автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство непрерывного контроля заполнения путей системы автоматического управления скоростью отцепов

На правах рукописи

УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ПУТЕЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ОТЦЕПОВ

Специальность 03,13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации ма соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2006

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

Ведущая организация: Российский Государственный Открытый Технический Университет Путей Сообщения

Защита состоится «21» декабря 2006 года в 1330 часов на заседании диссертационного совета Д 218.011.01 при Самарской государственной академии путей сообщения по адресу: 443066, г. Самара, 1-ый Безымянный пер., 18, СамГАПС, аудитория 5216, корпус 5,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарской государственной академии путей сообщения

Автореферат разослан «21» ноября 2006г.

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

Г*1/№ТвШ ПЧЛЛ*ПТ4Т1 иЛииЛГУк

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ТАРАСОВ Евгений Михайлович. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КОПЕЙКИН Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент МОХОНЬКО Владимир Петрович

В.С. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности функционирования Российских железных дорог непосредственно связано с перерабатывающей способностью сортировочных станций и узлов, что повышает требования к их оснащенности техническими средствами и информационным обеспечением.

Анализ технической оснащенности сортировочных станций указывает на значительный износ технических средств и несоответствие современным требованиям к формированию поездов. Это связано с увеличением веса поезда до 6300-^9000 т и длины составов до 71-100 условных единиц.

При этом длины путей сортировочного парка составляют всего 400+450м, что является препятствием для формирования полноценных поездов.

Наиболее ответственной и сложной задачей управления, определяющей эффективность всего комплекса автоматизации сортировочных процессов, является автоматическое управление скоростей скатывания отцепов (АУС). В связи с этим, все большее значение приобретают подсистемы контроля за результатами взаимодействия отцепов с технологическим оборудованием горки, у которых наряду с требованиями высокой надежности, достоверности и экономичности сегодня появляются дополнительные требования к возможности их сопряжения с управляющим вычислительным комплексом унифицированными программными средствами.

Несмотря на то, что в области исследования и проектирования подсистемы АУС - устройств контроля заполнения подгорочных путей (КЗП) - накоплен значительный опыт, существующие устройства строятся, как правило, по принципу дискретного контроля коротких участков пути на которые разделяются подгорочные пути, что в условиях формирования поездов повышенной длины, эксплуатации вагонного парка с повышенным весом, и существующих профилей горки значительно ухудшает перерабатывающую способность горок и приводит к нарушению выполнения условий безопасности. Кроме того, существующие устройства контроля

заполнения путей подгорочного парка не позволяют контролировать участки пути длиной свыше 450 м.

Таким образом, до настоящего времени не созданы устройства контроля дополнения путей, в полной мере отвечающие возросшим требованиям железных дорог. Поэтому создание устройства контроля заполнения путей подгорочного парка, обеспечивающего непрерывность контроля заполнения путей, инвариантного к дестабилизирующим факторам на основе принципиально новых методов распознавания состояний рельсовых линий путей подгорочного парка, имеющего повышенную длину зоны контроля (¿1000м.), для систем автоматического управления скоростью отцепов на сортировочных горках является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР, согласно: «Программе реализации основных направлений развития и социально — экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена МПС от 04.03.1997г. Jfa А-27бу); «Перечню основных проблем железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований» (утвержденному МПС от 2б.12.2002г. № Я-1272у); «Концепции развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики на период 2000-2004г.г.» (утвержденной МПС от 06.08.01. № -1379у).

Цель работы н основные задачи исследования. Целью работы является научное обоснование и создание устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка с непрерывным определением координат отцепов для систем автоматического управления скоростью на сортировочной горке, обладающего расширенными функциональными возможностями и повышенным качеством определения координат отцепов.

Для достижения цела был поставлен комплекс задач: - проведение анализа современного состояния научно-технической проблемы создания устройства контроля заполнения путей подгорочного парка непрерывным контролем координаты и скорости движущихся отцепов, обладающего повышенной эксплуатационной надежностью и

удовлетворяющего комплексу требований: обеспечение непрерывного контроля заполнения путей при длинах рельсовых линий участков контроля до 1 ООО м и изменении сопротивления изоляции до ОД Ом • км;

- разработка математических моделей первичного датчика информации, с целью выявления информативных признаков, характеризующих состояния чувствительного элемента датчика;

- разработки принципов кластеризации участков путей подгорочного парка, для определения зоны контроля отцепов, передвигающихся по путям подгорочного парка;

- разработка метода непрерывного определения координат отцепов на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков для непрерывного контроля заполнения путей;

- разработка методики параметрического синтеза устройства непрерывного контроля заполнения путей, с целью получения оптимальной решающей функции и параметров компонент схемы датчика с использованием разработанного критерия оптимизации;

- техническая реализация устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка и внедрение их в комплексе систем АУС.

Методы исследования. Решение сформулированных в диссертационной работе задач базируется на применении теории •электрических цепей, теории распознавания образов, методах синтеза электрических цепей, кластерном анализе. В процессе работы над диссертацией теоретические и экспериментальные исследования были тесно взаимосвязаны. Для разработки моделей применялись методы математического моделирования на ЭВМ с проверкой полученных результатов, путем сравнения с экспериментальными исследованиями распространения сигналов по рельсовым линиям.

Научная новизна работы заключается в развитии теории измерения координат поперечной неоднородности в линиях с распределенными параметрами с потерями, позволяющей формировать решающую функцию устройства контроля заполнения путей с расширенными функциональными

возможностями, повысить качество определения координат отцепов и обеспечить инвариантность к изменению проводимости изоляции рельсовых линий.

Основными научными результатами» полученными в работе, являются:

- разработанные принципы и способы контроля заполнения путей подгорочного парка, путем кластеризации участков путей подгорочкого парка и последующего распознавания состояний участков пути, позволившие непрерывно контролировать координату отцепов передвигающихся по путям подгорочного парка;

• разработанные математические модели рельсовой цепи пути подгорочного парка с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии, отличающиеся от известных учетом протекания тока по земляному тракту, чрт> позволило получить аналитические выражения напряжений и токов на входе рельсовой линии для использования их в качестве первичных информативных признаков;

- разработанная математическая модель согласующего устройства канализации обратного тягового тока, позволившая учитывать поперечную сосредоточенную неоднородность рельсовой линии, и исследовать влияния неоднородности на информативность первичных признаков;

- разработанный метод непрерывного определения координат отцепов на путях подгорочного парка на основе принципов распознавания образов, позволивший с помощью множества признаков и предварительно обученной решающей функции непрерывно определять координаты отцепов;

• методика параметрического синтеза устройства непрерывного определения координат отцепов на путях подгорочного парка на основе предложенного критерия качества определения координат, позволившая получить оптимальные параметры компонент схемы датчика первичной информации.

Основные положения работы, выдвигаемые на защиту:

- математические модели рельсовой цепи пути подгорочного парка с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии позволяют проанализировать изменения напряжений и токов, а также их фазовые

соотношения на входе рельсовой линии с учетом изменения сопротивления изоляции и координаты отцепа;

- математическая модель согласующего устройства канализации обратного тягового тока позволяет учитывать сосредоточенную поперечную неоднородность в моделях рельсовых цепей в согласованном и несогласованном состояниях параметров компонент схемы замещения устройства;

- метод непрерывного определения координат отцепов на путях подгорочного парка в условиях динамического изменения сопротивления изоляции на основе принципов распознавания образов со множеством информативных признаков обеспечивает правильное функционирование устройства при изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км, длине рельсовой линии пути подгорочного парка 1000 м с погрешностью, не превышающей Л<5(/)£ 0,3 м;

- предложенное и созданное устройство непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка имеет относительную нечувствительность к изменению основного дестабилизирующего фактора -сопротивления изоляции в широком диапазоне ее изменения, обеспечивает требуемую длину участка контроля пути подгорочного парка при изменении сопротивления изоляции рельсовых линий в широком диапазоне, имеет высокие эксплуатационные характеристики и может быть рекомендован к .широкому внедрению на сортировочных горках железных дорог.

