CC BY
108
УДК 656.256.1; 621.396.969
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СКОРОСТИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
_ л о
© В.С. Марюхненко1, М.А. Гурулёва2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
На основе сравнительного анализа различных способов измерения скорости исследованы особенности применения на железнодорожном транспорте радиолокационных доплеровских измерителей скорости (РДИС). Определены желаемые технические характеристики РДИС. Рассмотрены вопросы использования РДИС в системах управления железнодорожными подвижными объектами и их контроля. Проанализированы радиолокационные характеристики железнодорожных объектов и амплитудно -частотные особенности спектра отраженных сигналов. Показан подход к расчету эффективности железнодорожных перевозок с внедрением доплеровских измерителей.
Ключевые слова: железнодорожный транспорт; измеритель скорости; доплеровский сдвиг частоты; спектр; отражающая способность; эффективная поверхность рассеяния.
APPLICATION FEATURES OF RADAR VELOCIMETERS FOR MOBILE RAILWAY OBJECTS V.S. Maryukhnenko, M.A. Guruleva
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
Having compared different speed measurement methods, the authors study the application features of Doppler radar velocimeters (DRV) in railway transport. DRV desired specifications are determined. The issues of using DRV in the control systems of mobile railway objects are discussed. The analysis is given to the radar characteristics of the railway objects and amplitude-frequency features of the echoed signal spectrum. An approach to calculation the efficiency of railway transportation involving Doppler velocimeters is demonstrated.
Key words: railway transport; velocimeter; Doppler frequency shift; spectrum; echoing property; effective radar cross-section.
Введение. Планомерное и целенаправленное наращивание эффективности перевозочного процесса - важнейшая задача компании «Российские железные дороги». Решение этой задачи невозможно без современных систем обеспечения безопасности движения поездов, для работы которых необходимо непрерывное поступление обновляющейся информации о параметрах движения:
X^M, X1(t), X2(t), ..., Xn(t)], (1)
где применительно к локомотиву текущие значения: x0(t) - линейной координаты; x(t) - производных: xi(t) = dl [x0(t)]/dtl, i=1, ..., n; n - порядок высшей производной, используемой в алгоритмах бортовых систем обеспечения безопасности.
С точки зрения безопасности перевозок, скорость - один из критических параметров движения, непрерывный контроль которого крайне необходим в реальном масштабе времени.
Множество типов подвижных транспортных объектов, а также особенности их перемещения в пространстве обусловили применение различных способов и устройств измерения скорости (табл. 1) [2, 5, 8]. Для каждого из них характерен свой спектр ошибок измерения: для одометрического способа свойственны погрешности, определяемые геометрией и характером перемещения колесных пар относительно рельса; погрешности аэродинамического спо-
1
Марюхненко Виктор Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматики, телемеханики и связи, тел.: 89149373090, e-mail: viktor.maryuhnenko@yandex.ru
Maryukhnenko Viktor, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automation, Telemechanics and Communication, tel.: 89149373090, e-mail: viktor.maryuhnenko@yandex.ru
2Гурулёва Марина Анатольевна, аспирант, тел.: 89141412651, e-mail: Marina_Spiridono@mail.ru Guruleva Marina, Postgraduate, tel.: 89141412651, e-mail: Marina_Spiridono@mail.ru
соба зависят от физических параметров атмосферы и скорости движения; погрешности инер-циального измерения - от ошибок азимутальной привязки, а также от гипотезы о форме поверхности Земли; для радиолокационного способа характерны ошибки, связанные с формой сигналов и алгоритмами их обработки.
Таблица 1
Среднеквадратичные погрешности различных способов измерения скорости
Одометрический Аэродинамический
Способ измерения Механический измеритель типа ЗСЛ2МП Электронный в составе (КЛУБ-У) Радиолокационный Инерци-альный
V= 0...80 км/ч V > 80 км/ч V< 400 км/ч
Среднеквадратичная погрешность, ст, км/ч 0,08- V 1 2 (0,02.. .0,16)-V <0,01^ Возрастает с течением времени движения
Примечание. КЛУБ-У - комплексное локомотивное устройство безопасности унифицированное.
