автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости для системы управления движением поездов

На правах рукописи

□О .ЗАОо

Блачев Константин Эдуардович

устройство контроля состояния участка пути

повышенной помехоустойчивости для системы управления движением поездов

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I О ¡-Л'1, ¿-'Л

ПЕНЗА 2009

003466755

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Леушин Виталий Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Васильев Валерий Анатольевич

доктор технических наук, профессор Кацюба Олег Алексеевич

Ведущая организация - Омский государственный университет

путей сообщения

Защита диссертации состоится мая 2009 года, в часов, на

заседании диссертационного совета Д 212.186.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г.Пенза, ул.Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет». Автореферат размещен на сайте vvwvv.pnzgu.ru

Автореферат разослан » апреля 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Гурин Е.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с задачами по повышению эффективности работы железных дорог, снижению затрат на перевозки грузов и обеспечению безопасности движения поездов возрастает необходимость внедрения централизованных систем управления. Одним из направлений в решении этих задач является комплексное применение средств железнодорожной автоматики на базе микропроцессорной техники.

Важную роль в процессе обеспечения безопасности движения поездов играют системы управления движением поездов (СУДП). Теоретическими и прикладными исследованиями по проектированию и модернизации СУДП занимались отечественные учёные д.т.н., профессор БрылееваА.М., д.т.н. Беляков И.В., д.т.н., профессор Бестемьянова П.Ф., д.т.н., профессор Кравцов Ю.А., д.т.н., профессор Лисенков В.М., д.т.н., профессор Розенберг E.H., д.т.н., профессор Шалягин Д.В., д.т.н., профессор Шаманов В.И., к.т.н. Дмитриев B.C., к.т.н., доцент Вековищев A.B., к.т.н., доцент Леушин В.Б., к.т.н. Пенкин Н.Ф., к.т.н. Шишляков A.B. и другие.

Современными СУДП на перегонах железных дорог являются различные виды автоблокировки (АБ). Наиболее распространенными на сети железных дорог России являются системы АБ, использующие для определения местоположения поездов устройства контроля состояния участка пути на базе рельсовых цепей (РЦ)- Наиболее перспективными системами АБ с РЦ на данном этапе развития техники являются системы с централизованным размещением аппаратуры, которые позволяют значительно снизить эксплуатационные затраты, повысить безопасность движения поездов и условия труда обслуживающего персонала. Одновременно они способны более гибко реагировать на изменения условий перевозок и снижать влияние человеческого фактора на безопасность движения.

На железных дорогах России в настоящее время широко эксплуатируются системы АБ с РЦ с несущей сигнала в тональном диапазоне частот (ТРЦ). По ряду своих технических характеристик эти системы не соответствуют современным требованиям, предъявляемым к СУДП. Использование дорогостоящей релейной элементной базы и низкая помехоустойчивость не позволяют в полной мере использовать потенциальные возможности централизованных систем АБ. Эксплуатация АБ с РЦ на практике сопряжена со значительным количеством сбоев и отказов в её работе, что приводит к задержкам в движении поездов и снижению безопасности их движения. При модернизации участков железных дорог, как правило, требуется значительная или даже полная модернизация системы АБ. Несмотря на отмеченные недостатки, тональные РЦ имеют широкие функциональные возможности. Поэтому в качестве прототипа устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости принята аппаратура тональных рельсовых цепей типа ТРЦЗ (ТРЦ третьего поколения).

Применение микропроцессорной техники и персональных компьютеров позволяет устранить перечисленные недостатки с одновременным повышением основных эксплуатационных показателей СУДП. В отличие от других подсистем АБ, которые выполняют логические операции, работа РЦ обусловливает наличие аналоговых сигналов. Учитывая это, совершенствование устройств контроля состояния участка пути и расширение их функциональных возможностей требует использования сигнальных процессоров и принципов цифровой обработки сигналов.

Настоящая диссертация посвящена разработке принципа построения устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости с учетом специфических требований к РЦ, а также экспериментальная проверка наличия положительного эффекта от применения предложенного принципа.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка принципов построения устройства контроля состояния участка пути посредством оптимизации параметров его приемного тракта и системы тактовой синхронизации частотно-манипулированного сигнала, позволяющих повысить его помехоустойчивость.

В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ известных способов повышения помехоустойчивости и совместимости систем передачи данных и на основе этого разработка способа построения устройства контроля состояния участка пути;

- установление связи между дисперсией совместной фазовой ошибки приемного тракта и системы тактовой синхронизации для оптимизации параметров путевого приемника (ПГТ) устройства контроля состояния участка пути;

- разработка микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости с целью его применения в микропроцессорной СУДП;

- разработка обобщенной модели импульсных помех в рельсовой линии, создаваемых тяговым током в процессе движения локомотива для проведения сравнительных испытаний на помехоустойчивость микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути и прототипа;

- создание имитационной модели стенда и проведение сравнительных исследований помехоустойчивости прототипа и разработанного устройства при воздействии флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех.

Объектом исследования являются устройство контроля состояния участка пути системы управления движением поездов и его помехоустойчивость.

Предмет исследования составляют метод повышения помехоустойчивости устройства контроля состояния участка пути и его экспериментальная проверка.

Методы исследования. В работе использованы экспериментальные методы исследования аддитивных импульсных помех от тягового тока в РЦ, элементы теории вероятности, математической статистики, теории цифровой обработки сигналов, теории планирования экспериментов, а также методы имитационного моделирования.

Проверка устройства в части помехоустойчивости и эффективности принципов формирования сигналов тактовой синхронизации, предложенных в диссертации, проводилась на разработанных имитационных моделях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получено аналитическое выражение, позволяющее установить зависимость дисперсии фазовой ошибки на выходе решающего устройства реального приемника частотно-манипулированных сигналов от отношения мощностей сигнала и помехи, полосы пропускания приемного тракта и параметров системы синхронизации, дающее возможность совместной оптимизации параметров приемного тракта и системы тактовой синхронизации путевого приемника в условиях малых отношений сигнал/помеха.

2. Разработана математическая модель импульсных помех, создаваемых тяговым током при движении локомотива, которая позволяет проводить сравнительную оценку помехоустойчивости для различных устройств при их воздействии, а также дает предпосылки для разработки единой методики нормирования величин импульсных помех для всей сети железных дорог.

3. Предложена передаточная характеристика петли обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты, позволяющая значительно уменьшить время вхождения в режим синхронизма системы тактовой синхронизации по малому числу выборок и обеспечить относительно небольшую фазовую ошибку в режиме синхронизма.

Практическое значение работы заключается в том, что:

- разработаны функциональные схемы генератора и приемника микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути, позволяющие уменьшить затраты вычислительных ресурсов процессора при их реализации;

- на основе разработанных функциональных схем и выбранных оптимальных параметров путевого приёмника разработано программное обеспечение, которое позволило реализовать устройство контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости;

- на основе полученной математической модели импульсных помех создана имитационная модель импульсных помех, позволяющая проводить сравнительные испытания на помехоустойчивость различных устройств контроля состояния участка пути;

- определена потенциальная помехоустойчивость разработанного устройства контроля состояния участка пути для различного класса помех, что позволяет нормировать допустимые уровни помех на участках, оборудованных СУДП типа АБТЦ-М (микропроцессорная автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры);

- создано серийно выпускаемое изделие, которое в составе системы АБТЦ-М внедряется на железных дорогах России и стран СНГ.

