Автоматизация контроля работоспособности рельсовых цепей на базе технических средств вагонов-лабораторий Удовиков, Александр Александрович

Введение к работе

Одним из определяющих условий бесперебойной работы железнодорожного транспорта является надежное функционирование систем сигнализации, централизации и блокировки (СШ5).. По мере возрастания скоростей движения, интенсификации поездной и маневровой работы и усложнения процессов управления происходило непрерывнее совершенствование систем СЦБ. Вместе с тем, их надезшость до сих пор не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Повышение надежности систем СЦБ обеспечивается двумя путями: созданием новых систем, обладающих требуемыми характеристиками, и совершенствованием методов и средств их технического обслуживания. В современных условиях, когда шссовая модернизация действующего комплекса железнодорожной автоматики по экономическим причинам трудноосуществила, предпочтительным является второй путь обеспечения надежного функционирования систем СЦБ.

Проведенный анализ показал, что процесс совершенствования систем'затронул в основном их верхний уровень, в то время как базовые элементы '- датчики и исполнительные устройства - за последние 30-40 лет не претерпели существенного изменения. Вместе с тем, многолетний опыт эксплуатации свидетельствует, что именно датчики и исполнительные устройства являются наименее надежными элементами систем СЦБ: относительная доля их отказов составляет¹ от 50 до 70 %, из которых более половины приходится на рельсовые цепи (РЦ): В связи с этим, повышение надежности РЦ является определяющим условием нормального функционирования всего комплекса железнодорожной автоматики.

В системе мероприятий по обеспечению надёжности РЦ наиболее важными являются работы, связанные о оценкой их работоспособности. В процессе эксплуатации эта оценка производится при помощи ряда показателей, определяемых в результате измерений. В настоящее время известно значительное количество методов измерения параметров РЦ, создано и эксплуатируется большое число специализированных технических средств. Вместе с тем, многие теоретические и практические вопросы измерений в РЦ остаются нерешенными.

В частности, недостаточно обоснованы требования к точности измерения параметров, практически отсутствует метрологический анализ применяемых методов и средств, не исследованы вопросы до-

_ 4 -

стоверности и полноты контроля работоспособности РЦ. Используемые в условиях эксплуатации технические средства измерений в большинстве случаев имеют низкую точность и не обеспечивают достаточной производительности контроля.

Таким образом, исследования по повышению производительности и точности измерений, разработка более совершенных технических средств имеют актуальное значение для решения проблеш повышения надежности РЦ.

Целью настоящей работа является повышение эффективности ^сис темы контроля работоспособности РЦ на основе создания и применения более совершенных методов и средств измерения их параметров.

К основным задачам исследования относятся:

- анализ существующей системы контроля работоспособности РЦ
и определение путей повышения ее эффективности;

- анализ требований к точности и производительности измерения параметров РЦ;

исследование метрологических характеристик применяемых методов и средств измерений;

исследование путей повышения точности измерений и разработка более совершенных методов, обеспечивающих необходимую полноту, достоверность и производительность контроля;

разработка технических средств автоматизированных измерений и алгоритмов обработки измерительной информации; ' .

оценка эффективности предложенных методов и средств автоматизированного контроля.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

выполнено обоснование точности измерения параметров РЦ, которая необходима для достоверной оценки их работоспособности;

исследованы вероятностные характеристики параметров РЦ, влияющих на точность измерений;

установлены законы распределения погрешностей измерений, возникающих при использовании известных методов и средств;

предложены новые методы автоматизированного измерения параметров РЦ и исследованы их метрологические характеристики;

