Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы автоматизации измерения параметров движения поезда 16
1.1 Постановка задачи исследования -
1.2 Анализ способов получения информации о параметрах движения поезда и выбор типа измерителя параметров движения 17
1.3 Основные характеристики измерителя параметров движения... 21
1.4 Эксплуатационно-технические требования к осевому датчику... 25
1.5 Выбор критерия оценки точности ИПД с учётом необходимости измерения ускорения движения подвижного состава 27
1.6 Классификация погрешностей измерения параметров движения поезда 28
1.7 Исследование погрешностей измерения параметров движения поезда 29
1.8 Исследование способов синхронизации измерительного цикла ИПД 39
1.8.1 Синхронизация с запуском и остановкой измерительного цикла по сигналам таймера
1.8.2 Синхронизация с запуском измерительного цикла по сигналу ОИД и остановкой - по сигналу таймера 43
1.8.3 Синхронизация с запуском измерительного цикла по сигналу таймера и остановкой - по сигналу ОИД 45
1.8.4 Синхронизация с запуском и остановкой измерительного цикла по сигналам ОИД 47
1.8.5 Исследование дискретности измерения скорости при различных способах синхронизации 48
1.9 Суммарные погрешности измерения параметров движения 50
1.10 Выводы по главе 53
2 Способы снижения погрешностей измерения параметров движения 54
2.1 Постановка задачи -
2.2 Методы снижения погрешностей измерения скорости 55
2.2.1 Метод учёта технологической неточности первичного преобразователя -
2.2.2 Метод организации многоканальных измерений параметров движения с переменными приоритетами ... 63
2.3 Методы снижения погрешности измерения пути 68
2.3.1 Учет разности текущих фаз измерения при многоканальных измерениях -
2.3.2 Учет воздействия сил крипа 74
2.3.3 Учет неточности измерения диаметра бандажа 78
2.4 Измерение длины поезда 85
2.5 Выбор точек коррекции координаты местоположения поезда.. 89
2.6 Исследование способов коррекции местоположения подвижной единицы 92
2.6.1 Классификация способов коррекции -
2.6.2 Применение неподвижной опорной системы координат -
2.6.3 Определение местоположения подвижной единицы на станционных участках пути 101
2.7 Выводы по главе 109
3 Решение задач по расчету параметров цикла измерения ИПД 111
3.1 Постановка задачи -
3.2 Расчет прогнозного числа импульсов ОИД и числа опорных импульсов 113
3.3 Методика учета периодических погрешностей первичного преобразователя 115
3.4 Идентификация режимов движения измерительных колесных пар локомотива 116
3.5 Время интегрирования скорости для идентификации аварийных режимов работы измерительных колесных пар 129
3.6 Интегрирование скорости для вычисления ускорения 131
3.7 Определение времени интегрирования скорости при вычислении ускорения 135
3.8 Определение минимальной измеряемой скорости движения... 138
3.9 Методика определения ускорения движения подвижного состава 139
3.10 Выводы по главе 145
4 Синтез измерителя параметров движения поезда ... 147
4.1 Постановка задачи -
4.2 Анализ полного цикла работы ИПД -
4.3 Совмещение операций рабочего цикла ИПД 151
4.4 Синтез ИПД с непрерывной синхронизацией по сигналам ОИД и совмещенной организацией рабочего цикла 158
4.5 Определение направления движения подвижного состава 161
4.6 Выводы по главе 163
Заключение 164
Список использованной литературы 166
- Анализ способов получения информации о параметрах движения поезда и выбор типа измерителя параметров движения
- Метод организации многоканальных измерений параметров движения с переменными приоритетами
- Методика учета периодических погрешностей первичного преобразователя
- Синтез ИПД с непрерывной синхронизацией по сигналам ОИД и совмещенной организацией рабочего цикла
Введение к работе
В настоящее время на сети магистральных железных дорог России наиболее широко используются системы интервального регулирования (СИР), основанные на использовании автоблокировки (АБ) с рельсовыми цепями (РЦ) и АЛСН. Системы АБ были разработаны еще в 20 веке. При всех их достоинствах, известно, что они обладают рядом существенных недостатков. Основными из них являются: ограниченная пропускная способность оборудованных ей линий, большие издержки в эксплуатации и недостаточная надежность.
Среди главных причин недостаточной пропускной способности АБ следует отметить такие, как малую информационную ёмкость [1], полное отсутствие гибкости в управлении движением поездов, низкую дискретность определения местоположения поездов на перегоне, обусловленную применением рельсовых цепей длиной до 2500 м [2].
Использование напольной аппаратуры АБ требует обеспечения её непрерывным электропитанием; периодического обслуживания, регулировок и ремонта. Соблюдение этих требований усложняется тяжелыми климатическими условиями России и обуславливает необходимость содержать большой штат обслуживающего персонала и вспомогательного оборудования.
Большое количество используемой системами АБ напольной аппаратуры снижает общую надежность и безопасность управления. Сбои в работе систем увеличивают психофизиологическую нагрузку на локомотивные бригады и дежурных по станциям. Перекрытие сигнала на запрещающее показание перед движущимся поездом вызывает необходимость применения экстренного торможения, что приводит к увеличению механических нагрузок на подвижной состав и на верхнее строение пути, а также может вызвать выжимание вагонов.
Наименее надежными в системах сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) остаются рельсовые цепи (РЦ), на которые приходится до 50% общей совокупности отказов в СИР, а на ряде участков и более. На рельсовые стыковые соединители и элементы изоляции в рельсовых линиях приходится более четверти отказов, на перемычки и дроссель-трансформаторы - по 10%. Отказы по остальным элементам РЦ распределяются следующим
5 образом: аппаратура 9-10%, кабельные линии 7-8%, приборы защиты 3-4%, стативы 4-5%, устройства электропитания 0.4-0.5%) и путевые ящики 0.1-0.2%
[3].