Практическую ценность работы составляют:

• созданное устройство непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка, обеспечивающее правильное определение координат отцепов при длине рельсовой линии подгорочного парка 1000 м с использованием множества информативных признаков и решающей функции в виде полинома Колмогорова — Габора в диапазоне изменения основного возмущающего фактора — сопротивления изоляции в диапазоне от 0,1 до 50 Ом-км;

- пакет прикладных программ для анализа работоспособности существующих рельсовых цепей, длиной до 2,6 км, представленных в виде

млогополюсных схем замещения и при наличии сосредоточенной поперечной неоднородности в рельсовой линии;

- комплекс виртуальных лабораторных работ по курсу «Линии железнодорожной автоматики и телемеханики» и «Линии железнодорожной связи» для студентов специальности 190402, поставленный на базе созданных программно — аппаратных средств.

Реализация результатов работы осуществлена, путем внедрения устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка на сортировочной горке станции Пенза-Ш Куйбышевской железной дороги — филиала ОАО РЖД. Результаты внедрения позволили обеспечить непрерывный контроль заполнения путей подгорочного парка, длиной 1000 м при изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом • км,

Пакет прикладных программ для исследования линий с распределенными параметрами использован при разработке алгоритмов программ для распознавания характера повреждений управляемых линий электропередачи на Волжской территориальной генерирующей компании. Применение методик и пакета программ позволило усовершенствовать систему управления режимом линий.

Результаты работы используются также в учебном процессе СамГАПС при выполнении лабораторных работ и чтении лекций по курсам «Линии железнодорожной автоматики и телемеханики» и «Линии железнодорожной связи».

Апробаций работы. Основные положения и результаты научных исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, региональных научно - практических конференциях в СамГАПС, ИрИИТ, УРГУПС, заседаниях научно - технического семинара электротехнического факультета СамГАПС.

Публикации. По материалам диссертаций опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех, глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 139 страницах основного

текста, содержат 4 таблицы, 61 рисунок и 10 приложений на 27 страницах. Список использованных источников содержит 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теша н выбранного направления исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы, ее цели, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена исследованию методов функционирования существующих устройств контроля заполнения путей подгорочного парка.

Вопросам разработки принципов построения устройств контроля заполнения путей подгорочного парка сортировочной станции посвящены труды ряда ученых, среди которых можно отметить Брылеева А.М., Фонарева A.M., Модина Н.К., Ефимова JUL, Ершова А.Ф., Соловьева Ф.А., Шелухина В.И., Полевого ЮД, Иванченко В.Н., которые внесли значительный вклад в развитие систем автоматического управления скоростью отцепов на основе информации устройств КЗП.

Контроль заполнения путей подгорочного парка в настоящее время выполнен множеством способов, которые состоят из подсистем дискретного и непрерывного контроля.

Дискретный контроль заполнения путей организуется делением подгорочного пути на элементарные участки контроля, длиной от 30 до 60 м. Контроль состояний участков осуществляется посредством устройства коротких рельсовых цепей с изолирующими стыками; электронными приемниками, входы которых подключены к одной рельсовой линии, загагганной током высокой частоты; счетом осей отцепов, прошедших датчик счета; точечными датчиками с АЦП, преобразующими индуктированное напряжение датчиков; оптоэлектронным контролем с множеством излучателей ИК — лучей и установленных вдоль всего пути приемников. Из анализа устройств и способа следует, что дискретный принцип контроля позволяет определить заполнение отцепами путей на расстоянии до 450 м, с шагом дискретизации 30-60 м, но не удовлетворяет современным

требованиям построения устройств контроля к участку пути, длиной до 1000 м.

Непрерывный контроль осуществляется в настоящее время импульсным зондированием рельсовых линий с изолирующими стыками, радиолокационными передатчиками и приемниками. Вместе с тем, изменение температуры окружающей среды от - 60° до + 50°, флуктуация величины сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км ограничивают их применение для контроля заполнения путей до 1000 м.

На сортировочных горках Франции, США, Германии, Канады, Китая и других стран широко используется контроль заполнения путей, посредством измерения входного сопротивления рельсовой петли, защунтированной колесной парой отцепа. Данный принцип применим при стабильном значении сопротивления изоляции, что имеет место на сортировочных горках зарубежных (Иран, но, при изменения сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом*км, появляются значительные погрешности. На рис. 1 представлены графики 2ярл и 8 = /(й„), исследованные

автором.

Из анализа трафиков следует, что входное сопротивление зависит от сопротивления изоляции, и, при нахождении на дальнем конце пути отцепа, входное сопротивление изменяется в 2,6 раза, а при нахождении на ближнем к Ш ТП концу в 1,6 раза. Следовательно, применение этого способа на горках

с изменением сопротивления изоляции в широком диапазоне и длине пути до 1000 м невозможно.

Поэтому сформулированы новые принципы построения устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка. Суть их в том, что микропроцессорное устройство, с помощью решающей функции с заранее определенными коэффициентами для каждого пути подгорочного парка, на основе измеренных входных параметров электрической рельсовой цепи, определяет в каждый момент времени координату отцепов и вырабатывает команду для управления скоростью последующего отцепа.

Вторая глава посвящена разработке принципов построения первичного датчика устройства непрерывного контроля заполнения путей и математической модели датчика, позволяющей исследовать области существования информативных признаков, характеризующих состояния чувствительного элемента датчика — рельсовых линий путей подгорочного парка.

В главе исследованы зависимости скорости соударения от местонахождения отцепов на элементарном участке контроля существующих КЗП. Показано, что при увеличении длины пути подгорочного парка до 1000 м, требования к погрешности скорости выхода отцепа из 1П тп возрастают (ограничения по скорости соударения), и допустимое колебание скорости уменьшается до 2,75 раз. И, при уменьшении длины элементарного участка контроля, требования уменьшаются, что усиливает привлекательность непрерывного контроля заполнения путей.

В качестве первичного датчика предложено использовать электрические рельсовые цепи, широко используемые на железных дорогах, а в качестве информативных параметров — комплексные напряжения и токи на входе рельсовой линии со стороны источника питания, расположенного в зоне Ш ТП.

Использование рельсовых цепей дает дополнительное преимущество перед дискретными контактными или индукционными датчиками КЗП, заключающееся в возможности контроля целостности рельсовых линий. При этом, в первую очередь, при построении устройства контроля координата

отцепов, необходимо определить решающую функцию в виде некоторого полинома

¿(Х)=/(*„*2,...,*„)=>/&$). (О

где л,,информативные признаки, и исследовать на математической модели его вид, сложность и возможность использования для непрерывного контроля координаты Б и скорости .9 отцепа.

В связи с тем, что сортировочные пути имеют пониженное сопротивления изоляции, вследствие засорения их токоггроводящими материалами, при разработке математических моделей необходимо учитывать протекание тока по земляному тракту, и поэтому схему замещения необходимо представить в виде трехпроводной модели, представленной на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема рельсовой цепи пути подгорочного парка Рельсовая линия на каждом конце характеризуется значениями комплексных амплитуд двух напряжений н двух токов, связанных между собой матрицей А параметров:

р' «И «и' Р

Л «2. «22 "23 «и А

— X Л

Л а* ам

Р. «42 я« «V р.

