Разработка дорожной сети передачи данных контроля технического состояния подвижного состава

Устройство преобразования данных (УПД) предназначено для преобразования в стандартный последовательный код (USASCJJ) данным обработки телеметрической информации вычислительным устройством с целью вывода их на цифропечатающее устройство в месте установки УПД или передачи на централизованный пункт контроля. В преобразователе предусмотрен накопитель, способный хранить информацию о четырех буксах на один поезд. Если число перегретых букс больше четырех, то в памяти информация о «теплой» буксе заменяется информацией о «горячей» буксе.

Данные могут передаваться сразу же после прохода поездом участка контроля. При атом УПД может выдать на печать следующую информацию:

- расположение в поезде «теплых» или «горячих» букс с указанием номера вагона и стороны поезда с такой буксой;

указание, по какому признаку обнаружена «теплая» или «горячая» букса;

общее число вагонов контролируемого поезда;

название (или код) станции, перед которой расположено постовое оборудование аппаратуры обнаружения перегретых букс.

Вся указанная информация для большой надежности печатается 3 раза.

2.4 Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE (Франция)

Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE разработана в начале 60-х годов и построена по принципу аппаратуры телеизмерения с выдачей телеметрической информации на самописец [ 4 ]. Основная особенность этой аппаратуры -- измерение абсолютного значения температуры задней стенки корпуса букс и применение в качестве приемника ИК-излучения активного селективного фотодиода, который состоит из пластинки сурьмянистого индия, помещенной в поле постоянного магнита (фотогальваномагнитный эффект). Подобный приемник не требует источников питания (под действием ИК-излучения он сам является источником э.д.с.), практически безынерционен (постоянная времени менее 0,2 мкс) и низкоомный.

В состав напольного оборудования входят считывающие напольные камеры 1, 2. датчик прохода колесных пар 4, укрепленный на рельсе 3, рельсовая цепь наложения 8 (электронная педаль) и электронный блок 5, который размещен на стативе постового оборудования.

На рисунке 5 приведена структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании CSEE.



Рисунок 5 - Структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании CSEE

Благодаря применению в аппаратуре безынерционного приемника ИК-излучения разработчики аппаратуры предусмотрели механическую модуляцию теплового потока частотой 5 кГц. В качестве модулятора используется пластмассовый диск с отверстиями, который приводится во вращение синхронным электродвигателем. Оптическая система, состоящая из двух линз плавикового шпата и тонкой пластинки мышьяковистого индия, совместно с избирательным приемником ИК-излучения образует избирательную систему с высокой пропускной способностью в диапазоне волн от 0,4 до 8 мкм. Малое сопротивление приемника ИК-излучения (R<50 Ом) позволило уйти от традиционного в аппаратуре обнаружения перегретых букс решения и вынести предварительные усилители из напольных камер в постовое оборудование без ухудшения отношения сигнал/шум на выходе приемо-усилительного тракта. Для выравнивания температуры внутренней поверхности диска модулятора с температурой фона (неба) на оптической оси в поле «зрения» приемника ИК-излучения установлено компенсационное сопротивление, через которое проходит регулируемый реостатом ток.

Вспомогательное оборудование напольной камеры объединяет систему обогрева, которая состоит из двух U-образных нагревательных элементов (по 100 Вт каждый) и терморегулятора и узел заслонки, предназначенный для защиты оптической системы от внешних воздействий (пыль, cнег и т. п.). Датчик прохода колесных пар представляет собой высокочастотный транзисторный генератор с разомкнутым магнитопроводом резонансного контура. При появлении в зоне действия датчика (около 30 см) реборды колеса генерация срывается и формируется сигнал прохода колесной пары. Датчик, построенный на таком принципе, позволяет формировать сигнал прохода колес при скорости движения поезда 0--200 км/ч.

Рельсовая цепь наложения работает на частоте 8,7 кГц и предназначена для своевременного открытия заслонок и запуска двигателей модуляторов напольных камер при подходе поезда к участку контроля.

Предварительные усилители 6, 7 постового оборудования соединены с напольными камерами коаксиальным кабелем. С выходов предварительных усилителей тепловые сигналы поступают на регулируемые аттенюаторы 9, которые выравнивают чувствительность приемников ИК излучения обеих камер.

В блоке аттенюаторов происходит и температурная компенсация, необходимость в которой объясняется как теплотехническими характеристиками буксовых узлов, так и применением в аппаратуре избирательного приемника ИК-излучения.

В блоке запоминающих устройств 10 происходит преобразование тепловых сигналов переменной длительности и амплитуды в прямоугольные импульсы постоянной длительности (фi=17 мсек) с амплитудой, пропорциональной температуре поверхности буксы. Сигналы управления формируются блоком 13.

Сформированные в блоках 10, 13 импульсы передаются телеграфным передатчиком 11 на трех частотах: 2580, 2460 и 2700 Гц. Первая частот выполняет функции управления, а вторая и третья используются для передачи с помощью амплитудной модуляции значений амплитуд тепловых сигналов соответственно левой и правой стороны поезда.

В приемнике станционного оборудования 16 происходит разделение по частоте принимаемых АМ-сигналов, их детектирование. Импульсы постоянной длительности и с амплитудой, пропорциональной температуре буксы, записываются на бумажную ленту двухдорожечного самопишущего регистратора 18, управляемого устройством 19.

