автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство функционального диагностирования токопроводящих стыков для систем управления технологическими процессами на станциях

На правах рукописи

ЯКОБЧУК Артём Игоревич

УСТРОЙСТВО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ СТЫКОВ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА СТАНЦИЯХ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ИЮН 2011

Уфа-2011

4849848

Работа выполнена в Самарской академии государственного и муниципального управления на кафедре Математических методов и информационных технологий.

доктор технических наук, профессор Тарасов Евгений Михайлович, Самарская академия государственного и муниципального управления

доктор технических наук, профессор Ясовеев Васих Хаматович, кафедра информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета

кандидат технических наук, доцент Куров Михаил Борисович, кафедра автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте Самарского государственного университета путей сообщения

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения».

Защита состоится «О^у, U-АО^ия 2011 года в /О часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу:

450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса, д. 12, корпус "Л .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан « 2011 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять в диссертационный совет Д 212.288.02 по адресу: 450000, Уфа-центр, ул. Карла Маркса, д. 12, УГАТУ.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета

доктор технических наук, доцент B.C. Фетисов

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основными техническими средствами, обеспечивающими автоматическое регулирование и безопасность движения поездов, являются устройства автоматики и телемеханики. Надежная работа этих устройств исключает неоправданную задержку поездов, что позволяет значительно улучшить качество всего технологического процесса перевозок.

Анализ процессов технического обслуживания этих устройств, как замкнутой динамической системы управления качеством, подтверждает отсутствие в этом процессе оперативного информационного звена, обеспечивающего формирование необходимой информации для принятия правильных решений в сложных условиях эксплуатации. Как показывает опыт, обслуживающий персонал, не имея должных рекомендаций и инструкций по локализации отказов, тратит неоправданно много времени на поиск и устранение неисправностей.

С учетом того, что для нормального хода процесса регулирования движения поездов необходимо до минимума исключить отказы и сбои в работе эксплуатируемых устройств автоматики и телемеханики, то становится очевидным и другое важное требование - обеспечение прогнозирования отказов. Это требование особо важно для диагностирования и прогнозирования сопротивления токопроводящих стыков (ТПС) -элементов рельсовых цепей, отказы которых составляют 15% из всего потока отказов станционных систем автоматики и телемеханики.

В связи с этим возникает настоятельная необходимость в создании автоматической системы контроля и диагностирования сопротивлений ТПС.

Решить такой комплекс сложных задач представляется возможным на базе использования теории, методов и способов функциональной диагностики. Базируясь на объективных факторах в оценке состояния токопроводящих стыков, теория и практика технической диагностики обеспечивают своевременное выявление неисправностей и создают возможность для оперативного их устранения, а также прогнозирования состояний ТПС. Особенность технического диагностирования ТПС состоит в том, что они рассредоточены вдоль железнодорожного пути на большие расстояния, помимо этого они находятся в непрерывном (круглосуточном) режиме эксплуатации, и не допускают ни малейших перерывов в работе, следовательно, при техническом диагностировании токопроводящих стыков станционных рельсовых цепей следует учитывать и то обстоятельство, что они интегрированы в информационно-управляющий комплекс, регулирования движением поездов и обеспечения безопасности перевозочного процесса.

Крупный вклад в создание и развитие теории и практики технического диагностирования состояния устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики внесли известные ученые: Брылеев A.M., Лисенков В.М., Кравцов Ю.А., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Дмитренко И.Е., Тарасов Е.М., Шалягин Д.В., Алексеев В.М., Лунев С.А., Белоногов А.С. и другие.

С учетом того, что разработанные устройства автоматики и телемеханики не предназначены для использования в автоматизированных системах диагностики, они ориентированы на применение ручной технологии, что не удовлетворяет требуемой глубине диагноза, необходимо разработать такие модели диагностирования, которые обеспечивали бы возможность непрерывной функциональной диагностики.

В связи с этим, разработка устройства функционального диагностирования (УФД) токопроводящих стыков станционных рельсовых цепей, является актуальной проблемой, которой и посвящена настоящая диссертация.

Целью диссертационной работы является разработка и реализация устройства функционального диагностирования сопротивления токопроводящих стыков.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование необходимости разработки устройства функционального диагностирования сопротивлений ТПС посредством причинно-следственного анализа отказов элементов станционных рельсовых цепей.

2. Выбор и обоснование множества информативных признаков для диагностирования, разработка математических моделей информативных признаков состояний токопроводящих стыков.

3. Исследование различных моделей рельсовых цепей с изменяющимися сопротивлениями ТПС и установление диапазона изменения информативных признаков при различных сопротивлениях ТПС.

4. Разработка методики восстановления диагностирующей функции токопроводящих стыков, с оценкой погрешности определения сопротивлений ТПС.

5. Разработка устройства функциональной диагностики ТПС и его внедрение в существующее устройство контроля состояний рельсовых линий.

Достоверность научных положений обоснована соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований и работоспособностью разработанных технических решений в эксплуатационных условиях.

Методика исследования. В работе использованы основные положения теории распознавания образов, теории матриц, теории функции комплексных переменных, теории электрических цепей, численное моделирование. Расчеты выполнялись с использованием ЭВМ на базе пакетов анализа Mathcad 13. Схемы замещения рельсовых цепей выполнены с использованием основных положений теории четырехполюсников и линий с распределенными параметрами.

Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач, связанных с разработкой и реализацией устройства функциональной диагностики состояний токопроводящих стыков:

1. Получены математические модели информативных признаков, характеризующих состояния ТПС, позволяющие получить аналитические зависимости между напряжениями и токами и их фазовыми соотношениями на входе и на каждом из выходов всех участков контроля по маршрутам диагностики разветвленной станционной рельсовой цепи. Показана возможность использования выбранного набора первичных информативных признаков для диагностики сопротивлений ТПС.

2. Разработаны математические модели с дискретно-распределенными параметрами рельсовых линий, позволившие выделить составляющую сопротивления токопроводящего стыка из обобщенного сопротивления рельсовой линии. Модели, в отличие от существующих моделей рельсовых линий с равномерно распределенными параметрами, представлены в виде произведения матриц четырехполюсников рельсовых линий малой длины с распределенными параметрами и четырехполюсников токопроводящих стыков с сосредоточенными параметрами.

3. Впервые предложена методика восстановления диагностирующей функции по выборкам ограниченного объема, обеспечивающей погрешности диагностирования, не превышающие заданной.

4. На основе сформированного множества информативных признаков, полученной диагностирующей функции, предложен принцип построения УФД, выполняющего функции: мониторинга электрических параметров рельсовых цепей, диагностики сопротивлений токопроводящих стыков, определения координаты места нахождения стыка с изменившимся сопротивлением, автоматического протоколирования динамики и событий.

Основные положения, выдвигаемые на защиту:

- математические модели информативных признаков, позволяют получить аналитические зависимости между напряжениями и токами и их фазовыми соотношениями на входах и выходах всех участков контроля по маршрутам диагностики разветвленных станционных рельсовых цепей в зависимости от изменения сопротивления изоляции рельсовых линий. Моделированием определены предельные значения информативных

признаков при изменении сопротивления изоляции рельсовых линий в диапазоне от 0,1 до 50 Омкм.;

- математические модели информативных признаков с дискретно-распределенными параметрами (DRL - модель) рельсовых линий, позволили выделить составляющую сопротивления ТПС из обобщенного сопротивления рельсовой линии и определить граничные значения сопротивления токопроводящих стыков. С помощью моделирования определено, что минимальное значение сопротивления, при котором сохраняется нормальное функционирование, Zcr min = 700х10"60м, а максимальное - - 0,4 Ом;

- методика восстановления диагностирующей функции позволила определить объем ограниченной выборки значений сопротивлений стыков и получить семейство диагностирующих функций, обеспечивающих требуемую погрешность диагностирования сопротивления ТПС, 10%;

технически реализованное устройство функционального диагностирования сопротивлений токопроводящих стыков обеспечивает диагностику всех токопроводящих стыков по всем маршрутам диагностики, протоколировать и архивировать значения сопротивлений, позволяет локализовать место повышенного сопротивления и информировать обслуживающий персонал о предотказном состоянии ТПС.

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований разработано и реализовано устройство функционального диагностирования сопротивления токопроводящих стыков с определением величины и места расположения стыка с измененным сопротивлением, прогнозировать появление постепенных неисправностей, которые могут найти применение в нижнем уровне системы диагностики и прогнозирования состояний устройств автоматики и телемеханики железных дорог, включая станции.

