автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий для систем интервального управления движением поездов

На правах рукописи

КУРОВ Михаил Борисович

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОВОДИМОСТИ ИЗОЛЯЦИИ РЕЛЬСОВЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ ИНТЕРВАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2004

Работа выполнена в Самарской государственной академии путей сообщения на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь»

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор ТАРАСОВ Евгений Михайлович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор ВАСИН Николай Николаевич

- кандидат технических наук, доцент ВОЛИК Вадим Григорьевич

Ведущая организация - Куйбышевская железная дорога - филиал ОАО «РЖД».

Защита состоится «22» декабря 2004 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета K218.011.01 при Самарской государственной академии путей сообщения по адресу: 443066, г. Самара, 1-ый Безымянный пер., 18, СамГАПС, ауд. 5216, корпус 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарской государственной академии путей сообщения.

Автореферат разослан «22» ноября 2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета академии.

Ученый секретарь диссертационного ^

совета К218.011.01 к.т.н., доцент с^^^ B.C. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях эксплуатации железнодорожного транспорта особенно важное значение приобретают вопросы обеспечения безопасности движения поездов на станциях и перегонах, что обуславливает задачу повышения надежности функционирования систем интервального управления движением поездов (СИУДП), в которых устройством, достоверно определяющим состояния рельсовых линий участков, контроля являются классификаторы (рельсовые цепи).

Особенностью работы классификаторов состояний рельсовых линий (КСРЛ) является то, что они функционируют в условиях разнообразных климатических факторов и различного рода интенсивных возмущающих воздействий, которые приводят к различного рода отказам функционирования.

По сетевым данным от 15 до 20% всех неисправностей в работе КСРЛ происходит из-за повышенной проводимости изоляции рельсовых линий (РЛ). В реальных условиях проводимость изоляции изменяется от 0.02 до 10 См/км, при нормативном от 0.02 до 1 См/км, а на некоторых участках максимальная проводимость изоляции достигает до 25 - 30 См/км, что приводит к значительным колебаниям уровня сигнала в рельсовых линиях, и, следовательно, неправильной классификации состояний участков контроля, сбоям в работе систем ИУДП. Расходы, вызванные отказами и неустойчивой работой классификаторов состояний рельсовых линий в условиях повышенной проводимости изоляции, в 5 - 8 раз превышают суммарные затраты от повреждений других устройств.

В настоящее время контроль величины проводимости изоляции станционных и перегонных рельсовых линий осуществляется переносным прибором измерения сопротивления балласта (ИСБ-1) с последующим усреднением измеренных значений. Для этого производится серия измерений, через каждые 150 - 200 м, что требует от обслуживающего персонала затрат большого количества времени, а оценка величины проводимости изоляции осуществляется субъективно, что приводит к большим погрешностям в контроле величины проводимости изоляции.

Трудоемкость проведения ручных измерений, субъективность оценки величины проводимости изоляции, ^рщвд:дденанализ изменения

проводимости, результаты измерений формируют только статистику изменения проводимости изоляции в дискретные промежутки времени, и невозможно осуществить непрерывный мониторинг изменения проводимости изоляции рельсовых линий для последующего принятия решения обслуживающим персоналом по корректировке работы классификаторов состояний рельсовых линий.

В связи с этим вопрос исследования и разработки автоматических устройств контроля проводимости изоляции рельсовых линий, позволяющих:

- повысить точность измерения за счет использования новых методов обработки измеренной информации;

- прогнозировать предотказное состояние КСРЛ из-за влияния изменения величины проводимости изоляции;

- исключить влияние «человеческого фактора» в процессе получения результатов измерения;

- автоматически архивировать измеренные значения;

- информировать обслуживающий персонал о текущем состоянии и о предельных значениях проводимости изоляции рельсовых линий для «принятия решений», является важным и не решенным до настоящего времени.

Таким образом, исследование, разработка и внедрение нового класса устройств контроля проводимости изоляции РЛ для систем ИУДП, с повышенной точностью определения величины проводимости изоляции на участках контроля, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Целью диссертационной работы является разработка нового класса автоматизированных устройств контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий с повышенной точностью определения величины проводимости для систем интервального управления движением поездов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе был поставлен комплекс задач:

- проведение анализа современного состояния научно-технической задачи создания автоматического устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовой линии с изолирующими стыками, удовлетворяющего требуемой точности измерений и способного

функционировать в жестких эксплуатационных условиях в диапазоне изменения проводимости изоляции 0.02 - 10 См/км;

- разработка математических моделей рельсовых цепей с дискретно-распределенными параметрами с целью определения совокупности информативных признаков, однозначно определяющих состояние проводимости изоляции;

- разработка методики восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков;

- разработка методики оценки коэффициентов чувствительности функции вычислителя с целью определения допустимого диапазона изменения относительной погрешности измерения при отклонении параметров элементов КСРЛ от номинальных;

- техническая реализация устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий для систем ИУДП.

Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной математики и математического программирования, а также проверка полученных результатов в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Теоретические исследования базируются на применении основных положений теории электрических цепей, теории интервального управления движением поездов, теории чувствительности, теории распознавания образов и теории восстановления функций.

Научная новизна работы заключается в развитии теории измерения распределенной проводимости изоляции рельсовых линий и методики создания устройства контроля проводимости изоляции РЛ, позволяющего обеспечить требуемую точность измерения проводимости изоляции.

Основными научными результатами, полученными в работе, являются:

разработанные математические модели рельсовых цепей с дискретно-распределенными параметрами, отличающиеся от известных учетом наличия стыковых соединителей для определения совокупности информативных признаков, определяющих состояние проводимости изоляции;

метод восстановления функции вычислителя на основе принципов распознавания образов, позволивший с помощью множества информативных признаков определить величину проводимости изоляции участка контроля;

методика оценки чувствительности функции вычислителя на основе предложенного коэффициента чувствительности, позволившая определить допустимый диапазон изменения относительной погрешности измерения проводимости изоляции при отклонении параметров КСРЛ от номинальных.

Практическую ценность работы составляет предложенное и разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовой линии, позволяющее:

- оценивать величину проводимости изоляции, распределенной по всей длине рельсовой линии;

- расширить диапазон правильного определения проводимости изоляции до 10 См/км;

- информировать обслуживающий персонал о превышении величины проводимости изоляции рельсовых линий сверх нормативной;

- повысить объективность и точность результатов измерений.

Разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовых

линий внедрено в существующую систему интервального управления движением поездов.

Внедрение результатов исследования.

Разработанное устройство контрбля проводимости изоляции рельсовых линий находится в опытной эксплуатации в дистанции сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги. Отдельные компоненты устройства (управляемый АЦП) внедрены в научно-исследовательской лаборатории мониторинга систем автоматики и телемеханики СамГАПСа. Разработанные математические модели, функции вычислителя, внедрены в учебный процесс в СамГАПСе и используются в курсе лекций для студентов специальности 2107.00 по дисциплинам: «Математическое моделирование», «Специзмерения и техническая диагностика в устройствах автоматики и телемеханики».

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, региональных и отраслевых научно-практических конференциях в СамГАПС, ОГТУ, СамГТУ, заседаниях научно-технического семинара электротехнического факультета СамГАПСа.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. 11 статей, 2 патента, 1 продукт интеллектуальной собственности.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 142 страницах основного текста и содержат 9 таблиц, 47 рисунков и 3 приложения на 31 странице. Список использованных источников содержит 77 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований.

