XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Система метрополитена. Внедрение дополнительного автоматизированного вагона

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Абдалова С.А. 1Хаков Е.А. 1Бессонов М.А. 1Кукулеско С.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

4.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В России стремительно растет рынок экспресс-доставки. На данный момент - это самый быстрорастущий сегмент рынка. Если раньше обычным сроком доставки товаров из интернет-магазинов клиенту в рамках одного города считалось один-три рабочих дня, то сейчас для любителей онлайн-покупок стала актуальной доставка в тот же день или так называемый overnight - на следующий день. В связи с эти растёт и актуальность курьерской доставки.

Через сайт testfirm мы провели анализ прибыли компании СДЭК показатели с 2017 по 2020 год. Ежегодно прибыль увеличивается больше чем в 2 раза. [7]

Однако существует ряд проблем, связанных с автомобильными перевозками. Основной проблемой является несоответствие качества и срока доставки груза с ценой на транспортные услуги.

Цель: разработать инновационное решение доставки малогабаритного груза в черте города

Задачи:

- рассмотреть типы вагонов и их характеристики

- изучить способ перемещения состава

- посетитель экскурсию на завод «Очаково»

- сгенерировать ряд идей по решению проблемы

- поделиться идей с экспертами

- определить, какие установки будут использованы

- разработать чертеж установки для распределения посылок

-создать анимацию системы метрополитена со сменой направления движения и терминалами

- спроектировать макет системы метрополитена со сменой направления движения и терминалами

- создать модель вагона на базе конструктора Lego Mindstorms

- создать программу в ПО Lego Mindstorms

- создать короб вагона

- реализация решения, рассчитать примерную стоимость

При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3[1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [2]

Глава 1. Система метрополитена

1.1.Подвижной состав. Типы вагонов их характеристики.

Электропоезд метрополитена состоит из нескольких вагонов: двух головных вагонов, имеющих кабины управления и от одного до шести промежуточных вагонов, прицепленных между ними.

Вагон метро обычно длиннее трамвайного, но короче железнодорожного. На вагонах российского производства серии 81-714, 81-717 в середине вагона над дверьми находятся три сигнальные лампочки, которые сигнализируют о: срабатывании пневматического тормоза (оранжевая), срабатывании реле перегрузки (зелёная), открытых дверях (белая). Длина вагонов метро может варьироваться:

на советских и российских вагонах серии А, Б, В, Г, Д, Е и его модификаций, 81-717/714 и 81-720/721 «Яуза» она составляет 19-20 метров;

на сочленённых двухсекционных вагонов модели 81-740/741 «Русич» — 27—28 метров.[4]

Вагоны типа «В» (В1, В2, В3 и В4…1947-1964)

Примечательно, что это самый старый тип вагонов, эксплуатируемых в метро Москвы, но при этом они далеко не самые первые в столичной подземке. Вагоны были произведены в Германии в период с 1927 по 1930 год и вывезены в СССР в качестве послевоенных репараций. Всего в Москву поступило и было переоборудовано 120 вагонов типа В. Их начали снимать с линий уже в середине 50-х годов, но последние В4 возили пассажиров вплоть до 1964 года.(Рисунок 1.1.1, Приложения)

Вагоны типа «А» (А, Ам…1935-1975)

Вагоны типа «А» - первые вагоны московского метро. Они были двух подтипов - моторными и прицепными. Производились вагоны на Мытищенском вагоностроительном заводе, всего было выпущено 111 единиц. Один вагон был рассчитан на 262 пассажира, предусматривались 52 сидячих места на мягких диванчиках. После модернизации в 1960 году вагоны получили индекс «Ам». Вагоны «Ам» работали на линии до конца 1975 года. Поезда с вагонами "А" возили пассажиров до 1975 года. Два из них служили в качестве дефектоскопа и проявочной лаборатории до 1999 года. (Рисунок 1.1.2, Приложения)

Вагоны типа «Б» (Б, Бм…1947-1966)

