CC BY
55
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Матяш Ю. И., Давыдов Г.И., Кирпиченко Е.М. Эффективная система осушки сжатого воздуха // Локомотив. 2005 № 8. 48 с.
2. Матяш Ю. И., Кирпиченко Е. М. Анализ методов и устройств для получения сжатого воздуха, используемого в тормозных системах грузового подвижного состава // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте : материалы науч. конф.
3. Матяш Ю. И., Кирпиченко Е. М., Зубенко В. В. Изменение теплофизических свойств
влажного воздуха при его перемещении по тормозным магистралям локомотива // Транспорт Урала. 2015. № 4 (47). С. 59-62.
4. Вороней Д., Козич Д. Влажный воздух. М. : Энергоатомиздат, 1984. 136 с.
5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизиче-ским свойствам газов и жидкостей. М. : Наука, 1972.720 с.
6. Матяш, Ю.И., Кирпиченко Е.М., Клюка В. П. Новый подход к очистке сжатого воздуха для железнодорожного транспорта // Известия Транссиба 2014. № 4 (20). С. 30-34.
УДК 629.015 Марюхненко Виктор Сергеевич,
д. т. н., профессор, кафедра «Автоматика, телемеханика и связь», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89149373090, e-mail: [email protected] Гурулёва Марина Анатольевна, аспирант, кафедра «Автоматика, телемеханика и связь», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89141412651, e-mail: [email protected]
РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АКТИВНЫМ ОТВЕТОМ
V. S. Maryukhnenko, М. А Gurulyova
THE ROLLING STOCK INTEGRITY CONTROL RADAR-TRACKING SYSTEM
WITH THE ACTIVE ANSWER
Аннотация. Рассматриваются объективная необходимость и технические предпосылки радиолокационного контроля системы целостности подвижного состава на ходу поезда. Выполнен краткий анализ существующих способов контроля целостности, отмечены недостатки, ограничивающие эффективность их применения. Сделан вывод о необходимости и возможности альтернативного подхода, а именно применения для контроля целостности радиолокационных средств.
Предложена структура автоматической радиолокационной (с активным ответом) системы контроля целостности состава на ходу поезда (АРСКЦ) и геометрия размещения на местности устройств, составляющих АРСКЦ. Выбран критерий целостности и рассмотрено функционирование АРСКЦ. Показано, что алгоритм функционирования АРСКЦ должен включать измерения длительности отраженных радиолокационных импульсов и доплеровские сдвиги несущей частоты в зависимости от длины контролируемого поезда. Отмечено, что для обнаружения и определения параметров отраженных радиоимпульсов целесообразно применять оптимальную обработку сигналов. Установлено, что применение в АРСКЦ активного радиолокационного ответа улучшает характеристики обнаружения и оценки параметра отраженного сигнала, энергетические характеристики системы, а также позволяет ввести информационное резервирование при вычислении критерия целостности. Приведены алгоритмическая граф-схема функционирования АРСКЦ и структура информационного резервирования при контроле целостности.
Ключевые слова: алгоритм, активный ответ, оптимальная обработка, оценка параметра, радар, радиолокация, целостность подвижного состава.
Abstract. Objective need and technical prerequisites of rolling stock integrity radar control on the run system are considered. The conclusion is drawn on need and a possibility of alternative approach, namely for integrity control.
The structure of train of structure of integrity monitoring on the run system automatic radar (with the active answer) using radars (ARSKT) is offered. Of the devices making ARSKT geometry district the placement is offered. The criterion of integrity is chosen and functioning of ARSKT is considered. The algorithm offunctioning ofARSKT includes measurements of duration of the reflected radar impulses and Doppler shifts of the bearing frequency depending on length of the controlled train. It is noted that it is expedient to apply optimum processing of signals for detection and determination ofparameters of the reflected radio impulses. Active radar answer application in ARSKT improves characteristics of detection, an assessment ofparameter of the reflected signal, power characteristics of a system and allows to enter information reservation at integrity criterion calculation. The ARSKT functioning algorithmic flowgraph and structure of information reservation at integrity control are developed.
Keywords: algorithm, active answer, optimum processing, parameter assessment, radar, radar-location, rolling stock integrity.
Введение лезнодорожных перевозок. Рост скорости движе-
Экономическое развитие народного хозяй- ния поезда актуализирует требования к безопасно-ства требует непрерывного роста скоростей же- сти. Одно из направлений поддержания безопас-
Транспорт
ности движения железнодорожных составов - непрерывный или периодический контроль его целостности.
