CC BY
254
Общетехнические задачи и пути их решения
101
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 656.254.16:656.21
В. С. Антоненко, Ю. А. Кравцов, В. М. Сафро, А. Б. Чегуров
АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ЧИСЛОВОГО КОДА
Рассмотрены причины искажений числовых кодовых комбинаций системы автоматической локомотивной сигнализации. Приведены результаты экспериментальных исследований в эксплуатационных условиях работы этой системы, выполнена оценка вероятности сбоя в работе вследствие воздействия помех.
сбой, искажение кодовой комбинации, автоматическая локомотивная сигнализация, гистограмма, импульс, остаточная намагниченность рельсов, вероятность, поток событий, доверительный интервал.
Введение
Наибольшее применение на сети российских железных дорог получила система автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа, в которой для передачи информации на локомотив используются числовые признаки кодовых сигналов (АЛСН) [1]. АЛСН разработана в 1950 году.
В начальный период внедрения системы максимальная скорость грузовых и пассажирских поездов не превышала 70 км/ч, а интенсивность движения и вес поездов были значительно меньше, чем в настоящее время. По мере увеличения скорости и веса поездов, а также с возрастанием пропускной способности линий для обеспечения безопасности движения поездов улучшались свойства АЛСН [2]. Между тем с ростом скорости поездов устойчивость работы АЛСН снизилась. Это вызвано, с одной стороны, усилением импульсных помех тягового тока, с другой - нарушением нормального приёма кодовых сигналов при проследовании коротких изолированных участков на станциях.
В процессе передачи кодовые комбинации могут подвергаться искажениям. Причинами искажений могут быть нестабильность параметров передачи, связанных с передающими и приёмными приборами рельсовых цепей и локомотива, особенности рельсовых линий и передачи сигналов, а также помехи. При значительных искажениях, превышающих допустимые, декодирование кодовых комбинаций становится неустойчивым. Неустой-
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
102
Общетехнические задачи и пути их решения
чивость проявляется в виде сбоев в приёме сигналов, вызывающих временное появление на локомотивном светофоре неправильных показаний. При таких условиях становятся необходимыми исследования и разработка рекомендаций по повышению работоспособности АЛСН.
1 Экспериментальное определение искажений, приводящих к сбою АЛСН
С целью определения характера искажений кодовых комбинаций, воздействие которых может приводить к сбою АЛСН, были организованы и проведены поездки на участках железных дорог с подключением многоканального регистратора, обеспечивающего синхронную запись осциллограмм сигналов в приемном тракте локомотивной сигнализации (сигнал с каждой локомотивной катушки и разностный) и в силовых цепях локомотива. При этом фиксировались вес поезда, режим движения поезда (тяга, выбег, торможение), скорость, профиль, кривая на участках пути и т. д. с одновременной регистрацией декодированных сигналов и сбоев в работе локомотивного устройства АЛСН.
Опытные поездки проходили с грузовыми и пассажирскими поездами на участках их обращения. Из эксплуатируемого парка дороги выделялся один из исправных электровозов, не подлежащий в течение периода проведения испытаний плановому ремонту.
С целью выявления возможного влияния на полученные результаты искажений кодовых комбинаций, вызванных текущими отклонениями от норм содержания рельсовых цепей, анализировались протоколы измерений параметров кодовых комбинаций АЛСН на ряде дистанций автоматики и телемеханики на полигоне опытных поездок. По результатам анализа составлены гистограммы, представленные на рисунке 1, где ток на релейном конце обозначен Icmin.
Рис. 1. Гистограмма распределения сигнального тока на релейном конце (слева - тяга переменного тока, справа - тяга постоянного тока)
По результатам обработки можно сделать вывод, что значения тока Icmin имеют большие запасы по отношению к нормативным значениям,
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
103
равным 1,4 А (РЦ 25 Гц, электротяга переменного тока) и 2 А (РЦ 50 Гц, электротяга постоянного тока), и могут существенно превосходить их. На основании подробного анализа начальных участков приведённых гистограмм установлено, что доля РЦ с величиной тока менее нормативных значений составляет примерно 6-7 % и 1-2 % от общего числа РЦ в рассматриваемой статистике для тяги постоянного и переменного тока соответственно.
Общие нормативные длительности циклов Тц.норм (1,6 с и 1,9 с для КПТШ5 и КПТШ7 соответственно) выдерживаются в эксплуатации достаточно точно. В интервал Тц.норм±0,05Тц.норм попадают практически все (более 96 %) зафиксированные значения Тц. Имело место лишь незначительное число случаев (около 7 %) существенного отклонения длительности первого импульса и длительности первого интервала от установленных нормативных значений.
