[08-2023] Робототехнический комплекс - компонент цифровой железнодорожной станции
 

Робототехнический комплекс - компонент цифровой железнодорожной станции

КУДЮКИН Владимир Валерьевич, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», заместитель генерального директора, Москва, Россия

ТАРАСОВ Кирилл Александрович, ОАО «РЖД», Центральная дирекция управления движением, главный инженер, Москва, Россия

ЧУПАХИН Дмитрий Петрович, ОАО «РЖД», Центральная дирекция инфраструктуры, Управление вагонного хозяйства, главный инженер, Москва, Россия

Ключевые слова: цифровая железнодорожная станция, робототехнический комплекс, сортировочная станция, роспуск, сортировочная горка, отпуск тормозов, автосцепка
Аннотация. Совершенствование сложных технологических процессов, реализуемых на железнодорожных станциях, неразрывно связано с развитием соответствующей инфраструктуры. Ее основой являются технические и программные средства, обеспечивающие потребное качество реализации самих процессов и получаемых результатов. Примером совершенствования инфраструктуры железнодорожного транспорта служит реализация концепции «Цифровая железнодорожная станция». Робототехнический комплекс - важный элемент концепции, позволяющий в перспективе исключить выполнение человеком некоторых технологических операций, например, отпуска тормозов или расцепки автосцепки при роспуске составов с сортировочной горки. В статье изложены особенности внедрения робототехнических комплексов на примере сортировочной станции, а также принципы их работы. Результаты представляют собой основу для дальнейшего развития робототехнических комплексов на железнодорожном транспорте.

Одним из актуальных вопросов в области автоматизации на железнодорожном транспорте является совершенствование существующих технологических процессов. Это связано с тем, что в настоящее время во всем мире закладываются основы нового шестого технологического уклада технико-экономического развития, ядром которого станут когнитивные и информационные технологии [1].
На смену внедрению и тиражированию аппаратных и программных средств для решения отдельных частных технических и технологических задач пришел подход, связанный с созданием и развитием комплексных решений. Эти решения направлены на объединение между собой отдельных разрознен
ных технологических процессов, их аппаратного, программного и информационного обеспечения. Тем не менее, достаточно широко распространены процессы, в которых значительная доля операций выполняется человеком вручную. Такие процессы достаточно часто подразумевают необходимость нахождения человека в опасной зоне. В ее границах постоянно действуют или могут действовать опасные и вредные факторы, связанные с характером выполняемых работ (движущийся подвижной состав).
Автоматизация технологических операций и интеграция соответствующих технических и программных средств в уже существующие автоматизированные системы связана с определенными трудностями. С одной стороны, требуется обеспечить механическое взаимодействие с элементами подвижного состава (стоящего и движущегося), с другой - разработать соответствующие интерфейсы, обеспечивающие интероперабельность с уже существующими и перспективными внешними системами, для формирования единого информационного пространства перевозочного процесса.


В связи с этим очевидна потребность создания специализированных робототехнических комплексов (РТК). Внедрение РТК позволит построить сквозной технологический процесс доставки грузов и сформировать соответствующую экосистему, включающую глубоко интегрированные и функционирующие в реальном времени технические и программные средства, характерные для так называемой четвертой промышленной революции «Индустрия 4.0» [2]. Это даст возможность реализовать более гибкое управление технологическими процессами и качеством получаемых результатов, что позволит минимизировать влияние «человеческого фактора» и, что не менее важно, необходимость пребывания человека в опасной зоне.
Одна из экосистем, предполагающих применение РТК, будет сформирована в результате реализации концепции «Цифровая железнодорожная станция» [3]. Особое внимание именно к железнодорожной станции вызвано тем, что здесь технологические операции занимают свыше 60 % от общего времени доставки грузов, а также присутствуют разрывы в сквозной технологии перевозок [2]. Распределение срока доставки груза по элементам перевозочного процесса представлено на рис. 1.
Цифровая железнодорожная станция (ЦЖС) представляет собой комплекс взаимосвязанных программно-технических средств и устройств, обеспечивающих расчет и выполнение технологических операций приема, отправления и обгона поездов, обработки вагонов и поездов на станции и путях необщего пользования с минимальным участием человека [3, 4].
Для комплексной реализации данного проекта функционирует проектный офис на базе Департамента технической политики ОАО «РЖД». АО «НИИАС» является архитектором проекта и обеспечивает его методологическое сопровождение. Функциональные требования к модулям системы управления ЦЖС и Методологические указания на формирование функционала системы управления ЦЖС были утверждены в конце 2022 г.