В первой главе проанализированы статистические данные об отказах в работе КСРЛ и выявлено, что одним из основных возмущающих факторов, влияющих на работоспособность КСРЛ, является проводимость изоляции рельсовых линий, на долю которой приходится более 20% всех отказов КСРЛ.

Вопросам мониторинга проводимости изоляции посвящены труды ряда ученых, среди которых необходимо отметить Брылеева A.M., Дмитренко И.Е., Алексеева В.М., Кравцова Ю.А., Лунева С.А., Будникова В.Ф., Белякова И.В., Тарасова Е.М., которые внесли значительный вклад в развитие систем диагностики первичных параметров рельсовой линии.

В главе рассмотрены мобильные и стационарные устройства контроля проводимости изоляции РЛ. Анализ работоспособности которых показывает, что все они имеют невысокую точность измерения, сложны в технической реализации и для их работы необходим перерыв в движении поездов на время измерения, что снижает экономические показатели перевозочного процесса.

Поэтому сформулированы новые принципы контроля проводимости изоляции РЛ, удовлетворяющие требуемой точности измерения. Их суть заключается в том, что в определенном промежутке времени измеряется

величина напряжений и токов на входе и выходе рельсовой линии со стороны питающего и релейного концов в нормальном режиме и используя измеренные значения в качестве аргументов функции вычислителя по

величине последней определяется величина проводимости изоляции свободной рельсовой линии. Подобные системы ранее не разрабатывались и требуют теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей рельсовых цепей с дискретно-распределенной схемой замещения рельсовой линии для вычисления комплексных амплитуд напряжений и токов на входе и выходе РЛ с целью выявления наиболее информативных признаков и восстановления оптимальной функции вычислителя проводимости изоляции. Математические модели рельсовых цепей позволяют гибко изменять схемы замещения в зависимости от конфигурации рельсовой линии, режимов ее работы и проводить анализ любых видов рельсовых цепей.

В зависимости от режима работы рельсовая цепь описывается различными структурными схемами, так в нормальном режиме рельсовая линия замещается одним четырехполюсником, а в шунтовом и контрольном - тремя чытырехполюсниками: четырехполюсник от источника питания до места нахождения шунта или места обрыва рельсовой линии; четырехполюсник шунта или обрыва; четырехполюсник, замещающий участок РЛ от места нахождения поездного шунта или обрыва рельсовой линии до приемника.

При анализе и синтезе рельсовых цепей применяется обобщенная электрическая схема, в которой для любых типов неразветвленных рельсовых цепей с однократным использованием тракта передачи применяется каскадная схема, состоящая из трех четырехполюсников, замещающих соответственно устройства согласования и защиты питающей аппаратуры рельсовую

линию и устройства согласования и защиты приемной аппаратуры В результате применения обобщенной электрической схемы вся рельсовая цепь между источником питания и путевым приемником заменяется общим четырехполюсником (рис. 1), замещающим каскадное соединение трех четырехполюсников [А„], [Ар] и [Ак]

Рис. 1. Схема замещения рельсовой цепи

В настоящее время при исследовании рельсовых цепей переменного синусоидального тока рельсовый четырехполюсник [Ар] рассматривается как линия с равномерно распределенными параметрами, которая достаточно точно отражает процессы, происходящие в рельсовых линиях на бесстыковых участках пути длиной до длины участка контроля

Наличие стыковых соединителей, у 80% эксплуатируемых РЛ, имеющих сосредоточенные параметры, преобразует рельсовую линию в неоднородную линию с дискретно-распределенными параметрами. В связи с этим четырехполюсник замещающий рельсовую линию, в работе представлен как п четырехполюсников с распределенными

параметрами длиной Д/ км каждый (А/ - длина одного рельса), каскадно-соединенных между собой с помощью четырехполюсников с сосредоточенными параметрами замещающих стыковые соединители.

Следовательно, схема обобщенного четырехполюсника РЦ с дискретно-распределенной схемой замещения рельсовой линии имеет вид:

Рис.2. Дискретно-распределенная схема замещения рельсовой: [А„] - матрица коэффициентов четырехполюсника, замещающего начало рельсовой цепи; - матрица коэффициентов четырехполюсников,

замещающих рельсовую линию; [Ак] - матрица коэффициентов четырехполюсников, замещающих рельсовую цепь в конце; [А)], [Аг], ..., [А„] — матрица коэффициентов 1-ГО четырехполюсника, замещающего элементарный участок рельсовой линии; [Аст] - матрица коэффициентов /-го четырехполюсника, замещающего стыковой соединитель.

В работе разработаны обобщенные математические модели информативных признаков с дискретно-распределенной схемой замещения РЛ, характеризующих работу рельсовой цепи в нормальном, шунтовом и контрольном режимах и позволяющие исследовать процессы изменения напряжений и токов в начале и в' конце РЛ в зависимости от изменения проводимости изоляции, частоты сигнального тока, длины рельсовой линии, следующего вида:

где /=1 - нормальный режим, 2 - шунтовой режим, 3 - контрольный режим.

С помощью математических моделей в работе проведены исследования определения области существования информативных признаков при изменении проводимости изоляции от 0,02 до 10 См/км и длинах рельсовой линии от 1,0 до 2,5 км. Установлено, что для контроля проводимости изоляции использование отдельных признаков невозможно из-за неоднозначности их зависимости от проводимости изоляции. Показано, что создание устройства контроля проводимости изоляции, функционирующего в диапазоне изменения

проводимости от 0,02 до 10 См/км, возможно при использовании совокупности не менее двух признаков.

В третьей главе разработана методика восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции РЛ на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков, а также методика оценки коэффициентов чувствительности функции вычислителя при изменении параметров элементов рельсовой цепи.

Решение задачи синтеза устройства контроля проводимости изоляции связано с выделением наиболее информативных признаков и восстановлением оптимальной функции вычислителя и правил, на основе которых будет осуществляться определение величины проводимости изоляции рельсовых линий.

Задача определения величины проводимости изоляции относится к классу обратных задач, а именно, используя значения множества измеряемых признаков в свободном и исправном состоянии рельсовой линии,

необходимо определить величину проводимости изоляции g.

Для этого была предложена структурная схема (рис. 3) устройства контроля проводимости изоляции в комплексе классификатора состояний рельсовой линии.

Рис. 3. Структурная схема устройства контроля проводимости изоляции: УСН - четырехполюсник, замещающий устройства согласования в начале рельсовой линии; - четырехполюсник, замещающий рельсовую линию;

УСК - четырехполюсник, замещающий устройства согласования в конце

рельсовой линии; РУ - решающее устройство классификатора состояний рельсовой линий.

Решение поставленной задачи может быть успешно осуществлено, если восстановить однозначную зависимость некоторой функции ДХ) от входных и выходных электрических параметров рельсового четырехполюсника, а следовательно и проводимости изоляции.

В результате математического моделирования состояний РЦ в главе 2 выявлено, что в качестве информативных признаков, характеризующих состояние проводимости изоляции рельсовых линий, эффективно использовать амплитуды и фазы напряжений и токов на входе рельсовой линии и амплитуды напряжения и ее фазы на выходе РЛ, следовательно, множество образов состояний проводимости изоляции в нормальном режиме имеет вид:

В работе для минимизации входного множества проведен анализ различительных (информативных) свойств путем математического моделирования.

Выделение наиболее информативных признаков при определении величины проводимости изоляции рельсовой линии - одна из важнейших задач при синтезе определяющего уравнения вычислителя

Методы оценки и селекции информативности признаков можно разделяются на две группы: методы не включающие в рассмотрение функцию вычислителя величины проводимости изоляции и методы, сравнивающие признаки с учетом действия вычислителя величины проводимости изоляции.