В настоящее время ведется проектирование системы АБТЦ-М для семи участков железных дорог, включая Сочи - Красная Поляна.

Повышенная помехоустойчивость устройства позволяет значительно снизить количество сбоев в работе СУДП и, как следствие, повысить эффективность перевозок.

На защиту выносятся:

1. Способ определения дисперсии ошибки на входе решающего устройства приемника частотно-манипулированных сигналов от отношения мощностей сигнала и помехи, полосы пропускания приемного тракта и параметров системы синхронизации в условиях малых отношений сигнал/помеха.

2. Принцип построения системы тактовой синхронизации на основе фазовой автоподстройки частоты с передаточной характеристикой петли обратной связи с относительно малым временем вхождения в режим синхронизма по малому числу выборок и малой фазовой ошибкой в режиме синхронизма.

3. Принцип построения устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости.

4. Математическая модель импульсных помех, создаваемых локомотивом в процессе движения.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований использованы во ВНИИАС МПС России при выполнении НИОКР по темам:

- № 1651 «Создание современных систем управления движением поездов и обеспечения безопасности движения (КНП-5)»;

- «Система интервального регулирования движения поездов с подвижными блок-участками на базе тональных рельсовых цепей на участке Ногинск - Металлург»

- «Модернизация серийно выпускаемого оборудования. Блок контроля состояния рельсовых цепей микропроцессорный (№ 41571-800-00-01)».

Апробация работы. Основные положения работы и её отдельные результаты докладывались и обсуждались на третьей научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Москва, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003 г.), на VI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2006 г.) и на

международной научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (Пенза, 2008 г.).

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, включая 13 статей (из них одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК), 4 патента на полезную модель, одно свидетельство об официальной регистрации интеллектуальною продукта в ФГУП «РОСПАТЕНТ» и одно свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы - 157 страниц, в том числе 72 иллюстрации, 8 таблиц, библиографический список из 86 наименований, 3 приложения на 20 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи диссертационного исследования, представлена научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, приводится краткий обзор содержания.

Первая глава содержит обзор отечественных и зарубежных СУДП и анализ принципов организации устройств контроля состояния участка пути на основе рельсовых цепей и особенностей их эксплуатации, с целью определения устройства и принципов организации, которое следует принять за прототип разрабатываемого устройства.

Результаты анализа показывают, что на Российских железных дорогах накоплен наиболее значимый опыт в области создания и использования РЦ в СУДП. В то же время, при создании РЦ не всегда учитывались основные положения теории передачи сигналов и специфические требования, предъявляемые к их функционированию. Следует иметь в виду, что РЦ работают в сложных условиях эксплуатации: наличие тягового тока подвижного состава, на несколько порядков превышающего уровень сигналов РЦ, влияние сопротивления изоляции рельсовой линии, динамические нагрузки и т. д. При этом рельсовые цепи должны обеспечивать надежное функционирование в шунтовом и контрольном режимах работы.

В качестве устройства прототипа выбрано устройство контроля состояния участка пути с ТРЦЗ, которое по своему функциональному назначению наиболее полно соответствует разрабатываемому устройству. Данное устройство широко используется на Российских железных дорогах.

Вторая глава посвящена обоснованию принципов оптимизации параметров устройства контроля состояния участка, позволяющих повысить его помехоустойчивость. В устройстве применено кодирование участков пути, частотное разделение каналов, частотная манипуляция, которые позволяют обеспечить снижение энергозатрат и повысить устойчивость

работы при определении шунтовой чувствительности (максимальное сопротивление поездного шунта при котором РЦ фиксирует занятость контролируемого участка пути) и контрольной чувствительности (чувствительность РЦ к излому рельса). Определена структура оптимального ПП по критерию минимизации вероятности искажения принимаемого элементарного символа (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структурная схема оптимального путевого ЧМ приемника: ПФ - входной полосовой фильтр; БНО - безинерционный амплитудный ограничитель; СФ1 и СФ2 - согласованные фильтры для сигналов & и ¿'2; РУ - решающее устройлво; СТС - система тактовой синхронизации; 5(1) + - входная аддитивная смесь сигнала и помехи соответственно; Л'<м - выходной последовательный код

Так как в рассматриваемом устройстве сигналы тактовой синхронизации выделяются непосредственно из принимаемой информации, то их параметры должны оптимизироваться совместно для получения максимально возможной помехоустойчивости для заданного времени обнаружения сигнала. Для этого обосновывается принцип построения СТС с учётом минимизации времени вхождения в режим синхронизма и погрешности синхронизации при одновременном увеличении времени удержания режима синхронизма. В результате разработана СТС на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Для полученной структуры приемника и СТС предложена методика оптимизации параметров элементов приёмного тракта по критерию минимизации дисперсии совместной фазовой ошибки в приемном тракте и в системе тактовой синхронизации при заданных ограничительных условиях.

С использованием интеграла ошибок и с учетом обоснованных допущений получена зависимость отношения сигнал/помеха на входе РУ от отношения полосы пропускания входного фильтра и скорости передач

\~2-1п(2-Р0Ш) (1)

где т0 - длительность элементарного символа, Рош - вероятность ошибки элементарного символа, Д/^ - эффективная полоса пропускания тракта приемника.

Данное выражение характеризует предельную помехоустойчивость приёмника без учёта межсимвольной интерференции и ряда других объективных факторов. Таким образом, оно может характеризовать степень приближения реального приёмника к идеалу.

С целью определения зависимости отношения сигнал/помеха от отношения полосы пропускания входного фильтра к скорости передачи для реального приёмника применено выражение, описывающее переходный процесс, возникающий на выходе ЧМ дискриминатора при мгновенном изменении частоты.

А((„р) = и-софы1пр)^Кг(ои) + {[2ХО - К{<ом)} - Ш(соАр) - Ы„р)}2, (2)

где I/ - действующее напряжение сигнала; сом - круговая частота манипуляции; К(сом) - коэффициент передачи приёмного тракта относительно центральной частоты; т0-Л(3<рф - относительное время, приведенное к полосе пропускания приёмного тракта; р( 1пр) и ¡Щ1) - функции интегральных синуса и косинуса.

Выражение (3) содержит табличные интегралы, которые не позволяют получить пригодного для практического применения аналитического выражения. Поэтому для интервала изменения аргумента от -1,5 до 1,5, оно заменяется более простым эмпирическим выражением

2,089-/,

-5--6,3-10-*-V'

0,69 V+1

(3)

Полученное выражение, как показано в работе, на рассматриваемом интервале со среднеквадратической ошибкой 0,02 аппроксимирует А(т).

Применив полученное выражение в формуле (2) отношения сигнала/помехи, получим выражение, удобное для дальнейшего анализа

f

Р, 5.29-Р

о] +1

(4)

Рш

где N - спектральная плотность мощности флуктуационной помехи, Рст -мощность сигнала в установившемся режиме.