Полученные в диссертационной работе научные результаты позволили сформировать новый способ определения состояния рельсовой линии (Патент № 2333126), а также реализовать устройство, с расширенными функциональными возможностями (Патент № 2340499).

Реализация результатов работы осуществлена путем внедрения экспериментального образца устройства функциональной диагностики токопроводящих стыков станционных рельсовых линий на опытном полигоне Южно-Уральской железной дороги, а также в систему электрической централизации станционных путей ОАО «Газпромтранс».

Результаты работы используются в учебном процессе Самарского государственного университета путей сообщения при чтении лекций по таким дисциплинам как «Теория дискретных устройств автоматики и телемеханики» и «Основы теории надежности», а также при выполнении

лабораторной работы в курсе дисциплины «Микроэлектронные системы станционной автоматики и телемеханики».

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационного исследования нашли свое отражение в работе научных и научно-практических конференций различного уровня, в числе которых: XXXV научная конференция студентов и аспирантов (Самара, 2008); Десятая конференция студентов и аспирантов (Самара, 2009); Межвузовская научно-практическая конференция «Математическое моделирование, численные методы и информационные технологии» (Самара, 2009); XI научная конференция студентов и аспирантов (Самара, 2010); III Всероссийская научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту» (Пенза, 2010); XI научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» (Москва, 2010); Международная конференция «Инновации для транспорта» (Омск, 2010). Одновременно с этим, основные положения и результаты проведенного исследования докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры математических методов и информационных технологий САГМУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК Минобрнауки России для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, получено три патента и два свидетельства на программный продукт.

Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материалы диссертации изложены на 138 страницах основного текста, содержат 48 иллюстраций, 10 таблиц, 15 приложений. Библиографический список включает в себя 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные результаты, полученные в диссертации и выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ отказов и выполнен обзор существующих методов и систем диагностики состояний железнодорожной автоматики и телемеханики.

Станционные системы автоматики и телемеханики (ССАТ), относятся к классу сложных диагностируемых систем, характеризующиеся иерархической структурой, при которой отказ любого уровня, как правило, приводит в целом к сбоям и нарушению алгоритма функционирования системы, что значительно снижает эффективность функционирования ССАТ,

выполняющих не только функции управления и контроля, но и обеспечивающих безопасность движения поездов.

В последние годы количество отказов, допущенных ССАТ, составляет 55,5%, а по перегонным системам - 40,4% общего количества и характер отказов сохраняется.

Основными причинами значительного количества отказов устройств ССАТ по годам является физический износ и моральное старение устройств, что значительно повышает угрозу безопасности движения поездов.

Анализ потока отказов основных устройств автоматики и телемеханики показывает, что около 30% отказов всех устройств автоматики и телемеханики приходится на рельсовые цепи. Это объясняется тяжелыми условиями их эксплуатации, вследствие значительных нагрузок (увеличение нагрузки на ось подвижного состава с 25 до 30 т), колебаний температуры и влажности окружающей среды, интенсивного засорения балластного материала сыпучими грузами и др.

Динамика отказов станционных систем автоматики и телемеханики по элементам в период 2004-2009 гг. распределяется практически одинаково по годам, то есть применяемые организационно-технические мероприятия не достаточно эффективны.

Данный факт связан с тем, что работа по ремонту и обслуживанию ССАТ построена по принципу устранения уже допущенного отказа с последующим исследованием и выявлением причины отказа.

Анализ интенсивности отказа элементов станционных рельсовых цепей и времени восстанавливаемости показывает, что их сокращение по годам идет медленно, при этом 67% времени затрачивается на проследование к месту неисправности и ее устранение, а 33% на поиск неисправности. Среднее время восстановления является многофакторной величиной, и в течение года может изменяться в 1,5-3 раза при диапазоне времени изменения, соответственно от 0,6 до 4,2 ч.

При техническом диагностировании элементов рельсовых цепей (токопроводящих стыков), следует учитывать и то обстоятельство, что они интегрированы в комплекс станционных систем управления технологическим процессом и находятся в непрерывной работе.

На рисунке 1 представлена структурная схема процедуры технического диагностирования ССАТ.

В процессе определения состояния устройств автоматики и телемеханики решаются следующие задачи:

- 1 задача - контроль технического состояния соответствующих значений параметров объекта контроля (Хт) номинальным - требуемым значениям:

Рисунок 1 - Структурная схема процедуры определения состояния ССАТ: М - пространство исправного состояния; Хт - текущее состояние.

- Если контролируемое устройство находится в исправном состоянии (Хт>М), то решается задача 2, то есть осуществляется прогноз ресурса устройства и определяется остаточный ресурс.

- Если контролируемое устройство находится в неисправном состоянии (ХТ<М), то решается задача 3, то есть осуществляется поиск места отказа и восстановление работоспособности устройства контроля.

- Если контролируемое устройство находится в предельном состоянии (Хт=М), то решается задача 4, то есть осуществляется диагностика состояний объекта.

Учеными ПГУПС и УрГУПС разработана универсальная система мониторинга и технической диагностики. Модули, входящие в его состав осуществляют измерения аналоговых сигналов от объектов, контроль и управление дискретными объектами, и передачи информации для отображения в реальном времени на мониторе.

Следующая структура системы диагностирования и контроля разработана специалистами Hi 111 «Югпромавтоматизация». Комплекс непрерывно диагностирует устройства автоматики и телемеханики, программной обработкой поступающей информации, регистрирует сбои и отказы в работе технических средств с определением их причин, а также взаимодействует с системой верхнего уровня.

Автоматизированным средством мониторинга и диагностирования состояний ССАТ нового поколения является разработанный специалистами института «Гипротранссигналсвязь» аппаратно-программный комплекс автоматизированного рабочего места электромеханика электрической централизации, реализующий комплекс функций контроля поездного положения и диагностики состояний устройств СЦБ.

В подавляющем, большинстве системы технической диагностики на сети железных дорог являются по своей сути системами телеизмерений и

телеконтроля, так как алгоритмы работы этих систем не позволяют обеспечить локализацию места отказа напольных устройств и их элементов, обнаружить конкретный отказавший элемент и определить оставшийся ресурс.

Во второй главе разработаны математические модели объекта диагностирования, выбрано множество информативных признаков, исследована их информативность.

Математическая модель рельсовой цепи, как объекта надлежащего диагностированию и мониторингу сопротивлений ее токопроводящих стыков должна отражать в той или иной мере процессы, протекающие в ее элементах, с учетом ограничений, существующих в реальных условиях, в виде отдельных признаков состояний х/, составляющих образы состояний X,-. Весьма важным в этом случае является принадлежность каждого информативного признака лг,- к определенному классу М; состояний X/ е М/.

Рисунок 2 - Структура процедуры мониторинга и диагностики ССАТ

Применительно к мониторингу и диагностике состояний рельсовых цепей в качестве информативных признаков эффективно использовать рабочие параметры рельсовых цепей, а именно: амплитуды и фазы напряжений на выходе рельсовой линии, а также дополнительные признаки состояний, позволяющие увеличить глубину диагностирования- амплитуды и фазы напряжения и тока на входе рельсовой линии. Тогда, множества образов, формируемых при указанных 6 признаков, имеют вид: »в, = {СЛ,,р1,,/1;.И,.£/2„р2,}, j = 1,2,....л,

mPk = {Ulp,<plp,np,it/lp,U2p,<p2r}, к = 1,2.....1,

тт = {UlNMK-I]-N-VlH.U2N>(P2»}> ' = L2,...,q, где ти - класс исправного состояния стыковых соединителей; тп -

класс предотказного состояния стыковых соединителей; тш - класс неисправного состояния стыковых соединителей.

Разработка математических моделей порождения диагностических признаков станционных рельсовых цепей в работе осуществлена методикой редукции импедансных параметров четырехполюсников рельсовых линий и элементов рельсовых цепей. Сущность методики заключается в последовательном определении входных параметров нагруженных четырехполюсников, начиная с релейных концов, нагруженных на обмотки контрольных реле:

ZK = F\ZV{(QJ, ZVi(Ps),...,Zn(Yj\, UP,.к е М,

0Н1<4 р,=\А\ (О

где IА, ||, ||/1;||, IAJ, - параметры четырехполюсников рельсовых линий, и

формированием математических моделей с использованием входных параметров.

