Промышленное телевидение Харьковского метрополитена

Авторы: А.Б. БОЙНИК, канд. техн. наук (УкрГАЖТ), Станислав Эдуардович ПОЛОВЕЦ, главный инженер службы АТС, первый зам. начальника службы АТС ГП "Харьковский метрополитен".
Статья из журнала "Залiзничний транспорт України" №1/2002, стр. 37-41.

В условиях сложной застройки г.Харькова с его удаленными жилыми районами и исторически сложившейся центральной частью города проблема пассажироперевозок была в определенной мере решена вводом в 1975 г. современного вида транспорта - метрополитена. Харьковский метрополитен, введенный в эксплуатацию шестым среди городов стран СНГ и вторым в Украине, в настоящее время ежедневно перевозит около 630 тыс. пассажиров. Сейчас он имеет три линии: "Холодногорско-Заводская", "Салтовская" и "Алексеевская".

Работа метрополитенов, как и магистрального железнодорожного транспорта, должна осуществляться в штатном режиме, соответственно нормативным документам. В особых случаях - из-за повреждения туннельных и локомотивных устройств, элементов систем железнодорожной автоматики или неоправданных действий пассажиров происходит переход на заранее оговоренный нештатный режим работы, когда четкость выполнения технологического процесса и ритмичное управление движением поездов может обеспечивать лишь повышенная устойчивость работы средств АТС.

При нештатном режиме работы движение поездов осуществляется с пониженной скоростью, причем требуется особая бдительность всех работников, управляющих движением. Этот режим, в свою очередь, подразделяется на режим пониженной эффективности и аварийный режим, при которых резко увеличивается число пассажиров на станциях (посадочных платформах). Поэтому от лиц, управляющих движением, особенно от диспетчерского аппарата, требуется принятие своевременных и действенных решений.

Понижение эффективности значительно увеличивает нагрузку на различные средства связи, поскольку восстановить нормальное движение поездов необходимо в кратчайшие сроки.

При аварийном режиме, кроме действующих средств связи, в ряде случаев задействуются и дополнительные средства, необходимые для ускоренного проведения восстановительных работ.

Эффективность работы как метрополитенов, так и магистрального железнодорожного транспорта в подобных режимах зависит не только от срочных мер, но также и от долговременных управленческих решений, принимаемых лицами, ответственными за безопасность движения. Действенность решений определяется компетентностью таких лиц, их интуицией и опытом.

В общем случае продолжительность цикла управления движением поезда можно представить суммой следующих слагаемых:

Т _ц.у = t _с + t _об + t _п.и + t _от + t _а + t _п.р + t _п.к ,

где t _с - сбор информации; t _об - обработка информации; t _п.и - передача информации; t _от - прием и отображение информации; t _а - анализ информации; t _п.р - принятие решения; t _к - передача команд.

По статистике продолжительность такого цикла составляет от нескольких секунд, часов, суток до месяцев, и, очевидно, его сокращение должно положительно влиять на эффективность перевозочного процесса. Сократить продолжительность цикла управления возможно путем использования современных технических средств, и в первую очередь средств информатики, обеспечивающих передачу достоверной и своевременной информации в процессе управления движением поездов. К таким средствам можно отнести устройства дистанционного визуального наблюдения за удаленными технологическими операциями, за ограниченными территориями и состоянием объектов. Подобное наблюдение (контроль) в настоящее время целесообразно осуществлять с помощью промышленного телевидения. Современные быстродействующие системы телевидения представляют собой комплекс устройств, позволяющий в любой момент времени " приблизить" лиц, управляющих движением, и операторов к объектам контроля. Очевидно, что в результате визуального просмотра такими лицами объектов и осуществления ими контроля за состоянием объектов у них формируется наиболее точное и своевременное управленческое решение.

Промышленное телевидение прошло несколько ступеней развития и в настоящее время широко применяется в развитых странах в качестве систем видеонаблюдения, регистрации и контроля, а также в охранной сигнализации. Применение телевизионных средств позволяет повысить производительность труда, оперативность и эффективность управления.

