Устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий для систем интервального управления движением поездов

Актуальность темы

В1 современных условиях эксплуатации железнодорожного транспорта особенно важное значение приобретают вопросы обеспечения безопасности движения’поездов на станциях и перегонах, что обуславливает задачу повышения" надежности функционирования систем интервального управления движением поездов (СИУДП), в которых устройством, достоверно определяющим состояния рельсовых линий участков контроля, являются классификаторы (рельсовые цепи).

Особенностью * работы классификаторов состояний рельсовых линий (KCPJT) является^ то, что они функционируют в условиях разнообразных климатических факторов' и различного рода интенсивных возмущающих воздействий, которые приводят к различного рода отказам функционирования.

По сетевым данным от 15 до 20% всех неисправностей в работе KCPJ1 происходит из-за повышенной проводимости изоляции рельсовых линий (PJ1). В реальных условиях проводимость изоляции изменяется от 0.02 до 10 См/км, при нормативном от 0.02 до 1 См/км, а на некоторых участках максимальная, проводимость изоляции достигает до* 25 — 30 См/км, что приводит к значительным колебаниям уровня сигнала в рельсовых линиях, и, следовательно, неправильной классификации состояний участков контроля, сбоям в работе систем ИУДП. Расходы, вызванные отказами и неустойчивой работой классификаторов состояний рельсовых линий в условиях повышенной проводимости изоляции, в 5 — 8 раз превышают суммарные затраты от повреждений других устройств.

В настоящее время контроль величины проводимости изоляции станционных и перегонных рельсовых линий осуществляется переносным прибором измерения сопротивления балласта (ИСБ-1) с последующим усреднением измеренных значений. Для этого производится серия измерений, через каждые 150 — 200 м, что требует от обслуживающего персонала затрат большого количества времени, а оценка величины проводимости изоляции осуществляется субъективно, что приводит к большим погрешностям в контроле величины проводимости изоляции.

Трудоемкость проведения ручных измерений, субъективность оценки величины проводимости изоляции, исключают системный анализ изменения проводимости, результаты измерений формируют только статистику изменения проводимости изоляции в дискретные промежутки времени, и невозможно осуществить непрерывный мониторинг изменения проводимости изоляции рельсовых линий для последующего принятия решения обслуживающим персоналом по корректировке работы классификаторов состояний рельсовых линий.

В связи с этим вопрос исследования и разработки автоматических устройств контроля проводимости изоляции рельсовых линий, позволяющих:

— повысить точность измерения за счет использования новых методов обработки измеренной информации;

— прогнозировать предотказное состояние КСРЛ из-за влияния изменения величины проводимости изоляции;

— исключить влияние «человеческого фактора» в процессе получения результатов измерения;

— автоматически архивировать измеренные значения;

— информировать обслуживающий персонал о > текущем состоянии и о • предельных значениях проводимости изоляции рельсовых линий для «принятия решений», является важным и не решенным до настоящего времени.

Таким образом, исследование, разработка и внедрение нового класса устройств контроля проводимости изоляции РЛ для систем ИУДП, с повышенной точностью' определения величины проводимости изоляции на участках контроля, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Работа по теме проводилась в рамках хоздоговорных НИР в соответствии с «Программой реализации основных направлений развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена указанием МПС от 04.03.1997 г. № А-276 у) — «Перечнем актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта для разработки их докторантами, аспирантами и сотрудниками ВУЗов отрасли в 2001 — 2002 годах» (утвержден указанием МПС от 17.11.2000 г. № М-2775 у) — «Перечнем основных проблем развития’железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований» (приложение № 1 к указанию МПС России от 26.12. 2002 г. № Я-1272 у) — «Концепцией многоуровневой системы управления и обеспечения' безопасности движения-поездов» (разработанной в V соответствии с указанием МПС от 29.11.2002 г. № 191) — «Концепцией развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики на период 2000 — 2004 гг.» (утвержденной указанием МПС от 06.08.01 № М — 1379 у).

Целью * диссертационной работы является разработка нового класса автоматических устройств контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий с повышенной точностью определения величины проводимости для систем интервального управления движением поездов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе был поставлен комплекс задач:

— проведение анализа современного состояния научно-технической задачи создания автоматического устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовой линии с изолирующими стыками, удовлетворяющего требуемой точности измерений и способного функционировать в жестких эксплуатационных условиях в диапазоне изменения проводимости изоляции 0.02 — 10 См/км;

— разработка математических моделей рельсовых цепей с дискретно-распределенными параметрами с целью определения совокупности информативных признаков, однозначно определяющих состояние проводимости изоляции;

— разработка методики восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков;

— разработка методики оценки коэффициентов чувствительности функции вычислителя при отклонении параметров, элементов КСРЛ от номинальных с целью определения допустимого диапазона изменения относительной погрешности измерения;

— техническая' реализация устройства' контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий для систем ИУДП.

Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной математики и математического программирования, а также проверка полученных результатов в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Теоретические исследования базируются на применении основных положений теории* электрических цепей, теории интервального управления движением поездов, теории чувствительности, теории распознавания образов и теории восстановления функций.

Научная новизна^ работы заключается в развитии теории измерения распределенной проводимости изоляции рельсовых линий и методики создания устройства контроля проводимости изоляции РЛ, позволяющего обеспечить требуемую точность измерения проводимости изоляции.

Основными научными результатами, полученными в работе являются:

— математические модели рельсовых цепей с дискретно-распределенной схемой замещения рельсовой линии в нормальном режиме, дополнительно учитывающие продольную неоднородность рельсовых линий из-за наличия токопроводящих стыков, что позволило исключить погрешность моделирования из-за асимметрии, получить аналитические выражения напряжений и токов на входе и выходе рельсовой линии, формировать совокупность информативных признаков, с помощью которых восстанавливается функция вычислителя проводимости-изоляции с требуемой точностью вычисления.

— метод измерения распределенной проводимости изоляции рельсовой линии функцией вычислителя на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков, позволяющий добиться требуемой точности измерения.

— алгоритм формирования ряда функций вычислителя, представляющих собой полином Колмогорова-Габора для «-мерных образов состояния РЛ, позволяющий адаптивно изменять вид полинома функции вычислителя в зависимости от диапазона изменения проводимости изоляции.

— методика исследования коэффициентов чувствительности функции вычислителя, позволяющая определять диапазон допустимого отклонения величин параметров элементов рельсовых цепей участка контроля, при котором сохраняется требуемая точность, и выявлять элементы, наиболее сильно влияющие на функцию вычислителя.

Практическую ценность работы составляет предложенное и разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовой линии, позволяющее:

— оценивать величину проводимости изоляции, распределенной по всей длине рельсовой линии;

— расширить диапазон правильного определения проводимости изоляции до 10 См/км;

— информировать обслуживающий персонал о превышении величины проводимости изоляции рельсовых линий сверх нормативной;

— повысить объективность и точность результатов измерений.

Разработанное' устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий внедрено в существующую систему интервального управления движением поездов.

Внедрение результатов исследования.

Разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий находится в опытной-эксплуатации в дистанции сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги. Отдельные компоненты устройства (управляемый АЦП) внедрены в научно-исследовательской лаборатории мониторинга систем автоматики и телемеханики. СамГАПСа. Разработанные математические модели, функции вычислителя, внедрены в учебный процесс в СамГАПСе и используются в курсе лекций для студентов специальности 2107.00 по дисциплинам: «Математическое моделирование», «Специзмерения и техническая диагностика в устройствах автоматики и телемеханики».

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1) межвузовской научно-технической конференции с международным участием (Самара, СамИИТ, 1996 г.);

2) международной научно-практической конференции (Оренбург, ОГТУ, 1998 г.);

3) второй международной конференции" молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, СамГТУ, 2001 г.);

4) международной научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Самара, СамГАПС, 2003 г.);

5) международной научно-практической конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, СамГАПС, 2004 г.);

6) региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Самара, Кбш ж.д., 2004 г.).

7) заседаниях научно-технического семинара электротехнического факультета СамИИТа (Самара, 1996;2004 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т. ч. 11 статей, 2 патента, 1 продукт интеллектуальной собственности.

Структура и объемг работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 142 страницах основного текста и содержат 9 таблиц, 47 рисунков и 3 приложения на 31 странице.

Список использованных источников

содержит 77 наименований.

Выводы по главе 4.

1. Разработанная процедура восстановления уравнения вычислителя и принципы построения на основе предложенных структурных схем позволили технически реализовать образец устройства контроля проводимости изоляции с обученной функцией вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора с использованием в качестве информативных признаков амплитуды и фазы сигнала РЦ на выходе РЛ, позволяющий измерять величину проводимости изоляции от 0.02 до 10 См/км и длинах рельсовой линии до 2.5 км.