Достоинство радиолокационного измерения скорости - в универсальности, которая заключается в возможности применения самых различных алгоритмов обработки отраженных сигналов (рис. 1). Доплеровские измерители скорости (ДИС) отличаются потенциально более высокой точностью измерений, при их реализации нет необходимости в дифференцировании.
Радиолокационные измерители скорости
Доплеровские
Дальномерные
Однолучевые Многолучевые Корреляционные
и X V
Импульсные Непрерывные Дифференцирующие
Рис. 1. Классификация радиолокационных способов измерения взаимной скорости объектов
Цель статьи - исследование особенностей применения радиолокационного измерения скорости железнодорожных подвижных объектов.
1. Особенности радиолокационного измерения скорости объектов железнодорожного транспорта
Основная задача применения бортовых (локомотивных) радиолокационных доплеров-ских измерителей скорости - реализация бесконтактного, непрерывного, высокоточного измерения скорости подвижного железнодорожного объекта в целях соблюдения безопасного скоростного режима движения, а также интегрирования в структуру и алгоритмы функционирования локомотивных микропроцессорных систем управления КЛУБ-У и САУТ (система автоматического управления торможением).
При функционировании локомотивных ДИС следует учитывать ряд особенностей, которые определяют его технические характеристики (рис. 2).
Частотный диапазон. Как следует из анализа применения ДИС в различных областях техники, для решения задачи радиолокационного доплеровского измерения скорости железнодорожных подвижных транспортных средств целесообразно применять электромагнитное излучение сантиметровых и более коротких длин волн - диапазон сверхвысоких частот (СВЧ). Это предопределяет применение апертурных антенн.
Рис. 2. Особенности функционирования радиолокационных ДИС в устройствах управления локомотивом
Диаграммы направленности антенн определяются необходимостью принимать отраженные сигналы из дальней зоны антенны:
К>2О2/^, (2)
где Я - расстояние от фазового центра антенны; О - максимальный габаритный размер антенны (размер апертуры); А0 - длина волны зондирующего сигнала.
При выполнении условия (2) диаграмма направленности (ДН) характеризуется шириной, формой основного лепестка, допустимым уровнем боковых лепестков и др. Форма ДН определяется конфигурацией рабочей поверхности антенны, ее размером, длиной волны излучения, пространственной ориентацией волны, свойствами окружающей среды и другими параметрами.
Для диапазона СВЧ характерны следующие особенности антенн [7]:
а) условие Фраунгофера
1/А0>>1 (3)
соблюдается на относительно небольших расстояниях от антенны;
б) ширина ДН в плоскости максимальной апертуры антенны (рад) равна
0 = А0/О; (4)
в) имеется возможность формирования ДН различной ширины в ортогональных плоскостях.
При выполнении условия (3) в соответствии с (4) формируются ДН (рис. 3):
а) игольчатые - с концентрацией основного излучения антенны в узком телесном угле (несколько градусов);
б) веерные - сечение диаграммы узкое (2-7°) в одной плоскости и широкое (15-60°) в плоскости, ортогональной ей;
в) с заданной функциональной зависимостью от направления.
1 2 3
А
BI
B
аЬ ви
а б
Рис. 3. Примеры игольчатой (а) и веерной (б) ДН с лепестками: 1 - задний; 2 - боковые; 3 - главный
Интерес представляют фазированные антенные решетки СВЧ диапазона, которые позволяют формировать ДН заданной формы с возможностью качания основного лепестка ДН без применения механических устройств.
Отражающая способность материалов верхнего строения пути и объектов инфраструктуры вносит существенное влияние в совокупность отраженных сигналов, попадающих на вход приемной антенны. СВЧ электромагнитные колебания (ЭМК) ДИС отражаются от разнородных по свойствам материалов: металлов, диэлектриков, полупроводников, а именно: рельсов, путевых ящиков, соединительных муфт, стрелочных переводов, растяжек, светофоров, проводов и опор контактной сети, балластного слоя (щебеночного или гравийного), шпал (деревянных или железобетонных), благодаря чему создается вторичное излучение. Отражения ЭМК от элементов верхнего строения железнодорожного пути подразделяют на зеркальное, диффузное и уголковое.
