автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Рельсовые цепи с импульсными методами преобразования информации для систем автоматической переездной сигнализации

005011851

На правах рукописи

СИСИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ С ИМПУЛЬСНЫМИ МЕТОДАМИ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕЕЗДНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мар т

Екатеринбург - 2012

005011851

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сергеев Борис Сергеевич

Официальные оппоненты:

- Розенберг Ефим Наумович, доктор технических наук, профессор, первый заместитель Генерального директора ОАО «НИИАС»;

- Щиголев Сергей Александрович, кандидат технических наук, заведующий лабораторией «Автоматика и телемеханика» Уральского отделение ОАО «ВНИИЖТ».

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Защита состоится « 30 » « к а. рта » 2012г. в часов на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, аудитория Б2-15.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения, на сайте Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru. на официальном web-портале УрГУПС www.usurt.ru.

Автореферат разослан «¿4 » «¿рейргм» 2012г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес Диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук Асадченко Виталий Романович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Центральными задачами систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), решаемыми при эксплуатации железнодорожного транспорта, были и остаются обеспечение надежности и безопасности движения поездов на станциях и перегонах. Развитие средств микроэлектроники во многом предопределило модернизацию существующих СЖАТ. Элементная база современных информационно-управляющих электронных систем железнодорожного транспорта способствовала снижению капитальных вложений при вновь проектируемых СЖАТ и уменьшению эксплуатационных расходов уже построенных. А энергопотребление таких систем сократилось в десятки раз.

Между тем, для контроля участков приближения к станциям и переездам, где нет автоблокировки, может отсутствовать высоковольтно-сигнальная линия необходимая для функционирования автоматической переездной сигнализации (АПС). Строительство данных коммуникационных линий и введение соответствующей силовой аппаратуры составляет от 40% до 60% от общей стоимости внедрения АПС.

В то же время известно, что столкновения между автомобильным и железнодорожным транспортом несут большие экономические потери. Недопустимым последствием, возникающим в таких ситуациях, является причиняемый вред жизни и здоровью человека. Вследствие чего ОАО «РЖД» утвердило «Программу повышения безопасности движения на железнодорожных переездах» на 2011-2015 годы, по которой 219 переездов необходимо оборудовать средствами АПС, а на 83 они должны быть модернизированы.

Соответственно возникает необходимость в разработке и изучении устройств контроля участков приближения универсального типа, обладающих минимальными капитальными вложениями и эксплуатационными расходами. Кроме того, аналогичные задачи необходимо решить для систем горочной автоматической централизации (ГАЦ) и промышленного транспорта.

Изложенное свидетельствует об актуальности работ, направленных на улучшение технико-экономических показателей универсальных технических устройств, рассматриваемых в настоящей диссертационной работе, а именно снижение материалоемкости и энергопотребления, расширение функционально возможных применений, а также повышение безопасности движения.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов контроля и устройств рельсовых цепей (РЦ) с минимальным объёмом оборудования, использующих рельсовую линию (РЛ) в качестве линии передачи электроэнергии на приемный конец РЦ и телемеханического канала связи для передачи информации с релейного конца РЛ на питающий без источника электроэнергии и проводной линии связи.

В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Проведен анализ современного состояния РЦ для контроля участков приближения к переездам и станциям, промышленных железнодорожных путей, а также устройств ГАЦ для работы систем автоматического регулирования

3

скорости (APC) движения отцепов.

2. Рассмотрен метод коммутации аппаратуры релейного конца РЦ и получение соответствующей информации на ее питающем конце. Созданы теоретические основы функционирования участка приближения АПС с использованием данной РЦ.

3. Разработан метод контроля РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом. Созданы, теоретические основы функционирования участка приближения АПС с использованием РЦ с радиоканалом.

4. Рассмотрен способ преобразования, приема и передачи информации, а также принцип кодирования сигналов, передаваемых по радиоканалу телемеханики, позволяющий достигнуть приемлемый уровень их помехоустойчивости.

5. Разработана методика определения координаты подвижной единицы при ее вступлении на участок РЦ, а также определения ее скорости и ускорения. Определен алгоритм задержки времени на закрытие переезда.

6. Разработаны схемотехнические решения и практические рекомендации по проектированию и внедрению в эксплуатацию данных систем, обладающие функциональной универсальностью и возможностью их применения в самых различных областях СЦБ, имеющие, кроме того, свойство аппаратной унификации, что позволяет упростить процесс проектирования и снизить стоимость строительства.

В качестве объекта исследования в настоящей работе выбраны устройства автоматики и телемеханики на линиях и станциях.

Предметом исследования является РЦ переездной сигнализации, методы их построения и испытания.

Методы исследования. Для решения задач, поставленных в научной работе, использовались классические методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, корреляционного анализа, теории передачи сигналов, имитационное и программное моделирование. При исследовании электронных систем применялось представление полупроводниковых приборов в виде линейных и нелинейных моделей, основанных на аппроксимации вольтамперных характеристик в виде кусочно-линейных функций.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами.

1. Исследован метод контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, позволяющий использовать PJI как канал телемеханики и как канал передачи достаточной электрической энергии для работы аппаратуры релейного конца.

