KURZUS: Közlekedéstechnika III.

MODUL: A közlekedési automatika alapjai. Az automatizálás szerepe és biztonságtechnikai alapelvei a különböző közlekedési ágazatokban

1. lecke: A forgalomirányítás és automatizálás műszaki és biztonságtechnikai alapjai

Az egyes leckék után sorszámozott összefoglaló kérdések vannak. Az egyes kérdésekhez kapcsolódó szakmai ismeretekre utalunk a bal  oldali margón megjelenő számokkal.

Tanulási célok

A lecke elsajátítása után Ön képes lesz:

  • felsorolni az egyes közlekedési ágak megkülönböztető paramétereit, jellegzetességeit - az ember részvétele az irányítási rendszerben a közlekedési pálya és a közlekedési eszköz vonatkozásában.
  • saját szavaival megfogalmazni a járművezetés szabályozási modelljét
  • kiválasztani a különböző közlekedési ágak járművezetőinek jellemző fő feladatait.
  • a különböző cselekvés-típusokhozhozzárendelni az emberi tévedés előfordulási valószínűségét.
  • helyesen értelmezni a  biztonságkritikus rendszereknél  a "fail-safe" és a "safe-life" alapelvek megvalósulását.
1.

1.1. A közlekedési rendszer osztályozása, főbb alrendszerei (ennek jelentős részét részletesen tárgyalták az előző félévekben; Közlekedés I. és Közlekedés II. tantárgyakban):

  • szállítási technológia
    • szárazföldi
      • közúti
      • vasúti
    • vízi
    • légi
  • az átvitelt megvalósító technika - közlekedési eszköz
  • közlekedési pálya
  • irányító rendszer (optimalizálása) - automatika-vezérlés, szabályozás
  • ember - (járművezető; személyzet; forgalomirányító; utas; egyéb felhasználó)
2.

1.2.1. A közlekedési folyamat biztonsági és irányítástechnikai problémái (ágazatonként) az automatizálás szempontjából:

  • veszélypotenciál
  • a rendszer biztonságos állapotainak száma
  • az ember részvétele a folyamatban
  • a technológiából adódó biztonságfilozófiai különbségek

A légi és a vízi közlekedés sajátossága: üzemszerűen csak egy biztonságos állapottal rendelkeznek (a vivő közegben megfelelő irányú és sebességű mozgás).

A veszélypotenciál szempontjából különböző biztonságkritikus rendszerek sorrendjét az alábbi táblázat mutatja be (1-1. táblázat).

A táblázat csak példa, a mi tárgyalásunk szempontjából nem szerepel benne pl. vízi közlekedés.
Gyűjtőfogalom?EnergiaKözlekedésGépiparEgyéb
Megnevezés termeléselosztásközútvasútlégianyagm
háztartási berendezésekx
gépi működtetési kapukx
sajtókx
nagyfeszültségű kapcsolókx
gépjárművekx
orvosi készülékekx
emelő szerkezetekx
mozgólépcsőkx
tüzelő berendezésekx
darukx
drótkötélpályákx
gáz és olaj csővezetékekx
közúti jelzőlámpákx
felvonókx
gőzkazánokx
vasúti bizt. berendezésekx
olajfúró szigetekx
repülőgépekx
kémiai reaktorokx
atomreaktorok.x
A közlekedési ágazatok jellegzetességei
3.1.2.2. a pálya szempontjából

Közúti közlekedés
A közúthálózat kiépítettsége (a közlekedési áramlatok, és azok kapacitásigényének biztonságos és optimális időigényű biztosítása) és állapota.

Kötöttpályás közlekedés
A vágányutak kiépítése és rögzítése valamint ezek mentén történő hossz és oldalirányú térköz jelenti a biztonságot.

Légi közlekedés
Légi folyosókon, valamint fel és leszálló útvonalakon zajlik. A légtér függőleges irányban is strukturált.

Vízi közlekedés
Meghatározott (kijelölt) hajózási útvonalak a folyami, és a partközeli tengerhajózásban vannak.

1.2.3.1. a járművek konstrukciója (járműszekrény, törzs, karosszéria) szempontjából

A járművekkel szembeni mechanikai követelményeket a fellépő terhelések határozzák meg. Az üzemszerű igénybevétel, valamint az ütközések és balesetek következtében fellépő energiák, és erőhatások, valamint ezek bekövetkezésének valószínűsége.