Таким образом, на представленном полигоне измерений содержание рельсовых цепей соответствует установленным нормам и не оказывает негативного воздействия на передачу кодовых последовательностей.
По результатам расшифровки и анализа экспериментальных поездок выявлены и зарегистрированы искажения, воздействие которых может приводить к сбою автоматической локомотивной сигнализации.
1. Лишний импульс в посылке - характеризуется появлением дополнительного импульса в паузе, причем искажающий импульс по своим характеристикам (амплитуда, длительность импульса) приблизительно соответствует истинному сигнальному импульсу.
2. Расщепление импульса - характеризуется расщеплением одного сигнального импульса на два импульса, причем амплитуда раздробленного импульса незначительно уменьшается, а длительность каждого из импульсов примерно равна половинной длительности расщепленного импульса.
3. Отсутствие импульса - характеризуется полным «вырезанием» импульса из кодовой последовательности помехой.
4. Усечение импульса - характеризуется искажением импульса в кодовой посылке в виде резкого снижения амплитуды импульса и существенного изменения длительности импульса по отношению к импульсам этой же посылки.
Наиболее опасные (при которых возникает сбой АЛСН) и часто проявляющиеся искажения можно разделить на две группы.
Комбинированное искажение 1-го рода - это искажение нескольких импульсов и/или пауз в одной кодовой комбинации. Пример типичного комбинированного искажения 1 -го рода представлен на рисунке 2.
Комбинированное искажение 2-го рода - это искажение нескольких кодовых комбинаций подряд. Пример типичных комбинированных искажений 2-го рода приведен на рисунке 3.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
104
Общетехнические задачи и пути их решения
lull
I ,
f II Mil
Рис. 2. Осциллограмма комбинированного искажения 1-го рода
Рис. 3. Осциллограмма комбинированного искажения 2-го рода
При анализе снятых во время измерительных поездок осциллограмм выяснилось, что при проходе изолирующих стыков на катушках приемника АЛСН наводятся как мультипликативная, так и аддитивная помеха.
Физические причины возникновения мультипликативной помехи при проходе локомотивом изолирующих стыков можно объяснить тем, что магнитная связь локомотивных катушек с рельсовыми линиями одной РЦ уменьшается, а с рельсовыми линиями другой РЦ - увеличивается, то есть изменяются параметры канала связи. Исследования зависимости мультипликативных помех от изменения во времени взаимной индуктивности между приемными катушками и элементами рельсовой сети, а также от различий величины сигнального тока в отдельных элементах рельсовой сети показали следующее. Коэффициент паразитной модуляции от перепада величины сигнального тока в смежных рельсовых цепях при проезде локомотивом зон изолирующих стыков значительно больше коэффициента паразитной модуляции от изменения взаимной индуктивности между приемными катушками и элементами рельсовой сети.
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
105
Вышеупомянутая аддитивная помеха является следствием образования магнитных «пятен» на изолирующих стыках. В процессе эксплуатации рельсы, всегда характеризующиеся определенной остаточной намагниченностью в зоне изолирующих стыков, могут намагничиваться до очень больших величин, вплоть до ±(450... 550) Э, что в 1000 раз больше магнитного поля Земли (0,5 Э). Предполагается, что причиной образования подобных магнитных пятен является эффект так называемого безгистерезисного намагничивания. Суть его заключается в том, что при определенных условиях ферромагнитный материал может намагничиваться не по обычной кривой, начальный участок которой имеет сравнительно малую крутизну, а по гораздо более крутой безгистерезисной кривой. В результате под воздействием даже весьма слабого внешнего поля, каким может считаться магнитное поле Земли, участки рельсов, прилегающие к изолирующему стыку, могут приобретать значительную намагниченность.
Установлено, что указанное намагничивание образцов из ферромагнитных материалов наблюдается при одновременном воздействии на них слабого постоянного магнитного поля и циклической знакопеременной механической нагрузки, изгибающей или растягивающей образец. В пользу выдвинутого предположения о природе намагничивания свидетельствует и тот факт, что намагниченность изолирующих стыков рельсов, расположенных на главных путях, на порядок превосходит этот показатель для рельсов боковых путей.