2. Исследованы достоверные признаки для контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, определены предельные длины при различных условиях эксплуатации и подключения аппаратуры РЦ, а также минимальные сопротивления балласта.

3. Предложен и научно обоснован метод контроля состояния РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом, использующий PJI как канал передачи достаточной энергии для работы аппаратуры релейного конца.

4. Разработан и исследован метод определения фазы выходного тока на питающем конце РЦ с радиоканалом. Определены области значений фазы выходного тока в различных режимах работы РЦ при разных длинах и значений сопротивления балласта.

Практическая ценность.

1. Предложенные решения по РЦ нового типа с импульсными методами преобразования информации позволяют отказаться от высоковольтной коммуникационной инфраструктуры и необходимости проведения проводных линий связи между питающим и релейным концами РЦ, что особенно актуально при строительстве АПС на участках железных дорог без автоблокировки.

2. Метод определения скорости и координаты подвижной единицы, находящейся на РЦ, может быть использован в ГАЦ для работы системы АРС при движении отцепа.

3. Разработанные концептуальные направления и их схемотехнические решения позволяют сформировать перспективные технические задания на проектирование РЦ без высоковольтно-сигнальной линии.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы при разработке РЦ нового типа с импульсными методами преобразования информации в НПЦ «Промэлектроника» (Екатеринбург).

На защиту выносятся.

1. Метод контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, позволяющий использовать PJI как канал телемеханики и как канал передачи достаточной электрической энергии для работы аппаратуры релейного конца.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований допустимых значений параметров РЦ с контролем их состояния на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца.

3. Метод контроля состояния РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом, использующий PJI как канал передачи достаточной энергии для работы аппаратуры релейного конца и принцип, позволяющий определить фазу выходного тока на питающем конце РЦ с радиоканалом.

4. Результаты исследований допустимых значений параметров РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции: «Транспорт 21 века: Исследования. Инновации. Инфраструктура» (Екатеринбург, 2011); научно технической конференции «Молодые ученные - транспорту» (Екатеринбург, 2007, 2008); научно-технических семинарах НПЦ «Промэлектроника» и НПО «Автоматика» (Екатеринбург); заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» УрГУПС.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, а также получено положительное решение на выдачу одного патента РФ. Две статьи опубликованы в журнале, рекомендуемом ВАК для публикации научных результатов диссертационных исследований.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (129 наименований). Текст диссертации содержит 151 страницу, включает 53 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и основных направлений исследований, поставлены цели и задачи работы.

В первой главе раскрывается состояние вопроса. Дан краткий обзор и анализ литературы по видам РЦ. Значительный вклад в развитие науки и практики рельсовых цепей внес большой коллектив ученых и инженеров, среди которых можно отметить: В. С Аркатов, И. В. Беляков, А. М. Брылеев, В. И. Бу-шуев, Н. Ф. Котляренко, Ю. А. Кравцов, В. М. Лисенков, Е. Н. Розенберг, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, А. В. Шишляков, на работы которых автор опирался в своих исследованиях. Из обзора ясно, что РЦ являются не единственным средством обнаружения подвижной единицы для управления автоматикой железнодорожных переездов, поэтому дан анализ литературы по существующим видам АПС. Показаны преимущества использования РЦ.

На основе анализа аварийности на железнодорожных переездах сети дорог ОАО «РЖД» показано, что основное количество аварий между железнодорожным и автомобильным транспортом относится к переездам малодеятельных участков. В то же время известно, что на железных дорогах России на 2011 год 11248 переездов, из них лишь 8896 оснащены устройствами АПС. При этом строительство путепроводов, как основное мероприятие, позволяющее исключить аварии между автомобильным и железнодорожным транспортом, значительно отстает от намеченных планов. Так, согласно программе на период 2006 - 2010 годов по повышению безопасности движения на переездах планировалось построить 118 путепроводов, за это время программа реализована только на 19,5%. Такая обстановка связана с большой трудоемкостью и значительными экономическими затратами на строительство данных сооружений.

Аппаратура РЦ развивается по пути усложнения элементной базы ее функциональных узлов для обеспечения необходимой безопасности и надежности работы. Однако это приводит к повышению стоимости и снижению эффективности их применения. В этом случае применение нетрадиционных (импульсных) режимов работы и циклическое изменение местами питающего и релейного концов следует признать наиболее успешными направлениями совершенствования РЦ. В научно-технических и патентных источниках с подобными решениями отмечено наиболее существенное улучшение параметров и всех режимов работы РЦ. Кроме того, использование этих средств позволяет отказаться от коммуникационной инфраструктуры РЦ.

В соответствии с изложенным определены направления и цели диссертационной работы, которые приведены на структурной схеме рисунка 1.

Во второй главе рассмотрен и научно обоснован метод контроля состояния РЦ АПС на питающей стороне, используя коммутацию ключа аппаратуры релейного конца. Вариант такой РЦ представлен на рисунке 2.

