Устройство сбора и обработки информации для систем автоматического управления торможением железнодорожного транспорта

Актуальность работы. В условиях высокой грузонапряженности и интенсивности движения железнодорожного транспорта машинисту трудно выбрать оптимальный режим ведения, не исключены ошибки, определяемые психофизиологическими возможностями человека, поэтому вопросу обеспечения безопасности движения уделяется пристальное внимание со стороны разработчиков устройств для систем интервального регулирования и автоматического управления движением поездов.

Одной из систем, позволяющей предотвращать проезд запрещающих показаний светофоров с плавным регулированием скорости при помощи служебного торможения и выбирать оптимальную, с точки зрения ресурсосбережения, скорость движения, является система автоматического управления торможением поездов (САУТ).

Наиболее трудоемкими операциями технологического процесса обслуживания САУТ являются сбор информации о состоянии напольных устройств системы и их периодическая настройка, так как напольное оборудование рассредоточено на больших расстояниях, подвержено динамическим и климатическим воздействиям. Автоматизация данных операций является актуальной задачей, и ее решение способствует повышению эксплуатационной надежности и технико-экономической эффективности САУТ (способности САУТ предотвращать проезды запрещающих показаний светофоров и сокращать потери времени хода при движении поездов по сигналам интервального регулирования, требующим снижения скорости или остановки).

Разработка устройств сбора и обработки информации, отвечающих современным требованиям точности и быстродействия, требует проведения комплексных теоретических исследований. Однако, как показывает анализ публикаций, научно-технической и патентной информации, вопросы теории методов построения таких устройств не нашли достаточного освещения в отечественных и зарубежных научных источниках. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на разработку теории, создания и практического внедрения точных и быстродействующих устройств сбора и обработки информации для САУТ, представляется актуальной, имеющей важное научное и практическое значение.

Цели и задачи исследования. Цель работы — повышение точности и быстродействия устройств сбора и обработки информации для САУТ и на этой основе улучшение технико-экономических показателей системы и повышение безопасности движения железнодорожного транспорта. Для достижения поставленной цели решены следующие научно-технические задачи:

— анализ принципов построения САУТ, сравнительная оценка методов и устройств контроля ее параметров;

— разработка и исследование математической модели канала передачи информации от напольных устройств САУТ;

— разработка и исследование методов анализа спектральной информации сигнала САУТ с целью контроля параметров системы;

— исследование и реализация методов повышения быстродействия при анализе спектральных характеристик сигнала САУТ;

— разработка программно-математических и аппаратных средств устройства сбора и оперативной обработки информации для контроля технического состояния устройств САУТ из вагона-лаборатории с использованием в качестве ядра ПЭВМ;

— анализ осциллограмм сигнала САУТ для получения диагностической информации.

Методы исследования. При решении поставленных задач теоретические исследования проводились с использованием теории электромагнитного поля, алгоритмов, множеств и планирования экспериментов, методов интегрального и дифференциального исчисления, векторного и цифрового спектрального анализа. При обработке данных и оценке их достоверности использованы методы математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Разработана математическая модель канала передачи информации от путевых устройств САУТ с учетом шунтирующего влияния следующего за лабораторией вагона;

2.Разработана методика измерения длин шлейфов САУТ, инвариантная к способу сцепки вагона-лаборатории с поездом;

3.Применен эффект подмены частот в процедуре численного гармонического анализа для повышения быстродействия при измерении параметров САУТ;

4.Разработаны алгоритмы и программно-математическое обеспечение по сбору и обработке информации для САУТ.

Практическую ценность работы составляют:

1.Схема и конструкция устройства сбора и обработки информации для САУТ;

2. Созданное устройство сбора и обработки информации для САУТ;

3. Созданная база данных, содержащая информацию о топологии Куйбышевской железной дороги и параметрах путевых точек САУТ;

4.Программно-математическое обеспечение по вводу, обработке, хранению информации и выдаче отчетов для оперативного контроля состояния напольных устройств САУТ и управления производственным процессом обслуживания системы;

5.Атлас наиболее часто встречающихся неисправностей и неправильной настройки аппаратуры САУТ, диагностируемых по осциллограммам шлейфового тока.

Реализация результатов работы. По результатам исследований создано устройство сбора и обработки информации для САУТ, которое эксплуатируется в службе сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги. Результаты работы используются в учебном процессе СамИИТа при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении лекций по курсам, связанным с элементами автоматики и вычислительной техники.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Математическая модель, описывающая зависимость амплитуды и фазы напряженности магнитного поля шлейфа САУТ от координаты пути в случае отсутствия влияния подвижного состава, а также при шунтировании и отсутствии шунтирования рельсовой цепи следующим за лабораторией вагоном (лаборатория в «голове» и в «хвосте» поезда);

2. Методика измерения длины шлейфа САУТ, инвариантная к шунтирующему влиянию следующего за лабораторией вагона;

3. Методика получения спектральных характеристик сигнала САУТ, заключающаяся в использовании эффекта подмены частот для снижения избыточности обрабатываемой информации в процедуре численного гармонического анализа;

4.Методика конструктивного расчета параметров схемы устройства сбора и обработки информации для САУТ;

5.Алгоритм расчета параметров САУТ с привязкой измерений к координате пути и идентификацией неисправностей по осциллограммам шлейфового тока.

