CC BY
50
4. Король О.Г. Обеспечение безопасности в Интернет-платежных системах / О.Г. Король, О.В. Толстолуцкая // Проблемы информатики и моделирования: междунар. науч.-техн. конф., 26-28 ноября 2008 г. : тезисы докл. - Х.: НТУ «ХПИ», 2008. - с.56.
5. Самбурська Т.Ю. Анашз методiв хешування шформаци для забезпечення цшсносп й автентичностi в комп'ютерних системах i мережа./ Матерiали мiжнародноi науково-практично'' конференцп «Актуальнi проблеми науки i освiти молодi: теорiя, практика, сучаснi рiшення» 16 квггня 2009 р. Зб. наук. статей «Управдшня розвитком». ХНЕУ. № 4 - Х.: 2009. - С. 73 - 77.
УДК 656.216 : 656.259
Кошевий С.В., к.т.н., доцент (УкрДАЗТ) Кошевий М.С., астрант (УкрДАЗТ)
ЗАГАЛЬН1 ВЛАСТИВОСТ1 1НФОРМАЦ1ЙНИХ СИГНАЛ1В В ЛОКОМОТИВНИХ ПРИЙМАЛЬНИХ ПРИСТРОЯХ АЛСН
Вступ. Процес передач! сигнально'' шформаци з використанням шдуктивного каналу зв'язку м1ж колшними пристроями та рухомим складом автоматично'' локомотивно'' сигнал1заци числового коду (АЛСН) практично завжди тдвладний помилкам внаслщок завад, що вносяться ф1зичними умовами, при яких протшае цей процес. Виникаюч1 внаслщок р1зних причин, як природних, так 1 штучних, щ завади завжди обмежують досяжну точнють передач1 та прийому, справляючи негативний вплив на безпеку руху по''зд1в. Внаслщок цього залишаеться актуальною задача подальшого удосконалення метод1в та засоб1в прийому числових код1в системи АЛСН в умовах постшно зростаючо'' енергонасиченост вс1е'' шфраструктури зал1зничного транспорту.
Постановка проблеми. Локомотивш САР, що використовують шдуктивний канал зв'язку м1ж колшними \ локомотивними пристроями АЛСН { широко експлуатуються в модершзованому вигляд1 на зал1зницях Укра'ни дотепер, уперше були випробуваш { стали впроваджуватися на мереж1 зал1зниць колишнього СРСР з 1933 р. [1]
Унаслщок пщвищення швидкост руху по''зд1в на мапстральних лш1ях зал1зниць експлуатоваш на таких лш1ях пристро'' АЛСН не зможуть забезпечити вимоги надшност роботи { безпеки руху по''зд1в. Причиною цьому, а також { загальними недолшами, е:
- застарша елементна база й обмежеш функцiональнi можливосл колiйних та локомотивних складових системи САР;
- використання для передачi на локомотив сигнально1 шформаци у виглядi числового коду через рейковi кола (РК), якi знаходяться тд впливом електромагнiтних завад рiзного походження, киматичних, механiчних та iнших дестабшзуючих чинникiв (наприклад, забруднення верхньо! будови коли, що збшьшуе електричну провщшсть баласту);
- низькi iнформативнiсть (обмежений обсяг) та швидкють передачi сигнально! шформаци на локомотив по шдуктивному каналi зв'язку;
- часова шерцшнють локомотивних пристро!в (5,5 с - час сповшьнення на знеструмлення реле вщповщност С);
- значнi електричш потужностi, що споживаються РК, для забезпечення нормального функщонування пристро!в АЛСН;
- висока на теперiшнiй час вартють устаткування й значнi експлуатацшш витрати на утримання релейно-контактно! апаратури i РК.
