بخشی از مقاله
طراحی و ساخت دستگاه تشخیص و هشدار فرار واگن با قابلیت اطمینان بالا
١‐ چکیده
در این مقاله، به طراحی و ساخت دستگاهی اشاره می گردد که با تشخیص سریع یکی از فاجعه آمیز ترین سوانح ریلی، که فرار قطار می باشد، از به بار آمدن خسارات جبرانناپذیر جانی و مالی جلوگیری میکند. این دستگاه بعد از تشخیص پدیده فرار، با به صدا در آوردن آﮊیر خود، مأموران ایستگاه را از فرار قطار یا واگن مطلع میسازد تا در اسرع وقت، اقدامات لازم برای جلوگیری از سانحه صورت پذیرد. این دستگاه یک دستگاه کاملاﹰ الکترونیکی، قابل حمل و نقل، قابل شارﮊ و سبک می باشد که به راحتی نصب می گردد. تمهیداتی نیز برای بالا بردن قابلیت اطمینان این دستگاه در طراحی آن در نظر گرفته شده است که باعث کارایی بیشتر آن میگردد.
روش مورد استفاده برای تشخیص فرار واگن، کاملاﹰ مستقل از شرایط و عوامل محیطی بوده، و هیچگونه تأثیرپذیری از نور محیط، عوامل جوی، حرکت اجسام کنار واگن و ... ندارد.
٢‐ کلمات کلیدی
فرار واگن ‐ قابلیت اطمینان ‐ ایمنی ‐ سانحه ریلی
٣‐ مقدمه
از بدو بوجود آمدن راه آهن در دنیا، یکی از مشکلات عمده صنعت حمل و نقل ریلی، فرار واگن و فرار قطار بوده است. تعریف فرار واگن طبق ماده چهلم به صورت زیر است:
هروسیله نقلیه ای که از کنترل مامورین خارج و در منطقه ای به حرکت درآید حرکت آن وسیله را فرار نامند]۱.[ بنابراین، پدیده فرار به سه صورت ممکن است نمود پیدا کند:
الف‐ جدا شدن یک یا چند واگن از قطار در حال حرکت.
ب‐ به راه افتادن واگن های موجود در ایستگاه تشکیلاتی در هنگام تشکیل قطار ج‐ به راه افتادن قطار در حالتی که لکوموتیو را برای انجام مأموریت از آن جدا می کنند.
با توجه به اهمیت تشخیص سریع فرار قطار در تمام موارد فوق، وجود سیستمی که در اسرع وقت فرار را تشخیص داده و هشدار دهد، ضروری به نظر می رسد. دستگاهی که در مقاله مورد بحث قرار گرفته، به منظور تشخیص و هشدار موارد دوم و سوم فرار قطار کارایی دارد.
بعد از فرار واگن، در صورت اقدام به موقع، می توان واگن یا واگن ها را به راحتی متوقف نمود. اما در صورتی که فرار واگن به در لحظات ابتدایی تشخیص داده نشود و سرعت واگن از حدود 15 کیلومتر در ساعت بیشتر شود، تنها راه متوقف کردن آن، خارج کردن واگن از ریل می باشد که این کار به نویه خود هزینه بسیاری در بر خواهد داشت. در صورت عدم خروج واگن از ریل، و ورود واگن به خط اصلی، مطمئناﹰ خسارات جبران ناپذیر مالی و جانی در بر خواهد داشت.
برای جلوگیری از پدیده فرار نوع سوم، می توان از وسیله ای به نام کفش خط استفاده نمود که البته با وزن حدود ۱۱ کیلوگرمی آن، در بسیاری از مواقع، در استفاده از آن سهل انگاری می شود. اما برای جلوگیری از پدیدۀ نوع دوم، بجز این دستگاه، روش دیگری تاکنون پیشنهاد نشده است.
پدیدۀ نوع دوم به این صورت اتفاق می افتد که واگن های جدا از یکدیگر موجود در ایستگاه، در هنگام تشکیل قطار، ممکن است در اثر عواملی از قبیل شیب ایستگاه، ضربۀ واگن های دیگر و ... به راه افتند. دلیل عدم امکان استفاده از کفش خط در این مورد این است که واگن ها در ایستگاه های تشکیلاتی باید برای حرکت های کوچک، آزادی داشته باشند، اما کفش خط، کلاﹰ جلو حرکت واگن را می گیرد.
