Совершенствование методов измерения параметров движения поездов

В настоящее время на сети магистральных железных дорог России наиболее широко используются системы интервального регулирования (СИР), основанные на использовании автоблокировки (АБ) с рельсовыми цепями (РЦ) и AJICH. Системы АБ были разработаны еще в 20 веке. При вс^ех их достоинствах, известно, что они обладают рядом существенных недостатков. Основными из них являются: ограниченная пропускная способность оборудованных ей линий, большие издержки в эксплуатации и недостаточная надежность.

Среди главных причин недостаточной пропускной способности АБ следует отметить такие, как малую информационную ёмкость [1], полное отсутствие гибкости в управлении движением поездов, низкую дискретность определения местоположения поездов на перегоне, обусловленную применением рельсовых цепей длиной до 2500 м [2].

Использование напольной аппаратуры АБ требует обеспечения её непрерывным электропитаниемпериодического обслуживания, регулировок и ремонта. Соблюдение этих требований усложняется тяжелыми климатическими условиями России и обуславливает необходимость содержать большой штат обслуживающего персонала и вспомогательного оборудования.

Большое количество используемой системами АБ напольной аппаратуры снижает общую надежность и безопасность управления. Сбои в работе систем увеличивают психофизиологическую нагрузку на локомотивные бригады и дежурных по станциям. Перекрытие сигнала на запрещающее показание перед движущимся поездом вызывает необходимость применения экстренного торможения, что приводит к увеличению механических нагрузок на подвижной состав и на верхнее строение пути, а также может вызвать выжимание вагонов.

Наименее надежными в системах сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) остаются рельсовые цепи (РЦ), на которые приходится до 50% общей совокупности отказов в СИР, а на ряде участков и более. На рельсовые стыковые соединители и элементы изоляции в рельсовых линиях приходится более четверти отказов, на перемычки и дроссель-трансформаторы — по 10%. Отказы по остальным элементам РЦ распределяются следующим образом: аппаратура 9−10%, кабельные линии 7−8%, приборы защиты 3−4%, стативы 4−5%, устройства электропитания 0.4−0.5% и путевые ящики 0.1−0.2%.

3].

В последние годы резко возросло количество отказов напольных устройств от краж и вандализма. На некоторых участках Транссиба отказы напольных устройств СЦБ по этой причине превышают 30%. В рельсовых цепях до 40% отказов возникают вследствие деградационных процессов и до 30% - из-за ошибок обслуживающего персонала [3].

Проведённый ВНИИАСом анализ мер предупреждения ошибок обслуживающего персонала и отказов технических устройств показал, что требования по логическому контролю действий персонала и работы устройств, контролю и диагностике состояния аппаратуры не могут быть реализованы существующими релейными устройствами без значительных затрат на их модернизацию и снижения надежности.

В последние годы на отечественных железных дорогах наблюдается стабильный рост объема перевозок. По прогнозам специалистов данная тенденция в ближайшие годы сохранится, однако пропускная способность линий, оборудованных АБ, практически исчерпана и не может быть существенно повышена даже при увеличении капитальных и эксплуатационных расходов.

В настоящее время в рамках реализации Государственной программы повышения безопасности движения поездов на железных дорогах России производится замена устаревших устройств СЦБ на современные микропроцессорные системы (КЛУБ, САУТ, ТС КБМ и др.)[1, 4]. При текущей ситуации в качестве основного решения проблемы дальнейшего развития систем СЦБ предусматривается внедрение интегрированных многоуровневых систем в рамках комплексных проектов [5]. Многоуровневые системы управления должны представлять собой совокупность единых комплексных систем управления и обеспечения безопасности движения на тяговом подвижном составе, систем управления и обеспечения безопасности на базе средств СЦБ и информационной подсистемы. Как показывают исследования ВНИИАС, внедрение подобной системы на сети дорог позволило бы снизить количество крушений, сходов, столкновений, допускаемых браков в работе и тем самым повысить показатели безопасности движения, уменьшить затраты на ликвидацию последствий вышеперечисленных происшествий и повысить качественные показатели эксплуатационной работы (участковую и техническую скорости, время оборота грузовых вагонов и т. д.) на 5%- уменьшить себестоимость грузовых перевозок на 3%, повысить срок службы используемых технических средств на 10% за счет соблюдения технологии эксплуатации [5].