Аналiз до^джень та публЫацш, основм передумови розробки. Вщмови апаратних засобiв систем ЗА, що експлуатуються на мережi залiзниць, обумовлеш головним чином прихованими дефектами виробництва, порушенням технологи будiвельно-монтажних робiт, помилками проектувальниюв i технiчного персоналу, тобто практично на в^х етапах «життевого циклу» систем (статистичнi данi, що наведено нижче, взято iз звтв «Аналiз експлуатацшно1 роботи галузi автоматики, телемехашки та зв'язку» якi щорiчно готуе ЦШ Укрзалiзницi).
Основна причина вщмов локомотивних пристро!в АЛСН -зношенють апаратури, дешифраторiв ДКСВ-1, пiдсилювачiв УК-25/50, УК-25/50 М, фiльтрiв ФЛ-25/75 М, якi працюють понад встановлений термш експлуатаци.
Кiлькiсть короткочасних порушень (збо1в) в роботi АЛСН, що повторювались (три збо1 за три доби на одному i тому ж мющ) з причини нестшко1 роботи колiйних пристро1в АЛС, в цшому по залiзницях Украши за останнi роки мае тенденщю зростання (приблизно на одну тисячу збо1в на рiк). Найбiльшу юлькють - 50 % вiд загально1 кiлькостi збо1в, допущено з вини служб колшного господарства (П) (див. наведеш нижче гiстограми кiлькостi короткочасних порушень (збо1в) роботи АЛСН за 2006 - 2008 рр. та !х розподiлу мiж господарствами Ш, П, Е).
ЗбоТ АЛСН з вини служб Ш
2 3
Ш 2006 р 2094 Ж 2007 р. 2053 а 2008р
1 - загалом по службам Ш;
2
3
4
5
6
коротю стрiлочнi секцil; несправнiсть приладiв кодування; спотворення часових параметрiв коду;
Причини збоТв
7 - несправнiсть, або вщсутнють
рейкових з'еднувачiв на станцiях;
- несправнють гарнiтур;
- вплив ЛЕП;
- несправнють кабелю;
8
9
10
занижений струм кодування; 11 - розкрадання;
порушення в схемах кодування ; 12 - iншi несправносп.
ЗбоТ АЛСН з вини служб П
т о
ю
СО
л н
<3 .0 Е
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Ш2006р 03 2007р. В 2008р
Причини збоТв
1 - загалом по службам П;
намагшченють рейок; втрата контакту в стиках iз графiтовим мастилом;
- несправнють, або вщсутнють з'еднувачiв на перегонах;
5
6
7
8
9 -
- пробш iзоляцii стикiв, стяжних смуг;
- завищена провщнють баласту;
- несправнють залiзобетонних шпал;
- рейки укладеш поряд з залiзничними
колiями, або усерединi них; iншi несправносп.
4
о ю
со .0 I-
о .0 Б
600 500 400 300 200 100 0
П 2006р. Ш 2007р. В 2008р.
Збо1 АЛСН з вини служб Е
3
240 269 303
4
46
40
41
5 4 10 0
6
32 146 6
7 7 31 17
1 - загалом по службам Е;
2 - виключення електроенерги;
3 - нестабшьне електроживлення;
Причини збо'в
5 - несправнють заземлення контактних
опор;
6 - асиметрiя тягового струму з причини
неправильного заземлення споруд;
4 -
несправнють юкрових
7 - iншi несправносп.
промiжкiв; З вини шших служб i органiзацiй - 232. Причина не встановлена - 103.
Розвиток техшчних 1 технолопчних засоб1в, удосконалювання елементно! бази дозволяють ставити й виршувати завдання створення апаратури ЗА нового поколшня на основ1 цифрово! обробки сигнал1в.
Подальший розвиток шфраструктури може йти у двох напрямках. Перший полягае в максимально повному використанш наявного техшчного ресурсу зал1зниць при шдвищенш рол1 оргашзацшного фактора. Це дозволить вчасно й у повному обсяз1 одержувати матер1али по робот техшчних засоб1в, мати вичерпну картину по збоях, що вщбуваються, 1 вщмовам (аж до конкретного елементу ЗА), проводити автоматизований зб1р 1 обробку шформаци.