По первой группе методов в качестве меры полезности первичных информативных признаков в работе использованы корреляционные функции, позволяющие установить являются ли два признака независимыми или

связаны какой-либо зависимостью. С этой целью рассмотрены две последовательности значений признаков коэффициент

корреляции которых имеет вид

где средние значения последовательностей;

- средние квадратичные отклонения последовательностей.

(7)

Полезным, с точки зрения определения проводимости изоляции рельсовых линий, считается то сочетание признаков, при котором г,д->тт.'

Расчет коэффициентов корреляции гу показал, что сочетание признаков имеет наименьшую величину взаимокорреляционного коэффициента

что показывает на разные законы изменения амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии, поэтому при синтезе функции вычислителя проводимости изоляции полезно использовать данное сочетание.

Априорно «обученное» уравнение вычислителя позволяет оценить информативность в комплексе первичных признаков и функции вычислителя проводимости изоляции, поэтому оценку информативности совокупности первичных признаков удобно осуществить с использованием функции вычислителя величины проводимости изоляции путем математического

моделирования процесса. На рис. 4 представлен алгоритм исследования информативности сочетаний первичных признаков с помощью функции вычислителя.

Рис. 4. Алгоритм исследования информативности сочетаний первичных признаков

При исследовании информативности первичных признаков пространство состояний проводимости изоляции разделено на единичные образы состояний с помощью которых осуществляется «обучение» функции вычислителя. Единичные образы состояний представляют собой таксоны, характеризующие локальные компактные области существования проводимостей изоляции.

В качестве центров таксонов при определении функции вычислителя удобнее всего принять скалярные величины проводимостей изоляции в диапазоне изменения ее величины от максимального до минимального значений.

Задача определения центров таксонов формулируется следующим образом: множество состояний проводимости изоляции 0 = ^,..^,} необходимо разбить на такие подмножества О,,...^, чтобы были удовлетворены следующие два условия:

1) подмножества состояний не пересекались, т.е.

2) любой элемент из О попадал в одно из подмножеств <?(, т.е.

и при этом каждое подмножество состояло лишь из «наиболее похожих элементов».

Количественная оценка информативности сочетаний первичных признаков, характеризующих величины проводимостей изоляции, в работе осуществлена с использованием в качестве критерия формулу относительной погрешности вычисления проводимости изоляции функцией вычислителя

где значение проводимости изоляции, принятое в качестве центра

таксона, - значение проводимости изоляции, вычисленное с помощью

восстановленной функции.

Функция вычислителя f¡ восстанавливается для каждого /-го таксона,

а затем строится решающее правило. В исходном пространстве гиперплоскости,

образуемой вектором признаков соответствует каждому значению

проводимости изоляции разделяющая поверхность

где х - первичные информативные признаки,

, если/ лежит в 1-м таксоне; у ^ ^ если/ лежит в 2-м таксоне;

Ся, если/ лежит в и-м интервале таксонов.

В качестве восстанавливаемой функции в работе использован полином Колмогорова-Габора вида

п __п^ я я п

(13)

/М=с„+£сЛ +ШсЛ +...

М Ы J=L 1.1 у.1

где коэффициенты полинома;

-Ч»-*чт» *!/* " первичные информативные признаки из множества Д). Алгоритм определения коэффициентов С, - С,^ («обучения») функции вычислителя следующий:

1. Задаются длина рельсовой линии, частота сигнального тока, максимальная проводимость изоляции.

2. Формируются множества таксонов значений проводимости изоляции в нормальном режиме.

3. Составляется система условных уравнений вида (для полинома второй степени сложности)

где первичные информативные признаки;

- центры таксонов значений проводимостей изоляции.

4. Путем решения системы условных уравнений (14) определяются коэффициенты Со - С«.

С использованием разработанной процедуры обучения и выбранного полинома функции вычислителя проанализирована информативность совокупности признаков, результаты исследований представлены на рис. 5.

8(8),%

1 0 1 10* ¡о'

/| /г Л А и и /т /« Л /| о /(I /12 /и /;< /и

Рйс. 5. Относительная погрешность определения величины проводимости изоляции функциями вычислителя: /1->(^2),/2->(^2^1),/3-»(С/2«>1),/4->(С/2/1),/5->(£/2^),/б->'( П Щ/7-К <?2 <П Ь),

/,-»( (рг /11^(^1/1). /12->(^1 ЫЛз-Н ?>1/1),/14->( ¥>1 У1),/15->№ И)-

Наименьшей погрешностью вычисления величины проводимости изоляции обладает функция вычислителя сочетанием информативных признаков в которой является амплитуда и фаза напряжения на выходе рельсовой линии, следовательно, данное сочетание необходимо использовать при синтезе функции вычислителя проводимости изоляции.

В работе, с целью упрощения вида функции вычислителя, последовательным исключением коэффициентов полинома, начиная с определен вид функции вычислителя, при котором достигается требуемая точность вычисления величины проводимости изоляции Полиномы

функции вычислителя, в зависимости от количества коэффициентов имеют вид:

1. ,=с0 + од + с2%+^^Сб^2+ ^^;

На рис. 6 представлены результаты исследования изменения величин относительной погрешности в зависимости от вида функции вычислителя.

а

п ОДЦ1СИН хигельнс йпсгреи щсш

Я Л /а /о

а) 1.0 км

А

1

п* клопюс пепьной погром гш

Пр дел огно яетелыю? погрет >сгн

ю

ю

А А /в б) 1.5 км

"р дел агне ипельно I погрегш ОСТИ

/и

/п /и /в А -Л л /а /и

в) 2.0 км г) 2.5 км

Рис. 6. Относительные погрешности вычисления ¿^функциями вычислителя

вида (15-19)

Анализ результатов исследований показал, что при использовании полинома Колмогорова-Габора второй степени сложности в качестве функции вычислителя, а в качестве аргумента - амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии, от количества коэффициентов в полиноме напрямую зависит величина относительной погрешности, независимо от длины рельсозой линии. Вместе с тем, абсолютные значения величин относительной погрешности зависят от длины рельсовой линии, и чем длиннее рельсовая линия участка контроля, тем большее значение относительной погрешности.

Так, при длине рельсовой линии 1 км значения относительной погрешности находятся в пределах от 5.3984х10"8% при использовании полинома (15) до 0.9861% (19), а при рельсовой линии 1.5 км относительная погрешность находится в пределах от 9.2762х10'6% (15) до 5.1998% (19). При длине рельсовой линии 2.0 км относительная погрешность изменяется от 4.9785х10"4% (15) до 6.1232% (19). При длине рельсовой линии участка контроля 2.5 км относительная погрешность находится в пределах от 0.0023% (15) до 43.1408% (19). Итак, при использовании полиномов вида (15 - 18) относительная погрешность вычисления проводимости изоляции не превышает 0.2393% при всех длинах рельсовой линии участка контроля. Использование полинома вида (19) в качестве функции вычислителя не представляется возможным, т.к. относительная погрешность вычисления составляет более 40%. Следовательно, полином (18) является полиномом минимальной сложности, который будет использован в качестве базового при технической реализации устройства контроля проводимости изоляции.

Для технической реализации вычислителя, в работе проведены исследования параметрической чувствительности уравнений вычислителя при изменении параметров элементов РЦ.

Исследование чувствительности на математических моделях осуществлено численными методами в малых отклонениях с использованием разработанных коэффициентов чувствительности:

где величина относительной погрешности при номинальных значениях

параметров элементов рельсовой цепи

величина относительной погрешности при отклонении значений параметров элементов РЦ

Результаты исследования чувствительности функции вычислителя определения проводимости изоляции представлены в таблицах 1 и 2.