В последние годы резко возросло количество отказов напольных устройств
от краж и вандализма. На некоторых участках Транссиба отказы напольных
устройств СЦБ по этой причине превышают 30%. В рельсовых цепях до 40%
отказов возникают вследствие деградационных процессов и до 30%> - из-за
ошибок обслуживающего персонала [3].
Проведённый ВНИИАСом анализ мер предупреждения ошибок обслуживающего персонала и отказов технических устройств показал, что требования по логическому контролю действий персонала и работы устройств, контролю и диагностике состояния аппаратуры не могут быть реализованы существующими релейными устройствами без значительных затрат на их модернизацию и снижения надежности.
В последние годы на отечественных железных дорогах наблюдается стабильный рост объема перевозок. По прогнозам специалистов данная тенденция в ближайшие годы сохранится, однако пропускная способность линий, оборудованных АБ, практически исчерпана и не может быть существенно повышена даже при увеличении капитальных и эксплуатационных расходов.
В настоящее время в рамках реализации Государственной программы повышения безопасности движения поездов на железных дорогах России производится замена устаревших устройств СЦБ на современные микропроцессорные системы (КЛУБ, САУТ, ТС КБМ и др.)[1, 4]. При текущей ситуации в качестве основного решения проблемы дальнейшего развития систем СЦБ предусматривается внедрение интегрированных многоуровневых систем в рамках комплексных проектов [5]. Многоуровневые системы управления должны представлять собой совокупность единых комплексных систем управления и обеспечения безопасности движения на тяговом подвижном составе, систем управления и обеспечения безопасности на базе средств СЦБ и информационной подсистемы. Как показывают исследования ВНИИАС, внедрение подобной системы на сети дорог позволило бы снизить
количество крушений, сходов, столкновений, допускаемых браков в работе и тем самым повысить показатели безопасности движения, уменьшить затраты на ликвидацию последствий вышеперечисленных происшествий и повысить качественные показатели эксплуатационной работы (участковую и техническую скорости, время оборота грузовых вагонов и т.д.) на 5%; уменьшить себестоимость грузовых перевозок на 3%, повысить срок службы используемых технических средств на 10% за счет соблюдения технологии эксплуатации [5].
Наиболее перспективным для новых многоуровневых систем СЦБ признается координатный способ регулирования движения поездов с интерфейсом между подвижными объектами и центрами управления по цифровому радиоканалу. Основоположниками систем координатного регулирования движения поездов, внесшими наибольший вклад в их развитие, являются такие известные ученые как Брылеев A.M. [6], Дмитренко И.Е. [6 - 8], Кравцов Ю.А. [9], Лисенков В.М. [10, 15], Петров А.П. [11], Худов В.Н. [12] и ряд других.
Серьёзный вклад в развитие теории и практики измерения параметров движения поезда внесли такие известные ученые, как Баранов Л.А., Бестсемьянов П.Ф. [13], Головин В.И., Нестеров В.Л. [9], Савушкин А.К. [14]. Однако в силу нерешенности ряда проблем, связанных с недостаточной точностью и нестабильностью измерений, функции известных бортовых устройств измерения параметров поезда на основе осевых импульсных датчиков были ограничены и по существу сводились, как правило, к измерению фактической скорости движения с использованием упрощенных алгоритмов обработки информации. Поэтому, не смотря на то, что теория процесса координатного регулирования достаточно хорошо проработана, фактическая его реализация на практике сдерживается отсутствием, в том числе, соответствующих технических средств, способных точно и достоверно определять местоположение каждого поезда, скорость и ускорение его движения.
Не менее важным аспектом повышения пропускной способности и снижения эксплуатационных затрат является повышение скоростей движения. Как показывают исследования, проведенные в рамках программы «Разработка и создание технических средств железнодорожного транспорта для организации движения пассажирских поездов со скоростями 200 км/ч», увеличение скоростей движения даже на 1 % снижает эксплуатационные расходы в дальнем
7 пассажирском движении на 91.8 млн. руб. в год, а в пригородном - на 10.7 млн. руб. в год, уменьшение потребного парка подвижного состава при этом приводит к снижению капитальных вложений на приобретение локомотивов 6410.1 млн. руб., вагонов пассажирского парка на 958.7 млн. руб [16]. Координатный принцип управления позволяет повысить и среднюю скорость движения [17], так как подразумевает более гибкое задание скорости локомотива по пути.
С целью сокращения издержек на эксплуатацию напольной аппаратуры в настоящее время намечается тенденция переноса ряда её функций на бортовую аппаратуру локомотивов. Развитие последней, в свою очередь, идет в сторону повышения интеллектуализации - так называемой концепции создания «умных» («smart») локомотивов, причем эта тенденция наблюдается не столько в нашей стране, сколько в зарубежных развитых странах [18], где в настоящее время для регулирования движения поездов планируется использовать подобные системы.