На основании данного выражения, используя известные соотношения величины дисперсии фазы от отношения сигнал/помеха, получено выражение, определяющее величину дисперсии фазы сигнала на входе РУ. Данный сигнал одновременно является входным сигналом для системы тактовой синхронизации, а следовательно, определяет дисперсию фазовой ошибки системы синхронизации.

В главе рассмотрен механизм взаимодействия рассмотренных выше фазовых ошибок, который показывает, что если база сигнала (Вс) будет больше 1, то информационный импульс приобретает трапециевидную форму, а «площадка», образующаяся на его вершине, обусловливает зону нечувствительности к фазовой ошибке (хп)• Величина этой зоны будет равна

ДЛЯ.ВС< 1;

даяД.> 1.

Показано, что оба процесса являются слабо коррелированными, а следовательно, общую дисперсию ошибок на входе РУ можно принять равной сумме полученных дисперсий. В результате обоснованных преобразований получено обобщенное выражение, характеризующее совместную величину дисперсии фазовой ошибки на входе решающего устройства.

где Б(0) - дисперсия фазовой ошибки на входе системы ФАПЧ; г„ -относительная длительность горизонтальной «площадки» на вершине принимаемого элементарного символа; у(<3) - функция распределения фазовой ошибки; 5 - емкость реверсивного счетчика системы ФАПЧ; т -относительная частота тактового генератора, приведенная к скорости манипуляции.

Полученное выражение содержит параметры, которые определяются конкретными требованиями к разрабатываемой системе. Подстановка этих параметров позволяет оценить возможность реализации путевого приемника с требуемым уровнем помехоустойчивости и рассчитать оптимальные параметры его функциональных элементов.

На основе выражения (6) получено семейство кривых (рисунок 2), показывающих, что в условиях малых отношений сигнал/помеха, характерных для существующих РЦ, и с учетом специфических требований, предъявляемых к ним, оптимизация параметров реального Г7П отличается от принятых критериев для оптимизации приемников.

(6)

Л Иру

0.21

Вс

0 0:2 0.4 Об 0.8

12 1.4 и

Рисунок 2 - Дисперсия ошибки на выходе РУ при 6 дБ:

1 -5т= 16; г-Ят= 160; 3-5т= 1600; 4-Хт = 16000

Анализ полученных результатов показывает, что при малых отношениях сигнал/помеха следует снижать скорость передачи информации при использовании максимально возможной ширины полосы пропускания канала, а требования к качеству системы тактовой синхронизации повышаются с уменьшением отношения сигнал/помеха и увеличением скорости передачи при фиксированной полосе пропускания канала.

В третьей главе рассмотрены вопросы допустимости применения имитационного моделирования для проверки помехоустойчивости устройства и доказательство адекватности модели реальному устройству. Имитационное моделирование было применено из-за невозможности проведения эксперимента в условиях эксплуатации (требования выполнения условий безопасности движения поездов) и отсутствия необходимой серийно выпускаемой приборной базы для постановки эксперимента. Имитационные модели разработаны в системе визуального моделирования 81МиЬГЫК программного пакета МАТЬАВ 6.5.

В качестве флуктуационной помехи от тягового тока использована стандартная модель помехи с распределением мгновенных значений амплитуды по нормальному закону и равномерной спектральной плотностью мощности (гауссовский шум).

Так как импульсные помехи в рельсовых линиях не поддаются теоретическим исследованиям, был применен экспериментальный метод исследования, подразумевающий регистрацию, обработку и анализ зарегистрированных данных. Регистрация помех осуществлялась на различных участках железных дорог России с электрической тягой. Полученные записи охватывают все характерные режимы движения поезда, вызванные переключениями схем управления тяговыми двигателями (в том числе при рекуперации), набором и сбросом позиций контроллера машиниста, «боксованием» локомотива, движением по стрелочным переводам при изменении величины тягового тока от 0 до 2000 А. Фрагмент записи реализаций реальных импульсных помех представлен на графике рисунок 3.

итв 10

-5

5

О

-10

0 1 2 3 4 5 Iе

Рисунок 3 - График фрагмента реализации импульсиой помехи

Анализ зарегистрированных помех показал существование взаимосвязей между амплитудами следующих друг за другом импульсов, их длительностями и межимпульсными интервалами.

На гистограмме (рисунок 4) представлены полученные распределения амплитуд импульсов Можно отметить области часто встречающихся

значений амплитуд.

Рисунок 4 - Гистограмма распределения амплитуд импульсов помехи

Если разделить весь диапазон значений амплитуд на N поддиапазонов, то импульсную помеху можно представить как систему с N дискретными состояниями, где каждому из состояний соответствует наличие импульса, амплитуда которого попадает в тот или иной поддиапазон. Последовательность переходов системы из одного состояния в другое может быть представлена однородной односвязной Марковской цепью, дискретной по состояниям и по времени. В качестве параметров, характеризующих и-е состояние системы, будут выступать амплитуда импульса £/„,, его длительность тим и длительность интервала г„„, следующего за данным импульсом до следующего импульса.

Марковская цепь характеризуется вектором начальных состояний Ро и матрицей перехода Р.

На основании предложенных критериев область значений амплитуд импульсов была разбита на N = 5 подобластей, границы которых представлены в таблице 1.

Таблица 1 -1

Подобласть Границы подобласти, В

1 от -1,7 до -4,0

2 от -4,0 до -7,0

3 от-13,0 до-17,0

4 от 1,7 до 3,5

5 от 3,5 до 9,0

Соответственно система имеет пять возможных состояний, для которых определены средние значения амплитуд импульсов С/имл, длительностей импульсов гимп и длительностей интервалов Гинл, следующих за импульсами. Их величины приведены в таблице 2.

Анализ реализаций помехи позволил определить вектор начальных состояний системы и матрицу переходов, по которым определяется текущее состояние системы.

Состояние, ¡„ ^им л ; £ ,мс ГИИ",А)С

1 -2,45 1,62 227,0

2 -5,29 5,95 265,8

3 -15,56 6,57 15,8

4 2,29 1,67 175,1

5 5,37 4,50 73,1

Ро = (одз 0,36 0,10 0,30 0,11)

'0,43 0,19 0,06 0,26 0.06"

0,22 0,36 0,04 0,30 0,08

Р = 0,14 0,02 0,09 0,54 0,21

0,14 0,18 0,11 0,46 0,11

,0,14 0,16 0,06 0,37 0,27,

На рисунке 5 представлен фрагмент импульсной помехи, полученный с помощью имитационной модели. Максимальные амплитуды (А) импульсов приведены к 1 В.

АД-ыВ

111 ш 1 . 1 ^ И .. .111 .

:....... 11 I: 1 С

О 12 3 4 5 6

Рисунок 5 - График фрагмента импульсной помехи, полученный с помощью имитационной модели

Созданная математическая модель, в отличие от реальных помех, имеет циклический характер, поэтому при определении помехоустойчивости будет получаться пессимистическая оценка. Однако эта модель позволяет объективно оценить качественные параметры различных устройств контроля

состояния участка пути при их сравнительных испытаниях и значительно сокращает длительность эксперимента.

Результаты экспериментов по определению помехоустойчивости устройства ТРДЗ и рассматриваемого микропроцессорного устройства при воздействии аддитивных флуктуационных помех представлены на рисунке 6, при воздействии импульсных помех - на рисунке 7.