Наиболее перспективным для новых многоуровневых систем СЦБ признается координатный способ регулирования движения поездов с интерфейсом между подвижными объектами и центрами управления по цифровому радиоканалу. Основоположниками систем координатного регулирования движения поездов, внесшими наибольший вклад в их развитие, являются такие известные ученые как Брылеев A.M. [6], Дмитренко И. Е. [6 — 8], Кравцов Ю. А. [9], Лисенков В. М. [10, 15], Петров А. П. [11], Худов В. Н. [12] и ряд других.

Серьёзный вклад в развитие теории и практики измерения параметров движения поезда внесли такие известные ученые, как Баранов Л. А., Бестсемьянов П. Ф. [13], Головин В. И., Нестеров В. Л. [9], Савушкин А. К. [14]. Однако в силу нерешенности ряда проблем, связанных с недостаточной точностью и нестабильностью измерений, функции известных бортовых устройств измерения параметров поезда на основе осевых импульсных датчиков были ограничены и по существу сводились, как правило, к измерению фактической скорости движения с использованием упрощенных алгоритмов обработки информации. Поэтому, не смотря на то, что теория процесса координатного регулирования достаточно хорошо проработана, фактическая его реализация на практике сдерживается отсутствием, в том числе, соответствующих технических средств, способных точно и достоверно определять местоположение каждого поезда, скорость и ускорение его движения.

Не менее важным аспектом повышения пропускной способности и снижения эксплуатационных затрат является повышение скоростей движения. Как показывают исследования, проведенные в рамках программы «Разработка и создание технических средств железнодорожного транспорта для организации движения пассажирских поездов со скоростями 200 км/ч», увеличение скоростей движения даже на 1% снижает эксплуатационные расходы в дальнем пассажирском движении на 91.8 млн руб. в год, а в пригородном — на 10.7 млн руб. в год, уменьшение потребного парка подвижного состава при этом приводит к снижению капитальных вложений на приобретение локомотивов 6410.1 млн руб., вагонов пассажирского парка на 958.7 млн. руб [16]. Координатный принцип управления позволяет повысить и среднюю скорость движения [17], так как подразумевает более гибкое задание скорости локомотива по пути.

С целью сокращения издержек на эксплуатацию напольной аппаратуры в настоящее время намечается тенденция переноса ряда её функций на бортовую аппаратуру локомотивов. Развитие последней, в свою очередь, идет в сторону повышения интеллектуализации — так называемой концепции создания «умных» («smart») локомотивов, причем эта тенденция наблюдается не столько в нашей стране, сколько в зарубежных развитых странах [18], где в настоящее время для регулирования движения поездов планируется использовать подобные системы.

Что касается зарубежных железных дорог, то в настоящее время для регулирования движения поездов в основном там используются системы, аналогичные отечественным. При этом Европейский железнодорожный транспорт испытывает необходимость в повышении провозной способности. Исследования иностранных специалистов показали, что инвестиции в автоматизацию процессов управления дают отдачу в 4 раза больше, чем в «бетон» (реконструкцию существующих коридоров, строительство дополнительных путей) [19]. В связи с бурным прогрессом средств микроэлектроники, связи и вычислительной техники в ЕС разработана концепция интеграции систем управления с сокращением и заменой напольной аппаратуры. В 1995 г. Европейской комиссией инициирован проект создания европейской системы управления перевозочным процессом на железных дорогах (ERTMS) [20]. Данный проект рассчитан на три уровня реализации, причем на верхнем уровне подразумевается координатное регулирование движения поездов с использованием цифрового канала связи GSM-R при минимальном использовании напольной аппаратуры [21] и максимальном внедрении интеллектуальных бортовых устройств. На последние будет полностью возложена функция определения местоположения поезда [18]. ETCS уровня 2 — это AJIC на базе радиосвязи проектируемое изначально для высокоскоростного движения с передачей данных между поездом и центром блокировки на базе радиосвязи RBS. На основе этих данных бортовое устройство рассчитывает динамические данные о скорости, контролирует их соблюдение и предоставляет полученную информацию машинисту локомотива. Разграничение поездов в ETCS 2 осуществляется традиционно посредством жестко заданных блок-участков, границами которых служат путевые приемоответчики, формирующие статические данные. Что касается первого уровня ETCS, то при его реализации подразумевается, что напольные приемоответчики, устанавливаемые на путях, транслируют показания напольных устройств [22].

