автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Принципы построения систем полуавтоматической блокировки с адаптивными рельсовыми цепями для железных дорог Вьетнама

ГГ5 ОД

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ 2 В КЮН 200:] РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный университет путей сообщения

(МИИТ)

На правах рукописи

НГУЕН ЗУЙ ВЬЕТ

УДК 681.322 - 181.4:656.25(597)

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКИ С АДАПТИВНЫМИ РЕЛЬСОВЫМИ ЦЕПЯМИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ВЬЕТНАМА

05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного транспорта

(включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТе).

Научный руководитель - доктор технических наук БЕЛЯКОВ И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ШАЛЯГИН Д. В.,

кандидат технических наук, доцент ЛЕУШИН В. Б.

Ведущее предприятие: Московская железная дорога.

Защита диссертации состоится 7 июня 2000 г. в « 1530 » час, на заседании диссертационного совета Д 114.05.04 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТе) по адресу:

101475, ГСП, г. Москва, А - 55, ул. Образцова, 15, ауд. 1541.

' С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТ.

Автореферат разослан 7 мая 2000 года.

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью организации, просим направлять по адресу университета.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 114.05.04,д.т.н., профессор

ШЕЛУХИН В.И.

0^16-0^.054,0 + Oi15.9-Oil.OF-4,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применяемые в настоящее время на железных дорогах Вьетнама системы полуавтоматической блокировки (ПАБ) из-за отсутствия контроля состояний рельсовых линий (КРЛ) на перегонах не обеспечивают необходимый уровень безопасности движения поездов. Спецификой работы рельсовых цепей Вьетнамских железных дорог является их неустойчивое функционирование вследствие влияния внешних климатических факторов. Основным дестабилизирующим параметром, оказывающим мешающее действие на выполнение режимов работы рельсовых цепей, является сопротивление передачи рельсовой линии.

Неустойчивая работа рельсовых цепей в нормальном режиме вызывает задержки поездов. Мешающее действие дестабилизирующих факторов в шунтовом или контрольном режимах снижает уровень безопасности движения поездов.

Эксплуатируемые на железных дорогах Вьетнама системы ПАБ построены на базе морально устаревшей и физически изношенной релейной техники. Поддержание аппаратуры полуавтоматической блокировки в технически исправном состоянии требует значительных эксплуатационных расходов. Отсталость элементной базы систем ПАБ, несовершенство методов расчета режимов работы рельсовых цепей приводят к завышенным оценкам мощности передатчиков, неоправданно высокому расходу электроэнергии и их неустойчивой работе в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.

Дальнейшее совершенствование систем ПАБ связано с переводом технических средств на современную, более надежную микроэлектронную элементную базу, с применением адаптивных алгоритмов обработки сигналов КРЛ.

Актуальность темы диссертации обусловлена потребностью повышения уровня безопасности движения поездов на железных дорогах Вьетнама за счет широкого внедрения систем полуавтоматической блокировки с адаптивными рельсовыми цепями, а также потребностью повышения ус-

тойчивости функционирования систем КРЛ в условиях нестабильности сопротивления передачи рельсовой линии.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованиям, направленным на разработку принципов построения и методов технической реализации микропроцессорных систем ПАБ, устойчиво функционирующих в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, обусловленных нестабильностью сопротивления передачи рельсовых линий перегонов железных дорог Вьетнама.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

- выполнены экспериментальные исследования статистических характеристик сопротивления передачи рельсовых линий для различных по месту и времени условий их проведения;

- разработаны статистические модели сопротивления передачи рельсовой линии;

- разработаны адаптивные алгоритмы функционирования приемных устройств систем КРЛ, обеспечивающие устойчивое функционирование в условиях нестабильности сопротивления передачи;

- получены оценки эффективности разработанных алгоритмов в условиях воздействия комплекса дестабилизирующих факторов, обусловленных нестабильностью сопротивления передачи рельсовой линии;

- разработана структурная схема микропроцессорного приемника системы КРЛ;

- разработаны принципы построения и определены методы технической реализации приемников систем КРЛ для Вьетнамских железных дорог.

Методы исследования. При изучении статистических характеристик сопротивления передачи рельсовых линий использовались экспериментальные методы исследований. В работе применены методы математического анализа, математической статистики (анализ временных рядов, оценка параметров распределений, проверка статистических гипотез), теории

вероятностей и случайных процессов, марковской теории нелинейной фильтрации и обнаружения разладки стохастических процессов.

Научная новизна диссертации состоит в исследовании стохастических характеристик сопротивления передачи рельсовой линии и в разработке его статистической модели. Предложены усовершенствованные методы обработки полезных сигналов для нового поколения приемников систем КРЛ, обеспечивающих устойчивое функционирование в условиях воздействия комплекса дестабилизирующих факторов.

Практическая ценность состоит в выборе и обосновании путей технической реализации нового поколения приемников КРЛ для систем ПАБ Вьетнамских железных дорог. Предложенные методы и разработанные на их основе алгоритмы и технические средства систем КРЛ, позволили научно обоснованно и эффективно решить практически важную задачу обнаружения стохастических сигналов со случайным моментом появления на фоне действия дестабилизирующих факторов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований позволили научно обосновать технические параметры систем КРЛ для Вьетнамских железных дорог. Результаты статистического моделирования алгоритма работы приемника системы КРЛ на ЭВМ подтвердили его высокие эксплуатационно-технические показатели.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на второй научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте", а также на заседаниях кафедры и научно-исследовательской лаборатории "Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте" МГУ ПС в 1998-2000 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликованы две печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена

на 121 странице машинописного теста, содержит 31 рисунок и 4 таблицы. Список использованной литературы содержит 50 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи, решаемые в работе.

В первой главе разработаны технические требования, предъявляемые к системам полуавтоматической блокировки железных дорог Вьетнама.

Анализ методов построения и принципов технической реализации аппаратуры систем полуавтоматической блокировки показывает, что для надёжного и устойчивого фиксирования места положения поезда на перегоне необходимо использовать рельсовые цепи.