Излучение, падающее на элементы верхнего строения пути и объекты инфраструктуры (первичное излучение), вызывает от них вторичное излучение. Вторичное излучение от объекта, линейный размер поверхности которого I с неровностями высотой Л (табл. 2), является зеркальным, если
!>>А0 , Л«А0, (5)
и диффузным при соответствии условиям Релея:
1>>А0, Л>А0/(8-соб ф), где ф- угол падения СВЧ излучения на отражающую поверхность.
Максимальный размер неоднородности некоторых оснований
(6)
Таблица 2
Размер неровности, мм Щебеночный, гравийный балласт Гравийно-песчаный балласт Рельсы, опоры, провода, железобетонные шпалы
Л 60 25 ^0
3
Уголковое отражение наступает, если существует такое сочетание различно ориентированных поверхностей зеркального отражения, при котором почти зеркально возвращается вторичное излучение в направлении падающего первичного электромагнитного излучения. При уголковом отражении для каждой поверхности соблюдается условие (5). Так как объекты железнодорожной инфраструктуры конструктивно представляют собой множество пересекающихся под различными углами поверхностей зеркального и диффузионного отражений, то может возникнуть сочетание условий (5) и (6), следовательно, и уголковое отражение.
Некоторые элементы верхнего строения пути и поверхности кузова вагона, обладающие различными свойствами отражения ЭМК ДИС, показаны на рис. 4. Каждый /-й элемент характеризуется своей площадью эффективной поверхности рассеяния (ЭПР):
стг а(п, X/, у/, ц, Б, ф/), (7)
где X, у, г/, - координаты; Б/ - площадь поверхности /-го отражающего элемента; Г/=Г/(х/, у, г, ф/) - коэффициент отражения /-го элемента в направлении приемной антенны; ф,- - угол падения ЭМК на / - ю отражающую поверхность.
а б
Рис. 4. Характер отражения СВЧ излучения от элементов: а - железной дороги: б - поверхности грузового вагона при угле падения ф: 1 - область диффузного отражения (щебень); 2 - точки зеркального отражения ф^ж/2; 3 - места уголкового отражения; 4 - точки зеркального отражения ф=ж/2
Коэффициент отражения /-го элемента в направлении приемной антенны характеризует мощность отраженного СВЧ излучения, которая существенно зависит от типа отражения (зеркальный, диффузный, уголковый) и материала отражающего объекта (табл. 3).
Таблица 3
Значения коэффициента отражения для характерных точек_
Вид отражения Зеркальное Диффузное Уголковое
ф=л/2 ф^л/2
Коэффициент отражения /=1 /=0,9 0<г<1 г=1
В работе [5] формула (7) для диффузионного отражения конкретизируется:
а/ = 4S//7COS2 ф i,
(8)
где Б/ - площадь облучаемого участка.
Из-за неоднородности отражающей поверхности коэффициент отражения г в выражении (8), а следовательно, и ЭПР являются случайными величинами. Плотность вероятности результирующей ЭПР арез по всем элементам а/,/=1,2,3,...к, к^да:
wirr \ (1 + m) т
рез
\m(1 + т)стрез
рез
exp
-(m +
(1 + m)a.
рез
рез
(9)
1
k
где арез - среднее значение ЭПР случайных отражателей; т=а0/арез; о0 - ЭПР
к 1=\
стабильно отражающего элемента; /0(^) - функция Бесселя нулевого порядка от указанного аргумента.
При относительном увеличении ЭПР стабильно отражающего элемента, т.е. при увеличении т, распределение плотности вероятности ЭПР арез изменяется от экспоненциального (т=0) до гауссовского (т^ю) (рис. 5).
1,00 0,75
0,50 0,25
1,00 0,75
0,50 0,25
-
m=0 m=1
о,
рез
о
рез
0
0
0
0
1,0 2,0
б
Рис. 5. Плотность вероятности ЭПР цели с неоднородной поверхностью при малой (а) и большой контрастности (б) радиолокационных стационарных целей
Следовательно, условия отражения ЭМК от элементов инфраструктуры железной дороги таковы, что наряду с диффузным, относительно маломощным отражением, существуют отражения большой (на порядок и больше) мощности - зеркальное и уголковое, для которых характерно т>>1. Поэтому распределение (9) с достаточной для практики точностью можно считать гауссовским. Кроме того, при зеркальном отражении электромагнитных колебаний от гладких поверхностей возможно исчезновение сигнала на входе приемной антенны, что необходимо учитывать при синтезе алгоритмического обеспечения работы ДИС.
