Введение к работе
Актуальность темы исследования. Потребности народного хозяйства обусловливают необходимость качественного совершенствования систем управления подвижным составом на основе широкого внедрения новых методов контроля состояний рельсовых линий и систем управления, что существенно повышает безопасность движения поездов, бесперебойность и экономичность перевозок. С увеличением скорости движения поезда до 350 км/ч, веса поезда до 7000 т повышаются требования к эффективности работы систем управления подвижным составом. Незапланированные снижения скорости поезда приводят к значительным экономическим потерям.
Повысить достоверность информации в системе контроля состояний рельсовых линий, используя традиционные методы, не представляется возможным. Недостатком известных методов контроля является то, что с их помощью нельзя отличить влияние сопротивления изоляции рельсовой линии (РЛ) от влияния нормативного поездного шунта, если сопротивление ИЗОЛЯЦИИ ниже 1 Ом-км, а ее длина превышает 2,5 км. Рельсовые цепи (РЦ) без изолирующих стыков, в которых используются тональные частоты 400-800 Гц, обеспечивают достоверный контроль состояний рельсовых линий длиной 0,7-1 км. Небольшая длина типовой рельсовой цепи вызывает необходимость разработки новых методов контроля, использование которых могло бы существенно повысить достоверность контроля местонахождения объекта (одной подвижной единицы или целого поезда), надежность системы управления в целом.
Научной проблемой является отсутствие адаптивных методов контроля состояний рельсовых линий, моделей рельсовых цепей, которые учитывают продольную асимметрию и дрейф сопротивления изоляции, распределенный поездной шунт.
Известные методы контроля GPS и др. на железнодорожном транспорте не используются, т. к. они не контролируют целостность рельсовых нитей, расцепку подвижного состава, нет научной проработки в части обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте.
Степень разработанности основных положений подтверждается: актами внедрений (15) и испытаний (25), публикациями в журналах входящих в перечень ВАК РФ (19), монографиями (6), учебным пособием (1), патентами на изобретения (215), свидетельствами о регистрации программ (17).
Цель и задачи
Целью является разработка и научное обоснование новых методов контроля местонахождения объекта и путей технической реализации нового класса адаптивных устройств контроля в системе управления подвижным составом, обладающих расширенными функциональными возможностями:
повышенной шунтовой чувствительностью, пониженным допустимым сопротивлением изоляции, увеличенной длиной рельсовой цепи.
Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ современного состояния научно-технической
проблемы - создания методов и устройств контроля местонахождения объекта
в системе управления подвижным составом.
2. Разработать математические и алгоритмические модели адаптивных
рельсовых цепей (АРЦ) с учетом дрейфа и продольной асимметрии
сопротивления изоляции, распределенного поездного шунта.
Разработать математические модели для РЦ с мобильным приемником.
3. Разработать и научно обосновать новую концепцию адаптивных
методов и систем контроля, с целью повышения безопасности движения
поездов, эксплуатационной надежности и увеличения длины РЛ, за счет
регулирования параметров элементов схем, использования компенсационных
схем, анализа динамики изменения текущих контролируемых параметров.
-
Разработать и обосновать критерии оценки состояний АРЦ.
-
Разработать новые устройства контроля местонахождения объекта в системе управления подвижным составом, обладающие расширенными функциональными возможностями.
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования, с целью подтверждения работоспособности систем контроля местонахождения объекта, определения фактической шунтовой чувствительности, а так же максимально допустимой длины РЦ, минимально допустимого сопротивления изоляции рельсовой линии и максимально допустимого коэффициента продольной асимметрии.
-
Составить классификацию и определить стратегию развития новых методов и систем контроля подвижного объекта.
-
Внедрить в эксплуатацию АРЦ метод контроля поверхностной утечки, разработать учебное пособие по методике проведения исследования.