Параллельно с регистратором эти же импульсы поступают в блок автоматической сигнализации 20, который по признаку абсолютного значения амплитуды теплового сигнала или по разности амплитуд двух сигналов букс одной колесной пары определяет в составе перегретую буксу.

Служебная телефонная связь в аппаратуре организуется с помощью режекторно-полосовых фильтров 12, 15, к которым подключаются телефонные аппараты 14, 17.

Французская компания CSEE провела доработку модели аппаратуры обнаружения перегретых букс, и внесла значительные изменения в структурные, принципиальные схемы и конструкцию аппаратуры. Изменения в структурном построении аппаратуры на рисунке 5 (новые функциональные блоки заштрихованы).

В состав оборудования введены путевые педали 24 и 25, датчик температуры наружного воздуха 22, релейный блок 21 и указатель перегретых букс 23. Наряду с этим модернизированы считывающие устройства 1, 2, путевая педаль, аппаратура переда«и данных (передатчик 11, канальные фильтры 12, 15); приемник 16, самописец 18.

Применение двух дополнительных педалей 24 и 25 позволило выполнить схему исключения из контроля локомотивов и схему контроля направления движения поезда. Изменена схема управления заслонкой напольной камеры. Если по какой-либо причине поезд останавливается на участке контроля, то спустя 40--60 с после его остановки заслонки напольных камер закрываются. В аппаратуре повышена достоверность передачи телеметрической информации. Это достигнуто применением частотной модуляции.

Для увеличения отношения сигнал/шум в напольную камеру введен предварительный усилитель.

2.5 Аппаратура обнаружения перегретых букс компании Hawker siddeley dunamies engineering (Англия)

Аппаратура компании НSDE построена на принципах аппаратуры телесигнализации [ 5 ]. Вся первичная телеметрическая информация обрабатывается постовым оборудованием, а на регистрирующее оборудование поступает лишь информация о целеуказании.

В аппаратуре реализован метод относительного определения температуры корпуса буксы.

В состав напольного оборудования (рисунок 6) входят считывающие устройства (напольные камеры 1, 2) и датчики прохода колес 3, 4.

Напольная камера состоит из приемной капсулы с оптической системой, приемником ИК-излучения и предварительным усилителем тепловых сигналов, устройства обогрева и механизма заслонки. Все оборудование напольной камеры размещено в литом металлическом корпусе с герметично закрывающейся крышкой. Напольные камеры монтируются на специальных фундаментах, установленных в призму железнодорожного полотна.

Датчики прохода колес, действующие на электромагнитном принципе, размещаются попарно на специальной металлической плите-платформе, которая устанавливается у рельса с внутренней стороны пути. Такое размещение датчиков способствует более точной фиксации времени контроля одной буксы. Задняя стенка корпуса буксы сканируется под углом 45° к горизонту.

В постовое оборудование входят импульсные усилители 5, 6 и блок обработки телеметрической информации 7.

Рисунок 6 - Структурная схема аппаратуры обнаружения перегретых букс компании HSDE

Усилителями выполняется операция стробирования, исключающая попадание в обработку паразитных сигналов от других нагретых деталей поезда.

Блоком обработки телеметрической информации запоминаются амплитуды сигналов двух букс одной колесной пары, по которым после прохода колесом второго (по ходу движения поезда) датчика прохода колес принимается решение о техническом состоянии буксы. При принятии решения, помимо признака «амплитуда сигнала», формируется признак «сумма амплитуд сигналов» букс одной колесной пары. Последний признак способствует уменьшению ложных показаний при контроле букс с подшипниками качения. Результат обработки телеметрической информации кодируется четырьмя уровнями амплитуды импульсного сигнала и передается к станционному оборудованию по двухпроводной линии связи. На каждую проконтролированную буксу передается импульс, 4 уровня которого означают: 1-й - колесо без нагретой буксы; 2-й - перегретая букса слева; 3-й - перегретая букса справа; 4-й - обе буксы колесной пары перегреты.

Непосредственная передача импульсных сигналов ограничивает дальность передачи, которая не должна превышать 5 км.

В станционное оборудование входит регистратор 8 и телефонный аппарат 10 От импульсов прохода колес начинают работать 4 механических счетчика осей регистратора. По сигналу первой перегретой буксы останавливается первый счетчик, по сигналу второй перегретой буксы - второй счетчик, по сигналу третьей перегретой буксы - третий счетчик. При этом соответствующей лампочкой указывается сторона поезда, на которой обнаружена перегретая букса.

Документальная запись результатов контроля при такой форме регистрации отсутствует, что создает эксплуатационные неудобства.

Служебная связь организуется по отдельной физической цепи с применением аппаратов 9, 10.

2.6 Выбор технических средств передачи аналоговых телеметрических сигналов

Аналоговые телеметрические сигналы передаются в системах контроля технического состояния поездов, которые построены по принципу систем телеизмерения [ 5 ]. В этом случае устройства передачи аналоговых сигналов обеспечивают передачу информации от места ее зарождения (постовое оборудование) до станции, на которой расположено станционное оборудование. При этом передаваемые сообщения представляют собой последовательность нормированных по длительности импульсных сигналов, амплитуда которых может изменяться в широких пределах. В то же время в системах контроля букс, построенных по принципу систем ТИ, имеется необходимость передавать различного рода управляющие сигналы. К числу таких, сигналов относятся сигналы счета осей, вагонов, сигнал наличия поезда на участке контроля и т. п.