С целью повышения достоверности контроля, состояние рельсовой линии следует оценивать на основе анализа нескольких информационных параметров контрольного сигнала. В качестве таких параметров могут использоваться амплитуда и фаза сигнала, скорость изменения огибающей, а также ряд других. Приёмники рельсовых цепей должны быть синтезированы с учётом мешающего влияния дестабилизирующих факторов.

Исходя из концепции совершенствования систем обеспечения безопасности движения поездов железных дорог Вьетнама сформулированы эксплуатационно-технические требования к системам КРЛ, схемам полуавтоматической блокировки, алгоритмическому и математическому обеспечению аппаратных средств.

Характерной особенностью функционирования систем КРЛ на сети железных дорог Вьетнама является пониженное и изменяющееся в широких пределах сопротивление изоляции рельсовых цепей. Повышение работоспособности РЦ на участках с низким сопротивлением изоляции является актуальной задачей для железных дорог Вьетнама.

Перспективным направлением решения проблемы повышения устойчивости работы систем КРЛ в условиях пониженного и изменяющегося сопротивления балласта является совершенствование способов обработки полезных сигналов.

В этой связи в первой главе проведен критический анализ наиболее распространенных способов обработки сигналов КРЛ - метод фиксирования относительного изменения информационных параметров и алгоритм кумулятивных сумм (АКС). В первом случае состояние рельсовой линии проверяется на основе относительного изменения амплитуды полезного сигнала. Приемник сигналов КРЛ реагирует не на абсолютные значения амплитуды, а на скачкообразное изменение одного или нескольких информационных параметров полезного сигнала. Скачкообразные изменения амплитуды происходят при вступлении или освобождении поездом блок -участка, либо при обрыве рельсовой линии.

Работоспособность такого приемника будет определяться соотношениями сопротивлений передачи в нормальном ¿по и шунтовом ¿ПОщн > нормальном ¿по и контрольном ¿пок режимах, рассчитанными при одних и тех же значениях первичных параметров. Для оценки качества работы приемника, построенного по методу фиксирования относительного изменения амплитуды контрольного сигнала, введены коэффициенты потенциальной шунтовой чувствительности Кшп и чувствительности к обрыву рельсовой линии К0п- Они равны отношениям модулей сопротивлений передачи в шунтовом ¿пошн , контрольном ¿пок и нормальном ¿по режимах:

|^пошн[ |^пок|

Кшп=—р-г- > Коп=— (1)

|^ПО | рпо I

Алгоритм кумулятивных сумм основан на сравнении с фиксированными порогами решающей статистки, определяемой рекуррентной процедурой:

[ (у Ь I ® 2 )] +

где (уь | ©2 )> ^о (уь | ® 1)" условные плотности распределения вероятностей наличия параметров сигнала 02 и 0, в выборке | уи | ; ©ь ©г - параметры случайного процесса до и после разладки (в шунтовом и нормальном режимах).

Степень эффективности работы алгоритмов (1) и (2) в приёмниках систем КРЛ оценивалась по вероятностям ошибок первого и второго рода.

Применительно к системам КРЛ под ошибкой первого принята вероятность ложного обнаружения р полезного сигнала в шунтовом, либо

контрольном режимах. Ошибки второго рода характеризуются вероятностью принятия решения об отсутствии сигнала при фактическом его наличии /? .

1 пр

РлО'^ПР

* * * г-;

\ , \ N \

\

0.5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

а

Рис. 1. Зависимости вероятностей ошибок первого и второго рода от отношения сигнал/помеха для АКС.

Из анализа результатов статистического моделирования рассмотренных алгоритмов обнаружения следует, что приёмник, работающий по методу кумулятивных сумм (сплошные кривые), наиболее эффективен для решения задач контроля состояний рельсовых линий, поскольку обеспечивает наименьшие значения вероятностей ошибок, рис. 1.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям статистических характеристик дестабилизирующих факторов, оказывающих существенное влияние на работу систем КРЛ железных дорог Вьетнама.

Одним из наиболее информативным параметром, влияющим на контроль состояния рельсовой линии, является коэффициент передачи по напряжению Кц. Его величина равна отношению напряжения на выходе иРК к напряжению на входе рельсовой линии иПн

(3)

ипн

С целью определения характера поведения коэффициента Ки на ряде железнодорожных линий были выполнены экспериментальные исследования. Измерения напряжений на релейном иРК и питающем концах иПн проводились в различных климатических условиях, в том числе в наиболее неблагоприятных, с точки зрения их дестабилизирующего воздействия на работу систем КРЛ. Одновременно с фиксированием значений напряжений иРК, иПц проводились измерения температуры Т и влажности у окружающей среды. Регистрация напряжений и1!1Ь иРК и параметров окружающей среды осуществлялась регулярно в течение рабочего дня с пятнадцатиминутным интервалом. На всех экспериментальных участках начало сеансов измерений было установлено в 6 часов утра. Продолжительность сеансов регистрации составляла 16-20 часов.

Анализ графиков изменения регистрируемых параметров, приведенных на рис.2, показывает, что наиболее неблагоприятные условия работы рельсовых цепей наблюдались в периоды роста и снижения температуры окружающей среды. В эти интервалы времени величина коэффициента передачи по напряжению Ки снижалась до значений 0,53-0,58 на участке Ханой Жалам, 0,54-0,55 на участке Ланко - Хайван и 0,59 на участке Жап-бат - Вандьен.

Ки У (%), Т(°с)

I, час

Рис. 2. Флуктуации температуры, влажности и коэффициента передачи на участке Ланко-Хайван

Для описания динамических характеристик коэффициента передачи по напряжению Ки как функции температуры и влажности был выполнен регрессионный анализ выборочных значений температуры Т, влажности у и Ки

Анализ графиков зависимостей Ки(Т) позволяет выделить ряд характерных участков изменения коэффициента передачи по напряжению. При невысоких значениях температуры (от 20 до 28 °С), когда влажность балласта велика, наблюдается падение значений Ки с ростом температуры. При повышении температуры от 28 до 36 °С, по мере уменьшения влажности материала балласта, величина коэффициента передачи Кц возрастает. Описанные свойства функции Кц(Т) наблюдались на всех обследованных участках железных дорог Вьетнама.