Вагоны типа «Б» появились из-за задержек в процессе создания вагонов типа «Г». Было принято решение видоизменить вагоны типа «А», были заменены токоприемники, тормозная система, электрооборудование и обновленные вагоны получили индекс «Б». Кроме того, в секциях изменилась система вентиляции: вместо традиционных форточек создали специальные заборники, направленные в одну сторону. Немаловажно – именно в этих вагонах впервые появилась сигнализация, предупреждающая о закрытии дверей, и система освещения на случай аварии. (Рисунок 1.1.3, Приложения)

Вагоны типа «Г» (Г…1948-1983)

Первые опытные экземпляры новых вагонов были созданы еще в 1940 году. До войны удалось изготовить шесть таких вагонов, они существенно отличались от своих предшественников своим изящным видом и своей эффективностью, однако ВОВ застопорила работы в этом направлении.

В эксплуатацию вагоны типа «Г» удалось отправить в 1948 году. Все вагоны были моторными, так как от прицепных вагонов решено было отказаться. Их скорость выросла с 65 до 75 километров в час. Вагоны отличались облегченной массой и более мягким ходом, а также плавным торможением за счет применения электрического реостатного торможения. За все время Мытищинский вагоностроительный завод выпустил 425 вагонов для 60–70 поездов. (Рисунок 1.1.4, Приложения)

Вагоны типа «Д» (1955-1996)

Прототипами вагонов типа «Д» стали вагоны М5 и УМ5, которых было выпущено всего 12 экземпляров. На их основе создали и запустили на линию серию «Д». Всего было выпущено 662 вагона, отличившиеся от прежних серий уменьшенной массой и улучшенным электрооборудованием. Несмотря на наличие такого недостатка, как заметная поперечная качка, эти вагоны успешно эксплуатировались также в Киеве, Ленинграде и Новосибирске. Финал «жизни» вагонов получился грустный. В 1996 году снятые с линий вагоны были переплавлены и порублены на дрова. (Рисунок 1.1.5, Приложения)

Вагоны типа «Е» и «Ем» (1961 – 2008)

Первый массовый запуск вагонов «Е» на линии закончился неудачно. Вагоны часто ломались, возникали то одни, то другие неполадки. В связи с этим вагоны серии сняли с линий и доработали. Устранить неполадки удалось, да так, что «Ешки» курсировали по подземке аж до 2008 года, а несколько последних модернизированных вагонов можно встретить в метро и сегодня. Всего в Мытищах было изготовлено 824 вагона. Внешне эти поезда можно отличить от других характерными полосами гофрирования на стенах. Поезда «Е» развивали скорость до 80 км/ч. (Рисунок 1.1.6, Приложения)

Вагоны типа «Еж» (1970-2010)

Изначально серия должна была получить индекс «Ж», однако название изменили во избежание неприятных ассоциаций. Всего произведено 460 «ежиков». Особенность типа «Еж» - смещенные в сторону кабины машиниста пассажирские двери, что позволило вместо маленьких сидений в торцах вагона установить в хвосте полноценные трехместные. (Рисунок 1.1.7, Приложения)

Вагон типа «И» (1987-1988)

Эти уникальные в своем роде вагоны так и не прижились в московском метро. Вагоны типа «И» отличались принципиально новым мегатехнологичным кузовом, большая скоростью, надёжностью, при их создании пытались внедрить множество технических новинок. В 1987 году несколько первых вагонов нового типа ходили в подземке в тестовом режиме. Однако по причине того, что специалистам так и не удалось доработать систему электропривода с тиристорно-импульсной системой управления и не удалось выполнить требования к пожаробезопасности вагонов, их разработка была прекращена.(Рисунок 1.1.8, Приложения)

Вагоны типа 81-717/714, 81-717.5/714.5, 81-717.5М/714.5М (1978 – по настоящее время). Номерные вагоны

Постепенно устаревающие вагоны типа «Е» необходимо было менять. В середине 70-х были созданы принципиально новые вагоны, существенно отличающиеся от всех предшественников, которые не получили буквенного обозначения, а стали номерными. Серия получилась удачной и закономерно стала самой массовой за всю историю подземки. Всего было выпущено 7280 экземпляров.