Матричные коэффициенты уровней передачи блоков релейного и питающего концов в системе параметров имеют вид:

Р' >1 ^12 г13 V

= «и X Л

Р. ^33 _ А.

'и: " 1, гп X

= 'и гп X А

Рг. гя А.

На рис. 3 показана трехлроводная схема замещения участка рельсовой линии.

1-?

!,г /Хх+дх) о-р-

|С=Ь

о-2-}..........

/2 Цх + Дх)

'.(*) Л

х + Дх *

Рис. 3. Схема замещения элементарного участка рельсовой линии Дня рассмотрения установившегося режима рельсовой цепи переменного тока введем обозначения:

комплексные амплитуды напряжения и тока в первом рельсе; «2(дг),15{г)- во втором рельсе.

Граничные условия имеют вид (при этом предполагается, что координата х направлена от репейного конца):

«»(О )-и„ Ф)=1„

'•,(')=л.

и,,

4(0=Л.

На основании законов Кирхгофа получена система следующих дифференциальных уравнений, которая в матричной форме имеет вид:

ах

(5)

где

Т — знак транспонирования,

м-

0 2, О

е, + га о о -еа 1 (6)

-8а о о

о ~ 2М г, о

характеристическое уравнение системы (2.21) запишется в виде:

<И[5 ]-р[Е ]) = 0, (7)

где (Е) — единичная матрица,

р — комплексная переменная.

В работе, с использованием уравнений (5), получена матрица [л] параметров рельсовых линий при отсутствии отцепа на путях подгорочного парка, а также при его наличии и движении по пути, позволяющая моделировать датчик информации с учетом воздействия возмущающих факторов и токов, протекающих по земляному тракту.

1 Параметрическая математическая модель рельсовой цепи рис.2 имеет вид:

[4=[4™* [4** И (8)

где / = 1,23 ~ режимы рельсовой цепи.

Она позволяет исследовать процесс распространения сигнала по рельсовым линиям, реакцию входных сигналов 11\ и /, на наличие шунта отцепа и его динамическое изменение, сформировать пространство информативных признаков.

На электрифицированных железных дорогах канализация обратного тягового тока осуществляется с помощью дроссель — трансформаторов (ДТ), средний вывод которых подсоединен к отрицательному полюсу выпрямителя тяговой подстанции, а к дополнительной обмотке ДТ подсоединена реактивная КС цепочка для компенсации индуктивной составляющей дроссель трансформатора.

В работе получена матрица [л\ параметров дроссель — трансформатора, для учета его влияния на работу рельсовой цепи, в виде сосредоточенной неоднородности, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Схема замещения участка рельсовой линии с ДТ Используя соотношения

матрица А — параметров имеет вид:

1 0 0 0

У» 1 0 Уи

У. 0 1 уа

0 0 0 1

В результате анализа изменения информативных признаков с помощью разработанной математической модели выявлено, что при изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км, области существования признаков, при наличии отцепа на участке контроля и при его отсутствии, пересекаются, поэтому достоверно определить координату отцепа по информации отдельного признака невозможно.

Следовательно, алгоритм функционирования устройства контроля заполнения путей необходимо синтезировать с использованием информации множества признаков и решающей функции, позволяющей информацию совокупности признаков преобразовать в скалярный вид.

В третьей главе разработан новый метод непрерывного определения координаты отцепов на основе принципов распознавания образов, которые позволяют достоверно определять зону свободной части пути благодаря информации множества признаков.

На рис. 5 приведена структурная схема микропроцессорного устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка.

Рис. 5. Структурная схема разработанного устройства непрерывного

КЗП

При изменении координаты шунта отцепа на I или II путях, изменяются параметры коэффициентов рельсовых четырехполюсников, а,

следовательно, изменяются комплексные токи /и - в первой рельсовой линии

и 1и во второй рельсовой линии, а также комплексные напряжения С/и и

и к, соответственно. Обученный классификатор в каждый момент времени

по информации 11,0> достоверно определяет принадлежность предъявленного образа состояний к конкретному кластеру, характеризующему координату отцепа.

При этом, матрица координат отцепов должна соответствовать матрице первичных признаков:

(10)

Изменение координаты Ах приводит к изменению параметров эквивалентной схемы (рис.3), соответственно изменяются параметры соответствия (10).

Следовательно, каждой строке матрицы (10) соответствует своя координата. Упорядочить и уменьшить размерность матрицы (10) удобнее всего кластеризацией (некоторой агрегацией) координат нахождения отцепов на контролируемом участке.

Алгоритм выявления кластеров следующий.

Если сформировано множество л образов состояний путей {л,,*! и центр первого кластера (первая координата отцепа) совпадает с любым из заданных образов (координат), и определена любая пороговая величина Т, то для удобства принимается Ц=Х,. Затем вычисляется расстояние Бу между следующей координатой отцепа Xj и центром кластера, координатой

(11)

Если это расстояние больше значения пороговой величины Т, то формируется новый центр кластера Ь|=Х]. В работе разработан алгоритм автоматической кластеризации участков пути подгорочного парка с любой дискретизацией.

Важное место при определении координаты отцепов имеет определение решающего правила. В работе решающее правило предложено формировать следующим образом:

£,>5;и то (12)

/=1,2,...,т, - центр /-го кластера, —границы кластеров, / —ое значение решающей функции.

При размерности кластеров т, система решающих функций для п - признаков, образует СЛАУ вида:

+ С„ДГ| + Сахг +... + СХвхя -< + С-цХ, + Саха +... + С1лха = $2 ^^

А + + Ст1хг + ... + Стяхя =

причем т > п.

Решение несовместных переопределенных уровней (13) находится путем приведения ее к нормальному виду по правилу

[*г]х[^]х[с]=[Хг]хИ (14)

Погрешность определения координаты отцепов решающей функцией оценивается в работе по формуле

5И5))=|тах[^Ьи I I ^Ч

05)

I = 1,2,...,«, Ьи- значения координаты в качестве центра /кластера, <?(£)- значение координаты отцепа, вычисленное по РФ на I -координате.

С использованием разработанной процедуры обучения и выбранной РФ, проанализирована погрешность определения координат отцепов при длине рельсовой линии пути подгорочного парка 1000 м и шаге центров кластеров 0,5 м при изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом - км.

Из анализа следует, что при использовании частоты тока датчика 25 Гц и использовании 2* признаков <рх>1У\ максимальная погрешность составляет 173 %» а на частоте 50 Гц — 69,9 %, при этом, ошибки длины пути: Д<?(/)=0,9м (25 Гц) и 3,5 м (50 Гц).

При использовании сочетания четырех признаков (Г/,,^,,^,^) максимальная погрешность на частоте 25 Гц - 12,3 %, а Д<5(/)=0,7м; на частоте 50 Гц - 6,4 %, Л<?(/)=0,3 м.

В главе 4 приведено описание синтеза решающей функции и технической реализации устройства непрерывного контроля заполнения путей. Методика базируется на предложенных в главах 2 и 3 принципах.

Синтез решающей функции и техническая реализация классификатора заключается в их проектировании согласно техническому заданию и исходным данным, т.е. необходимо оптимизировать параметры первичного датчика информации таким образом, чтобы в зоне контролируемого участка оптимальной решающей функцией, с минимальной п01решкостью определять координаты предыдущего отцепа и обеспечивать инвариантность решающей функции к изменению проводимости изоляции в определенном диапазоне ее изменения.