Аппаратура передачи аналоговых телеметрических и управляющих сигналов систем контроля букс строится, как правило, по принципу аппаратуры многоканальной телефонной связи с частотным разделением каналов.

К аппаратуре передачи аналоговых телеметрических сигналов относится аппаратура французской компании CSEE (рисунок 7). Аппаратура содержит 3 идентичных разделенных по частоте канала передачи сообщений, в которых для передачи применена амплитудная модуляция с несущими частотами 2460, 2580 и 2700 Гц. Как видно из приведенного ряда, несущие частоты отстоят друг от друга на 120 Гц. Первый и третий каналы используются для передачи нормированных тепловых сигналов от букс. По второму каналу передается сигнал наличия поезда на участке контроля. Этот же сигнал используется для контроля состояния двухпроводной физической цепи, соединяющей передающее и приемное оборудование.

Распределение спектра частот во французской аппаратуре передачи сообщений показано на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структурная схема аппаратуры передачи аналоговых сигналов фирмы CSEE (Франция)

Информационные сигналы и служебный телефонный разговор разделяются вилкой фильтров, состоящей из полосового ПФ (от 2400 до 2760 Гц) и режекторного ЗФ, настроенного на несущую частоту среднего канала (2580 Гц) фильтров. Для поддержания требующейся в аппаратуре диаграммы уровней на передающем конце предусмотрен групповой усилитель ГУс, который одновременно усиливает информационные сигналы всех трех каналов. В каждом индивидуальном канале имеется генератор соответствующей несущей частоты Г, преобразователь (модулятор) сигналов М. и полосовой канальный фильтр ФП. На приемном конце в каждом канале, кроме полосового фильтра ФПр, имеется индивидуальный усилитель Ус, который компенсирует затухание линии связи, демодулятор ДМ и фильтр нижних частот ФНЧ, выделяющий полезные продукты преобразования из демодулировашюго сигнала.

В исходном состоянии на вход второго канала подается постоянное напряжение (отсутствие поезда на участке контроля), которое обеспечивает передачу в линию колебания частотой 2580 Гц. После демодуляции этого сигнала на выходе второго канала образуется постоянное напряжение, которое держит под током реле-повторитель. Через замкнутые контакты этого реле проходит цепь оптической сигнализации исправности линии связи, а через разомкнутые контакты этого реле - цепь питания двигателя регистрирующего устройства (самописца). При появлении на участке контроля поезда шунтируется рельсовая цепь наложения, отпускает реле-повторитель на приемном конце аппаратуры, после чего включается питание двигателя самописца. С этого момента аппаратура контроля готова к работе, т. е. может регистрировать тепловые сигналы при их поступлении на входы соответствующих каналов. После ухода поезда с участка контроля снова срабатывает реле-повторитель, и схема аппаратуры возвращается в исходное состояние. Исключение режекторным фильтром части тонального спектра из сигнала служебного телефонного разговора практически не сказывается на разборчивости речи.

Для передачи телеметрических сигналов и сигналов управления в американских системах контроля букс компании Servo Corporation of America используется многоцелевая аппаратура передачи телеметрических сигналов. Аппаратура «набирается» из типовых индивидуальных каналов, несущие частоты которых расположены через 170 Гц, начиная от 935 до 12495 Гц.

Для передачи телеметрических сигналов и сигналов управления в аппаратуре контроля букс используются любые 4 канала (рисунок 8). Как и во французской аппаратуре, здесь применено частотное разделение каналов. Имеются принадлежащая каждому каналу индивидуальная часть на передаче и приеме, а также групповые устройства, через которые проходят сигналы всех каналов.

Аппаратура универсальна в том отношении, что может быть использована как для передачи аналоговых сигналов, так и для передачи дискретных сигналов. При передаче аналоговых сигналов в аппаратуре предусмотрено двойное преобразование телеметрических сигналов. При передаче дискретных сигналов или сигналов управления систем контроля букс в аппаратуре переключателем П устанавливается режим одинарного преобразования сигналов. Как видно из рисунка, первый и второй каналы использованы для передачи телеметрических сигналов букс левой и правой сторон поезда (переключатели П в нижнем положении), по третьему каналу передаются сигналы счета осей, а по четвертому -- сигнал наличия поезда на участке контроля.

Рисунок 8 - Структурная схема аппаратуры передачи аналоговых сигналов фирмы Servo Corporation of America

При передаче аналоговых сигналов на вход подаются колоколообразные сигналы, амплитуды которых пропорциональны температуре контролируемых букс. Далее эти сигналы преобразователем П АИМ-ШИМ преобразуются в широтно-импульсные, у которых длительность импульса пропорциональна амплитуде поступившего на вход преобразователя сигнала, и поступают на следующую ступень преобразования, где они преобразуются в частотно-модулированные сигналы. Таким образом, на первой ступени преобразования АИМ-сигналы преобразуются в сигналы ШИМ, которые затем преобразуются в ЧМ-сигналы. На приемном конце происходят обратные преобразования сигналов. Так, выделенный канальным фильтром ФПр ЧМ-сигнал проходит через ограничитель амплитуд ОА и поступает на частотный дискриминатор, на выходе которого получается ШИМ-сигнал. Последний подается на преобразователь П ШИМ-АИМ, на выходе которого имеем колоколообразный сигнал, с точностью до погрешности повторяющий переданный. Такой метод передачи сигналов обладает высокой по сравнению с методом AM помехоустойчивостью, т. е. позволяет передать сигнал с меньшей относительной погрешностью. При передаче сигналов счета осей (третий канал) или сигнала наличия поезда (четвертый канал) входные сигналы, представляющие собой последовательность прямоугольных импульсов (сигналы счета осей) или перепад напряжения (сигнал наличия поезда), минуя преобразователи П АИМ-ШИМ, сразу поступают на частотные модуляторы.