Что касается зарубежных железных дорог, то в настоящее время для регулирования движения поездов в основном там используются системы, аналогичные отечественным. При этом Европейский железнодорожный транспорт испытывает необходимость в повышении провозной способности. Исследования иностранных специалистов показали, что инвестиции в автоматизацию процессов управления дают отдачу в 4 раза больше, чем в «бетон» (реконструкцию существующих коридоров, строительство дополнительных путей) [19]. В связи с бурным прогрессом средств микроэлектроники, связи и вычислительной техники в ЕС разработана концепция интеграции систем управления с сокращением и заменой напольной аппаратуры. В 1995 г. Европейской комиссией инициирован проект создания европейской системы управления перевозочным процессом на железных дорогах (ERTMS) [20]. Данный проект рассчитан на три уровня реализации, причем на верхнем уровне подразумевается координатное регулирование движения поездов с использованием цифрового канала связи GSM-R при минимальном использовании напольной аппаратуры [21] и максимальном внедрении интеллектуальных бортовых устройств. На последние будет
8 полностью возложена функция определения местоположения поезда [18]. ETCS уровня 2 - это АЛС на базе радиосвязи проектируемое изначально для высокоскоростного движения с передачей данных между поездом и центром блокировки на базе радиосвязи RBS. На основе этих данных бортовое устройство рассчитывает динамические данные о скорости, контролирует их соблюдение и предоставляет полученную информацию машинисту локомотива. Разграничение поездов в ETCS 2 осуществляется традиционно посредством жестко заданных блок-участков, границами которых служат путевые приемоответчики, формирующие статические данные. Что касается первого уровня ETCS, то при его реализации подразумевается, что напольные приемоответчики, устанавливаемые на путях, транслируют показания напольных устройств [22].
В настоящий период времени многие железные дороги Европы, рассматривают проекты перехода сразу на 2-ой уровень, который позволит отказаться от большинства напольных сигналов.
Так в Бельгии системой ETCS 2-го уровня с резервом ETCS 1-го уровня оборудуются два высокоскоростных участка - HSL-Zuid и Льеж -Ахен, первый будет готов к комиссионным испытаниям в апреле 2006 года, а второй - к концу 2005 года.
В Германии в июле 2003 года для испытаний с целью получения технического и эксплуатационного опыта по работе ETCS 2-го уровня принят участок Берлин-Галле/Лейпциг. Двухпутная линия уже осигнализована для движения в обоих направлениях и ведется её реконструкция с целью повышения максимальной скорости до 200 км/ч. Оборудование ETCS включает 1045 приемоответчиков Eurobalise.
В Испании к концу 2004 года ETCS 2-го уровня должна быть оснащена линия Сарагоса - Уэска.
В апреле 2004 года на опытном участке в Италии длиной 80 км во время демонстрационной поездки поезд уже развил скорость 302 км/ч под управлением ETCS 2-го уровня. Кроме того, ETCS 2-го уровня оборудуются 4 высокоскоростных линии: Болонья - Флоренция, Милан - Болонья, Милан -
9 Турин, Рим - Неаполь. Последняя линия должна быть введена в эксплуатацию в середине 2005 года.
В странах Скандинавии (Швеция, Финляндия, Норвегия) достигнуто соглашение по созданию специализированного модуля STM, предназначенного для конвертации показаний традиционных систем сигнализации в форму, приемлемую для бортовых устройств ETCS. Цель данного соглашения -поэтапное переоснащение участков инфраструктуры в течение 10-15 лет до уровня 2 [19, 23].
В Великобритании в настоящее время внедряется система TASS, являющаяся аналогом ETCS.
Испытания ETCS 2-го уровня на высокоскоростной линии Париж- Лион во Франции показала, что пропускная способность линии возрастает теоретически с 16 до 29 поездов/ч, т.е. практически на 67%.
Что касается стран Азии, то в Китае также приступили к созданию национальной системы управления движением поездов CTCS - аналогу ETCS.
Для малодеятельных линий (не менее 25%) [24], нуждающихся в простых и экономных системах, способных окупить вложенные инвестиции, в настоящее время в Европе разрабатывается система Atlas 400. Данная система также использует в качестве основы спецификацию ETCS уровней 1 и 2. Отличительными особенностями является программное обеспечение с уменьшенными возможностями и позиционирование при помощи спутниковой навигации.
В рамках проекта ETCS предполагается, что к 2020 году будет конвертировано около 35% напольного оборудования стран ЕС и переоборудовано не менее 60% подвижного состава.
Как показывает анализ зарубежных источников, 3-й уровень управления движением поездов в настоящее время не реализуется, поскольку круг задач по переходу на регулирование с «подвижными блок-участками» пока еще не решен до конца, также как он не решен и на отечественных дорогах.
Причины этого в том, что координатные многоуровневые системы интервального регулирования с цифровым радиоканалом требуют решения
10 целого ряда проблем, связанных с организацией «подвижных блок-участков» при отсутствии напольной аппаратуры безопасности.
При создании многоуровневой системы безопасности (МС) выделяют два основных аспекта [1], которые являются принципиальными для её реализации. Поскольку концепция многоуровневой системы безопасности предполагает передачу управляющей и контрольной информации по радиоканалу, то важно обеспечить надежный непрерывный канал связи с высокой пропускной способностью между центром управления и всеми участниками движения (для координатного регулирования пропускная способность должна быть не менее 64Кбит/с). Кроме того, как указывалось ранее, интервал попутного следования между поездами может быть сокращен, только если известно точное местоположение, скорость и ускорение движения каждого поезда. Поэтому важно иметь высокоточную и надежную бортовую интеллектуальную систему измерения параметров движения (СИДП).
К каналу связи в плане надежности перспективная МС предъявляет множество требований - это исключение «мертвых зон», дублирование передаваемой на локомотив информации о параметрах движения поезда и о командах движения по дополнительному каналу, оповещение машинистов и ремонтных бригад о приближении поезда, оповещение машинистов поездов и бортовых систем управления от аппаратуры идентификации подвижного состава и контроля его технического состояния на ходу [25]. В связи с этим в настоящее время для российских железных дорог определены три цифровых стандарта связи - TETRA, GSM - R, CDMA. Первые два относятся к цифровым системам второго поколения, a CDMA - к третьему.