Szárazföldi járművek
A járművek esetében a kisebb ütközések normál igénybevételnek számítanak (pl.: rendező pályaudvari manőverek). A járműszekrény energia felvevő képessége a korszerű járműveken igen nagy.

Légi közlekedés
Az utóbbi néhány évtizedben a gyártási és anyagtechnológiai fejlődés lehetővé tette az ún. ütközésbiztos építési mód előtérbe kerülését.

Vízi közlekedés
A különböző konstrukciós kialakításoknak jelentős hagyományai vannak. A tengerjáró hajóknál a nagyobb (időben szinte folyamatosnak tekinthető) dinamikus igénybevétel és a víz okozta korróziós hatásoknak való megfelelés.

1.2.3.2. Hajtómű és fék

Szárazföldi járművek
A hajtómű nem biztonságkritikus rendszer.
A fékszerkezeteket redundáns módon alakítják ki, két és több körös fékek, valamint retarderek (különböző működésű lassító fékek.). Nagysebességű pályáknál a kényszerfékezés a hosszú alagutakban történő megállás lehetősége miatt nem tekinthető abszolút biztonságosnak.

Légi és vízi közlekedés
A menet közbeni hajtómű leállás mindig kritikus esemény. Több hajtómű alkalmazása
Általában a hajtóművet használják fékezésre. Lassító fékezés lehetséges a jármű közegellenállásának növelésével is.

4.1.2.3.3. A járművezető szerepe a biztonságban és megbízhatóságban

Megfelelő oktatás és alkalmasság-vizsgálat útján kell garantálni, hogy a járművezető rendelkezik a balesetmentes közlekedéshez szükséges képességekkel és készségekkel.

A járművezetés szabályozási feladatnak tekinthető, amely a gépjárművezetés területére az alábbi modellel ábrázolható (1-1. ábra). Az ábrából az olvasható ki, hogy a járművezetőnek a szabályozási körben három fő feladata van (a stabilizálás, a vonalvezetés, és a navigáció a helymeghatározással).

1-1. ábra
4., 5.

Kötöttpályás közlekedés

Az irányítás csupán a jelzők figyelembevételével történő sebességszabályozásra és helymeghatározásra szóló feladatot jelent. Mód van a vezető éberségének ellenőrzésére, az ellenőrzési feladat kimaradása esetén vészfékezéssel állítható meg a jármű.

Közúti közlekedés

A stabilizálás, a vonalvezetés és a navigáció is - bár nem egyforma mértékben - beletartozik a járművezető feladatkörébe. Folyamatosan megoldandó feladat a vonalvezetés és sebességszabályozás.

Bizonyos helyzetekben, elsősorban

  • járműszerelvények
  • tartálykocsik
  • magas súlypontú járművek
  • nagy sebesség
  • rossz időjárási és/vagy útviszonyok estén

a jármű stabilizálása fontos feladat.

A navigáció és helymeghatározás elsősorban közúti jelzések alapján történik de gyakori a térképolvasás, és a (számítógépes) útvonaltervek (itinerek) alkalmazása.

Vízi közlekedés

Hajóvezetésnél a stabilitás alapvetően a jármű építésmódjától és a hajózott vízterülettől függ. Viharos időben és/vagy partközelben a jármű stabilizálása alapvetően befolyásolja a manőverezési, navigálási lehetőséget.

A hagyományos navigációs feladatok mellett egyre nagyobb teret nyer a műholdas helymeghatározás (GPS) és az erre épülő lehetőségek kihasználása (pl. meteorológiai navigáció)

Légi közlekedés

A pilótának mindhárom fő feladat folyamatos végrehajtásában meghatározó szerepe van. A navigációs feladatok jelentős részét a földi irányító-központokkal együttműködve hajtja végre.

-----

5.

A közlekedés lebonyolításában résztvevő emberek megbízhatósága általában nagyságrendekkel rosszabb, mint a gépektől elvárható szint.

6.

