автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Исследование методов и средств идентификации массы подвижных транспортных средств

На правах рукописи

Сенянский Денис Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИДЕНТИФИКАЦИИ МАССЫ ПОДВИЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

05.11.03 - «Приборы навигации», 05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена на кафедре «Системы ориентации и навигации» в Московском авиационном институте «МАИ» (государственный технический университет).

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Мельников В.Е.

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Репин А.И д.т.н., проф. Подколзин В.Г.

Ведущая организация: ФГУП "Всероссийский научно-

исследовательский институт метрологической службы". Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

Защита состоится «_

2004 г. в

час на заседании

диссертационного совета Д 212.125.11 в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете) по адресу: Москва, 125993, Волоколамское шоссе, д.4, зал заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан 2004г.

»

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н., доцент

Горбачев Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Работа решает научно-техническую проблему, связанную с организацией перевозок пассажиров и грузов средствами авиационного, автомобильного и железнодорожного транспорта. Фактически, решается задача обеспечения безопасности на всей траектории перемещения грузов между начальной и конечной точками маршрута путем создания методов и средств оперативного контроля массы (веса) объектов до начала и в процессе их движения.

Применительно к объектам авиации знание фактической взлетной массы самолета, позволит предотвратить возможность взлета самолета при наличии несанкционированной перегрузки борта, из-за чего нередко возникают внештатные ситуации и катастрофы.

Для объектов автомобильного и железнодорожного транспорта подобная проблема не менее актуальна для цивилизованного выполнения договорных обязательств между производителями и потребителями продукции, транспортными организациями и др.

Знание исходной массы перевозимых грузов в конкретных вагонах и возможность оперативного контроля в промежуточных фазах траектории необходимы для того, чтобы своевременно обнаруживать факты возможных потерь с привязкой к месту события.

Целью диссертационной работы является всестороннее исследование структуры и конструктивных особенностей существующих весоизмерительных систем с целью повышения достоверности измерения в динамическом режиме, а также расширения их возможностей в решении как новых, так и традиционных задач.

Задачи диссертационной работы.

В рамках сформулированной проблемы и в соответствии с целями диссертационной работы основными задачами проводимых исследований являются:

3 I РОС. НАЦИОНАЛЬНА* 1

1. Выявление круга задач и областей применения весоизмерительных систем как по прямому назначению, так и для задач повышения безопасности (взлетная масса самолетов, гарантия безопасности грузов на траектории перемещения).

2. Проработка и научное обоснование средств оперативного контроля массы подвижных объектов, основанных на альтернативных методах.

3. Разработка принципов идентификации грузов и физической модели процесса измерения массы в режиме их транзитного движения в зоне весоизмерительного терминала с учетом оценки степени влияния негативных факторов.

4. Разработка математической модели процесса динамического измерения, соответствующей обоснованной физической модели. Выработка рекомендаций по улучшению качественных характеристик систем.

5. Проведение экспериментальных исследований с целью оценки корректности физической и математической моделей и выводов на их основе.

Методы исследования

В работе использованы научные основы и принципы инерциальной навигации, теоретической механики, сопротивления материалов, математического анализа, вероятностные методы оценок результатов измерения, методы физического и математического моделирования с использованием современных компьютерных технологий, а также реальные экспериментальные исследования с целью оценки корректности теоретических выводов.

Научная новизна

В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты:

1. В диссертации предложен и реализован комплексный подход к формулировке и решению проблемы измерения массы объекта в процессе его движения. По сути, это решение проблемы безопасности в широком плане. В работе сделано научное обобщение, связывающее воедино, на первый взгляд, разобщенные исследования, которые позволили увидеть дополнительные области применения, и выявить потенциально заинтересованных пользователей, для которых знание контролируемого параметра - текущей массы - это безопасность пассажиров авиалайнеров, это гарантия сохранности грузов при автомобильных и железнодорожных перевозках, это снижение степени риска финансовых потерь во взаимоотношениях субъектов рынка: поставщик - потребитель.

2. Обоснованы возможности построения автономных оперативных измерителей взлетной массы самолета на этапе наземного движения в зоне аэропорта или любого одиночного объекта в процессе его буксировки. Предложены варианты реализации.

3. Выявлены особенности и взаимосвязи в структуре существующих систем динамической идентификации массы подвижных объектов и факторы, влияющие на результат измерения, преимущественно к объектам железнодорожного транспорта. Разработана физическая модель, отражающая реальные взаимодействия объекта измерения, грузоприемной платформы и подстилающих поверхностей на подъездных путях и в зоне терминала. Обоснованы рекомендации, реализация которых заметно снижает количество и уровень влияния дестабилизирующих факторов.

4. Разработана математическая модель измерительной системы, построенная на обоснованной физической модели. Она позволила выставить требования к организации измерительных участков с целью повышения точностных характеристик системы.

Практическая ценность

Практическое значение имеют следующие результаты, полученные в работе:

1. Разработаны научные основы систем идентификации массы подвижных объектов, использующих информационные ресурсы ИНС ЛА и возможности традиционных весоизмерительных и силоизмерительных систем. Даны оценки точностных возможностей предложенных вариантов для подвижных объектов авиационного, автомобильного и железнодорожного класса.

2. Показано, что сочетание альтернативных и традиционных методов дает новое качество и возможность решения новых задач.

3. Выявлены возможности улучшения комплекса характеристик традиционных систем в режиме динамического взвешивания. Разработаны алгоритмы обработки, повышающие достоверность результатов измерений.

4. Выработаны рекомендации, дающие положительный эффект, реализованные на практике.

Реализация результатов

Результаты диссертационной работы используются в существующих и вновь разрабатываемых изделиях предприятия ЗАО "ВИК "Тензо-М". В частности, автором разработан комплекс программного обеспечения ЯБ для динамических весов поосного взвешивания.

Апробация работы

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. Всероссийская молодежная научная конференция VI Королевские чтения, Самара.: СГАУ, 2001г.

2. Всероссийская молодежная научная конференция VII Королевские чтения, Самара.: СГАУ, 2003г.

3. XVII IMEKO World Congress. Metrology in the Third Millennium, HMD Croatian Metrology Society, 2003 г.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ, из них 2 статьи, 1 научно-технический отчет, 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях,

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 157 страниц основного текста, 28 страницы приложений, 60 иллюстрации (рисунки, графики), 124 формулы, 22 таблицы. Список литературы содержит 96 наименований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Разработанные принципы и методы контроля взлетной массы самолета с использованием информации бортовых инерциальных навигационных систем (ИНС) или автономно оформленных блоков ИНС, размещаемых на "буксире", позволяющие применять такие системы для одиночных объектов любого класса.

2. Разработанная физическая модель весоизмерительной системы на примере измерения массы движущегося состава вагонов.

3. Разработанный алгоритм идентификации вагонов в произвольном составе поезда по результатам измерений массы.

4. Разработанная математическая модель весоизмерительной системы.

5. Методика экспериментальных исследований, способы и алгоритмы обработки сигналов существующих систем, повышающие достоверность определения массы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемых задач, сформулированы цель работы и задачи исследований, охарактеризована их научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена формированию цели диссертационной работы, постановке задач, обоснованию их необходимости в соответствии с реальной потребностью рынка, актуальности намеченных исследований. Оценивается состояние разработок в рассматриваемых и заинтересованных областях экономики.

Обоснованы направления разработки весоизмерительных систем для выбранных секторов рынка, включающие как модернизацию существующих систем и алгоритмов обработки сигналов, так и создание новых альтернативных возможностей (см. рис. 1). Рассмотрены физические основы таких измерительных систем.