Дня аппроксимации зависимости КЦ(Т) использована теоретическая модель

Ки=С1+С2-Т) (4)

где С], С2 - определяющие параметры.

Значения определяющих параметров регрессионной модели (4) для двух характерных участков (снижения и неизменности значений параметра К(;(Т)) приведены в табл.1.

Значения определяющих параметров регрессионной модели К^(Т)

Таблица 1

Участок измерений Диапазон измерения температуры, °С Значения определяющих параметров

с, с2

Ланко-Хайван 20-28 1,006 -0,014

28-34 0,606 +0,002

Жапбат-Вандьен 20-28 1,002 -0,013

28-36 0,431 +0,001

Зависимость коэффициента передачи по напряжению Ки от влажности воздуха у для двух характерных диапазонов изменения также носит линейный характер

Ки +с12-у , (5)

где с11, с12 - определяющие параметры.

Численные значения определяющих параметров теоретической модели (5) для рельсовых линий обследованных участков сведены в табл.2.

Значения определяющих параметров зависимостей коэффициента передачи по напряжению от влажности

Таблица 2

Эксперименталь- Диапазон изменения Определяющие

ный влажности, параметры

участок % ¿1 ¿2

Ланко - Хайван 81-86 1,755 -0,012

86-90 3,354 -0,031

Жабат - Вандьен 86-91 1,735 -0,011

92-98 1,892 -0,013

С целью изучения статистических свойств случайных процессов Ки(Т), Ки(у), определения теоретических законов распределения, построения эмпирических корреляционных функций, получения оценок определяющих параметров было проведено усреднение реализаций Ки(Т), Кц(у) на участках локальной стационарности.

\У(Ки)

(58„6)

К,

Рис.3. Экспериментальное распределение и теоретический закон коэффициента передачи по напряжению \У(Ки) рельсовой цепи на участке Ланко-Хайван

На рис.3 приведены графики экспериментального (ступенчатая кривая) и теоретического закона (гладкая кривая) распределения значений коэффициента передачи по напряжению на участке Ланко - Хайван. Из гистограммы экспериментального распределения Ки следует, что в качестве теоретического может быть принят усеченный нормальный закон.

(кц-кД2

\¥(ки) =

-¡Ъя

■ ■ ехр

а

ки

2ст

ки

12166603

А

13 1

где К

ип

1

42К

. к1

китт-ки

\

ехр

к и 1

ехр

' и2

сЗи

■ максимальное и минимальное значения коэффициен-

та передачи по напряжению; Кц , аКи - среднее и дисперсия коэффициента передачи по напряжению; А - коэффициент нормировки.

Значения первых двух моментов коэффициента передачи по напряжению, полученные в результате обработки выборочных значений К[; для каждого из рассматриваемых случаев приведены в табл.3.

Параметры распределения коэффициента передачи по напряжению на различных по месту участках железных дорог Вьетнама

Таблица 3

2

№ п/п Название участка Ки аки

1. Ланко - Хайван 0,658 0,677 0,048 0,061

2. Жапбат - Вандьен 0,674 0,731 0,037 0,031

3. Ханой - Жалам 0,643 0,587 0,025 0,027

Примечание. В числителе приведены значения определяющих параметров усредненных реализаций Ки по влажности, а в знаменателе — при усреднении по температуре окружающей среды.

Полученные результаты количественно описывают устойчивый характер статистических свойств коэффициента передачи по напряжению рель-

совых цепей в условиях воздействия повышенной влажности и температуры окружающей среды.

Типичный образец нормированной автокорреляционной функции ЯКи (т) процесса флуктуаций коэффициента передачи по напряжению

рельсовой линии при изменениях температуры, зафиксированный на участке Ланко - Хайван, приведен на рис.4. Из анализа графиков корреляционных функций 11Ки (т) следует, что они являются знакопеременными и

убывающими с ростом лага т. Ослабление вероятностных связей между сечениями исследуемых процессов Кц с ростом временного сдвига т свидетельствует о случайном характере флуктуаций коэффициента передачи рельсовых линий.

йки СО

Ьад Согг . Э.Е.

1 + 711 , 1765

2 + 424 , 1733

3 + 110 , 1701

4 - 098 ,1663

5 - 165 ,1634

6 - 207 , 1599

7 - 244 , 1564

В 181 , 1528

9 120 ,14 92

10 ■ 012 ,1454

11 + 120 , 1415

12 + 099 , 1375

13 + 070 , 1334

14 - 072 , 1292

15 ■ 146 , 1248

16 - 231 , 1203

17 - 318 , 1155

18 - 320 , 1106

19 - 309 , 1055

20 - 205 , 1001

21 - 092 , 0943

22 + 012 , 08 82

23 + 056 , 0817

24 + 125 , 0746

25 + 122 , 0667

-1,0

о

16,23 22, 22 22, 64 22, 99 24 , 01 25, 69 28, 12

29, 52

30, 17 30, 17

30, 90 31,41

31, 69

32, 00

33, 37 37, 05 4 4, 62 53, 01 61, 60

65, 79

66, 75

66, 77

67, 24 70, 06 73, 39

Р

, 0001 , 0000 , 0000 , 0001 , 0002 , 0003 , 0002 , 0003 , 0004 , 0008 , ООН , 0017 , 0027 , 004 О , 0042 , 0021 , 0003 , 0000 , 0000 , 0000 , 0000 , 0000 , 0000 , 0000 , 0000

Рис.4. Нормированная автокорреляционная функция процесса КиО) на участке Ланко-Хайван

Сравнение корреляционных функций процессов Ки(0, зафиксированных в двух диапазонах температуры, показал, что при невысоких значени-

ях температуры окружающей среды от 20 до 28 °С корреляционная функция убывает быстрее, чем в более высоком диапазоне температур (28-34)°С. Такой характер поведения К.(т) свидетельствует об ослаблении

вклада случайной составляющей процесса К^СО при высоких значениях температуры.