3. Эксплуатационно-техническая часть

3.1 Основные требования к аппаратуре связи в системах контроля букс поездов

Работа современных систем контроля букс (технического состояния поездов) в пути следования связана с необходимостью передачи, приема и обработки значительных объемов информации [ 6 ]. Аппаратура связи систем автоматического контроля букс призвана обеспечить заблаговременное извещение работников линейных пунктов о состоянии буксовых узлов прибывающего поезда с тем, чтобы своевременно выполнить операции по приему поезда на станцию, организовать осмотр и ремонт неисправных букс с минимальной затратой времени.

Задачи аппаратуры связи в системах контроля поездов, принципы ее построения определяются структурой этих систем. Варианты принципов построения систем контроля букс отличаются расположением устройств обработки телеметрической информации по отношению к каналу связи.

Рисунок 9 - Принципы построения аппаратуры автоматического контроля букс

В первом варианте (рисунок 9 а) телеметрическая информация в виде сообщения с датчиков контроля Д после предварительной обработки (нормирования) поступает на вход передатчиков П многоканальной аппаратуры передачи сообщения (АПС) и далее через линию связи и приемник Пp АПС -- на устройство обработки информации УОИ, откуда данные контроля выдаются на регистратор. Во втором варианте (рисунок 9б) вся телеметрическая информация обрабатывается в непосредственной близости от места ее зарождения. С выхода устройства обработки информации данные контроля через передатчик и приемник аппаратуры передачи данных выдаются на регистратор. В случае, когда система контроля строится по принципу системы ТИ, с помощью аппаратуры связи ведется передача и прием телеметрических сигналов, т. е. непрерывного ряда значений измеряемой физической величины (температуры буксы, неровности колеса и др.), а также сигналов управления (наличие на участке контроля поезда, отметка оси, вагона и др.). Источниками сообщений в таких системах являются различные датчики, которые преобразуют контролируемые физические величины в электрические сигналы. При построении системы по принципу системы ТС с помощью аппаратуры связи в кодовом виде передаются данные о состоянии и месте расположения в поезде неисправного контролируемого объекта. В таких системах источником сообщений является устройство обработки информации, которое хранит набор возможных кодовых комбинаций или программ управлений. Таким образом, сообщения, передаваемые в системах контроля поездов, должны иметь дискретный и непрерывный характер.

Аппаратура связи в системах контроля технического состояния поездов должна быть универсальной и обеспечивать передачу информации не только о состоянии букс, но также и других объектов контроля (колес, габарита и пр.).

Сообщения, подлежащие передаче при построении сиcтемы контроля по принципу системы ТИ, и их характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики основных сообщений, подлежащих передаче в системах ТИ

Объект контроля	Измеряемая физическая величина	Предел измерения физических параметров	Допустимая погрешность передачи, %	Ширина спектра
Буксовый узел	Температура элементов корпуса буксы	0-80 °С	5	80
Буксовый узел	Температура элементов колесной пары	0-80 °С	5	100
Колесная пара	Динамическая сила действия колеса на рельс	5-50 т	5	200
Колесная пара	Ускорение в рельсе от взаимодействия с колесом	15-200 g	5	500
Вагон	Наличие волочащейся детали	Есть- нет	-	3
Колесная пара	Наличие колесной пары в заданной точке пути	Есть- нет	-	700
Физически подвижная единица	Наличие подвижной единицы в зоне контроля	Есть- нет	-	3
Поезд	Наличие поезда на участке контроля	Есть- нет	-	3

Как следует из анализа данных, приведенных в таблице 1, сообщения, подлежащие передаче в системах ТИ, значительно отличаются по динамическому диапазону и спектральным характеристикам. Это создает определенные трудности при проектировании аппаратуры связи, предназначенной для передачи данных контроля. С целью упрощения аппаратуры связи, унификации ее оборудования практически во всех системах контроля технического состояния поездов сообщения, подлежащие передаче подвергаются предварительной обработке, в ходе которой они нормируются (например, приводятся к одинаковой длительности).

В системах, построенных по принципу систем ТС, информация передается в кодовом виде. Для определения основных требований к аппаратуре передачи данных .этих систем будем исходить из макета подлежащих передаче данных, который приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Состав макета данных, подлежащих передаче в системах ТС

Вид информации	Число десятичных знаков	Максимальное число	Число двоичных разрядов	Примечание
Номер поезда	4	9999	16/28
Время контроля	4	23-59	13/28
Номер вагона	3	199	9/21	передаются на каждую
Сторона поезда	1	1	1/7	обнаруженную неисправность
Контрольная программа	1	1	1/7

Число двоичных разрядов, необходимых для передачи всех видов информации, рассчитано для случая неравномерного кодирования (числитель) и равномерного кодирования с передачей каждого знака 5-элементным кодом стартстопным методом (знаменатель).