Достоинством современных видеокамер является возможность подключения их практически к любому компьютеру, а высокое быстродействие и большой объем памяти телевизионных систем позволяет обрабатывать сигналы от неподвижных, малоподвижных и быстродвижущихся объектов как в реальном, так и в измененном масштабе времени. Новейшие системы дают так же возможность просматривать запись прошедших событий и процессов с необходимым звуковым сопровождением.

При этом наряду с чисто визуальными системами, с помощью которых получают информацию и принимают те или иные решения лица, управляющие движением поездов, применяются и телевизионные вычислительные системы, выполняющие функции так называемых "телевизионных автоматов". Эти системы в автоматическом режиме осуществляют поэтапное сравнение реального видеоизображения с нормативным и в случаях сбоев устанавливают по заранее разработанному алгоритму вид и причины сбоя. Измерение геометрических размеров, углов перемещений, координат и других параметров точечных и протяженных объектов осуществляется при этом с точностью не меньшей, чем у традиционных приборов, а порой и с более высокой. Затем формируется и передается в "тревожном" виде сигнальная информация лицам, управляющим движением, или системам управления для принятия соответствующих мер. Функции управленцев при наличии автоматизированных систем сводятся только к регистрации конечного результата и к наблюдению за последовательностью выполнения операций, а также к контролю общей обстановки.

Применение "телевизионных автоматов", в частности, на железнодорожных переездах позволит обеспечить надежный контроль состояния их опасной зоны при приближении поездов. В результате передачи "тревожной" информации локомотивным бригадам и соответствующего выбора ими скорости приближения поездов к переездам можно значительно уменьшить число дорожно-транспортных происшествий. Предварительные наблюдения с помощью видеокамер за передвижением автотранспортных средств и пешеходов в опасной зоне переездов, а также анализ зарубежного опыта аналогичного контроля показывают, что предпочтительным является использование двух видеокамер (рис.1).

Харьковский метрополитен традиционно является ведущей организацией в области внедрения промышленного телевидения для обеспечения безопасности движения поездов и пассажиров. Внедрение системы управления работой станций и посадочных платформ с применением промышленного телевидения (СУРСТ), начатое в 1984 г., преследовало следующие цели:

• обеспечение безопасности движения поездов и пассажиров благодаря концентрации на одном пульте органов управления всеми системами жизнеобеспечения станций;
• предоставление наиболее полной информации дежурным по станциям (ДСП) о пассажиропотоках на эскалаторах, пересадочных узлах, платформах и вестибюлях, а также обеспечения контроля за процессами и условиями посадки-высадки пассажиров из вагонов;
• повышение оперативности работы руководящего персонала станций и диспетчерского аппарата;
• сокращение персонала станций;
• улучшение условий труда;
• внедрение технических новшеств в системы управления.

Освоение системы СУРСТ, кроме того, позволяет следующее:

• документировать на видеопленке события, произошедшие на станциях;
• передавать изображение объектов со станций и посадочных платформ на центральный диспетчерский пункт и другим лицам и подразделениям, связанным с обеспечением безопасности движения;
• автоматизировать обработку изображения объектов с целью получения исчерпывающих данных о количестве пассажиров на станциях и о пассажиропотоках на разных направлениях;
• разработать тренажеры для дежурных по станции с использованием видеозаписи реальных происшествий, а также демонстрацией возможных штатных и нештатных ситуаций;
• осуществлять передачу на телеэкран, расположенный в кабине машиниста, видеоинформацию о положении на посадочных платформах при приближении поезда к ним на 300...400 м, наблюдать за состоянием последнего вагона при отправлении поезда cо станции;
• осуществлять наблюдение за работой персонала станций;
• дистанционно и визуально контролировать правильность и четкость функционирования хвостовых сигналов, стрелок, маршрутных сигналов, дверей вагонов и другого оборудования.