Безопасность Логистика

- Контроль массы ЛА в полете -Учетгрузо и материалопотоков

- Контроль азлетнои массы ЛА на земле Оптимизация технологических и

- Авто и ж/д контроль массы и нагрузки на оси производственных процессов

потребности

Масса

имеющиеся информационные ресурсы

Борт ЛА

- Инерцизльная навигационная система

- Система воздушных сигналов Весоизмерительные системы

- Доплеровскии измеритель скорости Традиционные средства измерения силы

- Global Positioning System и массы в статике и динамике • параметры двигательной установки

/ Ч4 /

Определение массы в полете Определение массы одиночных объектов по приращениям силы тяги по тяговому усилию и ускорению буксира

ускорения и воздушной скорости

Рис. 1. Измерение массы. Потребность и источники информации Обоснована физическая модель процесса динамического измерения массы на примере взвешивания вагонов в движении. Показано, что во время движения

кузов вагона участвует в колебательных движениях, вызванных различными факторами (неровность подстилающей поверхности, кривизна, прогибы и стыки рельсов, взаимодействие вагонов внутри состава через автосцепку и др.). Таким образом, в момент заезда (оси) вагона на специально организованный измерительный участок пути, сигнал на выходе системы измерения содержит дополнительную составляющую, характеризующую отклонение результата динамического измерения от истинного веса

Представленная на рис.2 схема, дает представление о вариантах построения систем динамического взвешивания, об основных особенностях, сопровождающих процесс измерения, факторах, оказывающих влияние на конечный результат и направлениях исследований в соответствующих разделах диссертации.

Рис. 2. Обобщенное представление о процессе динамического взвешивания

В результате рассмотрения физической модели выявлены требования к функционально необходимым элементам как самого измерительного терминала, так и сопряженным с ним подъездным путям и подстилающей поверхности.

Во второй главе приводится научное обоснование альтернативных методов построения средств идентификации массы подвижных объектов, как результат привнесения научных основ из области инерциальных навигационных систем (ИНС) летательных аппаратов в весоизмерительную технику. Информационный и аппаратурный потенциал ИНС в сочетании с объективной необходимостью оперативного контроля взлетной массы самолета позволил увидеть и развить идею создания автономных средств контроля массы на этапе подготовки борта к взлету.

В работе предлагается метод контроля взлетной массы самолета, основанный на законах динамики объекта. Процесс определения массы связан с измерением суммарных сил или их приращения, воздействующих на объект, и приращения ускорения. На основании этих данных с использованием законов динамики Ньютона, законов сохранения импульса и энергии определяется масса объекта.

Варианты реализации и алгоритмы движения объекта в процессе измерения зависят от специфики объекта и наличия дополнительных источников информации о приращениях силовых воздействий, которые дают либо косвенные оценки сил, либо данные непосредственных измерений. Рассмотрены различные варианты, в частности, с использованием силоизмерительных устройств, встроенных в сцепное устройство между тягачом и объектом измерения.

На рис.3 представлена блок-схема системы, иллюстрирующая процесс измерения массы с использованием информации от ИНС (блока акселерометров ИНС) и силозадающих устройств. Алгоритм вычисления массы в этом случае основан на использовании основного закона динамики.

Для выявления неконтролируемых составляющих силовых воздействий на объект (силы аэродинамического сопротивления), суммарных сил трения предусмотрены различные режимы движения (свободный выбег, движение с ускорением и т.д.), дающие дополнительные независимые уравнения, разрешимые относительно искомой массы т.

Предложены варианты использования других основополагающих законов физики для определения массы в движении. В формулах (1) и (2) показаны выражения для массы в случае использования закона сохранения импульса и закона сохранения энергии:

здесь значения скоростей на отдельных участках траектории движения с координатами х„ А<, — интервалы времени движения на соответствующих участках, т> — масса эталонного груза, Р//^ - суммарная сила трения эталонной тележки.

Проведенный анализ убеждает в возможности и перспективности построения альтернативных методов измерения массы отдельных

транспортных средств (самолеты, вагоны на сортировочных станциях, автомобили и др.). Подобные методы могут обеспечить измерения в сопоставимых по точности диапазонах с известными весоизмерительными терминалами.

В третьей главе рассматривается проблема решения задачи измерения веса вагонов в структуре произвольно сформированного железнодорожного состава. С учетом большого разнообразия типоразмеров вагонов, находящихся

11

в эксплуатации, возникает ряд дополнительных проблем. В частности, определение условий выбора длины грузоприемного участка, который теоретически может иметь протяженность от «О» до «со» (поосное, потележечное, повагонное и полное взвешивание).

В каждом из вариантов имеются свои особенности, но во всех необходимо решать проблему выделения из дискретной последовательности сигналов информацию, позволяющую идентифицировать группы сигналов с привязкой к конкретному вагону.

V

Рис. 4. Эпюра выходного сигнала системы для вагонов с разной колесной

формулой

На рис.4 представлен наиболее общий случай эпюры сигнала в гипотетическом варианте грузоприемной платформы бесконечной протяженности. Этот ступенчатый сигнал, высота каждой ступеньки которого характеризует приращение суммарной нагрузки на грузоприемную платформу от наезда на нее очередной оси. Вес N-^3 вагона в составе Р"" определяется по формуле (3).

где К - число опорных точек (осей) Л^-го вагона на полотно железной дороги,

ДР/- приращение суммарной нагрузки на платформу от наезда _/-го колеса Ы-гв вагона.

Разработанный алгоритм идентификации позволяет выделить из дискретной последовательности группы сигналов, относящиеся к конкретному вагону, используя соответствие временных интервалов прохождения осей геометрическим параметрам вагонов в соответствии с предложенными критериями.

Четвертая глава посвящена разработке математической модели измерительной системы, в которой на базе физической модели рассмотрены возможности построения зависимости сил давления опорных точек вагона на грузоприемную платформу терминала.

Обоснована возможность понижения порядка системы динамических уравнений, учитывающих основные виды движений. На рис.5 представлена кинематическая схема динамической системы: кузов — система подвеса кузова на колесных тележках — рельсовый участок пути — подстилающая поверхность.

В работе рассмотрены условия, при которых влиянием рельсового участка подстилающей поверхности можно пренебречь, а оценивать низкочастотные колебания кузова. В таком случае исходная система уравнений принимает вид:

где координаты гд,г7 - вертикальное перемещение кузова и тележек (подпрыгивание), <рк,рт - угловое перемещение кузова и тележек (галопирвоание), масса подрессоренной части вагона, масса тележки вместе с приведенной массой части пути, - среднее вертикальное перемещение колесных пар вагона на неровности пути, - угол наклона кузова, вызванный неровностью пути.

о

л----ь

уг ци ч X

С. Ч-З .1 Д ¿„3

Рис. 5. Расчетная схема вагона с одинарным рессорным подвешиванием

Получены динамические характеристики системы, в частности определены значения частот колебаний подпрыгивания, галопирования и боковой качки вагона в зависимости от степени загруженности кузова: 5-6Гц для порожнего вагона и - для груженого.

Получены выражения для сил давления осей вагона на грузоприемную платформу, определяющие искомую массу. Построены эпюры выходного сигнала, позволяющие оценить факт несовпадения результатов измерений в движении с данными статического взвешивания из-за колебаний кузова.

Выявлена возможность повышения томности измерения путем фильтрации выходного сигнала, в частности, за счет исключения из выходного сигнала дестабилизирующих составляющих вынужденных колебаний кузова.

На основе полученных данных выставлены требования по организации весоизмерительной системы, с целью уменьшения степени влияния колебательных процессов, присутствующих в системе «вагон-путь» во время взвешивания:

• Обоснована необходимость использования жесткой подстилающей поверхности (железобетонного фундамента) для измерительного участка и подъездных участков путей;

• Определены требования к необходимой длине прямолинейных подъездных участков, максимальной высоте неровностей путей, а также скоростному режиму движения состава для обеспечения успокоения динамической системы на подходе к измерительному участку.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям В задачу

экспериментальных исследований входит проверка основных результатов теоретических исследований, в той части, которая может быть проверена на реально существующей аппаратуре. Точностные характеристики такой аппаратуры могут быть улучшены при использовании сформулированных рекомендаций.

В качестве экспериментальной системы выбраны весы вагонные динамические типа РД-Д производства ЗАО «ВИК «Тензо-М», предназначенные для поосного взвешивания вагонов (см. приложение 2). Типовой вид эпюры сигнала в дискретной последовательности представлен на рис. 6.

12000

о ......

0'-Гме5ю<0кю0>0»-С0'4'ю«>г~<00>0 ооооооооа«-«-*-'-*-*-*-'-*-™

[-—канал 1 —канал 2 ] „

I----------1 время, с

Рис. 6. Исходный выходной сигнал, характеризующий проезд колесной пары вагона по грузоприемной платформе

Разработана методика проведения эксперимента, предусматривающая проезд через мерную зону эталонного состава из 3-х вагонов, 2 из которых -порожние, а третий имеет номинальную загрузку. Статический вес вагонов известен. Для минимизации случайных погрешностей измерения проводятся в 2-х режимах с различным направлением движения. (5 проездов в одну и 5 проездов в другую сторону).