Тривиальным решением вопроса получения информации о заданном значении длины поезда или числа вагонов (здесь и далее под термином «вагоны» понимаются разнообразные подвижные железнодорожные единицы: локомотивы, пассажирские и грузовые вагоны, платформы, наливные цистерны, хопперы и т. п.) в железнодорожном составе является ручной ввод этих значений в «натурный лист» (натурный лист грузового поезда (форма ДУ-1) - основной технологический документ, используемый для организации процесса обработки вагонопотоков на станциях железных дорог) на пункте формирования с последующим изменением (подтверждением) данных на пунктах переформирования и контроля [1]. Проявление человеческого фактора способно существенно исказить эти данные [2, 3].
Поэтому автоматизация контроля целостности подвижного состава на ходу его следования остается актуальной и является одной из приоритетных задач в области обеспечения безопасности движения.
С целью решения этой задачи непрерывно ведутся теоретические исследования и опытно-конструкторские работы (В. М. Лисенков, С. А. Щиголев, И. Г. Тильк, В. В. Ляной, В. С. Наговицын, Б. С. Сергеев, Ю. Ф. Редров, А. М. Кривда), по результатам которых защищаются диссертации [4], публикуются монографии [5, 6] и статьи в научных журналах [7-11]. Одновременно ведется патентный поиск, создаются изобретения и полезные модели [12-14].
Существующие системы построены путем реализации способов контроля целостности на основе:
а) использования электронного счета осей;
б) анализа состояния рельсовых цепей;
в) применения индукторных датчиков;
г) контроля давления в пневмосистеме тормозов;
д) применения систем радионавигации и радиосвязи.
Общие недостатки применяемых способов контроля:
а) контроль целостности выступает как побочный результат решения задачи интервального регулирования движения поездов;
б) решение о целостности поезда принимается по косвенным признакам;
в) необходимость использования рельсовых цепей;
г) относительно низкая достоверность.
На важность контроля целостности подвижного состава для безопасности движения обращается в руководящих документах «Минтранса России» [15].
Следовательно, актуально не только решение задачи автоматизации контроля целостности поезда, но и поиск иных способов контроля, свободных от указанных недостатков.
Альтернативным направлением дистанционного контроля состояния поезда может служить применение для этой цели радиолокации. Радиолокационные системы всепогодны, автономны, поддаются автоматизации. Имеется большой опыт успешного применения радиолокации для контроля окружающего пространства в авиации [16] и судовождении [17]. В частности, В. М. Артю-шенко и В. И. Воловач [18] доказывают возможность практической реализации системы контроля целостности на основе радиолокационного обзора пространства и идентификации подвижного радиоконтрастного объекта - железнодорожного подвижного состава.
Цель статьи: структурный синтез радиолокационной, с активным ответом, системы контроля целостности железнодорожного состава (АРСКЦ) на ходу поезда.
Структура и принцип функционирования АРСКЦ
Структура. Радиолокационная система с активным ответом (рис. 1) предназначена для решения задачи контроля целостности железнодорожного состава и включает две пространственно разнесенных части, информационно связанных радиолокационными каналами формирования и передачи данных и функционирующих по единому алгоритму.
1. Стационарная часть устанавливается на расстоянии 5Ь от оси железнодорожного пути (рис. 1) и включает путевой радар-запросчик (ПРЗ), который состоит из (рис. 2, а):
а) путевого радара в составе передатчика (ПРД) и приемника (ПРМ) электромагнитных колебаний (ЭМК) радиолокационных зондирующих сигналов на несущей частоте /р ;
б) путевого радиолокационного запросчика в составе передатчика (ПРДЗ), излучающего кодированные запросные импульсы ЭМК на несущей частоте / и приемника (ПРМЗ) ответных кодированных импульсных сигналов, излучаемых локомотивным ответчиком;
в) совмещенной приемо-передающей антенны (АПЗ), расположенной в точке А, с диаграммой направленности (ДН), веерной (косекансного типа) в горизонтальной плоскости и узкой в вертикальной плоскости, предназначенной для:
ь
рг
Ж.д. путь
Г
пппппппппппппппппппппппппппппп гкп ппппппппп
ЛА
Локомотив Вагоны
иииииииииииииииииииииииииииииииииииииииии
АЛО 2
а N 1
3 УУрг-1
ПРЗ
\Боковые лепестки ДН
Решение 9
Основной лепесток веерной ДН приемо-передающей антенны радара
Рис. 1. Геометрия размещения структурных элементов радиолокационной системы
ШЗ ПРДЗ
г-
ПМП Г
С
ПРМ
ДШЗ
ПРМЗ
1
А
л
АК
I
ПРД
V ЛА V
А V
ПРМ ЛО --
ДШ ЛО
АК ( С
<
МПВ ЛО
ПРД ЛО
Ш ЛО
9
а)
Рис. 2. Структура радиолокационной систем1 в составе стационарной (а)
- излучения зондирующих и запросных импульсов ЭМК на частотах соответственно/ и/;
- приема отраженных и ответных импульсов ЭМК на частотах с учетом доплеровского сдвига соответственно
/прм.р = (/р + ^р ) и /прм.о = (/з + К); (1)
г) антенного коммутатора АК, необходимого для осуществления операции согласно п. в);
д) путевого микропроцессорного вычислителя (ПМВ) [19], предназначенного для:
- управления режимами обработки принимаемых сигналов;
- управления синхронизатором С;
- генерирования кодов шифратора ШЗ и дешифратора ДШЗ путевого запросчика.