2. Экспериментальные исследования показали, что использование устройства контроля проводимости изоляции рельсовых линий позволяет повысить точность в 5 раз по сравнению с существующими и относительная погрешность определения величины проводимости изоляции не превышает 0.25%. Устройство в лабораторных условиях показало точность измерения, отличающийся от теоретического не более 10% в диапазоне измерения проводимости изоляции от 0.02 до 10 См/км и длинах рельсовой линии до 2.5 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ причин отказов классификаторов состояний рельсовых линий показал, что до 20% отказов происходит из-за повышенной проводимости изоляции и применяемые в настоящее время принципы контроля проводимости изоляции проблему не решают. Применяемые в настоящее время устройства контроля проводимости изоляции обладают рядом недостатков, существенно ограничивающих их использование. Для повышения точности определения проводимости изоляции предложено устройство в алгоритме функционирования которого используется информация о дополнительных первичных признаках: амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии, а также предварительно «обученной» функции вычислителя проводимости изоляции, что позволило расширить функциональные возможности устройства.

Разработанные универсальные математические модели рельсовых цепей в виде каскадного соединения устройств согласования входа рельсовых линий с источником питания, дискретно-распределенной схемы замещения рельсовых линий и устройств согласования выхода рельсовой линии с нагрузкой позволяют гибко изменять схемы замещения в зависимости от конфигурации рельсовой линии, режимов ее работы и проводить анализ любых видов рельсовых цепей. Математические модели позволили исследовать картину изменения напряжений и токов в любой точке схемы замещения, затухания сигнала протекающего по рельсовой линии. Установлено, что вид используемой схемы замещения рельсовой линии значительно влияет на определение величины электрических параметров на входе и выходе рельсовой линии. Так, в нормальном режиме при использовании равномерно-распределенной схемы замещения по сравнению с дискретно-распределенной, погрешность определения напряжения на выходе РЛ составляет 23%, а его фазы 4.25%, амплитуды тока на входе РЛ — 7.5%, а его фазы — 0.9%, амплитуды напряжения на входе РЛ — 1.4%, ее фазы — 7.5%. Поэтому при анализе и синтезе устройств железнодорожной автоматики и телемеханики рекомендовано использовать дискретно-распределенную схему замещения рельсовой линии. Проведенные исследования позволили обоснованно использовать в качестве информативных признаков амплитуду и фазу напряжения на выходе рельсовой линии. 3. Разработана методика восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий, заключающаяся в том, что на первом этапе производится селекция наиболее информативных признаков, составляющих образы состояний, определяются правила разделения пространства состояний проводимости изоляции на компактные области с центрами — таксонами, на втором этапе восстанавливается функция вычислителя посредством процедуры «обучения» для каждого /-го таксона и строится решающее правило.

Предложенная количественная оценка информативности признаков с использованием формулы относительной погрешности позволяет эффективно оценить информативность комбинации первичных информативных признаков и определить сложность уравнения вычислителя проводимости изоляции. Процедура обучения функции вычислителя с множеством информативных признаков и соответствующими центрами таксонов, посредством решения системы условных уравнений, позволяет учитывать все возможные значения проводимости изоляции и в результате получить функции вычислителя, удовлетворяющие требованиям точности.

4. Разработана методика и исследована параметрическая чувствительность функции вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора при отклонении от номинальных значений модулей и аргументов ограничительного и нагрузочного сопротивлений рельсовых линий. Показано, что при изменении значений ограничительного и нагрузочного сопротивлений до ±10% проводимость изоляции вычислителем определяется с относительной погрешностью, не превышающей = 0.2414% при номинальном значении относительной погрешности 8(я) = 0.24%.

5. Разработанная процедура восстановления уравнения вычислителя, а также принципы построения устройства на основе предложенных схем, позволили технически реализовать образец устройства контроля проводимости изоляции с обученной функцией вычислителя в виде полинома Колмогорова-Габора с использованием в качестве информативных признаков амплитуды и фазы сигнала на выходе рельсовой линии, позволяющий измерять величину проводимости изоляции в диапазоне от 0.02 до 10 См/км, и длинах рельсовой линии участка контроля до 2.5 км.

6. Проведенные лабораторные и натурные испытания образца устройства контроля проводимости изоляции подтвердили правильность предложенных методов восстановления уравнения вычислителя, минимизации сложности функции вычислителя, архитектуры микропроцессорной реализации. Оценка эффективности разработанного устройства в сравнении с существующим показала, что точность определения величины проводимости изоляции разработанного устройства на порядок выше чем у аналога, основная погрешность не превышает 0.24%. Разработанное устройство внедрено в существующий измерительный комплекс электромеханика поста электрической централизации и находится в опытной эксплуатации на Куйбышевской железной дороге.