6

Рисунок 1 - Структурная схема направлений диссертационной работы по РЦ АПС

УУ - устройство управления переездной сигнализацией; ГТ - генератор тока; ДТ - датчик тока; АИ - анализатор импульсов тока РЦ; ДЭ - безопасный динамический элемент; ИП - источник питания; ПД - пиковый детектор;

М - мультивибратор; ЭК - электронный ключ. Рисунок 2 - Функциональная схема АПС с контролем РЦ участка приближения на питающем конце с применением коммутации релейного конца

Энергии поступающей на аппаратуру релейного конца от источника РЦ вполне достаточно для электропитания вводимой аппаратуры, что обусловливает работу маломощного МОП транзисторного ключа. Вследствие чего, при свободном участке приближения происходит периодическое шунтирование релейного конца РЦ и регистрация этих событий на питающем конце в виде импульсного потребления тока. При вступлении поезда на участок приближения РЦ шунтируется колесными парами подвижного состава, что выражается отсутствием импульсного потребления тока от источника переменного напряжения.

Реализация данного метода позволяет избавиться от необходимых коммуникационных линий между питающим и релейным концами, то есть РЛ выступает как в качестве линии передачи электроэнергии на релейный конец и как канала телемеханики. Работа схемы иллюстрируется временными диаграммами, изображенными на рисунке 3.

В результате дискретная функция, определяющая включенное или выключенное состояние путевого приемника питающего конца, может быть представлена в следующем виде:

\шм ЛЛЛАЛ Л А А Л Л.-

Пшпп /УІ/І/іМ <\І\іІ /Шіг А Л

\\l\l\ "ЛЛАЛЛ!_ 'УУг 'І/І/г ЛЛЛАЛ1. .

і і і —і—__ і 1 1 1 '

1 1 1 і і і 1 I 1 і

1 і 1 1 - - І Л Л

г" У V V/ . V ууу

ивх - напряжение на входе РЦ; С/вых - напряжение на выходе РЦ; 11т - напряжение на выходе ИП; 1Гт - напряжение на выходе ПД; 17м - импульсы напряжение на выходе М; /Ех - ток на входе РЦ. Рисунок 3 - Временные диаграммы работы схемы АПС с контролем РЦ участка приближения на питающем конце с применением коммутации релейного конца

1, при наличии АI (или Дф)

р _1-7 —л--------------- — —ту

[О, при отсутствии Ы (или Дф)' ^

где условием свободности и целостности рельсовой линии служит наличие разности сигналов входного тока, при этом возможно выделять разность амплитуд и разность фаз:

А/ =17,

1-І/,

АФ = (Рвх.К,-ФВ:

вх.хх. I'

(2) (3)

Анализ функций (2) и (3) показывает, что сопротивление ограничителя вносит затухание и значительно влияет на модуляцию входного сигнала как по амплитуде, так и по фазе. Наряду с этим значение разности амплитуд при минимальном сопротивлении балласта гБ = 0,5 Ом-км и любых значениях ограничителя к амплитуде входного тока не превышает 10% при длине РЦ более 1,2 км. Фазовый же признак, комбинируя значения сопротивления ограничителя, позволяет контролировать РЦ длиной до 1,5 км (рисунок 4).

&<рО

-10

-30

з Хь™ Ом

-40

-50

РЦ-5 Гц

■О

>■6=0, 5 Омкм \ ' УХ

/У У л У х / / \ ^ / '

у' У--'/ 1 Омкм

/, км

-Л„=0,1 Ом _-Д„=0

0,5

1,5

Рисунок 4 - Разность фазы входного тока замкнутого и разомкнутого ключа

релейного конца РЦ

Рассмотрен способ реализации данного метода на участках с электротягой с подключением аппаратуры через дроссель-трансформаторы. Показано, что в данном случае признаком контроля РЦ может быть только разность амплитуд. Причем длина данной РЦ не может превышать 1 км, поскольку сопротивление основной обмотки, характеризующее потери холостого хода дроссель-трансформатора, так называемая индуктивность намагничивания, вносит значительные затухания.

Проанализирована возможность определения скорости подвижной единицы при нахождении ее на РЦ:

. ^Фвх.ш. , .х

(4)

V =■

мгн

ж

где графическое решение уравнения для значений фазы входного тока приведено на рисунке 5. При этом вторичные параметры РЦ возможно предварительно определять из значений фаз токов питающего конца при замкнутом и разомкнутом ключе релейного конца. Возможность определения мгновенной скорости дает возможность применения данного метода там, где необходимо точное позиционирование подвижной единицы, а это ГАЦ.

В третьей главе предложен и исследован метод контроля РЦ на питающем конце по фазовому признаку с использованием радиоканала (рисунок 6).

Аппаратура релейного конца работает от энергии, поступающей от источника питающего конца РЦ. Сформированные импульсы при переходе синусоиды выходного тока через ноль передаются на питающий конец, где после сравнения с эталонным сигналом формируются импульсы рассогласования (рисунок 7).

10

\ гв= 10 Ом'Км = 0,06 Ом

\ \ ГБ \ \ = 100 Ом-км \ ш = 0,06 Ом \ гв- 0,5 Ом-км Хш = 0,06 Ом 1 Ом-км Лш = 0,06 Ом^

РЦ-50 Гц ¿пр.пер. = 1,5 КМ \ гБ= 10 Ом-км \ = 0,1 Ом X, км.