Была значительно увеличена их вместимость – с 262 до 330 пассажиров. Салон вагонов отделали трудносгораемым пластиком, появилась возможность прямой связи с машинистом. Впервые из промежуточных вагонов убрали кабины машиниста. Сиденье машиниста и пульт управления поездом переместились из правой части кабины в центр перед большим ветровым стеклом. (Рисунок 1.1.9, Приложения)

Вагоны типа «Яуза» (1998-до настоящего времени)

Длительное время не выдерживали испытаний и вагоны «Яуза», благодаря чему на линию эти поезда вышли только в 1998 году. Всего было собрано 14 головных и 35 промежуточных метровагонов типа «Яуза», образовавших 7 серийных составов. Даже несмотря на то, что в 2004 году «Яуза» прошла модификацию и получила индекс "1", ее производство вскоре свернули.

Кузов метровагонов выполнен из нержавеющей стали, секции получили свежий современный дизайн, их оснастили системой автоуправления и техдиагностики, электропневматической системой управления тормозами, системами пожаротушения и пожарной сигнализации, экстренной связи и радиооповещения пассажиров. Максимальная скорость составов – 100 км\ч. (Рисунок 1.1.10, Приложения)

Вагоны типа «Русич» (2003 – по настоящее время)

Пришедшие на смену «Яузе» вагоны типа «Русич» были разработаны для "лёгкого метро", в котором преобладают более кривые повороты, подъёмы и спуски. Как результат - вагоны сделали секционными. По сути, каждый вагон состоит из двух частей, которые соединены между собой. Изначально вагоны назывались «Скиф», однако вскоре после обкатки серию переименовали в «Русич».

Новшествами поездов стали информационные табло, система отопления и кондиционирования, стеклопакеты с пониженным уровнем шума, W-Fi роутеры. Один вагон способен перевозить до 370 пассажиров. Первые «Русичи» из-за недоделки в тормозах нередко промахивались мимо платформы, но после доработки эта проблема была устранена.

Особое внимание было уделено безопасности. Вагон оснащен предохранительными устройствами, предупреждающими падение пассажиров на рельсы между вагонами. Двери салона не допускают самопроизвольного открывания, благодаря системе блокировки состав не может тронуться с места при открытых дверях. (Рисунок 1.1.11, Приложения)

Поезда типа «Ока» (2011 – по настоящее время)

Отличительная особенность некоторых из этих поездов – стилизованные цифры «75» на головных вагонах, напоминающие о 75-летнем юбилее столичного метрополитена. Одна из важнейших целей создания «Оки» - попытка удешевить конструкцию, поскольку стоимость «Яузы» и «Русича» была признана слишком высокой. От «Русича» «Ока» унаследовала гладкие вертикальные боковые стенки кузова, наклонный профиль лицевой части, микропроцессорную систему управления. Однако многие конструктивные элементы претерпели изменения. (Рисунок 1.1.12, Приложения)

Вагоны типа «Москва» (2017 по настоящее время)

Несмотря на то, что поезда «Москва» являются развитием вагонов «Ока», те принципиальные изменения, которые претерпели вагоны, позволяют говорить о том, что «Москва» - эволюционно новая серия.

При разработке вагонов была поставлена цель приблизиться к самым передовым мировым моделям метропоездов. Увеличили ширину дверных проемов для более быстрой посадки-высадки пассажиров, были созданы так называемые «полусидячие места» - наклонные выступы, на которые можно опереться, также увеличили число поручней, которые обшили защитным немерзнущим пластиком, предусмотрели специальные места для инвалидных колясок. Общее число сидячих мест было снижено для увеличения общей вместимости. Поезда серии Москва» отличаются от всех предшественников особо тихим и плавным ходом. В вагонах появились интерактивные схемы линий метро, USB-розетки. Впервые были созданы сквозные переходы между вагонами. Общая вместимость поездов увеличилась до 2 тысяч человек. Применены современные системы кондиционирования и обеззараживания воздуха. (Рисунок 1.1.13, Приложения) [5]

1.2. Станции метрополитена

Станция метрополитена — остановочный пункт, предназначенный для посадки/высадки пассажиров метро.