Як другий напрямок, необхщно на основ1 наявного досвщу експлуатаци й анал1зу потреб мереж1 зал1зниць, проводити поетапне впровадження науково-техшчних досягнень. Це дозволить поступово сформувати новий р1вень роботи пристро!в ЗА з тдвищеними завадозахищенютю й степеню безпеки руху.
ЦЬль роботи. Анал1з результата експлуатацшно! роботи пристро!в АЛСН дозволяють сформулювати чотири групи завдань, ршення яких дозволить тдвищити надшнють !х функцюнування.
- оргашзацшш, покликаш впорядкувати процес обслуговування
пристро!в АЛСН 1 чггко його регламентувати.
- нормативш, яю, поряд з оргашзацшними, дозволять експлуатацшному штату застосовувати стандартш процедури обслуговування, тдсилять контроль за техшчним станом пристро!в АЛСН, дадуть можливють бшьш точно й вчасно вщслщковувати вщмови, збо!, вщхилення параметр1в у цих пристроях.
- техшчш, спрямоваш на вдосконалювання якост функцюнування системи АЛСН на основ! затверджених та нових розроблювальних техшчних ршень.
- шновацшш, що забезпечують при необхщноси функцюнування пристро!в АЛСН на основ! нових метод1в обробки та декодування сигнально! шформаци, у цшому розширяють функцюнальш можливост систем САР.
На виршення задач1 вдосконалення якост функцюнування локомотивних пристро!в АЛСН за рахунок додатково! обробки сигнально! шформаци спрямована дана робота.
Загальт властивостЬ завадозахищеностЬ тракту прийому сигнальной тформаци локомотивними пристроями АЛСН. Складов! тракту прийому та попередньо! обробки сигнал1в числового коду -локомотивний фшьтр (ФЛ), до складу якого входять приймальш котушки (ПК), тдсилювач (УК), вдаграють важливу роль в загальному показнику завадозахищеност приймальних пристро!в АЛСН на локомотив!.
ПК мають електричш параметри, що регламентоваш техшчними умовами !, на нашу думку, на даний момент при !хньому використанш в юнуючш систем! АЛСН змши електричних параметр1в та модершзацп конструкци не потребують.
ПК при прийом! шформацшних сигнал1в знаходяться ще й тд стороншми електромагштними впливами з бшьш високими й бшьш низькими частотами, шж частота шформацшних сигнал1в АЛСН [2, 3]. У зв'язку з цим необхщно вщокремлення шформацшних сигнал1в АЛСН вщ завад, для чого використовують електричний фшьтр. Смуга пропускання локомотивного фшьтру на р!вш 0,7 вщносно центрально! частоти 25 Гц складае 10...14 Гц, а вщносно центрально! частоти 75 Гц - 20...25 Гц. Подавляючи й вщсшючи широкий спектр завад, ф!льтр в процес! вид!лення !нформац!йного сигналу е дуже важливою ланкою в приймальних пристроях АЛСН. Адже в межах зал!зничних кол!й юнуе велика юлькють джерел та приймач1в електрично! енерги значно! потужност з широким спектром робочих частот [4], а смуга пропускання фшьтра е достатньо широкою. В результат! цього на виход1 фшьтра
виявляються сигнали завад, щшьшсть розподшення частотного спектру яких охоплюе д1апазон настроювання локомотивного фшьтру. Попередньо можна припустити, що для зниження енерги завад на вход1 локомотивного пщсилювача смугу пропускання фшьтра вщносно центральноi частоти, по можливост1, необхщно звузити, збер1гаючи при цьому добротшсть фшьтра достатньо високою.
Кодування РК для системи АЛСН побудовано таким чином, що р1вень сигнального струму на входному кшщ РК може бути менше р1вня на його живлячому кшщ до 10 - 15 раз1в. Це обумовлюеться довжиною РК та залежшстю И первинних параметр1в вщ координати спостереження { мюця накладання шунта (першо! колюно! пари локомотива). Узгоджешсть м1ж р1внем шформацшного сигналу, що змшюеться в процес руху поiзда по рейковш лши (РЛ), { коеф1щентом тдсилення локомотивного приймача з метою стабшзаци часових параметр1в складових числового коду повинен забезпечувати каскад автоматичного регулювання тдсилення (АРП), що входить до складу приймача { включений м1ж другим та трет1м каскадами тдсилення. Також за допомогою АРП повинш знижуватися викиди 1мпульсних завад. Ефективнють АРП характеризуеться таким параметром,
як час вщновлення tв [5].
