CC BY
54
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 656.259
В. В. Демьянов, д-р техн. наук
A. В. Пультяков, канд. техн. наук
М. Э. Скоробогатов
B. А. Алексеенко, канд. техн. наук
Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь»,
Иркутский государственный университет путей сообщения, Иркутск
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГОВОГО ЗНАЧЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ПОМЕХА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
В среде MATLAB+Simulink на имитационном виртуальном стенде было проведено моделирование канала автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа при действии стационарных гармонических и случайных импульсных помех. Параметром, по которому оценивалось влияние отношения сигнал/помеха на формо-временные характеристики сигнала числового кода, выступала длительность первого интервала между импульсами в кодовой группе кодов «Ж» и «З». Нормативное значение этого интервала принято в пределах от 120 до 180 миллисекунд. По результатам моделирования были определены значения порогового отношения сигнал/помеха для заданных несущих частот при действии стационарной или случайной помехи. По полученным результатам построены графики зависимости длительности первого интервала между импульсами от порогового отношения сигнал/помеха для сигнала числового кода. Для верификации полученных результатов на основе экспериментальных данных проведен расчет наиболее вероятных интервалов пороговых значений отношения сигнал/помеха. Данные получены в процессе эксплуатации систем автоматической локомотивной сигнализации на горно-перевальных участках Восточно-Сибирской железной дороги, оборудованных электротягой переменного тока. Расчет выборочных характеристик генеральной совокупности наблюдений проводился для несущих частот 25 и 75 Гц при действии стационарных гармонических и случайных импульсных помех. Рассчитанные значения пороговых отношений сигнал/помеха, полученные по результатам моделирования, во всех случаях попали в наиболее вероятные интервалы пороговых значений, полученные по результатам экспериментальных измерений. Рассчитанные значения порогового значения отношения сигнал/помеха при действии случайной импульсной помехи оказались ниже, чем при действии стационарной гармонической помехи, что соответствует классическим представлениям о помехоустойчивости радиотехнических систем.
Автоматическая локомотивная сигнализация, сбои автоматической локомотивной сигнализации, статистические характеристики отношения сигнал/помеха, имитационный виртуальный стенд, стационарные и случайные помехи автоматической локомотивной сигнализации
DOI: 10.20295/2412-9186-2020-6-2-149-164
Введение
Рост объемов перевозок требует повышения провозной и пропускной способностей железных дорог, что, в свою очередь, требует модернизации технических устройств, применяемых на железнодорожном транспорте.
Automation on Transport. Ш 2, Vol. 6, June 2020
За обеспечение заданных значении провозной и пропускной способностей железных дорог при поддержании требуемого уровня безопасности движения отвечает технический комплекс интервального регулирования движения поездов (ИРДП), в состав которого входят следующие подсистемы:
— автоматическая блокировка;
— автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС);
— электрическая централизация;
— диспетчерская централизация.
В указанном техническом комплексе системам АЛС принадлежит чрезвычайно важное место, поскольку с помощью средств АЛС обеспечивается повышение вероятности правильного восприятия сигнального показания локомотивного светофора, контроль бдительности машиниста, а также контроль скорости движения подвижного состава, что является необходимыми функциями для реализации автоведения поездов как в отечественных, так и в зарубежных системах [1—5].
Система АЛС представляет собой комплекс технических средств с определенными параметрами надежности. Работа устройств АЛС основана на передаче информации о состоянии впереди лежащих участков пути, которая поступает с напольных устройств через индуктивный канал передачи информации на локомотивные приемные устройства [1].
Сбой или отказ в работе любой из составных частей АЛС ведет к снижению провозной и пропускной способностей участков железных дорог, снижению участковой скорости и уровня безопасности движения. Так, за 2018 год было принято к учету 6960 сбоев в работе систем АЛС в границах Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Известные результаты расследования сбоев АЛС говорят о том, что наибольшее мешающее воздействие на работу локомотивных устройств автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН) оказывают импульсные случайные и гармонические стационарные помехи [6—8].
Основное негативное влияние импульсных и гармонических помех на сигнал АЛСН сводится к искажению его временных и амплитудных характеристик, а именно — на недопустимое искажение длительности импульсов числового кода и интервалов между импульсами в кодовой группе. Это вызвано тем, что при действии импульсных и стационарных помех происходит «заполнение» интервалов между импульсами, что приводит к неправильной дешифрации сигналов числового кода в локомотивном дешифраторе и появлению сбоев в работе АЛСН [9-15].
Требуемый уровень устойчивости работы АЛСН может достигаться за счет использования более совершенных способов кодирования [16-19]. Для повышения пороговых значений сигнал/помеха устройств АЛС до нормативных значений необходимы новые технические решения на современной элементной базе [20, 21]. Для верификации предлагаемых решений широко используются методы статистического и имитационного моделирования [22-27].