ю' Л 18134100 сйапп« 1+2

1 1 : я ... 1

1 *

Ц 1

.... г 1 1 н! Чит* III

4 У

_____Ж Л . 5 |1 II!

||П| ( Ч 5

ИМШР

0 2 4 6 в 10 12 14 16 18 20

Рис. 7. Спектральная характеристика эпюры сигнала проезда оси порожнего вагона

Анализ результатов экспериментальных исследований, проведенных по разработанной методике, позволил сделать следующие выводы:

1. Необходима алгоритмическая обработка сигнала, получаемого на выходе силоизмерительных датчиков системы, т.к. погрешность результатов, полученных путем анализа исходных сигналов, может составлять 2% и более.

2. Частотный анализ набора эпюр сигналов, показал присутствие гармоник колебаний на частотах в диапазоне от 0,5 до 7 Гц, что совпадает с результатами проведенного математического моделирования и показывает на наличие дополнительных источников возмущений, неучтенных при моделировании. На рис.7 показан пример частотной характеристики эпюры сигнала, полученного в

результате проезда оси порожнего вагона по грузоприемной платформе длиной 1,2м.

3. Предельная точность существующих алгоритмов обработки сигнала и расчета веса составляет 0,25%. Для дальнейшего повышения точностных характеристик системы необходимо удовлетворение требований к организации измерительного участка, выставленных в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы могут быть сформулированы в виде следующих положений:

1. Проведены исследования проблемы идентификации массы подвижных объектов различного класса. Показано, что знание текущей массы необходимо не только для нормализации взаимоотношений производителей товарной продукции и потребителей, но и решает проблему безопасности, в частности в задачах определения взлетной массы самолета.

2. Разработаны принципы и методы контроля взлетной массы самолета по информации бортовых навигационных систем с использованием дополнительной информации о приращении силовых воздействий, не имеющие аналогов у нас в стране и за рубежом. Обоснованы возможности построения оперативных измерителей взлетной массы самолета на этапе движения по рулежным траекториям аэропорта или любого одиночного объекта в процессе его буксировки. Предложены варианты реализации.

3. Рассмотрены возможности традиционных весоизмерительных систем с целью повышения их точности в режиме динамических измерений, элементы которых могут использоваться для альтернативных методов. В частности

выработаны критерии идентификации вагонов в произвольно набранном ж/д

составе. Разработаны алгоритмы идентификации, являющиеся составными частями измерительного процесса в автоматическом режиме.

4. Выявлены особенности и взаимосвязи в структуре существующих систем динамической идентификации массы подвижных объектов и факторы, влияющих на результат измерения, преимущественно к объектам железнодорожного транспорта. Разработана физическая модель, отражающая реальные взаимодействия объекта измерения, грузоприемной платформы и подстилающих поверхностей на подъездных путях и в зоне терминала. Даны рекомендации, реализация которых заметно снижает количество и уровень влияющих факторов, позволяющие повысить точностные показатели, заметно расширяющие возможности существующих систем.

5. На базе физической модели разработана математическая модель процесса динамического измерения и произведена оценка ожидаемых результатов. Выставлены требования к организации измерительного участка в зависимости от требуемого класса точности. Сформированы требования к алгоритму обработки, в соответствии с которыми, он должен быть настраиваемым на различные режимы в частности в зависимости от массы объекта (степени загруженности вагона).

6. Разработана методика экспериментальных исследований. Проведены реальные эксперименты, анализ результатов экспериментальных исследований подтвердил корректность физических и математических моделей и выводов на их основе.

7. Проведенные исследования традиционных и альтернативных методов измерения массы позволили наметить новые варианты их реализации для решения задачи контроля за состоянием перевозимых грузов на траекториях их перемещения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сенянский М.В., Годзиковский В.А., Брусов И.А., Сенянский Д.М. Вагонные весы. // М.: Датчики и системы, №5, 2002г.

2. Сенянский Д.М. Программная реализация алгоритмов взвешивания вагонов в движении. // Тезисы доклада. Всероссийская молодежная научная конференция VII Королевские чтения, Самара: СГАУ, 2003г.

3. Сенянский Д.М. и др. Разработка системы измерения массы движущихся объектов. Буксировочный динамометр. // Раздел научно-технического отчета. Тема № 305-01-03 (ПН-840), Лаб. ПНИЛАА - 305, МАИ - 2002 г. Госрегистрация № 01200110877. Инв.№ 044018

4. Сенянский Д.М. Системы динамической идентификации массы. // Тезисы доклада. Всероссийская молодежная научная конференция VI Королевские чтения, Самара.: СГАУ, 2001г.

5. Сенянский Д.М., Мельников В.Е Системы динамической идентификации массы. // Тезисы доклада. Отчетная конференция по подпрограмме «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Москва: МАИ, 2003г.

6. Сенянский Д.М. Идентификация вагонов в составе поезда // М.:Датчики и системы (в печати).

7. Senyanskiy D. Problem of increasing the accuracy of railway carriages weighing in motion. // XVII IMEKO World Congress. Metrology in the Third Millennium, HMD Croatian Metrology Society, IMEKO: 2003.

Подписано в печать 27.10.04. Формат 30x42 1/8. Бумага типографская № 1. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 305. 125080, Москва, Волоколамское ш., 11 Издательский комплекс МГУПП 20

»23257

Введение

Глава 1. Формулировка задачи исследований

1.1. Обоснование необходимости проведения исследований

1.2. Актуальность и степень заинтересованности субъектов рынка

1.3. Состояние вопроса

1.4. Задачи исследований

1.5. Обоснование возможностей альтернативных методов 27 1.5.1. Принципиальные основы альтернативных методов

1.6. Разработка физической модели весоизмерительной системы динамического взвешивания и ее составных компонентов

1.6.1. Принципы формирования физической модели

1.6.2. Анализ влияющих факторов.

1.6.3. Автосцепка, как фактор влияния на точность измерения

Задача идентификации (измерения) массы подвижных объектов является важным звеном в цепи производственно-технологических отношений в различных областях деятельности хозяйствующих субъектов рынка и оказания услуг населению. Несмотря на вполне понятную значимость> этих задач и наличие к настоящему времени вполне сложившихся представлений о том, как они решаются, существует необходимость как в улучшении качества удовлетворения потребностей рынка, так и в расширении областей применения существующих и вновь разрабатываемых измерительных средств.

Речь идет, в первую очередь, об областях, связанных с обеспечением! перевозок пассажиров и грузов средствами железнодорожного, автомобильного и авиационного - транспорта. Проблема измерения массы "борта" обретаеъ различную значимость в зависимости от целей перевозок и назначения грузов.

Например, для авиационного транспорта доминирующим < требованием может быть требование повышения гарантии безопасности полета, в значительной мере, зависящее от знания стартового веса самолета и исключения на этой основе возможности несанкционированной перегрузки борта.

Для автомобильного и в большей степени железнодорожного транспорта, обеспечивающего грузопотоки между производителями и покупателями на различных этапах производственно-технологических и финансовых отношений важно иметь оперативные средства контроля массы единиц подвижного состава с требованиями, отвечающие специфике перевозимых грузов и в соответствии с существующими стандартами. По многим причинам возникает необходимость контроля массы подвижных объектов не только на начальном и конечном пунктах следования, но и на промежуточных фазах перевозок желательно без нарушения графика перевозок. То есть, в текущем масштабе времени.

Если на начальном и конечном этапах транспортировки проблема измерения массы принципиально решается традиционными весоизмерительными средствами, то на промежуточных фазах движения не всегда удается обеспечить измерения с требуемой достоверностью. Это связано с отсутствием достаточного количества измерительных терминалов, их невысокой пропускной способностью, а главное в том, что не решены многие принципиальные вопросы обеспечения необходимого качества измерения массы в режиме транзитного движения объекта в зоне измерения.

Область техники, представляющей предмет анализа и исследования в представленной диссертационной работе, связана с проблемами измерения веса грузов, перемещаемых различными транспортными средствами. В первую очередь это объекты авиационного и железнодорожного транспорта.