В качестве критерия оптимизации в работе использована минимальная относительная погрешность определения координат предварительно обученной решающей функцией. В общем случае критерий оптимизации зависит от характеристик датчика не подвергающихся оптимизации

а = (16)

где I — длина пути подгорочного парка, /— частота сигнального тока датчика, р — тип рельсов,' я — тип шпал, Ь — тип балластного материала, и от характеристик, определяемых в процессе оптимизации

«(17) где г,, г„, , <рщ - модули и аргументы ограничительного и нагрузочного сопротивлений, Д«™,, — минимальное граничное значение сопротивления изоляции, Со-Сц - коэффициенты полинома решающей функции, являющиеся вектором уравнения.

В работе применен способ поиска оптимума, основанный на методе Гаусса-Зейделя, модифицированного автором, с целью сокращения поиска оптимума.

В процессе синтеза оптимизирована решающая функция в виде полинома Колмогорова-Табора с четырьмя признаками, обученная в пространстве репрезентативных кластеров с центрами через 0,5 м пути и с проверочной выборкой кластеров 0,1 м, длиной рельсовой линии пути подгорочного парка 1000 м, изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом* км, и варьировании величины сопротивлений по концам рельсовой цепи гошщ-ОД Ом;г«*«-225 Ом;г^ы-150 Ом;г,™«-645 Ом.

В результате получена решающая функция в виде: ¿ = (Е/,,р.,/,,(0 = 3,156-1,3941/, -411,15р, +0,156/, -49,091/, +

+ 0,087Ц>, + 4,54817,- 0,0079^,^, - 70,232/,<р, ' ^ )

которая позволяет определять координату отцепов с погрешностью не более 2,39%, и с ошибкой длины пути определения координат 0,1 м.

С использованием разработанной процедуры синтеза и принципов построения, технически реализован образец микропроцессорного устройства контроля заполнения путей подгорочного парка с обученной решающей функцией в виде полинома Колмогорова-Габора с использованием в качестве

информативных признаков амплитуды и фазы напряжений и токов на входе рельсовой линии, который в лабораторных условиях показал качество определения координат, отличающееся от теоретического не более 10% в диапазоне изменения сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом*км, длине рельсовой линии участка пути 1 ООО м, а в реальных условиях не более 15% от теоретических.

В качестве устройств сопряжения с рельсовой цепью в работе предложено использование бесконтактных схем на основе датчиков Холла с односторонним, защитным отказом, датчиков LA25 - MP/SP25 и LV25 -P/SP3, обладающих точностью преобразования 0,5%, что позволяет обеспечить минимальную ошибку определения координат <2,39%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

> Проведенные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Анализ принципов построения существующих устройств контроля заполнения путей подгорочного парка показал, что все они строятся в основном по дискретному или непрерывному алгоритму, при этом дискретный принцип позволяет определить заполнение отцепами путей, длиной до 450 м с шагом дискретизации 30 - 40 м, что не удовлетворяет современным требованиям контроля при длине пути до 1000 м. Непрерывный принцип построения существующих устройств КЗП имеет низкую надежность и высокую погрешность контроля из — за температурного влияния в диапазоне - 60° + 50°, изменения сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км, поэтому проблему не решает. Совершенствование метода контроля заполнения путей, направленного на разработку нового устройства контроля заполнения путей, предложено осуществить, путем использования множества информативных признаков, в качестве которых используются амплитуды и фазы напряжений и токов на входе электрической рельсовой цепи, используемой в качестве первичного датчика и решающей функции, что позволяет увеличить длину участка контроля до 1000 м, расширить функциональные возможности, уменьшить погрешность определения

координат отцепов и обеспечить инвариантность к изменению сопротивления изоляции.

2. Предложены математические модели электрической рельсовой цепи, используемой в качестве первичного датчика информации, с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии, позволяющие учитывать протекание тока по земляному тракту и наличие сосредоточенной поперечной асимметрии из — за подключения дополнительного дроссель — трансформатора. Модели являются универсальными, т.к. представлены в виде каскадного соединения п многополюсников, позволяющих менять композицию датчика и проводить анализ любых видов рельсовых цепей. Это дает возможность определять области существования амплитуд напряжений, токов и их фазовые соотношения на входе рельсовой цепи, являющиеся информативными признаками, во всех ее состояниях и при воздействии дестабилизирующих факторов. Показано, что электрические параметры рельсовых цепей сильно зависят от изменения сопротивления изоляции, и при сопротивлении изоляции меньше 0,5 Ом-км области существования информативных признаков, при наличии отцепа на путях и при его отсутствии, пересекаются, что делает невозможным определять координату отцепа по информации отдельного параметра. Поэтому предложено определять заполнение путей по совокупной информации всех признаков с использованием решающей функции.

3. Одним из эффективных методов непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка является использование принципов распознавания образов, суть которых заключается в том, что микропроцессорное устройство с помощью решающей функции с заранее определенными коэффициентами для каждого пути подгорочного парка на основе измеренных входных параметров рельсовой цепи определяет в каждый момент времени координату отцепов, и в этой связи решение задачи построения устройства КЗП связано с определением минимального сочетания признаков, позволяющих с минимальной погрешностью определить координаты отцепов и определением вида и сложности решающей функции, а также кластеризации координат отцепов. Предложенные в работе принципы кластеризации с последовательным анализом Вальда позволяют

автоматически кластеризовать путь подгорочного парка на я- кластеров с тремя пограничными зонами: допустимой, критической и промежуточной.

Исследования относительной погрешности определения координат отцепов решающей функцией в виде полинома Колмогорова — Габора с центром кластеров 0,5 м, при изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км и сочетании двух признаков, показали, что максимальная погрешность составляет 17,3 %, при этом ошибка определения длин пути Д5(0=0,9 м, а при использовании четырех признаков (£/„$?,,/,,{/,) минимальная погрешность -12,3 %, а Д<?(/)=0,7 м.

4, Разработана методика параметрического синтеза устройства непрерывного контроля заполнения путей, позволяющая оптимизацией параметров компонент согласующих устройств первичного датчика добиться определение координат отцепа в зоне контролируемого участка с Минимальной погрешностью. Применение способа поиска оптимума на методе Зейделя — Гаусса (модифицированного в работе автором), имеющего неизбежную сходимость при решении системы переопределенных несовместных условных уравнений, позволило уменьшить величину относительной погрешности до 0,87 % на частоте сигнального тока датчика 50 Гц и до 2,73 % на частоте 25 Гц.

5. При участии автора, на базе проведенных исследований создан ряд устройств непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка повышенной длины, характеризующихся расширенными функциональными возможностями и повышенной точностью определения координат отцепов, что делает их применение перспективными в АРС сортировочных горок. На основе сформулированных общих требований построения безопасных схем, резервирования системы тремя микропроцессорами, основных принципов технической реализации распознающих устройств, разработаны устройства КЗП для участков с электротягой постоянного тока с частотой сигнального тока датчика 25 и 50 Гц, длиной контрольной зоны подгорочного парка 1000 м, обеспечивающих инвариантность решающей функции к изменению сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км. Разработанное устройство используется на Куйбышевской ж.д. филиале ОАО «РЖД».

Экспериментальные исследования разработанного устройства подтверждают правильность основных теоретических положений. Различие теоретических и экспериментальных данных не превышает 10—15%.

Основные положения диссертации опубликованы в S печатных работах, в том числе:

1. Астров В.А. Совершенствование систем контроля заполнения путей подгорочного парка // Материалы научно-технической конференции «Рель ученых и специалистов в ускорении научно-технического прогресса на транспорте». -Свердловск, 1987 г., С. 22.