Целью настоящей работы является разработка методики, позволяющей определить пороговые значения отношения сигнал/помеха, при которых с заданной вероятностью возникает сбой в работе локомотивных устройств АЛСН при воздействии стационарной гармонической или случайной импульсной помехи. Данная методика может быть использована как для совершенствования процесса технической диагностики комплекса АЛСН, так и для оценки эффективности новых технических решений, направленных на модернизацию локомотивных устройств АЛСН.
Определение порога помехоустойчивости АЛСН
при искажениях временных параметров сигнала числового кода
Основное проявление действия помех на работу локомотивных устройств АЛСН — искажение временных параметров сигнала числового кода. В связи с этим удобно оценить порог помехоустойчивости локомотивных устройств АЛСН, привязав отношение сигнал/помеха к предельно допустимым отклонениям временных параметров сигнала числового кода, выход за пределы которых влечет сбой в работе АЛСН. Определяющей становится длительность первого интервала между импульсами числового кода, измеренная на уровне 0,5 от амплитуды импульса (активная длительность импульса). Нормативная длительность данного интервала должна лежать в границах от 120 до 180 мс [1]. Исходя из этого, дальнейшая оценка пороговых значений отношения сигнал/помеха будет производиться на основе измерения отклонения данного параметра под воздействием помех в сравнении с указанными эталонными значениями.
Для выполнения исследований был разработан имитационный виртуальный стенд для проверки временных параметров числового кода при действии стационарных и случайных помех в среде MATLAB+Simulink [28]. Структурная схема виртуального стенда представленного на рисунке 1 и включает в себя:
— блок «Z 25 Hz» — модель источника сигнала числового кода «З» с временными параметрами, соответствующими кодовому путевому трансмиттеру КПТ-515;
— блок «FL-25/75M» — модель локомотивного фильтра ФЛ-25/75М, настроенного на полосу пропускания от 18 до 32 Гц;
— блок «Amp detektor» — модель усилителя УК25/75, на выходе которого формируются импульсы постоянного тока;
— блок «Scope» — многоканальный осциллограф;
— блок «To workspace» — предназначен для сохранения выходного сигнала блока «Amp detektor» с целью его последующей обработки;
— «Garmonic» — имитационная модель стационарной гармонической помехи;
— «Impulse» — имитационная модель случайной импульсной помехи с частотой;
— «Add1» — блок, реализующий математическую операцию сложения.
Impulse
Рис. 1. Имитационный стенд для измерения временных параметров числового кода
Математическая модель стационарной гармонической помехи описывается формулой 1 и представляет собой сумму 1, 3, 5, 7, 9 и 11 гармоник обратного тягового тока. Выбор именно этих гармоник обусловлен тем, что в них скомпенсировано до 95 % энергии ОТТ. Амплитуда каждой гармоники определяется в зависимости от требуемого значения отношения сигнал/помеха:
Uсг (t) = Zai ■e
i=0
-(1+2/)
cos ((1 + 2i )rat + ф/),
(1)
где ц — амплитуда /-и гармоники, полученная по результатам имитационного моделирования в программном комплексе «Кортес»; ф,- — начальная фаза /-ой гармоники, изменяющаяся по нормальному закону распределения в диапазоне от 0 до 2п.
Математическая модель случайной импульсной помехи описывается формулой 2. Данная помеха представляет собой самый неблагоприятный вариант, когда она попадает на интервал между импульсами:
20
u си (7 )=zaj
j=о
t - 1,6k - 0,38 +
0,12
t -1,6k -0,38
0,12
cos (2njt + фj•),
(2)
где ц — амплитуда 1-й гармоники по результатам натурных измерений во время эксплуатации; фу — начальная фаза /-й гармоники, изменяющаяся по нормальному закону распределения в диапазоне от 0 до 2п; ] — частота j-И гармоники в Гц.
Технологический алгоритм работы имитационного стенда заключается в следующем.
1
1. Задать несущую частоту полезного сигнала (может принимать значения 25 или 75 Гц), выбрать тип кодовой посылки («Ж» или «З») и задать значение отношения сигнал/помеха равным 1.
2. С помощью имитационного стенда измерить длительность первого интервала между импульсами при заданных параметрах.
3. Уменьшить значение отношения сигнал/помеха на 0,1 и повторить измерение длительности первого интервала. Данный этап следует повторять до достижения значения отношения сигнал/помеха меньше или равно 0,1.
4. По полученным значениям построить зависимость длительности первого интервала от величины отношения сигнал/помеха и по полученному графику определить пороговые значения данного отношения.