1.1. Спектр отраженного сигнала
От каждой /-й, /=1,2,3,... М/, точки отражающей поверхности в^ /=1,2,3,.. Д (рис. 6) на входе приемной антенны ДИС создается отраженный сигнал:
а
е//(0=Е//Зт(ю /+ф /), (10)
где £/=£(0/, Г/, д/) - амплитуда СВЧ колебаний, - функция расстояния О/, коэффициента отражения Г/ и коэффициента направленного действия антенны д/,
ю /=юо+Щ - (11)
циклическая частота;
Щ = 2/> - (12)
доплеровский сдвиг частоты в соответствии с формулой (4);
Vr/j=Vcosa/j - (13)
относительная скорость /-й точки поверхности в/ и носителя ДИС; а/ - угол между скоростью носителя и направлением на /-ю точку поверхности в/, ф/ - фазовый сдвиг между излучаемым и принимаемым (10) сигналом, определяемый, преимущественно, расстоянием О/.
Результирующий сигнал на входе приемного устройства ДИС с учетом равенства (10) рассчитывается по формуле (14):
Отражающие поверхности
1, 2,..., j,...,N
А(ш)Ж
П
©мин©0 ©z1 ©u1 ©z2 Юм2 ©z3
'макс
б
Рис. 6. Доплеровское расширение спектра при излучении гармонических ЭМК на частоте а0: а - геометрическое представление; б - амплитудный спектр: зеркальному отражению соответствуют частоты тг1 (угол падения Фж/2), юг2, аг3 (угол падения =ж/2), уголковое отражение наблюдается на частотах ти1, ти2
NMj
евх(t) = ЕЕеу(*) ■ j=1 i=1
(14)
а
Мощности зеркальных 1 и уголковых и отражений существенно превышают мощность диффузионных отражений. Эту особенность учитываем в выражении (14), используя формулы (10)-(13), при этом имея в виду, что точки этих отражений эквивалентны поверхностям и их можно представить отдельными слагаемыми:
N-(2 +и) мj г и
евх (*) = Е Е еч С) + Е (<) +Е еш С) = ед С) + ез (О + еУ (*) , (15) ]'=\ ¿=1 ¿=1 ¿=1
Где
N-(2 +и) Mj N-(2 +и) Mj
ед (!) = Е Е е^ (!) = Е Е Еу + фц) ; (16)
} =1 i=1 } =1 ¿=1
2
еъ (!) = Е Е* + фзА); (17)
¿=1
и
еу (t) = £ Eui sm(o>uit + ф) -i=1
(18)
соответственно диффузная, зеркальная и уголковая гармонические составляющие отражений;
2V —i
Ao 2V
®ij =®o + cos «i^.; Ao
®zi = Щоcos«zi;
Ло 2V
®ui =®0 + c0s«ui -
Ao
(19)
соответственно частоты диффузной, зеркальной и уголковой гармонических составляющих отражений.
Таким образом, спектр сигнала, принимаемого ДИС, отличается от монохроматичного, излучаемого передатчиком, и содержит совокупность в общем случае перекрывающихся диффузных, зеркальных и уголковых составляющих (см. выражения (19)).
Диффузная составляющая спектра с течением времени изменяется относительно медленно.
Уголковая составляющая близка к монохроматичной и изменяется быстрее диффузионной.
Зеркальная составляющая (при ф^л/2) представляет собой чередование «вспыхивающих точек» отражений с полным пропаданием сигнала. Время существования «вспыхивающих точек» существенно короче существования прочих отражений. Следовательно, структура приемника ДИС должна содержать:
а) каскады усиления на высокой (промежуточной) частоте с полосой пропускания, достаточной для определения максимальной скорости;
б) комбинирование инерционной и быстродействующей автоматической регулировки усиления (АРУ).