0 0,5 1 1,5

Рисунок 5 - Определение фазы входного тока от координаты нахождения поезда на участки приближения

УУ - устройство управления переездной сигнализацией; ГТ - генератор тока' ЭГ — эталонный генератор; ФИ — формирователь импульсов эталонного генератора; АИ - анализатор импульсов; ДЭ - динамический элемент; Ф - формирователь импульсов выходного тока; М - радиомодем; ПР - приемник радиосигнала. Рисунок 6 - Функциональная схема АПС с контролем РЦ участка приближения на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом

11

и. „а

Разность фаз

[~|[]ППППППППППППППППППППППППППП£

Лх - ТОК на входе РЦ; 1ШХ - ток на выходе РЦ; Щ - импульсы на выходе Ф; {7ЭГ -напряжение на выходе эталонного генератора; С/фи- импульсы напряжение на выходе ФИ; ит - импульсы разности фаз сигнала эталонного генератор и тока на выходе РЦ. Рисунок 7 - Временные диаграммы работы схемы АПС с контролем РЦ участка приближения на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом

При изломе или шунтировании РЦ передача импульсов с релейного конца прекращается. Из-за возможности возникновения ситуации, когда продолжается фиксация импульсов на приемнике радиосигнала при нахождении шунта на участке приближения, или при изломе РЦ, что может быть обусловлено достаточной энергией для работы схемы релейного конца от избыточного напряжения источника питания, информативным признаком контроля РЦ данного типа может выступать только фаза выходного тока.

Соответственно в работе проведен анализ области значений фазы выходного тока в разных режимах работы. Установлены минимальные сопротивления балласта при разных длинах участка приближения, при которых на РЦ будет определяться шунтовая чувствительность (5):

Снф. > если фвь,х рл. < О ' СЕиГ < Сш"Р.> еСЛИ ^х.рл. >0. (5)

.С"<Ск.р,еслиФвь1Хрл>0 где и 'иБшр, - длительность импульсов РЦ на питающей стороне при ми-

нимальном сопротивлении балласта в нормальном и шунтовом режиме соответственно;

иГс-ЮО _ >О0 т „

\шр. и иш.р. _ длительность импульсов РЦ на питающеи стороне при неограниченно большом сопротивлении балласта в нормальном и шунтовом режиме соответственно;

'як.р. ~ длительность импульсов РЦ на питающей стороне в контрольном режиме.

На рисунке 8 показан пример расчета области значений длительности импульсов рассогласования РЦ длиной 2 км в различных режимах работы, при ее максимальных и минимальных сопротивлениях балласта.

'и.к.р., 'и.Н.р., 'иш.р.)

Рисунок 8 - Зависимость длительности импульсов рассогласования на входе РЦ АПС длиной 2 км от координаты излома и нахождения шунта

Исследован и определен способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой с релейного на питающий конец по радиоканалу, на осно-

ве получения оптимального приема сигналов с характерными автокорреляционными функциями (АКФ).

Для этого на передающей стороне формируются двоичные фазоманипу-лированные широкополосные сигналы (ФМШПС) и({) в соответствии с разрядным кодом Баркера. При этом радиочастотному сигналу соответствует ФМ сигнал, состоящий из положительных и отрицательных импульсов длительностью То и амплитуды V, которые различаются между собой смещением во времени на величину кратную длительности и могут отличаться начальной фазой на л.

Излучаемые ШПС должны иметь достаточно большое произведение эффективной ширины спектра ^ на эффективную длительность одиночного импульса "сэ, то есть базу сигнала В:

В = 1- (6)

При количестве импульсов длительность одного импульса равна

х \ N

го=-7Г> а ширина его спектра Р0 = Р= — = —Ц-, тогда база ФМ сигнала

то -с

Помехоустойчивость такой системы определяется соотношением, связывающим отношение сигнал-помеха на выходе приемника д2 с отношением сигнал-помеха на входе приемника р2:

?2=Р гВ, (7)

где р 2=Ра/Рп;

Рс - мощность ШПС;

Р„-мощность помехи;

Ч = 2Е. /N0 при воздействии флуктуационных помех;

Е,- энергия ШПС;

N0- спектральная плотность мощности помехи в полосе ШПС.

На приемной стороне ФМШПС выделяется при помощи согласованного фильтра (СФ). При прохождении случайного процесса через данную линейную систему спектральные плотности мощности случайного процесса на входе ¿"(/'со) и выходе 5вьк(/со) линейной системы связаны следующим соотношением:

^вь,х(7ю) = |/«:(>)|25(ую). (8)

Тем самым, на выходе СФ обеспечивается максимальное отношение .Рс/Рп в момент окончания информационного сигнала / = т.

г 1 т

5вь,х (0 = = а\и(1)и{1)сП + а\иЦ)Щ/)<#, (9)

ООО

т

где а|и(7)и(/)г# - АКФ сигнала и({)\

о

т

- взаимокорреляционная функция (ВКФ) полезного сигнала

о

и помехи.