На первоначальном этапе внедрения СУРСТ на Харьковском метрополитене были установлены телевизионные камеры типа ПТУ-61, ПТУ-63, ПТУ-69 и др. (производства Новгородского объединения "Волна" - серии "Орбита" с видиконом). Однако по мере совершенствования телевизионных систем и снижения цен на телевизионные камеры они были заменены на более совершенные - матрицы телевизионных камер. При этом от камер новгородского типа были сохранены только корпуса и в ряде случаев объективы. Нововведение позволило в несколько раз повысить надежность работы передающих телевизионных камер, а также значительно сократить затраты на их обслуживание.

В качестве отображающих устройств первоначально применялись мониторы общего назначения, а в последнее время в метрополитене используются специально разработанные видеомониторы с увеличенным сроком службы, производства одного из харьковских предприятий ВПК.

С помощью видеокамер, установленных на станциях и платформах, контролируются первый и последний вагоны составов, находящихся на первом и втором путях посадочных платформ (1 -я и 2-я позиции). Кроме того, контролируются верхние и нижние гребенки эскалаторов (3-я и 4-я позиции), а также вестибюли (5-я позиция), посадочные платформы (6-я позиция) и стрелки на станциях (7-я позиция). Для более четкой организации работы станций организовано два поста наблюдения: первый пост (основной) у ДСП и второй (вспомогательный)-у контролера автоматического контрольного пункта (АКП).

В помещении ДСП размещаются 4...8 видеомониторов, на которые выводятся телевизионные изображения от видеокамер (рис. 2), причем от видеокамер 3-й и 4-й позиций изображения выдаются только на индивидуальные мониторы. Телевизионные изображения от видеокамер первой, второй, пятой, шестой и седьмой позиций выводятся на общие мониторы через коммутаторы видеосигналов.

В свою очередь, на посту контролера АКП устанавливается до четырех видеомониторов, на которые выводятся телевизионные изображения от видеокамер первой, второй, третьей, четвертой и шестой позиций.

При разработке системы и особенно выборе количества и позиций расположения видеомониторов учитывалось, что ответственный за управление движением работник получает информацию в виде видеоизображения, а в некоторых случаях - в виде звукового сообщения.

Поскольку указанные здесь в теоретическом комментарии особенности человека взаимосвязаны между собой, при организации видеонаблюдения на Харьковском метрополитене потребовалось соответствующим образом разместить органы управления объектами в помещении ДСП и на посту контролера АКП.

Для усиления телевизионных сигналов, коррекции амплитудно-частотных характеристик кабелей, а также распределения их на несколько постов наблюдения в отдельном помещении размещены усилители-распределители с четырьмя выходами - по одному на каждую видеокамеру.

Чтобы обеспечить сохранность видеокамер, использовались специально разработанные кронштейны.

К особенностям эксплуатации СУРСТ можно отнести такой человеческий фактор, как усталость глаз человека. Она наступает в результате долговременного внимательного наблюдения за телевизионным изображением на большом числе видеомониторов (до шести). Для отдыха глаз потребовалось пересмотреть графики и организацию работы наблюдателей и провести ряд технических мероприятий.

Одним из них является дополнение "тревожных" видеоизображений звуковой сигнализацией, призывающей обратить внимание на конкретный видеомонитор. Техническая реализация этого нововведения требует выбора типа и установки специальных компьютерных средств с достаточным объемом памяти, которые играют роль "детекторов движения", осуществляющих видеоконтроль строго определенных участков и территорий, а также выдающих звуковое сопровождение тревожных ситуаций.

В последние годы в метрополитене изучалась возможность передачи видеосигналов от станций на центральный диспетчерский пункт и к другим ответственным за безопасность движения лицам. Эти эксперименты показали реальность обеспечения такой передачи, а также приема видеосигналов, особенно после цифровой обработки информации.