В настоящий период времени многие железные дороги Европы, рассматривают проекты перехода сразу на 2-ой уровень, который позволит отказаться от большинства напольных сигналов.

Так в Бельгии системой ETCS 2-го уровня с резервом ETCS 1-го уровня оборудуются два высокоскоростных участка — HSL-Zuid и ЛьежАхен, первый будет готов к комиссионным испытаниям в апреле 2006 года, а второй — к концу 2005 года.

В Германии в июле 2003 года для испытаний с целью получения технического и эксплуатационного опыта по работе ETCS 2-го уровня принят участок Берлин-Галле/Лейпциг. Двухпутная линия уже осигнализована для движения в обоих направлениях и ведется её реконструкция с целью повышения максимальной скорости до 200 км/ч. Оборудование ETCS включает 1045 приемоответчиков Eurobalise.

В Испании к концу 2004 года ETCS 2-го уровня должна быть оснащена линия Сарагоса — Уэска.

В апреле 2004 года на опытном участке в Италии длиной 80 км во время демонстрационной поездки поезд уже развил скорость 302 км/ч под управлением ETCS 2-го уровня. Кроме того, ETCS 2-го уровня оборудуются 4 высокоскоростных линии: Болонья — Флоренция, Милан — Болонья, Милан.

Турин, Рим — Неаполь. Последняя линия должна быть введена в эксплуатацию в середине 2005 года.

В странах Скандинавии (Швеция, Финляндия, Норвегия) достигнуто соглашение по созданию специализированного модуля STM, предназначенного для конвертации показаний традиционных систем сигнализации в форму, приемлемую для бортовых устройств ETCS. Цель данного соглашенияпоэтапное переоснащение участков инфраструктуры в течение 10−15 лет до уровня 2 [19, 23].

В Великобритании в настоящее время внедряется система TASS, являющаяся аналогом ETCS.

Испытания ETCS 2-го уровня на высокоскоростной линии ПарижЛион во Франции показала, что пропускная способность линии возрастает теоретически с 16 до 29 поездов/ч, т. е. практически на 67%.

Что касается стран Азии, то в Китае также приступили к созданию национальной системы управления движением поездов CTCS — аналогу ETCS.

Для малодеятельных линий (не менее 25%) [24], нуждающихся в простых и экономных системах, способных окупить вложенные инвестиции, в настоящее время в Европе разрабатывается система Atlas 400. Данная система также использует в качестве основы спецификацию ETCS уровней 1 и 2. Отличительными особенностями является программное обеспечение с уменьшенными возможностями и позиционирование при помощи спутниковой навигации.

В рамках проекта ETCS предполагается, что к 2020 году будет конвертировано около 35% напольного оборудования стран ЕС и переоборудовано не менее 60% подвижного состава.

Как показывает анализ зарубежных источников, 3-й уровень управления движением поездов в настоящее время не реализуется, поскольку круг задач по переходу на регулирование с «подвижными блок-участками» пока еще не решен до конца, также как он не решен и на отечественных дорогах.

Причины этого в том, что координатные многоуровневые системы интервального регулирования с цифровым радиоканалом требуют решения целого ряда проблем, связанных с организацией «подвижных блок-участков» при отсутствии напольной аппаратуры безопасности.

При создании многоуровневой системы безопасности (МС) выделяют два основных аспекта [1], которые являются принципиальными для её реализации. Поскольку концепция многоуровневой системы безопасности предполагает передачу управляющей и контрольной информации по радиоканалу, то важно обеспечить надежный непрерывный канал связи с высокой пропускной способностью между центром управления и всеми участниками движения (для координатного регулирования пропускная способность должна быть не менее 64Кбит/с). Кроме того, как указывалось ранее, интервал попутного следования между поездами может быть сокращен, только если известно точное местоположение, скорость и ускорение движения каждого поезда. Поэтому важно иметь высокоточную и надежную бортовую интеллектуальную систему измерения параметров движения (СИДП).