2. Поездная часть состоит из:
а) контролируемого состава, состоящего, в общем случае, из локомотивов и вагонов общей
б)
контроля целостности с активным ответом и локомотивной (б) частей
численностью ^ < Ырг и длиной ЬрЯ < Ьрг, где Ырг и Ьрг, и ЬрЯ - соответственно априори известные и измеренные (апостериорные) количества вагонов и длины поездов (рис. 1);
б) бортового локомотивного активного радиолокационного ответчика АЛО, функционирующего в составе комплекса локомотивных устройств безопасности (КЛУБ). АЛО состоит из (рис. 2, б):
- приемника (ПРМ ЛО) запросных кодированных ЭМК;
- дешифратора (ДШ ЛО) кодированных запросных импульсных радиосигналов;
- шифратора (Ш ЛО) ответных импульсных радиосигналов;
- передатчика (ПРД ЛО) кодированных ответных импульсных радиосигналов, излучающего ЭМК на несущей частоте /о;
Транспорт
- локомотивного микропроцессорного вычислителя (МПВ ЛО);
- локомотивной антенны (ЛА) со слабонаправленной ДН в сторону точки A, совмещенной для режимов «прием» и «излучение» через антенный коммутатор АК.
Функционирование. Импульсный радар (рис. 2, а), расположенный в точке A, по сигналам синхронизатора С, управляемого командами ПМВ, в моменты времени
tзн = (к + mTп), (2)
где ТП - период следования зондирующих импульсов (ЗИ); т = 1, 2, 3, ... - номер периода зондирования, формирует в передатчике ПРД последовательность импульсов ЭМК длительностью Тр на несущей частоте /р, которые излучаются через антенну А.
Импульсы ЭМК, распространяясь со скоростью света с, подвергают облучению СВЧ-энергией все предметы в пространстве, окружающем антенну А, и отражаются от них в зависимости от электромагнитных свойств. Таким образом, из одного зондирующего импульса ЭМК от объектов, расположенных в дальней зоне антенны, образуется множество импульсов, отраженных в направлении антенны радара. В антенне радара принятые импульсы преобразуются в импульсы СВЧ-тока и поступают на обработку в радиолокационный приемник ПРМ.
Временной промежуток от ЗИ до начала приема отражения от к-го точечного объекта (объект точечный, если 1г < сТз/2, где 1г - его размер в радиальном направлении от антенны; объект протяженный, если 1г > сТз/2), расположенного на расстоянии Я к (рис. 3, а),
Тк = 2Я к/с (3)
можно определить с точностью не лучшей [16, 19], чем
Аг = сТр/2, (4)
так как отраженный импульс имеет длительность
Тт ~ Тз.
От к-го протяженного объекта, где к = 1, 2, 3, ..., п - целое число (рис. 3, а) длительность Тпр радиолокационного сигнала на входе ПРМ из-за множественного перекрытия отраженных импульсов оказывается функцией радиального размера г пр.к объекта
Тпр. к = 2гпр.к /с > Тз. (5)
Из (16) следует, что проекция размера к-го протяженного объекта на линию «антенна - объект» есть функция разности длительностей зондирующего и отраженного импульсов
Гпр.к = р(Тпр.г - Тз). (6)
Если протяженный объект подвижный, то
различные его точки, например B и ^ движутся с различными скоростями относительно антенны А. Соответственно, частоты /В и /С принимаемых от них отраженных ЭМК имеют различный допле-ровский сдвиг, и в общем случае:
/в * /р; /с * /р; /с * /в. (7)
Наблюдаемое расширение спектра отражений, принимаемых в точке A, по сравнению с монохромной несущей излучаемого радиолокационного сигнала (рис. 3, б)
А?= /с - /в. (8)
Железнодорожный состав представляет собой движущийся удлиненный отражающий радиолокационный объект (рис. 4). Поэтому моменты tв и ^ соответственно суть моменты начала отражения от переднего локомотива 1 и окончания отражения от последнего вагона ^ж. Промежуток времени в соответствии с (4)-(6)
Аtвc= к - tв=2(Sc- ^в)/с, (9)
где Sв = |AB| и Sc = |AC| - текущие радиолокационные дальности от точки A до точек B и C соответственно, однозначно определяет апостериорные значения и ^ (см. рис. 1, рис. 4).