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались и обсуждались на отраслевой научно технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Екатеринбург, 2000), меж8 вузовских конференциях (СамИИТ, 1996;2000), заседаниях научно-технического семинара электротехнического факультета СамИИТа (Самара, 1997;2000), совещаниях службы сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги в 1997;2000. Работа была представлена на выставках ТРАНСТЕК'98 в Санкт-Петербурге, ЭКСПОЖД-2000 в Москве, Регионы России (Железнодорожный транспорт) в Нижнем Новгороде (2000 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, проведена регистрация устройства и программно-математического обеспечения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения. Основное содержание работы изложено на 14 8 страницах. Диссертация содержит 5 таблиц, 4 0 рисунков и приложение на 28 страницах. Библиографический список использованной литературы содержит 107 наименований. Общий объем работы 17 6 страниц машинописного текста.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Выполненная работа представляет собой анализ и исследование вопросов, связанных с разработкой устройств сбора и обработки информации для САУТ. Разработанные методы и средства позволяют оперативно и качественно контролировать параметры САУТ, улучшить технико-экономические показатели системы и повысить безопасность движения железнодорожного транспорта. Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. На основе анализа методов и систем контроля САУТ, и их роли в обеспечении безопасности движения и ресурсосбережении, сделан вывод о необходимости оперативного контроля работоспособности системы по ее параметрам;

2. Исследуя развитие САУТ, сделан вывод о целесообразности применения методов и средств цифровой обработки сигналов с использованием ПЭВМ. Это обеспечит универсальность устройства сбора и обработки информации при дальнейшей модернизации системы;

3. Исходя из необходимости измерения параметров САУТ в «голове» и «хвосте» поезда, на основе моделей канала передачи информации разработана методика измерения длины шлейфа, независящая от шунтирующего влияния следующего за лабораторией вагона по критерию скачкообразного изменения фазы сигнала на границах шлейфа- 4. Разработана методика измерения параметров САУТ на основе метода численного гармонического анализа с применением эффекта подмены частот для повышения быстродействия. В результате обработка данных ведется в реальном масштабе времени в вычислительной системе на базе процессора Intel Pentium 166 МГц;

5. С учетом основных требований разработана структурная схема устройства, представленного в виде интерфейсной платы стандарта ISA-16 с использованием ПЭВМ в качестве управляющей системы, и проведен инженерный расчет его элементов;

6. Разработаны программно-математическое обеспечение и структура базы данных на основе информационной модели технологического процесса обслуживания устройств САУТ;

7. Проведен расчет погрешностей устройства и результатов измерения, доказано, что измерение амплитуды шлейфового тока (значение приведенной погрешности 3% при измерении тока от 0 до 1 А в диапазоне частот от 19,6 до 31 кГц) и длин шлейфов (абсолютная погрешность ±0,14 м при измерении длины шлейфа САУТ до 7 0 м с использованием индуктивного датчика пути при скорости движения до 120 км/ч) ведется с допустимой для контроля технического состояния системы погрешностью;

8. Разработано, изготовлено и внедрено в производство устройство сбора и обработки информации для САУТ, испытания которого подтвердили правильность основных теоретических положений, используемых при проектировании прибора (акт внедрения — прил. 12) ;

9. В результате анализа экспериментальных данных по осциллограммам шлейфового тока построен атлас неисправностей системы для диагностики технического состояния САУТ.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Самарского института инженеров железнодорожного транспорта, что подтверждено соответствующим актом внедрения (прил. 13).

Разработанный в диссертационной работе метод определения длин шлейфов по фазе сигнала САУТ целесообразно использовать в штатной локомотивной аппаратуре, что позволит определять параметры САУТ вне зависимости от амплитуды тока в шлейфе. Кроме того, возможно применение устройства на базе микро-РС в качестве управляющей системы локомотивной аппаратуры САУТ.

Дальнейшее развитие устройства измерения и контроля параметров САУТ видится в добавлении автоматической функции диагностики неисправностей напольной аппаратуры САУТ по осциллограммам шлейфового тока. Для этого необходимо продолжить исследования по изучению влияния работы отдельных узлов напольной аппаратуры на характер изменения осциллограммы шлейфового тока для построения диагностических и прогнозирующих моделей. Это позволит снизить затраты на ремонт, поддерживать необходимый уровень надежности и, в конечном итоге, выполнять ремонтные и регулировочные работы по фактическому техническому состоянию узлов напольной аппаратуры САУТ.

В заключении должен выразить глубокую благодарность моему научному руководителю профессору Варгунину В. И. и научному консультанту доценту Гуменникову В. Б. Автор также выражает признательность Л. Н. Лурье и сотрудникам вагона-лаборатории службы сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги за их неоценимую помощь при проведении исследований.