и] = f[zvj , г,(О, zk(t), t,f], j е {W»}, 1 (2) Tj = F\zvrrs(t), zk(t), i. Л J

zt(t), Vke{min,max], r(t), V/ e {min, max}.

Уравнения математических моделей (2) разработанные в работе являются универсальными моделями, позволяющими исследовать значения токов и напряжений во всех узлах схемы станционных рельсовых цепей, но из-за того, что они по классической схеме замещения включают в себя четырехполюсники рельсовых линий с равномерно-распределенными параметрами, включающими распределенные сопротивления рельсовых стыковых соединителей, их использование затруднительно при исследовании влияния на информативные признаки - входные и выходные параметры рельсовых цепей изменения сопротивления токопроводящих стыков. Поэтому для исследования влияния изменения сопротивления токопроводящих стыков на выходные параметры рельсовых цепей необходимо в математических моделях обособленно выделить сопротивления токопроводящих стыков, а для этого необходимо схему замещения рельсовых линий с одним четырехполюсником заменить на п — элементарных четырехполюсников, а именно: звена рельсовой линии с равномерно распределенными параметрами (RRL) и токопроводящего стыка с дискретно распределенными параметрами (DRL). Такое представление модели рельсовой линии позволяет исследовать влияние диагностируемого параметра - сопротивления токопроводящего стыка на информативные признаки в условиях изменения возмущения в виде флуктуации сопротивления изоляции рельсовых линий в широком диапазоне. При этом необходимо обеспечить математическое подобие RRL и DRL - моделей рельсовых линий.

В диссертационной работе проверка адекватности моделей осуществлена исследованием изменения информативных признаков т = {t/l,<pl,/l,\|/l,C/2i,cp2/}, / = 1,2,3, при исправных стыковых соединителях с помощью математических моделей рельсовых линий с RRL и DRL параметрами и сравнением результатов.

Результаты проведенного моделирования показали, что максимальная относительная погрешность моделирования разработанной DRL - моделью составляет не более 1,5%. Это, констатирует факт адекватности разработанной DRL - модели и известной RRL - модели, и подтверждает возможность исследования информативных признаков DRL - моделью при формировании области существования информативных признаков исследуемой рельсовой линии.

На основе разработанных универсальных моделей информативных признаков т, { }, написана программа формирования массивов признаков с

использованием пакета Mathcad и проведено исследование информативности признаков. Результаты анализа показали, что наибольшей чувствительностью к изменению сопротивления стыка обладают напряжения и их фазы относительно питающего напряжения на выходном конце каждого ответвления, и, соответственно, динамический диапазон изменения напряжений и фаз по ответвлениям составляет: Км21 = 3,48; KJipll = 6,77; КМ22 =3,15; Kdv22 =3,23; Kdul3 =3,52; K^J3 =15,25.

Глава 3 посвящена разработке методики восстановления диагностирующей функции и исследованию качества диагностирования сопротивлений токопроводящих стыков восстановленными функциями.

В общем случае, основным назначением системы диагностирования является отыскание решений о принадлежности предъявляемых диагностике образов к некоторому классу реальных состояний, а для того, чтобы осуществить это, необходимо ввести правила, на которых искомые решения будут основываться.

Так как маршрутов диагностирования станционных рельсовых цепей множество, классы ТПС получаются громоздким, и задача «обучения» диагностирующей функции становится неразрешимой из-за противоречивых требований и условий, при которых эксплуатируются ТПС.

В связи с этим, маршрут диагностирования удобно разделить на подклассы, в виде участков контроля, а в пределах подклассов выделить таксоны в виде отдельных ТПС. Такое разделение позволяет использовать множество диагностирующих функций, индивидуальных для каждого ТПС, с n-сегментами сопротивлений.

Среди различных способов задания решающих правил наиболее предпочтительно формирование правила с использованием диагностирующей функции, которая задает описание классов состояний на

языке признаков: диагностирующие функции dt(Z), i = 1,2,..., т принимают максимальные значения только на образах (сегментах) своего класса, то есть если dl(Z)>dJ(Z), V j = 1,2,...,in, j , то Z, eM,, и наоборот. Решающее

правило в этом случае записывается следующим образом: Z,eM,, если di(Z) = mcadj(Z).

Диагностирующую функцию удобно представлять в виде линейной суммы с коэффициентом с нулевым индексом к0:

d(Zl) = ±k,x„ / = 1,2,..., и. (3)

1-0

где х, = {l, х,,х2,...,хп} - пополненный вектор информативных признаков.

Для восстановления диагностирующей функции сопротивлений токопроводящих стыков, формированное пространство информативных признаков записывается в виде матрицы состояний:

АГ=

Uln ф112 11„ Ч»114 [/2,5 ф216 иг„ ф218 и 2„ ф220 т21 ф122 л23 чч24 и2и ф226 игг1 ф228 и 2 29 ф230

z=

(4)

,3 Ч»1.< и 2„5 Ф2„б U 2„7 Ф2„8 и 2„, Ф2„0

z„

где U\, ф1, Л, 4*1, (72,, ф2, - значения амплитуд и фаз напряжений и токов на входе станционной рельсовой цепи и напряжений и фазы на её выходах (г = 1,2,3); z,, z2, z3,..., z„ - сегменты сопротивлений ТПС.

Уравнения диагностирующей функции ТПС восстанавливаются с использованием данных матрицы (4) соотношением:

K=C'XTZ,

где Хт - транспонированная матрица X; С"1 - обратная матрица произведения С=ХТХ, равная С'1 = (ХТХ)"1.

В результате получим единственную восстановленную по данным, полученным в результате математического моделирования диагностирующую функцию, имеющую минимальную погрешность диагностирования. Для случая шестимерных образов Х=(х/, хг, х3, х* Xj и XfJT диагностирующая функция представляется в виде:

Z(X) = к0 + kxUl + к2 ф1 + к}11 + кАц\ + ksU2, + k6<p2,+k7l/l2 + к, ф12 +

+ к911г +кюу\г +kuU2,1 +к12<р2,г + А:131/1ф1 + k]4UHl + Ar,st/lv[/l + (5)

+ kl6U\U2i +k„U 1ф2, + Л18<р1Л + £„ф1ч/1 + Л20<р1С/2, +£21ф1ф2, + k12Il\\il + k21IlU2l +k24Il<p2l +kliyi\U2l + к26ц/1(р21 +kvU2l(p2l .

С использованием математического пакета Mathcad и разработанной процедуры формирования диагностирующих функций восстановлено семейство индивидуальных диагностирующих функций для всех сегментов подклассов маршрутов диагностирования.

Результаты исследования восстановленных диагностирующих функций подтвердили правильность разработанной методики, и оказалось, что максимальная погрешность наблюдается при диагностировании ТПС в области малых значений сопротивлений S(Zhnax) = 7,943%, расположенных ближе к источнику сигнала опроса рельсовых линий, а минимальная погрешность S(Zjmin) = 0,869% у ТПС, расположенных на выходе участках контроля, расположенных у контрольных реле.

4 глава посвящена разработке устройства функциональной диагностики сопротивлений ТПС станционных рельсовых цепей.

Исходя из назначения и технических требований, разрабатываемое устройство должно включать подсистемы безопасного измерения параметров рельсовых цепей на их входах и выходах, автоматизированного поиска места повреждения и определения величины сопротивления токопроводящих стыков диагностирующими функциями.

На рисунке 3 представлена структурная схема устройства функционального диагностирования ТПС участка станционных рельсовых

Рисунок 3 - Структурная схема функционального диагностирования ТПС станционных рельсовых цепей: И - безопасный интерфейс; БНУ - блок нормализации уровней сигналов; 1СП - ЗСП - контрольные реле.

Устройство функционального диагностирования (УФД) станционных рельсовых цепей рассматривается как подсистема нижнего уровня и реализуется как составная часть дорожной системы мониторинга состояния станционных устройств автоматики и телемеханики, на котором происходит сбор и первичная обработка текущих значений контролируемых параметров станционных рельсовых цепей, контроль отклонений параметров обмен информацией с верхними уровнями системы.

При создании подсистемы нижнего уровня одной из главных проблем является обеспечение надежного функционирования ее компонент в условиях жестких механических, климатических воздействий: вибраций, ударов, низких температур, и различного рода помех и исключения влияния работы одной рельсовой цепи на другую. Учитывая это, при поиске ключевых компонентов системы, выбор остановился на одноплатном промышленном ЭВМ фирмы Octagon Systems серии Micro PC и плате изолированных аналоговых входов AI16-STB фирмы LAN Automatic с расширителями аналоговых входов AIMUX-32. Использование выбранных компонентов позволил создать систему с широкими функциональными возможностями и внутренней логикой развития.