(20)

Таблица 1

±д, % К

Го Фо гк Фн

+2 3.159 4.009 0.880 3.588

+5 2.677 3.696 0.895 3.840

+10 1.920 3.141 0.913 4.330

-2 7.698 8.686 0.171 6.582

-5 ■ 2.205 2.254 0.417 1.548

-10 5.437 4.597 0.788 2.809

Таблица 2

±Д, % 56?)тах

Го Фо гя <Рн

0 1.4037е-003

+2 1.315е-003 1.516е-003 1.379е-003 1.504е-003

+5 1.216е-003 1.663е-003 1.341е-003 1.673е-003

+10 1.134е-003 1.845е-003 1.276е-003 2.012е-003

-2 1.512е-003 1.282е-003 1.428е-003 1.311е-003

-5 1.713е-003 1.087е-003 1.462е-003 1.186е-003

-10 2.167е-003 7.584е-004 1.514е-003 1.009е-003

В результате исследования коэффициентов чувствительности выявлено, что при изменении значений ограничительного и нагрузочного сопротивлений до ±10% проводимость изоляции вычислителем определяется с относительной погрешностью, не превышающей допустимую. Вместе с тем, при изменении аргумента ограничительного сопротивления на величину -10%, относительная погрешность составляет что существенно меньше

номинального и это указывает на неоптимальность величин

сопротивлений по концам рельсовых линий в существующих рельсовых цепях.

Четвертая глава посвящена технической реализации устройства контроля проводимости изоляции с функцией вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора, при использовании в качестве первичных информативных признаков амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии.

Принципы реализации базируются на предложенных и разработанных в главах 2 и 3 математических моделях и синтезе уравнения вычислителя проводимости изоляции.

Реализованное устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий состоит из источника питания синусоидального напряжения,

согласующих трансформаторов на питающем и релейном концах рельсовой линии, дроссель-трансформаторов, нагрузочного элемента, устройств кодирования, датчиков напряжения на основе эффекта Холла, двух микропроцессорных вычислителей с блоками мультиплексирования каналов, аналого-цифровых преобразователей, преобразователей фаз и интерфейсных модулей. Конструктивно устройство контроля проводимости изоляции выполнено в виде унифицированных автономных блоков, составленных из модулей, реализованных в соответствии с международным стандартом Is0-9000-Is0-9001.

Основные технические характеристики разработанного устройства приведены в таблице 3.

Таблица 3

ВидРЛ Вид тяги Форма сигнального напряжения Максимальная длина РЛ Диапазон измерения g, См/км Относительная погрешность

разветвленная электрическая, автономная синусоидальная 1.5 км 10.0>£>0.02 менее 0.24%

неразветвленная электрическая, автономная синусоидальная 2.5 км 10.0>£>0.02 менее 0.24%

В заключении приведены полученные результаты и сформулированы выводы по работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ причин отказов классификаторов состояний рельсовых линий показал, что до 20% отказов происходит из-за повышенной проводимости изоляции и применяемые в настоящее время принципы контроля проводимости изоляции проблему не решают. Применяемые в настоящее время устройства контроля проводимости изоляции обладают рядом недостатков, существенно ограничивающих их использование. Для повышения точности определения проводимости изоляции предложено устройство в алгоритме функционирования которого используется информация о дополнительных первичных признаках: амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии, а также предварительно «обученной» функции вычислителя проводимости изоляции, что позволило расширить функциональные возможности устройства.

2. Разработанные универсальные математические модели рельсовых цепей в виде каскадного соединения устройств согласования входа рельсовых линий с источником питания, дискретно-распределенной схемы замещения рельсовых линий и устройств согласования выхода рельсовой линии с нагрузкой позволяют гибко изменять схемы замещения в зависимости от конфигурации рельсовой линии, режимов ее работы и проводить анализ любых видов рельсовых Цепей. Математические модели позволили исследовать картину изменения напряжений и токов в любой точке схемы замещения, затухания сигнала протекающего по рельсовой линии. Установлено, что вид используемой схемы замещения рельсовой линии значительно влияет на определение величины электрических параметров на входе и выходе рельсовой линии. Так, в нормальном режиме при использовании равномерно-распределенной схемы замещения по сравнению с дискретно-распределенной, погрешность определения напряжения на выходе РЛ составляет 23%, а его фазы 4.25%, амплитуды тока на входе РЛ - 7.5%, а его фазы - 0.9%, амплитуды напряжения на входе РЛ -1.4%, ее фазы - 7.5%. Поэтому при анализе и синтезе устройств железнодорожной автоматики и телемеханики рекомендовано использовать дискретно-распределенную схему замещения рельсовой линии. Проведенные исследования позволили обоснованно использовать в качестве информативных признаков амплитуду и фазу напряжения на выходе рельсовой линии.

3. Разработана методика восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий, заключающаяся в том, что на первом этапе производится селекция наиболее информативных признаков, составляющих образы состояний, определяются правила разделения пространства состояний проводимости изоляции на компактные области с центрами - таксонами, на втором этапе восстанавливается функция вычислителя посредством процедуры «обучения» для каждого /-го таксона и строится решающее правило.

Предложенная количественная оценка информативности признаков с использованием формулы относительной погрешности позволяет эффективно оценить информативность комбинации первичных информативных признаков и определить сложность уравнения вычислителя проводимости изоляции.

Процедура обучения функции вычислителя с множеством информативных признаков и соответствующими центрами таксонов, посредством решения системы условных уравнений, позволяет учитывать все возможные значения проводимости изоляции и в результате получить функции вычислителя, удовлетворяющие требованиям точности.

4. Разработана методика и исследована параметрическая чувствительность функции вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора при отклонении от номинальных значений модулей и аргументов ограничительного и нагрузочного сопротивлений рельсовых линий. Показано, что при изменении значений ограничительного и нагрузочного сопротивлений до ±10% проводимость изоляции вычислителем определяется с относительной погрешностью, не превышающей при номинальном

значении относительной погрешности

5. Разработанная процедура восстановления уравнения вычислителя, а также принципы построения устройства на основе предложенных схем, позволили технически реализовать образец устройства контроля проводимости изоляции с обученной функцией вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора с использованием в качестве информативных признаков амплитуды и фазы сигнала на выходе рельсовой линии, позволяющий измерять величину проводимости изоляции в диапазоне от 0.02 до 10 См/км, и длинах рельсовой линии участка контроля до 2.5 км.

6. Проведенные лабораторные и натурные испытания образца устройства контроля проводимости изоляции подтвердили правильность предложенных методов восстановления уравнения вычислителя, минимизации сложности функции вычислителя, архитектуры микропроцессорной реализации. Оценка эффективности разработанного устройства в сравнении с существующим показала, что точность определения величины проводимости изоляции разработанного устройства на порядок выше чем у аналога, основная погрешность не превышает 0.24%. Разработанное устройство внедрено в существующий измерительный комплекс электромеханика поста электрической централизации и находится в опытной эксплуатации на Куйбышевской железной дороге.

Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных

работах, в том числе:

1. Куров М.Б., Белоногов А.С. Повышение надежности систем автоматики и телемеханики // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа.- Самара: СамИИТ, 1999.- С. 220-221.

2. Куров М.Б. Выбор информативных признаков для оценки состояния устройств железнодорожной автоматики и телемеханики // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа.- Самара: СамИИТ, 1999.- С. 226-228.