1.2. Оценка принятых сигналов
Как отмечалось ранее, спектры сигналов доплеровской частоты в различные интервалы времени будут отличаться, поэтому для динамической оценки принятых сигналов целесообразно использовать понятие текущего спектра [3]:
t+T
St (j®)= \ Sa (f)e-jW'dt'.
(20)
Необходимым условием эффективной работы ДИС является точная оперативная оценка доплеровской частоты принятого сигнала, выполнение которого зависит от спектрального анализа сигнала.
Излучаемый передающей антенной сигнал является непрерывным немодулированным. При приеме немодулированного или узкополосного сигнала оценить частоту спектра с приемлемой точностью позволяет метод определения квазичастоты3, согласно которому средняя квадратическая круговая частота спектра оценивается как
t
3
Метод, основанный на подсчете числа положительных переходов сигнала через нулевой уровень за фиксированный промежуток времени._
œcK =.
œ
| œ2\ST (œ)| dœ J\ST (œ)| dœ . (21)
0
Произвести вычисление шск возможно с помощью электронного частотомера.
Однако в процессе распространения, отражения и переотражения сигналов от элементов железной дороги, подвижного состава возникает модуляция параметров сигнала:
^прм(о=£о т ^^ ^ш-т^оМ, (22)
где е0 - коэффициент ослабления сигнала, учитывающий изменение его интенсивности при распространении и отражении; - коэффициент, учитывающий случайную флуктуацию интенсивности отраженного сигнала; U(t) - амплитуда сигнала (огибающая); ш0 - круговая частота передаваемого сигнала; тг(^ - время запаздывания параметров сигнала; фот(^ - случайная начальная фаза отраженного сигнала, включающая начальную фазу передаваемого сигнала и ее изменения в процессе распространения и отражения сигнала.
Спектр доплеровского сигнала, полученный в условиях функционирования железнодорожного объекта, значительно расширяется ввиду описанных в п.1.1 причин. Распространенным в радиотехнике для спектрального анализа сигналов с «расширенным» спектром является метод моментов, для которого в качестве весовой функции используется амплитудный или энергетический спектр сигнала. Средняя круговая частота сигнала определяется как центр тяжести спектра на положительной полуоси частот
œc =
J œ\ST (œ)|P dœ J|ST (œ)|P dœ. (23)
Если в качестве весовой функции при оценке средней частоты использовать энергетический спектр радиосигнала, E(p) = \ST(р)\ , степень в в выражении (23) примет значение 2.
Возможен переход вычисления средней частоты из частотной области во временную благодаря преобразованиям Гильберта, Фурье. Эти методы позволяют добиться достаточной точности оценки средней частоты сигналов доплеровских измерителей скорости. Результаты статистического моделирования алгоритма вычисления первого момента энергетического спектра путем использования преобразований Фурье, выполненного в работе [1], согласно которому средняя частота вычисляется как
J| D1/2 x(t )
2
dt
œo = -, (24)
i2
J|x(t)| dt
0
где 0У1х(?) = ^хЦ)! dtV1 - дробная производная порядка 1/2, показали, что при отношении
сигнал/шум более 20 дБ точность вычисления составляет порядка 0,01 -ш0. Однако методы вычисления средней частоты доплеровского сигнала с переходом во временную область достаточно сложны в реализации и громоздки в исполнении. Последнее затрудняет применение данных методов в рамках решения задач определения параметров железнодорожного транспорта ввиду пространственного ограничения в кабине машиниста в случае локомотивных
ДИС. В то же время моделирование метода моментов показало, что при относительной ширине спектра частот Лш1ш0<1 ошибка оценки средней частоты составляет не более 0,01 -ш0 при в>1,5 в выражении (23).
2. Применение радиолокационных ДИС в системах управления и контроля железнодорожных подвижных объектов
Направление применения ДИС в обеспечении движения железнодорожных объектов определяет место его установки (рис. 7) [4]:
а) на подвижном объекте (локомотиве) (ПО) в качестве датчика скорости для функционирования систем автоматического управления (САУ) в КЛУБ и САУТ;
б) ДИС стационарный устанавливается в колее или вблизи железнодорожного пути, применяется в системах горочной автоматики (СГА), переездной и пешеходной сигнализации (СППС), автоматического контроля параметров подвижного состава (АСКПС);
в) ДИС переносной предназначен для обеспечения безопасности при проведении работ (ОБПР).