Az emberi hiba előfordulási valószínűsége más és más különböző cselekvéstípusok esetén (lásd az 1-2. ábrát). Ez azt mutatja, hogy az ember a készségekre alapozott rutin feladatokat hajtja végre a legnagyobb megbízhatósággal, és a tudásra alapozott tevékenységnél elkövetett hiba valószínűsége a legnagyobb. Ez is mutatja az oktatás, és vizsgáztatás igen nagy jelentőségét ezeken a területeken.

1-2. ábra
8.1.2.3.4. A szabályozási körhöz tartozó információs folyamat biztonsága

A szabályozási körben egyaránt szerepel információ-szerzés; információ-átvitel; információ-feldolgozás. Az információs folyamat műszaki biztonságát méréstechnikai és adatátviteli vonatkozásban is az összetevők redundanciája révén növelik.

A korszerű irányító rendszerekben a számítógépes többfunkciós kijelzési lehetőségek felé mutat a fejlődés iránya.

8., 9.1.2.4. A közlekedési ágak jellegzetességei az irányító berendezések szempontjából

A kötöttpályás vasúti közlekedésnél a "fail - safe" (hiba - biztonság), a légi közlekedésnél

pedig a "safe - life" (biztonság a teljes élettartam alatt) elvet valósítja meg az irányító rendszerek biztonságági kialakításainál. A következő ábra mutatja be a biztonsági automatika rendszerek lehetséges kialakítási változatait (1-3. ábra).

1-3. ábra

A számítógépek automatizálásban való megjelenésével a hibatűrő megoldások jelentősége növekszik egyre inkább. Ez nagymértékben befolyásolja a rendszerek bevezetési folyamatát, biztonsági jóváhagyási eljárását.

Az első leckét összefoglalva a következő táblázatból olvashatjuk ki a főbb jellegzetességeket.

Alrendszerekközútivasútivízilégi
közlekedés
Pálya (útvonal)Bizt. tényező
- városi
- országúti
- autópálya
fail-safe elv
megállj! - biztonságos
Kijelölt útvonal
- folyókon
- tengeren (partközelben)
Járműösszeütközés - normál igénybevétel összeütközés - ritkaKonstrukciónál számítanak összeütközésre Konstrukció safe-life elv szerint
a) testbiztonságos kialakítás - légzsákhibatűrő konstrukció (energianyelés, sikló képesség)
b) hajtóműnem biztonsági tényezőnem biztonsági tényezőKormányozhatóság miatt biztonsági tényezőbiztonsági tényező (több hajtómű)
c) fék2 fékkörös redundáns fék ABS - Anti-Blockier System Si-Fa - éberségi berend., fék - nyugalmi áramú elven
d) felszerelésközúti járművekre minimális követelmény (Genfi Egy.)nemzetközi előírásokpolgári - ICAO
katonai - MIL-STDN
Járművezető (stabilizálás, nyomvezetés, navigáció)2 dimenziós mozgás = útvonal meghatározás + sebesség-szabályozás1 dimenziós mozgás = csak sebesség szabályozás2 dimenziós mozgás - útvonal meghatározás nehéz - Navigáció!3 dimenziós mozgás - valamennyi feladat
7.1.3.1. A biztonsággal kapcsolatos alapfogalmak összefüggése
  • hiba; meghibásodás
  • akadályozás - veszélyeztetés - baleset - kár - személysérülés

A közlekedésben alkalmazott biztonsági rendszerek biztonságfilozófiai összehasonlítása, és a biztonsági rendszerekkel szembeni gazdasági, társadalmi elvárások kérdései.

1-4. ábra
10.1.3.2. A vasúti közlekedés biztonságfilozófiai jellemzői
9.

1.3.2.1. A rendszer teljes üzemképtelensége esetén - a járművek álló helyzetében - nem kell számolni az utasok rendszer által történő veszélyeztetésével. A teljes üzemképtelenség a rendszer biztonsági állapotát jelenti (fail - safe azaz hibabiztos állapot).

A meghibásodások, zavarok nem vezethetnek veszélyeztetéshez, hanem olyan módon kell hatniuk, hogy a közlekedési rendszer a biztonságos állapotát vegye fel.