предложены практические алгоритмы обработки измерительной информации для реализации в мобильных измерительно-вычислительны комплексах вагонов-лабораторий.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использовались методы и математический аппарат теории электрических цепей, теории вероятностей, функционального анализа, общей теории измерений, а также численные методы вычислительной математики.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты позволяют повысить точность и производительность измерений в РЦ и использовать информацию о значениях их параметров для объективной и достоверной оценки работоспособности. На основании результатов исследования разработаны технические средства и программное обеспечение автоматизированной системы контроля Щ, реализованной на базе вагона-лаборатории. Испытания и эксплуатация предложенных методов и устройств показали их высокую эффективность и подтвердили достоверность теоретических положений диссертации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы, внедрены в вагоне-лаборатории автоматики, телемеханики и радиосвязи Южной железной дороги, а также в службе СЦБ Управления железнодорожного транспорта комбината "Запорожсталь". Новая технология контроля работоспособности РЦ обеспечивает экономию приведенных эксплуатационных расходов на 42 % и позволяет повысить достоверность,.полноту и производительность контроля при снижении его стоимости и упрощении технической реализации. Благодаря автоматизации контроля в условиях, связанных с движением поездов, повышаются безопасность и культура труда обслуживающего персонала.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывав-лись и обсуждались на:

международной конференции "Представление, обработка и передача информации" (Сочи - ІІарьков, 1992);

республиканской школе-семинаре "микропроцессорные системы связи и управления на железнодорожном транспорте" (Алушта, 1992);

международной Юбилейной конференции БелИИЕТв. "Проблемы повышения устойчивости работа транспортного комплекса и его кадрового обеспечения в условиях рынка" (Гомель, 1993);

50-й - $5-й_#научно-техничесних конференциях Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта (Харьков, .1980-93)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных' работ, из них 2 авторские свидетельства на изобретения.

Структура и объем габота. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, сяиска литературы из 84 наименований и семи приложений. Работа изложена на 130 страницах основного текста, содержит 10 таблиц, 26 иллюстраций и 41 страницу приложений.

содашшиЕ РАБОТЫ

В первом разделе диссертации выполнен анализ эффективности существующей системы контроля работоспособности РЦ и обоснована необходимость в создании более совершенных методов измерения их параметров.

Основными показателями работоспособности РЦ при существующей системе контроля являются напряжение на входе путевого приемника в нормальном реіізше, шунтовая чувствительность и удельное сопротивление изоляции рельсовой линии (РЛ). Из-за ручного характера измерений средние затраты времени на операции контроля достигают 40 % от общего времени технического обслуживания РЦ. Поскольку при -этом работоспособность РЦ контролируется только в двух режимах работы - нормальном и шунтовом, - общая достоверность получаемых результатов не превышает 64 %.

G целью повышения эффективности контроля предложено оценивать работоспособность РЦ при помощи рассчетных показателей, выражающих значения напряжений на входе путевого приемника в трех основных режимах работы и определяемых по результатам автоматизированного измерения необходимых параметров: ЭДС Б "и внутреннего сопротивления ?/ эквивалентного генератора питающего* конца, удельного сопротивления рельсов 2_р и изоляции Л/ РЛ, а такие коэффициента снижения напряжения *?нк и входного сопротивления Zk четырехполюсника релейного конца. Допустимые относительные погрешности Одеп измерения отдельных параметров *?/ находятся из условий обеспечения требуемой точности определения показателей работоспособности. При этом

где дС/дсп - допустимая погрешность измерения напряжения на входе путевого приемника; Sol - номинальное значение і -го параметра; л - количество параметров. Полученное в результате расчета значение о до» * 0,05 положено в основу дальнейшего анализа известных методов и средств измерения параметров РЦ. При этом установлено, что наиболее точные классические методы не обеспечивают возможности автоматизированного контроля, поскольку требуют создания специальных условий для измерений (отсоединение приборов РД, отключение напряжения контактной сети), а методы и средства широкого применения являются упрощенными и не позволяют определять все необходимые параметры РЦ.