Подземная станция метро оборудована выходом в город вестибюлем впрочем, не всегда - некоторые пересадочные станции выхода в город могут не иметь вообще или только на первом этапе работе станции, как Звенигородская или

Сретенский бульвар, станционными техническими помещениями (кладовыми, под платформенными помещениями, кабельным коллектором), станционными служебными помещениями блок - пост — помещение дежурной по станции, диспетчерская и т. д.

Наземная станция метро представляет собой павильон с собственно остановочным платформенным залом внутри, расположенный на уровне земли, а также смежные вестибюли.

Надземные станции располагаются на эстакадах, а некоторые - на метромостах.

Вестибюли подземных, а также надземное - эстакадных станций сообщены с поверхностью с помощью эскалаторов или просто лестничных сходов, а кое-где также лифтов (и прочих механизмов) для инвалидов, осуществляющих переход пассажиров.

Пропуск пассажиров производится через турникеты или ручной контроль в вестибюлях, где также имеются кассы, билетные (жетонные, карточные) автоматы.

Типы станций

Станции метрополитена делятся в зависимости от расположения на надземное - эстакадные, наземные и подземные, в свою очередь, делящиеся мелкого и глубокого заложения.

В зависимости от конструкции подземные станции бывают пилённого, колонного глубокого, колонного мелкого, односводчатого глубокого, односводчатого мелкого, прочего однопролётного и смежных типов.

Существуют многопутные и многоуровневые пересадочные станции.

По расположению путей и подземные, и надземные станции делятся на островные и береговые.

Некоторые береговые станции (т.н. закрытого типа) имеют систему горизонтальный лифт со стенами и дверями (преимущественно стеклянными) между платформой и поездом.[3]

Многие станции Московского, Петербургского, Пхеньянского, Стокгольмского и ряда других метрополитенов оформлены как дворцовые залы или просто как архитектурные и художественные новаторства. (Рисунок 1.2.1, Приложения)

1.3.Способ перемещения состава, как возвращаются составы

Кольцевой маршрут

Под замкнутым кольцевым маршрутом понимается состав поезда, отправленный с определенного пункта погрузки на определенный пункт выгрузки и возвратившийся в порожнем состоянии под повторную погрузку.

При формировании кольцевых маршрутов с соблюдением условий отправительской маршрутизации, они принимаются в учет, как прямые отправительские маршруты. Замкнутые кольцевые маршруты должны оформляться по одной накладной, как в груженом, так и в порожнем состоянии.

Конечная станция. Съезд между путями

Машинист поезда, приведя его на конечную, выходит и условно передаёт кабину своему коллеге - маневровому машинисту (именно он и развернет, а правильнее - обернёт состав). Одновременно в хвостовую кабину поезда садится второй маневровый - ему будет необходимо вывести состав на противоположный путь.

После выхода всех пассажиров и проверки состава на предмет оставшихся поезд отправляется в тупик. Проехав хвостом стрелку, он останавливается. Стрелка переводится и второй маневровый машинист, ехавший до этого в хвосте, принимает управление на себя и становится во главе состава. Далее уже дело техники - подкатить поезд к платформе и впустить пассажиров. За то время, пока состав оборачивается, линейный машинист успевает пройти всю платформу и подойти к головному вагону, чтобы продолжить движение по линии в сторону второй конечной станции.

В отличие от железной дороги, где стрелку условно можно бросить прямо в чистом поле, при строительстве метро такой фокус не пройдет. В обычный перегонный тоннель метро стрелочные переводы не влезают, поэтому по классике приходится строить специальные камеры.