1.3.2.2. A biztonsági szint osztályozása: forgalmi feltételek szerinti minősítés:
  • egyszerű forgalmi feltételek esetén - a hiba nem okozhat veszélyeztetést, a hiba felismerése vagy hibakombinációk kizárása nem szükséges
  • nagyvasúti körülmények esetén - a hiba fel nem ismerése esetén más hibasíkokon kell a hibafelismerést biztosítani.
1.3.2.3. A biztosítóberendezések biztonságának műszaki kérdései

A mai korszerű biztonsági automatikák mikroprocesszorokat, számítógépeket tartalmaznak és számítógépes forgalomirányító rendszerek hálózata felügyeli és irányítja a vasúti forgalmat.

Ezekben a rendszerekben előfordulhatnak hardver és szoftver hibák is.  A hardver és szoftver problémák biztos megoldásának tűnik a többcsatornás működtető és hibafelismerő rendszer kialakítása.

10., 11.1.3.2.4. Műszaki berendezések, új fejlesztések jóváhagyási eljárása

A biztonsági berendezések teljes körű felülvizsgálatát a fejlesztőtől (gyártótól) független intézménynek kell végeznie. A biztonságigazolás eljárására a (DB) Német Vasutak Müncheni Szövetségi Hivatala által közzétett (Mü8004) irányelveket más közlekedési vállaltok is alapdokumentumként használják. Az új fejlesztések esetében az európai országokra egységesen érvényes "CENELEC" szabványokat kell alkalmazni. (Az eljárási rendszer felépítését mutatja a tankönyv 1-3. táblázata)

10.1.3.3. A légi közlekedés biztonságfilozófiája
1.3.3.1.

A légi járművek felépítésében is különböző műszaki - funkcionális egységek, alrendszerek találhatók, mint pl.: hajtómű; futómű; villamos energia ellátás; fedélzeti kommunikációs rendszer; föld-gép kommunikációs rendszer; stb. A légi járművek sajátosságainak következtében, ezek olyan komplex rendszert alkotnak melyek egymástól is függnek. A rendszer bármely funkciójának meghibásodása esetén vizsgálni szükséges az alrendszerek közötti kölcsönhatásokat is.

1.3.3.2. A rendszerek osztályozása az elérendő biztonság alapján:
9.
  • Ha a hiba a repülésnek egy (normális) leszállással végződő lebonyolítását megakadályozza, akkor annak rendkívül kis valószínűséggel szabad bekövetkeznie.
  • Ha a hiba repülőképességet, vagy a pilótának a rendkívüli üzemállapot megoldására irányuló beavatkozási lehetőségeit jelentősen korlátozza, akkor annak valószínűtlennek kell lennie.
1.3.3.3. Hibavalószínűségek

Az összes hibára vonatkozóan megkövetelhető, hogy baleset csupán legfeljebb 10 millió repült óra után következzen be, vagyis a hiba valószínűsége nem lehet nagyobb mint p = 10-7 [1/repült óra] érték. A repülőgépeken kb. 100 olyan hibalehetőség fordulhat elő, amely a repülés biztonságát veszélyezteti, így minden egyes hibalehetőségre a megengedett hibavalószínűséget p = 10-9 [1/repült óra] értékre szabják meg. Ezzel a feltételezéssel lehetőség nyílik arra, hogy csupán az egyes hibajelenségeket vizsgáljuk, és ne a teljes komplex rendszert egyidejűleg.

1.3.3.4. Hibák osztályozása

Mivel a korábbiakban azt a követelményt fogalmaztuk meg, hogy a hiba bekövetkezési valószínűségének fordított arányban kell állni annak hatásával, ezért óhatatlanul felmerül annak az igénye, hogy a hibákat a hatásuk súlyossága szempontjából kategorizálni tudjuk. Ugyanakkor egy balesethez vezető esemény valószínűségére az előbbiekben egy felső korlátot állapítottunk meg a p = 10-9 [1/repült óra] értékben. Így a következő osztályozás alakult ki a gyakorlatban:

Hiba osztályElőfordulási valószínűség
[1/repült óra]
katasztrofálisp < 10-9
kockázatosp < 10-7
súlyosp < 10-5
nem súlyosp < 10-3

A hibák osztályba sorolása meghatározott kritériumok alapján történhet:

  • személyi sérülések nagysága,
  • a személyzet terhelése, viselkedése,
  • dologi károk nagysága,
  • időjárási körülmények,
  • teljesítmény határok,
  • esetleges akadályok stb.