Блок-схема алгоритма работы имитационного стенда представлена на рисунке 2. Предполагается использование данного алгоритма в режиме постобработки данных. Алгоритм реализован в программной среде MATLAB+Simulmk и позволяет оценить длительность первого интервала между импульсами кодовой посылки в зависимости от величины отношения сигнал/помеха на входе локомотивного фильтра.
Для проверки работоспособности стенда первоначально было проведено моделирование полезного сигнала числового кода «З» (рис. 3, а) без учета влияния каких-либо помех. Данный сигнал задан в виде радиоимпульсов с временными
Выбор несущей частоты £ выбор тина кола к, присвоение отношению сигнал/помеха значения 1
Вывод значения длительности первого интервала между импульсами при заданных параметрах
Вывод графика зависимости длительности первого интервала между импульсами от значенния отношения сигнал/помеха
Рис. 2. Алгоритм работы имитационного стенда
параметрами КПТ-515, амплитуда сигнала составляет 1 В. После прохождения сигнала через модель локомотивного фильтра (рис. 3, б) происходят его амплитудные искажения, но импульсы переменного тока тем не менее имеют четкую форму и между ними хорошо видны интервалы. На выходе модели локомотивного усилителя (рис. 3, в) сигнал проходит процедуру амплитудного детектирования; на осциллограмме можно увидеть огибающую полезного сигнала с явно видимыми импульсами постоянного тока. Длительность первого интервала составляет 125,5 мс. Поскольку данная величина находится в границах требуемых значений, можно сделать вывод о том, что предложенный имитационный виртуальный стенд для проверки временных параметров числового кода является работоспособным.
С помощью имитационного стенда был произведен ряд экспериментальных моделирований при разных значениях отношений сигнал/помеха. Целью этого этапа исследований стала собственно оценка порогового отношения сигнал/помеха, при котором возникают недопустимые искажения временных параметров сигнала числового кода в условиях воздействия стационарной или случайной помехи с заданными характеристиками.
В качестве полезного сигнала в данной модели используется код «З» с несущей частотой 25 Гц (рис. 4, а), а источником стационарной гармонической помехи стал блок «^агтошс». На осциллограмме, где представлена смесь полезного сигнала со стационарной гармонической помехой (рис. 4, б), прослеживаются импульсы числового кода, однако видно, что произошло заполнение интервалов между ними стационарной помехой. После фильтрации в блоке локомотивного фильтра (рис. 4, в) импульсы полезного сигнала видны в более явном виде, но интервалы между ними заполнены гармонической помехой. После амплитудного детектирования (рис 4, г) четко прослеживаются импульсы постоянного тока, однако из-за заполнения интервалов между импульсами полезного сигнала гармонической помехой в составе детектированного сигна-
а) 1
0,5 0
—0,5
-1
б) 1
0,5 0
-0,5
-1
в) 0,6
0,4
0,2 0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Рис. 3. Осциллограммы сигнала числового кода «З»: а — на выходе локомотивных катушек; б — на выходе локомотивного фильтра; в — на выходе локомотивного
усилителя-детектора
Рис. 4. Осциллограммы сигнала числового кода «З»: а — без искажений; б — при наложении стационарной гармонической помехи; в — на выходе локомотивного фильтра; г — на выходе локомотивного усилителя-детектора
ла появляется постоянная составляющая. При достижении этой паразитной постоянной составляющей уровня срабатывания реле счетчиков импульсов релейного дешифратора произойдет сбой в работе приемных локомотивных устройств АЛСН, поскольку интервалы между импульсами искажаются и перестают надежно различаться. В представленном на рисунке 4 случае длительность первого интервала между импульсами составила 115 мс, что на 5 мс меньше нормативного значения, т. е. в данной ситуации можно ожидать сбоя в работе локомотивных устройств АЛСН.
Подобным образом был проведен ряд экспериментальных моделирований с разным отношением сигнал/помеха для несущей частоты полезного сигнала 25 Гц, а также 75 Гц. На рисунке 5 дано обобщение результатов этих экспериментов в виде зависимости длительности первого интервала между импульсами от значения отношения сигнал/помеха. Красным цветом показана зависимость при действии стационарной гармонической помехи на частоте несущего сигнала 25 Гц, а синим — то же самое на частоте несущего сигнала числового кода 75 Гц. На рисунке 5 также указаны пороговые значения отношения сигнал/ помеха, при которых наблюдается недопустимое искажение временных параметров сигнала числового кода: 0,681 для частоты 25 Гц (показано штриховой линией) и 0,592 для частоты 75 Гц (показано сплошной линией). Можно видеть, что система АЛСН при несущей частоте 75 Гц имеет более высокую помехозащищенность, поскольку значение порогового отношения сигнал/помеха в таком случае меньше, чем у сигнала при несущей частоте 25 Гц. Исходя из этого, одним из способов снижения количества сбоев в работе системы АЛСН может выступать переход на несущую частоту 75 Гц.