Кроме подземных станций и посадочных платформ, системы видеоконтроля применены и для наблюдения за объектами веерного парка электродепо "Салтовское". Здесь используется телевизионная установка типа ПТУ-69 с тремя поворотными камерами и одним видеомонитором. Видеокамеры на основе телевизионных матриц имеют возможность дистанционного наведения на любой напольный объект парка, в том числе на стрелочные переводы и светофоры. В этих видеокамерах применяются специальные объективы с переменным фокусным расстоянием, что позволяет дистанционно изменять масштаб изображения и за короткое время осуществлять переход от изображения на видеомониторе общего плана веерного парка депо к конкретному объекту с необходимым для визуального наблюдения увеличением. Ксожалению, применять такие трансфокаторы во всех видеокамерах метрополитена не удается из-за высокой их стоимости. Например, объектив с восьмикратным изменением фокусного расстояния в настоящее время стоит около 2 тыс. грн.

В то же время применение указанных видеокамер на блок-посту депо метрополитена позволяет визуально контролировать положения остряков стрелочных переводов и самого перевода остряков. Разрешающая способность установки в целом дает возможность обозревать не только состояние пути, но и при достаточном увеличении - даже уровень прижатия остряков к рамному рельсу, что свидетельствует о дополнительных преимуществах маршрутно-релейной централизации с микропроцессорным набором. Эта система электрической централизации разработана специалистами Харьковского метрополитена совместно с институтами г. Харькова и внедрена в эксплуатацию в первой половине 2000 года. В ней отсутствуют традиционный пульт-табло, а также пульт-манипулятор, и все управление и контроль осуществляются с помощью клавиатуры, "мыши" и дисплеев (рис. 3).

Аналогичные системы промышленного телевидения можно применить на станциях, в вагонных и локомотивных депо, на сортировочных горках и других объектах магистрального железнодорожного транспорта.

Большим достоинством "телевизионных автоматов" является возможность регистрации событий, отображаемых на экране видеомонитора, путем записи на специальный видеомагнитофон или жесткий диск компьютера. Видеомагнитофоны "Time-Lapse" осуществляют длительную запись видеоизображения на одну кассету. Некоторые модели этих видеомагнитофонов позволяют записывать информацию на одну стандартную трехчасовую кассету формата VHS в течение 720 часов. При этом фиксируются движение всех объектов или факты срабатывания устройств специальной сигнализации. Имеется возможность компьютерной цифровой обработки видеоизображений.

В настоящее время в СУРСТ Харьковского метрополитена намечается применение видеокамер, оборудованных дистанционно управляемыми поворотными устройствами и объектами с переменным фокусным расстоянием.

Особо перспективным направлением дальнейшего совершенствования промышленного телевидения в Харьковском метрополитене следует признать переход от черно-белого изображения к широко используемого в мире цветному. В результате такого перехода значительно упростится видеоконтроль объектов, повысятся информативность системы и естественность восприятия изображения объектов, что уменьшит утомление глаз наблюдателей.

Одним из убедительных примеров использования в мировой практике цветного промышленного телевидения является применение системы "DigiEye" - многофункциональной цифровой телевизионной системы видеонаблюдения и охраны. В этой системе получаемое от видеокамер изображение преобразуется в сигнал цифровой формы и благодаря специальным алгоритмам "сжатия" и компрессии легко передается и обрабатывается компьютерами. Цифровая форма сигнала позволяет осуществлять программную его обработку для выполнения многих полезных функций, в частности функции "детектора движения". Благодаря наличию внутренней подсистемы планирования работы данной системы последняя функционирует в автоматическом режиме с возможностью передачи видеосигналов на посты наблюдения непрерывно или только в случаях "тревожных" ситуаций на объектах наблюдения.

Некоторые теоретические аспекты использования промышленного телевидения

Известно, что через зрение человек воспринимает около 81% всей поступающей информации. Условно все поле зрения глаз человека можно разбить на три сектора: наиболее четкого видения - около 2°, ясного видения - 22° по вертикали и 30° по горизонтали. В случае, когда глаз остается неподвижным, можно опознать предмет без различения мелких деталей. При периферическом зрении предметы не распознаются.