Рисунок 6 - Зависимости помехоустойчивости устройств контроля участка пути от отношения мощностей сигнал/помеха при воздействии флуктуациокной помехи: график 1 - для ТРЦЗ, график 2 - для микропроцессорного устройства и график 3 - для оптимального ЧМ приёмника

ю«?__- - ж

Рисунок 7 - Графики зависимости вероятности ошибки от отношения амплитуды сигнала к максимальной амплитуде модели импульсной помехи: график 1 - дом ТРЦЗ, график 2- для микропроцессорного устройства

Результаты исследования на помехоустойчивость при воздействии гармонической помехи на центральной частоте канала представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 - Графики зависимости вероятности ошибки от отношения

уровней сигнала и гармонической помехи: 1 - для ПГО, 2 - для

микропроцессорного устройства

Представленные данные позволяют сделать выводы о том, что разработанное микропроцессорное устройство контроля участка пути имеет следующие преимущества по сравнению с системой ТРЦЗ при воздействии следующего вида помех:

а) гауссовского шума — запас по отношению мощностей сигнал/помеха от 4 до 8 дБ, а по помехоустойчивости от одного до двух порядков в рабочем диапазоне отношений;

б) импульсной помехи — запас по отношению амплитуд сигнал/помеха около 5 дБ, а по помехоустойчивости от двух до трех порядков в рабочем диапазоне соотношений;

в) гармонической помехи - запас по отношению среднеквадратичных значений уровней сигнал/помеха около 4 дБ, при этом Рош для ТРЦЗ носит ярко выраженный пороговый характер, что объясняется примененным типом модуляции.

Анализ приведенных результатов исследования показывает, что разработанное устройство для всех рассмотренных видов помех имеет более высокую помехоустойчивость по сравнению с идеализированной моделью прототипа.

В четвертой главе приводится описание программно-аппаратной реализации блока контроля состояния участка пути, имеющего условное название БКРЦ, реализующего принципы, обоснованные в диссертации.

Рассматриваемый блок создавался как конструктивно законченное изделие, содержащее каналообразующую аппаратуру для контроля двух смежных отрезков пути. Он предназначен для формирования, приёма и анализа сигналов РЦ, результаты которого поступают в системный интерфейс

для решения задач управления движением. Дополнительно устройство под управлением системы может формировать аддитивную смесь сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа, необходимых для организации движения поездов.

Применение частотного и кодового признака разделения каналов позволяет организовать до 120 независимых РЦ, исключающих возможность распознавания «чужого» сигнала. Высокая помехоустойчивость каналообразующей аппаратуры позволяет обеспечивать высокую устойчивость работы всей СУДП.

Блок имеет следующие основные технические характеристики:

- пороговая чувствительность по входам приемников равна 26±3 мВ;

- коэффициент возврата по порогу составляет 0,85-Ю,9;

- вероятность ошибки при отношении сигнал/помеха (для гауссовского шума) 7 дБ равна 10"3;

- температурный коэффициент изменения чувствительности, не более 0,06 мВ/град\

- рабочий диапазон температур от 0 до 50 "С.

В разделе рассмотрены вопросы, связанные с конструкцией блока в части его разделения на функциональные узлы и их реализации с точки зрения оптимизации программных и аппаратных затрат на его реализацию.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Проведенный анализ принципов построения и функционирования современных устройств контроля состояния участка пути систем управления движением поездов показал, что они обладают низкой помехоустойчивостью и ресурсосбережением.

2. Получено аналитическое выражение, на основании которого разработан способ оптимизации параметров функциональных элементов путевого приемника устройства контроля состояния участка пути, позволяющий повысить его помехоустойчивость в условиях малых отношений сигнал/помеха по сравнению с применяемым в настоящее время путевым приемником типа ТРЦЗ.

3. Установлена связь между дисперсией фазовой ошибки приемного тракта и системой тактовой синхронизации, на основании которой, с учетом ограничительных условий системы, определены оптимальные параметры устройства контроля состояния участка пути и его функциональных элементов, в том числе обоснован выбор метода модуляции и структуры устройства с повышенной помехоустойчивостью.

4. Предложен способ формирования передаточной функции петли обратной связи системы ФАПЧ, обеспечивающий значительное уменьшение времени вхождения в режим синхронизма (в 10 раз) по

сравнению с линейной характеристикой и малую фазовую погрешность в режиме синхронизма по сравнению с пропорциональной характеристикой.

5. Разработаны имитационные модели устройства контроля состояния участка пути, устройства прототипа и стенда для проведения сравнительных испытаний на помехоустойчивость.

6. Разработана обобщенная математическая модель импульсных помех на основе Марковских цепей, создаваемых в рельсовых линиях тяговым током в процессе движения локомотива, которая позволяет провести объективную сравнительную оценку устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости и типового приёмника.

7. Посредством имитационного моделирования выполнены статистические эксперименты, которые показали, что при воздействии флуктуационной, гармонической и импульсной помех разработанное устройство контроля состояния участка пути в равных условиях обеспечивает более высокую помехоустойчивость (на 1 - 3 порядка выше) по сравнению с прототипом.

8. Разработано микропроцессорное устройство контроля состояния участка пути, опытная эксплуатация которого в течение семи лет показала, что оно обеспечивает высокую устойчивость функционирования в составе централизованной микропроцессорной системы управления движением поездов на участках железных дорог с любым видом тяги.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Блачев К.Э. Имитационное моделирование цифрового приемника сигналов системы интервального регулирования движения поездов // Вестник СамГТУ, Серия Технические науки. - Самара : СамГТУ, 2008. - С. 223227.

Публикации в других изданиях

2. Блачев К.Э. Имитационное моделирование в разработке и исследовании цифрового устройства обнаружения сигналов АЛСН / К.Э. Блачев, P.P. Юсупов, В. Б. Леушин II Безопасность и логистика транспортных систем: труды международной научно-практической конференции. Ч. II. - Самара : СамГАПС, 2004. - С. 34-35.

3. Блачев К.Э. Рельсовые цепи как информационно-измерительные каналы / К.Э. Блачев, В.Б. Леушин, P.P. Юсупов // Безопасность и логистика транспортных систем: труды международной научно-практической конференции. Ч. И. - Самара: СамГАПС, 2004. - С. 33-34.

4. Блачев К.Э. Статистический анализ некоторых параметров импульсных помех от тягового тока / К.Э. Блачев, В.Б. Леушин, P.P. Юсупов II Труды Всероссийской с международным участием научно-практической конференции учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. - Хабаровск : ДВГУПС, 2004. - С. 50-54.

5. Леушин В.Б. Бланкирующее устройство в локомотивном приёмнике АЛСН / В.Б. Леушин, P.P. Юсупов, К.Э. Блачев II Безопасность движения поездов: труды V научно-практической конференции. - М. : МИИТ, 2004. - С. V32-V33.

6. Юсупов P.P. Имитационная установка для исследования приёмника сигналов AJIC-EH методом имитационного моделирования / P.P. Юсупов, В.Б. Леушин, К.Э. Блачев II Вестник СамГАПС. Вып 3. - Самара : СамГАПС, 2005. - С. 60-63.