РТК планируется применять для выполнения следующих технологических операций с грузовыми
вагонами: отпуск тормозов вагонов, их расцепка на сортировочных горках, визуальный осмотр ходовой части, неразрушающий контроль литых деталей тележек и колесных пар (при положительном результате научно-исследовательской работы), соединение тормозных рукавов и др. [5, 6].
Следует отметить, что идея использования специализированного оборудования и робототехнических комплексов для выполнения технологических операций с грузовыми вагонами не является абсолютно новой. В частности, в мировом уровне техники существуют решения, направленные на расцепку вагонов на сортировочных горках [7, 8]. Однако широкого распространения они не нашли. Основная причина этого заключается в низкой точности и скорости выполнения технологических операций, а также отсутствии средств контроля правильности их выполнения.

Для реализации РТК были выбраны две функциональные задачи: отпуск тормозов грузовых вагонов в парке приема и формирование отцепов на сортировочной горке.
Первая задача, помимо технологической актуальности, подразумевает проработку технических решений, предназначенных для взаимодействия РТК с подвижным составом, находящимся без движения, в то время как задача формирования отцепов на сортировочной горке требует организации взаимодействия с движущимся подвижным составом. При этом его скорость может меняться во времени. В результате разработки РТК для взаимодействия со стационарными и движущимися объектами сформируется пакет технических решений, которые могут быть использованы для выполнения последующих работ по роботизации технологических процессов.

Учитывая мировой опыт разработки и применения РТК для решения задач взаимодействия с подвижным составом, сформулирован соответствующий концептуальный проект. В его рамках решено, а также предстоит решить значительное количество научных и инженерных задач: определить особенности функционирования РТК, порядок его взаимодействия с внешней средой, перечень технико-эксплуатационных характеристик, подлежащих контролю, лимитирующие факторы и алгоритмы работы, включая случаи внештатных ситуаций.
Рассмотрим основные особенности выполнения и функционирования РТК, предназначенных для решения двух указанных задач. Функционирование РТК, предназначенного для решения задачи отпуска тормозов, может быть описано с использованием диаграммы потоков данных, приведенной на рис. 2.
Обработку информации и координацию действий отдельных частей РТК (приводов мобильной платформы, привода манипулятора, камер системы технического зрения,устройств электропитания)осуществляет управляющий вычислительный комплекс (УВК РТК). От модуля контроля исполнения ЦЖС на него поступает информация о факте прибытия состава в расформирование и его ограждения, а также команда на начало выполнения работ. При необходимости гибкого управления технологическим процессом модуль планирования ЦЖС может вносить корректировки в работу РТК путем передачи соответствующих управляющих команд к УВК.
Перед началом работ УВК РТК направляет запрос к модулю диагностики подвижного состава [9]. В результате удовлетворения запроса УВК РТК получает соответствующие прибывшему поезду 30-модели подвижного состава и осуществляет их анализ с целью обнаружения «точек интереса» - объектов, с которыми предполагается осуществлять взаимодействие при осуществлении технологической операции по отпуску тормозов. С учетом данных о составе и «точек интереса» формируется электронная карта технологической операции отпуска тормозов. Карта загружается в модуль памяти РТК, УВК РТК начинает отпуск тормозов прибывшего состава, формируя соответствующие управляющие приказы.


Управляющие команды УВК РТК корректируются с учетом внешней обстановки. Информация о ней поступает от подсистемы технического зрения, состоящей из нескольких камер, располагаемых на мобильной платформе РТК.
По окончании технологической операции УВК РТК направляет в модуль контроля исполнения ЦЖС отчет об этом. Таким образом, использование предложенного варианта реализации РТК для отпуска тормозов грузового поезда, взаимодействующего с другими модулями ЦЖС, позволит организовать безлюдную технологию работы в парке приема.
Диаграмма потоков данных, описывающая функционирование РТК, предназначенного для формирования отцепов на сортировочной горке, показана на рис. 3.
Для такого РТК требуется обеспечить информационное взаимодействие с модулем автоматического управления сортировочным процессом, включающим в себя комплексную систему автоматического управления сортировочным процессом (КСАУ СП). УВК РТК получает от КСАУ СП сортировочный листок для состава, предполагаемого к роспуску.