Наиболее подходящими для целей автоматизированного контроля работоспособности являются методы измерений, предусматривающие использование аппаратуры вагонов-лабораторий. В связи с этим в работе выполнено исследование известных методов определения удельного сопротивления изоляции РЛ, разработанных в Уральском отделении ВНИМТ (УО ВНЩ2Т) и в дорожной лаборатории Юго-западной ж.д. . Проведенный анализ показал, что для оценки точности указанных методов целесообразно использовать статистическое моделирование. Дня этой цели были исследованы погрешности измерения наблюдаемых параметров - ординаты РЛ и амплитуды тока автоматической локомотивной сигнализации (АЛС), а также вероятностные характеристики неконтролируемых параметров - удельного сопротивления рельсов и внутреннего сопротивления эквивалентного генератора. При исследовании погрешностей в качестве исходной использовалась классическая модель, представляющая РЦ линейной квазистационарной статической системой, что с достаточной для практических целей точностью отражает ее реальные характеристики.

На основании результатов моделирования установлено, что вероятность непревышения допустимой погрешности при использовании известных методов косвенных измерений параметров-РЛ из вагона-лаборатории составляет не более 25 %, а законы распределения погрешностей являются несимметричными и не имеют конечной дисперсии. Это объясняется наличием значительных погрешностей измерения ш-блвдаемых параметров, а также неполной адекватностью используемых

уравнений измерения и существенными отклонениями значений неконтролируемых параметров от номинальных.

Наболее общая причина несовершенства известных методов измерений сострит в том, что в рамках действующей технологии контроля РЦ каадый параметр рассматривается обособленно, без тесной связи с конечной целью измерений - получением общей оценки работоспособности. Применение системного подхода позволяет свести процедуру контроля работоспособности РЦ к решению стандартной задачи ретроспективной параметрической идентификации объекта, известной в метрологии как задача совместных измерений. При этом уравнение измерений содержит п > і контролируемых параметров, для цаховдения которых необходимо решить систему из т >/г- уравнений, составляемых по результатам измерения tn. отсчетов наблвдаемых параметров.

Второй раздел диссертации посвящен разработке методов автоматизированного измерения параметров РЦ и исследованию их метрологических характеристик.

Совместные измерения, по сравнению с косвенными, характеризуются значительным объемом и сложностью однотипных вычислений, в связи с чем их практическая реализация наиболее целесообразна в специализированных измерительно-вычислительных комплексах (ИВК). В зависимости от назначения и варианта размещения эти комплексы могут быть стационарными (контроль станционных РЦ) и мобильными (контроль перегонных РЦ из вагонов-лабораторий).

Анализ принятой математической модели РЦ позволил установить, что вследствие незначительных различий структуры объекта в разных ре«шшх работы имеется-возможность получения общей оценки работоспособности при осуществлении контроля в'любом из режимов, выбор которого определяется удобством измерений.

В условиях стационарных ИВК необходимые измерения целесообразно выполнять.в нормальном режиме работы РЦ. Применительно к этому, на основании общей и основной схем замещения РЦ предложены два варианта метода измерений, при которых искомые параметры определяются в процессе решения системы уравнений, составляемой по результатам ряда измерений входных и выходных напряжений при вариации нагрузки, подключенной к выходу РЦ.. Однако, практическая реализация данного метода в настоящее время проблематична,

поскольку принципы построения, и элементная база современных станционных систем ЄЦБ затрудняют подключение дополнительных цепей контрольно-измерительного назначения. Анализ показал, что применение станционных ИВК наиболее реально в составе перспективных систем микропроцессорной централизации. В связи с этим основное внимание в диссертации уделяется методам и средствам измерений, осуществляемых на- базе мобильных ИВК вагонов-лабораторий.

