Устройство контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией

Тенденция постоянного роста перевозочного процесса и требований к обеспечению безопасности движения заставляют уделять все большее внимание надежности систем автоматики и телемеханики. В этой связи важная роль в комплексных отраслевых программах отводится созданию надежных перенастраивающихся микропроцессорных систем, совершенствованию технического обслуживания и диагностики систем железнодорожной автоматики и телемеханики, обеспечивающих безопасность движения поездов и определяющих уровень автоматизации различных технологических процессов на транспорте.

Важное место в сооружениях железных дорог занимают переездыместа пересечений в одном уровне железнодорожного полотна и автомобильных дорог. Они являются зонами повышенной опасности для движения как по железнодорожному пути, так и по автомобильной дороге. Устройство вместо них дорог в разных уровнях путепроводных развязок требует значительных капитальных затрат. Строительство путепроводов ведется ограниченно и, в первую очередь, на линиях с особенно высокими размерами железнодорожного и автомобильного движения, на городских магистралях, на линиях с высокоскоростным движением поездов.

При сравнительно небольших и средних размерах движения замена переездов пересечениями в разных уровнях во многих случаях не может быть экономически обоснована и, тем более, реализована. Таким образом, переезды на длительную перспективу остаются сооружением железнодорожного пути.

В связи с этим, особое значение приобретает выполнение требований безопасности движения на переездах. Эти требования осуществляются системами автоматической переездной сигнализации, неразрывно связанной с устройствами интервального регулирования движением поездов на перегонах и соответствующими техническими средствами на станциях.

В основных направлениях Концепции развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики, в разделе «Системы автоматической переездной сигнализации» определены пути дальнейшего развития и совершенствования устройств автоматической переездной сигнализации: контроль скорости приближения поезда, контроль препятствий в зоне переезда, автоматическая передача на локомотив информации о состоянии переезда, дистанционное управление переездными устройствами дежурными по станции, ближней к переезду, поездным диспетчером, а также машинистом локомотива приближающегося к переезду.

В целях повышения функционирования и снижения эксплуатационных расходов, новые устройства автоматической переездной сигнализации должны быть построены на микроэлектронной и микропроцессорной базе, унифицированы для любых видов тяги. Эти устройства должны обеспечивать возможность их внедрения с поэтапным расширением функций в соответствии с изменяющимися условиями эксплуатации. Актуальность проблемы.

Основными техническими средствами, обеспечивающими безопасность функционирования железнодорожных транспортных пересечений, являются автоматическая светофорная сигнализация, автоматические шлагбаумы и полушлагбаумы, неавтоматические шлагбаумы с ручным механическим или электроприводом, устройства заграждения железнодорожных переездов, вместе с оповестительной сигнализацией. Надежная работа этих устройств позволяет обеспечить безопасность движения автомобильного и железнодорожного транспорта, избежать аварии и крушения, поэтому идет постоянное их совершенствование, с целью обеспечения безаварийности движения транспорта, ритмичности перевозочного процесса.

В то же время, ситуация с обеспечением безопасности функционирования транспортных пересечений остается острой. Традиционные методы построения систем управления и обеспечения безопасности транспортных пересечений исчерпали свои резервы, так как они функционируют, используя только информацию о состоянии рельсовых линий участка приближения. Длина участка приближения зависит от времени извещения и скорости движения поезда и может достигать 2000 и более метров.

При длинах участка извещения 1500 — 2000 м и возможной скорости движения поезда 10 — 15 км/ч, время ожидания у закрытого шлагбаума достигает 8−12 мин, что приводит к нервозности водителей транспортных средств и, как следствие, нарушениям требований безопасности на переездах: объезд закрытого шлагбаума, проезд водителями транспортных средств запрещающих красных сигналов переездных светофоров непосредственно перед приближающимся поездом. Согласно статистическим данным, по сети железных дорог ежегодно совершается порядка 350 таких нарушений, в которых погибает около 100 человек.

Значительный вклад в создание систем автоматики и телемеханики на переездах внесли ученые ВНИИЖТа и его Уральского отделения, МИИТа, РГОТУПСа и других ведущих институтов и проектных организаций.

