Компьютерная модель частотной автоматической локомотивной сигнализации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.4

Гаврилюк В.И., профессор (ДИИТ) Астраханцев Д.Б., аспирант (ДИИТ)

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЧАСТОТНОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Введение. Безопасность движения поездов определяется в значительной степени достоверностью и полнотой передачи информации о состоянии впереди лежащих участков железной дороги на локомотив. В соответствии с нормативными документами по организации движения скоростных пассажирских поездов, движение со скоростью более 160 км/ч должно осуществляться по сигналам многозначной автоматической локомотивной сигнализации (АЛС). На железных дорогах Украины применяется трехзначная числовая кодовая АЛС непрерывного типа (АЛСН), при которой сигнальные показания путевых светофоров передаются в кабину машиниста кодами (КЖ, Ж, З). Однако трех кодовых сигналов недостаточно для передачи информации. В случае четырехзначной АБ перед путевым светофором с зеленым сигналом, а также перед светофором с одновременно горящими желтым и зеленым огнями на локомотив передается одинаковый код типа З. К тому же при скоростях более 140 км/ч наблюдаются сбои в работе кодовой АЛС.

Для участков со скоростным движением поездов в России разработана система многозначной частотной АЛС (АЛС-ЕН) [1]. Частотная автоматическая локомотивная сигнализация с автоматическим регулированием скорости (АЛС-АРС) применяется для регулирования движение поездов в метрополитене.

В странах Европейского сообщества с целью замены разнотипных устройств локомотивной сигнализации разработана система управления движением поездов ETCS (European Train Control System), которая является частью европейской системы управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте ERTMS (European Railway Traffic Management System). В системе ETCS предусмотрено несколько уровней для линий, различающихся по загруженности движением поездов. Передача информации на локомотив осуществляется по непрерывному и

точечному каналам. В качестве точечного канала передачи данных на локомотив используется подсистема ЕигоЬаНБе.

На железных дорогах Украины в ближайшем будущем не планируется отказ от рельсовых цепей, выполняющих функции путевого датчика свободности и целостности рельсового пути, а также непрерывного канала передачи информации на локомотив. Это не противоречит концепции внедрения европейской системе ЕТСБ, в соответствии с которой предусмотрено на первом этапе осуществлять управление движением поездов на основе существующих национальных напольных устройствах железнодорожной автоматики. Однако низкая информативность системы АЛСН и ограниченность ее функциональных возможностей обуславливают настоятельную потребность в разработке надежной системы передачи многозначной информации на локомотив, основанной на применении современных компьютерных и сетевых технологий.

Целью работы является разработка математического описания и компьютерной программы для исследования канала передачи данных частотной АЛС при централизованном размещении аппаратуры и безстыковых рельсовых цепях для проведения в дальнейшем на этой основе исследований по рациональному выбору способа кодирования данных локомотивной сигнализации на физическом и канальном уровнях.

Математическая модель. Электрическая схема канала передачи сигналов автоматической локомотивной сигнализации на локомотив приведена на рисунке 1.

ПОСТ ЭЦ

о.

^ п

Код АЛС

мих

Бо в1

Б1 во

Б2

Б4

К локомотивному приемнику

Wl \

W2

Рзи

С СТ

2аб Л

к— Ькл -И— Ьрл -►

Рисунок 1 - Электрическая схема канала передачи сигналов АЛС

1алс

Ig Z nkl lk N ст rl nl rl nl lsh 1

Ug TC |_l ^-<вх.рл [

Rs

Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения канала передачи

частотной АЛС

Кодирование сигналов частотной АЛС на физическом уровне осуществляется набором из N фиксированных частот (по числу бит передаваемой информации), которые формируются генератором (G) группового задания сигналов АЛС. Значения бит передаваемой информации (Dn .. D0) формируются в зависимости от поездной обстановки устройством регулирования, дополняются на канальном уровне (Data Link Layer) служебными битами и группируются в кадры (frames). С выхода аналогового мультиплексора (MUX) сформированный сигнал в виде комбинации n частот из N возможных передается в кабельную линию на сигнальные точки (на рисунке показана одна сигнальная точка), на которой через согласующий трансформатор СТ передается в рельсовую линию. Из рельсовой линии сигнал по индуктивному каналу связи через катушки WX,W2 передается на локомотив.