Зоны периферического зрения обычно играют важную роль при ориентации во внешней обстановке. Число точечных объектов, которое может быть одновременно воспринято человеком, в среднем равно семи, а пропускная способность зрительного канала составляет 20...70 бит/с.

В телевидении, как известно, используется принцип последовательной передачи изображения. В отличие от кино, где изображение кадра проецируется на экран полностью, в телевидении изображение синтезируется посредством чересстрочной развертки. В мировой практике действуют десять стандартов, устанавливающих нормы параметров телевизионных изображений: В, D, G, Н, I, К, Kl, L, М, N и три системы цветного телевидения - SECAM, PAL, NTSC. Параметры развертки изначально были установлены для черно-белого телевидения. Выбором их значений обеспечивается компромисс в четкости изображения между требованиями зрительного восприятия и техническими возможностями. Чересстрочная развертка, принятая повсеместно в телевизионном вещании, осуществляется передачей одного кадра двумя полями (полукадрами).

Норматив М предусматривает развертку на 525 строк и 60 полей, а все остальные используют развертку на 625 строк и 50 полей (полукадров). Сделано это из соображений приближения разверток к частоте промышленного тока с целью устранения динамических искажений геометрии и яркости изображения. В этом случае изображение воспринимается сознанием человека как немелькающее, поскольку частота смены кадров превышает критическую частоту, воспринимаемую зрением человека, - 40...46 Гц.

Согласование частоты с возможностями зрительной системы человека обеспечивается выбором масштабных, яркостных и цветовых параметров изображения. Под контрастом изображения К понимается отношение максимальной яркости произвольных по форме деталей объекта в поле изображения к минимальной:

K = L _max / L _min ,

где L _max и L _min - максимальная и минимальная яркость детали изображения.

В природе, окружающей человека, диапазон яркости, как известно, имеет 105 градаций. Фактически за счет адаптации глаз диапазон яркости на его сетчатке сужается, и в этом случае принято считать С = 0,05, а число градаций яркости, различимых глазом, - 92.

С учетом того, что промышленное цветное телевидение является более эффективным по сравнению с черно-белым, важно определить роль и особенности цветового контраста.

При раздражении сетчатки глаза световым потоком с неполным спектром возникает ощущение цвета. При восприятии цветного изображения существенное значение имеет цветовой контраст - различие в восприятии одного цвета перед другим. Цветовой контраст зависит от условий наблюдения, изменение которых может вызвать усиление или ослабление восприятия данного цвета.

Различают три вида цветового контраста: одновременный, бинокулярный и последовательный.

Одновременный цветовой контраст проявляется в том, что восприятие данного цвета может различаться в зависимости от яркости, насыщенности и цветового тона соседствующего с ним участка изображения. Преимущественно цвет изменяется в сторону наибольшего удаления по шкале цветов от цвета фона: например, желтое поле на красном фоне кажется зеленоватым, а на синем - более насыщенным желтым. Цветовой контраст, что очень важно в промышленном цветном телевидении, наиболее ярко проявляется на границе раздела двух цветных полей. Это явление называется краевым контрастом.

Бинокулярный контраст заключается в том, что, возбуждая сетчатку одного глаза каким-либо цветом, можно вызвать восприятие контрастного к нему цветового ощущения в другом глазу, например, синее-желтое, красное-голубое.

Последовательный цветовой контраст выражается в том, что при переводе глаза с одного цвета на другой последний будет отличаться от истинного, а при переводе на белое поле последнее будет окрашиваться в дополнительный цвет. Последовательный контраст проявляется при достаточно частой смене цветов. Восприятие изменения цветового тона и чистоты цвета, как и восприятие приращения яркости, дискретно и определяется пороговыми значениями тона и цвета. Уровень порога не постоянен и изменяется в больших пределах по шкале цветности и степени насыщенности цвета. Общее число различимых глазом цветовых оттенков, как известно, составляет несколько десятков тысяч.