Научная новизна проведённых исследований определяется следующим:
- впервые разработаны обобщенные схемные решения и математические
модели для АРЦ, позволяющие проводить анализ в нормальном и шунтовом
режимах, учитывать взаимное влияние, дрейф сопротивления изоляции,
продольную асимметрию, распределенный поездной шунт;
впервые разработаны алгоритмические модели для относительных, соотносительных и комбинированных РЦ, которые позволяют существенно снизить чувствительность к дрейфу и продольной асимметрии сопротивления изоляции за счет использования: компенсационных схем, сравнения электрических параметров одной, двух или нескольких РЦ, измеренных одновременно или в разные временные интервалы;
предложены оригинальные методы контроля состояний РЛ, которые защищены 70 патентами на «способ»; модификации устройства контроля
состояний рельсовой линии, которые защищены 70 патентами на «устройство»; модификации систем управления подвижным составом на базе упомянутых устройств, которые защищены 75 патентами на «устройство»;
впервые разработана обобщенная математическая модель рельсовой цепи с мобильным приемником для шунтового и нормального режимов, а так же модель для контрольного режима;
разработаны системы контроля местонахождения объекта, системы управления подвижным составом, системы обеспечения безопасности движения поездов;
- выполнены аналитические и экспериментальные исследования
доказывающие, что адаптивные методы и систем контроля эффективно работают с
коррекцией и без коррекции пороговых напряжений в условиях пониженного
сопротивления, дрейфа и продольной асимметрии сопротивления изоляции.
Теоретическую и практическую значимость работы имеют:
теоретические основы новых методов контроля состояний РЛ и техническая реализация систем, функционирующих в условиях дрейфа и продольной асимметрии сопротивления изоляции, которые обеспечивают высокие технико-экономические характеристики систем управления подвижным составом;
методы контроля состояний РЛ, которые позволяют повысить безопасность и надежность систем управления подвижным составом в условиях эксплуатации;
пакет прикладных программ для исследования РЦ зоны контроля с учетом интенсивности и неравномерности выпадения осадков при движении нескольких подвижных единиц;
новая методика определения коэффициента поверхностной утечки, не требующая имитации излома рельсовой нити;
учебное пособие по методике проведения исследований АРЦ, шесть монографий с описаниями работы АРЦ и методов контроля путевых участков без рельсовых линий.
Методология и методы исследования. Поставленные задачи в диссертационной работе решаются с использованием: основных положений теории электрических линейных и нелинейных цепей, теории рельсовых цепей, методов анализа работы современных систем железнодорожной автоматики, теории интервального управления подвижным составом, логико-алгоритмических подходов инженерной психологии, математической статистики, методов интегрального и дифференциального исчисления, аналитических и численных методов математического анализа, методов имитационного моделирования на ЭВМ с разработкой специальных программ, физического моделирования электронных устройств с несимметричными отказами, лабораторных и линейных испытаний на безопасность.
При обосновании выбора методов контроля были использованы разделы теории оценивания и проверки гипотез, теории инвариантности и распознавания образов, методов аппроксимации.
Положения, выносимые на защиту:
обобщенные структурные, математические и алгоритмические модели РЦ, позволяющие контролировать состояния РЛ при пониженном сопротивлении изоляции, продольной асимметрии и распределенном поездном шунте;
новые методы контроля состояний РЛ на основе адаптивных рельсовых цепей;
новые программно-аппаратные системы контроля состояний РЛ на основе адаптивных методов контроля;
обобщенные структурные и математические модели РЦ с мобильным приемником;
- обоснование предельной длины рельсовой цепи, минимального
сопротивления изоляции, максимальной продольной асимметрии сопротивления
изоляции;
методы контроля состояний РЛ посредством мобильного приемника;
анализ результатов исследований РЦ с мобильным приемником;
системы интервального управления движением поездов без РЦ и линий продольного электроснабжения.
Степень достоверности и апробация работы
В теоретических построениях использовались законы и подходы, справедливость которых общепризнанна, а также известный и корректный математический аппарат; вводимые допущения мотивировались фактами, известными из практики. Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена также соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: «Наука и практика в транспорте» (Варшава, 1990); «Методические основы использования ЭВМ в учебном процессе» (Москва, 1990); «Проблемы безопасности движения поездов» (Ташкент, 1991); «Проблемы транспортного строительства» (Саратов, 1997); «Совершенствование методологии преподавания учебных дисциплин, связанных с безопасностью движения» (Москва, 1998); «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Москва, 2000); «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (Пенза, 2000); «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту - 2000» (Екатеринбург, 2000); «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2004); «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта»
(Самара, 2005); «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2006); «Транспорт, наука, бизнес» (Екатеринбург, 2008); «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара, 2009); «Материалы V Всероссийской научно-практической конференции» (Самара, 2009); «Материалы международной научно практической конференции» (Самара, 2009); «Молодые ученые транспорту» (Екатеринбург, 2009). Всего сделано и опубликовано 26 сообщений.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 327 страниц машинописного текста, в том числе 197 рисунков и 6 таблиц.