Средний объем данных (в бит), который необходимо передавать при контроле поездов [ 6 ]:

( 1 )

где Nпп - объем постоянной части передаваемого макета данных, бит;

Nд - объем информации о вероятных дефектах;

Nб - число букс в поезде;

Pпер - вероятность появления в макете данных сигнала о буксе, информацию о которой необходимо передать, т. е. вероятность появления сигнала, превышающего заданный порог настройки аппаратуры.

Вероятность появления сигнала, превышающего заданный порог:

( 2 )

где Pн, Рп -- соответственно вероятности попадания в макет данных сигналов нормально греющихся и перегретых букс.

При заданном пороге обнаружения перегретых букс Тко вероятности попадания в макет данных сигналов от нормально греющихся и перегретых букс:

( 3 )

( 4 )

где W11(Тк), W12(Тк) - функции распределений плотностей вероятностей приращений температуры корпуса нормально греющихся и перегретых букс.

В соответствии с макетом данных таблице 2, Nпп =30, а Nд =10. На рисунке 10 показаны рассчитанные по формулам ( 1 ), ( 2 ), ( 3 ) вероятности появления неисправностей при контроле букс, информацию о которых необходимо передавать.

Рисунок 10 - Вероятность попадания в макет данных из множества нормально греющихся букс (1), перегретых (2), суммарного(3)

Пользуясь этими данными, по формуле ( 1 ) вычислим зависимости Ncp = f(Тк) для поездов, содержащих соответственно 400, 800 и 1600 букс (приблизительно 50, 100 и 200 вагонов). Результаты расчетов, выполненные для случая неравномерного кодирования, приведены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Средние и максимальные объемы данных, подлежащие передаче при автономных режимах работы аппаратуры контроля букс: 1-Nб =400; 2-Nб=800; 3 - Nб = 1600

Полученные кривые (сплошные линии) характеризуют средние объемы данных, подлежащих передаче. В то же время для определения требуемой скорости передачи данных необходимо располагать сведениями о максимальных объемах данных, подлежащих передаче.

Максимальный объем данных:

( 5 )

где Кбmax -- максимальное число букс в составе, информацию о которых необходимо передавать.

Максимальным числом букс Кбmax будем считать такое число, которое может появиться в составе с вероятностью Рк(Nб)?. Вероятность того, что в поезде, содержащем Nq букс, имеется Nб букс с сигналами, превышающими заданный порог:

( 6 )

Задаваясь Рк(Nб) ? 5·10-5, получим максимальное число букс Кбmax в поезде, информацию о которых потребуется передавать. Результаты расчетов, выполненных по формуле ( 5 ), приведены на рисунке 11 (штриховые линии). Анализ кривых показывает, что при высоких порогах настройки аппаратуры (Тко>18°С) результаты расчетов по формулам ( 1 ) и ( 5 ) не отличаются друг от друга, т. е. средние объемы подлежащих передаче данных становятся равными максимальным объемам. При линейном уменьшении порогового значения объем информации растет по закону, близкому к экспоненциальному.

Таким образом, в зависимости от выбранного порогового значения Тко, которое зависит от конкретных эксплуатационных условий, объем информации о техническом состоянии поезда может отклоняться почти на 2 порядка. При ручной обработке данных контроля этот объем не должен превышать 150--200 бит, что при неравномерном кодировании позволяет получить информацию о месте расположения в поезде десяти «больных» вагонов. В случае применения равномерного кодирования и стартстопного метода передачи данных объем подлежащих передаче двоичных разрядов возрастет примерно в 3 раза.

Для того чтобы рассчитанные объемы данных передать станционному обслуживающему персоналу, необходимо выбрать такую скорость передачи, которая обеспечила бы за время хода от постового оборудования до предвходного сигнала прием данных контроля, извещение дежурного по станции о необходимости остановки поезда (в случае обнаружения в нем перегретых букс) и выполнение всех операций, связанных с остановкой поезда в пределах станций.

В аппаратуре контроля букс, построенной по принципу аппаратуры ТС, передачу данных можно начать после окончания процедуры контроля или во время контроля по мере обнаружения перегретых букс. В первом случае максимальное время, затрачиваемое на передачу данных:

( 7 )

где Lmin - минимально допустимое удаление постового оборудования от входного сигнала, км /ч

lп - длина поезда, км;

Vmax - максимальная скорость движения поезда по участку, км/ч;

t1 - время выполнения операций по изменению порядка приема поезда (t1?0,01 ч=0,6 мин).

Результаты расчетов, выполненные по формуле ( 7 ) для различных значений Lmin, показаны на рисунке 12.

Рисунок 12 - Максимально возможное время, которое можно затратить на передачу информации в зависимости от скорости движения поезда и удаления постового оборудования

Анализ кривых показывает, что при высокой скорости движения поезда по участку контроля (V? 100 км/ч) на передачу данных может быть затрачено не более 20с.

В таблице 3 показано время, необходимое для передачи заданного объема информации (в битах) при различных скоростях передачи.

Таблица 3 - Длительность передачи данных

Объем передачи,бит	Длительность передачи, с при скорости, бит
	50	100	200	600	1200
15000	450	225	110	36	18
7000	210	105	57	19	9,5
2500	75	37	18	6	3
1300	40	20	10	3,3	1,6
500	15	7,5	3,7	1,5	0,6
200	10	3	1	0,6	0,25

Как следует из приведенной таблицы, необходимый для нормального функционирования системы контроля букс объем данных (200--500 бит в зависимости от принятого в аппаратуре передачи данных способа кодирования) может быть передан со скоростью 50 Бод.