Рис. 7. Классификация размещения ДИС
Каждое из приведенных направлений имеет свои характерные особенности измерения, поскольку отличается дальностью измерения, отражательными способностями облучаемых поверхностей и прочими параметрами измерений, рассмотренными в п.1.1 данной статьи (табл. 4).
Таблица 4
Особенности измерения скорости в зависимости от расположения ДИС
Размещ ение ДИС
Параметр на ПО стационарные/переносные
верхняя часть локомотива нижняя часть локомотива в колее пути вблизи пути
Облучаемая поверхность верхнее строение пути лобовая часть и днище ПО лобовая и боковая часть ПО
Вид вторичного отражения ЭМК зеркальное, диффузное, уголковое зеркальное, диффузное (для некоторых типов вагонов), уголковое
Расстояние
до отражающей поверхности, 0, м <10 0,5...1 0,5.1 <10
Локомотивные ДИС (датчики) целесообразно устанавливать на нижней передней части локомотива. Этим достигается:
- минимизация расстояния до облучаемой поверхности и снижение требований к мощности излучаемых СВЧ ЭМК и к характеристикам приемного устройства;
- наличие всех видов отражений от элементов верхнего строения пути (см. рис. 4, а), что обуславливает постоянное наличие сигнала в приемной антенне.
Стационарный и переносной ДИС устанавливаются таким образом, чтобы характер вторичного излучения зависел только от типа облучаемой подвижной единицы. Для большинства железнодорожных вагонов, конструкция которых отличается совокупностью элементов с гладкими металлическими поверхностями, характерно преимущественно зеркальное и уголковое отражение (см. рис. 4, б). При ничтожно малой доле диффузного отражения равенство (15), описывающее сигнал на входе приемной антенны ДИС, преобразуется в следующее выражение:
^вх (0 = (О +!>ш (0 = е3 (0 + еу (0, (25)
г=1 г=1
амплитудный спектр сигнала будет иметь преимущественно зеркальные и уголковые гармонические составляющие (рис. 8).
Дю)А
^макс/ ^
Рис. 8. Амплитудный спектр сигнала, принимаемого стационарным ДИС содержит преимущественно составляющие уголкового и зеркального отражений
И мощность принимаемого (отраженного) сигнала, и доплеровский сдвиг его частоты зависят от угла облучения а,у. Мощность сигнала на входе приемника максимальна при попадании цели в основной лепесток диаграммы направленности антенной системы, при этом угол а у в определенных пределах произвольный. Доплеровский сдвиг максимален при а ,у=0. Исходя из этого, размещать антенну стационарного или переносного ДИС необходимо в колее железнодорожного пути. Однако это накладывает ряд эксплуатационных ограничений. Поэтому целесообразен альтернативный вариант - установка приемопередающей антенны переносного ДИС вблизи пути со встречно-боковой ориентацией относительно ожидаемого направления на поезд.
Разнородность отражателей, облучаемых локомотивным, стационарным и/или переносным ДИС, затрудняет аналитическое описание ЭПР и ее плотности вероятностей.
Облучаемые поверхности при всех трех видах установки ДИС являются сложными распределенными целями с преобладанием облучаемых поверхностей с зеркальным и уголковым отражением, т.е. в формуле (9) параметр т>>1. Это дает распределение плотности
вероятности ЭПР, близкое к гауссовскому.
Но спектр сигнала, принимаемого локомотивным ДИС, содержит относительно большую долю диффузного отражения, что определяет расширение и смещение кривой плотности вероятности ЭПР относительно стационарных и переносных ДИС.
ЭПР сложной цели можно выразить через энергетические параметры (плотности потоков мощности) зондирующего (П1) и отраженного (П2) сигналов:
Оц=4п02(П2/П1), (26)
где 0 - расстояние до отражающей поверхности.
Выражение (26) дает возможность определить расчетную ЭПР путем постобработки экспериментальных данных, что необходимо для определения энергетических характеристик ДИС независимо от места их установки.