Для аппроксимации автокорреляционных функций процесса флуктуации Ки использовано выражение вида

ЯКи (т) = ехр{-а|х|}-со5ит , (6)

где а - логарифмический декремент затухания корреляционной функции, - круговая частота, линейная частота. Результаты расчетов определяющих параметров приведены в табл.4.

Значения определяющих параметров корреляционных функций

Таблица 4

№ Характеристика Диапазон Значения

п/п окружающей среды изменения определяющих параметров

а со, рад

1 температура (20-28)°С 0,0029 17,0-10"4

2 температура (28-34)иС 0,00012 4,76-10"4

3 влажность (21-86)% 9,63-10"5 8,73-10"4

4 влажность (86-90)% 8,39-Ю"5 6,21-10"4

Разработанные статистические модели позволяют учитывать мешающее действие дестабилизирующих факторов на этапе синтеза приемников систем КРЛ.

В третьей главе рассмотрены вопросы оценки эффективности методов и схем приема информации в эксплуатируемых на железных дорогах Вьетнама системах КРЛ. Целью решения этой задачи является получение оценок вероятностей ложного приема Рт и пропуска Р„р сигналов в нормаль-

ном, шунтовом и контрольном режимах работы рельсовой цепи, определяемые следующими соотношениями:

рпр = |w(ku)• [р{бн < A/Z(t)}; Ки]с1Кц ,

g(ku)

рлпш = |w(ku). [р{еш > a/zo^k.jdi^,

G(Ku)

Рлпк = Jw(Ky) • [p{sk > A/Z(t)};Ku]dKu , G(Ku)

где Кц - коэффициент передачи рельсовой линии по напряжению; р{ •} -условная вероятность ошибочного приема и пропуска сигнала контроля, вычисляемая в предположении постоянства параметра Ки как вероятность выполнения неравенств s>A превышения и непревышения s<A, принимаемой реализации смеси сигнала и помех е заданного порогового уровня А в нормальном, шунтовом и контрольном режимах работы рельсовой цепи; G(Ku) - область интегрирования, определяемая пределами изменения параметров Kjj; Z(t) - сигнал контроля, несущий полезную информацию.

На железных дорогах Вьетнама наиболее широко распространены рельсовые цепи с импульсным путевым приемником переменного тока. Функциональная схема такого приемника представляет собой последовательное соединение устройства защиты и согласования с рельсовой линией, полосового фильтра, линейного детектора огибающей, первого решающего устройства, дешифратора и решающего устройства, фиксирующего наличие импульсных сигналов. Оценка состояния контролируемой рельсовой линии осуществляется первым решающим устройством. Реализация входного сигнала из рельсовой линии подается через устройство согласования на полосовой фильтр. Линейный детектор выделяет огибающую напряжения на выходе фильтра, которая сравнивается с порогом.

Вероятность ошибочного приема элемента сигнала в импульсной системе КРЛ для рассматриваемых режимов работы рельсовой цепи равна

р . = 1 npi

р; |\¥(Ки)[р{ен<А/2(1)}; Ки}1Ки + (1 - р ¡) |\У(ки)[р{8„)А}; Кц^Кц ,

0(к[;) с(ки)

(7)

где ХУ^т) - плотность вероятности случайного параметра Ки; С(Ки) - область интегрирования, определяемая коэффициентом передачи К^; р; — вероятность передачи токовой посылки контрольного сигнала КРЛ; Р{вн(А/2(1)} - условная вероятность того, что огибающая смеси сигнала КРЛ и помехи не превысит значения порога; Р{5„)а} - условная вероятность превышения огибающей помех порогового уровня.

После подстановки в выражение (7) теоретических законов распределения коэффициента передачи и последующего интегрирования получим

+(1-Р,) К"к-КиН е2 (8)

Umax ^Umin KUmax ^Umin

РПр,=Р, fll-QÎKuh.Zo)]—^-+ (1-P,)

J JS-n_____ ~

kuh

x

где Q(x, y) = Jt ■ exp

f t2 , „2 >

2 У

и

m с

■I0(xt)dt - функция Маркума; h = .__

v D

соотношение сигнал/помеха; Z0 = —= - нормированная величина порога;

Uç

S

Io(-) - модифицированная функция Бесселя, KUh, KUk - граничные значения коэффициента передачи рельсовой линии.

Кривые помехоустойчивости импульсной системы КРЛ при действии флуктуационных помех, рассчитанные по (8) приведены на рис.5. Графики построены для четырех значений порога ограничения U0=0,3; 0,4; 0,5 и 0,6. Пунктирными линиями показаны кривые помехоустойчивости, рассчитанные при сопротивлении балласта ги=0,1 Ом-км, сплошными - при ги=1,0 Ом-км.

Из графиков помехоустойчивости следует, что с ростом амплитуды полезного сигнала вероятность ошибки убывает. Для сохранения помехо-

устойчивости на уровне 10"5 при снижении сопротивления балласта до 0,1 Омкм необходимо увеличить уровень сигнала КРЛ на 3 дБ.

4 12 20 Ь ,да

р

Рис. 5. Характеристики помехоустойчивости обнаружителя импульсной системы КРЛ

Четвертая глава диссертации посвящена разработке адаптивного алгоритма обнаружителя системы КРЛ и определению путей технической реализации приемных устройств систем контроля состояний рельсовых линий для Вьетнамских железных дорог.

Дальнейшее совершенствование систем контроля состояний рельсовых линий связано с переводом технических средств на современную, более надежную микроэлектронную элементную базу и применением адаптивных алгоритмов обработки полезного сигнала.

Достоинство адаптивных приёмников KPJI состоит в том, что при успешной настройке априорная неопределённость относительно статистических характеристик сообщений и мешающих воздействий преодолевается полностью, а вероятности ошибок первого и второго рода работы обнаружителя становятся минимальными.

