разработки и сопровождения программ, в отличие от прикладного и системного программного обеспечения[11].

К инструментальным ПО относят:

проектирование БД;

программирование и тестирование;

сопровождение;

управление проектом;

и др.

Классификация программного обеспечения представлена на рисунке 3.1.

В соответствии с требованиями к программному обеспечению, наиболее подходящим вариантом будет использование кроссплатформенного, компилируемого, инструментального программного обеспечения.

В данной работе для разработки программы необходимо выбрать инструментальное средство (язык программирования) для реализации системы.

К инструментальным средствам (языков программирования) можно отнести, Eclipse, Delphi, Microsoft Visual Studio.

Eclipse - свободная интегрированная среда разработки модульных кроссплатформенных приложений[12].

Eclipse имеет программный интерфейс, благодаря которым к БД могут подключаться приложения, созданные с помощью языков программирования:C++,JavaIDE.

Рис.3.1 - Классификация программного обеспечения MicrosoftVisual

Eclipseработает на платформах таких как Windows XP, Windows Vista, Windows XP, Windows Vista, Windows, Аndroid и т.д.

Delphi - среда разработки и объектно - ориентированный язык программирования, основанный на Object Pascal, разработанный компанией Borland[13]

Delphi имеет программный интерфейс такой как: Delphi XE2.

Delphi работает на платформах таких какWindows.

Microsoft Visual Studio - интегрированная среда разработки ПО и ряд других инструментальных средств. Данный продукт позволяют разрабатывать как консольные приложения, так и приложения с графическим интерфейсом, в том числе с поддержкой технологии Windows Forms, а также веб-сайты, веб-приложения, веб-службы как в родном[14].

Studio имеет множество программных интерфейсов таких как: ASP.NET, Xml, C++, C#, Java Microsoft Visual Studio работает на платформах таких как Microsoft Windows, Windows Mobile, Windows CE, NET Framework, Xbox, Windows Phone.NET Compact Framework и Microsoft Silverlight[14].

В таблице 3.3 приведено сравнение описанного по ключевым показателям.

Таблица 3.3. Сравнительная характеристика ПО

Параметры	Eclipse	VisualStudio	Delphi
Поддерживаемые платформы	Кроссплатфор-менное ПО	Кроссплатфор-менное ПО	Windows
Язык программирования	JavaIDE	ASP.NET, Framework, C++, C#,Java	Delphi XE2
Поддерживаемые протоколы	TCP/IP, UDP, HTTP	TCP/IP UDP, HTTP	TCP/IP
Стоимость лицензии	Бесплатно	12450	7500

Если оценить формальное выполнение требований, то лучше всего для дипломного проекта подойдут Java Eclipse и Visual Studio. Поскольку данные инструментальные средства, отвечает всем требованиям, указанным для проектирования системы спутникового мониторинга.

Разработка алгоритма мобильного узла. Алгоритм работы мобильного узла представлен на рисунке 3.2. На блоке 1 схемы производится ввод исходных данных, которые включают в себя нормативно-справочная информация по станциям и участкам Южно-Уральской железной дороги, в том числе:

данные о станциях полигона, включая GPS-координаты станций для привязки мобильных устройств системы;

Рис. 3.2 - Схема алгоритма программы спутникового мониторинга

На блоке 2 машинист поезда включает мобильный терминал, который определяет своё текущее местоположение с помощью GPS, по каналу GPRS передает в серверную часть приложения:

текущее местоположение (координаты);

скорость движения поезда;

время.

На блоке 3 вывод результата текущего выполнения программы мобильного терминала должен отображаться интерфейсом программы с частотой обновления данных о текущем местоположении мобильного устройства по данным спутниковой навигации.

На блоке 4 сервер приложения мобильного терминала подключается к серверу БД.

На блоке 7 диспетчер следит за местонахождение поезда черезweb-браузер (Internet Explorer 9, Firefox 23 и более поздних). По IP - адресу.

Диспетчер может задавать: период анализа, участок анализа, выборку поезда (по номеру), по работе которого выполняется анализ.

На блоке 8 после окончания рейса машинист отключает функцию CPSна мобильном устройстве.

Разработка инструкции пользователя мобильного узла. Для инсталляции приложения необходимо скопировать с компьютера папку «P3» на мобильное устройство. Для запуска приложения необходимо выбрать в меню мобильного устройства «Приложения» в нем открыть папку «Мои файлы» в нужно открыть папку «external_sd»открываем ее и выбираем папку, с приложением «P34» в ней заходим в папку «bin»в которой запускаем файл P34.apk и устанавливаем приложение. Так же необходимо проверить наличие всех файлов. Для корректного отображения данных на экране мобильного устройства.

Для запуска приложения на мобильном устройстве нужно выбрать меню «Приложения» в открывшемся окне выбрать ярлык приложения с названием P34. На экране появится окно программы мобильного приложения, представлено на рисунке 3.3.



Рис.3.3 - Окно программы мобильного приложения

После открытия приложения необходимо на мобильном устройстве настроить GPS. Для этого нужно выбрать из меню «Приложения». В приложении выбрать «Настройки». В настройках выбираем «GPSи Безопасность», здесь же выбираем «Использовать GPS». Далее переходим обратно в приложение Р34. Запускаем нажатие на кнопку «Запустить». Результат проведенных операции представлен на рисунке 3.4