При определённых реальных скоростях движения и размерах магнитных пятен на зажимах локомотивной катушки может возникать радиоимпульс помехи, частота заполнения которого в точности совпадает с частотой полезного сигнала. Амплитуда радиоимпульса частотой 25 Гц, возбуждаемого в локомотивной катушке при проходе ею магнитного пятна со скоростью около 50 км/ч, составляет около 600 мВ. Напряжение с таким уровнем соизмеримо с напряжением полезного сигнала и даже может превосходить его, что, безусловно, приведет к сбою приёма кодовой комбинации. Контроль остаточной намагниченности рельсов, проводимый различными организациями в инициативном порядке, свидетельствует о наличии магнитных пятен протяженностью до 2 м и более и индуцировании ими импульсного напряжения помехи до 1,5-2 В [3], [4].
При проходе с высокими скоростями магнитного пятна, сосредоточенного в ограниченной окрестности изолированного стыка, на выходных зажимах катушки формируется, по сути, 5-импульс, оказывающий ударное воздействие на входной фильтр. В фильтре возникают затухающие свободные колебания на частоте настройки f = 25 Гц. Существенные значения амплитуды этих колебаний сохраняются в течение интервала времени, равного примерно трём-четырём постоянным времени фильтра Пф. Чис-
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
106
Общетехнические задачи и пути их решения
ленное значение этой постоянной может быть оценено с помощью известного соотношения [5]:
Щ 1
Т/'Ч-' 1 -
1 r*J --- - ---
®с яА/ф
где (Эф = С0с/Ас0ф - добротность фильтра;
АсОф = 2дА/ф - полоса пропускания фильтра.
Принимая в этой формуле паспортное значение полосы пропускания фильтра равным 10 Гц, получаем ориентировочное значение постоянной времени, равное 32 мс. Это значит, что в течение 100-130 мс в фильтре присутствуют колебания помехи, которые могут привести к сбою в приёме кодового сигнала.
На рисунке 4 приведены осциллограммы, которые позволяют определить еще одну причину искажений кодовых комбинаций АЛСН.
а)
б)
Рис. 4. Регулярное искажение кодовых комбинаций: а - разностный сигнал с приемных катушек; б - сигнал с левой (сверху) и правой (снизу) приемных катушек
Анализ осциллограмм сигналов в приемных катушках АЛСН и токов в силовых цепях электровоза показал, что регулярное искажение кодовых комбинаций не вызвано влиянием изменения магнитного поля на локомотиве в зависимости от режима работы силового оборудования электровоза.
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
107
Регулярное искажение кодовых комбинаций возникало на этом участке во всех измерительных поездках и не зависело от режима работы силового оборудования. Регулярные искажения кодовых комбинаций вызываются магнитными пятнами на инвентарных рельсах, уложенных на конце шпал, что подтверждается наличием сигналов помехи только на одной катушке АЛСН.
Ритмичный приём правильных кодовых сигналов нарушается при переходе с одной рельсовой цепи на другую. В момент перехода устройства локомотива могут воспринимать кодовые комбинации не полностью: не успевая принять последние импульсы на покидаемой или первые на занимаемой рельсовой цепи. Если в это время произойдёт дополнительно искажение кодовой комбинации, например, вследствие расщепления одного из импульсов, то произойдёт сбой в работе АЛСН.
Такой пример приведён на рисунке 5.
Рис. 5. Осциллограмма сигнала на приемных катушках при прохождении
изолирующего стыка
Как видно из осциллограммы (рис. 5), здесь произошло расщепление одного из импульсов в кодовой последовательности З (зелёный огонь). В соответствии с расшифровкой записей регистратора показания локомотивного светофора переключались в следующей последовательности: жёлтый - белый - зелёный. Таким образом произошёл сбой в работе АЛСН, так как при смене с жёлтого показания локомотивного светофора на зелёный появился проблеск белого огня.
Анализ выявленных в результате экспериментальных поездок искажений кодовых комбинаций показывает, что сбой в работе автоматической локомотивной сигнализации происходит из-за неправильного числа импульсов в кодовой комбинации или нарушения цикловой синхронизации. В обоих случаях принятая искажённая кодовая комбинация является распознаваемой при сравнении её с исходной неискажённой передаваемой кодовой комбинацией. Таким образом, эффективным методом повышения работоспособности АЛСН является применение корреляционного способа дешифрирования числовых кодовых сигналов [6].