A probléma ennek során egyrészt a hiba feltételek azonosítása, másrészt a hiba valószínűség meghatározása. Annak érdekében, hogy a hibákat egyáltalán osztályozni lehessen, mindenekelőtt a rendszerfunkciók kockázateloszlását kell meghatározni. Ennek során a különleges forgalmi feltételek mellett a normális kezelési feltételek, a hardver meghibásodások és szoftver hibák is figyelembe veendők. A hibák lehető teljes körű meghatározására a hasonló rendszerekkel szerzett tapasztalatok felhasználása, a gondos mérnöki munka és a rendszerfunkciók gondos elemzése (top-down felosztása) teremtik meg a lehetőséget.

11.1.3.3.5. A biztonság igazolása

Hibaelemzés

A hibavalószínűség igazolása - ami csak ritkán végezhető tesztek segítségével - általában különleges hibaelemzések útján történhet. A hibaelemzés alapja pl. hibafa -, és/vagy hibahatás elemzés lehet.

  • a hibafaelemzés egy deduktív, top-down eljárás, ami egy meghatározott hibaeseményből indul ki és egy-egy konkrét alap-hibajelenség felé ágazik el.
  • A hibahatás-elemzés fordított úton jár el (bottom-up, induktív eljárás). Az egyes alaphiba-jelenségekből kiindulva vezet az osztályozott hibajelenségekhez. Ezzel a módszerrel főként az azonnal nem látható hibák következményeit lehet felismerni.

Ha a vizsgált rendszer számítógépeket is tartalmaz, akkor számításba kell venni a szoftver hiba valószínűségét is.

A szoftver biztonsági kérdései

A szoftver hibamentességének igazolása komplex rendszerek esetén igen nehéz feladat (100%-os mélységű tesztek végrehajtása nem lehetséges). A biztonságkritikus funkciókhoz kapcsolódó számítógépek számára különleges intézkedéseket kell foganatosítani a hardver és szoftver területén, például: Hardver területén: redundancia, szoftver esetében: ismétlődő belső tesztrutinok, hálózati speciális tűzfalak, és rendszeres felhasználói ellenőrzés [=monitoring]).

A szoftverek számára is lehetséges egy biztonsági osztályozás a következők szerint:

  • kritikus (megfelel a katasztrofális hibaosztálynak)
  • lényeges (megfelel a kockázatos és súlyos hibaosztálynak)
  • nem lényeges (megfelel a nem súlyos hibaosztálynak)

Ezek után a fejlesztés a következő lépésekben hajtható végre:

  • a szoftverspecifikáció előállítása a rendszer specifikációból (mit kell a szoftvernek tudni?)
  • a szoftver tervezés rögzítése (hogy kell a szoftvernek működni?)
  • a programkód megírása
  • a programblokkok összekapcsolása,
  • a hardver-szoftver integráció,
  • rendszer alkalmasságigazolás (működésvizsgálat, validáció)

Minden lépést önmagában és a többihez való viszonyában is tesztelni, verifikálni és dokumentálni kell. Ennek módja és mélysége a fenti osztályozástól függ. Az adódó dokumentációt ki kell egészíteni a konfigurációs és módosítási eljárás rögzítésével. Mindezek az eljárások jól vizsgálható, karbantartható szoftver előállítását teszik lehetővé, amelyeknél a maradék hiba nagy valószínűséggel kizárható.

1.3.3.6. Engedélyezési eljárás

Alapok

A legtöbb repülési rendszert nem hagyják jóvá egyedileg, hanem csak a repülőgéppel együtt, mint annak része kapja meg a típusengedélyt. A típusengedély kiadására a megfelelő felügyeleti szervek a jogosultak. A típusengedély a megfelelő vizsgálatok útján adható ki. A típusvizsgálatokat általában a gyártó cég végzi (vagy végezteti), a vizsgálatok volumenét, tartalmát a hatósággal egyeztetett módon határozzák meg. A hatóságok a vizsgálatok ellenőrzésében vesznek részt, amelyeket minősítenek.