Для осуществления операций по взаимодействию с цепью расцепного устройства автосцепки на основе данной информации, а также информации о текущих пространственных координатах мобильной платформы РТК, ее скорости и ускорении, параметрах вагонов в составе (длины по осям автосцепок), текущей скорости надвига производится имитационное моделирование и определяются пространственные координаты мобильной платформы для каждой автосцепки, подлежащей расцепке. При этом УВК РТК формирует соответствующие управляющие команды для привода мобильной платформы РТК и привода манипулятора. Причем данные моделирования обновляются при изменении любого параметра.
Дополнительными источниками информации для моделирования могут служить подсистема технического зрения и путевой стационарный датчик. Подсистема технического зрения обеспечивает корректировку пространственных координат мобильной платформы РТК и положения манипулятора, а также регистрирует факт осуществления расцепки автосцепки. Путевой стационарный датчик может быть использован для уточнения пространственных координат следующей (согласно сортировочного листка) автосцепки, подлежащей расцепке.
Реализация предлагаемого варианта РТК для формирования отцепов на сортировочной горке даст возможность минимизировать необходимость нахождения человека в опасной зоне и автоматизировать роспуск составов при заданных показателях скорости надвига.

Одной из задач, которую необходимо было решить, являлся выбор варианта реализации манипулятора и оснастки его конечного звена. В обоих случаях требуется взаимодействие с некрупными элементами железнодорожного подвижного состава. Кроме того, для осуществления технологической операции следует осуществить натяжение цепи. Такое натяжение цепи может быть реализовано за счет накручивания цепи вокруг манипулятора. При этом операция должна быть выполнена за минимально возможный промежуток времени для того, чтобы в случае с отпуском тормозов обеспечить минимизацию подготовки состава к роспуску, а в случае с формированием отцепов обеспечить минимизацию расстояния, проходимого мобильной платформой РТК.
Среди различных вариантов оснастки конечного звена с учетом специфики выполнения операции было принято решение выбрать конечным звеном вилку-шток. При этом учитывалась возможность использования оснастки манипулятора РТК для решения обеих функциональных задач.

При выборе варианта манипулятора решалась задача определения числа степеней его подвижности. С учетом результатов проведенного моделирования различных кинематических схем было принято решение остановиться на четырехзвенной системе, так как она обеспечивала лучшие показатели по скорости ее перевода из транспортировочного положения в рабочее и обратно.
Были решены также вопросы, связанные с организацией передачи данных между компонентами РТК. В частности, предложено применение методов помехоустойчивого кодирования информации на основе распределенных структурно-алгоритмических преобразований (САП-i), где i-условный порядковый номер информационного сечения тракта формирования и передачи данных. В этом случае для повышения помехозащищенности используется внутренняя избыточность передаваемой информации [10].
На основе проведенной научно-исследовательской работы изготовлен экспериментальный образец РТК, изображенный на рис. 4. Исследовательские испытания экспериментального образца РТК проводились на 5 пути надвига четной сортировочной системы станции Челябинск-Главный в октябре 2022 г. и повторно в марте 2023 г.


В рамках испытаний осуществлялось воздействие манипулятора РТК с соответствующими технологическими элементами грузового вагона. Главная задача испытаний заключается в проверке правильности функционирования системы управления, а также подсистемы технического зрения. В ходе испытаний произведен повторяемый эксперимент по синхронизации мобильной платформы с автосцепками надвигаемых вагонов и последующей их расцепке в движении в автоматическом режиме.