ы(г)
ио
Отражения от объектов: точечного протяженного
Тз „ Лт~Тз tв
Тпр>Тз ^С
а)
и( /)
/о
/в
/с /
б)
Рис. 3. Временные (а) и спектральные (б) особенности принимаемых радиолокационных сигналов, отраженных от точечных и протяженных, подвижных и неподвижных объектов
Доплеровский сдвиг радиолокационных сигналов, отраженных от точек B и C при конкретизации формул (7) и (8) для переднего обреза головного локомотива и задней границы замыкающего вагона при движении поезда со скоростью V:
IV(г>
1 в —
Т7 2^> 1 — ■ с
Ч с Ч
(10)
где V|¡r> и V^r> - скорости движения относительно точки A соответственно точек B и C:
V(г > — V
Б1п ав;
V(r> — V Б1Пас; (11)
п
Яр = с / - длина волны колебаний, излучаемых радаром.
На основе теоремы синусов из АБСЕ следует:
|ЕС| |БС|
-!-!-=-!-!-, (12)
Ф , ^ П I ^^ N • П Ч
51п( в с) зт(- + ав)
или, после преобразований и с учетом формулы (9):
^ = (Зе - 8В) 2С°5ав-. (13)
вт[(ав + ас )/2]
Критерием целостности железнодорожного состава служит двоичная переменная 9, которая формируется в путевом микропроцессоре по правилу
[0, при = Ьрг,
ь
0 = ■
1 при ¿рб, * ЬрГ,
рг ?
или
уВг)
N ас
[0, при = Ырг,
0 = 11 А/ л/ (14)
[1, при Ыр, * ЫрГ. ( )
Значения длины Ьрг и количества ^г единиц железнодорожного подвижного состава, подвергаемого контролю, вносятся в память КЛУБ в пункте формирования состава, а также при каждом изменении числа железнодорожных единиц состава на станциях в пути следования. Апостериорные значения этих величин ЬрЯ и определяются путем радиолокационного измерения длины поезда или количества вагонов в нём.
Таким образом, реализовать вычисления согласно формулам (9)-(14) и определить апостериорную длину поезда возможно при наличии значений временных промежутков (¿о - ¿о), (¿в — ¿о) и А(во, доплеровских сдвигов Ев и Ее (рис. 3), а также скорости движения локомотива у.
Временные промежутки (¿о - ¿о), (¿в - ¿о) и А(во и доплеровские сдвиги Ев и Ее определяются обработкой принятых отраженных сигналов путевого радара. Для получения на станционном оборудовании значения скорости у следует применить дополнительный канал передачи с локомотива на ПР.
Оптимальное обнаружение поездного
радиолокационного сигнала
Прием отраженных радиолокационных сигналов радара ис(0 происходит в условиях аддитивных воздействий внутренних и внешних шумов Ым(0, так что справедливо уравнение наблюдения [20]
Ивхх(0 = ис(0 + Ым(0. (15)
А
Рис. 4. Геометрия радиолокационного определения длины железнодорожного состава
Так как шумы Ым(0 - случайный процесс, который маскирует полезный сигнал ис(0, то случайны также моменты времени ¿в и ¿с (рис. 3, а) и доплеровские сдвиги Ев и Ее (рис. 3, б). Поэтому принятие решения о наличии либо отсутствии в аддитивной смеси (15) отраженного сигнала ис(0, а также измерение её временных и доплеров-ских параметров выполняется методами статистической обработки наблюдения Ивхх(0. Статистическая обработка наблюдения разбивается на две процедуры [16, 21, 22]:
а) обнаружение поезда на участке контроля;
б) оценка параметров принятого сигнала, а именно моментов времени ¿с и ¿в и доплеровских сдвигов Ев и Ее.
Прием сигнала Ыо(0 на фоне шумов Ым(0 фиксируется по превышению наблюдением Ывхх(0 порога обнаружения ип. Порог ип определяется значениями вероятности ложной тревоги Рш при условии, что Ыо(0 = 0,
Рт = ¡рК /("с = 0)Уи < Р
зад лт
(16)
и вероятности правильного обнаружения Рпо при условии, что Ыо(0 * 0 при максимизации вероятности правильного обнаружения
п
Рпо = |р(и! /"с *
(17)
и является решением системы интегральных уравнений (16) и (17) при заданном техническими условиями значении вероятности ложной тревоги
Рлзтад, где р[щ /(ис = 0)] и р[иъ /(ис * 0)] - плотности вероятностей выборок наблюдения (15) соответственно при отсутствии и при наличии сигнала.
Оптимальность процедуры обнаружения при приеме сигнала Ыо(0 на фоне белого гауссовского шума (БГШ) Ым(0 определяется правилом выбора порога ип согласно критерию Неймана - Пирсона,
и
да
Транспорт
при котором максимизируется вероятность правильного обнаружения сигнала:
(Ро )макс — шах| {р(и2 / ис * о>^|. (18)
Согласно критерию Неймана - Пирсона, из выражений (16) и (18) следует, что порог обнаружения ип отраженного сигнала полностью определяется отношением [16, с. 77]
Я — 2Е / N, (19)
где Е - энергия сигнала, N0 - односторонняя плотность БГШ.