7. Юсупов P.P. Помехозащищённость приёмников сигналов автоматической локомотивной сигнализации систем АЛСН и АЛС-ЕН / P.P. Юсупов, В.Б. Леушин, К.Э. Блачев И Вестник СамГАПС. Вып. 3. - Самара : СамГАПС, 2005. - С. 63-67.

8. Блачев К.Э. Анализ цифровых фильтров, применяемых в локомотивном приёмнике сигналов АЛС-ЕН / К.Э. Блачев, P.P. Юсупов, В.Б. Леушин II Актуальные проблемы развития ж.-д. тр-та: материалы 2-й Международной научно-практическая конференции 7-8 дек. 2005 г. -Самара: СамГАПС, 2006. - С. 191-193.

9. Юсупов P.P. Приёмник сигналов АЛС-ЕН с модернизированным интерполирующим фильтром / P.P. Юсупов, В.Б. Леушин, К.Э. Блачев И Актуальные проблемы развития ж.-д. тр-та: материалы 2-й

Международной научно-практической конференции 7-8 дек. 2005 г. -Самара : СамГАПС, 2006. - С. 194-195.

10. Юсупов P.P. Краткий анализ некоторых способов повышения помехоустойчивости приёмника сигналов АЛС-ЕН / P.P. Юсупов, В. Б. Леушин, К.Э. Блачев // Актуальные проблемы развития ж. д. транспорта: материалы 2-й Международной научно-практической конференции 7-8 дек. 2005 г. - Самара : СамГАПС, 2006. - С. 193-194.

11. Блачёв К.Э. Проблемы выбора принципов построения рельсовых цепей // Сборник научных трудов студентов и аспирантов СамГАПС. -Вып.6. - Самара: СамГАПС, 2005. - С. 100—101.

12. Блачев К.Э., Батраев В.II. Методика расчета влияния дестабилизирующих факторов на Т-образные пассивные фильтры // Труды ВНИИАС. Вып.2. -М.: «БизнесПроект», 2005. - С. 129-136.

13. Блачёв К.Э. Нелинейная обработка как способ борьбы с влиянием высоковольтных ЛЭП на работу локомотивного цифрового приёмника канала АЛСН / К.Э. Блачёв, P.P. Юсупов, В.Б. Леушин // Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе: Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — Самара : Самарский научный центр РАН, 2007. - С. 55-58.

14. Юсупов P.P., Леушин В.Б., Блачёв К.Э. Программа для формирования импульсной помехи от постоянного тягового тока электроподвижного состава железных дорог // Свид. об официальной регистрации программы на ЭВМ № 2003612086. Зарегистрировано 4.09.2003 г.

15. Приёмник тональной рельсовой цепи : пат. 39561 Рос. Федерация : МПК7 В 61 L 23/16 / Леушин В.Б., Блачёв Э.К., Юсупов P.P., Зорин В.И.\ заявитель и патентообладатель СамГУПС. - № 2004110178/22 ; заявл. 05.04.2004 ; опубл. 10.08.2004, Бюл. № 22. -1с.: ил.

16. Юсупов P.P., Блачёв К.Э., Леушин В.Б. Адаптивное бланкирующее устройство подавления аддитивных импульсных помех // Свид. об официальной регистрации интеллектуального продукта в ФГУП «ВНТИЦ»30. 11.2004 г., №73200400204.

17. Приёмник тональной рельсовой цепи: пат. 44626 Рос. Федерация : МПК7 В 61 L 27/04 / Леушин В.Б., Блачёв Э.К., Юсупов P.P., Батраев В.П., ЗасовВ.А. ; заявитель и патентообладатель СамГАПС. - №2004132281/22; заявл. 09.11.2004 ; опубл. 27.03.2005, Бюл. № 9. - 2 с.: ил.

18. Установка для исследования рельсовой цепи - канала обмена информацией : пат. 70027 Рос. Федерация : МПК G09B 9/00 / Леушин В.Б., Блачёв Э.К., Юсупов P.P., Кравцова H.A. заявитель и патентообладатель СамГУПС. - № 2007128711/22 ; заявл. 25.07.2007 ; опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1. - 2 с.: ил.

19. Установка для демонстрации особенностей работы замкнутой системы синхронизации : пат. 70029 Рос. Федерация : МПК G09B 9/00/ / Леушин В.Б., Блачёв Э.К., Юсупов P.P. ; заявитель и патентообладатель СамГУПС. - № 2007130312/22 ; заявл. 07.08.2007 ; опубл. 10.01.2008, Бюл. №. - 2 с.: ил.

БЛАЧЕВ Константин Эдуардович

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА ПУТИ

ПОВЫШЕННОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники систем управления

Подписано в печать 7.04.2009. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 58.

Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения 443022, Самара, Заводское шоссе, 18.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ'ПУТИ с РЕЛЬСОВЫМИ ЛИНИЯМИ.

1.1 Принципы и особенности развития систем автоблокировки с рельсовыми цепями.

1.2 Критерии оценки устойчивости функционирования рельсовых цепей.

1.3 Обзор систем управления движением поездов с тональными рельсовыми цепями.

1.4 Выводы по разделу.

2 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ И СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА ПУТИ.

2. Г Обоснование выбора метода модуляции.

2.2 Обоснование выбора структуры устройства контроля состояния участка пути.

2.3 Оптимизация информационного тракта приемника устройства контроля< состояния участка пути.

2.4 Выбор структуры системы синхронизации.

2.4.1 Основные принципы построения систем синхронизации.

2.4.2 Определение структуры системы тактовой синхронизации.

2.4.3 Система кадровой синхронизации.

2.5 Выводы по разделу.

3 АНАЛИЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ ПОСРЕДСТВОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Обоснование необходимости и допустимости математического моделирования при эксперименте.

3.2 Имитационная модель устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости.

3.2.1 Формирователь сигналов устройства контроля состояния участка пути повыц

3.2.2 Имитационная модель путевого приемника устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости.

3.3 Имитационная модель 1111 устройства контроля состояния участка пути типа ТРЦЗ.

3.4 Имитационная модель помех рельсовых линий.

3.4.1 Общие требования к моделям внешних воздействий.

3.4.2 Имитационная модель флуктуационных помех.

3.4.3 Имитационная модель импульсных помех.

3.5чСистема сбора и обработки статистической информации.

3.6 Результаты экспериментов по определению помехоустойчивости.

3.7 Выводы по разделу.

4 АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ УЧАСТКА ПУТИ.".

4.1 Общие сведения.

4.2 Аппаратная реализация блока БКРЦ.

4.3 Реализация ячейки формирователя комплексного сигнала.

4.4 Программная реализация полосовых фильтров.

4.5 Программная реализация амплитудного детектора.

4.6 Программная реализация частотного дискриминатора.

4.7 Программная реализация формирователя сигналов.

Развитие железнодорожного транспорта непосредственно связано с решением таких вопросов, как повышение интенсивности движения, бесперебойности и экономичности перевозок, при обеспечении высокого уровня безопасности движения поездов. В этой связи перевозка пассажиров и грузов является ответственным технологическим процессом, обеспечивающим движение определенного количества поездов на строго ограниченном участке дороги.