Камерой у тоннельщиков и метрошников называют выработку относительно небольшой длины, где остальные геометрические размеры (высота и пролет/ширина) либо превышают её либо сопоставимы. Проще говоря, там где вы сходите с эскалатора внизу на платформу - это камера - небольшое пространство, где сидит бравый сотрудник метрополитена в  кабине. [7]

Глава 2. Практическая часть

2.1. Система метрополитена с дополнительным вагоном

Рассмотрим подробно, как же работает система.

К основному составу, который едет по своему маршруту, присоединяется дополнительный вагон, отвечающий за доставку посылок. Состав останавливается так, чтобы вагон с грузом был напротив терминалов. Мы разработали анимацию, которая демонстрирует движение состава. Состав приезжает на станцию, после уезжает на конечную, где оператор меняет стрелки, машинист отправляется обратно на ту же станцию, появившись уже с другой стороны платформы, выгрузит-загрузит посылки и отправится в обратном направлении.

На платформе установлены терминалы самовывоза - автоматизированные посылочные терминалы. Всего их два, по обе стороны платформы. Каждый терминал настроен под прием и под выдачу заказа. Расположение терминала на прием или выдачу зависит от направления движения состава. На платформе они установлены зеркально. (Рисунок 2.1.1, Приложения)

Мы создали макет, где можно увидеть расположение постаматов, а также движение состава. (Рисунок 2.1.2, Приложения) Для этого мы использовали кубики и железную дорогу Lego. Вагон перемещается с помощью встроенного мотора, направление которого меняется по рычагу. (Рисунок 2.1.3, Приложения) Стрелка на рельсах переключается вручную.

2.2. Встреча с экспертами

Была организована встреча с экспертами, мы поделились своей идей – дополнительный автоматизированный вагон в метро. (Рисунок 2.2.1, Приложения)

Андрей Николаевич, заместитель начальника Главного Управления строительства Тюменской области. Он посетил множество мировых выставок, был в Китае и США, работает в сферах дорожного строительства и грузоперевозки, что нам и требуется. После того как мы ему рассказали про наш проект он нам сообщил, что подобных аналогов в крупных городах мира он ещё не разу не видел. Также он нам посоветовал доработать пункты приема и выдачи товаров на каждой станции. А также же рассчитать время выдачи при определённом количестве посылок.

Бек Эдуард Сергеевич, эксперт в области логистики приема, хранения, выдачи грузов, специалист по планированию производства ООО Технологическая компания Шлюмберже. Оценил наш проект и сказал, что это очень необычное решение проблем. Посоветовал рассчитать стоимость выдачи заказов через курьера. Таким образом у нас родилась идея установить постаматы, по типу pickpoint. Это автоматизированные терминалы выдачи заказов, установленные по всей России. Они удачно расположены рядом с  торговыми центрами, остановками, станциями метро. Получение заказа займет не более одной минуты, забрать заказ можно в удобном для вас месте, в удобное время.

2.3 Модель на базе Lego Mindstorms

Далее мы преступили к реализации проекта. Для начала была разработана схема размещения установки в вагоне. (Рисунок 2.3.1, Приложения) Рекомендуемый тип вагона 81-777. Так как они больше по габаритам, что дает нам преимущество в виде расширенного хранилища. После разработан чертеж самой установки. (Рисунок 2.3.2, Приложения)

Модель вагона сделана, а базе конструктора Lego Mindstorms. В модели задействованы 1 блок EV3, 2 средних мотора, 1 большой мотор и датчик цвета и датчик касания.

