CC BY
13
Оригинальная статья / Original article УДК 656(075.8)
DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-6-232-238
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
© Н.Г. Мудрая1, Ю.Ф. Мухопад2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе осуществлена разработка структурного алгоритма для автоматизации процессов контроля работоспособности и мониторинга за состоянием рельсовых цепей с помощью широкополосных сигналов, способных обеспечить существенное повышение качественных показателей контроля параметров безопасности железнодорожных перевозок. Автоматизация контроля работоспособности рельсовых цепей на железной дороге реализуется системой в виде блоков, отвечающих за выполнение определенной задачи, структурной модели ФИЛАУ. Данная модель позволяет создавать систему для реализации любого алгоритмического процесса контроля, диагностики и управления. В частности является базисом для создания требуемого. МЕТОДЫ. В основе лежит метод разработки и анализа алгоритма для автоматизации процессов контроля работоспособности и мониторинга за состоянием рельсовых цепей за счет применения широкополосных сигналов, который позволит существенно повысить качественные показатели контроля параметров безопасности железнодорожных перевозок. РЕЗУЛЬТАТЫ. ВЫВОДЫ. Применение новой методологии контроля и специального алгоритма для автоматизации системы контроля работоспособности рельсовых цепей на железной дороге, обеспечивающей безопасность движения поездов посредством применения радиотехнических сигналов, позволит существенно повысить показатели безопасности движения, надежность работы, сократить энергозатраты и др. А также немаловажно то, что новый подход позволяет существенно сократить время задержки поездов.
Ключевые слова: железнодорожный транспорт, безопасность движения поездов, автоматизация, радиотехнический сигнал, рельсовая цепь, широкополосный сигнал.
Информация о статье. Дата поступления 4 апреля 2018 г.; дата принятия к печати 8 мая 2018 г.; дата онлайн-размещения 29 июня 2018 г.
Формат цитирования. Мудрая Н.Г., Мухопад Ю.Ф. Обеспечение безопасности движения поездов с применением радиотехнических систем // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 6. С. 232-238. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-6-232-238
PROVISION OF RAIL TRAFFIC SAFETY BASED ON RADIO ENGINEERING SYSTEMS
N.G. Mudraya, Yu.F. Mukhopad
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. PURPOSE. This paper develops a structural algorithm to automate the processes of efficiency control and monitoring of the condition of track circuits through the use of wideband signals able to provide a substantial increase of qualitative indicators of control of railway transportation safety indicators. The automation of rail circuit efficiency control is implemented by the system of blocks responsible for performing a certain task in the form of a structural model of FILAC (F-functional subsystem; I - information subsystem, L - logical subsystem, A - addressing subsystem, C - control subsystem). This model allows to create a system for the implementation of any algorithmic process of control, diagnosis and
1Мудрая Наталия Георгиевна, аспирант, e-mail: mydrayanatali@mail.ru Natalia G. Mudraya, Postgraduate student, e-mail: mydrayanatali @ mail.ru
2Мухопад Юрий Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации производственных процессов, заслуженный деятель науки РФ, e-mail: bts48@mail.ru
Yury F. Mukhopad, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automation of Production Processes, Honored Worker of Science of the Russian Federation, e-mail: bts48@mail.ru
management, being the basis for the creation of the required one. METHODS. The study is based on the method of development and analysis of the automation algorithm of the processes of efficiency control and monitoring of the rail circuit condition through the use of broadband signals. It will significantly improve the qualitative indicators of control of rail transportation safety parameters. RESULTS. CONCLUSIONS. Application of new control methods and a special automation algorithm of the rail circuit efficiency control system that provides rail traffic safety through the use of radio signals will significantly improve traffic safety indicators and operation reliability as well as decrease energy costs and other. It should be noted that the new approach can significantly reduce the delay time of trains. Keywords: railway transport, train traffic safety, automation, radio signal, rail circuit, broadband signal
Information about the article. Received April 4, 2018; accepted for publication May 8, 2018; available online June 29, 2018.
For citation. Mudraya N.G., Mukhopad Y.F. Provision of rail traffic safety based on radio engineering systems. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 6, pp. 232-238. (in Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-6-232-238
Введение
Сохранение безопасности движения поездов - вопрос, который требует для решения специфических подходов, как в техническом, так и информационном обеспечении. Наличие множества систем, которые решают задачи безопасности раздельно и с низкой точностью. Так, совершенствование системы сигнализации, централизации, блокировки для обеспечения безопасности и непрерывности движения поездов тесно связано с полноценным функционированием рельсовых цепей и точности снимаемых с них данных.