3. Куров М.Б., Белоногов А.С. Разработка математических моделей признаков, классов, образов состояний // Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Актуальные проблемы современной науки».- Естественные науки.- Самара: СамГТУ, 2001.- С. 42.

4. Тарасов Е.М., Белоногов А.С., Куров М.Б., Мохонько В.П. Общая характеристика проблемы распознавания состояний рельсовых линий // Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте».- Самара: СамГАПС, 2003.- С. 117-118.

5. Тарасов Е.М., Белоногов А.С., Куров М.Б., Харламова Н.И. Задачи формирования пространства признаков для классификаторов состояний рельсовых линий // Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте».- Самара: СамГАПС, 2003.- С. 119.

6. Тарасов Е.М., Куров М.Б., Митрохин Ю.В. Методы анализа информативности признаков при синтезе решающей функции определения величины проводимости изоляции рельсовых линий // Сборник научных трудов с международным участием «Безопасность и логистика транспортных систем».-Самара: СамГАПС, 2004.- С. 13-14.

7. Тарасов Е.М., Куров М.Б., Митрохин Ю.В. Определение сложности функции вычислителя при дистанционном измерении проводимости изоляции рельсовых линий // Сборник научных трудов с международным участием «Безопасность и логистика транспортных систем».- Самара: СамГАПС, 2004.-С. 14-16.

8. Тарасов Е.М., Куров М.Б. Определение *^^ислителя проводимости изоляции рельсовых линий // Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта».-Самара: СамГАПС, 2004.-С. 180-182.

9. Куров М.Б. Определение центров таксонов при синтезе определяющего уравнения вычисления проводимости изоляции // Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта».- Самара: СамГАПС, 2004.-С. 191-192.

10. Патент №2169678 (РФ) Устройство для переездной сигнализации / Тарасов Е.М., Белоногов А.С., Куров М.Б., Мохонько В.П. и др. - Опубл. Б.И. 2000, №18, МКИ В Ж 23/16.

11. Патент №2173277 (РФ) Рельсовая цепь / Тарасов Е.М., Белоногов А.С., Куров М.Б. - Опубл. Б.И. 2001, №25, МКИ В Ж 23/16,

12. Свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта в ВНТИЦ №73200100153. Способ дистанционного определения величины сопротивления изоляции рельсовой линии/Тарасов Е.М., Белоногов А.С., Куров М.Б., Пушкин С.Ю. Зарегистрировано 15.08.2001 г.//М.:ВНТИЦ, 2001 г.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Тарасову Е.М.

Куров Михаил Борисович Устройство контроля проводимости изоляции

интервального управления движением поездов 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

Подписано в печать 19.11.2004 г. Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. печ. листов 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 175. Отпечатано в Самарской государственной академии путей сообщения, г. Самара, ул. Заводское шоссе, 18.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРИНЦИПЫ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ПЕРВИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ.

1.1. Анализ отказов рельсовых цепей.

1.2. Основные принципы измерения первичных параметров.

1.3. Экспериментальные исследования изменения проводимости изоляции рельсовых линий.

1.4. Устройства измерения проводимости изоляции.

1.4.1. Мобильные устройства измерения проводимости изоляции.

1.4.2. Стационарные устройства измерения проводимости изоляции.

Выводы по главе 1.*

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ С ДИСКРЕТНО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СХЕМОЙ ЗАМЕЩЕНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ.

2.1. Расчет параметров рельсового четырехполюсника.

2.2. Равномерно-распределенная модель рельсовой линии.

2.3. Дискретно-распределенная модель рельсовой линии.50»

2.4. Математические модели рельсовой цепи с дискретно-распределенной схемой РЛ в нормальном режиме.

2.5. Математические модели рельсовой цепи с дискретно-распределенной схемой РЛ в шунтовом режиме.

2.6. Математические модели рельсовой цепи с дискретно-распределенной схемой РЛ в контрольном режиме.

2.7. Исследование информативных признаков.

Выводы по главе 2.

3. УРАВНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЯ ПРОВОДИМОСТИ

ИЗОЛЯЦИИ.

3.1. Определение структуры вычислителя проводимости изоляции.

3.2. Определение меры полезности признаков.

3.3. Методика оценки информативности первичных признаков с учетом свойств функции вычислителя.

3.3.1. Определение центров таксонов.

3.3.2. Определение критериев оценки информативности.

3.4. Определение вида функции вычисления проводимости изоляции и исследование информативности первичных признаков.

3.5. Анализ чувствительности функции вычислителя величины проводимости изоляции.

Выводы по главе 3.

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ПРОВОДИМОСТИ ИЗОЛЯЦИИ.

4.1. Структурные схемы устройства определения величины проводимости изоляции рельсовой линии.

4.2. Обоснование выбора базовых элементов для реализации устройства контроля проводимости изоляции.

4.3. Централизованная система контроля проводимости изоляции. на базе IBM-контроллера.

4.4. Устройство определения проводимости изоляции на базе микроконтроллера MCS-51.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. В1 современных условиях эксплуатации железнодорожного транспорта особенно важное значение приобретают вопросы обеспечения безопасности движения'поездов на станциях и перегонах, что обуславливает задачу повышения» надежности функционирования систем интервального управления движением поездов (СИУДП), в которых устройством, достоверно определяющим состояния рельсовых линий участков контроля, являются классификаторы (рельсовые цепи).

Особенностью * работы классификаторов состояний рельсовых линий (KCPJT) является^ то, что они функционируют в условиях разнообразных климатических факторов' и различного рода интенсивных возмущающих воздействий, которые приводят к различного рода отказам функционирования.

По сетевым данным от 15 до 20% всех неисправностей в работе KCPJ1 происходит из-за повышенной проводимости изоляции рельсовых линий (PJ1). В реальных условиях проводимость изоляции изменяется от 0.02 до 10 См/км, при нормативном от 0.02 до 1 См/км, а на некоторых участках максимальная, проводимость изоляции достигает до* 25 — 30 См/км, что приводит к значительным колебаниям уровня сигнала в рельсовых линиях, и, следовательно, неправильной классификации состояний участков контроля, сбоям в работе систем ИУДП. Расходы, вызванные отказами и неустойчивой работой классификаторов состояний рельсовых линий в условиях повышенной проводимости изоляции, в 5 - 8 раз превышают суммарные затраты от повреждений других устройств.

В настоящее время контроль величины проводимости изоляции станционных и перегонных рельсовых линий осуществляется переносным прибором измерения сопротивления балласта (ИСБ-1) с последующим усреднением измеренных значений. Для этого производится серия измерений, через каждые 150 — 200 м, что требует от обслуживающего персонала затрат большого количества времени, а оценка величины проводимости изоляции осуществляется субъективно, что приводит к большим погрешностям в контроле величины проводимости изоляции.

Трудоемкость проведения ручных измерений, субъективность оценки величины проводимости изоляции, исключают системный анализ изменения проводимости, результаты измерений формируют только статистику изменения проводимости изоляции в дискретные промежутки времени,, и невозможно осуществить непрерывный мониторинг изменения проводимости изоляции рельсовых линий для последующего принятия решения обслуживающим персоналом по корректировке работы классификаторов состояний рельсовых линий.

В связи с этим вопрос исследования и разработки автоматических устройств контроля проводимости изоляции рельсовых линий, позволяющих:

- повысить точность измерения за счет использования новых методов обработки измеренной информации;

- прогнозировать предотказное состояние КСРЛ из-за влияния изменения величины проводимости изоляции;

- исключить влияние «человеческого фактора» в процессе получения результатов измерения;

- автоматически архивировать измеренные значения;

- информировать обслуживающий персонал о > текущем состоянии и о • предельных значениях проводимости изоляции рельсовых линий для «принятия решений», является важным и не решенным до настоящего времени.