Дня рассматриваемых условий в качества наблвдаемых параме
тров могут использоваться ордината х РЛ, Модуль Т и аргу-*
мент _т . тока АЛС. При анализе математической модели РЦ в режиме
АЛО обоснована принципиальная возможность построения двух методов
измерения ее параметров. Первый метод - амшштудно-орДинатный,
основан на решении системы уравнений вида

^Cr_i)=je/[^p^s^_t^^^Z_rc/iJt_iS^l\* ⁽²⁾

составленной по результатам ряда измерений наблвдаемых параметров I'_t и Х . Второй метод - $азово-ордннатный, при котором уравнения решаемой системы имеют вид

<.(у.) я -org{fipSshx;/грр„+l_rcht-_% fz_P/^\ (3)

и составляются на основе измерения ряда значений- <$; и x~i . В связи с тем, что уравнения (2) и (3) явяяютоя трансцендентными и содержат комплексные параметры, не выражаемые в явном виде, для решения соответствующих систем необходимо использовать численные методы. Анализ показал, что в данном случае наиболее приемлема дрямне^методы многомерной минимизации, при которых вектор-решение S(S_it И_л>"-, &_л) системы из т уравнений определяется из условия

. /» '
minimi > . (4)

где (f_t- - невязка і -го уравнения системы, получаемая при подстановке в данное уравнение компонентов вектора-решения и с -й реализации вектора наблвдаемых пара- метров.^-

Исследование формы поверхностей, которые описываются функциями невязок ФС) = -Е; для уравнений (2) и (3), доказало, что' данные функции имеют изогнутый оврааний рельеф с существенно различной крутизной склонов, что указывает на плохую обусловленность соответствующих систем уравнений. Поэтому практический алгоритм минимизации был построен на основе метода конфигураций с переменным шагом изменения контролируемых параметров, что позволяет автоматически корректировать траекторию спуска при сложных формах по- верхностей. Сходмость решения обеспечивается равномерным выбором реализащій вектора наблюдаемых параметров из интервала его значений, а также ограничением области изменения контролируемых параметров пределами физической реализуемости Рц.

Исследование метрологических характеристик, выполненное при помощи статистического моделирования,'показало,что предложенные методы позволяют получить значительно более высокую достоверность результатов, чем известные методы косвенных измерений. 1ак, при нахоздении удельного сопротивления изоляции рэово-ординатным методом, вероятность недревышения допустимой погрешности обеспечивается на уровне 50 - 80 %, что в среднем на 30 % лучше, чем для методов УО ВНИИЬТ и Юго-западной ж.д, .

При сравнительном анализе установлено, что сазово-ординатный метод' характеризуется более высокой точностью по сравнению с амдли-тудно-ординатным. Это обусловлено тем, что погрешность измерения разовых соотношений практически не зависит от механических колебаний индукционных магпитоариемников тока AJIC во врёыш движения, в отличие от погрешности измерения амплитуды. Вместе с тем, данный метод не обеспечивает определения ЭДС эквивалентного генерато'ра из-за отсутствия влияния данного параметра на аргумент выражения (3). Поэтому в диссертации предложена процедура измерений, основанная на_комбинированном использовании обоих разработанных методов. При этом на первом этапе для нахождения внутреннего сопротивления генератора и первичных параметров РЛ применяется разово-ординатный метод, а на втором этапе полученные значения подставляются в уравнение (2) и производится вычисление ЁДС генератора путем усреднения-по всем измеренным реализациям -2/ и Х; .

Статистическое моделирование показало, что при осуществлении предложенной измерительной процедуры вероятность нопревышения до- '

- II -

пустимой погрешности определения показателя работоспособности РЦ нахЪдится в пределах от 45 до 60 %, т. е. меньше, чем при действующей технологии контроля, использующей прямив измерения напряжения на входе путевого приемника. Одна из причин недостаточной точности состоит в наличии методической погрешности, обусловленной тем, что при использовании' мобильных ИВК невозможно контролировать входное сопротивление четырехполюсника релейного конца РЦ, Вторая причина связана со значительными инструментальными погрешностями измерения наблвдаемых параметров.

Проведенный анализ показал, что уменьшение указанных погрешностей и обеспечение необходимой достоверности контроля возможно на основе избыточных измерений с применением'специализированных методов статистической обработки.

Третий раздел диссертации посвящен исследованию алгоритмов статистической обработки измерительной информации применительно к предложенным методам автоматизированного контроля параметров РЦ.