Рис. 5. Зависимость длительности первого интервала между импульсами кода «З» от отношения сигнал/помеха при действии стационарной гармонической помехи
Для выполнения аналогичного исследования влияния случайных импульсных помех на длительность интервала между импульсами сигнала числового кода в представленной имитационной модели использовался блок Impulse. Моделирование данной помехи проводилось для двух несущих частот полезного сигнала (25 и 75 Гц).
В качестве полезного сигнала в данной модели также используется код «З» с несущей частотой 25 Гц (рис. 6, а). На осциллограмме смеси полезного сигнала со случайной импульсной помехой (рис. 6, б) видно, что произошло заполнение интервала между импульсами случайной помехой. После фильтрации в локомотивном фильтре (рис. 6, в) амплитуда помехи в интервале между
о_од_04_06_08_1_L2_14_L6
WW АЛЛАА АллА 1 1 1 1 1 АЛЛЛА;-ЗАДАЛА-=
i i i i i -
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Рис. 6. Осциллограммы сигнала числового кода «З»: а — без искажений; б — при наложении случайной импульсной помехи; в — на выходе локомотивного фильтра; г — на выходе локомотивного усилителя-детектора
первыми импульсами сохраняется и размывает интервал между импульсами числового кода. После амплитудного детектирования (рис 6, г) интервал между первыми импульсами отсутствует, т. к. он был целиком заполнен соразмерной помехой. Такая ситуация приведет к срыву кодирования данной кодовой посылки.
По результатам имитационного моделирования аналогичным образом, как рассмотрено выше, была получена характеристика зависимости длительности первого интервала от отношения сигнал/помеха (см. рис. 7).
Красным цветом на рисунке 7 показана зависимость длительности первого интервала между импульсами при действии случайной импульсной помехи на частоте несущего сигнала 25 Гц, а синим — на частоте 75 Гц. Можно видеть, что пороговые значения данного отношения составляют 0,805 для частоты 25 Гц (показано штриховой линией) и 0,478 для частоты 75 Гц (показано сплошной линией). Из представленных на рисунке 6 результатов можно сделать однозначный вывод: сигнал числового кода при несущей частоте 75 Гц имеет намного больший запас помехоустойчивости по сравнению с частотой 25 Гц.
Практическая верификация рассчитанных
значений порогового отношения сигнал/помеха
Верификация результатов, полученных по представленной методике, проводилась с помощью пороговых значений отношения сигнал/помеха, полученных по результатам обработки измерений сигналов на входе локомотивного фильтра АЛСН. Измерения проводились при движении поездов разного веса в различных погодных условиях. Генеральная совокупность наблюдений охватывает период измерений с 2014 по 2018 годы и содержит более 50 серий измерений, проведенных во время экспериментальных поездок.
Рис. 7. Зависимость длительности первого интервала между импульсами от отношения сигнал/помеха при действии случайной импульсной помехи
Отдельно оценивалось влияние стационарной гармонической помехи на полезный сигнал АЛСН с несущей частотой 25 и 75 Гц. Для определения значений отношения сигнал/помеха было проанализировано по 25 случаев зафиксированных сбоев в работе АЛСН, вызванных асимметрией обратного тягового тока для каждой из указанных несущих частот. Для каждого такого сбоя был определен уровень полезного сигнала и уровень стационарных гармонических помех.
Расчет порогового отношения сигнал/помеха проводился следующим образом. На первом этапе были выбраны те фрагменты записей экспериментальных поездок, при которых регистрировался сбой в работе системы АЛСН. Затем проводился анализ спектра полученных фрагментов записи смеси сигнал/ помеха с целью выделения значений гармоник полезного сигнала, а также действующей помехи. На заключительном этапе производился расчет отношения сигнал/помеха, где интенсивность сигнала и помехи представлена с помощью среднеквадратических значений полезного сигнала и действующей помехи.
На основании данной методики для каждого сбоя был рассчитан наиболее вероятный интервал для порогового значения отношения сигнал/помеха (рис. 8).
Из сравнения результатов имитационного моделирования и практических измерений видно, что значения порогового отношения сигнал/помеха при действии стационарной гармонической помехи, полученные при помощи имитационного моделирования сигнала числового кода (рис. 5), приблизительно соответствуют наиболее вероятному интервалу практически измеренного отношения сигнал/помеха в пределах 0,6—0,7 (рис. 8). Такое совпадение позволяет сделать вывод о том, что представленная методика является работоспособной.
Количество сбоев, шт.
0,1 ОД ОД 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 8. Распределение значений порогового отношения сигнал/помеха при действии стационарной гармонической помехи
Количество сбоев, шт.