В 2002 году на опытном участке Свердловской железной дороги Северка -Свердловск - Камышлов были испытаны системы радиосвязи GSM - R и TETRA, первая из которых рекомендована к использованию Международным союзом железных дорог. Опытная эксплуатация показала, что в пределах всего участка обеспечивается уверенная радиосвязь с подвижными объектами, находящимися на перегонах. Дальность радиосвязи с абонентами носимых радиостанций достигает 5-6 км, что позволяет обеспечивать непрерывную радиосвязь на перегонах длиной до 11км. Все пользователи отметили высокое
качество связи по сравнению с существующими аналоговыми системами, а также наличие дополнительных функциональных возможностей.
Система TETRA была испытана также на пригодность для управления движением поездов с использованием аппаратуры КЛУБ-У. По каналу радиосвязи при этом передавались параметры движения поезда и его координаты, а также управляющие команды. Испытания завершились успешно [26]. Проектирование систем стандарта TETRA развернуто на участках Московской, Октябрьской, Юго-Восточной, Северо-Кавказской и Свердловской железных дорог. На Калининградской дороге строится система стандарта GSM - R [27].
Таким образом, принципиальные технические проблемы реализации надежного канала связи в настоящее время успешно решаются.
Что касается бортовых систем измерения параметров движения (СИДП), то для реализации МС они должны на первом этапе реализации решать, как минимум, задачи:
S измерения скорости, пути и ускорения;
/ достоверного контроля текущего местоположения головы и хвоста поезда
на перегоне и станции; - на последующих этапах реализации системы:
S задачу контроля целостности состава [28];
S задачу контроля целостности рельсовых нитей.
Решением каждой из обозначенных задач должна заниматься отдельная подсистема. Совокупность подсистем должна составлять бортовой измерительный комплекс. Предлагаемая структура бортовой системы контроля параметров движения представлена на рис. 1.
Система должна содержать следующие подсистемы:
S Навигационную подсистему;
S Подсистему контроля целостности состава;
S Подсистему контроля целостности рельсовых нитей;
S Подсистему технической диагностики локомотива и поезда.
Локомотивный измерительный комплекс должен иметь иерархическую структуру и обеспечивать возможность подключения к центральной бортовой системе автоматического управления локомотива (САУ).
Осевой импульсный /
Рис. 1 Общая структура бортовой локомотивной системы контроля параметров движения
13 Нижний уровень бортовой системы контроля параметров движения должны представлять специализированные измерители:
Измеритель скорости, ускорения, пути (ИПД);
Измеритель направления движения поезда (ИНД);
Узел коррекции координаты местоположения (УКМ);
Подсистема контроля целостности рельсовых нитей (ГЩР);
Подсистема технической диагностики локомотива и поезда (ПТД);
Подсистема контроля целостности состава (ПЦС) [29];
Второй уровень представляет центральный блок обработки информации о параметрах движения, включая навигационную информацию (БОНИ), с обслуживающими его блоками:
Блок ручного ввода информации (БРВИ);
Узел отображения информации (УОИ);
Блок хранения информации о поездке (БИП);
Блок регистрации параметров движения (БРП).
Верхний уровень системы должна представлять собой центральная САУ локомотива с устройством связи с центральным диспетчерским пунктом, которая служит для регулирования параметров движения локомотива в зависимости от поездной ситуации.
В рамках одной работы невозможно охватить весь комплекс задач, поэтому в диссертации рассматривается решение наиболее ответственных задач нижнего уровня бортовой системы.
Первостепенной задачей при реализации первого уровня системы управления (СУ) с цифровым радиоканалом является разработка навигационной подсистемы - основы координатной СУ.
Наиболее совершенными интеллектуальными бортовыми системами регулирования движения, применяемыми на российских железных дорогах, являются системы КЛУБ-У [1] и САУТ-ЦМ [5, 30, 31]. Обе перечисленных системы имеют возможность управления подвижными объектами по радиоканалу. В то же время данные системы рассчитаны на работу совместно с автоблокировкой и осуществляют регулирование на светофор [4], поэтому контроль местоположения хвоста поезда в них не осуществляется - эта функция
14 возложена на напольную аппаратуру АБ. Местоположение головы поезда в пределах рельсовой цепи определяется путем счисления числа оборотов колесной пары, оборудованной датчиком ДПС. Погрешность измерения скорости в указанных системах не менее ±1 км/ч [1, 32], тогда как при определении ускорений она должна быть существенно выше. При юзе и боксовании в данных системах происходит накопление ошибок определения пройденного пути. С целью устранения недостатков система КЛУБ-У дооборудована GPS приемником, ведущим прием сигналов по 12 каналам одновременно. При его использовании точность определения местоположения системой КЛУБ может достигать 30 м, а точность определения скорости - 0.1 м/с. Однако, даже указанная точность GPS позиционирования, очевидно, не позволяет определять маршрут движения поезда по станционным путям. Кроме того, как показали исследования в области применения спутниковой навигации, им присущ ряд существенных недостатков: точность позиционирования зависит от состояния ионосферы Земли и может существенно изменяться так, что погрешность местоположения может достигать сотен метров при неудачном расположении группировки спутников над местностью и высоких скоростях движения объектов, а также при наличии нескольких путей, леса вокруг и зданий с металлическими поверхностями [18]; при этом время получения запроса со спутников достигает нескольких секунд и не дается гарантии обслуживания. Отмечается [18], что затенение сигнала, а также влияние нескольких путей на точность позиционирования являются решающими факторами риска при определении местоположения, их вероятность значительно выше вероятности сбоя сигналов в космосе. Другим фактором, сдерживающим применение GPS в качестве основной системы позиционирования, является то, что помимо технической стороны обеспечения привязки к местности возникает проблема, связанная с тем, что точные карты местности сами по себе являются стратегической информацией. Их составление требует отдельного проведения дорогостоящей операции картографирования местности в районе железных дорог [33]. Но даже наличие точной карты местности не решает полностью проблемы определения интервалов между попутными поездами. Поскольку движение поездов происходит по траектории
15 прокладывания железнодорожного пути, то абсолютные координаты требуется переводить в расстояния с учетом прокладки пути, что, в свою очередь, требует дополнительных вычислительных операций и может приводить дополнительным погрешностям.