Экспериментальные исследования разработанного исследования подтвердили правильность основных теоретических положений. Различие теоретических и экспериментальных данных не превышает 10-15%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ отказов элементов рельсовых цепей - устройств контроля состояний рельсовых линий, который показал, что колебание сопротивлений токопроводящих стыков привносит до 15% количества отказов, и современные устройства диагностики не позволяют выявлять изменение сопротивления токопроводящих стыков, из-за того, что по своей сути они являются средствами телеизмерений с незначительной обработкой сигналов.

2. В работе определено множество первичных информативных признаков функционального диагностирования, в качестве основных признаков использованы рабочие выходные параметры, а дополнительные -входные параметры рельсовых цепей, и, следовательно, размерность признакового пространства равна шести: mv = {U2, <р2, и\,(р\,1\,ч/\}. С

помощью математических моделей информативных признаков, разработанных в работе, исследована картина изменения напряжений, токов и их фазовых соотношений в зависимости от изменения сопротивления изоляции. Установлено, что из-за нелинейной зависимости изменения

признаков, диагностировать сопротивление токопроводящих стыков отдельными признаками невозможно.

3. Выделение составляющей сопротивления токопроводящего стыка, из распределенного сопротивления рельсовой линии, осуществлено декомпозицией модели рельсовых цепей с равномерно-распределенными параметрами рельсовых линий на функциональные четырехполюсники токопроводящих стыков и четырехполюсники элементарных участков рельсовых линий с равномерно-распределенными параметрами. Подобие разработанной математической модели прототипу, проверена вычислительным экспериментом, и относительная погрешность модели не превышает 1,5% от прототипа. Исследование информативности к изменению сопротивления токопроводящих стыков, проведенное с помощью разработанной математической модели показали, что наибольшей чувствительностью к изменению сопротивления ТПС обладают напряжения и их фазы на выходном конце каждого ответвления СРЦ и соответственно динамический диапазон изменения признаков по ответвлениям составляет ^,=3,48; Kf2l = 6,77; Ки22=3,\5; К,22 =3,23; Ки2]= 3,52; К,а= 15,25, и это подтверждает возможность их использования в диагностирующих функциях.

4. Разработана методика восстановления диагностирующей функции по заданным точкам на основе решения системы несовместных уравнений и множества информативных признаков - аргументов функций, позволила получить семейство диагностирующих функций сопротивлений токопроводящих стыков, отличающихся количеством используемых признаков и сложностью функции.

Проведено компьютерное моделирование функциональной диагностики ТПС восстановленными диагностирующими функциями, которое показало, что максимальная погрешность наблюдается при диагностировании ТПС в области малых значений сопротивлений 8(Zimta) = l ,9АЪ%, расположенных ближе к источнику сигнала опроса рельсовых линий, а минимальная погрешность S(Zlmln) = 0,869% у ТПС, расположенных на выходе участках контроля, расположенных у контрольных реле.

5. Предложена структурная схема и технически реализовано устройство функциональной диагностики с использованием входных и выходных параметров рельсовой цепи для определения сопротивления токопроводящих стыков, и места расположения неисправного стыка, а также непрерывного автоматизированного протоколирования событий. Экспериментальный образец устройства внедрен на опытном полигоне Южно-Уральской железной дороги, а также в систему электрической централизации станционных путей ОАО «Газпромтранс».

По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Тарасов Е.М., Горбунов А.Е., Якобчук А.И. Разработка компонентных математических моделей информативных признаков определения скорости // Вестник Самарского муниципального института управления. - Самара: СМИУ, 2008. - № 6. - С. 78-83.

2. Трошина М.В., Якобчук А.И. Разработка математических моделей компенсационного канала инвариантного самонастраивающегося устройства контроля рельсовых линий // Вестник транспорта Поволжья. - Самара: СамГУПС, 2010. -№ 4 (24). - С. 58-62.

3. Якобчук А.И. Разработка обучаемого классификатора состояний системы мониторинга первичных параметров рельсовых линий // Вестник Самарского муниципального института управления. - Самара: СМИУ, 2010. -№4(15).-С. 115-121.

4. Патент № 2333126 (РФ) Способ контроля свободности рельсовой линии / Полевой Ю.И., Якобчук А.И., Трошина М.В., Ахмадулин Ф.Р. -Заявл. 30.11.2006 г., Опубл. Б.И., 2008 г., № 25.

5. Патент № 2340499 (РФ) Устройство контроля состояния рельсовой линии / Полевой Ю.И., Якобчук А.И., Трошина М.В. - Заявл. 09.01.2007 г., Опубл. Б.И., 2008 г., № 34.

6. Патент № 2391241 (РФ) Горочная рельсовая цепь / Тарасов Е.М., Трошина М.В., Моисеев Е.Г., Якобчук А.И. - Заявл. 12.05.2009 г., Опубл. Б.И., 2010 г., № 16.

Публикации в других изданиях:

7. Якобчук А.И. Рельсовые цепи с микропроцессорным решающим устройством контроля состояния рельсовых линий // Сборник материалов XXXV научной конференции студентов и аспирантов. - Самара: СамГУПС, 2008,-№9.-С. 104.

8. Якобчук А.И. Разработка информативного датчика систем интервального управления движением поездов // Материалы десятой научной конференции студентов и аспирантов: сб. статей. - Самара: СМИУ, 2009. -С. 17-19.

9. Тарасов Е.М., Трошина М.В., Якобчук А.И. Построение информационного датчика бесконечно малого участка рельсовой линии // Математическое моделирование, численные методы и информационные технологии: сб. статей межвузовской научно-практической конференции. -Самара: СМИУ, 2009. - С. 116-121.

10. Якобчук А.И. Расчет активных параметров трехпроводной схемы замещения рельсовой линии // Материалы XI научной конференции студентов и аспирантов: сб. статей. - Самара: СМИУ, 2010. - С. 131-135.

11. Моисеев Е.Г., Якобчук А.И. Требования к устройствам контроля состояний рельсовых линий // Наука и образование транспорту: материалы III Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: ПДЗ, 2010. -

12. Тарасов Е.М., Трошина М.В., Якобчук А.И., Моисеев Е.Г. Принципы разделения пространства образов решающими функциями на классы состояний рельсовых линий // Безопасность движения поездов: труды XI научно-практической конференции. - М.: МИИТ, 2010. - С. VIII-20 - VIII-

13. Тарасов Е.М., Трошина М.В., Якобчук А.И., Моисеев Е.Г. Формирование множества признаков распознающих классификаторов состояний рельсовых линий // Инновации для транспорта: сб. науч. статей с международным участием в трех частях. Часть 1. - Омск: ОмГУПС, 2010. -С. 248-253.

14. Исследование работы рельсовой цепи в нормальном режиме. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009610248 / Тарасов Е.М., Трошина М.В., Якобчук А.И., Горбунов А.Е. -Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.12.2008 г.

15. Программа расчета параметров рельсовой цепи при наличии поперечной неоднородности на участке контроля. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613766 / Тарасов Е.М., Трошина М.В., Якобчук А.И., Якобчук Т.В. - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 09.06.2010 г.

С. 64-66.

22.

Диссертант

А.И. Якобчук

ЯКОБЧУК Артём Игоревич

Устройство функционального диагностирования токопроводящих стыков для систем управления технологическими процессами на станциях

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Подписано в печать J&.Pf /Y. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Печать оперативная. Отпечатано на полиграфическом оборудовании издательства «Самарский муниципальный институт управления» 443084, г. Самара, ул. Вольская, д. 40

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ НАПОЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ АВТОМАТИКИИ ТЕЛЕМЕХАНИКИ.

1.1. Особенности мониторинга и диагностики первичных параметров станционных рельсовых цепей.

1.2. Статистический анализ отказов станционных систем автоматики и телемеханики.

1.3. Анализ причин отказов ССАТ.

1.4. Анализ существующих методик, устройств и систем мониторинга и диагностики аппаратуры автоматики и телемеханики.

Выводы по главе 1.

Глава 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИКИ.

2.1. Обобщенная структура устройства мониторинга и диагностики.

2.2. Разработка математических моделей порождения информативных признаков рельсовых цепей.

2.3. Проверка адекватности В11Ь - модели.

2.4. Анализ изменения информативных признаков рельсовой цепи.