В этой задаче существуют определенные трудности, не позволяющие в настоящее время иметь оперативную информацию о состоянии перевозимых грузов по данному параметру на всех необходимых фазах без нарушения ритма и графика движения. Это связано как с недостаточно проработанными принципиальныхми вопросами по рациональной организации процедур измерения веса в движении, так и из-за проблехМ экономического и производственно-технологического характера.

Известны способы и средства построения весоизмерительных терминалов, предназначенных для статического взвешивания различных объектов транспорта, в том числе, самолетов, автомобилей и железнодорожных вагонов, как отдельных, так и сцепок вагонов, если приемная платформа системы допускает их одновременное размещение [4, 7, 18, 43, 46, 47, 55]. Это достаточно дорогостоящие сооружения, сложные в эксплуатации и в части метрологической аттестации и сертификации. Они обеспечивают высокую точность, но доступны лишь ограниченному числу производителей продукции, как правило, крупным предприятиям. "Пропускная способность" таких терминалов невысока. На них осуществляется лишь начальная фаза контроля, например, на выходе груза с предприятия.

Известны способы и средства построения весоизмерительных терминалов, предназначенных для динамического режима взвешивания как отдельных объектов, так и сцепок вагонов методами статического взвешивания [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19, 24, 41, 48]. Они позволяют обеспечить оперативность контроля, в принципе, не нарушая графика движения, но имеет более низкую точность из-за наличия множества влияющих на результат измерения факторов.

Среди известных систем подобного рода можно выделить весоизмерительные терминалы динамического взвешивания таких фирм, как Metller Toledo (Швейцария-США), Weightline (Великобритания), Pivotex (Финляндия) и др. В отечественной практике потребности внутреннего рынка обеспечивают весоизмерительные системы ЗАО "ВИК "Тензо-М" [8, 9J, которые используются на многих промышленных предприятиях России и стран ближнего и дальнего зарубежья.

Самостоятельное значение" имеет проблема оперативного измерения взлетной массы пассажирских и транспортных самолетов, прежде всего, из соображений безопасности, для исключения самой возможности получения разрешения на взлет из-за несанкционированной перегрузки. В настоящее время не представляется возможным обеспечить решение такой задачи виду отсутствия технических средств необходимого качества.

В этой связи оправдан поиск альтернативных возможностей создания весоизмерительных комплексов, обеспечивающих требуемую точность в сочетании с оперативностью, автономностью и доступностью для широкого применения.

В данной работе рассмотрены как возможности создания альтернативных средств оперативного контроля веса подвижных объектов широкого назначения, основанные на разработках кафедры "Измерительные комплексы систем ориентации и навигации" Московского авиационного института (Государственного технического университета), так и пути улучшения потребительских свойств существующих, находящихся в реальной эксплуатации измерительных терминалов динамического взвешивания фирмы ЗАО "ВИК "Тензо-М".

Актуальность диссертационной работы

Анализ реальных потребностей рынка показал, что существует необходимость в создании средств оперативного контроля массы (веса) транспортных средств различного назначения и оснащении такими средствами заинтересованных потребителей. Потребность диктуется как экономическими соображениями в системе договорных отношений производителя товарной продукции и потребителя-(покупателя), так и соображениями безопасности в организации перевозок пассажиров и грузов, в первую очередь на линиях аэрофлота.

Анализ состояния в рассматриваемой области техники показал, что растущие потребности рынка далеко не обеспечены, а в некоторых случаях просто не имеют принципиальных решений, отвечающих уровню предъявляемых требований.

Оценка качества существующих весоизмерительных систем, достигнутого уровня показателей, их доступности для пользователей в» традиционном и нетрадиционном применениях выявили как необходимость проведения исследований, расширяющих возможности существующих систем, так и поиска новых нетрадиционных возможностей определения массы транспортного средства, в частности, взлетной массы самолета.

Требуется комплексный подход, воспринимающий в органическом единстве не только собственно весоизмерительный терминал с его функционально необходимыми элементами, но и совокупность сопряженных с ним узлов и элементов (подъездные пути, их рельсовые участки с узлами стыковки, подстилающая поверхность, сам вагон как многомерная динамическая система и др.), влияющих на результат измерения. Необходима разработка комплексной физической модели, достоверно отражающей взаимосвязанные процессы в процессе реального измерения, позволяющей выявить, ранжировать и учесть или минимизировать доминирующие дестабилизирующие факторы.

На базе таких физических моделей необходимо разработать математические модели и провести анализ с выявлением рациональных соотношений, принципиальных, конструктивных и технологических особенностей, относящихся как к электромеханической части весоизмерительного терминала и подъездных путей, так и к программно-алгоритмической системе регистрации и обработки результатов измерения.

Актуальной является и задача расширения области возможного применения предлагаемых решений в технических приложениях, для которых эти инструментальные средства ранее были недоступны из-за их отсутствия, или из-за относительно невысокой точности и дороговизны.

Целью диссертационной работы является анализ принципиальных основ и. новых возможностей создания весоизмерительных систем для1 ранее необеспеченных необходимыми средствами измерения секторов рынка. А также всестороннее исследование структуры и конструктивных особенностей существующих весоизмерительных терминалов, с целью расширения их возможностей в решении новых и традиционных задач, повышение достоверности измерения в динамическом режиме.

Важной компонентой исследования является всесторонний анализ дестабилизирующих факторов и выявление возможностей их минимизации с использованием принципиальных, конструктивных и программно-алгоритмических мероприятий для улучшения потребительских качеств весоизмерительных средств.

Задачи диссертационной работы

В рамках сформулированной проблемы и в соответствии с целями диссертационной работы основными задачами проводимых исследований являются:

• Проработка и научное обоснование возможностей создания альтернативных методов и средств оперативного контроля массы подвижных объектов, преимущественно взлетной массы самолетов.

• Разработка физических моделей и процедур измерения веса вагонов в процессе их транзитного движения в зоне весоизмерительного терминала с выявлением и учетом влияющих факторов и их ранжированием по уровню вносимых дестабилизаций.

• Обоснование и выработка критериев идентификации вагонов, находящихся в реальной эксплуатации, по их характерным конструктивным признакам, как необходимое условие идентификации измеренных сигналов и привязки их принадлежности к конкретному вагону.

• Формирование требований к протяженности приемной платформы в зависимости от класса решаемых задач и характера грузов, заполняющих кузов вагона.

• Разработка и реализация алгоритмов идентификации.

• Разработка математической модели процедур взвешивания, максимально соответствующей обоснованной физической модели. Анализ вариантов моделирования и выработка рекомендаций принципиального и конструкторского планов с учетом требований.

• Разработка методики экспериментальных исследований с целью оценки корректности физической и математической моделей и выводов на их основе.

• Выработка рекомендаций по улучшению возможностей традиционных схем и перспективе их дальнейшего совершенствования. А также прогноз на организацию и проведение соответствующих мероприятий направленных на решение более широкого класса задач на базе разработанных предложений.

Методы исследования

Решение задач диссертации в рассматриваемых приложениях стало возможным при использовании научных знаний в смежных областях техники: системы ориентации и навигации в авиационном исполнении, вопросы метрологии применительно к весоизмерительным системам для объектов автомобильного и железнодорожного транспорта и др. Такое сочетание позволило предложить ряд нетрадиционных решений.

При решении сформулированных задач используется системный подход к оценке процессов, сопровождающих измерение (идентификацию) веса (массы) конкретного объекта. Например, вагонов в процессе их транзитного проезда приемной зоны весоизмерительного терминала с учетом совокупности физических закономерностей и взаимосвязанных явлений, отражающих реальную картину происходящего, влияющих на конечный результат. Это позволяет выявить доминирующие дестабилизирующие факторы, предъявить обоснованные требования к организации структуры и конструкции как самого измерительного терминала, так и сопряженных с ним участков железнодорожного пути и создать на этой основе корректную физическую и математическую модели.

В работе использованы методы теоретической механики, сопротивления материалов, математического анализа, вероятностные методы оценок результатов измерения, методы физического и математического моделирования с использованием современных компьютерных технологий, а также реальные экспериментальные исследования с целью оценки корректности теоретических выводов.

Научная новизна

В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты.

Проведено научное обобщение значимости проблемы измерения массы материальных объектов в составе транспортных средств как с точки зрения прямого назначения весоизмерительных систем (задачи товарно-денежных отношений), так и в смежных областях. Показано, что масса объекта является параметром, знание которого в ряде случаев решает проблему безопасности. Для этих случаев недостаточно располагать известными техническими средствами. Нужен поиск новых альтернативных средств.