Если передача данных в системе контроля букс начинается во время их контроля (по мере обнаружения перегретых букс), то время, лимитирующее скорость передачи данных, определяется временем контроля одного вагона. За это время необходимо успеть передать данные контроля предыдущего вагона. При неравномерном кодировании объем этих данных составляет Nд =10 бит (см. таблицу 3,), а при равномерном - Nд = 28 бит. Время контроля одного вагона при высокой скорости движения поезда колеблется в пределах 350--400 мс. Очевидно, что за это время со скоростью передачи 50 Бод можно успеть передать данные контроля одного вагона только при неравномерном кодировании.

В случае равномерного кодирования необходимый объем данных может быть передан при скорости передачи B>=100 Бод. Для передачи данных со скоростью 50 Бод в аппаратуре передачи данных должен быть предусмотрен буферный накопитель, согласующий скорости поступления и передачи данных. Допустимую достоверность передачи данных оценим исходя из предположения, что искажение любой элементарной посылки в сообщении приводит к принятию ошибочного решения. Так как в реальных системах контроля букс не каждое искажение посылки в сообщении приводит к принятию аппаратурой контроля ошибочного решения, то полученную таким образом оценку допустимой достоверности передачи можно считать завышенной. Если вероятность искажения элементарной посылки равна Ри, а среднее число элементарных посылок в сообщении, определенное по формуле ( 1 ), равно Nср, то вероятность возникновения ошибки в сообщении при его передаче:

( 8 )

Все множество контролируемых букс Б делится на два подмножества (класса):нормально греющихся (Н) и перегретых (П) букс. Если априорную вероятность появления нормально греющейся буксы (класса Н) обозначить Р(Н), вероятность появления перегретой буксы (класса П) обозначить Р(П), а вероятность правильного отнесения нормально греющихся букс к классу нормально греющихся букс Р(Н/Н) и вероятность правильного отнесения перегретой буксы к классу перегретых букс Р(П/П), то вероятность правильной классификации букс:

( 9 )

Однако в практике аппаратурного контроля букс информативность признака принято характеризовать вероятностью ошибки при классификации букс. Если считать, что вероятности правильного и неправильного отнесения нормально греющихся (перегретых) букс к классу нормально греющихся (перегретых) букс образуют полную совокупность событий, то вероятность ошибки при автоматическом распознании греющихся букс:

( 10 )

Вероятность (1-Р(Н/Н)) принято называть вероятностью “ложной тревоги” Рлт, т.е. вероятностью ошибочного отнесения нормально греющейся буксы к классу перегретых букс, а вероятность (1-Р(П/П)) - вероятностью пропуска перегретой буксы, или вероятностью ошибочного отнесения перегретой буксы к классу нормально греющихся букс. В этом случае:

( 11 )

Потребуем, чтобы вероятность ошибки при передаче была хотя бы на порядок меньше вероятности ошибки при распознавании греющихся букс Рош, вычисленной по формуле ( 11 ), т. е. потребуем выполнения условия:

( 12 )

Из ( 12 ) получим выражение для определения допустимой вероятности искажения элементарной посылки:

( 13 )

Вероятность принятия ошибочного решения в поезде, состоящем из 50 вагонов, Рош? 1М10-1. Если задаться значением Nср =200 бит, то при передаче данных контроля поезда допустимая вероятность искажения элементарной посылки может быть Ри?1М10-5.

При организации систем централизованного контроля букс, в которых данные контроля со всех линейных пунктов контроля обрабатываются аппаратурой центрального пункта контроля, объем передаваемых данных возрастает в 5--10 раз при одновременном сокращении допустимого времени передачи. Результаты расчетов, выполненных по аналогичной методике, показали, что требуемые для нормального функционирования системы контроля данных должны передаваться в центральный пункт со скоростью 600 -- 1200 Бод. При этом необходимо обеспечить вероятность ошибки по элементу Ри?1М10-5.

3.2 Выбор элементов контроля технического состояния буксовых узлов

Задача обнаружения перегретых букс методом улавливания инфракрасной энергии излучения от элементов колесной пары или корпуса буксового узла осложняется тем, что основная зона тепловыделения буксового узла (подшипник-шейка оси) недоступна для прямого контроля, а измеряемый параметр лишь косвенно может характеризовать степень нагрева шейки оси [ 4 ]. В связи с этим вероятность правильной оценки состояния контролируемой буксы зависит от связи между измеряемым параметром и истинным ее состоянием. Вероятность правильного обнаружения перегретой буксы будет тем выше, чем больше коэффициент связи между температурой шейки оси и температурой измеряемого элемента колесной пары или корпуса буксового узла.

В то же время должна приниматься во внимание возможность технической реализации аппаратуры для контроля различных элементов корпуса буксового узла или колесной пары.

В процессе работы буксового узла тепло от подшипника передается на корпус буксы и температура контролируемой зоны (задней стенки корпуса) возрастает. Значение температуры корпуса буксы определяется температурой шейки оси, температурой наружного воздуха и скоростью движения поезда (рисунок 13 ).