Таким образом, исследование, разработка и внедрение нового класса устройств контроля проводимости изоляции РЛ для систем ИУДП, с повышенной точностью' определения величины проводимости изоляции на участках контроля, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Работа по теме проводилась в рамках хоздоговорных НИР в соответствии с «Программой реализации основных направлений развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена указанием МПС от 04.03.1997 г № А-276 у); «Перечнем актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта для разработки их докторантами, аспирантами и сотрудниками ВУЗов отрасли в 2001 - 2002 годах» (утвержден указанием МПС от 17.11.2000 г. № М-2775 у); «Перечнем основных проблем развития'железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований» (приложение №1 к указанию МПС России от 26.12. 2002 г. № Я-1272 у); «Концепцией многоуровневой системы управления и обеспечения' безопасности движения-поездов» (разработанной в V соответствии с указанием МПС от 29.11.2002 г. №191); «Концепцией развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики на период 2000 — 2004 гг.» (утвержденной указанием МПС от 06.08.01 № М - 1379 у).

Целью * диссертационной работы является разработка нового класса автоматических устройств контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий с повышенной точностью определения величины проводимости для систем интервального управления движением поездов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе был поставлен комплекс задач:

- проведение анализа современного состояния научно-технической задачи создания автоматического устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовой линии с изолирующими стыками, удовлетворяющего требуемой точности измерений и способного функционировать в жестких эксплуатационных условиях в диапазоне изменения проводимости изоляции 0.02 — 10 См/км;

- разработка математических моделей рельсовых цепей с дискретно-распределенными параметрами с целью определения совокупности информативных признаков, однозначно определяющих состояние проводимости изоляции;

- разработка методики восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков;

- разработка методики оценки коэффициентов чувствительности функции вычислителя при отклонении параметров, элементов КСРЛ от номинальных с целью определения допустимого диапазона изменения относительной погрешности измерения;

- техническая' реализация устройства' контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий для систем ИУДП.

Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной математики и математического программирования, а также проверка полученных результатов в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Теоретические исследования базируются на применении основных положений теории* электрических цепей, теории интервального управления движением поездов, теории чувствительности, теории распознавания образов и теории восстановления функций.

Научная новизна^ работы заключается в развитии теории измерения распределенной проводимости изоляции рельсовых линий и методики создания устройства контроля проводимости изоляции РЛ, позволяющего обеспечить требуемую точность измерения проводимости изоляции.

Основными научными результатами, полученными в работе являются:

- математические модели рельсовых цепей с дискретно-распределенной схемой замещения рельсовой линии в нормальном режиме, дополнительно учитывающие продольную неоднородность рельсовых линий из-за наличия токопроводящих стыков, что позволило исключить погрешность моделирования из-за асимметрии, получить аналитические выражения напряжений и токов на входе и выходе рельсовой линии, формировать совокупность информативных признаков, с помощью которых восстанавливается функция вычислителя проводимости-изоляции с требуемой точностью вычисления.

- метод измерения распределенной проводимости изоляции рельсовой линии функцией вычислителя на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков, позволяющий добиться требуемой точности измерения.

- алгоритм формирования ряда функций вычислителя, представляющих собой полином Колмогорова-Габора для «-мерных образов состояния РЛ, позволяющий адаптивно изменять вид полинома функции вычислителя в зависимости от диапазона изменения проводимости изоляции.

- методика исследования коэффициентов чувствительности функции вычислителя, позволяющая определять диапазон допустимого отклонения величин параметров элементов рельсовых цепей участка контроля, при котором сохраняется требуемая точность, и выявлять элементы, наиболее сильно влияющие на функцию вычислителя.

Практическую ценность работы составляет предложенное и разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовой линии, позволяющее:

- оценивать величину проводимости изоляции, распределенной по всей длине рельсовой линии;

- расширить диапазон правильного определения проводимости изоляции до 10 См/км;

- информировать обслуживающий персонал о превышении величины проводимости изоляции рельсовых линий сверх нормативной;

- повысить объективность и точность результатов измерений.

Разработанное' устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий внедрено в существующую систему интервального управления движением поездов.

Внедрение результатов исследования.

Разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий находится в опытной-эксплуатации в дистанции сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги. Отдельные компоненты устройства (управляемый АЦП) внедрены в научно-исследовательской лаборатории мониторинга систем автоматики и телемеханики. СамГАПСа. Разработанные математические модели, функции вычислителя, внедрены в учебный процесс в СамГАПСе и используются в курсе лекций для студентов специальности 2107.00 по дисциплинам: «Математическое моделирование», «Специзмерения и техническая диагностика в устройствах автоматики и телемеханики».

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1) межвузовской научно-технической конференции с международным участием (Самара, СамИИТ, 1996 г.);

2) международной научно-практической конференции (Оренбург, ОГТУ, 1998 г.);

3) второй международной конференции« молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, СамГТУ, 2001 г.);

4) международной научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Самара, СамГАПС, 2003 г.);

5) международной научно-практической конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, СамГАПС, 2004 г.);

6) региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Самара, Кбш ж.д., 2004 г.)

7) заседаниях научно-технического семинара электротехнического факультета СамИИТа (Самара, 1996-2004 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. 11 статей, 2 патента, 1 продукт интеллектуальной собственности.

Структура и объемг работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 142 страницах основного текста и содержат 9 таблиц, 47 рисунков и 3 приложения на 31 странице. Список использованных источников содержит 77 наименований.

Выводы по главе 4

1. Разработанная процедура восстановления уравнения вычислителя и принципы построения на основе предложенных структурных схем позволили технически реализовать образец устройства контроля проводимости изоляции с обученной функцией вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора с использованием в качестве информативных признаков амплитуды и фазы сигнала РЦ на выходе РЛ, позволяющий измерять величину проводимости изоляции от 0.02 до 10 См/км и длинах рельсовой линии до 2.5 км.

2. Экспериментальные исследования показали, что использование устройства контроля проводимости изоляции рельсовых линий позволяет повысить точность в 5 раз по сравнению с существующими и относительная погрешность определения величины проводимости изоляции не превышает 0.25%. Устройство в лабораторных условиях показало точность измерения, отличающийся от теоретического не более 10% в диапазоне измерения проводимости изоляции от 0.02 до 10 См/км и длинах рельсовой линии до 2.5 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ причин отказов классификаторов состояний рельсовых линий показал, что до 20% отказов происходит из-за повышенной проводимости изоляции и применяемые в настоящее время принципы контроля проводимости изоляции проблему не решают. Применяемые в настоящее время устройства контроля проводимости изоляции обладают рядом недостатков, существенно ограничивающих их использование. Для повышения точности определения проводимости изоляции предложено устройство в алгоритме функционирования которого используется информация о дополнительных первичных признаках: амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии, а также предварительно «обученной» функции вычислителя проводимости изоляции, что позволило расширить функциональные возможности устройства.