Восприятие цветов возможно при следующих условиях наблюдения: угол зрения не должен превышать 60⁰, яркость фона - порядка 300 Кд/м², угловой размер цветовых полей - не менее 30...40'. Адаптация к цвету длится от долей до единиц секунд при переходе к большим яркостям (световая адаптация) и до десятков минут при переходе от больших к малым яркостям ("темновая" адаптация).

При уменьшении размера цветных деталей законы субъективного восприятия их цвета нарушаются. При уменьшении размеров цветных деталей изображения они воспринимаются как серые (с прежней яркостью), причем цвета пропадают в такой последовательности: синий, желтый, красный и наконец сине-зеленый. Поэтому в промышленном цветном телевидении, к сожалению, затруднено распознавание очень мелких деталей без соответствующего увеличения.

С другой стороны, около 15% информации человек воспринимает с помощью слуха. Пороговые значения восприятия слуховым каналом зависят от времени появления сигнала и положения человека, но в практической деятельности, как известно, для восприятия информации достаточно 75% разборчивой речи. Это возможно при превышении громкости голоса над уровнем шума более чем в 6 раз.

Определенный практический интерес представляют и реакция человека на видеоинформацию, а также его способность не ухудшать качество работы ниже допустимого уровня при заданных условиях трудовой деятельности, т. е. надежность его деятельности.

В качестве комплексных показателей надежности рекомендуется использовать следующие величины:

Р_б.б = F (G, Я, О) - вероятность безошибочного и безотказного выполнения предписанного способа управления (G), если учитывается возможность возникновения как ошибок (О), так и устойчивых отказов (Я), но невозможность их возобновления;

Р_п.у = F (G, К_о, К_н, Я, О) - вероятность правильного выполнения предписанного способа управления при тех же условиях, но с учетом возможности устранения ошибок и устойчивых отказов известными способами (К_о, К_н);

Р_п.о - F (G, К_о, К_н, t_o, t_н, Н, О) - вероятность правильного выполнения предписанного способа управления при тех же условиях, но с учетом возможности устранения ошибок и устойчивых отказов в ограниченное время - t_o (для устранения ошибок) и t_н (для устранения отказов).

"Выходными устройствами" человека являются речевой аппарат и органы движения. С помощью речи можно решать многие задачи, но далеко не все. Наиболее эффективным является управление путем движения рук. Руки человека движутся со скоростью от 5 до 800 см/с. Важной особенностью двигательного развития человека является разделение функций левой и правой рук. По моторным функциям в 85...90 % случаев ведущей оказывается правая рука, но по уровню различения статических напряжений и осязанию - левая.

Литература

1. Надежность и эффективность в технике / Под ред. В.С. Авдуевского и др. - Т. 9. - М.: Машиностроение, 1987. - 352с.
2. Системы технического зрения. - Л.: Машиностроение, 1988. - 424с.
3. Телевидение / Под. ред. В.Е. Джаконии. - М.: Радио и связь, 1997. - 639 с.
4. Полоник B.C. Телевизионные автоматические устройства. - М.: Связь, 1974. - 214с.
5. Шапиро А.С., Быкова Т.П. Твердотельные устройства записи ТВ-программ и перспективы их использования // Техника кино и телевидения. - 1989. - № 1. - С. 69-73.
6. Казанцев Г.Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение. - М.: Высш. шк., 1994. - 288 с.
7. Ефимов А.С. Контрастная чувствительность зрения при наблюдении ТВ-изображения // Техника кино и телевидения. - 1977. - № 2. - С. 45-48.
8. Бойник А.Б., Мороз В.П., Коваленко Г.П. Безопасность неохраняемых железнодорожных переездов // Залізнич. транспорт України. - 2001. - № 3. - С. 28-30.
9. DigiEye: Multifunctional Digital CCTV Management System // http://www.syac.com/eng/frameset. html.