Выводы по главе 2.

Глава 3 ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДИАГНОСТИРУЮЩЕЙ

ФУНКЦИИ СТАНЦИОННЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЛИНИЙ.

3.1. Структура устройства мониторинга и диагностики состояний станционных рельсовых цепей.

3.2. Формирование классов состояний сопротивления токопроводящего стыка станционной рельсовой цепи.

3.3. Определение решающего правила классификации состояний сопротивления токопроводящих стыков.

3.4. Восстановление диагностирующей функции.

3.5. Результаты машинного восстановления диагностирующих функций.

Выводы по главе 3.

Глава 4 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАНЦИОННЫХ

РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ.

4.1. Технические требования к устройствам функциональной диагностики состояния станционных рельсовых цепей.

4.2. Разработка алгоритма функционального диагностирования.

4.3. Структурная схема устройства диагностики станционных рельсовых цепей.

Выводы по главе 4.

Актуальность работы. Основными техническими средствами, обеспечивающими автоматическое регулирование и безопасность движения поездов, являются устройства автоматики и телемеханики. Надежная работа этих устройств исключает неоправданную задержку поездов, что позволяет значительно улучшить качество всего технологического процесса перевозок.

Анализ процессов технического обслуживания этих устройств, как замкнутой динамической системы управления качеством, подтверждает отсутствие в этом процессе оперативного информационного звена, обеспечивающего формирование необходимой информации для принятия правильных решений в сложных условиях эксплуатации. Как показывает опыт, обслуживающий персонал, не имея- должных рекомендаций и инструкций по локализации отказов, тратит неоправданно много времени на поиск и устранение неисправностей.

С учетом того, что для нормального хода процесса регулирования движения поездов необходимо до минимума, исключить отказы и сбои в работе эксплуатируемых устройств автоматики и телемеханики, то становится очевидным и другое важное требование — обеспечение прогнозирования отказов. Это требование особо важно для диагностирования и прогнозирования сопротивления токопроводящих стыков (ТПС) -элементов рельсовых цепей, отказы которых составляют 15% из всего потока отказов станционных систем автоматики и телемеханики.

В связи с этим возникает настоятельная, необходимость в создании автоматической системы контроля и диагностирования сопротивлений 111С.

Решить такой комплекс сложных задач представляется возможным, на базе использования теории, методов и способов функциональной диагностики. Базируясь на объективных факторах в оценке состояния токопроводящих стыков, теория и практика технической диагностики обеспечивают своевременное выявление неисправностей и создают возможность для оперативного их устранения, а также прогнозирования состояний 111С. Особенность технического диагностирования 111С состоит в том, что они рассредоточены вдоль железнодорожного пути на большие расстояния, помимо этого они находятся в, непрерывном (круглосуточном) режиме эксплуатации, и не допускают ни. малейших перерывов в работе, следовательно, при техническом диагностировании токопроводящих стыков станционных рельсовых цепей следует учитывать и то обстоятельство, что они- интегрированы в информационно-управляющий комплекс, регулирования движением поездов и обеспечения безопасности перевозочного процесса.

Крупный вклад в.создание и развитие теории и практики технического диагностирования состояния устройств и систем железнодорожной автоматики и, телемеханики внесли известные ученые: Брылеев A.M., Лисенков В.М., Кравцов1 Ю:А., Сапожников В.В., Сапожников. Вл.В., Дмитренко И.Е., Тарасов Е.М., Шалягин Д.В., Алексеев В.М., Лунев С.А., Белоногов A.C. и другие.

С учетом того, что разработанные устройства автоматики и телемеханики не предназначены для использования в автоматизированных системах диагностики, они ориентированы на применение ручной технологии, что не удовлетворяет требуемой глубине диагноза, необходимо разработать такие модели диагностирования, которые обеспечивали бы возможность непрерывной* функциональной диагностики.

В связи с этим, разработка устройства функционального диагностирования (УФД) токопроводящих стыков станционных рельсовых цепей, является актуальной проблемой, которой и посвящена настоящая диссертация.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационного исследования является разработка и реализация устройства функционального диагностирования сопротивления токопроводящих стыков.

Для достижения указанной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

Обоснование необходимости разработки устройства функционального диагностирования сопротивлений II 1С посредством причинно-следственного анализа отказов элементов станционных рельсовых цепей.

2. Выбор и обоснование множества информативных признаков для диагностирования, разработка математических моделей информативных признаков состояний токопроводящих стыков.

3. Исследование различных моделей рельсовых цепей с изменяющимися сопротивлениями ТПС и установление диапазона изменения информативных признаков при различных сопротивлениях ТПС.

4. Разработка методики восстановления, диагностирующей функции токопроводящих стыков, с оценкой погрешности определения сопротивлений ТПС.

5. Разработка устройства функциональной- диагностики ТПС и его внедрение в существующее устройство контроля состояний рельсовых линий.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории распознавания образов, теории матриц, теории функции комплексных переменных, теории электрических цепей, численное моделирование. Расчеты выполнялись с использованием ЭВМ на базе пакетов анализа МаЛсаё 13. Схемы замещения рельсовых цепей выполнены с использованием основных положений теории четырехполюсников и линий с распределенными параметрами.

Достоверность и обоснованность обоснована соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований и работоспособностью разработанных технических решений в эксплуатационных условиях.

Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач, связанных с разработкой и реализацией устройства функциональной диагностики состояний токопроводящих стыков:

1. Получены математические модели информативных признаков, характеризующих состояния ТПС, позволяющие получить аналитические зависимости между напряжениями и токами и их фазовыми соотношениями на входе и на каждом из выходов всех участков контроля по маршрутам диагностики разветвленной станционной рельсовой цепи. Показана возможность использования выбранного набора первичных информативных признаков для диагностики сопротивлений ТПС.

2. Разработаны математические модели, с дискретно-распределенными параметрами рельсовых линий, позволившие выделить составляющую сопротивления токопроводящего стыка из обобщенного сопротивления рельсовой линии. Модели, в отличие от существующих моделей рельсовых линий с равномерно распределенными параметрами, представлены в виде произведения матриц четырехполюсников рельсовых линий малой длины с распределенными параметрами и- четырехполюсников токопроводящих стыков с сосредоточенными параметрами.

3. Впервые предложена методика восстановления диагностирующей функции по выборкам ограниченного объема, обеспечивающей погрешности диагностирования, не превышающие заданной.

4. На основе сформированного множества информативных признаков, полученной диагностирующей функции, предложен принцип построения УФД, выполняющего функции: мониторинга электрических параметров рельсовых цепей, диагностики сопротивлений токопроводящих стыков, определения координаты места нахождения стыка с изменившимся сопротивлением, автоматического протоколирования динамики и событий.

Практическая ценность и внедрение результатов работы. На основании проведенных исследований разработано и реализовано устройство функционального диагностирования сопротивления токопроводящих стыков с определением величины и места расположения стыка с измененным сопротивлением, прогнозировать появление постепенных неисправностей, которые могут найти применение в нижнем уровне системы диагностики и прогнозирования состояний устройств автоматики и телемеханики железных дорог, включая станции.

Полученные в диссертационной работе научные результаты позволили сформировать новый способ определения состояния» рельсовой линии (Патент № 2333126), а также реализовать устройство, с расширенными функциональными возможностями (Патент № 2340499).

Реализация результатов работы осуществлена путем внедрения экспериментального образца устройства функциональной диагностики токопроводящих стыков станционных рельсовых линий на опытном полигоне Южно-Уральской железной дороги, а также в систему электрической централизации станционных путей ОАО «Газпромтранс».

Результаты работы используются- в учебном процессе Самарского государственного университета путей сообщения при чтении лекций по таким дисциплинам как «Теория дискретных устройств автоматики и телемеханики» и «Основы теории надежности», а также при выполнении лабораторной работы в курсе дисциплины «Микроэлектронные системы станционной автоматики и телемеханики».

На защиту выносятся следующие результаты:

- математические модели информативных признаков, позволяют получить аналитические зависимости между напряжениями и токами и их фазовыми соотношениями на входах и выходах всех участков контроля по маршрутам диагностики разветвленных станционных рельсовых цепей в зависимости от изменения сопротивления изоляции рельсовых линий.