+ 9
ОД ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 9. Распределение значений порогового отношения сигнал/помеха при действии стационарной гармонической помехи
Аналогичным образом рассчитаны статистические параметры реального отношения сигнал/помеха для случаев сбоев в работе устройств АЛСН при действии случайной импульсной помехи на несущих частотах АЛСН 25 и 75 Гц. Результаты расчетов для несущей частоты 75 Гц представлены на рисунке 9.
Как видно из рисунка 9, наиболее вероятный интервал значений порогового отношения сигнал/помеха под действием случайной импульсной помехи при частоте полезного сигнала 75 Гц лежит в пределах от 0,4 до 0,5, что также соответствует рассчитанному по методике пороговому значению данного отношения (рис. 7).
Заключение
В статье предложена методика, с помощью которой можно определить пороговые значения отношения сигнал/помеха, при превышении которых наиболее вероятны сбои в работе системы АЛСН.
По представленной методике с помощью имитационного виртуального стенда был проведен расчет временных параметров числового кода в зависимости от значения отношения сигнал/помеха. Результаты анализа показали, что наибольшую защищенность от стационарных и случайных импульсных помех имеет сигнал числового кода на несущей частоте 75 Гц.
Для верификации полученных пороговых значений отношения сигнал/помеха были обработаны данные в канале АЛСН, полученные во время экспериментальных измерений на горно-перевальных участках ВСЖД. Верификация проводилась для стационарной гармонической помехи и отдельно для случайной импульсной помехи. Пороговые значения отношения сигнал/помеха, полученные по разработанной методике, во всех случаях попали в наиболее вероятные интервалы, рассчитанные по результатам экспериментальных измерений.
Предложенная методика и имитационный стенд для проверки временных
параметров числового кода могут быть эффективно использованы для контрольно-поверочных испытаний аппаратуры АЛСН в лабораторных условиях.
Библиографический список
1. Брылеев А. М. Автоматическая локомотивная сигнализация и авторегулировка / А. М. Брылеев, О. Поупе, В. С. Дмитриев и др. — М.: Транспорт, 1981. — 320 с.
2. Railway Operation and Control. 3rd edition. — Washington: VTD Rail Publishing, Mountlake Terrace, 2014. — 284 p.
3. Sauer C. Gleisstromkreise — ein veraltetes oder aktuelles Mittel zur Gleisfreimtlding / C. Sauer // Eisenbahningenieuer. — 2014. — N 7. — P. 25—30.
4. Tasler G. The introduction of highly automatic operation — towards fully automatic train operation / G. Tasler, V. Knollmann // Signal und Draht. — 2018. — N 6. — P. 64—68.
5. Carrouée C. Integration of Automatic Train Warning into the best interlocking simulation / C. Carrouée, G. Rege, I. Hrivnák, K. Verheyden, M. Wilmart // Signal und Draht. — 2014. — N 8. — P. 49-52.
6. Шаманов В. И. Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики / В. И. Шаманов. — М.: «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. — 244 с.
7. Леушин В. Б. Особенности каналов автоматической локомотивной сигнализации магистральных железных дорог / В. Б. Леушин, Р. Р. Юсупов. — Самара: СамГУПС, 2007. — 115 с.
8. Ogunsola A. Electromagnetic. Compatibility in Railways: analysis and management /
A. Ogunsola, A. Mariscotti. — Berlin: Springer, 2013. — 600 p.
9. Пультяков А. В. Анализ влияния неравномерной намагниченности рельсов на устойчивость работы АЛСН / А. В. Пультяков, Ю. А. Трофимов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2011. — № 1 (30). — С. 206-210.
10. Пультяков А. В. Системный анализ устойчивости работы систем автоматической локомотивной сигнализации / А. В. Пультяков, М. Э. Скоробогатов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2018. — Т. 57, № 1. — С. 79-89.
11. Шаманов В. И. Влияние условий эксплуатации на устойчивость работы АЛСН /
B. И. Шаманов, А. В. Пультяков, Ю. А. Трофимов // Железнодорожный транспорт. — 2009. — № 5. — С. 46-50.
12. Воротилкин А. В. Проблемы влияния тяжеловесных поездов на приборы безопасности при электротяге переменного тока / А. В. Воротилкин, А. П. Хоменко, В. И. Шаманов // Железнодорожный транспорт. — 2006. — № 10. — С. 17-21.
13. Шевердин И. Н. Влияние тяжеловесных поездов на рельсовые цепи и АЛСН / И. Н. Шевердин, В. И. Шаманов, Ю. А. Трофимов, А. В. Пультяков // Автоматика, связь, информатика. — 2006. — № 10. — С. 16-19.
14. Леушин В. Б. Помехоустойчивость приемников АЛСН при приеме кодовых комбинаций в условиях действия флуктуационных помех / В. Б. Леушин, Р. Р. Юсупов, Э. К. Блачев, Н. Р. Барашкова // Вестник транспорта Поволжья. — 2009. — № 3 (19). — С. 39-41.