Несмотря на то, что в области исследования и проектирования технических средств управления и обеспечения безопасности на железнодорожных переездах накоплен значительный опыт, устройства и системы обеспечения безопасности, в основном, базируются на использовании дискретной информации о приближении поезда к переезду с участка приближения, что заранее предопределяет значительные простои автотранспортных средств, а это негативно сказывается на экологической обстановке в зоне переездов, на психологическом состоянии водителей автотранспортных средств и, как следствие, зачастую приводит к нарушению условий безопасности.

В связи с изложенным, остается актуальным исследование и разработка устройств контроля координаты и скорости поезда системы управления железнодорожной переездной сигнализацией с расширенными функциональными возможностями. Разработка и исследование устройств контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией предполагает повышение безопасности, улучшение экологической обстановки, а также минимизацию времени простоя автотранспорта в зоне переездов и, как следствие, улучшение психологического состояния водителей автотранспорта.

Работа по теме проводилась в соответствии с Перечнем актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта в 2001 — 2002 г. г. (приоритетные направления науки и техники), утвержденным Указанием Министерства Путей Сообщения Российской Федерации №М-2775у от 17.11.2000 г. «Об утверждении перечня актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта в 2001 — 2002 г.», а также Концепцией повышения безопасности движения на железнодорожных переездах МПС России на период 2000 — 2005 годы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления железнодорожной переездной сигнализацией с расширенными функциональными возможностями.

Исследования проведены, применительно к железнодорожным транспортным пересечениям с автоматической переездной сигнализацией, являющимся основным и наиболее массовым средством автоматизации переездов.

В работе изложен системный подход, заключающийся в комплексной разработке и исследовании устройства контроля координаты и скорости движения поезда, а также устройств управления переездной сигнализацией.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи: анализ состояния безопасности и эффективности функционирования существующих систем управления движением на переездах железных дорогразработка методов функционирования устройств контроля координаты и скорости поезда систем управления переездной сигнализациейразработка математических моделей состояния рельсовой линии участка приближения в трех основных режимахформирование решающих функций состояний рельсовой линии участка приближения и определения координаты и скорости поездаразработка методики определения координаты закрытия переездатехническая реализация устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией.

Методы исследования.

В работе использованы: теория электрических цепей, теория оптимизации, теория матриц, теория распознавания образов, имитационное моделирование, а также моделирование и экспериментальное исследование на лабораторных макетах и реальных объектах.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается применением адекватного математического аппарата, соответствием результатов теоретических исследований и расчетов, математического моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях. Результаты, полученные автором, не противоречат ранее полученным другими исследователями.

Научная новизна.

1. Определены новые принципы построения устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией, основанные на использовании информации множества непрерывно изменяющихся признаков, характеризующих состояние рельсовой линии участка приближения.

2. Предложен новый метод и алгоритм функционирования устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией, основанный на использовании решающей функции определения координаты и скорости поезда, минимизирующий время закрытого состояния переезда для проезда автотранспорта.

3. Разработаны математические модели, описывающие состояние рельсовой линии участка приближения и учитывающие наличие неоднородности рельсовой линии в зоне переезда, разработана методика определения состояний рельсовой линии участка приближения с использованием решающих функций на основе полинома Лагерра.

4. Разработана методика определения координаты закрытия переезда, учитывающая характер движения поезда по участку приближения.

Практическая ценность.

По результатам проведенных теоретических исследований разработано устройство контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией, что позволяет: минимизировать время закрытого состояния переезда, а, следовательно, и время непроизводственного простоя транспортных средств на ожидание открытия переездадобиться инвариантности времени закрытого состояния переезда к длине рельсовой линии участка приближенияинформировать водителей автотранспортных средств о направлении движения поездов на переездепередавать информацию о состоянии рельсовой линии участка приближения и о правильности функционирования устройств системы управления переездной сигнализацией на ближайшую станцию и в систему АСДКповысить качество обслуживания систем управления переездной сигнализацией.