روش های مختلفی را می توان برای تشخیص حرکت واگن مورد استفاده قرار داد که همگی بجز روشی که در دستگاه مورد بحث استفاده شده است، وابسته به عوامل محیطی مانند نور، صوت، امواج الکترومغناطیسی و... می باشند که در این موارد، امکان ایجاد اختلال در کارکرد سیستم وجود دارد و به همین دلیل در محیط های صنعتی و بخصوص محیط راهآهن که حتی امکان ایجاد اختلال به صورت عمدی و غیر عمدی نیز وجود دارد، قابل استفاده نمی باشند. اما روشی که در طراحی این دستگاه مورد استفاده قرار گرفته است، به هیچ عنوان خطا پذیر نبوده و در تمام شرایط نوری، صوتی، وضعیت های مختلف و پوشش های مختلف بین دو ریل و ... به خوبی به کار خود ادامه می دهد.
مسلماﹰ چنین دستگاهی باید به گونه ای عمل کند که کارکرد آن در شرایط اضطراری تضمین شده باشد و از سوی دیگر، هیچگاه به طور اشتباه هشدار ندهد. چرا که در صورت هشدار اشتباه، پرسنل کنار خط، بعد از مدتی نسبت به هشدار آن بی تفاوت می شوند و عملاﹰ در صورت پیش آمدن شرایط اضطراری و عمل کردن دستگاه، عکس العملی از خود نشان نخواهند داد. و همچنین در صورتی که فرار واگن اتفاق بیفتد و دستگاه به هر دلیل عمل نکند، خسارتهای جبران ناپذیری به بار خواهد آورد؛ چراکه با وجود این دستگاه، پرسنل کنار خط به آن اطمینان می کنند و کمتر به حرکت واگن ها توجه می کنند. بنابراین بالا بودن قابلیت اطمینان این دستگاه، اصلی است که دارای اهمیت بسیار بالایی می باشد. بنابراین در طراحی این دستگاه، با توجه به محدودیت هایی از قبیل مصرف کم توان، حجم کم، وزن کم و... از روش های خاصی برای بالا بردن قابلیت اطمینان استفاده شده است.
در مجموع، این دستگاه به صورتی طراحی شده است که تا جای ممکن به درستی و بدون خطا عمل کند؛ اما در حالتی که امکان عملکرد صحیح وجود ندارد، آﮊیر دستگاه به عنوان هشدار عدم عملکرد دستگاه، به صدا در میآید. با این توضیح، به صدا در آمدن آﮊیر، دارای دو معنی میباشد : الف ‐ فرار واگن ب‐ عدم عملکرد صحیح دستگاه که البته با توجه به تمهیدات پیش بینی شده در طراحی دستگاه به منظور افزایش قابلیت اطمینان، احتمال رخداد حالت دوم در طول مدت چرخه حیات دستگاه، بسیار ناچیز میباشد.
۳ ۱ تاریخچه
تنها دستگاهی که میتوان کارکرد آنرا به نوعی مشابه دستگاه مذکور دانست، دستگاهی به نام Heads up میباشد که تنها برای واگن های آمریکایی می توان از آن استفاده کرد. چراکه تنها در بوﮊی های آمریکایی سر محور چرخ هااز یاتاقان بیرون آمده است و این دستگاه چرخش سر محور را تشخیص میدهد. تفاوت عمدۀ دیگر این دو دستگاه این است که Heads up تنها یک ردیاب حرکت٣ بوده و تغییر زاویه بیش از 10 درجه را تشخیص می دهد و بدون آنکه به جهت حرکت و یا میزان حرکت و پیوستگی آن توجهی داشته باشد، شروع به هشدار دادن می کند؛ در حالی که دستگاه ساخته شده، تمامی موارد ذکر شده را برای اعلام هشدار در نظر میگیرد]۲.[
٤‐ اصول عملکردی دستگاه تشخیص و هشدار فرار واگن
دستگاه تشخیص فرار واگن، باید دارای مکانیزمی باشد که بتواند سه متر حرکت پیوسته واگن در یک جهت را تشخیص دهد. مطمئناﹰ روش های مختلفی برای تشخیص این میزان حرکت به همراه تشخیص جهت حرکت وجود دارند؛ اما نکته ای که در اینجا حائز اهمیت است، انتخاب روشیاست که قابلیت اطمینان بالایی داشته باشد.