В существующих системах позиционированию GPS, как правило, отводится роль дополняющей системы [33] при многоконтурном контроле, либо оно применяется в качестве решения для малодеятельных участков дорог [21], но в сочетании с опорными датчиками (реперами) [18].
За рубежом известны эксперименты по обеспечению автономности определения местоположения путем счисления пройденного пути при помощи связки осевой импульсный датчик - бортовой доплеровский радар [34]. В публикациях отмечается, что такое решение отличается большой стоимостью [18]. Исследования проводились для двух вариантов измерений: методом определения центра тяжести доплеровского спектра и методом поиска точек пересечения двух доплеровских спектров. Они показали, что первый способ обеспечивает относительную погрешность измерения пути и скорости до ±2%, тогда как второй - до 0.5%. В то же время отмечено, что указанные значения относятся только к 95% пути, а на остальных 5% погрешность может увеличиваться более, чем в два раза, вплоть до полного пропадания сигнала. Поэтому доплеровский радар всегда должен применяться в сочетании, например, с осевым импульсным датчиком.
Таким образом, вопрос принципов функционирования навигационных систем для железнодорожного транспорта на сегодняшний день остается открытым. Решение проблемы в плане реализации координатных МС видится в многоконтурном независимом контроле параметров движения поезда с преобладанием автономных способов навигации, минимальным числом напольных реперов.
Данная диссертационная работа посвящается исследованию этих вопросов.
Анализ способов получения информации о параметрах движения поезда и выбор типа измерителя параметров движения
Известные по применению на железнодорожном транспорте различные бортовые измерители параметров движения (ИПД) по принципу действия можно разделить на две основных группы: V Контактные, определяющие параметры движения на основе измерения параметров вращения колесной пары (КП) при ее движении вдоль пути [37-39]: механические, электромеханические, электронные; S Бесконтактные, определяющие параметры движения иными способами: доплеровские [40-42], фидерные [43] и получающие информацию посредством искусственных спутников Земли (ИСЗ) [1] и т.д. Из перечисленных типов ИПД за основу исследования и разработки был принят измеритель первой группы, по следующим причинам: S В настоящее время они широко распространены на железнодорожном транспорте в качестве бортовых ИПД, а, следовательно, уже выпускаются промышленностью. Поэтому, внедрение системы измерения параметров движения потребует меньше средств. S Измерители этой группы в меньшей мере зависят от погоды, состояния ионосферы Земли, пути и балласта. S Конструкция данных измерителей существенно проще, а значит и надежнее конструкции измерителей бесконтактного типа. S Использование в качестве первичного преобразователя сигнала движения КП, которая участвует в реализации тяговых (тормозных) усилий локомотива, позволяет осуществить дополнительно контроль сцепления. С учетом вышеизложенного, при разработке ИПД с использованием датчика осевого типа (ОД) на первый план вынесены следующие задачи: 1. Обеспечить измерение скорости движения локомотива с дискретностью, достаточной для вычисления ускорения с требуемой точностью при минимальном времени цикла. 2. Обеспечить измерение пути, с использованием минимального числа реперов, для корректировки результатов измерения. 3. Обеспечить надежный контроль сцепления измерительных КП. Классифицировать ИПД с ОД можно по различным критериям.
Предложен вариант классификации [44], которая позволяет произвести первоначальный выбор ИПД для заданной системы управления. Что касается элементной базы ИПД и принципа обработки измерительной информации, то при их выборе следует руководствоваться рядом основных критериев, а именно: 1. Элементная база ИПД должна соответствовать элементной базе локомотивной системы управления. 2. Принцип обработки измерительной информации, реализуемый ИПД должен быть совместимым с принципом обработки информации локомотивной системы контроля. 3. ИПД должен обеспечивать возможность расширения измерительной информации, настройки под различные виды датчиков (универсальность), корректировки параметров процесса измерения (гибкость), а также контроля сцепления измерительной колесной пары с рельсовым путем. Несоблюдение первых двух требований при выборе элементной базы ИПД приведёт к необходимости установки дополнительных преобразователей сигнала, что вызовет усложнение и удорожание ИПД в целом. Несоблюдение последнего требования может снизить качество измерений и усложнит интеграцию измерителя в имеющиеся системы контроля. Вопрос надежности элементной базы среди критериев не рассматривается, так как требуемый уровень надежности может быть обеспечен на любой элементной базе, например, путем резервирования. Анализ классификатора [44] с учетом приведенных критериев показал, что в настоящее время для КСИР следует использовать только интеллектуальные цифровые измерители (ИЦИПД). Процесс формирования информации о параметрах движения, реализуемый электронными цифровыми ИПД представлен на рис. 1.1 и описан в [44]. Если измерение пути может осуществляться в цифровых ИПД одинаково, то измерение скорости может реализовываться разными способами. Известны следующие основные способы измерения текущей скорости (см. рис. 1.2) [37, 44-46]: 1. Подсчет числа импульсов осевого датчика за фиксированное время Т = const. 