Разработанные универсальные математические модели рельсовых цепей в виде каскадного соединения устройств согласования входа рельсовых линий с источником питания, дискретно-распределенной схемы замещения рельсовых линий и устройств согласования выхода рельсовой линии с нагрузкой позволяют гибко изменять схемы замещения в зависимости от конфигурации рельсовой линии, режимов ее работы и проводить анализ любых видов рельсовых цепей. Математические модели позволили исследовать картину изменения напряжений и токов в любой точке схемы замещения, затухания сигнала протекающего по рельсовой линии. Установлено, что вид используемой схемы замещения рельсовой линии значительно влияет на определение величины электрических параметров на входе и выходе рельсовой линии. Так, в нормальном режиме при использовании равномерно-распределенной схемы замещения по сравнению с дискретно-распределенной, погрешность определения напряжения на выходе РЛ составляет 23%, а его фазы 4.25%, амплитуды тока на входе РЛ - 7.5%, а его фазы - 0.9%, амплитуды напряжения на входе РЛ - 1.4%, ее фазы - 7.5%. Поэтому при анализе и синтезе устройств железнодорожной автоматики и телемеханики рекомендовано использовать дискретно-распределенную схему замещения рельсовой линии. Проведенные исследования позволили обоснованно использовать в качестве информативных признаков амплитуду и фазу напряжения на выходе рельсовой линии. 3. Разработана методика восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий, заключающаяся в том, что на первом этапе производится селекция наиболее информативных признаков, составляющих образы состояний, определяются правила разделения пространства состояний проводимости изоляции на компактные области с центрами — таксонами, на втором этапе восстанавливается функция вычислителя посредством процедуры «обучения» для каждого /-го таксона и строится решающее правило.

Предложенная количественная оценка информативности признаков с использованием формулы относительной погрешности позволяет эффективно оценить информативность комбинации первичных информативных признаков и определить сложность уравнения вычислителя проводимости изоляции. Процедура обучения функции вычислителя с множеством информативных признаков и соответствующими центрами таксонов, посредством решения системы условных уравнений, позволяет учитывать все возможные значения проводимости изоляции и в результате получить функции вычислителя, удовлетворяющие требованиям точности.

4. Разработана методика и исследована параметрическая чувствительность функции вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора при отклонении от номинальных значений модулей и аргументов ограничительного и нагрузочного сопротивлений рельсовых линий. Показано, что при изменении значений ограничительного и нагрузочного сопротивлений до ±10% проводимость изоляции вычислителем определяется с относительной погрешностью, не превышающей = 0.2414% при номинальном значении относительной погрешности 8(я) = 0.24%.

5. Разработанная процедура восстановления уравнения вычислителя, а также принципы построения устройства на основе предложенных схем, позволили технически реализовать образец устройства контроля проводимости изоляции с обученной функцией вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора с использованием в качестве информативных признаков амплитуды и фазы сигнала на выходе рельсовой линии, позволяющий измерять величину проводимости изоляции в диапазоне от 0.02 до 10 См/км, и длинах рельсовой линии участка контроля до 2.5 км.

6. Проведенные лабораторные и натурные испытания образца устройства контроля проводимости изоляции подтвердили правильность предложенных методов восстановления уравнения вычислителя, минимизации сложности функции вычислителя, архитектуры микропроцессорной реализации. Оценка эффективности разработанного устройства в сравнении с существующим показала, что точность определения величины проводимости изоляции разработанного устройства на порядок выше чем у аналога, основная погрешность не превышает 0.24%. Разработанное устройство внедрено в существующий измерительный комплекс электромеханика поста электрической централизации и находится в опытной эксплуатации на Куйбышевской железной дороге.

1. Брылеев A.M., Кравцов Ю.А., Шишляков A.B. Теория, устройство и работа рельсовых цепей.- М.: Транспорт, 1978.-388 с.ш

2. Бушуев В.И. Изоляция рельсовых цепей на железобетонных шпалах // Автоматика, связь, информатика. -2004.-№9- С. 31-32.

3. Бушуев В.И. Электроизоляционные свойства балластных материалов // Автоматика, связь, информатика. -2003.-№10- С. 31-32.

4. Ягудин Р.Ш. Надежность устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.-М.: Транспорт, 1989.-159 с.

5. Перникис Б.Д., Ягудин Р.Ш. Предупреждение и устранение неисправностей в устройствах СЦБ.- М.: Транспорт, 1982.-224 с.

6. Меньшиков Н.Я., Королев А.Я, Ягудин Р.Ш. Эксплуатационнаяt надежность элементов систем железнодорожной автоматики и телемеханики.-М.: Транспорт, 1971.-120 с.

7. Куров М.Б., Белоногов A.C. Пути повышения устойчивости работы систем классификации состояний рельсовой линии // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа.- Самара: СамИИТ, 1999,.-С. 224-226.

8. Тарасов Е.М. Рельсовые цепи с обучаемыми классификаторами состояний.: Дисс. . канд. техн. наук.-М., 1989.-240 с.

9. Беляков И.В. Теория и методы реализации адаптивных систем контроля состояний рельсовых линий.: Дисс. . доктора технических наук.-М.: МИИТ, 1996.-386 с.

10. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и обслуживание. М.: Транспорт, 1990.-295 с.

11. Ведомственные нормы технического проектирования/ МПС СССР. М.: Транспорт, 1986. -123 с.

12. Савушкин А.К., Жуков В.И. Перегонные устройства железнодорожной автоматики и телемеханики: Учебник для средних ПТУ .-2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1984.- 320 с.

13. Дмитренко И.Е., Устинский A.A., Цыганков В.И. Измерения в устройствах автоматики, телемеханики и связи на ж.-д. транспорте. 3-е изд., перераб. и доп. Учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт,1982.-312 с.

14. А/с № 770897 Способ контроля рельсовой цепи/ ХИИЖТ, Котляренко

15. B.П., Жох В .П., Соболев Ю.В., Гончаров В.А., Худобин Н.В. -Заявлено 16.04.76 № 2359208/27-11; Опубликовано Б.И., 15.10.80 №38, МКИВ61 L 23/16.

16. Лучинин B.C. Повышение работоспособности систем ИРДП на участках с пониженным сопротивлением изоляции путем использования нелинейных свойств источника питания.: Дисс. . канд. техн. наук.-М.: 1984.-203 с.

17. Лепская H.A. повышение эффективности работы автоблокировки научасках с пониженным сопротивлением изоляции путем применения, рельсовых цепей без изолирующих стыков.: Дисс. . канд. техн. наук.-М.: 1988.-230 с.

18. Дмитриев B.C., Серганов И.Г. Основа железнодорожной автоматики и I телемеханики: Учебник для техникумов ж.-д. Трансп. 3-е изд.,перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1988.-288 с.

19. Бубнов В.Д., Дмитриев B.C. Устройства СЦБ, их монтаж и обслуживание: Полуавтоматическая и автоматическая блокировка: Учеб. для техн. школ ж.д. трансп.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.:Транспорт, 1989.-366 с.

20. Чередков М.Н. Устройства СЦБ, их монтаж и обслуживание: Электрическая централизация стрелок и сигналов; Учебник для техн. школ ж.-д. Трансп.-М.: Транспорт, 1982.-200 с.

21. А/с № 1435499 (SU) Устройство для контроля и измерения изоляции, элементов рельсовой цепи/ Михайловский горно-обогатительный комбинат, Климин А.И. Заявлено 03.04.87 № 4221080/23-11; Опубликовано Б.И., 07.11.88 № 41, МКИ В 61 L 23/16.

22. А/с № 1645184 (SU) Устройство для измерения проводимости изоляции рельсовой линии/ ХИИЖТ, Жох В.П., Романова Н.В. — Заявлено 10.05.89 № 4693213/11; Опубликовано Б.И., 30.04.91 № 16, МКИ В 61 L 23/16.