Расчеты, основанные на результатах предварительных испытаний при скорости роспуска 15 км/ч, позволяют сделать вывод об эффективности применения РТК для решения задачи роспуска составов с сортировочной горки. Циклограмма работы РТК описана в таблице. При выполнении цикла расцепки РТК предложенной конструкции успевает вернуться на исходную позицию к моменту подхода автосцепки следующего вагона (вариант минимально возможной длины отцепа, равной длине одного полувагона по осям автосцепок).
Таким образом, сформулированы требования к перспективным робототехническим комплексам, предназначенным для решения задач, связанных с взаимодействием с элементами подвижного состава в рамках технологических процессов сортировочной станции.

По результатам пилотных испытаний экспериментального образца РТК в перечень мероприятий по реализации проекта «Цифровая железнодорожная станция на станции Челябинск-Главный», утвержденный Департаментом технической политики ОАО «РЖД», включено проведение соответствующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок. Подготовлен также комплект заявочных материалов на работы, результатом которых станет внедрение в постоянную эксплуатацию опытных образцов РТК. Они позволят выполнять в автоматическом режиме отпуск тормозов грузовых вагонов и диагностирование в парке прибытия элементов литых деталей вагонов с использованием методов неразрушающего контроля, а также расцепку вагонов на сортировочной горке.

СПИСОК источников

1. Прохорова И.С. Технологический потенциал развития инновационной экономики в России: пределы и ограничения шестого технологического уклада // Вестник университета. 2020. № 2. С. 68-75. DO110.26425/1816-4277-2020-2-68-75. EDN: SZOPCL.
2. Долгий А.И. Концептуальный подход к построению современной платформы управления перевозочным процессом в ОАО «РЖД» // Труды АО «НИИАС» : сборник статей. Т. 1, вып. 11. М.: Типография АО «Т 8 Издательские Технологии», 2021. С. 9-31. EDN: LCXFHD.
3. Концепция «Цифровая железнодорожная станция» : утв. ОАО «РЖД» 7.11.2018 № 1049 (в ред от 05.06.2020 № 1217/р). Доступ из СПС «КонсультантПлюс».
4. Калинин А.В., Долганюк С.И., Савицкий А.Г. К вопросу построения системы управления технологическим процессом Цифровой станции // Труды АО «НИИАС» : сборник статей. Т. 2, вып. 11. М.: Типография АО «Т 8 Издательские Технологии», 2021. С. 9-25. EDN: HRSUOA.
5. Роботизация как элемент цифровой трансформации / Кудюкин В.В., Дудоров Е.А., Вуколов А.В., Котова К.А. И Железнодорожный транспорт. 2022. № 5. С. 19-23. EDN: NMAETQ.
6. Дудоров Е.А. Робототехнические комплексы обслуживания подвижного состава российских железных дорог / Дудоров Е.А., Кудюкин В.В., Котова К.А. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 9(750). С. 3-15. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-9-3-15. EDN: OANIVQ.
7. А.с. № 1416358 А1 СССР, МПК B61G 7/04. Устройство для автоматического расцепления движущихся вагонов / Исаев К.С., Гора В.В., Сушков Н.И. [и др.]; заявитель ВНИ-ИЖТ. № 4180874; заявл. 15.01.1987; опубл. 15.08.1988. EDN: BFYCIK.
8. Патент № 2410262 РФ, МПК B61G 7/04. Устройство для автоматического расцепления автосцепок движущихся вагонов/Москвичев О.В., Суетин В.В., Кузнецов А.Г. [и др.]; патентообладатель СамГУПС. № 2009143451/11; заявл. 24.11.2009; опубл. 27.01.2011; Бюл. Ns 3. EDN: ZFXGDJ.
9. Пост комплексного контроля как инновационный подход к диагностике ходовой части вагона / Ададуров А.С., Бушуев Р.Ю., Долгий А.И., Хатламаджиян А.В. // Вагоны и вагонное хозяйство. 2015. № 4 (44). С. 24-27. EDN: UYGMTX.
10. Кудюкин В.В., Кукушкин С.С., Хакиев З.Б. Создание устойчивых и безопасных каналов передачи информации для управления робототехническими комплексами//Труды АО «НИИАС» : сборник статей. Т. 2, вып. 11. М.: Типография АО «Т 8 Издательские Технологии», 2021. С. 209-215. EDN: KSPUUD.