2. Измерение периода следования импульса TJt). 3. Измерение времени полного оборота To6(t), когда число импульсов достигнет определённого значения N = No6. 4. Измерение частоты импульсов vy (t). 5. Измерение длительности Tt(t) прихода заданного числа К импульсов, причем К = f(V{_x) и задается по правилу половинного деления [45]. 6. Измерение длительности импульса (паузы). Последняя группа способов не нашла широкого распространения, поскольку скважность импульса ОИД непостоянна и погрешность измерения скорости выше, чем при иных способах измерения скорости. Проведённый в [46] анализ способов измерения скорости показал, что: 1. Способ 4 для построения ИПД требует больших аппаратурных затрат, сложен в настройке, характеризуется малой помехозащищенностью. 2. Способы 2 и 3 являются частными случаями способа 5, поэтому достаточно ограничиться анализом последнего и сравнением его со способом 1. В качестве меры времени в ИЦИПД используется некоторое число опорных импульсов КопА, вырабатываемых тактовым генератором (v = const), за время і -го измерительного цикла Г
Метод организации многоканальных измерений параметров движения с переменными приоритетами
Измерение параметров движения можно осуществлять следующими методами: путем объединения результатов измерений отдельных источников без учета их различия в точности; использованием двухуровневых дискретных приоритетов, когда за результат измерения принимается значение, полученное наиболее точным источником или многоуровневых приоритетов, когда результату измерения каждого источника, в зависимости от его точности, присваивается уникальный вес, а искомый результат измерения определяется путем объединения функций, описывающих некоторую взаимосвязь между результатом измерения каждого источника и весом его результата. Измерения при этом могут быть как со статическими приоритетами, так и с \ динамическими. Способ измерения скорости, основанный на первом методе, предложен в работе [68] для поездов метрополитена. В ней предлагается вычислять скорость как среднее арифметическое результатов измерения по нескольким каналам. В работах [64, 65] исследуется магистральный подвижной состав и в них указывается, что колесные пары локомотива при тяге работают в существенно различных режимах. Помимо этого при реализации тяги для некоторых колесных пар возможно возникновение, так называемых нестационарных режимов, когда они периодически пробуксовывают (погрешность скорости при нестационарных режимах превышает 9%). Как показывают исследования, присоединение к измерительной информации результатов от КП, идущих в нестационарных режимах, с использованием среднего арифметического приводит к существенному искажению результатов измерения. Это позволяет утверждать, что способ среднего арифметического нецелесообразен для магистральных локомотивов. Главными недостатками использования двухуровневых приоритетов является то, что присоединение даже менее точной информации к более точной позволяет несколько уточнять результат измерения, это показано в работе [66]. Переключение измерительных каналов, ввиду их различной точности, в большинстве случаев будет приводить к скачкообразным случайным изменениям результата измерения скорости, что затруднит определение ускорения движения.
При измерении пути дискретное переключение каналов будет приводить к погрешности от неучета разности фаз измерения. Определение приоритетов «ведущий» и «ведомый» требует использования критериев оценки точности различных каналов измерения. При их неправильном выборе погрешность измерения параметров движения становится сопоставимой с погрешностью одноканальных измерений. Как правило, А приоритеты в таких системах назначает человек на этапе их проектирования, основываясь на опытных данных [39 и др.]. Система с динамическими дискретными двухуровневыми приоритетами разработана в [59], в ней измерительная схема автоматически переключается на канал с меньшей частотой импульсов, соответственно критерием выбора канала является частота формируемых им импульсов. Несмотря на указанные недостатки, данный метод обладает существенным плюсом - использование двоичного оператора [0, 1] позволяет легко исключать из расчетов измерительные каналы, работающие в режиме пониженной точности. Метод двухуровневых дискретных приоритетов может быть применен для «текущего отключения» измерительных каналов, подключенных к боксующим, либо юзящим КП. Разработка критериев идентификации режимов движения осуществлена в последующих разделах. Таким образом, при разработке метода объединения измерительной информации возникает две основных задачи: 1. определение оператора объединения; 2. выражение статистических характеристик результатов через аналогичные характеристики объединяемой информации. В работе [66], посвященной решению этих задач, предложено следующее.