15. Шаманов В. И. Защищенность локомотивных приемников АЛС от помех / В. И. Шаманов // Автоматика, связь, информатика. — 2013. — № 4. — С. 14-19.
16. Сапожников В. В. Исследование свойств кодов Хэмминга и их модификаций в системах функционального контроля / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов // Автоматика на транспорте. — 2015. — Т. 1, № 3. — С. 311-337.
17. McCluskey E. J. Logic Design Principles: With Emphasis on Testable Semicustom Circuits / E. J. McCluskey. - New Jersey: Prentice Hall PTR, 1986. - 549 p.
18. Fujiwara E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications / E. Fujiwara. — New York: John Wiley & Sons, 2006. — 720 p.
19. GoesselM. New Methods of Concurrent Checking: Edition 1 / M. Goessel, V. Ocheretny, E. Sogomonyan, D. Marienfeld. — Dordrecht: Springer Science+Business Media B. V., 2008. — 184 p.
20. Скоробогатов М. Э. Узкополосный цифровой фильтр для выделения сигналов АЛСН в условиях действия интенсивных помех / Скоробогатов М. Э. // Транспорт Урала. — 2019. — № 4 (63). — С. 20-27.
21. Smith S. W. Digital signal processing: a practical guide for engineers and scientists / S. W. Smith. — USA: Newnes, 2013. — 650 p.
22. Haykin S. Adaptive filter theory: 4 edition / S. Haykin. — New Jersey: Prentice Hall, 2001. — 936 p.
23. Бестемьянов П. Ф. Методика статистического моделирования электромагнитных помех в каналах автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте / П. Ф. Бестемьянов // Электротехника. — 2015. — № 9. — С. 2-8.
24. Присухина И. В. Имитационная модель электрического кодового сигнала в российских системах интервального регулирования движения поездов на основе рельсовых цепей / И. В. Присухина, Д. В. Борисенко, С. А. Лунев // Труды СПИИРАН. — 2019. — № 5 (18). — C. 1212-1238.
25. Засов В. А. Компенсация помех в приемниках сигналов автоматической локомотивной сигнализации / В. А. Засов // Автоматика на транспорте. — 2019. — № 1. — С. 32-44.
26. Шаманов В. И. Моделирование генерации помех токами рельсовой тяговой сети / В. И. Шаманов // Автоматика, связь, информатика. — 2014. — № 10. — С. 5-9.
27. Авсиевич А. В. Имитационная модель АЛСН для исследования надежности приема кодовых комбинаций в пакете MATLAB/SIMULINK / А. В. Авсиевич, А. Р. Гу-маров // Мехатроника, автоматизация и управление на транспорте: Материалы Всероссийской науч.-практ. конференции. — Самара: СамГУПС, 2019. — С. 11-15.
28. Дьяконов В. П. MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров / В. П. Дьяконов. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 976 с.
V. V. Demyanov A. V. Pultyakov M. E. Skorobogatov V. A. Alekseenko
Chair of "Automation, Remote Control and Telecommunication", Irkutsk State Transport University, Irkutsk
METHOD OF THRESHOLD DETERMINATION OF SIGNAL-TO-NOISE RATIO FOR AUTOMATIC CAB SIGNALING SYSTEMS
Modeling of a continuous-type automatic locomotive signaling channel was conducted in the
environment of MATLAB+Simulink on a simulation virtual test desk under stationary harmonic and
random pulse noises. The size of the first interval between pulses in the "J" and "Z" code group was the
parameter for the evaluation of signal-to-noise ratio influence on shape-time signal characteristics of the numerical code. Standard value of this interval is accepted within the limits of 120 to 180 milliseconds (ms). According to the results of modeling threshold value of signal-to-noise ratio was determined for the given carrier frequencies under the influence of stationary or random noise. Dependency graphs of the size of the first interval between pulses and threshold value of signal-to-noise ratio for the numerical code signal were designed by the obtained results. In order to verify the obtained results most probable intervals of threshold value of signal-to-noise ratio were calculated on the basis of experimental data. The data in question was received during automatic cab signaling systems operation at the mountain pass areas of the East Siberian Railway equipped with alternate-current electric traction. Calculation of sample characteristics of the general population of observations was conducted for carrier frequencies of 25 and 75 Hz under the influence of stationary harmonic and random pulse noises. Calculated threshold values of signal-to-noise ratio, obtained by the results of modeling, made it into most probable intervals of threshold values, obtained by the results of experimental observations, in all cases. Calculated threshold values of signal-to-noise ratio under the influence of random pulse noise were lower compared to those under the influence of stationary harmonic noise; the latter agrees with the classical concept of jamming resistance of radio engineering systems.