Для повышения вероятности обнаружения полезного сигнала необходимо, чтобы ВКФ была минимальна, а АКФ принимала максимальные значения в момент времени / = т, тем самым обеспечивается выделение только главного пика функции корреляции кода Баркера.

Также определен метод нахождения эффективной дальности передачи данных по радиоканалу через закрытую/полуоткрытую трассу, с учетом затухания при распространении радиосигнала, характеризующегося множителем ослабления.

В свою очередь множитель ослабления зависит от протяжённости трассы, нахождения вершины препятствия относительно высот подъема передающей и приемной антенн и определяет насколько сильно перекрыт поперечник канала радиосвязи.

Следовательно, для эффективной передачи данных по радиоканалу необходимо задаваться такими параметрами системы передачи данных, при которых напряженность поля в точке приема будет оставаться значительной, для того, чтобы приемное устройство смогло обеспечить требуемое соотношение сигнал/шум.

В четвертой главе проведено исследование технико-экономических характеристик и эксплуатационных возможностей РЦ с импульсными методами преобразования информации.

В результате анализа определено, что относительная экономическая эффективность, получаемая при строительстве АПС с РЦ с импульсными методами преобразования информации, находится из выражения:

£(Е„К,+Э,)

---, (10)

Х(Е„КрцимПИ/ +ЭрцИМПИ()

ы

где К,-, Э, - капитальные и эксплуатационные расходы на строительство и обслуживание аппаратуры классических РЦ (либо устройств счета осей); Крцимпш, Эрцимпи/ - капитальные и эксплуатационные расходы на строительство и обслуживание аппаратуры РЦ с импульсными методами преобразования информации;

Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; п - количество контролируемых участков в устройствах с РЦ (или ЭССО); т - количество контролируемых участков в устройствах с РЦ с импульсными методами преобразования информации.

Приведены схемотехнические решения реализации аппаратуры РЦ с импульсными методами преобразования информации.

Проведен анализ энергопотребления приведенных схем. Определена минимальная величина напряжения питающего конца РЦ, которая требуется для обеспечения работоспособности схем релейного конца. Установлена зависимость потери мощности от параметров устройств, входящих в состав схем, а также от изменения параметров РЦ.

Также для РЦ с коммутацией релейного конца определено влияние импульсной работы ключа на практически необходимое минимальное значение напряжения ивт определяемое скважностью у импульсов, вырабатываемых мультивибратором:

и =.^вых.

^выхпракт ' (11)

^выхпракт =(1,2-1,5)(г7упр ,макс + £/6эмакс + Л£/Макс(1) + Дг7снмин). (12)

Проведен анализ и дано решение, по защите от перенапряжения при изменении параметров РЦ.

Приведены результаты натурных испытаний лабораторного макета РЦ с коммутацией релейного конца на станции «Седельниково» Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» (рисунки 9, 10). На рисунках импульсы соответствуют выходному напряжению детектора фазы тока, пилообразные кривые - выходному напряжению источника питания РЦ, гв = 1,12 Ом-км, длительность импульсов = 0,5 с, /РЦ = 1070 м.

■ Память Нанять" Л {.ООц 50Йвз

--

я ь и

Ш

Рисунок 9 - Осциллограммы работы РЦ в нормальном установившемся

режиме работы

Натурные исследование режимов работы лабораторного макета РЦ подтвердило функциональные зависимости, полученные в расчетах и количественные значения основных параметров РЦ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. Установлено, что современные РЦ участков приближения к переездам и станциям, а также РЦ для контроля состояния путей на промышленном железнодорожном транспорте экономически неэффективны из-за необходимости организации высоковольтной и сигнальной линии связи между релейным и питающим концами.

: Память.; С 500из ^

; г і

а) наложение шунта со стороны релейного конца РЦ; б) освобождение РЦ от шунта со стороны релейного конца; в) наложение шунта в середине РЦ.

Рисунок 10 - Осциллограммы работы РЦ

2. Исследован метод контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, позволяющий использовать РЛ как канал телемеханики и как канал передачи достаточной электрической энергии для работы аппаратуры релейного конца;

3. Исследованы достоверные признаки для контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, определены предельные длины при различных условиях подключения аппаратуры РЦ, а также минимальные сопротивления балласта.

4. Предложен и научно обоснован метод контроля состояния РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом, использующий РЛ как канал передачи достаточной энергии для работы аппаратуры релейного конца.

5. Разработан и исследован принцип, позволяющий определить фазу выходного тока РЦ с радиоканалом на питающем конце. Определены области значений фазы выходного тока в различных режимах работы РЦ при разных длинах и значений сопротивления балласта.

6. Разработана методика определения координаты подвижной единицы при ее вступлении на участок РЦ, а также определение ее скорости и ускорения. Определен алгоритм задержки времени на закрытие переезда.

7. Разработаны схемотехнические решения и практические рекомендации по проектированию и внедрению в эксплуатацию данных систем, обладающих функциональной универсальностью и возможностью ее применения в самых различных областях СЦБ, имеющих, кроме того, свойство аппаратной унифи-

кации, что позволяет упростить процесс проектирования и снизить стоимость строительства.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Сисин В. А. Контроль целостности рельсов [Текст] / Б. С. Сергеев, В. А. Сисин // Транспорт Урала. - 2009. - №4 (23) - С. 37-40. ISSN 1815-9400. Журнал включен в Перечень ВАК РФ.