Адаптивный приёмник состоит из двух блоков. Первый представляет собой неадаптивный приёмник, рассчитанный на выделение полезного

сигнала с характеристиками, определяемыми равенством ©; = 0;, i = 1, 2 (здесь ©1 и 0] - амплитуда сигнала KPJI и его оценка в шунтовом режиме работы рельсовой цепи, а ©о и © 1 - в нормальном режиме). Параметры этого блока постоянны во времени. Второй блок представляет устройство адаптации. Здесь формируются оценки параметров сигнала 0) и ©2 априорно неизвестных характеристик сообщения, которые затем вводятся в первый блок для подстройки его параметров.

Рассмотрим пример синтеза рекуррентного алгоритма фильтрации параметров сигнала (©i или ©2 )■ На вход приёмника KPJI поступает аддитивная сумма y(th) сигнала переносчика сообщения S[©(th),th] и мешающего воздействия n(th): y(th) = S[©(th),th]+n(th). Информационный параметр ©(^и помеха n(th) описываются известными законами распределения W(0) и Wn(0).

Выполнив стандартные преобразования, получим следующую систему уравнений для оценки информационных параметров

®h+i = ©h +

- -1 „ f' (9) ^h+l = ^h "Bflh

где

В'в^ФьМ^вь}^,^;

2(пь+1) = -^Мпь+1|пь)|ё11; В"0Ь = АВ'0Ь; Пь+1 =Уь+1-8(©ь+1)

Первое уравнение в системе (9) представляет собой рекуррентное соотношение для получения оценки ©^-м на (Ь+1)-ом шаге. В соответствии со вторым уравнением формируется значение коэффициента усиления Ть+! фильтра информационного параметра.

Рр

0,1

0,01

0.001

4 6 8 10 12 14 16 и2

©1

Рис. 6. Зависимости вероятностей ложного обнаружения от отношения сигнал / помеха.

На рис.6 изображены зависимости вероятностей ложного обнаружения сигнала в шунтовом режиме от отношения 0{/02 для адаптивного и неадаптивного приёмников. Работа обоих приёмников при моделировании происходила в одинаковых условиях. Из анализа кривых следует, что учёт характера изменения параметров полезного сигнала в адаптивном приёмнике дает существенный выигрыш.

Благодаря учёту статистической структуры дестабилизирующих факторов, применению совершенных методов обработки контрольных сигналов, повышению коэффициента возврата приемника длина типовой импульсной рельсовой цепи может быть, увеличена до 20 км. Это позволяет применять аппаратуру микропроцессорной системы числовой кодовой автоблокировки, разработанной в России, на участках с полуавтоматической блокировкой железных дорог Вьетнама для контроля состояния перегонов.

В состав микропроцессорной системы контроля состояния перегона (МСКП) входят два приемопередатчика сигналов КРЛ и устройства защиты и согласования. Приемопередатчик микропроцессорной системы контроля состояния перегона выполнен в виде моноблочного конструктива. Внешнее электрическое подключение приемопередатчика осуществляется с помощью разъёмов, расположенных с задней стороны каркаса. Крепление его к раме релейного шкафа осуществляется винтами. Приемопередатчики МСКП рассчитаны для работы в условиях умеренного и влажного

, О/-ч -.О

климата при температуре окружающей среды от -5 и до +75 ^ и относительной влажности до 95%. По допустимым механическим и климатическим воздействиям они предназначены для работы в путевых релейных шкафах, а также на стативах станционных систем централизации. Электрическое питание осуществляется от одного источника переменного тока частотой 50 Гц напряжением 27 В с допустимым отклонением от номинального значения от -15 до +10%. В тракте передачи сообщений МСКП используется амплитудная манипуляция сигналов. На выходе приемопередатчика формируется сигнал постоянного тока для включения электромагнитного

реле контроля состояния перегона. Аппаратура микропроцессорной системы контроля состояния перегона не позволяет открыть выходной светофор на станции отправления на занятый перегон, а также в случае если на станции приёма лампа красного огня на входном светофоре неисправна.

Расчетный экономический эффект от внедрения МСКП составляет 27,2 тыс. руб. в год на один перегон.

Таким образом, аппаратура МСКП, адаптированная к условиям эксплуатации Вьетнамских железных дорог, по своим технико-экономическим параметрам удовлетворяет требованиям концепции развития систем обеспечения безопасности движения поездов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведены экспериментальные исследования дестабилизирующих факторов рельсовых цепей, выработаны практические рекомендации по оценке помехоустойчивости систем КРЛ, применяемых на железных дорогах Вьетнама. Основные результаты и выводы по диссертационной работе состоят в следующем.

1. Проведен сравнительный анализ методов повышения помехоустойчивости приемников КРЛ. Показано, что контроль состояний рельсовых линий наиболее целесообразно осуществлять методом обнаружения разладки случайного процесса.

2. Сформулирована концепция решения проблемы повышения устойчивости функционирования систем КРЛ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. Наиболее перспективными направлениями решения рассматриваемой проблемы являются: использование принципов обнаружения скачкообразного изменения информационных параметров; применение методов адаптивной обработки сигналов на фоне помех; перевод аппаратуры на микропроцессорную и микроэлектронную элементную базу.

3. Исследованы свойства дестабилизирующих факторов, оказывающих вредное воздействие на работу систем контроля состояний рельсовых линий. На основе статистического подхода разработаны математические мо-

дели процессов, описывающих флуктуации коэффициента передачи рельсовых линий, эксплуатируемых на сети железных дорог Вьетнама.

4. Исследования, проведенные методом статистического моделирования, позволили установить, что использование адаптивных алгоритмов и процедур обработки сигналов, реализованных по методу обнаружения разладки и совместного обнаружения-оценивания, дает существенное повышение устойчивости работы рельсовых цепей.

5. Предложенные в диссертации статистические модели дестабилизирующих факторов, методы повышения устойчивости работы рельсовых цепей, алгоритмы и структурные схемы адаптивных приемников КРЛ использованы при создании микропроцессорной системы контроля состояний перегона для участков с полуавтоматической блокировкой для железных дорог Вьетнама.