3. Влияние применения ДИС на эффективность железнодорожных перевозок Для оценки эффективности перевозочного процесса целесообразно использовать функцию времени W(t), которая отражает конечный результат работы железнодорожной отрасли - исполнение графика движения поездов при оптимальных экономических показателях. Определение функции W(t) включает основные показатели качества перевозок, а именно: своевременности С, экономичности Эф и безопасности Бф,
W(t)=W[С, Э, Бф], (27)
Своевременность - временной фактор риска перевозок, представляющий собой функцию
С=С(Тг, аГдоп), (28)
где Лид^отпр, ^риб, Тпер]; ЛЛид.доп^Л^тпр, А^риб, ЛТпер] - соответственно транспонированные векторы временных параметров: ^тпр, ^риб, Тпер - соответственно время отправления, прибытия и перевозки грузов (пассажиров) и допусков на них (Л^тпр, Л^риб, ЛТпер) в соответствии с графиком исполненного движения (ГИД).
Экономичность - финансово-экономический фактор риска перевозок, представляющий собой функцию
Э=Э(З, П, У), (29)
где З - вектор затрат на перевозки; П - прибыль, получаемая в результате перевозок; У - ущерб, наносимый перевозками окружающей среде и жизнедеятельности людей.
Показатели своевременности С и экономичности Э на известном интервале времени, например, в течение исполнения одного маршрута, можно считать постоянными. Безопасность перевозок представима в виде функции:
Б(0=Б[Н(0, Ф], (30)
где Нтц)=[у({)]-\хп - вектор показателей надежности4 v■(t) подвижного состава и железнодорожных систем обеспечения движения поездов; Фт=[^/]1хт - вектор весовых чисел факторов, влияющих на надежность железнодорожных перевозок (человеческий, климатический, погодный, биологический и др.).
Целесообразность применения конкретной железнодорожной системы обеспечения
4 Количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность V, подвижного состава и железнодорожных систем обеспечения движения поездов._
безопасности перевозок оценивается по вероятностным критериям:
Pk(t)>Pk .зад,
(31)
где Pk(t) - текущее значение вероятности соответствия k-го критерия (своевременности, экономичности или безопасности) его заданному условиями перевозки значению Ркзад.
Применение радиолокационных датчиков скорости, например, в составе комплекса локомотивных устройств безопасности типа КЛУБ-У, позволит решить задачу повышения безопасности движения поездов благодаря резервированию и повышению точности измерения скорости за счет комплексирования с другими датчиками скорости. Как показывает анализ результатов комплексирования данных навигационных измерителей различного принципа действия на объектах воздушного и водного транспорта [6], это приводит к прямому влиянию (в сторону улучшения соответствия требованиям (31)) на показатели надежности и косвенному -на показатели своевременности и экономичности.
Безопасность подсистемы измерения скорости движения в составе КЛУБ-У при экспоненциальном законе распределения времени безопасной работы на интервале времени Ate Гэкспл оценивается вероятностными показателями [8]:
- интенсивностью опасных отказов: A^^AtyNAt;
- наработкой до опасного отказа: Топ=1/Аоп;
- вероятностью безопасной работы: Рб(0=1-вхр(-Аоп0;
- коэффициентом безопасности:
Кб=1/[1+п(А^ Тв/NAt],
(32)
где п(Д§ - число опасных отказов за промежуток времени Д^ N - количество испытуемых устройств; Тв - среднее время восстановления; Гэкспл - промежуток времени основной эксплуатации подсистемы.
Таким образом, для повышения безопасности устройства необходимо минимизировать среднее времени его восстановления.
Анализ безопасности подсистемы измерения скорости в простейшем случае, а именно, при горячем резервировании одометрического измерителя доплеровским, приводит к выражению для коэффициента безопасности:
Кб р=3/(3+2АТв), (33)
где А=Аод=Адоп - интенсивности отказов соответственно одометрического и доплеровского измерителей скорости.
Сравнение выражений (32) и (33) показывает повышение коэффициента безопасности простым резервированием. Между тем эффективность применения доплеровского измерителя также может быть повышена комплексированием их на уровне вторичной обработки сигналов. Такая возможность обусловлена различием статистических характеристик ошибок измерений скорости различными измерителями, а именно, максимум спектра ошибок измерений одометрического измерителя смещен в область низких частот по сравнению со спектром ошибок доплеровского измерителя скорости.