2. Сисин В. А. Оптимизация устройств автоматической переездной сигнализации // Транспорт Урала. - 2011. - №3 (30) - С. 40-43. ISSN 1815-9400. Журнал включен в Перечень ВАК РФ.

3. Сисин В. А., Сергеев Б. С. Способ контроля целостности рельсовой линии и устройство для его осуществления [Текст] / В. А. Сисин, Б. С. Сергеев / Пол. решение ФИПС Рос. Федерации заявки на изобретение №2010130962 (043879^1 от 23.07.2010. 1

4. Сисин В. А. Контроль целостности рельсов [Текст] / Молодые ученые -транспорту - 2009 : сб. науч. тр., поев. 200-летию российских железных дорог. 4.2. - Екатеринбург : УрГУПС, 2009. - С. 357-360.

5. Сисин В. А. Контроль целостности рельсов методом импульсного зондирования [Текст] / Общие вопросы транспорта. Моделирование и оптимизация в логистических транспортных системах : сб. науч. трудов. - Екатеринбург УрГУПС, 2011. - Вып. 89 (172). - С. 113-118.

СИСИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ :^

..... \

РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ С ИМПУЛЬСНЫМИ МЕТОДАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ АТОМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕЕЗДНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Подписано в печать /_3 ¿£2012 г. Формат 60x90 1/16. Объем п.л. Заказ ^ Тираж /0° экз.

Издательство УрГУПС, 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

61 12-5/2651

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО УрГУПС)

СИСИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ С ИМПУЛЬСНЫМИ МЕТОДАМИ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕЕЗДНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

05.22.08 - Управление процессами перевозок

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Сергеев Б.С.

Екатеринбург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.....................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ АПС..............................................10

1.1 Статистические данные безопасности железнодорожных переездов.......10

1.2 Устройства обнаружения подвижной единицы на участках приближения АПС................................................................................................15

1.3 РЦ и их совершенствование...........................................................................19

1.4 Объект и цель исследования..........................................................................25

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ РЦ С ИМПУЛЬСНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ РЕЛЕЙНОГО КОНЦА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АПС.... 28

2.1 Структурная схема и принцип работы устройства управления АПС........28

2.2 Математическая модель РЦ с контролем на питающем конце..................31

2.2.1 Математическая модель нормального режима работы РЦ......................32

2.2.2 Математическая модель контрольного режима работы РЦ....................47

2.3 Исследование вопросов оптимизации времени работы АПС. Применение РЦ с коммутацией релейного конца в системах АРС ГАЦ........55

2.4 Выводы по главе..............................................................................................66

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ РЦ

С РАДИОКАНАЛОМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АПС............................................67

3.1 Структурная схема и принцип работы РЦ с радиоканалом для управления АПС....................................................................................................67

3.2 Математическая модель РЦ с радиоканалом...............................................70

3.2.1 Математическая модель нормального режима работы РЦ......................70

3.2.2 Математическая модель шунтового режима работы РЦ.........................72

3.2.3 Математическая модель контрольного режима работы РЦ....................76

3.2.4 Границы допустимых значений информативного признака РЦ в нормальном, контрольном и шунтовом режимах работы.................................78

3.3 Организация надежной передачи данных по радиоканалу.........................81

3.3.1 Обеспечение надежности передачи сообщений.......................................88

3.3.2 Определение необходимой дальности радиосвязи.................................102

3.4 Выводы по главе............................................................................................111

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АППАРАТУРЫ РЦ АПС.......113

4.1 Анализ экономической эффективности внедрения РЦ с импульсным методом преобразования информации.............................................................113

4.2 Реализация аппаратуры РЦ с импульсным методом преобразования информации.........................................................................................................118

4.2.1 РЦ с коммутацией тока на релейном конце............................................119

4.2.2 РЦ с радиоканалом.....................................................................................126

4.2.3 Экспериментальные исследования РЦ с коммутацией тока на релейном конце.....................................................................................................................128

4.3 Выводы по главе............................................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................133

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................135

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СЖАТ - системы железнодорожной автоматики и телемеханики АПС - автоматическая переездная сигнализация ГАЦ - горочная автоматическая централизация РЦ - рельсовая цепь РЛ - рельсовая линия

МАПС - микропроцессорная автоматическая переездная сигнализация

МИЗ - метод импульсного зондирования

АРС - автоматическое регулирование скорости

АЛС - автоматическая локомотивная сигнализация

АЛСР - автоматическая локомотивная сигнализация с радиоканалом

СЦБ- центра и

УЗП - устройство заграждения переезда

ОПС - оповестительная переездная сигнализация

ДТП - дорожно-транспортное происшествие

ЭССО - система контроля участков пути методом счета осей

ИС - изолирующий стык

ТРЦ - тональные РЦ

АБ - автоматическая блокировка

ССО - светосигнальное оборудование ДТ - дроссель-трансформатор ЗБФ - защитный блок-фильтр

РЦИМПИ - рельсовые цепи с импульсными методами преобразования информации

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Центральными задачами систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), решаемыми при эксплуатации железнодорожного транспорта, были и остаются обеспечение надежности и безопасности движения поездов на станциях и перегонах. Развитие средств микроэлектроники во многом предопределило модернизацию существующих СЖАТ. Элементная база современных информационно-управляющих электронных систем железнодорожного транспорта способствовала снижению капитальных вложений при вновь проектируемых СЖАТ и уменьшению эксплуатационных расходов уже построенных. А энергопотребление таких систем сократилось в десятки раз.