Следовательно, для увеличения вероятности правильного обнаружения Рт при фиксированных условиях приема необходимо увеличить энергию Е обрабатываемого сигнала. Это достижимо двумя путями: накоплением сигнала в течение длительного промежутка времени наблюдения либо повышением мощности принимаемого сигнала. Последнее однозначно связано с увеличением мощности передатчика, что неприемлемо вследствие ограничений экологического, энергетического, эксплуатационного, медицинского характера.
Альтернативой повышению мощности входного сигнала является применение системы активного ответа в составе путевого запросчика и локомотивного ответчика. При соизмеримых мощностях передатчиков радара и локомотивного ответчика мощность передатчика радара можно
снизить в ~ 42 раз. Применение запрос-ответного канала позволяет не только улучшить качество оптимального обнаружения и определения вре-менньк и доплеровских параметров, но и организовать дополнительный канал передачи служебной информации, прежде всего необходимой для реализации алгоритма контроля целостности - априорной длины состава Ьрг и текущей скорости поезда V.
Режим активного ответа
Обмен запрос-ответными сигналами. Путевой запросчик на каждом г-м периоде повторения Тц г = 1, 2, 3, ..., N, синхроимпульсов иСи(0 (рис. 5), генерируемых по сигналам точного времени под управлением напряжения синхронизатора С (рис. 2, а):
N
и и (г > — X {М - ^ > - - + Т + тси >]}
- № - (го, + Тси>] - - (го, + Т>]}}—
N
— X гес-(г, го,, Тси, Т, N > ,
(20)
где операция - функция Хэвисайда от указан-
ных параметров; {гес1;(*)} - математическое описание последовательности прямоугольных импульсов с указанными параметрами, начиная с момента времени запроса
tзг = йог - Аог (21)
формирует кодированную запросную двух- или трехимпульсную посылку. Кодирование применяется для повышения надежности работы системы активного ответа, в частности для защиты от шумов и синхронных помех.
Передатчиком ПРДЗ формируется запросный радиосигнал и(), например, в виде двухимпульсной кодовой посылки, и излучается антенной ПЗ
из (г> — из (г>С08(юзг + Фз > , (22)
где /з = Юз/2л = с/Хз - частота, фз - начальная фаза, - амплитуда, аналогично (20), запросных импульсов:
N
^з (г > — и о X гео-(г, гы, Аг01, ТзИ, тКЗ , Т, N >, (23)
,—1
где и о - амплитуда импульсов в кодовой посылке, Тзи - длительность импульсов запросного сигнала, Ткз - время кодовой расстановки импульсов запросного сигнала.
Через промежуток времени Т1 = Тр.з, необходимый для распространения радиосигнала (22), последний принимается локомотивной антенной ЛА и в приемнике ПРМ ЛО обрабатывается и декодируется в ДТТТ ЛО. На это требуется время
Т2 Тзи + Ткз + Тдшз, (24)
где Тдшз - длительность дешифрирования кода запросного сигнала.
Декодированный запросный сигнал Ц,шз(0 передается в шифратор Т ЛО, в котором формируется кодированный ответный сигнал Цю(0 длительностью Т3 = То, содержащий группы импульсов:
а) синхрогруппу (СГ), предназначенную для адаптации дешифратора приемника путевого за-просчика к коду сигналов ЛО;
б) информационную группу (ИГ), которая содержит служебные данные, необходимые для функционирования системы, передаваемые за-просчиком ответчику (информационная группа кода ответного сигнала: 1) должна включать кодированные данные: а) о скорости V локомотива по автономным данным КЛУБ; б) об априорных значений длины поезда Ьрг и числа единиц подвижного состава ^г; в) о доплеровском сдвиге частоты К.ло принимаемого запросного сигнала; 2) может включать кодированные информационные сообщения: а) о времени захода на текущий участок контроля, выхода с предыдущей станции,
,—1
,—1
первого приема запросных сигналов на участке контроля; текущего приема запросных сигналов tзт; б) о номере поезда; в) о результатах работы встроенной системы контроля; ж) о текстовых и/или речевых сообщениях и др.).
Этими группами импульсов модулируется передатчик ПРДло. Сформированные ответные ЭМК излучаются антенной ЛО и через промежуток времени Т4 = Тр.о от момента излучения принимаются антенной А путевого запросчика.
Результат обработки ЦрДО принятого в момент времени ^р.о приемником ПРМЗ ответного сигнала декодируется в ДШЗ, на что требуется
время Т5 = То+Тдш.о.