На основании анализа погрешностей автоматизированных измерений из вагона-лаборатории установлено, что для статистической обработки результатов целесообразно использовать робастные процедуры, основанные на решении избыточных систем уравнений методом минимизации и предусматривакщие полное исключение аномальних отсчетов наблвдаемых параметров. Избыточность исходной системы предложено устанавливать на основе значения доверительной вероятности Pg. непревышения допустимых погрешностей измерения наблюдаемых параметров, определяемой из условий обеспечения достоверной оценки работоспособности РЦ. При этом число избыточных уравнений находится из выражения

ЛъМ{л*С*-Ъ)/Ъ1' ⁽⁵⁾

где he - минимальное число уравнений остаточной системы.

В качестве критерия аномальности конкретного отсчета предложено использовать остаточные значения функций невязок частных систем, являющихся комбинациями уравнений исходной системы. Применительно к системам с различной степенью избыточности предложены два варианта алгоритм статистической обработки, отличающиеся способами составления частных систем по условию ишнмального времени вичислений.

.-12-

Для систем с небольшой избыточностью предназначен первый вариант алгоритма, предусматривающий поочередное исключение аномальных отсчетов в каждом цикле обработки. При этом из исходной, системы, содержащей ґп. уравнений, составляется /те. частных систем по ( т-1 ) уравнению, каждая из которых решается в отдельности. Для одной из этих систем, которая не содержит уравнения с наиболее аномальным отсчетом, остаточное значение функции невязок будет наименьшим, что позволяет исключить данный отсчет из дальнейшего рассмотрения. Последующие циклы обработки строятся аналогично и продолжаются до полного исключения заданного числа аномальных отсчетов, определяемого избыточностью исходной системы. Вектор-решение 3" , полученный в последнем цикле обработки, принимается в качестве окончательного. .

Для систем со значительной избыточностью более экономичным по времени является второй вариант алгоритма, предусматривавщий единовременное исключение всех аномальных отсчетов. С этой целью из исходной системы,содержащей fn уравнений, составляется

Сщ уастных систем по «о уравнений, каддая из которых реша
ется е отдельности и окончательный вектор-решение определяется .
из условия . ' .

' п„

triih mlhZ.i (6)

Сравнительное исследование различных вариантов решения систем уравнений, выполненное на основе статистического моделирования процесса контроля работоспособности РЦ, показало, что предложенный робастный алгоритм обеспечивает существенное повышение точности совместных измерений. На рисунке приведены графики плотностей распределения погрешности вычисления напряжения на входе путевого приемника:. I - при решении неизбиточной системы с " » л. вЗ;

1. - при непосредственном решении избыточной системы с /п. а 9;

2. - при использовании предложенного алторптьа с Л<> » 4 и /и. = 9.

Исследованием установлено, что непосредственное решение избыточной системы уравнений позволяет повысить точность измерений только при больших затуханиях РЛ, а для значений / > I Ом'км применение такого варианта обработки малоэффективно. Вместе с тем, решение системы при той же избыточности, но с использованием робаст-

- ІЗ -

ной процедуры, обеспечивает вероятность нелревышения допустимой погрешности на уровне 0,8 - 0,9 в широком диапазоне затуханий. При этом достоверность контроля составляет 77 %, что на 13 % выше, чем при действующей технологии.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о достаточно высокой эффективности предложенной измерительной процедуры и дают основания для ее практического применения с целью контроля работоспособности РЦ на этапе эксплуатации.

В четвертом разделе диссертации рассмотрены вопросы технической реализации автоматизированного контроля РЦ, а также получены оценки эффективности разработанных методов измерений и приведены результаты их эксплуатационных испытаний.

Б настоящее время наиболее совершенным вариантом мобильного ИВК является серийно выпускаемая система "Контроль", которой обо рудованы большинство вагонов-лабораторий. Анализ требоьанпй к составу и функциям мобильных ШЗК показал, что для получения комплексной оценки работоспособности РЦ на базе существующей системі требуется существенная модернизация ее информационного и программного обеспечения, а также совершенствование тєхііических срадотг. измерений..