К каналу связи в плане надежности перспективная МС предъявляет множество требований — это исключение «мертвых зон», дублирование передаваемой на локомотив информации о параметрах движения поезда и о командах движения по дополнительному каналу, оповещение машинистов и ремонтных бригад о приближении поезда, оповещение машинистов поездов и бортовых систем управления от аппаратуры идентификации подвижного состава и контроля его технического состояния на ходу [25]. В связи с этим в настоящее время для российских железных дорог определены три цифровых стандарта связи — TETRA, GSM — R, CDMA. Первые два относятся к цифровым системам второго поколения, a CDMA — к третьему.

В 2002 году на опытном участке Свердловской железной дороги СеверкаСвердловск — Камышлов были испытаны системы радиосвязи GSM — R и TETRA, первая из которых рекомендована к использованию Международным союзом железных дорог. Опытная эксплуатация показала, что в пределах всего участка обеспечивается уверенная радиосвязь с подвижными объектами, находящимися на перегонах. Дальность радиосвязи с абонентами носимых радиостанций достигает 5−6 км, что позволяет обеспечивать непрерывную радиосвязь на перегонах длиной до 11 км. Все пользователи отметили высокое качество связи по сравнению с существующими аналоговыми системами, а также наличие дополнительных функциональных возможностей.

Система TETRA была испытана также на пригодность для управления движением поездов с использованием аппаратуры КЛУБ-У. По каналу радиосвязи при этом передавались параметры движения поезда и его координаты, а также управляющие команды. Испытания завершились успешно [26]. Проектирование систем стандарта TETRA развернуто на участках Московской, Октябрьской, Юго-Восточной, Северо-Кавказской и Свердловской железных дорог. На Калининградской дороге строится система стандарта GSM — R [27].

Таким образом, принципиальные технические проблемы реализации надежного канала связи в настоящее время успешно решаются.

Что касается бортовых систем измерения параметров движения (СИДП), то для реализации МС они должны на первом этапе реализации решать, как минимум, задачи:

S измерения скорости, пути и ускорения;

S достоверного контроля текущего местоположения головы и хвоста поезда на перегоне и станции;

— на последующих этапах реализации системы:

S задачу контроля целостности состава [28];

S задачу контроля целостности рельсовых нитей.

Решением каждой из обозначенных задач должна заниматься отдельная подсистема. Совокупность подсистем должна составлять бортовой измерительный комплекс. Предлагаемая структура бортовой системы контроля параметров движения представлена на рис. 1.

Система должна содержать следующие подсистемы:

S Навигационную подсистему;

S Подсистему контроля целостности состава;

S Подсистему контроля целостности рельсовых нитей;

S Подсистему технической диагностики локомотива и поезда.

Локомотивный измерительный комплекс должен иметь иерархическую структуру и обеспечивать возможность подключения к центральной бортовой системе автоматического управления локомотива (САУ).

Рис. 1 Общая структура бортовой локомотивной системы контроля параметров движения.

Нижний уровень бортовой системы контроля параметров движения должны представлять специализированные измерители:

1. Измеритель скорости, ускорения, пути (ИПД);

2. Измеритель направления движения поезда (ИНД);

3. Узел коррекции координаты местоположения (УКМ);

4. Подсистема контроля целостности рельсовых нитей (ПНР);

5. Подсистема технической диагностики локомотива и поезда (ПТД);

6. Подсистема контроля целостности состава (ПЦС) [29];

Второй уровень представляет центральный блок обработки информации о параметрах движения, включая навигационную информацию (БОНИ), с обслуживающими его блоками:

1. Блок ручного ввода информации (БРВИ);

2. Узел отображения информации (УОИ);

3. Блок хранения информации о поездке (БИП);

4. Блок регистрации параметров движения (БРП).

Верхний уровень системы должна представлять собой центральная САУ локомотива с устройством связи с центральным диспетчерским пунктом, которая служит для регулирования параметров движения локомотива в зависимости от поездной ситуации.

В рамках одной работы невозможно охватить весь комплекс задач, поэтому в диссертации рассматривается решение наиболее ответственных задач нижнего уровня бортовой системы.