Через промежуток времени
комотива:
у(зо) _ ГВ Аз _ ГВ Ао .
т = t -1 . = Y-
зо отв з. / > n=1
(25)
формируется импульс ответа Потв^, (зЬ ¿отв), временное положение которого содержит информацию о расстоянии между запросчиком и ответчиком.
Формирование значения дальности. Запрос-ответный промежуток времени Тзо (25) представим суммой двух слагаемых Тсист и т( Dзо):
Тзо Тсист + т( Язо), (26)
где Тсист (Т2+Т3+Т5) = const - характерное время конкретной системы радиолокации с активным ответом;
Тфзо) = Т1+Т4=Тр.з + Тр.о =2Dзо/c - (27)
функция расстояния Dзо между антеннами ПЗ и ЛО.
Следовательно, по измерению методом активной радиолокации запрос-ответного промежутка времени Тзо в вычислителе ПЗ по формулам (25)-(27) определяется расстояние между ПЗ и ЛО
£зо = фзо- Тсист)/2 = Sb . (28)
Определение расстояния с использованием активного ответа позволяет повысить мощность эквивалентного ответного сигнала в точке приема. Благодаря этому повышается точность измерения расстояния Sb, т. е. точность определения положения локомотива (точка B на рис. 1 и 4).
Формирование значения скорости локомотива. Из геометрии размещения структурных элементов системы активного ответа (рис. 4) следует применение формул (10) для доплеровского сдвига частот соответственно запросного и ответного сигналов, принимаемых приемниками ПРМ ЛО и ПРМЗ:
, V(г) F(o) = , (29)
з До
где Дз и До - соответственно длины волн ЭМК запросного и ответного сигнала.
После преобразований с учетом формул (11) получаем уравнения для вычисления скорости ло-
V(г)
F (з) = V В
В Д '
£
— -в . (30)
Таким образом, формирование сигнала скорости локомотива возможно:
а) по результатам доплеровской обработки запросного сигнала на ЛО и ответного сигнала на ПЗ при наличии расстояния Sв, измеренного путевым радаром;
б) по данным автономных датчиков КЛУБ.
Применение активного ответчика позволяет
получить многократное резервирование радиолокационного измерения скорости локомотива и таким путем повысить надежность выполнения алгоритма вычисления апостериорной длины поезда и, в конечном счете, контроля целостности состава.
« 1
Рис. 5. Временные диаграммы формирования сигналов активного ответа:
Условные обозначения:
Цси(0 - напряжение СИ;
- напряжение излучаемых импульсов запроса;
Цпр.з© - напряжение принимаемых импульсов запроса;
Uло(t) - напряжение излучаемых ответных сигналов локомотивного ответчика;
ипр.о(0 - напряжение принимаемых ответных сигналов локомотивного ответчика;
и() - импульс отсчета времени прихода ответного сигнала;
Алгоритм функционирования АРСКЦ
Цель функционирования АРСКЦ - принятие решения о целостности контролируемого железнодорожного состава, для формирования которого в стационарной части системы необходимо:
а) выполнить оптимальную обработку принятых отраженных радиолокационных сигналов
5
n
Транспорт
Т
^кз-
Тдшз- То; ^ко; ^ятш
/р; /з; /о ^о
1 ' ' 1 1
^ Начало^-
X
Исходные условия
29
1
Э 2
* 4
15
Т
Е*,
-5
10
12
11
Е*
16
14
ЕВ
9 17 1
18
19
20
Нет
21
Да
Да
23
22
Нет
24
25
28
т
30
Окончание
Таблица пояснений к алгоритмической схеме функционирования АРСКЦ
Номер функ- циона- льного блока Выполняемые функциональные операции:
1 Синхронизация временных измерений стационарной части
2 Формирование импульсов ЭМК
3 Формирование кодированной импульсной посылки запросного сигнала
4 Излучение зондирующих и запросных импульсов ЭМК
5 Отражения ЭМК от препятствий
6 Синхронизация временных измерений локомотивной части
7 Прием и первичная обработка принятого радиосигнала в ЛО
8 Согласованная доплеровская фильтрация
9 Декодирование запросного сигнала
1о Формирование кодированной импульсной посылки ответного сигнала
11 Излучение ответных импульсов ЭМК
12 Прием и первичная обработка отраженных и ответных радиоимпульсов
13 АРУ приемного тракта
14 Квазиоптимальная обработка отраж. сигнала
15 Корреляционная обработка отраженных имп.
16 Согласован. доплер. фильтр. отраж. радиоимп.