23. А/с № 1134448 (SU) Устройство для измерения проводимости изоляции рельсовой линии/ ХИИЖТ, Котляренко В.П., Жох В .П.,-Мороко H.A., Гордон Б.М., Богданов A.B. Заявлено 05.07.82 № 3464623/27-11; Опубликовано Б.И., 15.01.85 № 2, МКИ В 61 L 23/16.

24. Соболев Ю.В., Котляренко Н.Ф., Жох В.П., Карачевцев В.В., Лазуркина В.В. Актуальные проблемы повышения надежности рельсовых каналов и датчиков // Автоматика, телемеханика и связь. -1985.-№4- С. 32-35.

25. А/с № 1794760 (SU) Устройство для измерения проводимости, изоляции рельсовой линии/ ХИИЖТ, Соболев Ю.В., Бабаев М.М., Мороз В.П., Кошевой C.B. Заявлено 14.08.90 № 4859586/11; Опубликовано Б.И., 15.02.92 № 6, МКИ В 61 L 23/16.

26. Куров М.Б., Белоногов A.C. Повышение надежности систем автоматики и телемеханики // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа.- Самара: 1999.- С. 220-221.

27. Аркатов B.C., Котляренко Н.Ф., Баженов А.И. Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник.-М.: Транспорт, 1982.360 с.

28. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники, линейные электрические цепи. 5-е изд.-М.: Энергия, 1978.- 591 с.

29. Каллер М.Я., Соболев Ю.В., Богданов А.Г. Теория линейных1.~электрических цепей железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Учебник для вузов ж.-д. трансп.- М.: Транспорт, 1987.- 335 с.

30. Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы.-М.: Энергоиздат, 1990,- 248 с.

31. Куров М.Б., Белоногов A.C. Разработка математических моделейIпризнаков, классов, образов состояний // Межвузовский сборник научных трудов с международным участием «Актуальные проблемы современной науки». Естественные науки,- Самара: 2001.- С. 42.

32. Шебес М.Р. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах. Учебное пособие для электротехнич. и радиотехнич.

33. Специальностей вузов.-М.: Высш. школа, 1973.- 656 с.

34. Шебес М.Р. Задачник по теория линейных электрических цепей; Учебное пособие. 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. Школа, 1982.488 с.

35. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие.-2-е изд., перераб.-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.- 496 с.

36. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ и техническое обслуживание.-М.: Транспорт, 1990.- 295 с.

37. Патент №2169678 (РФ) Устройство для переездной сигнализации / Тарасов Е.М., Белоногов A.C., Куров М.Б., Мохонько В.П. и др. -Опубл. Б.И. 2000, №18, МКИ В 16L 23/16.V

38. Патент №2173277 (РФ) Рельсовая цепь / Тарасов Е.М., Белоногов A.C., Куров М.Б. Опубл. Б.И. 2001, №25, МКИ В 16L 23/16.

39. Куров М.Б. Выбор информативных признаков для оценки состояния устройств железнодорожной автоматики и телемеханики // Сборникtнаучных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа.-Самара: СамИИТ, 1999.- С. 226-228.

40. Ивахненко А.Г. Самообучающиеся системы: /Справочник/.-Киев.:^ Издательство АН УССР, 1963.-328 с.

41. Куров М.Б., Тарасов Е.М., Митрохин Ю.В. Методы анализа информативности признаков при синтезе решающей функции определения величины проводимости изоляции рельсовых линий //

42. Сборник научных трудов с международным участием «Безопасность и логистика транспортных систем».- Самара: СамГАПС, 2004.- С. 13-14.

43. Глушков В.М. Основы безбумажной информатики. Изд. 2-е, испр.-М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.-552 с.

44. В.Н. Вапник. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей. -М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984.-816 с.

45. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для< инженеров и учащихся ВУЗов.-М.: Наука, 1986.-544 с.

46. Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем. М.: Мир, 1979.- 452 с.

47. Фидлер Дж.К., Найтингейл К. Машинное проектирование электронных схем: Пер. с англ. и предисл. Д.И. Панфилова, А.Г. Соколова; Под ред. Г.Г. Казеннова.-М.: Высш. шк., 1985.-216 е., ил.

48. Васин H.H., Мохонько В.П. Системы сбора информации на железнодорожном транспорте: Учебное пособие. Самара: СамИИТ, 2001.- 120 с.

49. Краус М., Кучбах Э., Вошни О.-Г. Сбор данных в управляющих, вычислительных системах. М.: Мир, 1987. - 294 с.

50. Адаптивные системы сбора и передачи аналоговой информации. Основы теории / А.Н. Дядюнов, Ю.А. Онищенко, А.И. Сенин. — М.: Машиностроение, 1988.-288 с.

51. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1991. - 376 с.

52. Гусев С.А. Краткий экскурс в историю промышленных сетей // Современные технологии автоматизации. 2000. - №4. - с. 78-84.

53. Гэри А. Минтчел. Ethernet в управлении производственными» процессами // Мир компьютерной автоматизации. 2000. - №3. -С. 48-52.

54. Аристова И.И., Корнеева А.И. Промышленные программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП. М.: НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ, 2001.-402 с.

55. Засов В.А. Основы микропроцессорной техники: Учебное пособие. — Самара: СамИИТ, 2001. 215 с.

56. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия, 2-е изд. СПб.: Питер, 2001.-928 с.

57. Сорокин С.A. IBM PC в промышленности // Современные технологии автоматизации. 1996. - №1. - с. 6-15.

58. Сысоев А.Д. Мезонины: что сегодня? // Мир компьютерной автоматизации. 2001. - №4. - с. 19-24.

59. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC: Практическое пособие / Ю.В. Новиков, O.A. Калашников, С.Э. Гуляев. Под ред. Ю.В. Новикова. М.: ЭКОМ, 1997. - 224 с.

60. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами. М.:ДМК Пресс, 2001.-320 с.

61. Нерода В.Я., Торбинский В.Э., Шлыков E.JI. Однокристальные микроЭВМ: Архитектура. М.: Диджитал Компоненте, 1995. - 156 с.

62. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры: Архитектура, программирование, интерфейс. М.: ЭКОМ, 1997. - 162 с.

63. Кобахидзе Ш.В., Томазов А.Е. Средства разработки и отладки для ' однокристальных микроконтроллеров // Chip News. 1996. - №2. -С. 37-43.

64. Елисеев A.C. Микроконтроллеры 8*С552/562 фирмы Philips // Chip News. 1996. - №4. - С. 18-21.

65. Уваров Н. Новые однокристальные Flash микроконтроллеры фирмы ATMEL, выполненные в промышленном стандарте MCS-51 // Chip News. - 1996. - №5. - С. 32-34.

66. Петров В.И. Микроконтроллеры производства фирмы Dallas' Semiconductor преобразили семейство MCS-51 // Chip News. 1996. -№5.-С. 23-31.

67. Гребнев В.В. Новое знакомое семейство: Однокристальные микроЭВМ семейства MCS-251 фирмы Intel. М.: ЭФО, 1996. - 47 с.

68. Однокристальные микроконтроллеры Microchip: PIC 16С5Х/ пер. с-англ .// Под ред. А.Н. Владимирова. Рига: ORMIX. - 1996. - 120 с.

69. Семейства однокристальных микропроцессоров PIC16/17// Chip News. 1996. - №3. - С. 17-20.

70. Аверкиев С.А., Морозов С.С. АСДК: развитие и совершенствование системы // Автоматика, связь, информатика.-2003.-№7- С. 35-36.

71. Иродов И.В., Куринной Ю.А., Нароушвили З.Г., Солодов А.В. Опыт эксплуатации АСДК // Автоматика, связь, информатика.-2003.-№7-С. 37-38.