Разработанное устройство контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией внедрено в существующую систему автоматической переездной сигнализации.

Основные положения работы, выносимые на защиту.

1. Сформулированные принципы управления переездной сигнализацией на основе определения координаты и скорости подвижного состава на участке приближения.

2. Разработанные математические модели, характеризующие участок приближения в трех состояниях (нормальный, шунтовой и контрольный режимы), с учетом неоднородности сопротивления изоляции в зоне переезда.

3. Метод определения координаты и скорости поезда на участке приближения.

4. Методика определения состояний рельсовой линии участка приближения и определения координаты закрытия переезда.

5. Техническая реализация устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией.

Внедрение результатов исследований.

1. Разработанное устройство контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией находится в опытной эксплуатации в составе существующей системы управления на Куйбышевской и Юго-Восточной железных дорогах. Отдельные компоненты системы внедрены в научно-исследовательской лаборатории мониторинга систем автоматики и телемеханики СамИИТа.

2. Разработанные математические модели внедрены в учебный процесс и используются в курсах лекций по дисциплинам «Математическое моделирование», «Автоматика и телемеханика на перегонах» в разделе «Автоматическая переездная сигнализация», а также «Станционные системы автоматики и телемеханики» .

3. Результаты исследований, разработанные методы отбора наиболее информативных признаков, выбора решающих функций использованы при подготовке монографии «Научные основы контроля и диагностирования тепловых дизелей по параметрам рабочих процессов» и учебного пособия «Системы сбора информации на железнодорожном транспорте», имеющего гриф УМО — ж.д.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно — технических семинарах кафедр «Управление эксплуатационной работой станций и узлов», «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» СамИИТа, на Российских и Международных научно-технических конференциях: «Проблема повышения эффективности транспортного комплекса региона» (Пенза, 1997 г.), «Опыт и взаимодействие вузов и железных дорог в научно-техническом прогрессе и подготовке специалистов» (Самара, 1998 г.), «Безопасность транспортных систем» (Самара, 1999 г.), «Безопасность транспортных систем» (Самара, 2000 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 1 патент, 1 продукт интеллектуальной собственности, 1 монография и 1 учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии и приложения. Основное содержание работы изложено на 123 страницах. Диссертация содержит 9 таблиц, 47 рисунков и приложение на 27 страницах. Библиографический список содержит 94 наименования. Общий объем работы — 188 страниц машинописного текста.

Выводы по главе 4.

1. На основе сформулированных требований к системе и программноаппаратной части микропроцессорного устройства непрерывного и дискретного контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией, было реализовано микропроцессорное устройство на базе унифицированных промышленно — выпускаемых аппаратных и программных модулей, сертифицированных для применения в индустриальных условиях. В качестве элементной базы устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией применены модули фирмы Octagon Systems серии MicroPC, а также модули фирмы Lan Automatic в формате MicroPC, и магнитные педали ДМ96, отвечающие требованиям высокой степени надежности, выпускаемых в соответствии с международным стандартом качества ISO 9001, и полностью удовлетворяют жестким эксплуатационным требованиям, предъявляемым к индустриальному оборудованию.

2. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических расчетов, эффективность применения устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией. Различие теоретических и экспериментальных данных не превышает 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенный анализ состояния безопасности и эффективности функционирования существующих систем управления переездной сигнализацией показал, что время ожидания автотранспорта на переезде может достигать 12 минут и более, что приводит к нервозности водителей, нарушениям водителями правил дорожного движения, авариям и, как результат, снижению безопасности. Повышение уровня безопасности на переездах возможно за счет применения профилактических, организационных и технических мер, а также путем создания систем управления переездной сигнализацией, адаптивных к координате и скорости движения составов на участке приближения. Это предполагает исследование и разработку новых устройств контроля координаты и скорости поезда.

2. Разработаны методы функционирования устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией, которые разделяются на: дискретный с использованием кластера дискретных датчиков, например, бесконтактных магнитных педалей, с известным фиксированным расстоянием между ними, и непрерывный, направленный, в основном, на использовании множества информативных признаков и решающих функций, позволяющих приводить многомерное пространство образов состояний к скалярному виду.