Основные научные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Беляков И.В., Нгуен Зуй Вьет. Эксплуатационно-технические требования к системам полуавтоматической блокировки железных дорог Вьетнама/ЛРесурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. Тезисы докладов второй научно-практической конференции.-М.:МИИТ.-1999.-С.У1-13.

2. Беляков И.В., Нгуен Зуй Вьет. Анализ дестабилизирующих факторов в системах контроля состояний рельсовых линий железных дорог Вьетнама// Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. Тезисы докладов второй научно-практической конференции.-М.:МИИТ.- 1999.-С.У1-14.

НГУЕН ЗУЙ ВЬЕТ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКИ С АДАПТИВНЫМИ РЕЛЬСОВЫМИ ЦЕПЯМИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ВЬЕТНАМА

05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Подписано к печати 04, 2000 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1.5. п. л. Заказ ¿48 .Тираж 60

. Типография МИИТа, г. Москва, ул. Образцова, 15.

Введение.

Глава 1. Технические требования к системам полуавтоматической блокировки железных дорог Вьетнама.

1.1. Анализ методов технической реализаций систем полуавтоматической блокировки.

1.2. Разработка технических требований к системам полуавтоматической блокировки для железных дорог Вьетнама.

1.3. Разработка структуры систем полуавтоматической блокировки для железных дорог Вьетнама.

1.4. Методы повышения устойчивости работы систем КРЛ.

1.5. Анализ алгоритмов обнаружения сигналов контроля состояний рельсовых линий.

Глава 2. Анализ дестабилизирующих факторов в системах контроля состояний рельсовой линии.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Методика экспериментальных исследований сопротивления изоляции и рельсов.

2.3. Регрессионные модели дестабилизирующих факторов систем контроля состояния рельсовых линий.

2.4. Статистические характеристики первичных параметров рельсовых линий.

Глава 3. Статистические критерии помехоустойчивости систем КРЛ вьетнамских железных дорог.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Статистический критерий оценки состояния рельсовой линии

3.3. Помехоустойчивость импульсного тракта КРЛ.

Глава 4. Принципы построения и методы технической реализации адаптивных систем КРЛ повышенной длины для железных дорог Вьетнама.

4.1. Выбор и обоснование метода обработки контрольных сигналов для рельсовых цепей железных дорог Вьетнама.

4.2. Пример синтеза адаптивного приёмника рельсовых цепей железных дорог Вьетнама на основе метода совместного обнаружения и оценивания.

4.1. Микропроцессорная система контроля состояний перегона для железных дорог Вьетнама.

4.2. Алгоритм адаптивного приемника сигналов КРЛ.

Важным вопросом ускорения научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте Вьетнама является задача качественного совершенствования систем интервального регулирования движения поездов на основе широкого внедрения последних достижений науки и техники, поскольку это непосредственно связано с обеспечением безопасности, бесперебойности и экономичности перевозок.

Большое внимание, которое уделяется развитию систем интервального регулирования движения поездов на железных дорогах Вьетнама не случайно. Тяжелое экономическое положение страны, обусловленное многолетней войной, привело к снижению объёмов грузовых и пассажирских перевозок и значительному осложнению финансового положения железнодорожного транспорта. Ухудшение экономического и финансового состояния отрасли не позволяет поддерживать материально-техническую базу железнодорожного транспорта, в частности, систем интервального регулирования движения поездов на должном уровне. Увеличение парка аппаратуры с просроченными датами профилактического обслуживания, дефицит комплектующих изделий и ремонтных материалов, отсутствие достаточного контингента высококвалифицированных специалистов неизбежно вызывает рост числа потенциально опасных для движения поездов ситуаций.

Положение с обеспечением безопасности движения поездов, надёжностью функционирования систем интервального регулирования на железных дорогах Вьетнама остаётся острым. Добиться высокого уровня безопасности движения и надёжности работы технических средств, используя традиционные методы построения и устаревшую элементную базу, не представляется возможным. Выход из создавшегося положения состоит в быстрейшем освоении последних достижений науки и технологий, в разработке и внедрении современных технических средств, принципиально новых систем управления, обладающих широкими функциональными возможностями.

Важнейшей функцией систем интервального регулирования движения поездов является контроль состояний рельсовых линий (КРЛ). Аппаратура систем КРЛ предназначена для фиксации занятого или свободного, исправного или неисправного состояний участка пути. Основными требованиями, предъявляемыми к системам КРЛ, являются высокая степень надёжности и безопасности функционирования, а также обеспечение устойчивой работы в условиях действия различного рода дестабилизирующих факторов.

Характерной особенностью дестабилизирующих факторов является априорная неопределённость и непрерывная изменяемость во времени статистических свойств. Усложнение условий работы систем КРЛ требует наиболее полного учёта различий в структурах полезных сигналов и помех. Успешное решение задачи обнаружения в условиях априорной неопределённости о статистических характеристиках сигналов контроля и дестабилизирующих воздействий становится возможным благодаря использованию методов адаптивной обработки. Автоматическое изменение порога принятия решения приёмника позволяет существенно повысить устойчивость функционирования систем КРЛ.

В настоящее время протяжённость участков с пониженным сопротивлением балласта, обусловленным высокой влажностью окружающей среды, на сети железных дорог Вьетнама превышает 500 км. По сетевым данным от 11 до 20% всех неисправностей в работе железнодорожной автоматики происходит из-за колебаний сопротивления изоляции рельсовых линий. На отдельных участках количество отказов по этой причине достигает 65-68%. Расходы, вызванные отказами и неустойчивой работой систем КРЛ в условиях пониженного сопротивления балласта, в 5-8 раз превышают суммарные затраты от повреждений остальных устройств железнодорожной автоматики.