Automatic cab signaling, automatic cab signaling failure, statistical characteristics of signal-to-noise ratio, simulation virtual test desk, stationary and random noise of automatic cab signaling
References
1. Bryleev A. M., Poype O., Dmitriev V. S. et al. (1981) Avtomaticheskaya lokomotivnaya signalizatsiya i avtoregulirovka [Automatic cab signaling and automatic control], Moscow, Transport Publ., 320 p. (In Russian)
2. (2014) Railway Operation and Control. 3rd edition. Washington, VTD Rail Publishing, Mountlake Terrace, 284 p.
3. Sauer C. (2014) Gleisstromkreise — ein veraltetes oder aktuelles Mittel zur Gleisfreimtld-ing. Eisenbahningenieuer, no. 7, pp. 25—30.
4. Tasler G. & Knollmann V. (2018) The introduction of highly automatic operation — towards fully automatic train operation. Signal undDraht, no. 6, pp. 64—68.
5. Carrouée C., Rege G., Hrivnák I., Verheyden K. & Wilmart M. (2014) Integration of Automatic Train Warning into the best interlocking simulation. Signal und Draht, no. 8, pp. 49—52.
6. Shamanov V. I. (2013) Elektromagnitnaya sovmestimost system zheleznodorozhnoy avtomatiky i telemekhaniky [Electromagnetic compatibility of railway automation and remote control systems]. Moscow, Uchebno-metodicheskiy tsentr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte [Training and Methodology Centre for Railway Transport] Publ., 244 p. (In Russian)
7. Leushin V. B. & Yusupov R. R. (2007) Osobennosty kanalov avtomaticheskoy lokomotiv-noy signalizatsii magistralnykh zheleznykh dorog [Specificities of automatic cab signaling channels for mainline railway]. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 115 p. (In Russian)
8. Ogunsola A. & Mariscotti A. (2013) Electromagnetic. Compatibility in Railways: analysis and management. Berlin, Springer Publ., 600 p.
9. Pultyakov A. V. & Trofimov Yu. A. (2011) Analiz vliyaniya neravnomernoy namagnichen-nosty relsov na ustoichivost raboty ALSN [Analysis of uneven rail magnetization influence on operation stability of continuous automatic cab signaling]. Sovremenniye tekhnologii. Sistemniy analiz. Modelirovaniye [Modern technologies. Systems analysis. Simulation], no. 1 (30), pp. 206-210. (In Russian)
10. Pultyakov A. V. & Skorobogatov M. E. (2018) Sistemniy analiz ustoichivosty raboty sistem avtomaticheskoy lokomotivnoy signalizatsii [System analysis of operation stability of automatic cab signaling systems]. Sovremenniye tekhnologii. Sistemniy analiz. Modelirovaniye [Modern technologies. Systems analysis. Simulation], vol. 57, no. 1, pp. 79—89. (In Russian)
11. Shamanov V. I., Pultyakov A. V. & Trofimov Yu. A. (2009) Vliyaniye usloviy ekspluatatsii na ustoichivost raboty ALSN [The influence of service conditions on continuous automatic cab signaling operation stability]. Zheleznodorozhniy transport [Railway transport], no. 5, pp. 46—50. (In Russian)
12. Vorotilkin A. V., Khomenko A. P. & Shamanov V. I. (2006) Problemy vliyaniya tyazhelovesnykh poezdov na pribory bezopasnosty pry elektrotyage peremennogo toka [Problems of influence of heavy trains on security devices during alternate current traction]. Zheleznodorozhniy transport [Railway transport], no. 10, pp. 17—21. (In Russian)
13. Sheverdin I. N., Shamanov V. I., Trofimov Yu. A. & Pultyakov A. V. (2006) Vliyaniye tyazhelovesnykh poezdov na relsoviye tsepy i ALSN [Influence of heavy trains on track circuits and continuous automatic cab signaling]. Avtomatika, svyaz, informatika [Automation, telecommunication, information technology], no. 10, pp. 16—19. (In Russian)
14. Leushin V. B., Yusupov R. R., Blachev E. K. & Barashkova N. R. (2009) Pomekhoustoi-chivost prijemnikov ALSN pry prijeme kodovykh kombinatsiy v usloviyakh deistviya fluktuatsionnykh pomekh [Jamming resistance of continuous automatic cab signaling receivers when receiving code combinations under fluctuation noise]. Vestnik transporta Povolzhya [Bulletin of the Volga region transport], no. 3 (19), pp. 39—41. (In Russian)
15. Shamanov V. I. (2013) Zashchishchennost lokomotivnykh priemnikov ALS ot pomekh [Jamming resistance of automatic locomotive signaling system receivers]. Avtomatika, svyaz, informatika [Automation, telecommunication, information technology], no. 4, pp. 14—19. (In Russian)
16. Sapozhnikov V. V., Sapozhnikov Vl. V. & Efanov D. V. (2015) Issledovaniye svoistv kodov Khemminga i ikh modifikatsiy v sistemakh funktsionalnogo kontrolya [The study of properties of Hamming codes and their modifications in concurrent error detection systems]. Avtomatika na transporte [Transportautomation], vol. 1, no. 3, pp. 311—337. (In Russian)
17. McCluskey E. J. (1986) Logic Design Principles: With Emphasis on Testable Semicustom Circuits. New Jersey, Prentice Hall PTR Publ., 549 p.