3. Разработаны математические модели, характеризующие состояния рельсовой линии участка приближения в трех основных режимах. На основе разработанных математических моделей определены области существования первичных информативных признаков в зависимости от изменения сопротивления изоляции на участке контроля от 1 до 50 Ом-км и в зоне переезда от 0.1 до 50 Ом-км. Установлено, что для контроля координаты и скорости поезда использование отдельных признаков невозможно изза нелинейности характера их изменения. Предложено использовать совокупность признаков: модули напряжения U] и тока I] на входе рельсовой линии.

4. Предложен алгоритм управления переездной сигнализацией с непрерывным контролем координаты и скорости движения поезда, предполагающий выделение рабочего переменного интервала, в течение которого определяется координата и время закрытия переезда в зависимости от характера движения поезда на участке приближения (ускоренное, равномерное, замедленное), и позволяющий фиксировать время закрытого состояния переезда.

5. Разработана методика определения состояний рельсовой линии участка приближения с использованием решающих функций. Выбран и обоснован вид решающих функций на основе полинома Лагерра, позволяющие определить состояния рельсовой линии участка приближения (свободное, исправное, занятое) — обосновано правило разделения пространство образов на классы состоянийопределены и обоснованны показатели классов состояний, позволяющие добиться относительной независимости определения состояния рельсовой линии от сопротивления изоляции участка контроля и переезда. Для оценки погрешности определения состояния рельсовой линии использована формула относительной погрешности. Результаты анализа показали, что максимальная погрешность классификации состояния рельсовой линии участка приближения в нормальном режиме составляет 1.47%, в шунтовом режиме — 1.37%, а в контрольном — 1.1%, при изменении сопротивления изоляции на участке контроля от 1 до 50 Ом-км и в зоне переезда от 0.1 до 50 Ом-км.

6. Разработан метод определения координаты и скорости поезда на участке приближения. Для определения координаты и скорости поезда выбран и обоснован вид и сложность решающей функции, предложено правило.

разделения пространства образов состояний (координаты поезда на участке приближения). Получена решающая функция, позволяющая определить координату и скорость поезда на участке приближения с точностью от 6.9% (30м) в начале участка приближения до 0.1% (0.1м) в зоне переезда.

7. Разработана методика определения координаты закрытия переезда, учитывающая ускорение поезда с любой координаты на участке приближения. Установлено, что эффективно устройство контроля координаты и скорости поезда работает при фактической скорости движения поезда по участку приближения до 70 км/ч (длина рельсовой линии участка приближения 1.5км) и до 100 км/ч (длина рельсовой линии участка приближения 2.5км). Сокращение времени закрытого состояния переезда за счет использования разработанного устройства контроля координаты и скорости, составляет от 2.6 до 1.6 раза (при длине рельсовой линии участка приближения 1.5км) и от 4.3 до 1.7 раз (при длине рельсовой линии участка приближения 2.5км).

8. Разработан алгоритм функционирования устройства управления переездной сигнализацией в зависимости от координаты и скорости • поезда. Предложен вариант технической реализации устройства, в котором окончательное решение на закрытие переезда принимается на основе верификации результатов контроля двух методов: непрерывного и дискретного.

9. Проведены лабораторные и натурные испытания образца устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией, которые подтвердили правильность предложенных методик определения состояния рельсовой линии участка приближения и координаты закрытия переезда и метода контроля координаты поезда на I t участке приближения. Произведена оценка эффективности * разработанного устройства в сравнении с существующими, которая показала, что максимальное время закрытого состояния переезда при использовании разработанного устройства контроля координаты и скорости поезда системы управления переездной сигнализацией не превышает 3.5 минут.

10. Разработанное устройство контроля координаты и скорости поезда по непрерывному методу внедрено в существующую систему управления автоматической переездной сигнализацией, и находится в опытной эксплуатации на Куйбышевской и Юго — Восточной железных дорогах. i I.

151 j.