Успешному решению проблемы повышения устойчивости работы систем КРЛ служит разработка принципиально новых методов обнаружения сигналов контроля состояний рельсовых линий, основанных на фиксировании относительного изменения информационных параметров. Применение методов обнаружения скачкообразного изменения информационных параметров в комплексе с адаптивной обработкой сигналов контроля, позволяют проектировать рельсовые цепи, устойчиво функционирующие при колебаниях сопротивления изоляции от десятков Ом-км до сотых долей Ом-км.

В настоящее время свыше 60% протяженности железных дорог Вьетнама оборудованы системами полуавтоматической блокировки. На этих участках отсутствует контроль состояния рельсовых линий перегонов, что за последние годы явилось одной из причин повышения аварийности работы железнодорожного транспорта. Для устранения этих недостатков в программе развития железных дорог Вьетнама предусмотрено приоритетное выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание систем, обеспечивающих контроль состояний перегонов и кодирование участков приближения. Применение новых принципов обработки контрольных сигналов, основанных на фиксировании относительного изменения информационных параметров существенно увеличивает длину рельсовой цепи, что даёт возможность контролировать состояние межстанционных перегонов.

Использование микропроцессорной элементной базы позволяет реализовать в реальном масштабе времени помехоустойчивые методы обработки сигналов, любые сложные алгоритмы функционирования систем интервального регулирования и одновременно расширить их функциональные возможности. Внедрение микропроцессорной элементной базы позволяет повысить надёжность, уменьшить инерционность, сократить стоимость, снизить энерго и материалоёмкость.

Отличительными чертами приёмников сигналов КРЛ на базе микропроцессорной техники являются: высокий уровень унификации элементов, возможность перепрограммирования на реализацию тех или иных функций без изменения состава технических средств, возможность расширения функций путем добавления новых программ в систему математического обеспечения, сокращение расходов и упрощение этапов разработки и проектирования, автоматизация процессов диагностики и настройки аппаратуры при производстве и др.

Диссертационная работа посвящена анализу результатов экспериментальных исследований статистической структуры дестабилизирующих факторов, оказывающих мешающее влияние на работу систем КРЛ; разработке их математических моделей; разработке методов построения нового класса приёмников сигналов контроля состояний рельсовых линий, основанных на фиксировании скачкообразных изменений информационных параметров, обеспечивающих существенный выигрыш в достоверности результатов обработки и устойчивости функционирования в сложной сигнально-помеховой обстановке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведены экспериментальные исследования дестабилизирующих факторов рельсовых цепей, выработаны практические рекомендации по оценке помехоустойчивости систем КРЛ, применяемых на железных дорогах Вьетнама. Основные результаты и выводы по диссертационной работе состоят в следующем.

1. Проведен сравнительный анализ методов повышения помехоустойчивости приемников КРЛ. Показано, что контроль состояний рельсовых линий наиболее целесообразно осуществлять методом обнаружения разладки случайного процесса.

2. Сформулирована концепция решения проблемы повышения устойчивости функционирования систем КРЛ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов. Наиболее перспективными направлениями решения рассматриваемой проблемы являются: использование принципов обнаружения скачкообразного изменения информационных параметров; применение методов адаптивной обработки сигналов на фоне помех; перевод аппаратуры на микропроцессорную и микроэлектронную элементную базу.

3. Исследованы свойства дестабилизирующих факторов, оказывающих вредное воздействие на работу систем контроля состояний рельсовых линий. На основе статистического подхода разработаны математические модели процессов, описывающих флуктуации коэффициента передачи рельсовых линий, эксплуатируемых на сети железных дорог Вьетнама.

4. Исследования, проведенные методом статистического моделирования, позволили установить, что использование адаптивных алгоритмов и процедур обработки сигналов, реализованных по методу обнаружения разладки и совместного обнаружения-оценивания, дает существенное повышение устойчивости работы рельсовых цепей.

115

5. Предложенные в диссертации статистические модели дестабилизирующих факторов, методы повышения устойчивости работы рельсовых цепей, алгоритмы и структурные схемы адаптивных приемников KPJI использованы при создании микропроцессорной системы контроля состояний перегона для участков с полуавтоматической блокировкой для железных дорог Вьетнама.

1. Лисенков В. М. Теория автоматических систем интервального регули-рования.-М.: Транспорт.-1987.-150 с.

2. Лисенков В. М. Безопасность технических средств в системах управления движения поездов.-М.: Транспорт.-1992.-192 с.

3. Лисенков В.М., Беляков И.В. и др. Система автоматической локомотивной сигнализации АЛС-ЕН//Автоматика, телемеханика и связь.- 1989.-№ 1.-С.8-12.

4. Лисенков В.М., Шалягин Д.В., Беляков И.В. и др. Эксплуатационные и технические характеристики Единого ряда систем управления движением поез-дов//Единый ряд систем управления движением поездов: Межвуз. сб. науч. тр./ МИИТ.-1989.-Вып. 816.-С.14-26.

5. Брылеев А. М., Шишляков А. В., Кравцов Ю. А. Устройство и работа рельсовых цепей.-М.: Транспорт-1966.-264 с.

6. Брылеев А. М., Кравцов Ю. А., Шишляков А. В. Теория, устройство и работа рельсовых цепей.-М.: Транспорт.-1978.-344 с.

7. Аркатов В. С., Кравцов Ю. А., Степенский Б. М. Рельсовые цепи анализ работы и техническое обслуживание.-Москва: Транспорт.-1990.-295 с.

8. Беляков И.В., Красковский А.Е., Разумовская Е.А. Обнаружение изменений параметров сигнала при управлении железнодорожными светофора-ми//Статистические проблемы управления: Методы распознавания случайных процессов.-Вильнюс, 1990.-Вып. 89.-С.25-31.

9. Беляков И.В., Крылов А.Ю., Ковалев И.П. Микропроцессорный путевой приёмник для рельсовой цепи//Радиоэлектронные и микропроцессорные системыобеспечения безопасности движения транспорта: Межвуз. сб. науч. тр. / МИИТ.-1990.- Вып. 828.-С.27-28.