Именно из-за рельсовых цепей происходит около 40% отказов систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Поэтому необходимо осуществлять постоянный контроль свободности участка железнодорожного пути и целостности рельс [1].
В настоящее время по сети железных дорог внедряются технические системы, состоящие из микропроцессоров и электронных схем с высокой степенью интеграции элементов, но в качестве датчика, контролирующего свободность участка пути, используется рельсовая цепь (РЦ).
Альтернативный метод контроля свободности пути, такой как счет осей, может применяться только там, где отсутствует требование контроля излома рельса. Поэтому в будущем на магистральном транспорте основным датчиком контроля свободности пути будет оставаться рельсовая цепь [2]. При этом если оставить техно-
логию контроля и обслуживания без изменений, то число отказов, возникающих из-за неисправности рельсовых цепей, не уменьшится. Необходимо повышать работоспособность устройств автоматики, телемеханики за счет применения прогрессивных методов обслуживания и контроля. Добиться этого можно путем автоматизации процесса контроля и мониторинга за состоянием рельсовых цепей на основе применения радиотехнических сигналов.
Целью статьи является разработка структурного алгоритма для автоматизации процессов контроля работоспособности и мониторинга за состоянием рельсовых цепей за счет применения широкополосных сигналов, способных обеспечить существенное повышение качественных показателей контроля параметров безопасности железнодорожных перевозок [3-16].
Модель специального алгоритма для контроля работоспособности рельсовых цепей
Автоматизация контроля работоспособности рельсовых цепей на железной дороге реализуется системой в виде блоков, отвечающих за выполнение определенной задачи, в виде структурной модели ФИЛАУ (рис. 1) [3], в которой:
• Ф - функциональная подсистема, предназначенная для физического и/или
функционального преобразования входных, промежуточных и выходных сигналов -блоки 2, 3, 4, 9 (рис. 2);
• И - информационная подсистема, предназначенная для хранения данных, промежуточной и выходной информации, реализуемая блоками постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), но может быть также распределенной памятью;
• Л - логическая подсистема, предназначенная для решения задач реализации логических функций - блоки 5, 6, 7, 10;
• А - адресная подсистема, предназначенная для решения задач адресации команд, констант и переменных вычислений - блок 1;
• У - управляющая подсистема, предназначенная для реализации логико-временного взаимодействия блоков всех подсистем - блок 8.
Информационная подсистема является распределенной, т.к. регистры памяти и память данных (ОЗУ) включены в соответствующие блоки функциональной подсистемы.
В работе [3] доказано, что модель является универсальной, т.к. позволяет создавать систему для реализации любого алгоритмического процесса контроля, диагностики и управления. В частности является базисом для создания алгоритма функционирования автоматизированной системы контроля работоспособности рельсовых цепей на основе применения широкополосных сигналов.
Рис. 1. Структурная модель сложной технической системы Fig. 1. Structural model of a complex technical system
Алгоритм для контроля работоспособности рельсовых цепей на основе применения широкополосных сигналов
Необходимость автоматизации процесса контроля работоспособности рельсовых цепей на основе применения широкополосных сигналов (ШПС), реализующаяся специальным алгоритмом, обусловлена, в первую очередь, непрерывным контролем сопротивления балласта и целостности рельсового пути.
Работа процесса поясняется структурно-алгоритмической схемой функционирования автоматизированной системы контроля работоспособности рельсовых цепей
на основе применения широкополосных сигналов (рис. 1). Где стационарный блок 8 (обработки информации и управления) посылает в линию связи сигнал синхронизации, с указанием адреса генератора и приемника в блоке 1 адресации, сигнал с определенным индексом модуляции и искажения (для задания опорного сигнала - для определенного адреса приемника), запускает программу формирования сигнала. Блок 2 формирования сигнала по команде со стационарного
блока 1 обработки информации и управления запускает программу формирования сигнала и искажений, которая реализуется путем поступления сигналов в модулятор (умножитель) и поступает в виде сигналов в контролируемый участок рельсовой цепи; величина сигнального тока может регулироваться и измеряться в блоке регулировки и измерения 3.
Сигнал от блока 3 регулировки и измерения через рельсовую линию поступает на вход блока 4 приема широкополосного сигнала. Выделение рабочего широкополосного сигнала, его обработка и принятие решения о состоянии рельсовой цепи в условиях действия помех, создаваемых электроподвижным составом и др., осуществляется с помощью блоков 4, 5, 6, 7.