Обоснована возможность создания альтернативных средств измерения массы подвижных объектов, использующих информационные ресурсы бортовых систем навигации самолетов (ИНС). Разработаны принципы построения таких измерительных систем, при реализации которых решаются, в частности, задачи обеспечения безопасности полета по причине возможной несанкционированной перегрузки борта.

Разработана физическая модель процесса измерения, достоверно отражающая реальные процессы, позволяющая повысить точность измерения веса.

Дан анализ типоразмеров и конструктивных особенностей наличного парка вагонов, находящихся в реальной эксплуатации и выработаны критерии их идентификации, использование которых позволяет проведение процедур идентификации в автоматическом режиме по результатам обработки сигналов на выходе измерительной системы.

Сформулированы требования к размерам приемной платформы весоизмерительного терминала в зависимости от класса решаемых задач, характера перевозимых грузов и требований к точности регистрации. Для каждого варианта разработаны алгоритмы идентификации, и реализованы программы.

На базе физической модели разработана математическая модель и проведено моделирование основных процессов и оценка ожидаемых результатов.

Разработана методика экспериментальных исследований и проведен реальный эксперимент, результаты которого подтвердили основные теоретические выводы и наметили направления дальнейших исследований.

Практическая ценность

Работа в своей изначальной постановке ориентирована на решение проблем в реально существующем секторе рынка, не в полной мере обеспеченном средствами измерения. Анализ состояния разработок и находящихся в эксплуатации весоизмерительных систем и проведенные исследования позволили выявить как дополнительные резервы улучшения потребительских свойств существующих систем, так и определить новые приложения этих систем для ряда других задач.

Практическое значение имеют следующие результаты, полученные в работе.*

Разработаны научные основы построения альтернативных методов измерения массы, для практической реализации которых не просматривается принципиальных затруднений.

Разработанные критерии идентификации вагонов, применимые для более чем 95% наличного парка вагонов, позволяют автоматизировать процесс идентификации в широком диапазоне прикладных задач.

Рекомендации по обоснованию протяженности приемной платформы весоизмерительного терминала и алгоритмы идентификации для каждого варианта.

Методика обработки информации по результатам реального проезда вагонов железнодорожного состава через метрологическую зону с использованием результатов физического и математического моделирования.

Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских госбюджетных и хоздоговорных тем кафедры 305 (Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации) Московского авиационного института (Государственного технического университета) МАИ.

В частности, в рамках Государственной научно-технической Программы "Транспорт" по Разделу 1, по Этапу №4. "Результаты исследования алгоритма прогнозирования грузопотоков и оптимизации маршрутов ВС. Формирование облика системы идентификации массы. Выработка рекомендаций по формированию рациональной структуры и составу комплексных систем". Госрегистрация №01200110877. Инв. 044018, 2002 г.

Результаты диссертационной работы используются в существующих и вновь разрабатываемых изделиях предприятия ЗАО "ВИК "Тензо-М".

Апробация работы

Основные результаты, полученные в диссертационной^ работе, докладывались и обсуждались на ■ следующих научно-технических конференциях:

1. Всероссийская молодежная научная конференция VI Королевские чтения, Самара.: СГАУ, 2001г.

2. Всероссийская молодежная научная конференция VII Королевские чтения, Самара.: СГАУ, 2003г.

3. XVII IMEKO World Congress. Metrology in the Third Millennium, HMD Croatian Metrology Society, 2003r.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ, из них 2 статьи, 1 научно-технический отчет, 4 - тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 157 страниц основного текста, 28 страниц приложений, 60 иллюстраций (рисунки, графики), 124 формулы, 22 таблицы. Список литературы содержит 96 наименований.

4.9. Выводы и рекомендации к проведению экспериментальной проверки

В результате разработанной математической модели кузова вагона были определены значения частот основных колебаний для груженых (~2Гц) и порожних (-5-6Гц) вагонов.

На основе полученных данных выставлены требования > по организации весоизмерительной системы, с целью уменьшения степени влияния колебательных процессов, присутствующих в системе во время взвешивания:

• Обоснована необходимость использования жесткой'подстилающей поверхности (железобетонного фундамента) для измерительного участка и подъездных участков путей;

• ' Получена методика определения требований к длине подъездных участков, максимальной высоте неровностей пути на участках, а также к скоростному режиму движения состава при взвешивании для обеспечения успокоения колебаний кузова вагона на подходе к измерительному участку в зависимости от требуемого класса точности системы.

Показана зависимость возможного отклонения результата измерения от статического значения веса при различных конфигурациях весоизмерительной системы (поосное, повагонное и потележечное взвешивание) и различных режимах движения.

Проведенные исследования дают возможность анализа факторов, влияющих на качество измерения, и повышения точности измерения. Корректность теоретических выводов необходимо оценить на результатах экспериментальных проверок на стандартной аппаратуре.

Глава 5. Экспериментальные исследования

В соответствии с проведенными исследованиями в рамках сформулированной проблемы удалось показать возможность выявления дополнительных резервов улучшения потребительских качеств существующих систем динамического взвешивания и наметить пути дальнейшего расширения области их применения. Выявлены факторы, оказывающие дестабилизирующее влияние на точностные показатели, предложены конструкторско-технологические мероприятия,- реализация которых позволит получить определенные преимущества в улучшении потребительских свойств весоизмерительной системы.

Проведены теоретические исследования. Разработана физическая модель процесса динамических измерений. Учтены реальные закономерности во взаимодействии объекта исследования (вагон в сцепке с соседними вагонами железнодорожного состава в режиме транзитного проезда грузоприемной платформы) с элементами весоизмерительного терминала, позволившая проследить степень взаимного влияния компонентов системы на конечный результат.

Даны обоснованные рекомендации, позволяющие снизить уровень дестабилизирующих факторов. Реализация таких мероприятий позволяет достичь прогнозируемых характеристик и обоснованно сформировать требования к структуре и компонентам весоизмерительной системы, в зависимости от класса решаемых задач и предъявленных требований.

На базе рассмотренной физической модели разработана математическая модель динамической системы объекта исследования - взвешиваемого вагона. С учетом сформированных требований к основным узлам системы и принимая во внимание обоснованный принцип измерения веса конкретного вагона (по сумме сил давления колес на грузоприемную платформу) выделены те компоненты движений кузова вагона, несущего перевозимый груз, который оказывают непосредственное влияние на силы давления.

Таким образом удалось понизить порядок динамической системы до шестого. Выделены основные компоненты колебаний кузова («поступательное» по оси Z - «подпрыгивание», — угловое относительно поперечной оси — тангаж или «галопирование», и креновое - относительно продольной оси - боковая качка).

Показано, что каждое из этих движений может рассматриваться независимо от других, а результат оценивается как их линейная комбинация. Помимо этого показана дополнительная возможность минимизации влияния этих видов движения» в случае реализации предложенного алгоритма формирования выходного сигнала с учетом принятого варианта реализации измерений (поосное, потележечное, повагонное).

Целью экспериментальных исследований является проверка физической и математической моделей процесса измерений, корректности теоретически обоснованных выводов и рекомендаций, определяющих перспективы и тенденции развития существующих и вновь создаваемых систем.

В соответствии с формулированной целью в данной главе необходимо решить следующие задачи:

• Оценить структуру реальных сигналов, их спектральные характеристики. Выявить источники доминирующих возмущений, их соответствие теоретически ожидаемым результатам. Уточнить математическую модель по данным экспериментов.

• Сравнить теоретически ожидаемые характеристики с экспериментальными данными для случаев работы с исходным сигналом и при использовании рекомендованных алгоритмов обработки.

-1315.1. Схема эксперимента

5.1.1. Весоизмерительная система, используемая в эксперименте

В качестве экспериментальной принята существующая в реальной эксплуатации система, в которой хотя и не были реализованы многие рекомендации, сформированные в диссертации, ее можно рассматривать как некоторый неоптимальный частный случай. Полученные результаты, тем не менее, позволят выявить основные тенденции и дополнительные возможности для совершенствования.