10. Бубнов В. Д., Дмитриев В. С. Устройства СЦБ, их монтаж и обслуживание: Полуавтоматическая и автоматическая блокировка, 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Транспорт.-1989.-366 с.

11. Шелухин О.И., Беляков И.В. Обнаружение сигналов на фоне узкополосных негауссовских помех//Изв.вузов.-Радиоэлектроника.-1988.- Т.31.-С.64-65.

12. Шелухин О.И., Беляков И.В. Обнаружение марковских сигналов методом разладки в негауссовских помехах//Радиотехника.-1989.-№ 12.- С.38-41.

13. Проблемы соединения Вьетнамских железных дорог с другой. Специальный журнал транспорта. -1995.

14. Беляков И.В. Контроль состояний рельсовых линий при наличии помех от тягового тока: Дисс. канд. техн. наук: 05.22.08.-Защищена 10.06.88; Утв. 11.01.89.-М., 1988.-336 с.

15. Шелухин О.И., Беляков И.В. Негауссовские процессы СПб.: Политехника, 1992.-312 с.

16. Беляков И.В., Костыря В.И., Красковский А.Е. Использование принципов обнаружения разладки случайных процессов для контроля состояния рельсовых цепей/С.-Петербургский ин-т инж. ж.д. трансп.-1990. -14 с. Деп. в ЦНИИ ТЭИ МПС, № 5299.

17. Беляков И.В., Ковалев И.П., Грушка В.А. Эффективность алгоритма кумулятивных сумм в системах контроля состояний рельсовых линий// Микроэлектронные системы управления движением поездов: Межвуз. сб. науч. тр./МИИТ.-1993.-Вып. 876.-С.10-16.

18. Беляков И.В., Суханова Н.В. Анализ работы микропроцессорного приёмника сигналов КРЛ в условиях воздействия дестабилизирующих факто-ров//Микроэлектронные системы управления движением поездов: Межвуз. сб. науч. тр. МИШ.-1993.-Вып. 876.-С.22-26.

19. Гайдук И.А., Минин В. А. Устройства контроля перегона с использованием счётчиков осей // Ж.-д. транспорт. Сер. Сигнализация и связь: ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС.- 1992. Вып.2. -С. 1-14.

20. Устройство контроля свободности пути. Патент ФРГ 32 35733. МПС СССР КБ Глав. упр. Сигнализация и связь. 77/85.-М.23.10.85.

21. Дрейман О. К., Культин В. Б., Молодцов В. П. Система контроля свободного состояния перегонов без рельсовых цепей. ЛИИЖТ.-1987.

22. Колон Гонсалез Хосе де Хесус. Микроэлектронные рельсовые цепи с относительной оценкой состояния линии. Дисс.канд. техн. наук: 05.22.08. -М., 1988.- 136 с.

23. План развития транспорта в важных городах. Министр транспорта -специальный журнал -1995.

24. Беляков И.В. Распознавание сигналов в условиях негауссовских по-мех//Функционирование радиотехнических систем в условиях негауссовских помех: Сб. науч. тр./МТИ.-1992.-С.89-93.

25. Беляков И.В., Суханова Н.В. Помехоустойчивость алгоритма кумулятивных сумм в негауссовских помехах//Функционирование радиотехнических систем в условиях негауссовских помех: Сб. науч. тр./МТИ.- 1992.-С. 101-108.

26. Беляков И.В., Леушин В.Б. и др. К вопросу об измерениях параметров сигналов рельсовых цепей//Микроэлектронные системы управления движением поездов: Межвуз. сб. науч. тр./МИИТ.-1992.-Вып. 862.-С.9-12.

27. Беляков И.В., Суханова Н.В. Обнаружение сигнала контроля состояний рельсовой цепи в негауссовских помехах //Микроэлектронные системы управления движением поездов: Межвуз.сб.науч.тр./МИИТ.-1992.- Вып. 862.-С.83-87.

28. Беляков И.В., Леушин В.Б. Результаты исследований помех от переменного тягового тока в высокочастотных каналах связи систем автоблокировки//Изв. вузов. Электромеханика.-1993.-№ 1.-С.56-61.

29. Беляков И.В. Эффективность нелинейной обработки негауссовских помех с бимодальным распределением//Изв.ву-зов. Радиоэлектроника.-1993.-№ 11.-С.73-77.

30. Лисенков В.М., Беляков И.В., Ковалёв И.П., Грушка В.А. Микропроцессорная система числовой кодовой автоблокировки//Автоматика, телемеханика и связь.-1995.-№ 8.-С.7-9.

31. Беляков И.В., Ле Тхи Ван Ань. Результаты экспериментальных исследований сопротивления поездного шунта на железных дорогах Вьетнама/Московский госуд. универ-т путей сообщения.-1996.-22 с. Деп в ЦНИИТЭИ МПС, № 6031 ж.д. 96.

32. Беляков И.В., Ле Тхи Ван Ань. Оценка работоспособности рельсовых цепей в условиях воздействия дестабилизирующих факторов/Московский госуд. универ-т путей сообщения.-1996.- 22 с. Деп в ЦНИИТЭИ МПС, № 6034- ж.д. 96.

33. Беляков И.В. Принципы построения и методы технической реализации микропроцессорных систем интервального регулирования движения поез-дов//Информационно-управляющие системы на ж. д. тр-те.-1996.-№ 3, 4.-С.46.

34. Беляков И.В. Экономические аспекты совершенствования систем авто-блокировки//Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Тез. докл. -M.-1998.-C.V-13.

35. Беляков И.В. Принципы построения и методы технической реализации микропроцессорной системы числовой кодовой автоблокировки/Московский го-суд. универ-т путей сообщения. 1996.-8 с. Деп. В ЦНИИТЭИ МПС, № 6066-ж. д. 96.

36. Беляков И.В. Методы повышения устойчивости функционирования систем контроля состояний рельсовых линий в условиях воздействия дестабилизирующих факторов /Московский госуд. универ-т путей сообщения. 1996.-20 с. Деп. В ЦНИИТЭИ МПС, № 6067-ж. д. 96.