Блоки 4, 5, 6 в процессе производства настраиваются на М-каналы приема (в зависимости от участков контроля). Параметры настройки каждого из М-каналов сохраняются в памяти блока формирования сигналов сравнения 9. Переключение каналов сравнения осуществляется путем переноса данных, соответствующих выбираемому каналу, из блока формирования сигналов сравнения 9 в блок 4 приема ШПС, блок 5 и блок 6.
Адаптация устройств приема к требуемому каналу сравнения происходит следующим образом. После включения питания приемника ШПС блок 9 формирования сигналов сравнения выключает усилитель и передает блоку 10 анализа канала сравнения номер реального канала, на который настроен приемник ШПС. Блок 10 анализа канала сравнения сравнивает номер реального канала с номером требуемого канала для данного участка рельсовой цепи, который он считывает с помощью блока 8 обработки информации и управления (микропроцессора - КИ-6м - концентратора информации).
Если же номера реального и требуемого каналов не совпадают, то блок 10 анализа канала сравнения передает блоку 9 формирование сигналов сравнения требуемый номер канала. Блок 9 формирования
сигналов сравнения переносит данные, соответствующие выбираемому каналу, в приемник ШПС и затем включает усилитель. В результате чего приемник ШПС начинает работать на новом (требуемом) канале приема.
Сигнал от генератора через рельсовую линию поступает на вход блока 4 приема широкополосного сигнала. В блоке установлено устройство защиты, которое служит для защиты приемника от влияния опасных напряжений, наводимых в рельсовых цепях. С помощью нормирующего усилителя осуществляется регулировка чувствительности приемника. На выходе блока 4 из широкополосной смеси сигналов и помех, поступающих на его вход, выделяется принимаемый широкополосный сигнал при помощи детектора, основная энергия которого содержится в центральной спектральной составляющей, с помощью оптимального фильтра (коррелятора). Выделенный сигнал поступает на входы блока 5, где находится пороговый элемент, и блока 6 с элементом сравнения. Пороговый элемент - компаратор - формирует групповую оценку уровня принимаемого сигнала рельсовой цепи по совокупности текущей оценки уровня его спектральных составляющих. Решение о состоянии рельсовой цепи (целостность/излом) формируется в виде логического сигнала: - К=0 - излом; - К=1 - целостность.
Для включения компаратора (перевода его из состояния 0 в 1) необходимо выполнение двух условий: уровень спектральных составляющих сигнала должен превысить порог срабатывания приемника ШПС сигнала; разброс уровней, превысивших порог срабатывания, должен быть не более 10%. Одновременное выполнение этих условий возможно только в том случае, если рельсовая цепь работоспособна, а уровни и характеристики помех отвечают предельным условиям помехоустойчивости.
После включения компаратора его переход в выключенное состояние при изломе рельсовой цепи происходит тогда, когда уровень спектральных составляющих
принимаемого сигнала становится ниже порога.
Логические сигналы от двух блоков 5 и 6 объединяются блоком 7 оценки состояния. Появление логического сигнала «1» на выходе блока 7 оценки состояния осуществляет оценку сравнения с установленной заранее величиной допустимого входного
напряжения и фазы в блоке сравнения 6, определяет отношение этих напряжений и разность фаз (искажения). По величине этого отношения в блоке 8 обработки информации определяется значение напряжения (тока), соответствующее нарушению распространения сигнала вдоль контролируемого участка рельсовой цепи.
Рельсовая линия
Блок 4 Приема ШПС
Блок 5 Пороговый элемент
Блок 6 Элемент сравнения
Блок 9 Формирование сигнала сравнения
Блок 10 Анализ канала сравнения
Блок 7 Оценки состояния
w
ПРИЕМНИК
ШПС
j__________
Примечание / Note. Рельсовая линия / Rail track; Блок 1 / Block 1. Addressing; Блок 2 / Block 2. Signal formation; Блок 3 / Block 3. Regulation and measurement; Блок 4 / Block 4. Broadband signal detection; Блок 5 / Block 5. Threshold element; Блок 6 / Block 6. Comparison element; Генератор ШПС / broadband signal generator; Блок 7 / Block 7. State evaluation; Приемник ШПС / Broadband signal receiver; Блок 8 / Block 8. Data processing and control; Блок 9 / Block 9. Formation of the comparison element; Блок 10 / Block 10. Analysis of the comparison channel; Система передачи данных / Data transmission system
Рис. 2. Структурно-алгоритмическая схема функционирования автоматизированной системы контроля работоспособности рельсовых цепей на основе применения широкополосных сигналов Fig. 2. Structural algorithmic block-diagram of the operation of an automated control system monitoring rail
circuit operability based on broadband signals
Таким образом, считается, что рельсовая цепь работоспособна, если такое решение принял хотя бы один из блоков 5 или 6, и рельсовая цепь с изломом или критическим значением сопротивления балласта, если оба блока 5 и 6 фиксируют отсутствие принимаемого сигнала.