Эквивалентная схема замещения канала передачи частотной АЛС приведена на рис. 2 [2]. В схеме замещения элементы Z = ZAB + Rd и C соответствуют элементам, приведенным на электрической схеме; Nkllk -четырехполюсник, соответствующий кабельной линии длиной LK, Zexpn -

входное сопротивление смежной рельсовой линии, N RLL -четырехполюсник, соответствующий рельсовой линии длиной L, Zx тт -входное сопротивление аппаратуры, подключенной к рельсовой линии на следующей сигнальной точке, Nrllsh - четырехполюсник, соответствующий рельсовой линии зоны дополнительного шунтирования длиной LSH, RSH N - сопротивление нормативного шунта (равного 0,6 Ом), UG (f), IG (f) - соответственно, напряжение и ток генератора частотой f

на входе РЦ, иА (/г), 1А (/г) - напряжение и ток частотой / г на нормативном

л — Я I шунте. Очевидно, что А ~ А.

Токи и напряжения на генераторном конце РЦ и на поездном шунте

связаны известными уравнениями для четырехполюсника [6, 7]:

ио — Аои зи + ВоЬи (1)

!о — СоОзи + ОоЬи , ()

где А0,В0, С0, Бо - коэффициенты четырехполюсников. Матрица этих коэффициентов определяется как произведение матриц коэффициентов всех четырехполюсников, входящих в эквивалентную схему (рис. 2) с учетом включенных между ними двухполюсников. Коэффициенты четырехполюсников рельсовой и кабельной линии находятся по формулам для линии с распределенными параметрами через ее вторичные параметры по формулам [6, 7]:

А — В — ск(уЬ) , (2)

в — ^ад, (3)

С — (4)

V У

с

7]:

где у - постоянная распространения; 1С - волновое сопротивление, Ь - длина линии.

Вторичные параметры линии определяются следующим образом [6,

ЫУг • (5)

V / из

, (6)

где Z, Zш - погонные (километрические) полные сопротивления проводников линии и изоляции между ними.

При нахождении километрического полного сопротивления рельсовой линии использовали формулу [5-8]:

Z = 2Кп + j®Lp, (7)

где Rп - активное сопротивление 1 км рельсовой нити;

Lp - километрическая индуктивность рельсовой линии.

Используя для их нахождения известные выражения, в которых частотные зависимости активного Rn(®) и реактивного Хп(®) сопротивления рельсовой нити на переменном токе аппроксимированы формулами Л. Нейнмана, учитывающими как неравномерность распределения тока по сечению рельса, так и гистерезисный эффект в стали [5-8]:

О) = -V МеР®

и 1 , (8)

Хп(®) = 06 ~л1 МеР® и

где - - длина проводника; и - периметр его поперечного сечения; Р - удельное сопротивление рельсовой стали; ® = 2П - угловая частота;

^е - магнитная проницаемость рельсовой стали, определяемая по кривой намагничивания.

Сравнение рассчитанных по этим формулам значений километрического полного сопротивления рельсовой линии со значениями, полученными экспериментальным путем, показало достаточно хорошее совпадение результатов.

Входной сигнал, подаваемый от генератора в канал передачи сигналов АЛС представляли как сумму п гармонических сигналов из N возможных (п е N с частотами / (/ = 1..Щ), передаваемых в линию в течение интервала времени , после чего на время паузы гп подача сигнала

в линию прекращалась. Аналитически входной сигнал можно представить в виде:

1 N

UG ^) — -ЁВ V\ expC/®ít), (9)

2 г—1

1 N 2

О(0 — -ЁВ^г е*р(М0, (10)

—1

для интервалов времени кТ < t < кТ + tи (л — 0..<»), т.е. для интервалов в течение которых в канал подается сигнал АЛС и иО ^) — 0, гО ^) — 0 в течение паузы tn. Значения Di соответствуют г -му биту кода и принимает значения 0 или 1.

Результаты анализа передачи частотных сигналов АЛС по индуктивному каналу связи из рельсовой линии в локомотивные катушки описаны в [3, 4]. В данной работе исследован канал передачи данных до локомотивных катушек. Расчеты проводились для максимально возможного удаления локомотива от генераторного конца РЦ (на границе зоны дополнительного шунтирования) при различных условиях, в том числе и наиболее неблагоприятных для выполнения режима АЛС. Аналитическое решение такой задачи невозможно. Для численного решения на основе приведенного математического описания была разработана компьютерная программа на языке С #. Входной сигнал (9, 10) разлагали в ряд Фурье, ограничивались в соответствие с заданной точности необходимым количеством гармонических составляющих, после чего для каждой гармонической составляющей находили ток АЛС в рельсовой линии. Полученные токи суммировали и находили результирующий ток АЛС. Примеры внешнего вида окна программы для двух кодовых комбинаций сигналов АЛС приведены на рисунке 3. В верхних окнах программы слева показана временная зависимость напряжения поступающего от генераторов в канал АЛС, а справа - спектральный состав сигнала. В нижних окнах приведены, соответственно, временная зависимость и спектрограмма тока АЛС. Как видно из приведенных данных, спектральный состав сигнала изменяется при прохождении по каналу. Такое изменение обусловлено нелинейностью АЧХ и ФЧХ канала.