При переход! з бшьшого р1вня сигналу на менший на виход1 пщсилювача спостер1гаеться зона нечутливост1, що обумовлена накопиченням заряду в конденсаторах схеми АРП. Накопичення заряду приводить до змши чутливост пщсилювача (зниження його коефщента тдсилення практично до нуля при потужних 1мпульсних завадах).
Експериментальш дослщження сигнал1в АЛСН показують, що при стрибкопод1бному зменшенш р1вня вхщного сигналу вщбуваеться знеструмлення реле 1Р на виход1 локомотивного дешифратора. Час замикання тилового контакту реле 1Р \ обумовлюе ефектившсть схеми АРП. При занадто ефективному АРП у випадку малого р1вня шформацшного сигналу \ потужнш завад1 збшьшуеться 1мов1ршсть дроблення сигналу.
Значне зниження коефщента тдсилення приймача вщ ди АРП на час вщновлення чутливост приводить до затримки появи, а також \ зникненню на виход1 1Р 1мпульс1в числового коду. Як видно з рисунку 1, спрацювання 1Р тсля ди потужних 1мпульсних завад вщбуваеться 1з затримкою у час1, не зважаючи на те, що за 1мпульсною завадою слщуе поточний 1мпульс числового коду з нормованою величиною його амплпуди (р1вень сигнал1в на епюр1 - в Дб).
б)
Рисунок 1 - Сигнали числового коду З на фон потужних 1мпульсних завад: а) на виход1 ФЛ; б) на вход1 дешифратора (вхщ запам'ятовуючого осцилографа подключено до контакту 1Р)
Таким чином, локомотивний пщсилювач не мае достатньо! ефективносл у випадку, коли послщовносл числового коду спотворюються 1мпульсними завадами значно вищого за амплпудою
р1вня, шж корисний сигнал. У цьому випадку час вщновлення tв каскаду АРП перекривае частку кодового циклу, в якш обов'язково присутш корисш сигнали числового коду, як на виход1 пщсилювача не спостер1гаються. Так на рисунку 1 протягом приблизно 0,6 с шсля закшчення дИ потужно! 1мпульсно! завади реле 1Р на виход1 пщсилювача залишаеться знеструмленим, не зважаючи на наявнють у цьому пром1жку часу на вход1 п1дсилювача корисних сигнал1в нормативного р1вня. Застар1лий принцип реал1зацИ АРП, побудований на використанн1 шерцшних д1одно-конденсаторних к1л, вимагае удосконалення, а корисний сигнал, перед тим як надшти на вхщ дешифратора, потребуе додатковоТ обробки.
До^дження метоЫв додатковог обробки тформацшних сигнув в локомотивных приймальних пристроях АЛСН. В систем! АЛСН числового коду в умовах знаходження по1зда на перегош у межах блок-
дшянок в штервал1 м1ж виб1рковими значеннями часу сигнал и (/) на вход1 локомотивних пристро1в е постшним (маеться на уваз1 кодування дшянки в1дпов1дним кодом або в1дсутн1сть код1в):
и(г) = ик, ьг < t <(k +1)т .