Первостепенной задачей при реализации первого уровня системы управления (СУ) с цифровым радиоканалом является разработка навигационной подсистемы — основы координатной СУ.

Наиболее совершенными интеллектуальными бортовыми системами регулирования движения, применяемыми на российских железных дорогах, являются системы КЛУБ-У [1] и САУТ-ЦМ [5, 30, 31]. Обе перечисленных системы имеют возможность управления подвижными объектами по радиоканалу. В то же время данные системы рассчитаны на работу совместно с автоблокировкой и осуществляют регулирование на светофор [4], поэтому контроль местоположения хвоста поезда в них не осуществляется — эта функция возложена на напольную аппаратуру АБ. Местоположение головы поезда в пределах рельсовой цепи определяется путем счисления числа оборотов колесной пары, оборудованной датчиком ДПС. Погрешность измерения скорости в указанных системах не менее ±1 км/ч [1, 32], тогда как при определении ускорений она должна быть существенно выше. При юзе и боксовании в данных системах происходит накопление ошибок определения пройденного пути. С целью устранения недостатков система КЛУБ-У дооборудована GPS приемником, ведущим прием сигналов по 12 каналам одновременно. При его использовании точность определения местоположения системой КЛУБ может достигать 30 м, а точность определения скорости — 0.1 м/с. Однако, даже указанная точность GPS позиционирования, очевидно, не позволяет определять маршрут движения поезда по станционным путям. Кроме того, как показали исследования в области применения спутниковой навигации, им присущ ряд существенных недостатков: точность позиционирования зависит от состояния ионосферы Земли и может существенно изменяться так, что погрешность местоположения может достигать сотен метров при неудачном расположении группировки спутников над местностью и высоких скоростях движения объектов, а также при наличии нескольких путей, леса вокруг и зданий с металлическими поверхностями [18]- при этом время получения запроса со спутников достигает нескольких секунд и не дается гарантии обслуживания. Отмечается [18], что затенение сигнала, а также влияние нескольких путей на точность позиционирования являются решающими факторами риска при определении местоположения, их вероятность значительно выше вероятности сбоя сигналов в космосе. Другим фактором, сдерживающим применение GPS в качестве основной системы позиционирования, является то, что помимо технической стороны обеспечения привязки к местности возникает проблема, связанная с тем, что точные карты местности сами по себе являются стратегической информацией. Их составление требует отдельного проведения дорогостоящей операции картографирования местности в районе железных дорог [33]. Но даже наличие точной карты местности не решает полностью проблемы определения интервалов между попутными поездами. Поскольку движение поездов происходит по траектории прокладывания железнодорожного пути, то абсолютные координаты требуется переводить в расстояния с учетом прокладки пути, что, в свою очередь, требует дополнительных вычислительных операций и может приводить дополнительным погрешностям.

В существующих системах позиционированию GPS, как правило, отводится роль дополняющей системы [33] при многоконтурном контроле, либо оно применяется в качестве решения для малодеятельных участков дорог [21], но в сочетании с опорными датчиками (реперами) [18].

За рубежом известны эксперименты по обеспечению автономности определения местоположения путем счисления пройденного пути при помощи связки осевой импульсный датчик — бортовой доплеровский радар [34]. В публикациях отмечается, что такое решение отличается большой стоимостью [18]. Исследования проводились для двух вариантов измерений: методом определения центра тяжести доплеровского спектра и методом поиска точек пересечения двух доплеровских спектров. Они показали, что первый способ обеспечивает относительную погрешность измерения пути и скорости до ±2%, тогда как второй — до 0.5%. В то же время отмечено, что указанные значения относятся только к 95% пути, а на остальных 5% погрешность может увеличиваться более, чем в два раза, вплоть до полного пропадания сигнала. Поэтому доплеровский радар всегда должен применяться в сочетании, например, с осевым импульсным датчиком.

Таким образом, вопрос принципов функционирования навигационных систем для железнодорожного транспорта на сегодняшний день остается открытым. Решение проблемы в плане реализации координатных МС видится в многоконтурном независимом контроле параметров движения поезда с преобладанием автономных способов навигации, минимальным числом напольных реперов.

Данная диссертационная работа посвящается исследованию этих вопросов.

4.6 Выводы по главе.

1. Разработана модель полного рабочего цикла ИПД.