Моделированием определены предельные значения информативных признаков при изменении сопротивления изоляции рельсовых линий в диапазоне от 0,1 до 50 Ом-км.;

- математические модели информативных признаков с дискретно-распределенными параметрами (DRL — модель) рельсовых линий, позволили выделить составляющую сопротивления ТПС из обобщенного сопротивления рельсовой линии и определить граничные значения сопротивления токопроводящих стыков. С помощью моделирования определено, что минимальное значение сопротивления, при котором сохраняется нормальное функционирование, ZCT m,-n = 700*10"60м, а максимальное - ZCT max — 0,4 Ом;

- методика восстановления диагностирующей функции позволила определить объем ограниченной выборки значений сопротивлений стыков и получить семейство диагностирующих функций, обеспечивающих требуемую погрешность диагностирования сопротивления ТПС, 8(Zt)< 10%; технически реализованное устройство функционального диагностирования сопротивлений токопроводящих стыков обеспечивает диагностику всех токопроводящих стыков по всем маршрутам диагностики, протоколировать и архивировать значения сопротивлений, позволяет локализовать место повышенного сопротивления и информировать обслуживающий персонал о предотказном состоянии ТПС.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационного исследования нашли свое отражение в работе научных и научно-практических конференций различного уровня, в. числе которых: XXXV научная конференция студентов и аспирантов (Самара, 2008); Десятая научная конференция студентов и аспирантов (Самара, 2009); Межвузовская научно-практическая конференция «Математическое моделирование, численные методы и информационные технологии» (Самара, 2009); XI научная конференция студентов и аспирантов (Самара, 2010); III Всероссийская научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту» (Пенза, 2010); XI научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» (Москва, 2010); Международная конференция «Инновации для транспорта» (Омск, 2010). Одновременно с этим, основные положения и результаты проведенного исследования докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры математических методов и информационных технологий САГМУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 - в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых ВАК Минобрнауки России для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, получено три патента и два свидетельства на программный продукт.

Структура диссертации. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материалы диссертации изложены на 138 страницах основного текста, содержат 48 иллюстраций, 10 таблиц, 15 приложений. Библиографический список включает в себя 92 наименования.

Результаты исследования амплитуды напряжения на приемнике главного хода (ответвление 1) представлены в виде графиков (рис. 2.21).

Рисунок 2.21 - График изменения амплитуды напряжения на приемнике первого ответвления при различных моделях рельсовых линий

Из анализа результатов, представленных на рисунке 2.21 следует, что диапазон изменения амплитуды напряжения на приемнике первого ответвления в зависимости от изменения ги при Ю^Ь — модели составляет 14,77 >ХЛ\В >8,642В, т.е. изменяется 1,709 раза, а при ОБЬ - модели 14,875 >1Л\А >8,746В, т.е. диапазон изменения 1,701 раза. Относительная погрешность полученных при моделировании результатов ВКЬ — модели относительно Ш1Ь — модели находится в пределах 1,243% > Ъи21тах > 0,832%.

Графики изменения амплитуды напряжения на приемнике второго ответвления при различных значениях сопротивления балласта (рисунок 2.22) находятся в диапазоне 14,65 >и22Р >9,488 В соответственно изменяется в 1,544 раза для ШИ, - модели, и 14,667 > С/22д >9,524 В соответственно, изменяется в 1,540 раза для БШ^ — модели. Относительная погрешность при этом, составляет 0,398% > Ъи22тах >0,13%.

16

1122, В

12

14

10

Ж БЫ, 8

О 1

10

100 и

Рисунок 2.22 - График изменения амплитуды напряжения на приемнике второго ответвления при различных моделях рельсовых линий

Динамический диапазон результатов моделирования амплитуды напряжения на приемнике третьего ответвления (рисунок 2.23.), при М^Ь — модели составляет 14,595 > и2ЪР > 8,434В, т.е. изменяется в 1,73 раза, а при БКЬ - модели 14,647 >£/23д >8,509В, т.е. диапазон изменения 1,721 раза, а относительная погрешность составляет 0,883% > ЪигЪтах > 0,374%.

ШЗ, В

Рисунок 2.23 - График изменения амплитуды напряжения на приемнике третьего ответвления при различных моделях рельсовых линий

На рисунке 2.24, представлены результаты моделирования фазы напряжения на приемнике первого ответвления в виде графиков — модели и ББ1Ь — модели, динамический диапазон изменения которых составляет 44,047 >921^ >10,159град., и динамический коэффициент составляет 4,336 раз, а ф21 БМ, - модели 43,8>ср21д 2:9,979град., динамический коэффициент соответственно равен 4,389 раз. Относительная погрешность при этом, составляет 1,768% > 5 гХтах > 0,561%.

100

Рисунок 2.24 - Графики изменения фазы напряжения на приемнике первого ответвления при различных моделях рельсовых линий

Результаты моделирования фазы напряжения на приемнике второго ответвления в виде графиков Ш^Г — модели и ВИЬ — модели, представленные на рисунке 2.25. Значения динамического диапазон находятся в пределах 45Д84>(р22Р >21,308град., и динамический коэффициент составляет 2,121 раз, а ф22 ОМ, - модели 45,221><р22д >21,374град., динамический коэффициент соответственно равен 2,116 раз. Относительная погрешность при этом, составляет 0,311% > 5о22тах > 0,084%. ср22, 50 град.

40 зо 20

0.1 1 10 100 г2и

Рисунок 2.25 - Графики изменения фазы напряжения на приемнике второго ответвления при различных моделях рельсовых линий

40

30

20

10

О 1

Ш1Ь

10

На рисунке 2.26 представлены результаты моделирования фазы напряжения на приемнике третьего ответвления в виде графиков RRL — модели и DRL — модели, динамический диапазон изменения которых составляет 38,923 >ср23Р >4,088 град., и динамический коэффициент составляет 9,521 раз, а ф23 DRL — модели 38,867 >ср23д >4,105град., динамический коэффициент соответственно равен 9,468 раз. Относительная погрешность при этом, составляет 0,418% > 5 2Ътах > ОД 43%. гЗ,

Рисунок 2.26 - Графики изменения фазы напряжения на приемнике третьего ответвления при различных моделях рельсовых линий

Таким образом, по результатам проведенного моделирования ВД1Ь — моделью и ВЯЬ — моделью при формировании информативных признаков контролируемой рельсовой линии видно, что максимальная относительная погрешность моделей составила не более 1,5%. Это, в свою очередь, констатирует факт адекватности БКЬ и ИЛЬ — моделей, и подтверждает возможность исследования информативных признаков БШ^ - моделью при формировании области существования информативных признаков исследуемого участка.

Устройство диагностики сопротивления ТПС позволяет заблаговременно определить предотказные состояния стыков и выявлять те стыки, которые изменили свое сопротивление от номинального. Для этого необходимо определить области существования информативных признаков х = f (rm, ZTnc), как функции от изменения сопротивления изоляции рельсовых линий и флуктуации — величины сопротивления токопроводящих стыков рельсовых линий станционных рельсовых цепей. В диссертационной работе разработан алгоритм, представленный на рисунке 2.27 и позволяющий исследовать влияние флуктуации- токопроводящего стыка на информативные признаки исследуемой рельсовой линии. Реализация алгоритма осуществляется последовательным выполнением шагов:

1 шаг. Ввод исходных данных: ги, ги тах, Дги; Z-mc min, Z-mc шах, AZTOC; i\,

2, ¿3, ¿4,

2 шаг. Расчет количества ТПС в зависимости от 6Ь i2, 63, £4, 65.

Зшаг. Расчет значений информативных признаков:

С/1, Л, ф1, у1, U21, ф22 U22, (р22, U23, ф23}.

4 шаг. Формирование пространства существования информативных признаков.

5 шаг. Организация цикла по присвоению номера ТПС q-mc, с выполнением 3, 4 шага.

6 шаг. Организация цикла по присвоению значений сопротивления ТПС (Z-mc)- Изменение значения Z-mc осуществляется при выполнении 5 шага, начиная'с 1 ТПС, с выполнением 3, 4 шага.

7 шаг. Организация цикла по присвоению значений сопротивления изоляции ги. Изменение значения ги осуществляется при выполнении 5, 6 шага, начиная с 1 ТПС для всех значений Z-mc, с выполнением 3, 4 шага.

8 шаг. Вывод результатов моделирования на монитор, печать результатов. ги>г.

Рисунок 2.27 — Алгоритм исследования информативных признаков

С использованием алгоритма и математического пакета МаШсас! разработана программа исследования информативности первичных признаков при флуктуации сопротивления ТПС /58/, листинг которой представлен в приложении Д.