Оператор объединения строится по принципу наибольшего веса, как функция времени. Тогда формула для определения средней скорости (пути, ускорения) за цикл измерения в нескольких каналах принимает вид где j- индекс, не равный і, j є [l,...,w]. [r(] - двоичный оператор, учитывающий факт боксования z -ой КП, в момент времени (t) (0-при срыве сцепления, 1-при наличии сцепления); Dt(t) - дисперсии измеренных значений величин в измерительных каналах за время (t); xt(t) - измеренное значение величины по одной из п КП (путь, скорость, ускорение). Применяя правило преобразования случайной величины линейным оператором [67], получим соотношение для оценки результирующей дисперсии Тогда среднее квадратическое отклонение определим как Как показал анализ полученных соотношений [66], присоединение «избыточной», даже менее точной информации, позволяет уменьшить результирующую ошибку измерения параметров движения (в случае одинакового среднего квадратического отклонения параметра в четырех измерительных каналах ИПД, значение результирующего отклонения уменьшается в два раза; в девяти каналах - в три раза). Что касается измерения скорости, то распределения статических методических погрешностей скорости цифровых ИПД, приведенные в [45, 68] представляют закон Симпсона (треугольное распределение). При этом математическое ожидание дисперсии равно нулю, а среднее квадратическое отклонение взаимосвязано с максимальной ошибкой формулой вида Преобразовав данное соотношение можно определить максимальное абсолютное отклонение скорости при многоканальных измерениях цифровым ИПД. Таким образом, объединение однородной измерительной информации, поступающей от нескольких источников, позволяет осуществлять их взаимный контроль, коррекцию и уменьшить влияние случайных ошибок, что повышает надежность и точность результатов. Установка динамических переменных приоритетов приводит к тому, что в момент включения ИПД приоритеты не назначены, следовательно система переменных приоритетов требует задания начальных условий. При задании начальных приоритетов необходимо выбрать ведущий канал таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная вероятность смены приоритета и достигалась наибольшая точность измерения. Этот эффект можно получить установкой в качестве приоритетной - КП с минимальной вероятностью срыва в условиях данной поездки. При прочих равных условиях в качестве приоритетных рекомендуется выбирать в порядке убывания значимости КП: S с минимальной средней дисперсией при данном направлении движения в прошлой поездке; S с минимальным числом срывов сцепления в прошлой поездке при данном направлении движения; S свободных бегунов (при наличии); S заднюю при данном направлении движения; S двигатель которой обладает меньшей тяговой характеристикой; S диаметр колёс которой по отношению к иным КП больше; S с ослабленными колодками (при наличии);
Методика учета периодических погрешностей первичного преобразователя
При учете периодических погрешностей первичного преобразователя действительный путь, пройденный локомотивом за время цикла измерения, можно описывать выражением (3.3), приведенным к виду где Kt - число импульсов ОИД, измеренное в і-м цикле. ASX, ASX -приведенные технологические погрешности первичного преобразователя, обусловленные неточностью измерения пути в начале и конце і -го цикла измерения; х -номера лопастей крыльчатки, являющихся началом и окончанием текущего цикла измерения. Чтобы упростить учет технологических погрешностей первичного преобразователя, целесообразно заменить целое число импульсов ОИД приведенным, которое определим по формуле Замена натурального числа импульсов ОИД Kt рациональным (приведенным) к"рив позволяет учесть технологические неточности первичного преобразователя и при этом для расчётов использовать формулы вычисления прогнозных параметров цикла измерения и обработки результатов измерений, справедливые для идеального ОИД. Вычисление прогнозных значений параметров цикла измерения при учете периодических погрешностей первичного преобразователя осуществляется следующим образом. По формуле (3.14) определяется приведенное число периодов ОИД в предыдущих циклах измерения. Полученные приведенные значения подставляем в соотношения (ЗЛО) вместо значений Kt, Kt_{, в качестве опорных чисел импульсов подставляются фактические. Затем определяем расчетное значение Км, которое округляем с использованием соотношения (3.11) и, после этого, переводим в приведенное число импульсов по формуле (3.14). При переводе учитываем, что циклы і и і + 1 следуют друг за другом, поэтому AS +l = AS . В последнюю очередь по формуле-(3.12) определяется уточнённое число опорных импульсов.
Обработку результатов измерения, в частности, вычисление скорости движения в і-и цикле измерения, при учете периодических погрешностей первичного преобразователя осуществляем по модифицированной формуле (1.2) где К"рив - приведенное число импульсов; Koni - число опорных импульсов в і-м цикле. При измерении параметров движения локомотива ИПД с ОИД требуется использовать информацию о вращении одной либо нескольких КП. Ранее отмечалось, что наиболее благоприятным с точки зрения повышения точности измерений является использование в качестве первичного преобразователя необмоторенной и расторможенной КП, так называемого «свободного бегуна». 117 Наличие на локомотиве такой КП практически полностью снимало бы задачу контроля сцепления и необходимость снижения погрешности от продольного криповского скольжения. На современном тяговом подвижном составе, как правило, нет «свободных бегунов» (исключением является моторвагонный подвижной состав, имеющий необмоторенные КП.в головном вагоне), поэтому задача выбора КП для использования их в качестве измерительных является актуальной для магистрального транспорта. Формулы, полученные ранее для обработки результатов многоканальных измерений, позволяют автоматически выбрать КП с наилучшими условиями движения, но при отсутствии срыва сцепления отдельных КП. Для устранения влияния негативных явлений, связанных со срывом сцепления и отказами, в формулу (2.24) введен двоичный оператор, предусматривающий принудительное отключение отдельных КП из обработки результатов измерений. Значение оператора определяем путем организации контроля режимов движения КП, а в частности наличия сцепления КП с путем. Контроль сцепления измерительных КП можно осуществлять несколькими способами и, в частности: Сравнением измеренных параметров движения с параметрами, вычисленными на основе известных механических характеристик подвижного состава. Сравнением параметров движения, измеренных разными измерительными КП (при использовании многоканальных измерений). Вследствие неравенства условий движения различных КП при реализации тяговых и тормозных усилий одновременный срыв сцепления всех измерительных КП маловероятен [69]. Поэтому для обнаружения моментов срыва п-\ КП, из снабженных ОИД, рекомендуется использовать второй способ контроля. Однако, в случае срыва сцепления всех КП способ сравнения становится неэффективным и не позволяет обнаружить момент восстановления сцепления. Следовательно, второй способ контроля обязательно должен дополняться способом измерения, основанным на использовании механических характеристик и измерении К . Рассмотрим способ контроля, основанный на учете механических характеристик подвижного состава. Потеря сцепления измерительной КП с рельсами сопровождается всплеском фиксируемой измерителем скорости Уф, в то время как действительная скорость движения поезда изменяется незначительно Уд. Разность УА = Уф - Уд есть погрешность измерения скорости при срыве КП. х Исследования [59] показывают, что скорость боксования обычно не превышает УА =12...15 км/ч, хотя в отдельных случаях она может достигать УА = 29 км/ч [69]. Погрешность измерения от пробуксовки при установившемся режиме в первом случае составит 3.3...4.2 м за секунду, во втором - 8.1 м за секунду. Продолжительность отдельного боксования составляет в среднем 8 сек. при этом фиксируемая скорость превышает действительную Уф Уд [69], а число боксований может быть достаточно большим. В [59] указывается, что средняя суммарная длительность боксования составляет 1-2 мин. При юзе же скорость Уф = О, а погрешность измерения скорости составляет УА = -Уд. Условием сохранения сцепления в цикле измерения / является условие вида где афі - значение ускорения (замедления), зафиксированное в /-м цикле измерения; (вфі) - допустимое (предельно возможное) значение ускорения (замедления) для данного подвижного состава. Текущее значение ускорения афі в выражении (3.16) может быть определено по изменению фактической скорости в км/ч Аналогично может быть определено допустимое значение ускорения где (Vdi - Уді_х) - максимально возможное изменение действительной скорости поезда за время цикла измерения tt.