Системы управления движением поездов (СУДП), обеспечивающие пространственный и временной интервалы между поездами, которые гарантируют остановку «головы» следующего поезда на заданном расстоянии от «хвоста» предыдущего в любых поездных ситуациях, являются основой обеспечения безопасности движения поездов.

В настоящее время на перегонах железных дорог России функцию СУДП выполняют системы автоблокировки (АБ), которые можно разделить на два основных типа: с децентрализованным (ДАБ) и централизованным (ЦАБ) размещением аппаратуры. В России обе эти системы реализованы, как правило, на релейной элементной базе. Первым и основным звеном этих систем являются путевые датчики, которые формируют информацию о состоянии участков пути (нахождение или отсутствие подвижного состава, а так же целостность и наличие рельсов). В настоящее время наибольшее распространение получили устройства контроля состояния участков пути (КСУП) с рельсовыми линиями, так называемые, непрерывные путевые датчики - рельсовые цепи (РЦ).

Большой вклад в теоретические и прикладные исследования по проектированию СУДП с РЦ внесли д.т.н., профессор Брылеев A.M., д.т.н. Беляков.И.В., д.т.н., профессор Бестемьянов П.Ф., д.т.н., профессор Лисенков В.М., профессор Кравцов Ю.А., д.т.н., профессор Розенберг Е.Н., д.т.н., профессор Шалягин Д.В., д.т.н., профессор Шаманов В.И., к.т.н. Дмитриев

B.G., к.т.н.,. доцент Вековищев А.В;, к.т.н., доцент Леушин В.Б., к.т.н. Пёнкин Н.Ф., Шишляков А.В; и другие отечественные ученые.

Важным критерием качества функционирования СУДП является -устойчивость>работы путевых датчиков;„так как именно данная часть системы подвержена динамическому воздействию; движущегося поезда, влиянию помех,, в частности от тягового тока, и дестабилизирующим факторам, порождаемым изменениями климатических условий.

Учитывая; изложенное выше, на российских железных; дорогах РЦ являются важнейшим элементом систем обеспечения безопасности движения поездов и поэтому уровень безопасности движения;и пропускная способность железных дорог неразрывно связаны.с надежностью их работы.

РЦ содержит воспринимающий, промежуточный и исполнительный элементы,,в результате взаимодействия которых состояние пути преобразуется в электрический сигнал. В воспринимающий элемент составной частью входит ограниченный1 участок рельсовой линии (PJI) и источник электрического сигнала - путевой генератор (ГП). Причем, к одному концу PJI подключен ГП, а к другому приемник сигнала — путевой приемник- (1111). При нахождении на контролируемом участке пути подвижной единицы или; повреждении рельса изменяются первичные параметры PJI. В результате изменяются параметры сигнала на входе ГШ, который в соответствии с этим изменением: формирует на своем выходе логические сигналы (сообщения); несущие информацию о состоянии участка пути.

Все смежные и параллельно расположенные участки пути оборудованы РЦ, которые одновременно служат для передачи сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (AJIGH) и автоматического управления: торможением поездов (САУТ) в кабину машиниста. Поэтому остро встает задача повышения их совместимости:

В: настоящее время применяется два способа разделения - смежных рельсовых цепей: с помощью изолирующих стыков и по границам естественного затухания сигнала.

Сбои в функционировании СУДП вызывают временное снижение пропускной способности участка железной дороги, что в свою очередь приводит к значительным экономическим потерям. Сбои могут порождаться воздействием электромагнитных помех, при этом работа РЦ восстанавливается после прекращения действия помех, и в связи с отказами отдельных элементов РЦ (при этом требуется их замена).

Статистические данные по сбоям в работе СУДП на сети железных дорог России показывают, что- около 60 % сбоев связаны с нарушением функционирования РЦ, а остальные 40 % - с отказом отдельных элементов систем [1]. В то же время сбой в работе РЦ, не связанный с ее повреждением, вызывает задержку в движении поездов от нескольких секунд до • одной минуты. В случае отказа элемента системы, время на поиск и замену неисправного элемента для централизованных систем составляет 15-50 минут,, а для децентрализованных - от одного до трех часов.

Для ЦАБ возможна минимизация времени на поиск неисправности за счет введения-подсистемы диагностики технического состояния элементов и устройств. Глубина диагностики должна определяться технологическим элементом замены (блок, ячейка, элемент). Введение такой системы при использовании в СУДП релейной аппаратуры или аппаратуры на элементах низкой степени интеграции - чрезмерно сложная и дорогостоящая задача. Только использование микропроцессорной и вычислительной техники позволяет создать высокоэффективную и недорогую диагностическую систему без значительных дополнительных аппаратных затрат.

Эксплуатируемые в настоящее время СУДП были построены на основе аналоговой и релейной техники с присущими ей недостатками:

- расширенная номенклатура изделий для каждого рабочего диапазона частот и принимаемого кода;

- сложность настройки и проверки в условиях эксплуатации;

- сильная зависимость электрических и временных параметров аппаратуры от внешних климатических условий;

- значительные массогабаритные показатели и потребление энергии.

Эти недостатки снижают безопасность функционирования системы и tопределяют низкий уровень ресурсосбережения.

До середины девяностых годов прошлого века разработка микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути сдерживалась высокой стоимостью микропроцессоров, их низкой производительностью и отсутствием системных интерфейсов, которые позволили бы организовать высоконадежную многопроцессорную структуру, обладающую.высокой гибкостью. Появление и бурное развитие современных сигнальных микропроцессоров, а также, развитие теории цифровой обработки сигналов устранило указанные выше ограничения.

В настоящее время основную часть стоимости эксплуатируемой аппаратуры составляет стоимость электромагнитных реле, трансформаторов, путевых трансмиттеров и других приборов, содержащих медь, серебро и редкоземельные металлы. К примеру, стоимость одного реле первого класса надежности на опасный отказ более чем в два раза превышает стоимость DSP-процессора, способного реализовать два унифицированных 1111.

Использование микропроцессорной элементной базы позволяет получать значительную экономию электрической энергии, при расширении функциональных возможностей системы, сокращать номенклатуру изделий и, за счет самодиагностики, снижать затраты на их обслуживание. Например, внедрение ДАБ системы АБ-ЧКЕ [2] показывает ее высокую экономическую эффективность в сравнении с ранее разработанными системами.

Для систем ЦАБ можно ожидать еще более высокого эффекта, за счет значительного снижения эксплуатационных расходов. Это явилось толчком для научной разработки и создания микропроцессорной ЦАБ. с тональными рельсовыми цепями (ТРЦ), которая получила условное название АБТЦ-М микропроцессорная автоблокировка с централизованным размещением аппаратуры и тональными РЦ).

Прототипом этой системы явилась, система с тональными рельсовыми цепями ТРЦЗ, построенная на базе релейных элементов и элементов низкой степени интеграции.

Ориентация на использование в качестве базовых элементов 1111 микропроцессоров и апробированных принципов цифровой обработки-сигналов и теории передачи данных [3] позволило максимально приблизить их параметры по помехоустойчивости к предельно возможным, а показатель безопасности - к требуемому уровню для железных дорог России.