Если пределы изменения сопротивления изоляции рельсовых линий известны 50,0 > гт > ОД Ом-км, то на первом этапе необходимо определить допустимые пределы изменения сопротивления ТПС, а на втором этапе — с помощью БКЕ, — модели - сформировать области существования информативных признаков. Очевидно, минимальное сопротивление ТПС равно 2тт = 700 х 10~б Ом, а максимальное достигает до 100 Ом /53-55/, поэтому необходимо определить границу перехода сопротивления ТПС из исправного в неисправное состояние.

В' данной работе автором предлагается эту границу определить по контролю достижения минимально-допустимого напряжения на путевой обмотке контрольного реле при увеличении сопротивления ТПС. Значение минимального сопротивления нормировано согласно письму главного инженера Института по проектированию сигнализации, централизации, связи и радио на железнодорожном транспорте «Гипротранссигналсвязь» от 15.09.2006 года № 32-10/82 и факсограмме ОАО «РЖД» от 14.01.2011 года№ ЦШЦ-24/5 и2:тш = 4,0 В, следовательно, сопротивление ТПС, при котором достигается это значение напряжения, и является верхней (максимальной) границей сопротивления ТПС /56, 57/.

Вычислительным экспериментом на математической ЭЛЬ - модели доказано, что в этом случае, максимально исправное сопротивление ТПС 7 = 0,4 Ом. тах 7

Таким образом, пределы изменения сопротивления ТПС находятся в границах 0,4>2ШС >700x10"6 Ом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ отказов элементов рельсовых цепей — устройств контроля состояний рельсовых линий, который показал, что колебание сопротивлений токопроводящих стыков привносит до 15% количества отказов,, и современные устройства диагностики не позволяют выявлять изменение сопротивления токопроводящих стыков, из-за того, что по своей сути они являются средствами, телеизмерений'с незначительной обработкой сигналов.

2. В работе определено» множество первичных информативных признаков функционального диагностирования, в качестве основных признаков использованы рабочие выходные параметры, а дополнительные -входные параметры рельсовых цепей, и, следовательно, размерность признакового пространства равна шести: т* = {С/2, <р2, Ш, (р\,1\,у/\}. С помощью математических моделей информативных признаков, разработанных в работе, исследована картина изменения напряжений, токов и их фазовых соотношений в зависимости от изменения сопротивления изоляции. Установлено, что из-за нелинейной зависимости изменения признаков, диагностировать сопротивление токопроводящих стыков отдельными признаками невозможно.

3. Выделение составляющей сопротивления токопроводящего стыка, из распределенного сопротивления рельсовой линии, осуществлено декомпозицией модели рельсовых цепей с равномерно-распределенными параметрами рельсовых линий на функциональные четырехполюсники токопроводящих стыков и четырехполюсники элементарных участков рельсовых линий с равномерно-распределенными параметрами. Подобие разработанной математической модели прототипу, проверена вычислительным экспериментом, и относительная погрешности модели не превышает 1,5% от прототипа. Исследование информативности к изменению сопротивления токопроводящих стыков, проведенное с помощью разработанной математической модели показали, что наибольшей чувствительностью к изменению сопротивления ТПС обладают напряжения и их фазы на выходном конце каждого ответвления СРЦ и соответственно динамический диапазон изменения- признаков по ответвлениям составляет Кип= 3,48; К^ = 6,77; Ки22= ЗД5; ^=3,23; Ки23 = 3,52; Кр23 =15,25, и это подтверждает возможность их использования в диагностирующих функциях.

4. Разработана методика восстановления диагностирующей функции по заданным точкам на основе решения системы несовместных уравнений и множества информативных признаков — аргументов функций, позволила получить семейство диагностирующих функций сопротивлений токопроводящих стыков, отличающихся количеством используемых признаков и сложностью функции.

Проведено компьютерное моделирование функциональной диагностики ТПС восстановленными диагностирующими функциями, которое показало, что максимальная* погрешность наблюдается' при диагностировании ТПС в области малых значений сопротивлений д(2,тах)= 7,943%, расположенных ближе к источнику сигнала опроса рельсовых линий, а минимальная погрешность 8(Х1тт) = 0,869% у ТПС, расположенных на выходе участках контроля, расположенных у контрольных реле.

5. Предложена структурная схема и технически реализовано устройство функциональной диагностики с использованием входных и выходных параметров рельсовой цепи для определения сопротивления токопроводящих стыков, и места расположения неисправного стыка, а также непрерывного автоматизированного протоколирования событий. Экспериментальный образец устройства внедрен на опытном полигоне Южно-Уральской железной дороги, а также в систему электрической централизации станционных путей ОАО «Газпромтранс».

1. Переборов A.C., Брылеев A.M. и др. Телеуправление стрелками и сигналами: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. A.C. Переборова. — М.: Транспорт, 1981.-390 с.

2. Брылеев A.M., Кравцов Ю.А., Шишляков A.B. Теория^ устройство и работа рельсовых цепей. М.: Транспорт, 1978. - 344 с.

3. Моисеев Е.Г., Якобчук А.И. Требования к устройствам контроля состояний рельсовых линий // Наука и образование транспорту: материалы III Всероссийской научно-практической конференции. — Пенза: ПДЗ, 2010. С. 6466.

4. Патент № 2333126 (РФ) Способ контроля свободности рельсовой линии / Полевой Ю.И., Якобчук А.И., Трошина М.В., Ахмадулин Ф.Р. Заявл. 30.11.2006 г. Опубл. Б.И., 2008 г., № 25.

5. Патент № 2340499 (РФ) Устройство контроля состояния рельсовой, линии / Полевой Ю.И., Якобчук А.И., Трошина М.В. — Заявл. 09.01.2007 г., Опубл. Б.И., 2008 г., № 34.

6. Якобчук А.И. Рельсовые цепи с микропроцессорным решающим устройством контроля состояния рельсовых линий // Сборник материалов XXXV научной конференции студентов и аспирантов. Самара: СамГУПС, 2008. - Выпуск № 9. - С. 104.

7. Патент № 2391241 (РФ) Горочная рельсовая цепь / Тарасов Е.М., Трошина М.В., Моисеев Е.Г., Якобчук А.И. Заявл. 12.05.2009 г., Опубл. Б.И., 2010 г., № 16.

8. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. Вл.В. Сапожникова. М.: Маршрут, 2003. - 263 с.

9. Федотов А.Е. Научные основы эксплуатации систем железнодорожной автоматики и телемеханики // Дисс. док. техн. наук: 05.22.08 / Федотов А.Е. — Л.: ЛИИЖТ, 1985. 288 с.

10. Шаманов В.И., Ведерников Б.М. Методика расчета эффективности технических мероприятий по повышению надежности действующих устройств сигнализации, централизации и блокировки. М.: МПС, 1990. — 79 с.

11. Дмитренко И.Е. Техническая диагностика и автоконтроль систем железнодорожной автоматики и телемеханики. — М.: Транспорт, 1986. — 144 с.

12. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Христов Х.А., Гавзов Д.В. Методы построения безопасных и микроэлектронных систем железнодорожной автоматики / Под ред. Вл.В; Сапожникова. — М.: Транспорт, 1995t — 272'с.

13. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Талалаев В.И: и др. Безопасность железнодорожной автоматики? и телемеханики. Термины и определения // Автоматика, телемеханика и связь. — М., 1992. № 4. - С. 30-32.

14. ОСТ 32. 17-92. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Термины и определения. — С-Пб.: ПИИТ, 1992. — 33 с.

15. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Принципы построения безопасных микропроцессорных систем // Автоматика, телемеханика и связь. -М., 1989.-№ 11.-С. 22-24.

16. Христов Хр: Электронизация на осигурителната техника. София: Техника, 1984.-355 с.

17. Инструкция по технической эксплуатации устройств и систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) ЦШ-720-09. — М.: ОАО «РЖД», 2009. Утверждена и введена в действие Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.10.2009 года № 2150р.-93 с.

18. Брейдо А.И., Овсянников В.А. Организация обслуживания устройств железнодорожной автоматики и связи / Под ред. B.C. Аркатова. М.: Транспорт, 1983.-208 с.

19. URL: http: // www.nilksa.ru.

20. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1990. 13 с.

21. Лунев С.А. Станционные технические средства обслуживания систем железнодорожной автоматики'и телемеханики // Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.22.08 / Лунев Сергей Александрович. М.: МИИТ, 1988. - 21 с.

