В связи со структурным реформированием железнодорожного транспорта значительные усилия направлены на решение задач повышения эффективности работы железных дорог, снижение затрат на перевозки грузов и обеспечение безопасности движения поездов.
Одним из направлений в решении этих задач является комплексное применение средств железнодорожной автоматики на базе микропроцессорной техники [1].
Важную роль в процессе интервального регулирования движения поездов (ИРДГТ) и обеспечении безопасности этого движения играют системы автоматической локомотивной сигнализации (AJ1C) [2−6].
С 1994 г. по сети железных дорог России серийно внедряется комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ), выполненное на микропроцессорной элементной базе. Аппаратура КЛУБ соответствует современным техническим требованиям и сертифицирована. В 1999 г. завершены разработка и полный цикл испытаний унифицированной системы (КЛУБ-У) и начато ее серийное производство. В КЛУБ и КЛУБ-У реализованы функции приема информации по каналам эксплуатируемых в настоящее время систем автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН) и автоматической локомотивной сигнализации единого ряда непрерывного действия (АЛС-ЕН).
Система АЛСН по ряду своих технических характеристик не соответствует современным требованиям, предъявляемым к системам ИРДП. Амплитудная манипуляция и числовой код, применяемые в ней, характеризуются низкой помехозащищенностью, что проявляется в значительном количестве сбоев в работе системы и, как следствие, приводит к задержкам в движении поездов и повышению затрат на их ведение. Однако ее эксплуатация будет продолжаться в связи с широкой распространенностью, а также невозможностью и экономической нецелесообразностью быстрой и повсеместной замены на современную систему AJIC-EH. Поэтому возникает необходимость усовершенствования системы AJICH с целью повышения устойчивости ее работы.'. '.
Повышение устойчивости работы AJICH в значительной мере связано с повышением достоверности передаваемой на локомотив по индуктивно-рельсовым линиям (ИРЛ) информации об условиях движения [3].
Индуктивно-рельсовые линии характеризуются значительными уровнями импульсных, флуктуационных и синусоидальных помех, разнообразных по происхождению [4−5, 7−8].
В этой связи целью данной работы является разработка локомотивного цифрового устройства обработки сигналов AJICH повышенной помехозащищенности и на этой основе улучшение технико-экономических показателей системы и повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.
Оценка качества разработанного устройства обработки сигналов AJICH делает актуальной задачу сравнительного исследования его помехозащищенности и помехозащищенности существующего устройства. Традиционные методы исследования связаны с определенными трудностями, т. к. возникает необходимость в проведении значительного объема статистических экспериментов на физических объектах с учетом большого количества факторов, в том числе случайных, что требует значительных затрат времени и средств. Кроме того, в этом случае затруднен контроль условий проведения экспериментов. Поэтому необходимо применение таких методов исследования локомотивных устройств обработки сигналов AJICH, которые позволили бы решить эту задачу с высокой эффективностью и минимальными затратами.
В соответствии с целью работы были поставлены и решались следующие задачи:
— разработка функциональной схемы цифрового локомотивного устройства обработки сигналов AJ1CH повышенной помехозащищенности;
— исследование помехозащищенности существующего и разработанного локомотивных устройств обработки сигналов АЛСН при воздействии аддитивных помех:
— флуктуационных;
— импульсных;
— синусоидальных;
— исследование влияния характеристик функциональных элементов разработанного устройства обработки сигналов АЛСН на его помехозащищенность.
В работе использованы экспериментальные и аналитические методы исследования импульсных помех от постоянного тягового тока в канале АЛСН и синусоидальных помех от высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), нелинейные методы обработки сигналов систем передачи дискретной информации и статистические методы исследования устройств обработки сигналов АЛСН путем моделирования на ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель движения поездов по участку при наличии сбоев в работе АЛС с автостопным торможением, позволяющая определять условия задержки поездов на перегоне при автостопном торможении, и оценивать величины этих задержек.
2. На основе экспериментального исследования импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС разработана их математическая модель, учитывающая взаимосвязь между амплитудами следующих друг за другом импульсов помехи, а также взаимосвязь амплитуды импульса с его длительностью и длительностью последующего интервала.
— 83. Разработан новый способ нелинейной обработки сигналов АЛСН, позволяющий за счет применения схемы «широкая полоса-ограничитель-узкая полоса» (ШОУ) с динамическим порогом ограничения и устройства компенсации синусоидальных помех повысить помехозащищенность устройства обработки сигналов АЛСН к воздействию как гауссовых, так и сильных негауссовых помех импульсного и синусоидального характера.
4. Разработана функциональная схема нелинейного устройства, реализующего предложенный способ обработки сигналов АЛСН и обладающего значительно более высокой помехозащищенностью в сравнении с применяемым в настоящее время в КЛУБ устройством обработки сигналов АЛСН.
5. Разработаны имитационные модели синусоидальных помех от ЛЭП и импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС, а также имитационные модели существующего устройства обработки сигналов АЛСН, применяемого в КЛУБ, и нелинейного устройства, позволяющие в динамике исследовать влияние этих видов помех на функционирование данных устройств.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС, учитывающая взаимосвязь амплитуд следующих друг за другом импульсов помехи, а также взаимосвязь амплитуды импульса с его длительностью и длительностью последующего интервала.
2. Способ нелинейной обработки сигналов АЛСН с применением схемы ШОУ с динамическим порогом ограничения и устройства динамической компенсации синусоидальных помех.
3. Нелинейное устройство обработки сигналов АЛСН, характеризующееся более высокой помехозащищенностью в сравнении с применяемым в настоящее время в КЛУБ и КЛУБ-У устройством.