18. FujiwaraE. (2006) Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications. New York, John Wiley & Sons Publ., 720 p.
19. Goessel M., Ocheretny V., Sogomonyan E. & Marienfeld D. (2008) New Methods of Concurrent Checking. Edition 1. Dordrecht, Springer Science+Business Media B. V. Publ., 184 p.
20. Skorobogatov M. E. (2019) Uzkopolosniy tsifrovoy filtr dlya vydeleniya signalov ALSN v usloviyakh deistviya intensivnykh pomekh [Narrow-band digital filter for CACS signal extraction under high-intensity noise]. Transport Urala [The Ural Transport], no. 4 (63), pp. 20—27. (In Russian)
21. Smith S. W. (2013) Digital signal processing. A practical guide for engineers and scientists. USA, Newnes Publ., 650 p.
22. Haykin S. (2001) Adaptive filter theory. 4 edition. New Jersey, Prentice Hall Publ., 936 p.
23. Bestemyanov P. F. (2015) Metodika statisticheskogo modelirovaniya elektromagnitnykh pomekh v kanalakh avtomatiky i telemekhaniky na zheleznodorozhnom transporte [Statistical modeling of electromagnetic interference in channels of railway automation ad remote control]. Elektrotekhnika [Electricalengineeringg], no. 9, pp. 2—8. (In Russian)
24. Prisukhina I. V., Borisenko D. V. & Lunjev S. A. (2019) Imitatsionnaya model elektrich-eskogo kodovogo signala v rossiyskikh sistemakh intervalnogo regulirovaniya dvizheniya poezdov na osnove relsovykh tsepey [Simulation model of an electric code signal in Russian train separation systems based on rail circuits]. Trudy SPIIRAN [Proceedings of St. Petersburg Institute for Informatics and Automation of the Russian Academy of Sciences], no. 5 (18), pp. 1212-1238. (In Russian)
25. Zasov V. A. (2019) Kompensatsiya pomekh v prijemnikakh signalov avtomaticheskoy lokomotivnoy signalizatsii [Noise compensation in automatic cab signaling receivers]. Avtomatika na transporte [Transportautomation], no. 1, pp. 32-44. (In Russian)
26. Shamanov V. I. (2014) Modelirovaniye generatsii pomekh tokamy relsovoy tyagovoy sety [Noise generation modeling by current of the railway electric traction network]. Avtomatika, svyaz, informatika [Automation, telecommunication, information technology], no. 10, pp. 5-9. (In Russian)
27. Avsievich A. V. & Gumarov A. R. (2019) Imitatsionnaya model ALSN dlya issledovaniya nadezhnosty prijema kodovykh kombinatsiy v pakete MATLAB/SIMULINK [CACS simulation model for the study of receiving reliability of code combinations in MATLAB/ SIMULINK pack]. Mekhatronika, avtomatizatsiya i upravleniye na transporte [Transport mechatronics, automation and control]. Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Proceedings of All-Russian research and training conference]. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., pp. 11-15. (In Russian)
28. Dyakonov V. P. (2011) MATLAB i SIMULINK dlya radioinzhenerov [MATLAB and SIMULINK for radio engineers]. Moscow, DMK Press, 976 p. (In Russian)
Статья представлена к публикации членом редколлегии В. И. Шамановым Поступила в редакцию 16.02.2020, принята к публикации 10.03.2020
ДЕМЬЯНОВ Владислав Владимирович — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь» Иркутского государственного университета путей сообщения; e-mail: sword1971@yandex.ru
ПУЛЬТЯКОВ Андрей Владимирович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь» Иркутского государственного университета путей сообщения; e-mail: pultyakov@irgups.ru
СКОРОБОГАТОВМаксим Эдуардович — старший преподаватель кафедры «Автоматика, телемеханика и связь» Иркутского государственного университета путей сообщения; e-mail: skor_maxim@mail.ru
АЛЕКСЕЕНКО Владимир Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика, телемеханика и связь» Иркутского государственного университета путей сообщения; e-mail: bezvoprosov03@mail.ru
© Демьянов В. В., Пультяков А. В., Скоробогатов М. Э., Алексеенко В. А., 2020