Между тем, для контроля участков приближения к станциям и переездам, где нет автоблокировки, может отсутствовать высоковольтно-сигнальная линия необходимая для функционирования автоматической переездной сигнализации (АПС). Строительство данных коммуникационных линий и введение соответствующей силовой аппаратуры составляет от 40% до 60% от общей стоимости внедрения АПС.

В то же время известно, что столкновения между автомобильным и железнодорожным транспортом несут большие экономические потери. Недопустимым последствием, возникающим в таких ситуациях, является причиняемый вред жизни и здоровью человека. Вследствие чего ОАО «РЖД» утвердило «Программу повышения безопасности движения на железнодорожных переездах» на 2011-2015 годы, по которой 219 переездов необходимо оборудовать средствами АПС, а на 83 они должны быть модернизированы.

Соответственно возникает необходимость в разработке и изучении устройств контроля участков приближения универсального типа, обладающих минимальными капитальными вложениями и эксплуатационными расходами. Кроме того, аналогичные задачи необходимо решить для систем горочной автоматической централизации (ГАЦ) и промышленного транспорта.

5

Изложенное свидетельствует об актуальности работ, направленных на улучшение технико-экономических показателей универсальных технических устройств, рассматриваемых в настоящей диссертационной работе, а именно снижение материалоемкости и энергопотребления, расширение функционально возможных применений, а также повышение безопасности движения.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов контроля и устройств рельсовых цепей (РЦ) с минимальным объёмом оборудования, использующих рельсовую линию (PJI) в качестве линии передачи электроэнергии на приемный конец РЦ и телемеханического канала связи для передачи информации с релейного конца PJT на питающий без источника электроэнергии и проводной линии связи.

В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Проведен анализ современного состояния РЦ для контроля участков приближения к переездам и станциям, промышленных железнодорожных путей, а также устройств ГАЦ для работы систем автоматического регулирования скорости (АРС) движения отцепов.

2. Рассмотрен метод коммутации аппаратуры релейного конца РЦ и получение соответствующей информации на ее питающем конце. Созданы теоретические основы функционирования участка приближения АПС с использованием данной РЦ.

3. Разработан метод контроля РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом. Созданы теоретические основы функционирования участка приближения АПС с использованием РЦ с радиоканалом.

4. Рассмотрен способ преобразования, приема и передачи информации, а также принцип кодирования сигналов, передаваемых по радиоканалу телемеханики, позволяющий достигнуть приемлемый уровень их помехоустойчивости.

5. Разработана методика определения координаты подвижной единицы при ее вступлении на участок РЦ, а также определения ее скорости и ускорения. Определен алгоритм задержки времени на закрытие переезда.

6. Разработаны схемотехнические решения и практические рекомендации по проектированию и внедрению в эксплуатацию данных систем, обладающие функциональной универсальностью и возможностью их применения в самых различных областях СЦБ, имеющие, кроме того, свойство аппаратной унификации, что позволяет упростить процесс проектирования и снизить стоимость строительства.

В качестве объекта исследования в настоящей работе выбраны устройства автоматики и телемеханики на линиях и станциях.

Предметом исследования является РЦ переездной сигнализации, методы их построения и испытания.

Методы исследования. Для решения задач, поставленных в научной работе, использовались классические методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, корреляционного анализа, теории передачи сигналов, имитационное и программное моделирование. При исследовании электронных систем применялось представление полупроводниковых приборов в виде линейных и нелинейных моделей, основанных на аппроксимации вольтамперных характеристик в виде кусочно-линейных функций.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами.

1. Исследован метод контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, позволяющий использовать РЛ как канал телемеханики и как канал передачи достаточной электрической энергии для работы аппаратуры релейного конца.

2. Исследованы достоверные признаки для контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, определены предельные длины при различных условиях эксплуатации и подключения аппаратуры РЦ, а также минимальные сопротивления балласта.

3. Предложен и научно обоснован метод контроля состояния РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом, использующий РЛ как

канал передачи достаточной энергии для работы аппаратуры релейного конца.

7

4. Разработан и исследован метод определения фазы выходного тока на питающем конце РЦ с радиоканалом. Определены области значений фазы выходного тока в различных режимах работы РЦ при разных длинах и значений сопротивления балласта.

Практическая ценность.

1. Предложенные решения по РЦ нового типа с импульсными методами преобразования информации позволяют отказаться от высоковольтной коммуникационной инфраструктуры и необходимости проведения проводных линий связи между питающим и релейным концами РЦ, что особенно актуально при строительстве АПС на участках железных дорог без автоблокировки.