همچنین به دلیل استفاده دستگاه از باتری، روش مطلوب، روشی خواهد بود که کمترین توان الکتریکی را نیز مصرف کند تا بعد از یکبار شارﮊ باتری، مدت زمان بیشتری بتوان از دستگاه استفاده کرد.
یکی از روش هایی که برای این منظور به ذهن می رسد، استفاده از سنسور شتاب می باشد. برای مثال، میتوان شتاب حرکت واگن را بدست آورد و با استفاده از انتگرالگیری از آن، سرعت و مسافت طی شده توسط واگن را محاسبه نمود.
روش فوق، در طی مطالعات انجام شده در طول دوره طراحی، بکار گرفته شد. اما مهمترین دلیلی که باعث عدم جوابگویی این روش می شد، این بود که شتاب حرکت واگنی که در اثر شیب ایستگاه به حرکت در می آید، بسیار کم بوده و با نویز خروجی سنسور، برابری می کند . به همین دلیل، امکان استفاده از فیلتر برای نویز خروجی سنسور وجود نداشت و به این صورت، دستگاه به خوبی کار نمیکرد و مرتباﹰ دچار خطا میشد.
شاید با استفاده از سنسورهای با دقت بالا تر امکان کاهش این خطا وجود داشت، اما هزینه تمام شده دستگاه را به طور چشم گیری بالا میبرد.
از آنجایی که سنسور شتاب، تنها سنسوری است که کمترین اثر را از عوامل جوی و انسانی محیط می گیرد، سعی شد که از همین سنسور، به گونهای استفاده شود که مشکل ذکر شده در فوق، کمتر خود را نشان دهد.
اصولاﹰ سنسور های شتاب، در صورتی که در راستای عمود بر سطح زمین قرار گیرند، قادر به اندازهگیری شتاب جاذبه زمین می باشند. حال فرض کنید که بتوانیم شتاب جاذبه را در دو محور عمود بر هم اندازه گیری کنیم. همانطور که در شکل ۱۴ نشان داده شدهاست، میتوان زاویه جسم نسبت به زمین را در هر لحظه بدست آورد.
در صورتی که زاویه در هر لحظه را داشته باشیم، میتوان با مقایسه آن با زاویه لحظه بعد، جهت چرخش را نیز به دست آورد. حال فرض کنید که این سنسور بر روی چرخ یک واگن نصب شود. واضح است که می توان چرخش چرخ و جهت آنرا با روش فوق تشخیص داد. در این صورت، با دانستن قطر چرخ، میتوان از میزان تغییر زاویه، میزان حرکت خطی واگن به جلو و یا عقب را نیز تشخیص داد. و بنابراین به سادگی میتوان پیوستگی حرکت را نیز تشخیص داد.
تمام موارد فوق، در الگوریتم نرم افزار میکروکنترلر اجرا می شوند. به این صورت که در ابتدا میزان شتاب در دو محور تعیین می گردد، سپس با استفاده از تابع arctan زاویه دستگاه مشخص می شود. این زاویه در حافظه نگهداری می گردد تا در سیکل بعدی اجرای نرم افزار، با زاویه جدید مقایسه گردد. حاصل این مقایسه سه حالت میتواند باشد. ۱‐ زاویه تغییر نکرده باشد. ۲‐ تغییر زاویۀ مثبت داشته باشیم ۳‐ تغییر زاویه منفی داشته باشیم از سوی دیگر، در یک متغیر خاص، عددی ذخیره شده است که در صورت تغییر زاویه، چه مثبت و چه منفی، به میزان تغییرات، از این متغیر کم میشود. و در صورتی که این متغیر به صفر برسد، آﮊیر دستگاه فعال میشود.
در چند مورد، مقدار این متغیر به مقدار اولیه اش بر می گردد. این موارد شامل عدم تغییر مقدار زاویه در یک بازه زمانی ۲ ثانیه ای، و تغییر جهت تغییر زاویه میباشد که به ترتیب مورد اول به معنی توقف واگن و مورد دوم به معنی تغییر جهت حرکت واگن میباشد که در هر دو صورت، آﮊیر نیاید به صدا در آید.