Однако, специфические требования к параметрам рельсовой^ линии, недостаточный математический аппарат описания, статистических параметров помех в PJI, а также жесткие ограничения по времени обнаружения сигнала, не позволяют реализовать многие алгоритмы «тонкой» обработки сигналов. Поэтому во многих случаях требуется, робастный принцип при1 выборе основных параметров с учетом допустимых предельных разбросов. Это позволяет обеспечить устойчивость работы рельсовых цепей и всей системы в целом в условиях значительного изменения контролируемых параметров при внешних механических и климатических воздействиях.

Для системы АБТЦ-М разработано, микропроцессорное устройство контроля состояния участка пути. Оценка качества разработанного устройства делает актуальной задачу сравнительного исследования помехозащищенности применяемой в настоящее время аппаратуры типа ТРЦЗ и вновь разработанного устройства, построенного на микропроцессорной элементной базе.

Традиционные методы исследования связаны с определенными трудностями, т.к. требуется проведение значительного объема статистических экспериментов на физических объектах с учетом большого количества факторов, в том числе случайных, что обуславливает значительные затраты времени и средств. Кроме того, в этом случае затруднен контроль условий проведения экспериментов. В большинстве случаев проведение экспериментов в реальных условиях эксплуатации не представляется возможным, так как 1 может привести к сбоям в работе действующих СИРДП и, как следствие, к нарушению графика движения поездов. Поэтому необходимо применение таких методов исследования, которые позволили бы решить эту задачу с высокой эффективностью и одновременно позволили бы определить потенциальные возможности разработанных принципов построения РЦ.

Целью данной работы является разработка принципов построения устройства контроля состояния участка пути посредством оптимизации параметров его приемного тракта и системы тактовой синхронизации частотно-манипулированного сигнала, позволяющих повысить его помехоустойчивость.

В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ известных способов повышения помехоустойчивости и совместимости систем передачи данных и на основе этого разработан способ построения устройства контроля состояния участка пути;

- установление связи между дисперсией совместной фазовой ошибки приемного тракта и системы тактовой синхронизации для оптимизации параметров путевого приемника (1111) устройства контроля состояния участка пути;

- разработка микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости с целью его применения в микропроцессорной СУДП;

- разработка обобщенной модели1 импульсных помех в рельсовой линии, создаваемых тяговым током в процессе движения локомотива для проведения сравнительных испытаний на помехоустойчивость микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути с прототипом;

- создание имитационной модели стенда и проведение сравнительных исследований помехоустойчивости прототипа и разработанного устройства при воздействии .флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех.

Объектом исследования являются устройство контроля состояния участка пути системы управления движением поездов и его помехоустойчивость.

Предмет исследования составляют метод повышения помехоустойчивости устройства контроля состояния- участка пути и его экспериментальная проверка.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Получено аналитическое выражение, позволяющее установить зависимость дисперсии фазовой ошибки на выходе решающего устройства реального приемника' частотно-манипулированных сигналов от отношения мощностей сигнала и помехи, полосы пропускания приемного тракта и параметров системы синхронизации, дающее возможность совместной оптимизации параметров приемного тракта и системы тактовой синхронизации путевого приемника в условиях малых соотношений сигнал/помеха.

2. Разработана математическая модель импульсных помех, создаваемых тяговым током при движении локомотива, которая позволяет проводить ^сравнительную оценку помехоустойчивости для различных устройств при их воздействии, а так же дает предпосылки для разработки единой методики нормирования величин импульсных помех для всей сети железных дорог. и

3. Предложена передаточная характеристика петли обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты, позволяющая значительно уменьшить время вхождения в режим синхронизма системы тактовой синхронизации по малому числу выборок и обеспечить относительно небольшую фазовую ошибку в режиме синхронизма.

Все основные научные результаты и результаты' статистического моделирования на ЭВМ, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Практическая ценность работы заключается в следующем: разработаны функциональные схемы генератора и приемника микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути с повышенной помехозащищенностью; позволяющие уменьшить затраты вычислительных ресурсов процессора при их реализации;

- на основе разработанных функциональных схем и выбранных оптимальных параметров путевого приёмника разработано программное обеспечение, которое позволило реализовать, устройство контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости;

- на основе полученной математической модели импульсных помех создана имитационная модель импульсных помех, позволяющая проводить сравнительные испытания на помехоустойчивость различных устройств контроля состояния участка пути; определена потенциальная помехоустойчивость разработанного устройства контроля состояния участка пути для различного класса помех, что позволяет нормировать допустимые уровни помех на участках, оборудованных СУДП типа АБТЦ-М (микропроцессорная автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры); 12 создано серийно выпускаемое изделие, которое в составе системы АБТЦ-М внедряется на железных дорогах России и стран СНГ.

В настоящее время ведется проектирование системы АБТЦ-М для семи участков железных дорог, включая Сочи-Красная Поляна.

Повышенная помехоустойчивость, устройства позволяет значительно снизить количество сбоев в работе СУДП и, как следствие, повысить эффективность перевозок.

Реализация и внедрение результатов; Результаты; исследований использованы во ОАО «НИИАС» при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: — по теме. № 1651. «Создание современных систем управления1 движением поездов и обеспечения безопасности движения»(КНП-5). Система интервального регулирования движения поездов с подвижными блок-участками . на базе тональных рельсовых цепей; на участке Ногинск-Металлург»;

- по теме «Модернизация серийно выпускаемого оборудования № 41571-801-00 «Блок контроля состояния рельсовых цепей микропроцессорный»

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ определения дисперсии ошибки на входе решающего устройства приемника частотно-манипулированных сигналов от отношения' мощностей сигнала и помехи, полосы пропускания приемного тракта и параметров системы синхронизации в условиях малых соотношений сигнал/помеха.

2. Принцип построения системы тактовой синхронизации: на основе фазовой автоподстройки частоты^ с передаточной характеристикой петли обратной связи с относительно малым временем вхождения в режим синхронизма по малому числу выборок и малой фазовой ошибкой в режиме синхронизма.

3. Принцип построения устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости.

4. Математическая модель импульсных помех, создаваемых локомотивом в процессе движения.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 19 печатных работах, включая 13 статей (из них одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК), 4 патента на полезную модель, одно свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта в ФГУП и одно свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ.

Работа выполнена на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Самарского государственного университета путей сообщения.

I ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ ПУТИ С РЕЛЬСОВЫМИ ЛИНИЯМИ

Целью данной главы является анализ отечественного и зарубежного опыта создания систем автоблокировки с устройствами контроля состояния участка пути - рельсовыми цепями, для выявления их недостатков и определения способов преодоления этих недостатков при разработке нового устройства контроля состояния участка пути. Основное внимание уделяется принципам построения РЦ.

заключение

В диссертации решена актуальная задача исследования и разработки метода построения устройства контроля состояния участка пути повышенной помехозащищенности для микропроцессорных систем управления движением поездов.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Проведенный анализ принципов построения и. функционирования современных устройств контроля состояния участка пути систем' управления движением поездов показал, что они обладают низкой помехоустойчивостью и ресурсосбережением.