2. Астров В.А., Тарасов ЕЛ!., Белоногов A.C. Исследование информативности входного сопротивления дня определения координаты и скорости подвижной единицы // Материалы научно-технической конференции «Безопасность транспортных систем».- Самара: СНЦ РАН, 2000 г, С. 87-88.

3. Астров В.А. Оптимизация параметров схемы первичного информативного датчика II Сборник научных трудов «Транспортные проблемы Сибирского региона».- ИрИИТ, 2000 г., С. 38-40.

4. Астров В.А., Тарасов Е.М. Принципы композиции датчика информации координат отцепов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте»,- В 2-х томах, Красноярск: «Гротеск», 2005 г., С. 64-67.

5. Астров В.А. Кластеризация участков контроля путей подгорочного парка // Сборник научных трудов «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития».-Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2006 г., С. 69-70.

6. Астров В А., Тарасов EJvl., Куров М.Б. Принципы построения и структура системы непрерывного определения координаты и скорости отцепов // Сборник научных трудов «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития» .-Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2006 г., С. 66-68.

7. Астров В .А., Тарасов Е.М., Шорохов Н.С. Определение вида решающей функции и решающих правил в системах железнодорожной

автоматики и телемеханики // Сборник научных трудов «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития».-Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2006 г., С, 71-73.

8. Астров В.А., Тарасов Е.М. Разработка методики обучения решающих функций в системах железнодорожной автоматики и телемеханики // Сборник научных трудов «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития».-Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2006 г., С. 74-76.

Астров Валерий Александрович Устройство непрерывного контроля заполнения путей системы автоматического управления скоростью отцепов 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

Подписано в печать 17.11.2006 г. Формат 60><90 1/16. Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. печ. листов 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 214 Отпечатано в Самарской государственной академии путей сообщения г. Самара, ул. Заводское шоссе, 18.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МЕТОДЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ПУТЕЙ ПОДГОРОЧНОГО ПАРКА.

1.1. Системы контроля заполнения путей подгорочного парка.

1.2. Дискретный контроль заполнения путей подгорочного парка.

1.3. Непрерывный контроль заполнения путей подгорочного парка.

1.4. Зарубежные системы контроля заполнения путей подгорочного парка.!.

Выводы по главе 1.

Глава 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ПЕРВИЧНОГО

ДАТЧИКА УСТРОЙСТВА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ПУТЕЙ.

2.1. Анализ эффективности функционирования существующих устройств контроля заполнения путей.

2.2. Разработка структуры первичного информативного датчика.

2.3. Разработка математической модели рельсовой цепи с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии.

2.4. Математическая модель согласующего устройства канализации обратного тягового тока.

2.5. Исследование возможности использования информации рельсовых цепей для непрерывного определения координат отцепов.

Выводы по главе 2.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕПРЕРЫВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТЫ ОТЦЕПОВ.

3.1. Общие принципы построения и структура устройства непрерывного определения координаты отцепов.

3.2. Кластеризация участков контроля путей подгорочного парка.

3.3. Определение вида решающей функции и решающих правил идентификации устройства контроля заполнения путей.

3.4. Разработка методики обучения решающих функций.

3.5. Исследование непрерывного определения координаты и скорости отцепов решающими функциями.

Выводы по главе 3.

Глава 4. СИНТЕЗ РЕШАЮЩЕЙ ФУНКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ПУТЕЙ.

4.1. Методика постановки и решение задачи оптимизации параметров схемы первичного датчика информации.

4.2. Разработка критерия оптимизации.

4.3. Композиция датчика информации координат отцепов.

4.4. Выбор машинного метода оптимизации.

4.5. Разработка и реализация машинного алгоритма синтеза.

4.6. Результаты синтеза устройства непрерывного контроля заполнения путей.

4.7. Техническая реализация устройства непрерывного контроля заполнения путей.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Повышение эффективности функционирования Российских железных дорог непосредственно связано с перерабатывающей способностью сортировочных станций и узлов, что повышает требования к их оснащенности техническими средствами и информационным обеспечением.

Анализ технической оснащенности сортировочных станций указывает на значительный износ технических средств и несоответствие современным требованиям к формированию поездов. Это связано с увеличением веса поезда до 6300 ч-9000 т и длины составов до 71-100 условных единиц.

При этом длины путей сортировочного парка составляют всего 400 4-450 м, что является препятствием для формирования полноценных поездов.

Наиболее ответственной и сложной задачей управления, определяющей эффективность всего комплекса автоматизации сортировочных процессов, является автоматическое управление скоростей скатывания отцепов (АУС). В связи с этим, все большее значение приобретают подсистемы контроля за результатами взаимодействия отцепов с технологическим оборудованием горки, у которых наряду с требованиями высокой надежности, достоверности и экономичности сегодня появляются дополнительные требования к возможности их сопряжения с управляющим вычислительным комплексом унифицированными программными средствами.

Несмотря на то, что в области исследования и проектирования подсистемы АУС - устройств контроля заполнения подгорочных путей (КЗП) - накоплен значительный опыт, существующие устройства строятся, как правило, по принципу дискретного контроля коротких участков пути на которые разделяются подгорочные пути, что в условиях формирования поездов повышенной длины, эксплуатации вагонного парка с повышенным весом, и существующих профилей горки значительно ухудшает перерабатывающую способность горок и приводит к нарушению выполнения условий безопасности. Кроме того, существующие устройства контроля заполнения путей подгорочного парка не позволяют контролировать участки пути длиной свыше 450м.

Таким образом, до настоящего времени не созданы устройства контроля дополнения путей, в полной мере отвечающие возросшим требованиям железных дорог. Поэтому создание устройства контроля заполнения путей подгорочного парка, обеспечивающего непрерывность контроля заполнения путей, инвариантного к дестабилизирующим факторам на основе принципиально новых методов распознавания состояний рельсовых линий путей подгорочного парка, имеющего повышенную длину зоны контроля (> 1000 м.), для систем автоматического управления скоростью отцепов на сортировочных горках является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР, согласно: «Программе реализации основных направлений развития и социально - экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена МПС от 04.03.1997г. № А-276у); «Перечню основных проблем железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований» (утвержденному МПС от 26.12.2002г. № Я-1272у); «Концепции развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики на период 2000-2004г.г.» (утвержденной МПС от 06.08.01. № -1379у).

Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является научное обоснование и создание устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка с непрерывным определением координат отцепов для систем автоматического управления скоростью на сортировочной горке, обладающего расширенными функциональными возможностями и повышенным качеством определения координат отцепов.

Для достижения поставленной цели был поставлен комплекс задач:

- проведение анализа современного состояния научно-технической проблемы создания устройства контроля заполнения путей подгорочного парка непрерывным контролем координаты и скорости движущихся отцепов, обладающего повышенной эксплуатационной надежностью и удовлетворяющего комплексу требований: обеспечение непрерывного контроля заполнения путей при длинах рельсовых линий участков контроля до 1000 м и изменении сопротивления изоляции до ОД Ом • км;

- разработка математических моделей первичного датчика информации, с целью выявления информативных признаков, характеризующих состояния чувствительного элемента датчика;

- разработки принципов кластеризации участков путей подгорочного парка, для определения зоны контроля отцепов, передвигающихся по путям подгорочного парка;

- разработка метода непрерывного определения координат отцепов на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков для непрерывного контроля заполнения путей;

- разработка методики параметрического синтеза устройства непрерывного контроля заполнения путей, с целью получения оптимальной решающей функции и параметров компонент схемы датчика с использованием разработанного критерия оптимизации;

- техническая реализация устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка и внедрение их в комплексе систем АУС.