Например, при увеличении скорости движения поезда и недостаточном подводе смазки значение превышения температуры корпуса буксы над температурой наружного воздуха Ткб несколько снизится, а значение превышения температуры шейки

оси над температурой наружного воздуха Тшо начинает возрастать. При увеличении скорости движения поезда на 65-й минуте Тшо резко увеличивается, а значение Ткб начинает уменьшаться и, наоборот, после снижения скорости движения поезда на 35-й минуте значение Ткб начинает возрастать при одновременном уменьшении Тшо.

Рисунок 13 - Графики изменения температуры шейки оси и корпуса неисправной буксы

Таким образом, снижение значения Ткб при увеличении скорости движения поезда и возрастании Тшо происходит вследствие охлаждения корпуса буксового узла встречным потоком воздуха. Когда скорость поезда снижается, уменьшается теплоотдача буксового узла и значение Ткб возрастает. При неплотном прилегании крышки буксового узла встречный поток воздуха попадает в корпус буксы и дополнительно охлаждает его заднюю стенку. Этот фактор влияет на значение Ткб, когда при большой скорости движения поезда крышка буксового узла кратковременно приоткрывается в момент прохода колесом рельсовых стыков. Большое влияние на значение Ткб оказывают нагрев корпуса буксового узла за счет солнечной радиации, термическое сопротивление его при передаче тепла от подшипника к корпусу, наличие влаги на поверхности буксы и др. С учетом влияния отдельных мешающих факторов распределение плотностей вероятностей реальных значений превышения температуры Ткб нормальных (кривая 1) и перегретых (кривая 2) букс с подшипниками скольжения показано на рисунке 14.

Рисунок 14 - Распределение значений Ткб для букс с подшипниками скольжения

Множества значений Ткб для нормально работающих и перегретых букс имеют зону пересечения. Это говорит о невозможности безошибочного распознавания перегретых букс по значению Ткб. Действительно, если выбрать в качестве критерия распознавания определенное значение Ткб, например 20°С, то определенное количество перегретых букс, Ткб которых ниже этого значения, будет не обнаружено и, наоборот, определенное количество нормально работающих букс, Ткб которых выше 20°С, будет принято за перегретые.

На рисунке 15 приведена зависимости температуры корпусов перегретых букс от температуры наружного воздуха.

Рисунок 15 - Зависимости температуры корпусов перегретых букс от температуры наружного воздуха

Среднее значение Ткб нормально работающих букс незначительно меняется при изменении температуры наружного воздуха и при установившемся режиме теплообмена равно 10--15°С. Среднее значение Ткб для перегретых букс в зависимости от температуры наружного воздуха изменяется значительно. Так, значение Ткб для корпусов перегретых букс с подшипниками скольжения может изменяться для одной и той же температуры шейки оси, например +100°С, в диапазоне температур наружного воздуха от -40до +40°С от 5 до 62°С (рисунок 15, кривая 2).

3.3 Анализ спектральных характеристик объектов контроля

Основой построения аппаратуры контроля буксовых узлов является измерение энергии излучения корпуса буксового узла [ 5 ]. Каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Тела, полностью поглощающие падающий на них лучистый поток и обладающие максимальной излучаемостью, называются абсолютно черными телами. Излучение черного тела полностью определяется его температурой.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела

Е является функцией длины волны л и температуры Т. В соответствии с законом Планка спектральная плотность излучения черного тела для длин волн от л до d л определяется по формуле:

( 14 )

где С1 и С2 -- константы, равные соответственно 3,74·104 Вт?см-2?мкм4 и 1,438-104 мкм ·град.

Максимум плотности излучения по мере возрастания температуры тела перемещается в область коротких волн (рисунок 16).

Рисунок 16 - График энергетического спектрального излучения черного тела

По закону Вина длина волны (в мкм), соответствующая максимуму излучения, определяется по формуле:

( 15 )

Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80°С, максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн от 11 до 8 мкм. Поскольку при длинах волн меньше лmах плотность излучения быстро падает и основная ее часть приводится на длины волн более лmах то наибольшее количество энергии излучения букс находится в диапазоне от 5 до 15 мкм. Эти значения длин волн должны учитываться при выборе приемника излучения (датчика) для аппаратуры контроля букс. Однако плотность излучения Солнца (на рисунке она показана в безразмерных величинах) имеет максимум при длине волны около 0,5 мкм и очень малая ее часть приходится на длины волн более 5 мкм. Поэтому для защиты аппаратуры контроля от влияний отраженной солнечной энергии приемник излучения должен иметь заградительные фильтры для длин волн короче 5 мкм.

Излучение, воспринимаемое приемником аппаратуры контроля от корпуса буксы, с определенным коэффициентом передачи пропорционально полной плотности излучения буксы Wб. Полная плотность излучения абсолютно черного тела Wчт (интегральная) определяется законом Стефана-Больцмана. При интегрировании во всем диапазоне волн от л = 0 до л = ? получаем:

( 16 )

( 17 )

где у = 5,67· 10-12 Вт/см2·град4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Поскольку в природе не существует абсолютно черных тел, то все реальные тела называются нечерными и делятся на тела с селективным и серым излучением. Излучательные способности серых тел, к которым относятся и буксы, характеризуются степенью черноты е, показывающей, во сколько раз полная плотность излучения данного тела меньше полной плотности излучения абсолютно черного тела. С учетом е выражение ( 17 ) принимает вид:

( 18 )

Для корпусов букс значение е равно примерно 0,85 -- 0,95. Изменение степени черноты букс вносит дополнительные погрешности в измерение ДТкб, а следовательно, приводит к ошибкам в распознавании перегретых букс по выбранному параметру контроля.