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
108
Общетехнические задачи и пути их решения
2 Оценка вероятности сбоя в работе АЛСН
Рассмотрим статистику, полученную по проведенным испытаниям. Наибольшее число помех приходится на среднюю скорость движения поезда. Интенсивность помех при движении по станциям выше, чем на перегонах, несмотря на то, что их протяженность на порядок меньше. Это обусловлено прежде всего возникновением помех в сигнале при движении поезда по кодированным стрелочным секциям. Помехи в канале АЛСН, воздействуя на сигнальный ток, искажают кодовую комбинацию. Частота появления ранее классифицированных искажений представлена в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Частота возникновения искажений в кодовой комбинации
Тип искажения Частота возникновения, %
Лишний импульс в посылке 71,44
Расщепление (дробление) импульса 16,8
Усечение импульса 8,4
Отсутствие импульса 3,36
Сбои в аппаратуре АЛСН при декодировании показания впереди лежащего светофора происходят в случайные моменты времени, так что интервал между моментами сбоев - случайная величина, как и число самих сбоев. Процесс появления сбоев можно схематически изобразить на числовой оси - оси времени 0t (рис. 6).
/ ^ \ ,._.П2 У* 4 J.n. _ \
Г О h h * t fn
Рис. 6. Схематическое изображение возникновения отказов в аппаратуре декодирования числовых кодовых комбинаций АЛСН
На рисунке 6 приняты следующие обозначения: ti...tn - моменты сбоев; Ti... тп - промежутки между сбоями.
В силу независимости сбоев мы далее исходим из предположения о пуассоновском распределении числа сбоев за промежуток времени фиксированной длительности (или за единичный промежуток времени). Действительно, поток событий - моментов появления сбоев - можно считать простейшим [7], [8], т. к. очевидным образом он удовлетворяет трем основным требованиям к таким потокам:
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
109
а) стационарность - число сбоев зависит только от длительности промежутка времени, на котором происходит сбой, но не от положения этого промежутка на оси времени;
б) ординарность - одновременное появление двух сбоев невозможно;
в) отсутствие последействия - число сбоев за некоторый промежуток времени никак не влияет на число сбоев в более позднее время.
В этом случае, согласно свойствам пуассоновского потока, интервал п между последовательными сбоями (см. рис. 6) распределен по показательному закону
f(t) = Xe-%\ t> 0 Х =—,
т
ср
где пср - среднее время между двумя последовательными сбоями.
Принятые выше гипотезы позволяют решить следующие задачи.
1. Выводится плотность распределения случайной величины - интервала времени, на котором происходит ровно п сбоев.
2. Определяется вероятность события, заключающегося в том, что за время Т происходит не более n сбоев. В частности, важно указать вероятность того, что за время Т произойдет не менее одного сбоя. Эти величины можно рассматривать как характеристики надежности работы исследуемой системы.
3. По экспериментальным данным строится доверительный интервал для средней длительности промежутка между последовательными сбоями.
Введем последовательные суммы случайных величин (см. рис. 6):
У\=ь (=0;
У2 =У1+Ь (= Ti +т2);
Уз =У2+Тз (= Ti +т2 +т3);
Уп=Уп- 1+т» (=Т1+Т2+... + Ти).
Так как плотность вероятности суммы двух случайных величин представляется сверткой плотностей слагаемых [8], то выражение для fyk(t) — плотности вероятности случайной величины yk, где к = 2, 3, ..., п, последовательно выводим с учетом того, что ft — z) = 0 при z > t:
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
110
Общетехнические задачи и пути их решения
t t t
МО = {fу i(z) • fyft - z)dz = l\eMe-u'-z,dz =X2 jeMz = X2te-x';
0 0 0
l l l
f (i) = iX2ze-XzXe~4,-z)dz =X3 JU'zfifc = X^e'1' \zdz
t \ 3,2
3 „-Xt f_j____A 1 -Xt.
0
2!
0
0
t л «-1 «-2 л n t \ «,«-1
fyn(t) = —e-lzXe-4t-z)dz k c-n~2 1 A *
(я-1)!
-1)!
-it
in-1)!
«,«-i
В итоге получили f (t)
Xnt
-e Kt (t > 0) - плотность pacnpe-
(n~ 1)!
деления вероятности случайной величины интервала времени, на котором происходит ровно n сбоев.
Определим вероятность того, что за время Т произойдет не более n сбоев, т. е. найдем вероятность такого события, что сумма длин n промежутков п больше (не меньше) Т:
П
Р„(Т) = Д£т, >Т) = Р(Т <у„<м
i=1
Р2(Т) = j fy2(z)dz = j X2ze Xzdz-—X J zde = —X(ze - je Xzdz) -
= -Х(-Те~хт -~e~XT) = e~XT(\ + XT)\ X
+00
wXxz2
f\(T)= \ J\ d z)dz = i Mre Zdz
Л L +oo Л
Л <■ 2 i-Xz Л / 2 -Xz
T
T
2!