В качестве исследуемой весоизмерительной системы используются весы вагонные динамические типа РД-Д-30 производства ЗАО «ВИК «Тензо-М», компании, одной из лидеров на рынке российского весостроения. Технические характеристики выбранной системы приведены в Таблице 1.3.

Весы типа РД-Д-30 используются для поосного динамического взвешивания вагонов. Длина грузоприемной платформы составляет 1,24м, допускает одновременное расположение одной колесной пары в каждый момент времени (см. Рис.5.1. в Приложении 5.1). Конкретный экземпляр системы, используемый в экспериментальный исследованиях, установлен на Комбинате Нерудных Сырьевых Материалов «Орешкинский», Рузский р-н, М.О.

5.1.2. Объект исследования

В качестве объекта исследования использовался состав из локомотива и трех вагонов (одного груженого и двух пустых, см. Рис. 5.1). В качестве груза использовался продукт комбината - песок, щебень и пр. Результаты статического взвешивания состава приведены в Таблице 5.1. локомотив 1

Измерительная система

Рис. 5.1. Расположение вагонов в составе относительно измерительной системь

В Таблице 5.1. представлены данные о динамическом взвешивании трех вагонов. Первый из них несет полезный груз, два других - порожние. По каждому вагону представлены результаты поосного взвешивания в статическом режиме. Зафиксированы данные поосного взвешивания в динамическом режиме, при «наезде» на платформы условно слева и справа (локомотив тянет или толкает).

5.2. Подготовка данных для обработки

На графике на Рис. 5.2 приведен пример типового сигнала. На горизонтальной оси графика отображается время в секундах, на вертикальной оси отложены коды АЦП — величины, пропорциональные выходному сигналу тензодатчиков системы. Система регистрации организована таким образом, что ведется независимое измерений по каждому рельсу, по двум каналам. Каждый из двух каналов блока АЦП системы преобразовывает сигнал пары датчиков, расположенных под одним рельсом, соответственно, две кривые характеризуют силу давления каждого колес на правый и левый рельсы (отмечены канал 1 и канал 2 на графике). о <

0 с——

Ф •Ш те S ф :га о eai аё 1 eai йе 2 adai у, п

Рис. 5.2. Исходный выходной сигнал, характеризующий проезд колесной пары по грузоприемной платформе

Различия в уровнях сигнала на различных рельсах могут быть обусловлены либо смещением центра тяжести груза относительно продольной оси, либо наличием угловых колебаний вагона (поперечная качка), случайная фаза которых зафиксирована в представленной диаграмме. Понимание природы таких различий позволяет снизить их влияние на конечный результат путем соответствующей обработки сигнала, например, суммированием сигналов левой и правой рельс.

В соответствии с задачами эксперимента измерения, проводились при постоянной скорости движения состава, не превышающей 7 км/ч, как рекомендовано в техническом описании весов РД-Д-30 (см. Таблицу П.2.1). Т.е. локомотив при подъезде, заранее набрав нужную скорость, выдерживал ее в течение времени, пока весь состав не пройдет через измерительный участок. После чего состав останавливался < и производился' аналогичный проезд в обратном направлении. Таким образом, имеется возможность оценить результаты измерения в двух режимах движения: тяги и толкания локомотивом и выявить возможные возмущения из-за взаимного влияния вагонов.

Для повышения достоверности результатов ^ измерений проезды подготовленного к эксперименту состава вагонов,через метрологическую зону производились несколько раз в обоих направлениях движения.

Обработка сигнала производилась с помощью программного обеспечения, и алгоритмов, разработанных автором.

На графике Рис. 5.2 можно выделить несколько характерных участков:

1. грузоприемная платформа пуста («нулевой» уровень АЦП, соответствующий пустой платформе составляет значение, равное примерно 1600 ед.);

2. заезд колесной пары на платформу (переходный процесс, во время которого выходной сигнал блока АЦП возрастает с «нулевого» уровня до некоего «установившегося» значения, которое должно соответствовать силе давления колес на рельс (весу оси);

3. проезд оси вагона по платформе (уровень АЦП соответствует силе давления колес вагона на рельсы с имеющимися явно выраженными колебательными движениями разных частот);

-1344. съезд с платформы (второй переходный процесс, при котором код АЦП возвращается на «нулевой» уровень).

Для проводимых исследований представляет интерес участок 3, в течение которого колесная пара проезжает по грузоприемной. Именно этот участок содержит полную информацию о нагрузке колес на измерительную платформу. Эпюра на Рис 5.2 сформирована АЦП с частотой опроса 300 измерений в секунду.

Возникает вопрос, как извлечь полезную информацию из показанной реализации сигнала с учетом наличия случайных и- систематических погрешностей? Требуется статистическая обработка либо по всему ансамблю измерений, либо по определенной части участка 3. Это вопрос дополнительных исследований и последующих экспериментов.

Для предварительных оценок результатов эксперимента по Табл. 5.1 из сигналов, подобных приведенному на Рис. 5.2, выделены участки средней зоны («полки») и по ним проведена статистическая обработка. В частности, определено математическое ожидание, и эти данные внесены в Таблицу 5.1.

На Рис. 5.3 представлена средняя часть участка 3 эпюры, приведенной на Рис. 5.2, у которой оставлено 80% значений в средней зоне. По этому участку и проведены необходимые анализ и исследования.

Ясно, что это сугубо предварительные измерения, они не являются оптимальными, хотя и позволяют получить ряд заслуживающих внимание выводов. Они дают основания провести в дальнейших экспериментах будут проведены соответствующие уточнения с целью повышения достоверности обработки сигналов с учетом специфики объекта измерения.

С 11500 г < ч: 11000 о Ю500 Е X о X

5 9500 10000 9000 о ооооооооо сч канал 1 канал 2 время, с

Рис. 5.3. Участок сигнала, соответствующий нахождению оси вагона на грузоприемной платформе

Как уже отмечалось, разность уровней воздействия колес на правый и левый рельсы вызвана следующими причинами:

1. Центр масс вагона смещен относительно продольной оси кузова;

2. Наличие боковых колебательных движений кузова (движения по

3. Разность «нулевых» уровней каналов АЦП под левым и правым рельсами.

При проведении эксперимента использовались вагоны, взятые с операции загрузки сыпучими материалами, типичной для предприятия. Отметим, что неравномерное распределение сыпучих грузов по объему кузова относительно осей симметрии является допустимым.

Как видно из графика, по причине неравномерного распределения груза по кузову вагона и возможным боковым колебаниям разница в силе воздействия колес на рельсы может составлять 10%. Для того, чтобы исключить это влияние предложено в дальнейшем рассматривать суммарный сигнал, характеризующий общую нагрузку колесной оси на участок рельс грузоприемной платформу. Это подтверждается результатами частотного анализа (см. Таблицу 5.3). крену)

Для проведения исследований каждая записанная реализация сигнала, характеризующего проезд оси по измерительному участку, была приведена к виду, приведенному на Рис. 5.4:

• Выделена фаза проезда (участок 3). Точки, обозначающие начало и конец «полки», определены геометрически с последующим отступом по 10% длины, для обеспечения надежности;

• На найденном промежутке определено значение математического ожидания (рассматривались как данные каждого канала отдельно, так и сумма сигналов с двух каналов);

• Для каждого значения на найденном диапазоне рассчитано отклонение от мат. ожидания;

• Для построения полученного массива отклонений от среднего, значение мат. ожидания было приведено к нулю, чтобы обеспечить возможность сравнения сигналов, разных по амплитуде.

Рис. 5.4. График отклонений текущих значений сигнала от математического ожидания (масштаб по оси времени в соотв. с Рис.5.2)

-1375.3. Сравнение результатов статического и динамического измерений

В этом разделе экспериментальных исследований и далее за результат динамических измерений принимается среднее значение сигнала на рассматриваемом участке (см. Рис. 5.2, 5,3). Сигнал снимается непосредственно с измерительной аппаратуры без предварительной обработки фильтрующих алгоритмов.

-147-Заключение

В результате проведенных в данной диссертационной работе исследований получены следующие наиболее значимые результаты.

1. Проведенные исследования потребностей в разработке и создании весоизмерительных систем показали, что знание массы подвижного объекта помимо своего прямого значения в нормализации товарно-денежных отношений, необходимо для решения проблемы безопасности, в частности, безопасности авиационных перевозок. В такой* постановке актуальность и значимость проводимых исследований значительно возрастает. Существенно возрастает и круг заинтересованных потребителей, а также расширяется область последующих исследований по вариантам новых приложений.