2. Метод определения скорости и координаты подвижной единицы, находящейся на РЦ, может быть использован в ГАЦ для работы системы АРС при движении отцепа.

3. Разработанные концептуальные направления и их схемотехнические решения позволяют сформировать перспективные технические задания на проектирование РЦ без высоковольтно-сигнальной линии.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы при разработке РЦ нового типа с импульсными методами преобразования информации в НПЦ «Промэлектроника» (Екатеринбург).

На защиту выносятся.

1. Метод контроля состояния РЦ на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца, позволяющий использовать PJI как канал телемеханики и как канал передачи достаточной электрической энергии для работы аппаратуры релейного конца.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований допустимых значений параметров РЦ с контролем их состояния на питающем конце с применением коммутации аппаратуры релейного конца.

3. Метод контроля состояния РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом, использующий PJI как канал передачи достаточной энер-

гии для работы аппаратуры релейного конца и принцип, позволяющий определить фазу выходного тока на питающем конце РЦ с радиоканалом.

4. Результаты исследований допустимых значений параметров РЦ на питающем конце по фазовому признаку с радиоканалом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции: «Транспорт 21 века: Исследования. Инновации. Инфраструктура» (Екатеринбург, 2011); научно технической конференции «Молодые ученные - транспорту» (Екатеринбург, 2007, 2008); научно-технических семинарах НПЦ «Промэлектроника» и НПО «Автоматика» (Екатеринбург); заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» УрГУПС.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, а также получено положительное решение на выдачу одного патента РФ. Две статьи опубликованы в журнале, рекомендуемом ВАК для публикации научных результатов диссертационных исследований.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (129 наименований). Текст диссертации содержит 151 страницу, включает 53 рисунка и 3 таблицы.

1 АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ АПС

1.1 Статистические данные безопасности железнодорожных переездов

Железные дороги являются основным и наиболее безопасным видом грузового и пассажирского транспорта на территории России. В настоящее время Российские железные дороги, управляемые ОАО «РЖД», делятся на 16 дорог-филиалов, общей протяженностью 86,151 тысяч км.

В то же время рост количества автодорог и автотранспортных средств, в Российской Федерации, усугубляемый низким уровнем дорожной дисциплины водителей, приводит к увеличению случаев дорожно-транспортных происшествий с участием железнодорожного транспорта.

Основное количество крушений и аварии с участием железнодорожного транспорта (25%) вызываются наездами поездов на грузовой и пассажирский автомобильный транспорт при пересечении последними железнодорожных переездов [1].

На сети железных дорог РФ насчитывается 11248 переездов. В зависимости от интенсивности движения поездов и транспортных средств, все переезды разделяются на четыре категории [2]. Количество переездов, на конец 2010 года, 1-й категории, где осуществляется наибольшая интенсивность движения транспортных средств и поездов, составляет 6% от общего количества переездов. Количество переездов П-й категории составляет 11%. Оставшаяся часть переездов приходится на переезды Ш-й и 1У-й категории 13% и 70% соответственно (рисунок 1.1) [1].

В направлении движения автотранспорта переезды оборудуются постоянно действующими средствами ограждения. Для этой цели применяются: автоматические переездные сигнализации со шлагбаумами и без, УЗП, ОПС.

9000

8000

^ 7000 ва

| 6000

I- 5000 а

§ 4000 н

« 3000

| 2000 54

1000 о

624

~ШГ

1520

7823

II III

Категории переездов

IV

Рисунок 1.1- Распределение переездов по категориям

Для автоматического управления ограждающими устройствами на переезде и включения оповестительной сигнализации на сети дорог используются РЦ, а также устройства счета осей [4].

Все переезды на эксплуатируемой МПС сети железных подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

К регулируемым относятся переезды, оборудованные устройствами переездной сигнализации, извещающей водителей транспортных средств о подходе к переезду поезда, или обслуживаемые дежурным работником.

Переезды, не оборудованные устройствами переездной сигнализации и не обслуживаемые дежурным работником, относятся к нерегулируемым [46].

Из общего числа переездов - 2352 с дежурным работником, 8896 переездов без дежурного работника. Причем 8848 (79%) переездов оборудовано АПС, на 1784 переездах с дежурным работником введены в действие УЗП, которые препятствуют несанкционированному выезду транспорта на железнодорожные переезды (рисунок 1.2).

в

14000 12000

§ 10000 ?

л 8000

ш И

а 6000

н «

| 4000

ч о

и 2000

12816

12660

12384

12139

11984

11744

11569

11432

11313

11248

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Год

Всего -«-Охраняемые дежурным —¿¡—Переезды с УЗП

Рисунок 1.2 - Количество переездов в РФ 2001 - 2010 гг.

Несмотря на проводимую железными дорогами работу [3], положение с обеспечением безопасности движения на переездах остается неудовлетворительным.

Ежегодно регистрируется порядка 263 дорожно-транспортных происшествий с участием железнодорожного подвижного состава, при которых погибают и получают травмы более 300 человек. Как видно из рисунка 1.3 количество ДТП на неохраняемых переездах составляет 88% от общего количества ДТП [1].

Особо тяжелые последствия наступают при столкновениях пассажирского транспорта. Так в I пол