4. Имитационные модели синусоидальных помех от ЛЭП и импульсных помех от постоянного тягового тока в каналах АЛС, а также имитационные модели существующего локомотивного цифрового устройства обработки сигналов АЛСН, применяемого в КЛУБ, и нелинейного устройства.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработано нелинейное устройство обработки сигналов АЛСН, обладающее за счет использования нелинейной обработки более высокой помехозащищенностью при воздействии флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех в сравнении с применяемым в настоящее время в КЛУБ и КЛУБ-У устройством и позволяющее значительно повысить устойчивость работы системы АЛСН.
Все основные научные результаты и результаты статистического моделирования на ЭВМ, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.
Результаты исследований использованы во ВНИИАС МПС России при выполнении НИОКР по темам 1422 «Усовершенствованное приемное устройство сигналов АЛС для аппаратуры КЛУБ» и 1509 «Оборудование специального самоходного подвижного состава системами безопасности», а также при модернизации серийно выпускаемого оборудования № 36 991−00−00 «Устройство безопасности комплексное локомотивное унифицированное КЛУБ-У» и № 36 993−00−00 «Аппаратура системы обеспечения безопасности движения специального самоходного подвижного состава I категории КЛУБ-УП». Результаты работы используются в учебном процессе СамГАПС при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ, а также при чтении лекций по курсам, связанным с элементами автоматики и вычислительной техники.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных работах, из которых одно авторское свидетельство на полезную модель и два положительных решения по заявкам.
Работа выполнена на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Самарской государственной академии путей сообщения.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы — 162 страницы, в том числе 36 иллюстраций, 21 таблица, список литературы из 100 наименований, 4 приложения на 22 страницах.
4.8. Выводы по главе флуктуационной помехи (нормального белого шума) нелинейное устройство обработки сигналов АЛСН в равных условиях обеспечивает в 2−3 раза более prr * • гг.;
1. Проведенные эксперименты показали, что при воздействии f.
Stj^ri • г — 1 fit?'— ¦¦ ¦ • J—" — j.: — обеспечивает повышение помехозащищенности в 2−4 раза в сравнении с высокую помехозащищенность по сравнению с существующим.
2. В случае воздействия импульсных помех нелинейное устройство существующим.
ИЙЭФя* 3. Применение нелинейного устройства позволяет значительно (в 1,5.
ЙЙф-' fvl *-:
Jj'-.i ;
Й.-Г" '- -j.
— ¦
И1*—' •.
— '-К.
Й*-'• Й^'*- Г.
S.V—-: j, л.
В*?" й*— г :
5. Опытная эксплуатация показала, что применение нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН позволяет снизить количество сбоев в.
2 раза) уменьшить протяженность зоны влияния высоковольтной ЛЭП на обработку сигналов АЛСН. При этом наименьшее влияние наблюдается при перпендикулярном пересечении ЛЭП и ж. д. линии.
4. Показана нецелесообразность изменения величины относительного порогового уровня решающего устройства в нелинейном устройстве ввиду незначительности возможного выигрыша в его помехозащищенности. работе системы АЛСН в 2−2,5 раза и практически исключить случаи сбоев в местах пересечения железнодорожных путей с высоковольтными ЛЭП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Проведенный на основе разработанной математической модели движения поездов при наличии сбоев в работе АЛСН и статистики сбоев по локомотивному депо Москва-3 за 2001 г. анализ функционирования системы АЛСН показал необходимость усовершенствования цифрового локомотивного устройства обработки сигналов АЛСН, направленного на повышение его помехозащищенности.
2. По результатам проведенного анализа нелинейных методов обработки сигналов систем передачи дискретной информации разработан способ нелинейной обработки сигналов АЛСН с применением схемы ШОУ с динамическим порогом ограничения и устройства динамической компенсации синусоидальных помех, и разработана функциональная схема нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН, реализующего данный способ.
3. На основе экспериментального исследования импульсных помех от постоянного тягового тока разработана математическая модель импульсных помех, в которой учитываются взаимосвязь между амплитудами следующих друг за другом импульсов помехи, а также взаимосвязь амплитуды импульса с его длительностью и длительностью последующего интервала.
4. Разработаны имитационные модели существующего и нелинейного устройств обработки сигналов АЛСН, а также имитационные модели полезного сигнала, синусоидальных помех от ЛЭП и импульсных помех от постоянного тягового тока, позволяющие в динамике исследовать функционирование данных устройств в условиях действия указанных помех, а также других возмущающих факторов.
5. Проведенные на базе разработанных имитационных моделей статистические эксперименты показали: при воздействии флуктуационной помехи нелинейное устройство обработки сигналов АЛСН в равных условиях обеспечивает в 2−3 раза более высокую помехозащищенность по сравнению с существующимв случае воздействия импульсных помех нелинейное устройство имеет помехозащищенность в 2−4 раза большую, чем существующееприменение нелинейного устройства позволяет значительно (в 1,5−2 раза) уменьшить протяженность зоны мешающего влияния высоковольтной ЛЭП. При этом наименьшее влияние ЛЭП наблюдается при перпендикулярном пересечении ЛЭП и ж. д. линии.
6. Эксперименты показали нецелесообразность изменения величины относительного порогового уровня решающего устройства в нелинейном устройстве обработки сигналов АЛСН ввиду незначительности возможного выигрыша в его помехозащищенности.
7. Опытная эксплуатация показала, что применение нелинейного устройства обработки сигналов АЛСН позволяет снизить количество сбоев в работе системы АЛСН в 2−2,5 раза и практически исключить случаи сбоев в местах пересечения железнодорожных путей с высоковольтными ЛЭП.