22. Гавзов Д-Bi, Бушуев C.B., Гундырев К.В. Система технической диагностики электрической централизации' на базе микроЭВМ* и программируемых контроллеров // Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры ОАО «РЖД». М.: УрГУПС, 2004. - С. 222-225.

23. Технические решения по автоматизации функций контроля, диагностики и технического обслуживания устройств СЦБ 62130-00 ДТР. — М.: МПС РФ, 2001.-210 с.

24. Морозов С.С., Елизаров С.И, Аверкиев С.А. Методы цифровой обработки аналоговых сигналов в АРМ' электромеханика // Автоматика, связь, информатика. М.: МПС РФ, 2005. - № 12*. - С. 46-48.

25. Елизаров С.И. Методы цифровой обработки аналоговых' сигналов в АРМ электромеханика СЦБ // Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте «Трансжат-2005»: сб: докл. Сочи: РГУПС, 2005. - С. 206-209.

26. Гавзов Д.В., Гундырев К.В. Системы технической диагностики в составе микропроцессорных систем ЭЦ (ДЦ) и безопасность движения поездов // Безопасность движения поездов: труды научно-практической конференции. — М.: МИИТ, 2003.-С. 2-4.

27. Алексеев В.М. Самоорганизующиеся системы технической диагностики устройств железнодорожной автоматики и телемеханики // Дисс. докт. техн. наук: 05.22.08 / Алексеев Виктор Михайлович. М.: ВНИИЖТ, 1999.-290 с.

28. Vapnik V.N. Statistical Learning Theory. -N.Y.: Wiley, 1998.

29. Якобчук А.И. Разработка обучаемого классификатора состояний системы мониторинга первичных параметров рельсовых линий // Вестник Самарского муниципального института управления. Самара: СМИУ, 2010. — №4 (15).-С. 115-121.

30. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. — М.: Мир, 1978.-412 с.

31. Тарасов Е.М., Горбунов А.Е., Якобчук А.И. Разработка компонентных математических моделей информативных признаков определения скорости // Вестник Самарского муниципального института управления. Самара: СМИУ, 2008.- №6. -С. 78-83.

32. Трошина М.В., Якобчук А.И. Разработка математических моделей компенсационного канала инвариантного самонастраивающегося устройства контроля рельсовых линий // Вестник транспорта Поволжья. — Самара: СамГУПС, 2010. -№ 4 (24). С. 58-62.

33. Атабеков Р.И. Теоретические основы электротехники. Часть 1. — М.: Энергия, 1978. 592 с.

34. Бессонов JI.A. Линейные электрические цепи. — М.: Высшая школа, 1983.-336 с.

35. Тарасов Е.М. Математическое моделирование рельсовых цепей с распределенными параметрами рельсовых линий: Учебное пособие. Самара: СамГАПС, 2003.-118 с.

36. Якобчук А.И. Разработка информативного датчика систем интервального управления движением поездов // Материалы десятой научной

37. Шебес М.Р. Задачник по теории линейных электрических цепей: Учебное пособие. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1982. - 488 с.

38. Каллер М.Я., Соболев Ю.В., Богданов А.Г. Теория линейных электрических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1987. — 335 с.

39. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учебник для вузов- по специальности «Кибернетика электрических систем». — М.: Высшая школа, 1984.-439 с.

40. Аттетков A.B., Зарубин B.C., Канатников А.Н. Введение в методы оптимизации: Учебное пособие. -М.: Финансы и статистика, ИНФРА-М,.2008. 272 с.

41. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2002. - 348 с.

42. Григорьев В.JI., Лабунский Л.С. Комплексное решение проблемы рельсового стыка электрифицированного транспорта. — Самара: СамГАПС, 2005. 93 с.

43. Дмитренко И.Е., Устинский A.A., Цыганков В.И. Измерения в устройствах автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. — М.: Транспорт, 1982. — 312 с.

44. Бушуев В.И., Оводков Л.В. Повышение надежности токопроводных стыков // Автоматика, телемеханика и связь. М.: Транспорт, 1978: - № 8. - С. 25-27.

45. Письмо главного инженера Института по. проектированию сигнализации, централизации; связи и радио на-железнодорожном транспорте «ПШРОТРАНССИГНАЛСВЯЗЬ» от 15.09.2006 года№ 32-10/82.

46. Факсограмма ОАО «РЖД» от 14.01.2011 года№ ЦШЦт24/5.

47. Исследование работы рельсовой цепи в нормальном режиме. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009610248 / Тарасов Е.М., Трошина М.В:, Якобчук А.И, Горбунов А.Е. -Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ* 11.12.2008 г.

48. Носырев Д.Я., Тарасов Е.М., Левченко A.C., Мохонько В.П. Научные основы, контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов. — Самара: СамИИТ, 2001. 174 с.

49. Распознающие системы. Справочник / Под ред. Васильева В.И. -Киев: Наукова думка, 1969. — 292 с.

50. Бушуев С.В., Гундырев К.В. Методы измерения переходного сопротивления токопроводящего стыка // Молодые ученые транспорту: труды IV научно-технической конференции. - Екатеринбург: УрГУПС, 2003. - С. 121126.

51. Мироновский! Л.А. Функциональное диагностирование динамических систем. -М.: МГУ, 1998. 340 с.

52. Игнатьев М.Б., Мироновский Л.А., Юдович B.C. Контроль и диагностика робототехнических систем. Л.: ЛИАП, 1985. - 160 с.

53. Kadim H.J. Minimal transient modes for faults detection in analogue VLSI circuits // Radioelectronics & Informatics. 2003. № 3. - P. 82-86.

54. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей / Под. ред.

55. B.Н. Вапника. М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 816 с.

56. Дисарахти Б.В., Шила Б.В. Построение сложной системы распознавания образов: Теория и методика // ТИИЭР. — 1979. — Т. 67. — № 5: —1. C. 5-12.

57. Потапов A.C. Распознавание образован машинное восприятие: общий подход на основе принципа минимальной длины описания. — С-Пб.: Политехника, 2007. 548 с.

58. Looney C.G. Pattern recognition using neural networks: Teorey and algorithms for engineers and scientists. Oxford University Press, 1997. — 458 p.

59. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 720 с.

60. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихсяВУЗов. М'.: Наука, 1986. - 544 с.

61. Белоусов И.В. Матрицы и определители: Учебное пособие по линейной алгебре. Кишинев: Институт прикладной физики, 2006. - 101 с.

62. Тарасов Е.М. Рельсовые цепи с обучаемыми классификаторами состояния // Дисс. кан. техн. наук: 05.22.08 / Тарасов Евгений Михайлович. — М.: МИИТ, 1989.-240 с.

63. Программа расчета параметров рельсовой цепи при наличии поперечной неоднородности на участке контроля. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613766 / Тарасов

64. Е.М., Трошина М.В., Якобчук А.И., Якобчук Т.В. — Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 09.06.2010 г.

65. Тойберт П. Оценка точности результатов измерений: Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1988. 88 с.

66. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы-теории проектирования САПР. М.: Высшая школа, 1990. - 224 с.

67. Власенко С.В. Автоматизированные системы технической диагностики станционных рельсовых цепей // Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.22.08/ Власенко Сергей Валентинович. С-Пб.: ПГУПС, 1997. - 25 с.

68. Дмитренко И.Е., Сапожников- В.В:, Дьяков Д.В. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и. связи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. И.Е. Дмитренко. — М.: Транспорт, 1994. 263" с.

69. Перникис Б.Д., Ягудин Р.Ш. Предупреждение и устранение неисправностей в устройствах СЦБ. — М.: Транспорт, 1984. — 224 с.

70. Федорков Б.В., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990. -320 с.

71. Шлыков Г.П. Измерение параметров интегральных ЦАП и АЦП. М.: Радио и связь, 1985. - 128 с.

72. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователям. М.: Радио и связь, 1982. - 552 с.

73. Токхейм Р. Основы цифровой электроники / Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-392 с.

74. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Радио и связь, 1996. — 768 с.

75. Титце У., Шейк К. Полупроводниковая схемотехника / Пер. с англ. -М.: Мир, 1982.-512 с.

76. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1989. —399 с.

77. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. М.: Высшая школа, 1987.-318 с.

78. Фрир Дж. Построение вычислительных систем на базе перспективных микропроцессоров / Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 413 с.

79. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. и др. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов. Справочник. С-Пб.: Наука и техника, 2000. -700 с.

80. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. М.: ЭКОМ, 1999. - 400 с.

81. Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.