2. Обоснованы принципиальные основы построения альтернативных вариантов измерителей массы подвижных объектов, основанных на использовании второго закона^ Ньютона, законов сохранения импульса и энергии в сочетании с информационными ресурсами навигационных бортовых систем самолетов. Проведенные исследования, и анализ точностных возможностей дают основание считать обоснованное направление разработок перспективным, а в ряде случаев единственно возможным вариантом решения актуальных задач. Основные приложения: взлетная масса самолета, масса автопоездов в зонах контроля, в частности таможенных терминалов и на любых промежуточных траекториях, отдельные вагоны в зонах морских терминалов и ДР

3. Дан анализ проблем автоматизации процедур дискретного контроля массы единиц железнодорожного состава (вагонов) в процессе их транзитного проезда зоны измерительного терминала. Проведена систематизация наличного парка железнодорожных вагонов, находящихся в реальной эксплуатации на железных дорогах России, насчитывающей более 300 вариантов типоразмеров и конструкций. Выявлены их характерные особенности, допускающие идентификацию по характерным признакам, необходимым для последующего анализа и расшифровки при реализации процедур автоматического взвешивания в режиме движения.

4. Выработаны критерии идентификации вагонов по характерным для каждого класса вагонов признакам и обосновано наличие подобия и соответствия этих признаков как в линейной, так и во временной размерностях. Это позволяет решать задачу идентификации в автоматическом режиме по данным информации при обработке сигналов с весоизмерительного терминала.

5. Разработаны алгоритмы идентификации, для различных вариантов построения и размеров приемной платформы измерительного терминала, реализованные и внедренные в реальные системы.

6. Разработана физическая модель измерительной системы, комплексно учитывающая взаимодействия в процессе измерения и взаимное влияние функционально необходимых и вспомогательных элементов системы динамического взвешивания. Даны обоснованные рекомендации, реализация которых позволяет минимизировать роль дестабилизирующих факторов и повысить достоверность измерений.

7. Разработана математическая модель основных элементов весоизмерительной системы в процессе транзитного проезда вагона в режиме вынужденных колебаний кузова через метрологическую зону. Проведено математическое моделирование, позволившее получить теоретические характеристики выходного сигнала как линейную комбинацию статического сигнала и его модуляцию за счет наличия вынужденных колебаний кузова. Даны рекомендации по минимизации дестабилизирующих факторов, основанные на конструктивных и алгоритмических решениях.

8. Разработана методика экспериментальных исследований и натурных испытаний для проверки корректности теоретических моделей и обоснованности предложенных методов повышения точности. Данные экспериментальных исследований показали возможность снижения погрешностей реальных систем динамического взвешивания до класса точности 0,5 - 0,25. Просматриваются перспективы дальнейшего совершенствования.

9. Результаты проведенных исследований выходят за рамки сформулированных задач и позволяют расширить область их применения в ряде перспективных приложений. В частности, просматривается возможность использования предложенных критериев идентификации в задачах глобального контроля за состоянием железнодорожных составов на всей траектории их перемещения по дорогам страны. Рассмотренные методы идентификации по геометрическим параметрам и соответствующим им временным интервалам в сочетании с упрощенными вариантами реализации весоизмерительных терминалов, дискретно распределенных на траекториях перемещения, позволяют иметь информацию, в частности, о возможных несанкционированных нарушениях экономического характера с привязкой к месту возможных нарушений.

1. Беляев ИМ. Сопротивление материалов, М.: «Наука», 1965г., 856с.

2. Бермант А.Ф., Арамович КГ. Краткий курс математического анализа для ВТУЗов, М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1967г., 736с.

3. Бочаров В.И., Попов В.И1., Тушканов Б.А. Магистральные электровозы переменного тока, М.: «Транспорт», 1974г., 480с.

4. Бринк X. Взешивание грузов в общественном транспорте: вопросы использования вагонных весов. М.: ВЦП №И-24251, 1984г. - 15 с.

5. Брылев А.И. Устройство для определения взлетной массы самолета. Патент Россия №2158905 С1, кл. G 0PG19/07, 1999г.

6. Вериго М.Ф., Львов А.А., Ромен Ю.С., Захаров А.Н. Исследование собственных поперечных колебаний жидкости в котле цистерны в зависимости* от уровня е заполнения, Труды ЦНИИ МПС, Выпуск №347, 1967г.

7. Вершинский С.В, Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона, М.: «Транспорт», 1991 г, 360с.

8. Весы вагонные 7260R. Описание типа средств измерений. Регистрационный №24944-03,2003г.

9. Весы вагонные электронные для взвешивания в движении РД-Д. Описание типа средств измерений. Регистрационный №16916-03,2003г.

10. Весы вагонные электронные РД. Описание типа средств измерений. Регистрационный №16914-03,2003г.

11. Весы вагонные SGW, DGW. Описание типа средств измерений. Регистрационный №22890-02,2002г.

12. Весы вагонные Trapper Scalex. Описание типа средств измерений. Регистрационный №13777-01,2001г.-15113. Весы вагонные Weighline и устройство градуировки RIG. Описание типа средств измерений. Регистрационный №14437-00, 2000г.

13. Весы вагонные ВВ. Описание типа средств измерений. Регистрационный №24131-02,2002г.

14. Весы вагонные ВД-30. Описание типа средств измерений. Регистрационный №16956-03, 2003г.

15. Весы вагонные для взвешивания в движении ВД-50/0,5, ВД-40/0,5. Описание типа средств измерений. Регистрационный №18539-99, 1999г.

16. Весы вагонные тензометрические ВВТ. Описание типа средств измерений. Регистрационный №23083-02, 2002г.

17. Весы вагонные тензометрические для статического взвешивания и взвешивания в движении железнодорожных составов и вагонов «Веста-СД100» «Веста-СД150» «Веста-СД200». Описание типа средств измерений. Регистрационный №24572-03,2003г.

18. Весы вагонные электронные ВВЭ. Описание типа средств, измерений. Регистрационный №22475-02,2002г.

19. Горяинов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Примеры и задачи, М.: «Советское радио», 1980г., 544с.

20. ГОСТ 29329-92 «Весы для статического взвешивания. Общие технические требования».

21. ГОСТ 30414-96 «Весы для взвешивания транспортных средств в движении. Общие технические требования».

22. ГОСТ 8.598-2003 «Весы для взвешивания железнодорожных транспортных средств в движении. Методика поверки».

23. ГОСТ 8.603-2003 «Весы для взвешивания автотранспортных средств в движении. Методика поверки»

24. Грузовые вагоны железных дорог колеи 1520мм. Проектно-Конструкторское бюро, 1998г., 283с.

25. Грузовые вагоны колеи 1520мм железных дорог СССР. М.: «Транспорт», 1989г., 176с.-15227. Гусев Е.М., Маликов Г.Ф., Ракаев А.П., Чухно В.А. Взвешивание движущихся объектов. Обзорная информация

26. ЦНИИТЭИприборостроения, ТС-7, М.: 1974г., 42с.

27. Диетрик Ф. Измерение массы движущихся железнодорожных составов в энергетической промышленности. М.: ВЦП №КБ-025, 1978г. - 13 с.

28. Динэш К. Повышение точности измерения массы движущегося грузового вагона. ТПП УССР Одесса №421-86, 1983г. - 15 с.

29. Дубровский З.М., Попов В.И., Тушканов Б.А. Грузовые электровозы переменного тока, М.: «Транспорт», 1998г., 503с.

30. Дьяконов В.П. MATLAB'6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 Основы применения. Полное руководство пользователя, М.: «Солон-Пресс», 2002г., 768с,

31. Зеленский С.В., Зеленский В.А., Осколков В.В. Некоторые особенности измерения веса движущихся объектов // М.: РИА «Стандарты и качество» Мир Измерений. 2003. №3.

32. Ивановский О.В. Устройство для измерения массы движущихся объектов Патент Россия №2129705 С1, 1997г.

33. Измерительные шпалы // М.: МПС России, «Железные дороги мира» -2000г. №12.

34. Инструкция по эксплуатации, техническому обслуживания, ремонту и метрологическому обеспечению средства измерений массы грузов, перевозимых железнодорожным транспортом Российской Федерации. — М.:МПС, 2002г. 46с.