A rendszerfunkciók

Nem az egyes rendszerek tulajdonképpeni funkciói a fontosak, hanem e funkcióknak a repülőgépre gyakorolt hatása. Ezért a rendszer funkcióival szemben támasztott követelmények:

  • a rendszer célszerű felépítése,
  • a funkciók és az üzemi korlátok megjelölése,
  • a rendszerkövetelményeknek megfelelő megvalósítás,
  • a rendszer specifikáció betartása.

A rendszer funkcióit általában különleges környezeti feltételek között is vizsgálják. E követelmények függnek a rendszer jellegétől és beépítési helyétől, és a következő paramétereket foglalhatják magukba:

  • hőmérséklet és magasság,
  • légnedvesség,
  • különleges nehézségi erő-terhelés,
  • vibráció,
  • robbanásbiztonság,
  • víz és más folyadékokkal szembeni érzékenység,
  • por, sós víz és gombásodással szembeni érzékenység,
  • elektromágneses kompatibilitás,
  • villámcsapás

Biztonság

A biztonság igazolás főleg az előzőekben leírt elemzés útján történhet.

Összefoglaló kérdések

1. Melyek az egyes közlekedési ágak megkülönböztető jellegzetességei?

2. Melyek az egyes közlekedési ágak jellemzői az automatizálás szempontjából?

3. Ismertesse az egyes közlekedési ágak jellegzetességeit a pálya, jármű és az irányító rendszerek szempontjából!

4. Ismertesse a járművezetés szabályozástechnikai modelljét, ennek realizálását a különböző közlekedési ágak esetén!

5. Ismertesse a közlekedés irányításában részt vevő ember szerepét a rendszer biztonságának elérésében!

6. Milyen tényezők befolyásolják az emberi munkavégzés megbízhatóságát?

7. Ismertesse a biztonságkritikus rendszerekkel kapcsolatos alapvető fogalmakat, milyen kapcsolat van a veszélyeztetés és a kár között?

8. Ismertesse a biztonsági automatika-rendszerek kialakításának lehetséges módjait. Hasonlítsa össze az egyes lehetséges megoldásokat!

9. Melyek a fail-safe és safe life elven kialakított automatika rendszerek főbb jellegzetességei?

10. Hasonlítsa össze a kötöttpályás és légi közlekedés biztonsági automatika-rendszereinek kialakítási elveit!

11. Ismertesse röviden a biztonságigazolás során alkalmazott hibaelemzési módszereket!

Ellenőrző feladatok
1. A járművezetés szabályozástechnikai modelljében az alábbiak közül melyik a három fő kiemelt tényező?
a) navigációs sík
b) jármű
c) környezet (úthálózat, közlekedési tér, útfelület)
d) vonalvezetési sík
e) stabilizációs sík
f) hossz és keresztirányú dinamika
g) járművezető
2. A járművezetés szabályozástechnikai modelljében milyen részekből áll a járművezető blokk?
a) navigációs sík
b) jármű
c) úthálózat
d) közlekedési tér (út + szituáció)
e) vonalvezetési sík
f) útfelület
g) stabilizációs sík
h) környezet
i) hossz és keresztirányú dinamika
j) járművezető
3. Az alábbi leírások közül melyik fejezi ki az aktív biztonság és melyik a passzív biztonság fogalmát?

a) Passzív biztonság
b) Aktív biztonság

A rendszer hibájából bekövetkező veszélyhelyzetet a rendszerben rendelkezésre álló redundáns elemek aktiválásával, általában megváltozott paraméterek mellett elkerülhető a baleset.

A rendszer hibájából bekövetkező veszélyhelyzetet a rendszer paramétereinek módosításával nem lehet megszüntetni. Bekövetkezik a baleset, de a rendszerben rendelkezésre álló elemek aktivizálódásával jelentősen csökkenthető a baleset következtében jelentkező károk.

4. A légi közlekedésben előforduló hibaesemények valószínűségét milyen alapértékhez viszonyítják?
a) a repülőgép napokban mért korához
b) a gép repült óráinak számához
c) a gép km-ben kifejezett távolságához
5. Általában hol, és hogyan végzik a repülőgépek típusvizsgálatát?
a) a felügyeleti hatóság laboratóriumaiban
b) a gyártó cég saját maga
c) a gyártó cég a felügyeleti hatóság ellenőrzésével