Тому визначення значення вихщного сигналу У (t) в вибiрковi моменти часу дозволяе перейти вiд iнтегрування до тдсумування, що чисто з практичних мiркувань значно спрощуе аналiз системи. Навпъ якщо
вхiдний сигнал u(t) не е кусочно-постiйним, можна його вважати прийнятною апроксимацiею при умов^ що змiни у вибiрковому iнтервалi не занадто великi. Якщо вважати, що T дорiвнюе 1 (вибiр початку вiдлiку е несуттевим), i використовуючи для нумераци дискретних моменив iндекс t, отримаемо
<х>
У(t) = X g(k)u(t _ k) , t =0, 1, 2, ... (1)
k=i
де g ( к ) - iмпульсна реакцiя (вагова функщя) системи. Припустимо для початку, що на вхщ системи, що описуеться вираженням (1), поступае гармошчний сигнал (одиничний) (у залежност вщ роду тягового струму найбiльш використовуваш частоти сигнального струму 25 або 50 Гц, а сам сигнал мае вщповщну числовому коду часову маншулящю)
u(t) = Cos©t, (2)
який в комплекснiй формi матиме вигляд u(t) = Re eJJOt. Вщповщно вихiдний сигнал можна записати як
У (t) = X g (к )Re e^~k) = Re X g(k)eJw(t~k) = Re jeja' X g (k)e j
k=1 k=1 I k=1
= Re {e jatG (e ja)} = G (eja) Cos (at + p), (3)
де G(eJ a) - передаточна функцiя вiд вхiдного сигналу u(t) до вихiдного
сигналу У (t) , p = arg G(eJC0) - фазовий зсув мiж u(t) та У(t) .
Вiдповiдно до (3) можна зробити висновок перший: вихщний сигнал У (t) , який визначаеться вираженням (2), також е косинусощальним те! ж
G(eJ0))
частоти, ампллуда якого пiдсилена у становить arg G (eJ a) радiан.
разiв, а фазовий зсув
В вираженш (3) передбачаеться, що вхiдний сигнал и ^) е косинусоидою у будь якому далекому минулому. Числовi коди АЛСН мають вiдповiдну юлькють iмпульсiв та iнтервалiв, тобто якщо и ^) = 0 при t < 0, то в вираженш (3) з'являеться додатковий член
Re
да
е-7" 11К (к )е - , що мажоруеться величиною
к=1
, що мажоруеться величиною
к=
. Таким
чином, висновок другий: вхщний сигнал и^) мае характер перехiдного
процесу (як вшьна складова, ув ^) ^ 0 при t ^да) при умовi, що
передаточна функщя системи стiйка (позначимо 11 як G(q)).
В реальних умовах на сигнальну шформацш впливае значна кiлькiсть мультиплiкативних та адитивних завад рiзного походження [///], як неконтрольованих зовшшшх збурень, що негативно впливають на роботу системи АЛСН. Висновок третш: незалежно вщ джерела та
характеру завад вплив 1х на вихiдний сигнал У (t) може бути зведено до адитивно! компоненти о( t) у вихiдному сигналi (1):
да
У(t) = Х К(к)и(t - к) + и(t). (4)
к=1
Для системи АЛСН з шдуктивним каналом зв'язку мiж колiйними та локомотивними пристроями найбiльш типовою е ситуащя, коли дiя завад виявляеться лише по тому сукупному ефекту, який породжуе дй завад у вихщному сигналi. Значення завад завчасно невщомо - амплiтуда, тривалiсть, спектральний склад, адитивнють (розподiлення) енергй за частотними складовими.
При розглядi кiнцевих послщовностей значень вхiдного сигналу
и^) (t =1, 2, ..., Ы) може бути визначена функщя
1 ы
иы (®) = 1X и(г)е-^ ,
Ы I=1
2 пк
послщовнють значень яко! у точках ® = ~Ы (к =1, 2, ••, N е вiдомим дискретним перетворенням Фур'е (ДПФ) послiдовностi и \ . Сигнал и ^)
при цьому може бути представлений через зворотне ДПФ з використанням вираження:
N
и (0 = 7¥ Iи* (—)е* иД ^ • (5)
2
Вираження (5) е справедливим, оскiльки им(т) мае перiод 2ж:
перiодична i е . Сигнал на входi приймальних пристро!в и ) може бути представленим у виглядi лшшно! комбшаци N експонент е1<а 1 рiзних
тт (2жк)
частот <о, а число и N( д ) характеризуе вагу компоненти з частотою
_2жк г
<- д у розкладанш вхiдного сигналу \и( * /и=1 • Квадрат модуля
цього числа
и (—)2
N }
е мiрою енергетичного внеску вщповщно!