Блок 8 управления и обработки информации включен в единую сеть передачи данных железнодорожных систем автома-
тики и телемеханики, благодаря чему результаты обработки сигналов контроля блока 8 и сведения о состоянии участка контроля доступны на различных иерархических уровнях: от линейных пунктов контроля до центров управления перевозками. Они поступают по магистральной линии связи на автоматизированные рабочие места операторов, на станции и в центр управления перевозками для принятия окончательного решения о состоянии контролируемой РЦ.
Выводы
Применение новой методологии контроля и специального алгоритма для автоматизации системы контроля работоспособности рельсовых цепей на железной дороге, обеспечивающей безопасность движения поездов, посредством применения радиотехнических сигналов, позволит: осуществлять непрерывный, одновременный и в реальном масштабе времени контроль сопротивления балласта и целостности рельсового пути, благодаря чему существенно повысить показатели безопасности желез-
нодорожных перевозок; локализовать неисправность рельсового пути или несоответствие техническим требованиям сопротивления балласта с точностью до контролируемого участка, применять менее энергозатратную, по сравнению с существующей, технологию контроля, автоматизировать подстройки параметров сигналов устройств сигнализации, централизации и блокировки в зависимости от электрических свойств балласта; существенно сократить время задержки поездов.
Библиографический список
1. Мудрая Н.Г. Автоматическая система контроля работоспособности рельсовых цепей на основе применения широкополосных сигналов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. Т. 57. № 1. С. 124-129. https://doi.org/10.26731/1813-9108.2018.1(57).124-129
2. Бушуев А.В., Бушуев В.И., Бушуев С.В. Рельсовые цепи: теоретические основы и эксплуатация. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2014. 311 с.
3. Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. Иркутск: Иркутский государственный университет путей сообщения, 2010. 172 с.
4. Telliskivi T: Wheel-Rail Interaction Analysis. TRITA -MMK Report 2003:21, Ph.D. Thesis, Department of Machine Design, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm 2003.
5. Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1794752, B61L 23/16, приоритет 23.11.1989 г., опубл. 15.02.1993 г. [Электронный ресурс]. URL: http://free-patent. ru/patens/1794752
6. Патент РФ № 2067056, B61L 23/16, приоритет 13.05.1992, опубл. 27.09.1996. [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/207/20670506
7. Патент РФ № 2424936, B61L 23/16, приоритет 04.02.2010 г., опубликовано 27.07.2011. [Электронный ресурс]. URL: http://freepatent.ru/patens/2424936
8. Пат. № 2592027, Российская Федерация, В6^ 23/04. Система контроля сопротивления балласта и целостности рельс железнодорожной линии с применением ЛЧМ-сигналов / А.Б. Мокшин, В.С. Марюх-ненко, Н.Г. Мудрая; опубл. 20.07.2016
9. Мудрая Н.Г., Марюхненко В.С. Применение шумо-подобных сигналов для контроля сопротивления балласта железнодорожных путей // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. трудов Всерос. науч.-практ. конф. Красноярск, 2015. С. 84-87.
10. Марюхненко В.С., Мудрая Н.Г. Физико-технические аспекты изменения сопротивления балласта железнодорожных путей // Вопросы естествознания. 2016. № 1 (9). С. 25-34.
11. Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: справочник: в 2 кн. М.: Планета, 2000. Кн. 2. 1008 с.
12. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991. 624 с.
13. Марюхненко В.С. Системный анализ навигационного обеспечения подвижных транспортных объектов. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2008. 80 с.
14. Бушуев А.В. Повышение устойчивости работы рельсовых цепей на свердловской дороге // Автоматика, связь, информатика. 2003. № 2. С. 33-36.
15. Тильк И.Г. Новые устройства автоматики и телемеханики железнодорожного транспорта. Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения, 2010. 168 с.