Низкая помехозащищенность существующих магнитоприелликов тока MG не обеспечивает реализации Зазово-ордшашого м,тоіі;;

определения параметров РЦ, поскольку искажение формы сигнала под воздействием помех приводит к значительной погрешности измерения фазовых соотношений.Для устранения этого недостатка разработан индукционный магнитоприемник, состоящий из двух идентичных элементов, которые выполнены с применением симметричной намотки. Способ соединения элементов и взаимное их расположение в экранирующем корпусе обеспечивает подавление синфазных помех, обусловленных коммутационными процессами, влиянием высоковольтных линий и другими причинами. Испытания и эксплуатация разработанных магнитопри-емников показали их высокую помехозащищенность и слабую зависимость наводимой ЭДС от горизонтальных смещений элементов в процессе дви-.хения, что позволяет решить проблему измерения разовых соотношений с подвижной единицы и уменьшить инструментальные погрешности измерения амплитудных и временных параметров кодовых сигналов.

С целью обеспечения надежной фиксации границ РЦ при движении вагона-лаборатории разработано устройство для контроля изолирующих стыков, в котором датчики напряжения выполнены в виде емкостных пластин. За счет контроля фазовых признаков измеряемого сигнала устройство обладает высокой чувствительностью, что позволяет не только надежно регистрировать наличие изолирующего стыка, но и определять его исправность при воздействии динамических нагрузок во время движения вагона. Это способствует раннему выявлению повреждений изоляции и предупреждению отказов автоблокировки'. Испытания и эксплуатация предложенного устройства показали его работоспособность и достаточную помехоустойчивость, что позволяет избежать сбоев в работе ИВК, сопряженных с потерями измерительной информации.

Предложенные в диссертации методы, средства и практические алгоритмы измерений были реализованы в разработанной по заказу Южной к.д. "Системе автоматизированной проверки параметров сигналов АЛСН и кодовых РЦ из вагона-лаборатории", являющейся усовершенствованным вариантом ИВК "Контроль".

Основными режимами работы ИВК являются режим измерений и справочно-информационный. В первом из них, реализуемом во время поездки вагона-лаборатории, осуществляется циклическое измерение ординат РЛ. амплитудных, разовых и временных параметров тока АЛС. При этом обеспечивается вывод оперативной информации на дисплей,

формирование базы данных результатов измерений, а также документирование предварительных результатов на печатающем устройстве,

Справочно-информационный режим реализуется во время стоянки вагона-лаборатории, либо в стационарных условиях, и предназначен для расчета параметров РЦ, определения показателей работоспособности к документирования окончательных результатов измерений. Вычисления производятся на бортовой шкро-ЗВМ IBM PC АТ/286, при этом время расчета параметров одной РЦ не превышает 10 минут и является практически приемлемым.

Предложенная в диссертации система автоматизированного контроля РЦ характеризуется, по сравнению с существующей, большей полнотой и достоверностью. Это способствует уменьшению неоправданных расходов на дополнительное обслуживание РЦ из-за лош-шх заключений об отказах, а такие снижению потерь, обусловленных необнаруженными отказами. Новая система исключает необходимость в ручных измерениях, что повышает производительность контроля, снижает его стоимость и упрощает техническую реализации.

Интегральная оценка эффективности предложенной системы контроля производилась при помощи относительного стоимостного показателя, полученного на основа обобщенного $ункционально-статиотн-ческого критерия. При этом установлено, что новая систека обеспечивает экономию приведенных эксплуатационных затрат на 42 % по сравнению с существующей и является достаточно эффективной.

Эксплуатационные испытания, проводившиеоя в реальных условиях работы вагона-лаборатории, показали, что предложенные методы и технические средства обеспечивают необходимую точность автоматизированных измерений параметров РЦ. Полученные результаты подтверждают достоверность теоретических положений диссертации и высокую эффективность разработанной на их основе практической технологии контроля работоспособности, которая способствует чоьк тению эксплуатационной надежности РЦ.