2. Получено аналитическое выражение, на' основании которого разработан способ оптимизации параметров функциональных элементов путевого приемника, устройства контроля состояния участка пути, позволяющий повысить его помехоустойчивость в условиях малых соотношений сигнал/помеха по сравнению с применяемым в настоящее время путевым приемником типа ТРЦЗ.

3. Установлена связь между дисперсией фазовой ошибки приемного тракта и системы тактовой синхронизации, на основании которой, с учетом ограничительных условий системы, определены оптимальные параметры устройства контроля состояния участка пути и его функциональных элементов, том числе обоснован выбор метода модуляции и структуры устройства с повышенной помехоустойчивостью.

4. Предложен способ формирования передаточной функции петли обратной связи системы ФАПЧ, обеспечивающий значительное уменьшение времени вхождения в режим синхронизма (в 10 раз) по сравнению с линейной характеристикой и малую фазовую погрешность в режиме синхронизма по сравнению с пропорциональной характеристикой.

5. Разработаны имитационные модели устройства контроля состояния участка пути, устройства прототипа и стенда для проведения сравнительных испытаний на помехоустойчивость.

6. Разработана обобщенная математическая модель импульсных помех на основе Марковских цепей, создаваемых в рельсовых линиях тяговым током в процессе движения локомотива, которая позволяет провести объективную сравнительную оценку устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости и типового приёмника.

7. Посредством имитационного моделирования выполнены статистические эксперименты, которые показали, что при воздействии флуктуационной, гармонической и импульсной помех разработанное устройство контроля состояния участка пути в равных условиях обеспечивает более высокую помехозащищенность (на 1-3 порядка выше) по сравнению с прототипом.

8. Разработано микропроцессорное устройство контроля состояния участка пути, опытная эксплуатация которого в течении семи лет показала, что оно обеспечивает высокую устойчивость функционирования в составе централизованной микропроцессорной системы управления движением поездов на участках железных дорог с любым видом тяги.

1. Г.Д.Казиев, В.М.Адаскин Повышать надежность рельсовых цепей. Автоматика, связь, информатика. №4, 2006 г. 2-7 с. (48с.)

2. Беляков И.В. Докторская диссертация Теория и методы реализации адаптивных систем контроля состояния рельсовых линий. УДК 612.391.8:656.12.004.5, - М, 1996 г.

3. Гойхман Э.Ш., Лосев Ю.И. Передача информации в АСУ. Изд. 2-е. -М., Связь, 1976г.-280с.

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

5. Скороходов В.И., Бардышев В.А., Смирнов С.И. Экспериментальные исследования влияния на устройства СЦБ импульсно-тиристорного управления электрическим подвижным составом постоянного тока// Тр. ВНИИЖТ. -1976. Вып. 560. -С.55-67.

6. Евсюнин В.И. Совершенствование эксплуатации тональных рельсовых цепей.// Автоматика, связь, информатика. 2006 - №3 - С. 1416.

7. Шевердин И.Н., Шаманов В.И. Влияние тяжеловесных поездов на рельсовые цепи и АЛС.// Автоматика, связь, информатика. 2004 - №8 -С.24-29.

8. Брылеев A.M., Шишляков А.В., Кравцов Ю.А. Устройство и работа рельсовых цепей. М. :Транспорт, 1978. - 344 с.

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

10. Скороходов В.И., Бардышев В.А., Смирнов С.И. Экспериментальные исследования влияния на устройства СЦБ импульсно-тиристорногоуправления электрическим подвижным составом постоянного тока// Тр. ВНИИЖТ. -1976. Вып. 560. -С.55-67.

11. Воротилкин А.В., Хоменко А.П., Шаманов В.И. Влияние тяжеловесных поездов на работу приборов безопасности.// Автоматика, связь, информатика. 2006 - №10 - С. 17-21.

12. Шевердин И.Н., Шаманов В.И. Влияние тяжеловесных поездов на рельсовые цепи и AJIC. .// Автоматика, связь, информатика. 2004 - №8 -С.24-29.

13. Бушу ев В.И., Бушуев С.В. Явление феррорезонанса в фазочувствительных рельсовых цепях частотой 50 Гц.// Автоматика, связь, информатика. 2004 - №3 - С.31-32.

14. Григорьев B.JL, Котельников А.В. Оптимизация электропроводности рельсового стыка при пропуске тяжеловесных поездов. .// Автоматика, связь, информатика. 2005 - №8 - С.13-16.

15. Евсюнин В.И: Совершенствование эксплуатации тональных рельсовых цепей.// Автоматика, связь, информатика. 2006 - №3 - С. 14

16. Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник: в 2кн. 3-е изд. - М.: НПФ «ПЛАНЕТА», 2000 - 960с.

17. Программа ускоренного технического и технологического перевооружения хозяйства сигнализации, централизации и блокировки железных дорог на период 2002 2005 гг./ В.М. Лисенков, П.П.Замятин, А.И.Каменев и др. - М.: МПС РФ, 2002 - 37с.

18. Фрезиг П. Автоматический контроль за движением поезда на железных дорогах Дании. Пер. ЦНТБ МПС П28411/ 1987 - 25с.

19. Фишер Э. Путевая автоблокировка АВ 8020. Перевод.// Die Eisenbahntechnik, 1982 №3, p. 131-134.

20. Новые устройства СЦБ для скоргостной линии Париж-Лион. Перевод.//Przeglad Kolejowy Elektrotechniczny, 1975 №12, р.22-25.

21. Ксюнин В.И. Эксплуатация автоблокировки' с централизованным размещением аппаратуры и рельсовыми цепями тональной частоты. // Автоматика, связь, информатика. 1999 - №1 - С.35-38.

22. Баранников В.М., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Выбор признаков распознавания поездного шунта.// Микропроцессоры в системах технической диагностики железнодорожной автоматики и телемеханики: Межвуз. сб. научных тр./ УрЭИИТ. 1988. - Вып.72. - с. 130-132.

23. Нгуен Зуй Вьет. Принципы построения систем полуавтоматическойблокировки с адаптивными рельсовыми цепями для железных дорог Вьетнама. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени к.т.н.// М. 2000 - 25с.

24. CAN Specification. Ver.2.0// Robert Bosch GmbH, Postfach 50, D-7000 Stuttgart 1 1991. - 72p.

25. Data Sheet SAE81C90, SAE81C91. Preliminary 01.97 -41p.

26. Блачёв К.Э. Проблемы выбора принципов построения рельсовых цепей. Сборник научных трудов студентов и аспирантов СамГАПС. -Вып.6 Самара: СамГАПС, 2005 - с. 100-101.

27. В.А.Кудряшов, Н.Ф.Семенюта. Передача дискретной информации на железнодорожном транспорте. Учеб. Для вузов ж.-д. трансп. М.: «Вариант», 1999. - 328с.

28. Количественные требования и средства контроля обеспечения безопасности систем и устройств СЦБ (Р-807). Руководящий материал организации сотрудничества железных дорог (ОСЖД). Утв. 07.11.2000 г. -Варшава.: 2000. - 12с.

29. Френке JI. Теория сигналов. Пер. с англ.\\ Под ред. Д.Е.Вакмана. М.: Советское радио, 1974. - 344с.

30. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М. Сов. Радио, 1966 г., 678 с.

31. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. Учеб. пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2003, 400с.32