17 Декодирование ответного сигнала
18 Формирование импульса ответа
19 Вычисление текущей длины поезда Ьт
2о Вычисление показателей достоверности оценок квазиоптимальной фильтрации
21 Контроль логического условия (Ьрг - Ьрт)=о
22 Контроль логического условия (Ьрг - Ьрт)>о
23 Формирование критерия целостности 9=о
24 Формирование критерия целостности 9= 1
25 Формирование сигнала ошибки алгоритма
26 Формирование сигнала индикации 9=о
27 Формирование сигнала индикации 9=1
28 Формир. сигнала ошибки алгоритма
29 Управление параметрами радиолокационного сигнала, режимами обработки
3о Передача результатов контроля целостности в центр управления перевозками.
Рис. 6. Алгоритмическая граф-схема функционирования системы АРСКЦ
по каналу радарного обзора и получить оценки: ¿с, ¿в - промежутков времени согласно (9); Ев и Ее -доплеровских сдвигов согласно (10) и (11);
б) измерить параметры сигналов запросно-ответного канала: Тзо - время задержки ответного
!7(з) 77 (о)
сигнала; , доплеровские сдвиги частот;
в) дешифрировать информационную часть кода ответного сигнала и получить значения параметров: скорости у локомотива, фиксированной в КЛУБ, априорной длины поезда Ьрг, числа единиц подвижного состава Ырг, доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала Ез.ло;
г) вычислить согласно выражению (30) зна-
чение скорости У(зо) по запрос-ответному каналу; д) вычислить согласно выражению (13) текущую длину поезда Ь^;
е) проверить выполнение логических условий (14);
ж) сформировать команду для управления поездом в зависимости от значения критерия целостности поезда 9.
Автоматическое определение значения критерия 9 (14) и принятие решения о состоянии поезда осуществляется путевым микропроцессорным вычислителем (ПМВ) согласно алгоритму, показанному на рис. 6.
1
6
3
8
7
9
в
Ь
Ь
Результаты измерений радара и запрос-ответного канала могут быть транслированы на локомотивный ответчик в формате кодированной информационной группы в ответном сигнале. Благодаря этому аналогичный алгоритм контроля целостности может быть реализован на борту локомотива. Следовательно, образуется двухканальная параллельная вычислительная система обработки аналогичных данных (рис. 7), способствующая повышению надежности функционирования АРСКЦ.
Рис. 7. Алгоритм функционирования АРСКЦ с информационным резервированием
Выводы
Радиолокационная система контроля целостности подвижного состава с активным ответом позволяет определить наличие/отсутствие нарушения целостности подвижного состава на основе вычисления критерия целостности (14) в контрольных стационарных точках прямолинейных участков железнодорожного пути и дальнейшей передачи полученного значения в центр управления перевозками.
АРСКЦ позволяет получить дополнительные данные: расстояния до локомотива, до последнего вагона поезда и скорость движения поезда, которые, как и апостериорное значение длины поезда, могут быть использованы и в других системах безопасности.
Вычислительная часть решения задачи радиолокационного (с активным ответом) контроля целостности состава на ходу поезда допускает, при организации обмена данными между наземной и локомотивной частями АРСКЦ, распараллеливание алгоритмов определения критерия целостности. Таким образом, применение радиолокационной системы с активным ответом не только решает задачу внебортового получения информации о заданных параметрах поезда, но и повышает информативную избыточность результатов текущего контроля поезда, в частности контроля целостности последнего, а также резервирование вычислительного процесса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по составлению натурного листа поезда // BESTPRAVO : информ.-правовой портал. URL: http://russia.bestpravo.ru/ fed2003/data 08/tex24906.htm. (дата обращения 12.03.216).
2. Марюхненко В.С., Дудин С.А., Трускова Т.В. Системный анализ состояния человека-оператора в автоматизированной системе управления // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. 2 (42). С. 143-150.
3. Марюхненко В.С., Комогорцев М.Г., Трускова Т.В. Пути предотвращения критических состояний на транспорте // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2007. 2(14). С. 96-102.
4. Щиголев С. А. Исследование и разработка систем обеспечения безопасности движения поездов на основе метода счета осей подвижного состава : автореф. дис. ... канд. техн. наук / С. А. Щиголев ; Всерос. науч. исслед. ин-т ж.-д. трансп. Екатеринбург, 2002. 23 с.
5. Тильк И.Г. Новые устройства автоматики и телемеханики железно-дорожного транспорта. Екатеринбург : УрГУПС, 2010. 168 с.
6. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем. / Марюхненко В.С. и др. Новосибирск : Наука, 2014. 256 с.
7. Лисенков В.М. Цели, принципы и методы технического регулирования на железнодорожном транспорте // Транспорт Российской Федерации. 2009. № 5 С. 42-45. [Электронный ресурс] URL: http://www.rostransport.com/transportrf/pdf/ 24/42-45.pdf. (дата обращения 22.02.2016).
8. Тильк И.Г., Ляной В.В., Редров Ю.Ф. Система счета осей. Комплексная модернизация и обновление систем обеспечения безопасности движения // Автоматика, связь, информатика, 2004. № 6. С. 30-31.