2 +00
J z2 de
2 rJ
2
-(z e
т
+oo
л z i +go л 2^2
- je-Xz2zdz) = ~—(~T2e-xr) + X2(--) j zde= AxMe-^ _ f 2 X J 2
-X(ze
-Xz
+oo
T
J e Xzdz)
T
X2T2 _xT _XT , 1 -Xz +c0
-----e - X(-Ie +—e
2! X T
)
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
111
2гр2
XT
~Y\
-XT
+ ХТб
-XT -XT
I
’-XT( 1+(XT)+(TD-)
В итоге аналогично получаем
Р„(Т) = е-кт(1 + (ХТ) +
(ХТ)‘
2!
+ ...+
(XT)
п-1
(п-1)!
(1)
Из формулы (1) определяется вероятность того, что за время Т произойдет более к сбоев:
Р(п > к) = 1 - Рк (Т) = 1 - е~хт (1 + (XT) +
(ХТУ
2!
+ ...+
(XT)
к-1
(п-\)\
О-
По обработанной статистике за время 100 часов произошло 20 сбоев,
20
откуда оценка параметра X будет: X = = 0,2 (1/ч). Поэтому, например,
за время движения поезда, равное 4 часам, вероятность возникновения хотя бы одного сбоя в работе АЛСН составляет 0,551.
По имеющимся результатам наблюдений за 100 часов произошло 20
сбоев, т. е. выборочное среднее между сбоями будет тср =
20
тСр получено по выборке и может быть представлено в виде тСр
5 часов.
П
где числовые характеристики случайной величины п, распределенной по
1 1 2
показательному закону, равны Мт = — =т и Dt = —г = т .
^ ср ^ 2 ср
Распределение тср приближается к нормальному закону как распре-
деление суммы случайных величин с параметрами:
М Тср = М
2>,-
П
1
п Хп X
- Ут 1
Dicip = D— - = —пТ)(т) =
ср •
ср
n
П
Х2п
п
Исходя из нормального распределения для тСр доверительный интервал пср будет при доверительной вероятности в иметь вид [9] :
Р{тСр - Кп^Dтср < т < тСр + kJd~TcP } = (3,
2
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
112
Общетехнические задачи и пути их решения
где К определяется по таблицам нормального распределения при заданном в.
Так, при Р = 0,95 получим Кв = 2, тср= 5, п =20
), \]DxCp
1,12 и
Р{5-2-1,12 <тср< 5 + 2-1,12} = Р{2,76<тС0< 7,24}= 0,95.
ср
Заключение
Анализ выявленных в результате экспериментальных поездок искажений кодовых комбинаций показывает, что сбой в работе автоматической локомотивной сигнализации происходит из-за неправильного числа импульсов в кодовой комбинации или нарушения цикловой синхронизации. Предлагаемая методика позволяет рассчитать вероятность появления сбоев автоматической локомотивной сигнализации за интересующий промежуток времени.
Принятая искажённая кодовая комбинация, как правило, является распознаваемой при сравнении её с исходной неискажённой передаваемой кодовой комбинацией, поэтому эффективным методом повышения работоспособности АЛСН является применение корреляционного способа дешифрирования числовых кодовых сигналов.
Библиографический список
1. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики / Ю. А. Кравцов,
B. Л. Нестеров, Г. Ф. Лекута и др.; ред. Ю. А. Кравцов. - М. : Транспорт, 1996. - 400 с.
2. Техническое содержание автоматической локомотивной сигнализации и автостопов / А. А. Леонов. - М. : Транспорт, 1974. - 248 с.
3. Намагниченность изолирующих стыков / А. А. Козлов, А. С. Козлов, А. Е. Ушаков // Путь и путевое хозяйство. - 2005. - № 1. - С. 10-12.
4. О причинах возникновения остаточной намагниченности изолирующих стыков / Г. А. Антипов, Л. В. Снетков, М. Ю. Королёв // Путь и путевое хозяйство. - 2001. - № 10. -
C. 30-33.
5. Основы теории линейных электрических цепей / А. Ф. Белецкий. - М. : Связь, 1986. - 543 с.
6. Корреляционный способ дешифрирования числовых кодовых сигналов АЛСН / Ю. А. Кравцов, А. Б. Чегуров // Вестник ростовского государственного университета путей сообщения. - 2009. - № 2. - С. 34-39.
7. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. - М. : Наука, 2008. - 510 с.
8. Введение в теорию вероятностей и ее приложения / В. Феллер. - М. : Мир, 1984. - 511 с.
9. Математическая статистика / С. Уилкс. - М. : Наука, 1967. - 632 с.
Статья поступила в редакцию 13.01.2011;
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