Посылка погружается в вагон с помощью конвейера. Всего их пять, работают они все от одного мотора за счет угловой зубчатой передачи. Два из них на приеме, два на выдаче и один центральный, отвечает за перемещение посылок на нужную полку. Гусеницы выполняют роль конвейерной ленты (Рисунок 2.3.3, Приложения)

На приеме установлен датчик цвета, который сканирует цвет посылки и определяет в какую ячейку хранилища ее разместить. (Рисунок 2.3.4, Приложения) Хранилище состоит из двух ячеек. (Рисунок 2.3.5, Приложения) Датчик касания отвечает за активацию механизма

За загрузку посылок отвечает манипулятор. Работает он от среднего мотора «1», с помощью червячной передачи и рычага, посылка плавно размещается в секцию. Перемещается манипулятор параллельно центральному конвейеру с помощью среднего мотора «2» и реечной передачи. (Рисунок 2.3.6, Приложения) В нижней части установлена страховочная дорожка манипулятора, не дающая ей уйти в наклон и служит противовесом. (Рисунок 2.3.7, Приложения)

Посылками служат цветные кубики Duplo размером 2х2.

Мы распечатали все стороны вагона, вырезали приклеили их на панель ПВХ. После вырезали дверные проемы и установили дверцы. (Рисунок 2.3.8, Приложения)

2.4. Управление моделью

Запрограммирована модель с помощью программного обеспечения Lego Mindstorms.

Срабатывает по датчику касания, при нажатии воспроизводится звук «Activate». Большой мотор, отвечающий за работу конвейера, включается с мощность 20 и вращается до тех пор, пока не сработает блок «Ожидания» в режиме "Сравнение-цвет», в параметре «Цвет» выбрано два цвета (красный и зеленый).

Далее срабатывает переключатель в режиме «цвет». Выполняется одно из трех условий:

Красный цвет. Большой мотор вращается на 555 градусов, перемещая посылу ко второй ячейке хранилища, далее средний мотор «A» перемещается к ней, для этого выполняет вращение на 950 градусов. После средний мотор «B» размещает посылку в ячейку вращаясь на 1200 градусов, после чего оба мотора приходят в исходное положение

Зеленый цвет. Большой мотор вращается на 250 градусов, перемещая посылу ко первой ячейке хранилища, далее средний мотор «A» перемещается к ней, для этого выполняет вращение на 10 градусов. После средний мотор «B» размещает посылку в ячейку вращаясь на 1200 градусов, после чего оба мотора приходят в исходное положение

Нет цвета. В этом случае ничего не происходит

Программа зациклена. (Рисунок 3.4.1. Приложения)

Заключение

В связи с ростом количества интернет-магазинов, растёт и актуальность курьерской доставки. Существует множество факторов, влияющих на доставку груза, курьерской службой. Низкая эксплуатационная скорость, пробки, ДТП – все это влияет на качество и срок доставки груза, а тарифы на транспортные услуги растут с каждым годом.

Мы разработали инновационное решение данной проблемы – дополнительный вагон для доставки груза в метро. Эксперты подтвердили, что наше решение является инновационным.

При конструировании использовались сложные механизмы, такие как: зубчатая угловая передача, червячная передача, реечная передача.

Преимущества дополнительного вагона для доставки груза в метро и его воздействие на окружающий мир:

Скорость доставки. Нет непредвиденных ситуаций виде пробок.

Точность. Груз доставляется в точное время по определенному расписанию

Безопасность. Вагон автоматизирован, поэтому не несет угрозы для жизни людей

Низкая стоимость. Так как это дополнительный вагон, который крепится к основному составу

Сохранность груза. Отсутствует человеческий фактор, нет аварий.

Экологически безопаснее автотранспорта.

Мы считаем, что в дальнейшем наш проект может быть реализован в крупных городах, где есть метро.

Список литературы

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/293166

https://ru.wikipedia.org/wiki/Метрополитен#Подвижной_состав

https://zen.yandex.ru/media/runews24/83-goda-v-puti-kak-izmenialis-poezda-v-metro-moskvy-5bed546b3835f900aafb682e

https://www.rzd-partner.ru/other/news/225410/

https://www.testfirm.ru/

https://www.mirmetro.net/articles/oborot

Приложения