2. Установлено, что ИПД с последовательным циклом работы не может непрерывно контролировать сцепление измерительной КП и имеет низкий коэффициент использования машинного времени, причём указанные параметры не могут быть существенно улучшены.

3. Показано, что совмещение операций позволяет увеличить коэффициент использования машинного времени ИПД практически в два раза и осуществлять непрерывно контроль режима движения КП.

4. Предложена модель «фаза — элемент», позволяющая формальными методами осуществить совмещение операций в ИПД.

5. Произведён синтез ИПД с использованием разработанного способа совмещения операций на основе «виртуальных» границ цикла измерения.

6. Получены формулы для определения «виртуальных» границ цикла измерения.

7. Получена формула для определения ёмкости счетчика, обеспечивающая исключение «ложного» срабатывания устройств контроля «виртуальных» границ цикла измерения.

8. Разработаны и обоснованы требования к устройству определения направления движения локомотива с функцией блокировки «ложного движения».

9. Разработано техническое решение по реализации устройства определения направления движения локомотива с функцией блокировки «ложного движения», удовлетворяющее поставленным требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена актуальная научная задача совершенствования методов измерения параметров движения поездов бортовыми средствами локомотива.

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Более полно выявлены источники случайной и систематической погрешностей измерения параметров движения поезда, получены аналитические выражения для оценки влияния на точность измерения параметров движения случайной и систематической погрешностей измерения, вносимых каждым звеном преобразования в отдельности и измерителем в целом.

2. Уточнена методика определения статической методической погрешности и расчёта дискретности измерения скорости движения поезда различными способами.

3. Доказано, что наиболее высокую точность и наибольшую дискретность измерения скорости обеспечивает способ запуска и остановки цикла измерения по сигналам осевого импульсного датчика, если частота опорных импульсов существенно превышает частоту импульсов осевого импульсного датчика.

4. Предложено систему КОЛЕСНАЯ ПАРА — ОСЕВОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДАТЧИК рассмотреть, как совокупность звеньев, жестко связанных по периоду оборота колесной пары, а все периодически повторяющиеся погрешности первичного преобразователя приводить к эквивалентным погрешностям крыльчатки осевого импульсного датчика.

5. Разработан способ статистического определения отклонений скорости по отдельным периодам осевого импульсного датчика, для реализации которого получены формулы определения требуемого числа контрольных оборотов, тестовой скорости, доверительных интервалов погрешности и алгоритм для его реализации.

6. Разработан способ и получены формулы для обработки результатов многоканальных измерений с многоуровневыми динамическими приоритетами.

7. Разработана методика, позволяющая косвенно учитывать величину криповского скольжения при измерении пути и скорости.

8. Разработаны способы автоматической калибровки эквивалентного диаметра бандажа измерительных колесных пар локомотива и автоматического определения абсолютной длины поезда.

9. Получены соотношения для определения периодичности статической коррекции координаты поезда и текущего поля погрешности местоположения поезда с учетом режимов его движения.

10. Впервые предложен способ коррекции местоположения поезда на перегоне и контроля местоположения на станции, основанный на использовании опорной неподвижной системы координат.

11. Разработаны новые способы программного интегрирования скорости и определения ускорения движения, а также разработан математический аппарат реализации.

12. Предложены методики расчёта параметров движения и получены расчётные формулы для случаев срыва сцепления колёсных пар локомотивов. Выявлены признаки, позволяющие идентифицировать восстановление сцепления колёсными парами, а также сформулированы ограничения к продолжительности непрерывного срыва сцепления колёсных пар.

13. Предложена модель «фаза — элемент», позволяющая формальными методами осуществить совмещение операций в ИПД и произведён синтез ИПД с использованием разработанного способа совмещения операций.

14. Разработано техническое решение по реализации устройства определения направления движения локомотива с функцией блокировки «ложного движения», удовлетворяющее поставленным требованиям.

В результате выполнения работы были проведены исследования и обоснованный выбор способов измерения параметров движения с учетом специфики координатной СИРДП. Были синтезированы основные схемы интеллектуальных устройств измерения параметров движения, а также получены основные рабочие соотношения, требуемые для их реализации. По отдельным положениям диссертации получены патенты РФ.