Методы исследования. Решение сформулированных в диссертационной работе задач базируется на применении теории электрических цепей, теории распознавания образов, методах синтеза электрических цепей, кластерном анализе. В процессе работы над диссертацией теоретические и экспериментальные исследования были тесно взаимосвязаны. Для разработки моделей применялись методы математического моделирования на ЭВМ с проверкой полученных результатов, путем сравнения с экспериментальными исследованиями распространения сигналов по рельсовым линиям.

Научная новизна работы заключается в развитии теории измерения координат поперечной неоднородности в линиях с распределенными параметрами с потерями, позволяющей формировать решающую функцию устройства контроля заполнения путей с расширенными функциональными возможностями, повысить качество определения координат отцепов и обеспечить инвариантность к изменению проводимости изоляции рельсовых линий.

Основными научными результатами, полученными в работе, являются:

- разработанные принципы и способы контроля заполнения путей подгорочного парка, путем кластеризации участков путей подгорочного парка и последующего распознавания состояний участков пути, позволившие непрерывно контролировать координату отцепов передвигающихся по путям подгорочного парка;

- разработанные математические модели рельсовой цепи пути подгорочного парка с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии, отличающиеся от известных учетом протекания тока по земляному тракту, что позволило получить аналитические выражения напряжений и токов на входе рельсовой линии для использования их в качестве первичных информативных признаков;

- разработанная математическая модель согласующего устройства канализации обратного тягового тока, позволившая учитывать поперечную сосредоточенную неоднородность рельсовой линии, и исследовать влияния неоднородности на информативность первичных признаков;

- разработанный метод непрерывного определения координат отцепов на путях подгорочного парка на основе принципов распознавания образов, позволивший с помощью множества признаков и предварительно обученной решающей функции непрерывно определять координаты отцепов;

- методика параметрического синтеза устройства непрерывного определения координат отцепов на путях подгорочного парка на основе предположенного критерия качества определения координат, позволившая получить оптимальные параметры компонент схемы датчика первичной информации.

Основные положения работы, выдвигаемые на защиту:

- математические модели рельсовой цепи пути подгорочного парка с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии позволяют проанализировать изменения напряжений и токов, а также их фазовые соотношения на входе рельсовой линии с учетом изменения сопротивления изоляции и координаты отцепа;

- математическая модель согласующего устройства канализации обратного тягового тока позволяет учитывать сосредоточенную поперечную неоднородность в моделях рельсовых цепей в согласованном и несогласованном состояниях параметров компонент схемы замещения устройства;

- метод непрерывного определения координат отцепов на путях подгорочного парка в условиях динамического изменения сопротивления изоляции на основе принципов распознавания образов со множеством информативных признаков обеспечивает правильное функционирование устройства при изменении сопротивления изоляции от ОД до 50 Ом-км, длине рельсовой линии пути подгорочного парка 1 ООО м с погрешностью, не превышающей (/) < 0,3 м;

- предложенное и созданное устройство непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка имеет относительную нечувствительность к изменению основного дестабилизирующего фактора -сопротивления изоляции в широком диапазоне ее изменения, обеспечивает требуемую длину участка контроля пути подгорочного парка при изменении сопротивления изоляции рельсовых линий в широком диапазоне, имеет высокие эксплуатационные характеристики и может быть рекомендован к широкому внедрению на сортировочных горках железных дорог.

Практическую ценность работы составляют:

- созданное устройство непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка, обеспечивающее правильное определение координат отцепов при длине рельсовой линии подгорочного парка 1000 м с использованием множества информативных признаков и решающей функции в виде полинома Колмогорова - Габора в диапазоне изменения основного возмущающего фактора - сопротивления изоляции в диапазоне от 0,1 до 50 Ом • км;

- пакет прикладных программ для анализа работоспособности существующих рельсовых цепей, длиной до 2,6 км, представленных в виде многополюсных схем замещения и при наличии сосредоточенной поперечной неоднородности в рельсовой линии;

- комплекс виртуальных лабораторных работ по курсу «Линии железнодорожной автоматики и телемеханики» и «Линии железнодорожной связи» для студентов специальности 190402, поставленный на базе созданных программно - аппаратных средств.

Реализация результатов работы осуществлена, путем внедрения устройства непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка на сортировочной горке станции Пенза-Ш Куйбышевской железной дороги -филиала ОАО РЖД. Результаты внедрения позволили обеспечить непрерывный контроль заполнения путей подгорочного парка, длиной 1000 м при изменении сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом • км.

Пакет прикладных программ для исследования линий с распределенными параметрами использован при разработке алгоритмов программ для распознавания характера повреждений управляемых линий электропередачи на Волжской территориальной генерирующей компании. Применение методик и пакета программ позволило усовершенствовать систему управления режимом линий.

Результаты работы используются также в учебном процессе СамГАПС при выполнении лабораторных работ и чтении лекций по курсам «Линии железнодорожной автоматики и телемеханики» и «Линии железнодорожной связи».

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

Публикации. По материалам диссертаций опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 139 страницах основного

Выводы по главе 4

1. С использованием разработанных математических моделей датчика информации о состоянии рельсовых линий путей подгорочного парка, а также критерия качества определения координат отцепов сформирован алгоритм синтеза решающей функции, с использованием модифицированного автором, с целью минимизации времени поиска оптимизма, алгоритмического метода Зейделя - Гаусса, позволивший определить оптимальные значения компонент . схемы датчика информации 2 О • н и оценить качество определения координат и инвариантные свойства к основному возмущающему фактору - сопротивлению изоляции.

2. На основе разработанной процедуры оптимизирована решающая функция устройства непрерывного определения координат отцепов минимальной степени сложности при длине контролируемого участка пути длиной 1000 м. исследования показали, что решающая функция в виде полинома Колмогорова -Габора имеет 9 членов, при четырех информативных признаках - аргументах, максимальная погрешность определения координат отцепов составляет 2,39 %, а ошибка длины пути определения координат составляет около 0,1 м. При этом, диапазоне изменения сопротивления изоляции составляет от 0,1 до 50 Ом ■ км.

3. С использованием разработанной процедуры синтеза и принципов построения, технически реализован образец микропроцессорного устройства контроля заполнения путей подгорочного парка с обученной решающей функцией в виде полинома Колмогорова - Габора с использованием в качестве информативных признаков амплитуды и фазы напряжений и токов на входе рельсовой линии, который в лабораторных условиях показал качество определения координат, отличающееся от теоретического по более 10 % в диапазоне изменения сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км, длине рельсовой линии участка пути 1000 м, а в реальных условиях не более 15 % от теоретических.

4. В качестве устройств сопряжения с рельсовой цепью в работе предложено использования бесконтактных схем на основе датчиков Холла с односторонним, защитным датчиков LA 25 - MP/SP 25 й LV 25 - P/SP 3 обладающих точностью преобразования 0,5 %, что позволяет обеспечить минимальную ошибку определения координат < 2,39 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Анализ принципов построения существующих устройств контроля заполнения путей подгорочного парка показал, что все они строятся в основном по дискретному или непрерывному алгоритму, при этом дискретный принцип позволяет определить заполнение отцепами путей, длиной до 450 м с шагом дискретизации 30 - 40 м, что не удовлетворяет современным требованиям контроля при длине пути до 1000 м. Непрерывный принцип построения существующих устройств КЗП имеет низкую надежность и высокую погрешность контроля из - за температурного влияния в диапазоне - 60° + 50°, изменения сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км, поэтому проблему не решает. Совершенствование метода контроля заполнения путей, направленного на разработку нового устройства контроля заполнения путей, предложено осуществить, путем использования множества информативных признаков, в качестве которых используются амплитуды и фазы напряжений и токов на входе электрической рельсовой цепи, используемой в качестве первичного датчика и решающей функции, что позволяет увеличить длину участка контроля до 1000 м, расширить функциональные возможности, уменьшить погрешность определения координат отцепов и обеспечить инвариантность к изменению сопротивления изоляции.