16. Сапожников В.В., Гавзов Д.В., Никитин А.Б. Концентрация и централизация оперативного управления движением поездов. М.: Транспорт, 2002. 102 с.
References
1. Mudraya N.G. Automatic control system of rail circuits rolling on the basis of application of complex signals. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyy analiz. Modeliro-vaniye. [Modern technologies. System analysis. Modeling], 2018, vol. 57, no. 1, рр. 124-129. https://doi.org/10.26731/1813-9108.2018.1 (57).124-129
2. Bushuyev A.V., Bushuyev V.I., Bushuev S.V. Rel'sovye cepi: teoreticheskie osnovy i ekspluataciya [Track circuits:Theoretical bases and operation]. Ekaterinburg: Ural State University of Railway Transport Publ., 2014, 311 p.
3. Mukhopad Yu.F. Teoriya diskretnyh ustrojstv [Theory of discrete devices]. Irkutsk: Irkutsk State Transport University Publ., 2010. 172 p.
4. Telliskivi T. Analysis of the interaction between the wheels. TRITA - MMK Report 2003: 21, Ph.D. Abstracts, Department of Mechanical Engineering, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, 2003.
5. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR na izobretenie № 1794752, B61L 23/16 [Inventor's certificate of the USSR no. 1794752, B61L 23/16]. URL: http://freepatent.ru/pat-ens/1794752
6. Patent RF № 2067056, B61L 23/16 [The patent of the Russian Federation no. 2067056, B61L 23/16]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/207/20670506
7. Patent RF № 2424936, B61L 23/16 [The patent of the Russian Federation no. 2424936, B61L 23/16]. URL: http://freepatent.ru/patens/2424936
8. Mudraya N.G. Sistema kontrolya soprotivleniya bal-lasta i celostnosti rel's zheleznodorozhnoj linii s prime-neniem LChM-signalov [Control system of ballast resistance and railway track integrity with the use of chirp signals]. Patent RF, no. 2592027, 2013.
9. Mudraya N.G., Maryukhnenko V.S. Primenenie shu-mopodobnyh signalov dlya kontrolya soprotivleniya bal-lasta zheleznodorozhnyh putej [Use of noise-like signals to control the ballast resistance of railway tracks].
Критерии авторства
Мудрая Н.Г., Мухопад Ю.Ф. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Sbornik trudov Vserosijskoj nauchno-prakticheskoj kon-ferencii "Sovremennye problemy radioelektroniki" [Proceedings of All-Russian scientific and practical conference "Modern problems of radio electronics"]. Krasnoyarsk, 2015, pp. 84-87. (In Russian).
10. Mariukhnenko V.S., Mudraya N.G. Physical and technical aspects of resistance change of railways of ballast. Voprosy estestvoznaniya [Problems of Natural Science]. Irkutsk: Irkutsk State Transport University Publ., 2016, no. 1 (9), pp. 25-33. (In Russian).
11. Soroko V.I., Milyukov V.A. Apparatura zheleznodorozhnoy avtomatiki i telemekhaniki:spravoch-nik [Equipment of railway automatics and telemechanics: handbook]. Moscow: Planet Publ., 2000, Book 2, 1008 p. (In Russian).
12. Tikhonov V.I. Statisticheskaya radiotekhnika [Statistical Radio Engineering]. Moscow: Radio and Communication Publ., 1991, 624 p. (In Russian).
13. Maryuhnenko V.S. Sistemnyj analiz navigacionnogo obespecheniya podvizhnyh transportnyh ob"ektov [System analysis of mobile transport facility navigation support]. Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University Publ., 2008, 80 p. (In Russian).
14. Bushuev, A.V. Improving operation stability of rail circuits on Sverdlovskaya road. Avtomatika, svyaz', in-formatika [Automation, Communication and Informatics], 2003, no. 2, pp. 33-36. (In Russian).
15. Tilk I.G. Novye ustrojstva avtomatiki i telemekhaniki zheleznodorozhnogo transporta [New automatics and telemechanics devices for railway transport]. Ekaterinburg: Ural state University of Railway Transport Publ., 2010, 168 p. (In Russian).
16. Sapozhnikov V.V., Gavzov D.V., Nikitin A.B. Koncen-traciya i centralizaciya operativnogo upravleniya dvizheniem poezdov [Concentration and centralization of operative control of train traffic]. Moscow: Transport Publ., 2002, 102 p. (In Russian).
Authorship criteria
Mudraya N.G., Mukhopad Yu.F. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
