Введение к работе
Актуальность темы исследования. Принятая Федеральная программа «Модернизация транспортной системы России на 2002 – 2010 годы» требует осуществить поэтапное повышение скоростей движения пассажирских поездов с увеличением протяженности полигона скоростного движения до 8 тыс. км. Реализация программы возможна не только за счет выбора стратегии управления процессом перевозок (УПП), но и за счет выбора технологий, которые станут основой для новых систем железнодорожной автоматики, телемеханики (СЖАТ). Основными стратегическими задачами научно-технического развития в области СЖАТ являются:
Современные системы цифровой связи.
Автоматизация функции управления движением поездов.
Качественное сокращение количества сбоев в работе автоматической локомотивной сигнализации.
Спутниковые технологии координатного управления движением поездов.
Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств.
Переход на необслуживаемые устройства с автоматической оценкой предотказного состояния.
Разработка принципиально новых систем диагностики и мониторинга объектов инфраструктуры и подвижного состава.
Расширение функций безопасности станционных систем управления и автоматизация управления на сортировочных станциях.
Автоматизация контроля состояния инфраструктуры и подвижного состава, в том числе с использованием спутниковых технологий.
В настоящее время реализуется задача по разработке и внедрению малообслуживаемых и необслуживаемых СЖАТ. При этом учитывается опыт эксплуатации систем предшествующих разработок. Особое внимание в области СЖАТ уделяется разработке и внедрению устройств, систем технической диагностики и мониторинга (СТДМ). Намеченные мероприятия направлены на своевременное выявление предотказных состояний объектов инфраструктуры, подвижного состава и снижение влияния человеческого фактора. За счет указанных мероприятий предполагается сократить количество браков и сбоев в работе железнодорожного транспорта.
Заметный вклад в развитие СЖАТ внесли известные отечественные ученые: Беляков И.В., Бочков К.А., Брылеев А.М., Гавзов Д.В., Долгий И.Д., Дмитренко И.Е., Иванченко В.Н., Казаков А.А., Кравцов Ю.А., Лисенков В.М., Пенкин Н.Ф., Поплавский А.А., Розенберг Е.Н., Сапожников В.В., Сапожников Вл. В., Соболев Ю.В., Явна А.А. и др.
Современные СТДМ включает в себя датчики (сенсоры), микропроцессорный измерительный комплекс, линии связи. Наличие помех во всем информационно-измерительном тракте приводит к необходимости разработки специализированного программного обеспечения для качественного распознавания полезной информации на фоне шумов. Поэтому для увеличения помехозащищенности в различных динамических системах в настоящее время широкое применение нашли методы линейной и нелинейной фильтрации.
Но, несмотря на бурные успехи теории стохастического управления и фильтрации за последнее тридцатилетие, создающие зачастую иллюзию ее завершенности, за рамками полного теоретического разрешения остаются еще многие вопросы управления динамическими системами в условиях неопределенности. Поэтому для улучшения качественных характеристик работы существующих систем и СЖАТ нового поколения в диссертационной работе были разработаны и предложены на основе новых информационных технологий базовые элементы СЖАТ, структуры СЖАТ и принципы их работы, исследовались методы оптимальной фильтрации информационных сигналов в СЖАТ. В целом, диссертационная работа направлена на создание автоматизированных систем контроля и управления, обеспечивающих высокий уровень безопасности движения поездов.
Цель диссертационного исследования – разработка алгоритмического обеспечения процесса идентификации подвижных единиц и параметров верхнего строения пути в задачах диагностики и мониторинга объектов инфраструктуры и подвижного состава, осуществляемых на основе применения волноводно-оптических технологий (ВОТ).
Объект исследования – системы автоматизированного управления процессом перевозок и обеспечения безопасности движения поездов.
Предмет исследования – методы и алгоритмы построения автоматизированных систем контроля и идентификации станционных технологических процессов на основе использования ВОТ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
1. Проведен анализ и обзор современных отечественных и зарубежных систем автоматизированного управления движением поездов, средств диагностики и мониторинга.
2. Осуществлен синтез волноводно-оптических устройств автоматизированного контроля элементов ЖАТ и параметров верхнего строения пути.
3. Разработан и предложен принципиально новый универсальный волноводно-оптический датчик (ВОД) для автоматизации процесса идентификации подвижных единиц и параметров верхнего строения пути как функциональный аналог рельсовых цепей (РЦ), спутниковой навигации (СН), путеизмерительных вагонов.
4. Разработана новая модель и синтезированы основные функциональные узлы волноводно-оптической централизации.
5. Впервые получены уравнения оценивания параметров сканирующего оптического импульса ВОД на основе применения нелинейного фильтра Калмана.
6. Разработан универсальный алгоритм параметрической идентификации параметров сканирующих импульсов ВОД, позволяющий проводить точное определение местоположения подвижных единиц и контролировать техническое состояние верхнего строения пути.
Методы исследования основываются на применении теории вероятностей, теории нелинейной фильтрации, методов параметрической идентификации. Данные методы позволяют повысить потенциальную точность идентификации за счет использования вместо традиционного среднеквадратического критерия более общих вероятностных критериев, нелинейно зависящих от плотности распределения.
В качестве инструментально-методического аппарата были использованы визуальные средства математического моделирования MATLAB 7.0.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработаны новые методы автоматизации процессов управления и контроля состояния устройств ЖАТ, основанные на применении адаптивных стохастических моделей и позволяющие повысить точность и оперативность получения диагностической информации.
2. Предложен новый метод автоматизации процессов контроля параметров верхнего строения пути и перемещения подвижных единиц, основанный на использовании разработанного в работе ВОД.
3. Разработан алгоритм оценивания параметров нелинейных стохастических процессов мониторинга и диагностики в условиях помех, обусловленных неидеальностью волноводно-оптического тракта передачи информации и внутренними шумами приемника.
4. Впервые решена задача параметрической идентификации сканирующих оптических импульсов универсального ВОД в условиях помех на основе предложенного в работе нелинейного вероятностного критерия.
Теоретическая и практическая значимость. Разработанные в результате диссертационного исследования универсальные базовые элементы ЖАТ, функциональные узлы и модель оптической централизации на основе ВОТ могут применяться как в действующих СЖАТ (в устройствах диагностики и мониторинга, автоматизированных системах УПП), так и при синтезе систем нового поколения. За счет применения ВОТ обеспечивается: ЭМС (в силу отсутствия влияния электромагнитных помех на распространение светового потока в оптическом волноводе), электробезопасность, высокая информативность, малое энергопотребление, охват протяженных и удаленных контролируемых объектов.
Разработанный помехоустойчивый алгоритм параметрической идентификации подвижных единиц и мониторинга состояния верхнего строения пути позволяет как с большей точностью определять местоположение подвижных единиц по сравнению с РЦ, СН, так и применять его в различных приложениях диагностики и мониторинга независимо от среды распространения сканирующих сигналов.
Это, в свою очередь, значительно расширяет область применения предложенных алгоритмов диагностики и мониторинга не только в области железнодорожного транспорта, но и в других областях техники.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» РГУПС; на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики», Ростов-на-Дону, 2002 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2004», г. Ростов-на-Дону, 2004 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, 2009 год.
Публикации, патенты. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 6 печатных работ. Получено 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и двух приложений. Общий объем работы – 154 страницы, 34 рисунка, 3 таблицы, 3 диаграммы.