2. Предложены математические модели электрической рельсовой цепи, используемой в качестве первичного датчика информации, с трехпроводной схемой замещения рельсовой линии, позволяющие учитывать протекание тока по земляному тракту и наличие сосредоточенной поперечной асимметрии из - за подключения дополнительного дроссель - трансформатора. Модели являются универсальными, т.к. представлены в виде каскадного соединения п многополюсников, позволяющих менять композицию датчика и проводить анализ любых видов рельсовых цепей. Это дает возможность определять области существования амплитуд напряжений, токов и их фазовые соотношения на входе рельсовой цепи, являющиеся информативными признаками, во всех ее состояниях и при воздействии дестабилизирующих факторов. Показано, что электрические параметры рельсовых цепей сильно зависят от изменения сопротивления изоляции, и при сопротивлении изоляции меньше 0,5 Ом ■ км области существования информативных признаков, при наличии отцепа на путях и при его отсутствии, пересекаются, что делает невозможным определять координату отцепа по информации отдельного параметра. Поэтому предложено определять заполнение путей по совокупной информации всех признаков с использованием решающей функции.

3. Одним из эффективных методов непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка является использование принципов распознавания образов, суть которых заключается в том, что микропроцессорное устройство с помощью решающей функции с заранее определенными коэффициентами для каждого пути подгорочного парка на основе измеренных входных параметров рельсовой цепи определяет в каждый момент времени координату отцепов, и в этой связи решение задачи построения устройства КЗП связано с определением минимального сочетания признаков, позволяющих с минимальной погрешностью определить координаты отцепов и определением вида и сложности решающей функции, а также кластеризации координат отцепов. Предложенные в работе принципы кластеризации с последовательным анализом Вальда позволяют автоматически кластеризовать путь подгорочного парка на п - кластеров с тремя пограничными зонами: допустимой, критической и промежуточной.

Исследования относительной погрешности определения координат отцепов решающей функцией в виде полинома Колмогорова - Габора с центром кластеров 0,5 м, при изменении сопротивления изоляции от 0,1 До 50 Ом-км и сочетании двух признаков, показали, что максимальная погрешность составляет 17,3 %, при этом ошибка определения длин пути Д£(/)=0,9м, а при использовании четырех признаков (С/,,^7,,/,,^,) минимальная погрешность -12,3 %, а Ас>(/) = 0,7 м.

4. Разработана методика параметрического синтеза устройства непрерывного контроля заполнения путей, позволяющая оптимизацией параметров компонент согласующих устройств первичного датчика добиться определение координат отцепа в зоне контролируемого участка с минимальной погрешностью. Применение способа поиска оптимума на методе Зейделя - Гаусса (модифицированного в работе автором), имеющего неизбежную сходимость при решении системы переопределенных несовместных условных уравнений, позволило уменьшить величину относительной погрешности до 0,87 % на частоте сигнального тока датчика 50 Гц и до 2,73 % на частоте 25 Гц.

5. При участии автора, на базе проведенных исследований создан ряд устройств непрерывного контроля заполнения путей подгорочного парка повышенной длины, характеризующихся расширенными функциональными возможностями и повышенной точностью определения координат отцепов, что делает их применение перспективными в АРС сортировочных горок. На основе сформулированных общих требований построения безопасных схем, резервирования системы тремя микропроцессорами, основных принципов технической реализации распознающих устройств, разработаны устройства КЗП для участков с электротягой постоянного тока с частотой сигнального тока датчика 25 и 50 Гц, длиной контрольной зоны подгорочного парка 1000 м, обеспечивающих инвариантность решающей функции к изменению сопротивления изоляции от 0,1 до 50 Ом-км. Разработанное устройство используется на Куйбышевской ж.д. филиале ОАО «РЖД». Экспериментальные исследования разработанного устройства подтверждают правильность основных теоретических положений. Различие теоретических и экспериментальных данных не превышает 10 - 15 %.

1. Фонарев Н.М. Автоматизация процесса расформирования составов на сортировочных горках; М.: Транспорт, 1971. 272 с.

2. A.C. 213103 (СССР) устройство для контроля длины свободной части каждого подгорочного пути на сортировочных горках/ Фонарев Н.М., Карюкин С.Е. -заявл. 24.12.66, Опубл. Б.И. 12.03.68, №10, MKHB61L.

3. Никифоров H.A. Система автоматизации горочных процессов ГАЦ АРС ГТСС // Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте. Сборник докладов второй НПК «Трансжат - 2005» // Сочи: 2005. с.97-105.

4. Модин Н.К., Бурченков В.В., Модин И.Н. Точность контроля заполнения путей по методу счета осей (КЗП-СО) // Совершенствование технологии работы железнодорожных станций и узлов. Межвузовск. сб. науч. трудов //Гомель: Бел. ИИЖТ. 1989. с. 125-132.

5. Модин Н.К., Халамов С.Г. Программная модель контроля заполнения путей на счете осей подвижного состава // Актуальные проблемы развития транспортных систем // Тезисы докладов международной НТК. Гомель 1998. 146 с.

6. Ефимов JI.JI., Соловьев Ф.А., Ершов А.Ф. Подсистема контроля заполнения путей для сортировочных горок // Автоматика, телемеханика исвязь. 1986г. №12. с.7-9.

7. A.C. 1204449 (СССР) устройство для контроля заполнения пути сортировочного парка / Герасенков В.И., Ершов А.Ф., Ефимов JI.JI. и др.-заявл. 24.05.84, Опубл. Б.И. 15.01.86, №2, МКИ B61L 23/16.

8. A.C. 1641689 (СССР) Устройство для контроля заполнения путей сортировочного парка / Ефимов JI.J1., Кац И.С. заявл. 08.07.88, Опубл.

9. Б.И. 15.04.91., №14, МКИ В61 L 17/00, 23/16.

10. Mo дин Н.К. Безопасность функционирования горочных устройств. -М.: Транспорт, 1994. 173 с.

11. Модин Н.К .Механизация и автоматизация станционных процессов. М.: Транспорт, 1985. - 224 с.

12. Грачев Г.Н., Гуменик М.Б. Контроль заполнения путей методомимпульсного зондирования. // Автоматика, связь и информатика. 2005 г. №1. С 8-9.

13. A.C. 2003542 (СССР) Устройство для контроля заполнения сортировочных путей подгорочного парка / Шелухин В.И., Шелухин О.И. и др. заявл. 25.06.91, Опубл. Б.И. 30.11.93, №43-44, МКИВ16Ь 17/00.

14. Совицкий А.Г., Иванченко В.Н. Шабельников А.Н. Перспективы использование зарубежного опыта автоматизации сортировочных горок // Автоматика, связь, информатика, 20019 №12. С. 39-43.

15. Иванченко В.Н. Микропроцессорные информационно управляющие системы автоматизации сортировочных процессов. Учебное пособие. Ростов н/Д, РИИЖТ, 1984,- 96 с.