Таким образом, использование радиолокационных доплеровских измерителей скорости в локомотивных системах безопасности наряду с традиционными одометрическими оказывает положительное влияние на показатели безопасности подсистемы измерения скорости железнодорожного объекта, а следовательно, и на безопасность перевозочного процесса.
Выводы. Радиолокационное измерение скорости подвижных железнодорожных объектов является альтернативным применяемому в системах безопасности локомотивов РФ
одометрическому способу. Такое измерение имеет ряд особенностей, связанных с эксплуатацией железнодорожного транспорта, в частности: электромагнитные свойства облучаемых объектов, их пространственная протяженность; малые расстояния от ДИС до зондируемой поверхности; наличие множества местных отражающих предметов и прочие. Это предопределяет некоторые технические характеристики радиолокационных измерителей скорости железнодорожных единиц: использование доплеровских измерителей непрерывного типа с применением апертурных антенн диапазона СВЧ волн, содержание в структуре измерителя каскадов усиления на высокой частоте, сочетание инерционной и быстродействующей автоматической регулировки усиления.
Важным отличием ДИС от измерителей других типов является их способность бесконтактного измерения скорости движения поезда с более высокой точностью (см. табл. 1). Иной спектр ошибок измерений позволяет выполнить комплексирование результатов измерений всех имеющихся на локомотиве измерителей (доплеровских, одометрических, инерциальных и прочих) и тем самым повысить точность, непрерывность и устойчивость сигнала скорости в системе управления локомотивом, улучшить показатели безопасности подсистемы измерения скорости.
Дополнительно, путем сравнения данных о фактической скорости поезда, полученных разными способами (например, радиолокационным, наряду с традиционным одометриче-ским), возможно выявление фактов буксования и юза колесных пар. Это позволит снизить число случаев неоправданного экстренного автоматического торможения из-за превышения измеренной скорости движения объекта над допустимой скоростью, уменьшить в связи с этим интенсивность появления ползунов на колесных парах.
Статья поступила 26.11.2015 г.
Библиографический список
1. Гурулёва М.А., Марюхненко В.С. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. XVIII Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 120-й годовщине Дня радио / науч. ред. В.Н. Бондаренко; отв. за вып. А.А. Левицкий. (Красноярск, 6-7 мая 2015 г.). Красноярск: Изд-во СФУ, 2015. С. 35-39.
2. Дудник П.И., Чересов Ю.И. Авиационные радиолокационные устройства. М.: Изд-во ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1986. 533 с.
3. Захарченко В.Д., Верстаков Е.В. Способы оценки скорости цели по доплеровскому радиосигналу // Радиолокация и радиосвязь: доклады V Всерос. науч.-техн. конф. (Москва, 21-25 ноября 2011 г.). М.: Изд-во ИРЭ РАН, 2011. С. 458-463.
4. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: монография / В.С. Марюхненко, Ю.Ф. Мухопад, В.В. Демьянов, Б.М. Миронов; под ред. В.С. Марюхненко. Новосибирск: Наука, 2014. 256 с.
5. Моргунов А.Н. О способах оценки параметрической частоты по энергетическому спектру процесса // Радиоэлектронные устройства: межвузовский сб. науч. тр. Вып. 1. Рязань: Изд-во РРТИ, 1976. С. 25-38.
6. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Шаманов В.И. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: учеб. пособие для вузов ж.д. трансп. / под ред. Вл.В. Сапожникова. М.: Маршрут, 2003. 263 с.
7. Справочник по радиолокации: в 4 т. / под ред. М. Сколника; пер. с англ.; под общ. ред. К.Н. Трофимова. Т. 2. Радиолокационные антенные устройства; под. ред. П.И. Дудника. М.: Советское радио, 1977. 408 с.
8. Чачикян Р.Г., Дмитриев А.В. Навигационно-пилотажные приборы. Анероидно-манометрическая группа. Сборник технических описаний и краткие сведения по эксплуатации. М.: Машиностроение, 1 973. 388 с.