9. Сергеев Б.С., Щиголев С.А., Наговицын В.С. Пропускная способность перегонов: число поездов или вагонов? // Транспорт. Наука, техника, управление. 2002.№ 2. С. 2-5.
10. Автоблокировка с изменяемым числом блок-участков / И.Г. Тильк и др. // Современные информационные технологии, электронные системы и приборы железнодорожного транспорта : Межвуз. сб. науч. трудов. Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2005. Вып. 36(119). С.103-114.
11.Марюхненко В.С. Особенности синтеза информационных автоматических систем управления
подвижными объектами при случайных воздействиях // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2005. № 4 (8). С. 123-128.
12.Пат. 76153 Российская федерация, МПК (2006.01). Система мониторинга состояния подвижных объектов / В.С. Марюхненко, М.Г. Комогорцев ; патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. № 2008114483/22 ; заявл. 14.04.08; опубл. 10.09.08, Бюл. № 25. 3 с.
13.Пат. 79082 Российская федерация, МПК (2006.01). Устройство обнаружения опасного сближения поездов, следующих в одном направлении / В.С. Марюхненко, М.Г. Комо-горцев ; патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. № 2008125963/22 ; заявл. 25.06.08 ; опубл. 20.12.08, Бюл. № 35. 3с.
14.Пат. 104908 Российская Федерация МПК (2006.01). Микропроцессорная система интервального регулирования движением поездов с позиционированием подвижных железнодорожных единиц / В.С. Марюхненко, А.А. Елгин ; патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщ. № 2010118647/11 ; заявл. 07.05.2010 ; опубл. 27.05.11, Бюл. №15. 4 с.
15.Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации : утв. Приказом
Минтранса России от 21.12.2010г. № 286. М. : Трансинфо ЛТД, 2011. 256 с.
16.Дудник П.И., Чересов Ю.И. Авиационные радиолокационные устройства. М. : ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 1986. 533 с.
17. Судовая радиолокация: судовые радиолокац. системы и САРП : учеб. пособие для спец. "Судовождение" и "Гидрография" / А.А. Дуров, и др. ; Камч. гос. техн. ун-т. Петропавловск-Камчатский, 2000. 326 с.
18.Артюшенко В.М., Воловач В.И. Экспериментальное исследование параметров спектра до-плеровского сигнала, отраженного от протяженного объекта // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2012. № 3 (24) С. 17-24.
19. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория / под ред. Я.Д. Ширмана. М. : Радиотехника, 2007. 512 с.
20.Марюхненко В.С. Радиоприемные устройства. Иркутск : ИВАИИ, 2001. 531 с.
21.Мухопад Ю.Ф. Проектирование специализированных микропроцессорных вычислителей. Новосибирск : Наука, 1981. 160 с.
22.Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М. : Радио и связь, 1982. 624 с.
УДК 656.21:519.6 Гозбенко Валерий Ерофеевич,
д. т. н., профессор,
Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (3952) 638357, e-mail: [email protected] Оленцевич Виктория Александровна, к. т. н., доцент, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (395-2) 638-328, е-mail: [email protected]
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И ЗАЩИТЫ ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПУТЕМ ВНЕДРЕНИЯ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАГОНОВ
V. E. Gozbenko, V. A. Olentsevich
ENSURING SAFETY AND SECURITY OF TRANSPORTATION SYSTEMS THROUGH THE INTRODUCTION OF METHODS TO INCREASE THE EFFICIENCY AND UTILIZATION OF CARS
Аннотация. В статье выявлены и проанализированы основные факторы, воздействующие на организацию безаварийной работы железнодорожной транспортной системы. По результатам деятельности Восточно-Сибирской железной дороги построена математическая модель влияния частных показателей типов нарушений на общее состояние уровня безопасности региональной железнодорожной транспортной системы с ее декомпозицией на подсистемы. Описана система математических прогнозных моделей регрессионного типа, которая в дальнейшем может быть использована для среднесрочного прогнозирования уровня безопасности. С целью повышения степени эксплуатационной отдачи отдельных компонентов, входящих в комплекс транспортной единицы, снижения потерь на вынужденные простои и порожние пробеги, решения проблемы занятости путей железнодорожных станций для работы, а тем самым увеличения пропускной и перерабатывающей способностей участков и транспортных узлов предлагается изменить способ организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте.
Ключевые слова: грузовой вагон, организация бесперебойной работы, транспортная система, регрессионная модель, способ организации грузовых перевозок, порожний пробег, эффективность использования вагонного парка.
Abstract. The article identified and analyzed the main factors affecting the organizational and trouble-free operation of the railway transport system. Using the results of the activities of East-Siberian railway, a mathematical model of the impact of private indica-