Синтез ИПД с непрерывной синхронизацией по сигналам ОИД и совмещенной организацией рабочего цикла
В результате исследования различных типов ИПД был обоснованно выбран аппаратно интегрирующий ИПД с программным управлением и синхронизацией цикла измерения по сигналам ОИД (параметр Кшм должен задаваться алгоритмически) [46]. В связи с этим в синтезируемой структуре ИПД УИКП осуществляет измерение параметров вращения КП без отвлечения для реализации процесса измерений УВПД (нижний уровень). Устройство программного управления УВПД предназначено для вычисления текущих параметров движения на основании данных, формируемых узлом УИКП, оно же должно вычислять задаваемые параметры на текущий цикл измерения (средний уровень). Особенностью ИПД с последовательной организацией цикла измерений является то, что использование счетчика импульсов ОИД (СИД) для измерения скорости и одновременного получения точной информации о пройденном пути при последовательном способе организации полного цикла невозможно. В результате применения разработанной схемы совмещения фаз, фаза измерения пройденного пути и фаза измерения параметров вращения КП для последующего дифференцирования выполняются непрерывно, совмещено и синхронно. При реализации предложенной схемы содержимое счетчиков измерения пройденного пути и УИКП для вычисления скорости идентичны КУВПд = Кпути. Последнее позволяет использовать один СИД, непрерывно синхронизованный с ОИД для реализации обеих фаз измерения параметров. Непрерывный процесс измерения импульсов ОИД может быть реализован на счетчике, число комбинаций которого обозначим, как F.
Общее число импульсов, которые будут зафиксированы счетчиком с начала движения локомотива по маршруту, можно определить на основе [70, 103] по формуле где Коб - число прохождений счетчика через комбинацию «0000»; Р{ - номер текущей комбинации на выходах счетчика; Рнач - номер комбинации на выходах счетчика на момент начала движения по маршруту (в момент прохождения репера). Так как F = const и Рнач = const, то из формулы (4.12) следует, что при определении пройденного пути требуется знать номер текущей комбинации счетчика Pt (цикл і) и число его полных оборотов с начала движения Коб (одна текущая точка контроля). Комбинация выходных сигналов СИД в предыдущем цикле (/ -1) при вычислении пройденного пути не нужна.
При применении СИД для определения скорости требуется знать путь, пройденный локомотивом за время цикла. Поэтому для вычисления скорости, требуется знать номер комбинации на выходах счетчика Р{, при которой завершился текущий цикл измерения, а также номер комбинации счетчика на момент начала измерения скорости в данном цикле Pt_x (две текущих точки контроля). При непрерывном измерении скорости, как следует из структуры совмещённого цикла ИПД, «виртуальное» окончание предыдущего цикла измерения Р" должно являться также «виртуальным» началом Р"т следующего: Pi_l = Pt Непрерывный режим работы счетчика СИД приводит к тому, что схема контроля состояния счетчика при измерении параметров движения помимо считывания выходных наборов СИД в цикле должна осуществлять их сравнение с некоторыми текущими «пороговыми» наборами, причем все перечисленные операции она должна выполнять без разрыва синхронизации между СИД и ОИД. «Пороговые» наборы должны служить эквивалентами сигналов «запуск» и «стоп» и могут храниться в буферной памяти схемы контроля. Так как один элемент сравнения не может обеспечить одновременное формирование сигналов «виртуальный запуск» и «виртуальный стоп», то для получения обеих границ цикла измерения требуется два устройства слежения с буферной памятью наборов. Цикличность СИД требует расчета ёмкости счетчика СИД, с тем, чтобы исключить его многократное «вращение» в течение цикла измерения параметров движения, так как, в противном случае, будет происходить «ложное» срабатывание устройств контроля кодовых комбинаций СИД. Кроме того, необходимо получить формулы задания кодов СИД с учетом его цикличности. Условие исключения «вращения» СИД в цикле измерения имеет вид где Ктлх - максимально возможное значение выборки СИД в цикле. Емкость и разрядность счетчика с учетом условия (4.13) рассчитаем из формулы (1.2) при заданном значении максимальной регистрируемой скорости Vmax, минимальном диаметре бандажа, находящегося в эксплуатации, и максимальном времени интегрирования, выраженном в виде числа опорных импульсов (Коп) Число разрядов п счетчика определяем из условия С учетом (4.14) разрядность счетчика СИД определим как Откуда ёмкость счетчика по числу кодовых комбинаций Формула для расчета номера набора, являющегося концом текущего цикла измерения может быть получена из следующих условий С учетом условий (4.18) формула для определения номера выходного набора СИД, являющегося концом цикла измерения имеет вид