16. Тарасов Е.М. Математическое моделирование рельсовых цепей с распределенными параметрами рельсовых линий: Учеб. Пособие. -Самара: СамГАПС, 2003.-118с.

17. Астров В.А. Совершенствование систем контроля заполнения путей подгорочного парка // Материалы научно-технической конференции «Роль ученых и специалистов в ускорении научно-технического прогресса на транспорте». -Свердловск, 1987 г., С. 22.

18. Астров В.А. Кластеризация участков контроля путей подгорочного парка // Сборник научных трудов «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития».-Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2006 г., С. 69-70.

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

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

21. Сороко В.И., Разумовский Б.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики, /справочник/. М.: Транспорт, 1976. - 704 с.

22. Тарасов Е.М. Инвариантные системы контроля состояний рельсовыхлиний. Самара: Из-во СамГАПС, 2002.-134 с.

23. Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник/ B.C. Аркатов, Н.Ф. Котляренко, А.И. Баженов, Т.Л. Лебедева; под ред. B.C. Аркатова. -М.: Транспорт, 1982. 360 с.

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

25. Толстов Ю.Г. Теория линейных электрических цепей. М., 1978.-286с.

26. Аносович Б.Ф. Конспект лекций по теории линейных электрических цепей. Двухполюсники, четырехполюсники, цепи с распределенными параметрами, корректирующие цепи. М., 1977.-176с .

27. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники, линейные электрические цепи. 5-е из. -М.: Энергия, 1978.-176с.

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

29. Тарасов Е.М. Принципы распознавания в классификаторах состояний рельсовых линий: Монография. М: Маршрут, 2004. - 200с.

30. Фор А. Восприятие и распознавание образов/Пер. с фр. A.B. Серединского; под ред. Г.П. Катыса. -М.: Машиностроение, 1989 г. -272 е.: ил.

31. Курант Р. и Гильберт Д. Методы математической физики; М.: ГТТИ, т.1. 1951.-е 17-26.

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

33. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: «Наука», 1980г. - 976с.

34. A.Angot, « Complements de mathematigues» Editions de la Revue d'Optigue, Paris, 1949., p.271.

35. M.R. Spiegel, «Formules et tables de mathematigues», Serie Schaum, Mac Graw Hill, New York, 1974., p.197.

36. Вальд A. Последовательный анализ. M.: Физматгиз, 1960. - 328c.

37. Тихонов A.H., Костомаров Д.Н. Вводные лекции по прикладной математике. М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1984. - 192с.

38. Тарасов Е.М., Пиманов Е.П., Брылеев A.M. Возможности решающих функций на основе полинома Колмогорова Габара при классификации режимов работы и рельсовых целей. Куйбышев, 1988, - 13с. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС №4315.

39. Горбань А.Н., Россиев Д.А. Нейронные сети на персональномкомпьютере // Новосибирск: Наука (Сиб. Отделение), 1996.-276с.

40. Агеев А.Д., Ильченкова З.В. Решение систем линейных уравнений в нейронных структурах // Нейрокомпьютеры. 1997. №1,2, с 35-38.

41. Хартман К.Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов /Пер. с нем. М.: Мир, 1977 552 с.

42. Акои М. Введение в методы оптимизации /Пер. с англ. М.: Наука, 1997. -344 с.

43. Минаев Ю.Н., Филимонова О.Ю., Бенамеур Лиес. Методы и алгоритмы решения задач идентификации и прогнозирования в условиях неопределенности в нейросетевом логическом базисе. М.: Горячая линия1. Телеком, 2003.-205 с.'

44. Каллан, Роберт. Основные концепции нейронных сетей.: Пер. с англ. -М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. 288 е.: ил. -Парал. тит. Англ

45. Тойберт П. Оценка точности результатов измерений. / Пер. с нем. М.: Энергоатом издат, 1988 г. - 88с.

46. Ивахненко А.Г. Самообучающиеся системы распознования и автоматического управления. Киев.: Техника, 1969, - 329 с.

47. Ивахненко А.Г., Лапа В.Г. Кибернетические предсказывающие устройства. Киев. Наук - думка, 1965. - 214 с.

48. Гавзов Д.В., Горбунов Б.Л., Илюхин М.В и др. Инфракрасный датчик контроля свободности путевых участков // Автоматика, телемеханика и связь. 1990 г. №8. С 11-13.

49. A.C. 1331713 (СССР) Устройство для контроля заполнения путей подгорочного парка / Шелухин В.И., Щербаков Е.В., Шелухин О.И. -заявл. 25.11.85, Опубл. Б.И. 23.08.87,№31, MKHB61L 17/00.

50. Кувшинов Б.М., Ширяев О.В., Богданов Д.В. и др. Использования комитетов в задачах распознавания образов с неточными экспертными оценками // Известия Челябинского научного центра., вып. 2(11). 2001. 12-17 с.

51. Заявка на официальную регистрацию «Программа синтеза решающей функции полиномом Колмогорова-Габора» № 2006613572 / Астров В.А., Шорохов Н.С.

52. Заявка на официальную регистрацию «Программа анализа входных ивыходных параметров смежных рельсовых цепей при флуктуации сопротивления изолирующих стыков» № 2006613573 / Астров В.А., Тарасов Е.М., Шорохов Н.С.

53. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорного структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.

54. Westen J.G., Simpson W.D. Software Design for Microprocessors. Texas Instr. Learning. Center, 1976.

55. СоучекБ. Микропроцессоры и Микро ЭВМ: Пер, с англ./Под ред. А.И. Петренко. - М.: Сов. Радио, 1979. - 520 с.

56. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ./под ред. М.В.Гальнерина. Т.2. -М.: Мир, 1983. С. 93-97.

57. Пашкеев С.Д., Минязов Р.И., Могилевский В.Д. Машинные методы оптимизации в технике связи. Под. Ред. С.Д. Пашкеева. Учеб. Пособие для вузов. М., Связь, 1976. 272с.

58. Ильин В.Н. Машинное проектирование электронных схем. -М.: Энергия, 1972.-280с.

59. Ли Т.Г., Адаме Г.Э., Гейнз У.М. Управление процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация. М.: Советское радио, 1972. -312с.

60. Растригин JI.A. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968. -376с.

61. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. -М.: Высш. ШК., 1990. -274с.

62. Томпкинс Ч.Б., Методы быстрого спуска. Современная математика для инженеров: Пер. с англ./ Под ред. И.Н. Векуа. М.: Изд-во иностр. лит.,1959.-272 с.

63. Сухарев А.Г., Тимохов A.B., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. -М.: Наука, Главная редакция физико математической литературы, 1986.-382с.

64. Бенсон З.М., Елистратов М.Р., Ильин JI.K. и др.; Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств. Под ред. Бенсона З.М. -М.: Радио и связь, 1981. 272с.

65. Тихонов А.Н., Костомаров Д.П. Вводные лекции по прикладной математике . -М.: Наука. Главная редакция физико математической литературы, 1984. - 192с.

66. Маслов А.Я., Чернышев A.A., Ведерников В.В. и др. Оптимизация радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. А.Я. Маслов, A.A. Чернышева. -М.: Радио и связь, 1982. -200с.

67. Справочник по теории автоматического управления. Под ред. A.A. Красовского. -М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1987. -712с.

68. Барковский В.В., Захаров В.Н., Методы синтеза систем управления. М., Машиностроение, 1969.-327с.

69. Алексеев О.В., Головков A.A., Пивовазов И.Ю. Чавка Г.Г. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Под ред. О.В. Алексеева, Учеб. Пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2000 479с.

70. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования: Учебник для вузов. -М.: Высш. шк., 1984. 439с.