35. Ихле К, Банхардт В. Средство увеличения противодействия поперечному сдвигу рельсов железнодорожного полотна Патент №DE 40 14 529 А1, 1991г.

36. Кал вер т Ч, Рейсдорф К. Borland С++ Builder 5. Энциклопедия программиста, К.: «ДиаСофт», 2001г., 944с.

37. Колийн М. Автомобильные и вагонные весы. ТПП УССР. Одесск. отд., 1975г. - 141 с.-15339. Конарев Н.С. Железнодорожный транспорт. Энциклопедия, М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1994г. 559с.

38. Кончта А,, Потенциал рельс-земля и электробезопасность в зоне пути // М.: МПС России, «Железные дороги мира» 2000г. №9.

39. Корн Г., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров, М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1978г., 832с.

40. Критерии оценки конструкции. Железнодорожные мостовые весы для взвешивания при движении. М.: ВЦП №С-74207,1987г. - 9 с.

41. Левин М.А., Ленский И.А., Перелъман Е.И., Штрахман Л.Г. Весо-дозировочные системы для отгрузки угля потребителям. — М.: Недра, 1984г.-192 с.

42. Лукин В.В., Шадур Л.А., Котуранов В.Н., Хохлов А.А., Анисимов П.С. Конструирование и расчет вагонов, М.: УМК МПС России, 2000г., 731с.

43. Ловягина Г.К., Маликов Г.Ф., Ставцева Г.Н., Чухно В.А. Взвешивание транспортных средств в движении. Обзорная информация ЦНИИТЭИприборостроения, ТС-7, М.: 1978г., 52с.

44. Микишев Г.Н., Рабинович БЖ Динамика твердого тела с полостями, частично заполненными жидкостью, М: «Машиностроение», 1968г, 532с.

45. Назаров В.Н., Павлов С.А., Рачковский А.Е. Современное состояние и перспективы развития весоизмерительной техники, СОО «Международное НТО приборостроителей и метрологов» Приборы, №12, 2003г.

46. Новые вагонные весы // М.: МПС России, «Железные дороги мира» -2001г. №12.

47. Новые железнодорожные весы. Комитет №34 «Весы». М.: ВЦП №М-39977, 1986г.-8 с.-15450. Оксзак К., Позовняк М. Эксплуатационная модель весов типа TENS-1 для взвешивания сцепленных вагонов на ходу. М.: ВЦП №И-33002, 1984г.- 19 с.

48. Оптимизированная роликовая правка — средство повышения надежности рельсов // М.: МПС России, «Железные дороги мира» -2002г. №10.

49. Палазьян Р.А. Способ определения массы нетто железнодорожных грузов движущегося поезда, Патент СССР №1522045, кл. G 01 G 19.04, 1990г.

50. Перелъман Е.И. Торговые весы: Устройство, эксплуатация, ремонт и поверка. -М.: Экономика, 1977г.

51. Погорелый Б.Г. Справочник осмотрщика вагонов, М.: «Транспорт», 1989г., 127с.

52. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, М: МПС, 2000г, 189 с.

53. Пранке X. Устройство для взвешивания локомотивов. М.: ВЦП №М-25895, 1986г.-8 с.

54. Просек К. Двухплатформенные цифровые электромеханические вагонные весы. ВЦП №Д-18978, 1979г. - 11 с.

55. Романовский П.И. Ряды Фурье, М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973г., 336с.

56. Саинскш И.В. Алгоритмы обработки измерительной информации при взвешивании железнодорожных вагонов на ходу: Автореф. дис. . канд. технич. наук. Челябинск., 1999. 19 с.

57. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике, М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1981г., 448с.

58. Сенянский Д.М. и др. Разработка системы измерения массы движущихся объектов. Буксировочный динамометр. Раздел научно-технического отчета. Тема № 305-01-03 (ПН-840), Лаб. ПНИЛАА 305, МАИ - 2002 г. Госрегистрация № 01200110877. Инв. № 044018

59. Сенянский Д.М. Системы динамической идентификации массы. Тезисы доклада. Всероссийская молодежная научная конференция VI Королевские чтения, Самара.: СГАУ, 2001г.

60. Сенянский Д.М. Системы динамической идентификации массы. Тезисы доклада. Международная молодежная научная конференция Интеллектуальные системы управления и обработки информации, Уфа: УГАТУ, 2001г.

61. Сенянский Д.М. Системы динамической идентификации массы. Тезисы доклада. XV научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-2003)", М.: МГИЭиМ, 2003г.

62. Сенянский Д.М. Системы динамической идентификации массы. Тезисы доклада. Инженерно-физические проблемы новой техники, М.: МГТУ им. Баумана, 2003г.

63. Сенянский Д.М. и др. Вагонные весы. М.: Датчики и системы, №5, 2002г.

64. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов, СПб.: «Питер», 2002г., 608с.

65. Синщин Б.Н., Иванов П.Л., Маликов Г.Ф. Современное состояние и перспективы развития вагонных весов. Обзорная информация ЦНИИТЭИприборостроения ТС-7, вып.1, М.: 1984г., 42с.

66. Страуструп Б. Язык программирования С++, спец. Изд. /Пер. с англ. -М.; СПб.: «Издательство БИНОМ» «Невский Диалект», 2001г. - 1999с.-15672. Уинше В. Поверка мостовых весов для взвешивания железнодорожных вагонов в движении. ВЦП №Мн-80018, 1985г. 20 с.

67. Чащев К.А. Устройство для определения давления колес на рельс Патент СССР №1813204 A3, 1993г.

68. Электронные системы взвешивания: материалы Railweight Inc. (U.K.) -М.: ВЦП №Мн-80027 18 с.

69. Яковлева Т.Г. Железнодорожный путь, М.: «Транспорт», 2001г., 407с.

70. Buchta В. Waage fur Schienenfahrzeuge Патент ФРГ №DE 3813630 А1

71. Carl Schenck AG Wageverfahren Патент Европа №0 500 971 В1, 1992г.

72. Douglas A., Buckingham J. Load measuring device Patent GB №2 364 124 A, 2002r.

73. Gassman H. Wageschiene Патент ФРГ №DE 42 33 116 C2, 1994r.

74. GassmanH., Hose von Wolframsdorff J. Track scales Патент ФРГ №DE 198 48 119 Al, 2000r.

75. Groll P. Sleeper for the rails of a railway Патент ФРГ №WO 02/01003 Al, 2002r.

76. Groll P. Wagevorrichtung fur Schienenfahrzeuge Патент ФРГ № DE 198 59 492 Al, 2000r.

77. Groll P. Weighing device for rail vehicles Патент ФРГ №DE 100 31 092 Al, 2002г.

78. Groll P. Weighing device for rail vehicles Патент ФРГ №DE 198 61 099 Al, 2000г.

79. Hoerlein J. Calibration of weighbridges used for weighing trains in motion Bulletin OIML, №97, An.25, 1984г., стр.28-39.

80. Hoffmann K. An introduction to measurements using strain gages. Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 1989r., 291c.

81. Lundman U. Weighing device for rail mounted vehicles Патент №WO 93/25872, 1993r.

82. Nordstra Kjell H., Rune N.A. Apparatus for weighing railway supported vehicles Патент США №4,170,268, 1979г.-15789. Nordstrom К, Flinth R.N.A. Weighing device Патент США №3, 747,715, 1973г.

83. OIML R 106-1 Автоматические железнодорожные платформенные весы. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания. Издание 1996.

84. OIML R 107-1 Автоматические весы дискретного действия для суммарного учета. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания. Издание 1997.

85. Senyanskiy D. Problem of increasing the accuracy of railway carriages weighing in motion. XVIIIMEKO World Congress. Metrology in the Third Millennium, HMD Croatian Metrology Society, IMEKO: 2003r.

86. Togashu S. Measuring unit for weight of freight car Patent Japan №55031906, 1980r.

87. Wilson N.A. Statistical data for coupled-in-motion weighing and testing Bulletin AREA, IX-X vol.77, №654, 1975г., стр.25-53.

88. Wolfframsdorff #. Radsensor fur Gleise. Патент ФРГ. №0 675 032 Al, 1995г.

89. Wunsche W. Verification of in-motion rail weighbridges Bulletin OIML, №99, An.26, 1985г., стр.30-41.