.ШШН^^^^^^Н ли

Файл Огнии

-Модеть-

Рисунок 3 - Внешний вид окна программы моделирования частотной АЛС для двух кодовых комбинаций сигналов

На рисунке 4 приведены зависимость тока частотной АЛС IА от расстояния от питающего конца РЦ до локомотива Ь для пяти частот (125, 175, 225, 275, 325 Гц) при длине кабеля 10 км, а на рис. 5 зависимость 1А (Ь) для частот 125 и 325 Гц при двух длинах кабеля (5 и 10 км).

< 1,5 1,0 0,5 О

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Ь, КМ

Рисунок 4 - Зависимость тока частотной АЛС 1А от расстояния до локомотива Ь при частотах (Гц): 125 (1), 175 (2), 225 (3), 275 (4), 325 (5)

. 2 3 4 5

Как видно из рисунка, длина кабеля не оказывает значительного влияния на характер изменения тока АЛС в рельсовой линии, что объясняется наличием в схеме добавочного резистора Яа, компенсирующего различия в длинах кабеля. На рис. 6 приведена зависимость 1А (Ь) для двух частот (125 и 325 Гц) при двух значениях сопротивления изоляции балласта (1 и 0,5 Ом/км). Как видно из рисунка, уменьшение сопротивления изоляции балласта от 1 до 0,5 Ом/км приводит к значительному уменьшению тока АЛС в рельсовой линии.

1,5

1,0

0,5

3 4

\ *

X

1,0 2,0 3,0 4,0 5,О

Рисунок 5 - Зависимость тока частотной АЛС 1А от расстояния до локомотива Ь при частотах (Гц): 125 (1, 2), 325 (3, 4) при длине кабеля:

(км) 5 (1, 3) и 10 (2, 4)

Рисунок 6 - Зависимость тока частотной АЛС IA от расстояния до локомотива L при частотах (Гц): 125 (1, 2), 325 (3, 4) при сопротивлении изоляции балласта: (Ом/км) 1 (1, 3) и 0,5 (2, 4)

В разработанной компьютерной модели предусмотрена возможность исследования влияния шума и помех в линии на передачу кодов АЛС. При моделировании происходит постоянный подсчет ошибок передачи бит данных путем сравнения сигналов, посылаемых в канал АЛС и кодов АЛС на приемном конце РЛ. Это позволяет провести рациональный выбор кодовых сигналов на физическом и канальном уровне по критерию минимизации количества неправильно принятых кадров информации, что будет опубликовано в следующей работе.

Выводы. В работе разработана математическая модель и компьютерная программа для исследования канала передачи данных частотной АЛС при централизованном расположении аппаратуры и безстыковых рельсовых цепях. Проведено исследование распределение тока частотной АЛС при различных параметрах канала передачи данных.

Список литературы

1. Зорин В.И., Шухина Е.Е., Титов П.В. Микропроцессорные локомотивные системы обеспечения безопасности движения поездов нового поколения // Железные дороги мира. - 2002. - № 7. - С. 19-25.

2. Гаврилюк В.И., Товчигречко Ю.Г. Моделирование изменений сигнального тока АЛС-АРС в тональных рельсовых цепях метрополитена при движении поезда // Iнформацiйно-керуючi системи на залiзничному транспорта - 2003. - № 4. - С. 27-31.

3. Гаврилюк В.И., Астраханцев Д.Б. Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитного поля вблизи рельсовой нити //Залiзничний транспорт Украши. - 2005. - № 3/2. - С. 172-175.

4. Astrahantsev D., Gavrilyuk V. Theoretical and experimental researches of voice-frequency signal current transfer in rail lines // Transport System Telematics: 4th International Conference. - 2004. - P. 21-26.

5. Дмитриев В.С., Минин В.А. Совершенствование систем автоблокировки. -Москва: Транспорт, 1987.-143 с.

6. Аркатов В.А., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - Москва, Транспорт, 1990.-295 с.

7. Путевая блокирова и авторегулировка: Учебник для вузов // Котляренко Н.Ф., Шишляков А.В., Соболев Ю.В. и др. - Москва, Транспорт, 1983.-408 с.

8.Кулик П.Д., Ивакин Н.С., Удовиков А.А. Тональные рельсовые цепи в системах ЖАТ: построение, регулировка, обслуживание, поиск и устранение неисправностей, повышение эксплуатационной надежности. - Киев: Издательский дом «Мануфактура», 2004. -