частотно! компоненти у сумарну «ддо сигналу». Ще одним свщоцтвом вiрностi ствердження про адитивнiсть енергй вхiдного сигналу и ) за рiзними частотними складовими е рiвнiсть Парсеваля [6]:
N
I
к-1
и (ж)
( N }
2
N
-I и).
I-1
Наведене вище дозволяе сформулювати висновок четвертий: до вираження (4) може бути здшснено гармонiчний аналiз за допомогою прямого ДПФ i фiльтрацiю за допомогою зворотного ДПФ в залежностi вiд часу. Сенс перетворень полягае у видшенш вщповщно! вузько! частини спектру сигналу (у межах носшно! частоти сигнального струму) з послабленням (вщсшванням) iнших складових, у наслщок чого загальна енерпя завади значно зменшуеться.
З урахуванням наведених вище даних (див. рис. 2) щодо шерцшност вiдновлення роботи локомотивного пщсилювача (при iмпульсних завадах значно! амплггуди на його вход^ випливае висновок п 'ятий: з метою зниження загально! енергi! iмпульсних завад та пiдвищення швидкодп
АРП використовуваного локомотивного приймача УК-25/50 необхщно з виходу локомотивного фшьтра обмежити амплiтуду iмпульсних завад на входi пiдсилювача принаймш на рiвнi значень наведено! ЕРС вщ дп сигнального струму. Для реалiзацiï такоï функцiï повинно визначатися усереднене дшче значення напруги сигнального струму на виходi локомотивного фшьтра.
Оскшьки обмеження iмпульсних завад значного рiвня буде приводити до рiзкого зростання вищих гармонiчних складових (до 10 %), а меандр мае у складi близько 30 % непарних гармошк (обмеження ампл1туди сигналiв значного рiвня до рiвня заданого порогу перетворить ïx форму до вигляду, подiбного меандру), випливае висновок шостий: на вxодi локомотивного тдсилювача пiсля обмежувача рiвня входного сигналу необxiдно здiйснити фiльтрацiю сигналу у вузькш смузi частот з центральною частотою, що дорiвнюе частот сигнального струму.
Висновки. Розглянут вище характеристики сигналiв числового коду, що надходять вщ колiйниx пристро1'в кодування до вхщних локомотивних пристро1'в та методи 1'х додатково!" обробки повиннi бути враxованi та використанi при розроблянш удосконаленоï структури приймальних пристроïв АЛСН на локомотивi. Це дозволить тдвищити достовiрностi декодування локомотивним дешифратором сигнально1' iнформацiï, спотворено1' завадами.
Список лтератури
1. Бойник А.Б., Кошевой С.В., Панченко С.В., Сотник В.А. Системы интервального регулирования движения поездов на перегонах: Учебное пособие. -Харьков: УкрГАЖТ, 2005. - 256 с.
2. Леушин В.В. Аналитические исследования помех в каналах АЛС при экстремальных условиях. - Тр. МИИТ, 1980, вып. 68, стр. 56 - 60.
3. Лисенков В.М. Теория автоматических систем интервального регулирования. - М.: Транспорт, 1987. - 150с.
4. Кошевий С.В., Кошевий М.С., Бабаев М.М. Електромагнггне середовище вздовж дшьнищ зал1знищ i його вплив на роботу автоматично'1 локомотивно'1 сигнал1зацп. //Iнформацiйно-керуючi системи на залiзничному транспорт. - 2008. - № 4 (72). - С. 13 - 18.
5. Автоматическая локомотивная сигнализация и авторегулировка // Брылеев А.М., Поупе О., Дмитриев В.С., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М./ - М.: Транспорт. 1981. - 319 с.
6. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ./Под ред. ЯЗ. Ципкина.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.-432 с.