При выборе метода контроля букс по температуре их корпусов важным моментом является постоянство выходного сигнала приемника излучения при контроле букс с одинаковой температурой шейки оси (критерий аварийности) во всем диапазоне изменений температуры наружного воздуха. Если с помощью приемника излучения измерять значение Wт, то при изменении температуры наружного воздуха сигнал на выходе приемника будет изменяться пропорционально изменению Wт. А это значит, что при контроле букс с одинаковым критерием аварийности в диапазоне температур наружного воздуха от -40 до +40°С сигнал на выходе приемника будет изменяться почти в 2 раза (рисунок 17 , кривая 1).

Рисунок 17 - Графики изменения плотности излучения корпусов букс

Произвести оценку состояния буксы по такому сигналу сложно.

Поэтому в аппаратуре контроля букс Wт измеряют с учетом температуры наружного воздуха. Суть этого метода в том, что с помощью приемника излучения измеряется превышение полной плотности излучения корпуса буксы над полной плотностью излучения тела с температурой наружного воздуха (рама вагона, температура которой примерно равна температуре наружного воздуха). В этом случае полная плотность излучения, передаваемая с определенным коэффициентом к приемнику, может быть рассчитана по формуле:

( 19 )

где ДТкб -- температура корпуса буксы, °К; ДТнв - температура наружного воздуха, °К.

Как видно на рисунке 17 воспринимаемое приемником излучение изменяется незначительно во всем диапазоне температура наружного воздуха ( кривая 2).

4.Техническая часть

4.1 Основные функции АСК ПС

Автоматизированная система контроля подвижного состава (АСК ПС) предназначена для централизованного контроля нагрева роликовых буксовых узлов подвижного состава по показаниям установок ДИСК-Б, комплекса технических средств модернизации аппаратуры ДИСК (КТСМ), установленных в пределах Гомельского отделения железной дороги [ 11 ].

Контроль осуществляется оператором центрального поста контроля, размещенного в здании Гомельского отделения железной дороги на основании информации, поступающей от устройств контроля на средства регистрации и отображения информации автоматизированного рабочего места оператора АСК ПС .

В условиях нормального функционирования средств системы АСК ПС, аппаратуры ДИСК-Б, КТСМ автоматизируются следующие функции оператора АСК ПС центрального поста контроля:

- учет показаний аппаратуры контроля перегрева буксовых узлов вагонов;

- учет результатов осмотра вагонов по показаниям аппаратуры ДИСК, КТСМ;

- принятие решения о необходимости остановки поезда для осмотра букс подвижного состава с неаварийным уровнем нагрева при повторяющихся показаниях.

Дополнительно к основным функциям средства системы АСК ПС позволяет:

- контролировать неисправность аппаратуры обнаружения нагрева букс, оперативно выявлять неисправности и принимать меры к их устранению;

- контролировать исправность каналов и линий связи, используемых для передачи информации АСК ПС.

Автоматизированная система контроля подвижного состава в пути следования включает в себя:

- комплекты аппаратуры КТСМ и ДИСК-Б;

- физические линии связи и выделенные каналы тональной частоты;

- концентратор информации КИ-6М, предназначенный для организации распределительных сетей и передачи данных по физическим линиям связи и выделенным каналом тональной частоты, который обеспечивает обмен данными по информационным каналам в полудуплексном старт-стопном асинхронном режиме;

- регистрирующие и сигнализирующие устройства, установленные в помещении дежурного по станциям или оператора ПТО;

- автоматизированное рабочее место оператора центрального поста контроля на базе IBM-совместимого компьютера серии Pentium и оборудованного печатающим устройством.

Для повышения оперативности работы центральный пост контроля оснащен технологической телефонной связью с дежурными по станциям и операторами ПТО, где имеется сигнализирующая аппаратура от установок КТСМ и ДИСК, а также прямой телефонной связью с поездными диспетчерами Гомельского отделения, находящимися в ЕЦДУ.

На базе концентраторов информации КИ-6М построена сеть передачи данных(СПД) [ 13 ]. Она предназначена для применения в составе автоматизированных систем контроля подвижного состава в качестве распределенной сети сбора информации о функциональном и техническом состоянии объектов контроля в виде вагонов и локомотивов.

Технические и программные средства СПД позволяют создавать распределенные сети передачи данных на базе существующих каналов и линий связи на участках ж.д. большой протяженности.

Основное назначение СПД заключается в обеспечении автоматического, достоверного и своевременного информационного обмена между линейными и централизованными частями всей иерархической структуры АСК ПС.

Применение СПД позволяет значительно снизить количество каналов информационной связи в результате использования единой сети для сбора и передачи данных , обеспечивающих безопасность перевозочного процесса.

4.2 Состав и структура системы

В состав технических средств СПД входят:

1) концентраторы информации КИ-6М;

2) сервер СПД.

Концентраторы информации, соединенные между собой выделенными каналами или линиями связи, предназначены для передачи и маршрутизации по СПД пакетов данных, формируемых и передаваемых оконечным оборудованием данных (ООД) других прикладных систем. В качестве ООД могут применяться как специализированные программно-аппаратные комплексы (периферийные контроллеры), так и типовые ЭВМ (например персональные ЭВМ класса IBM РС), содержащие специализированные программные средства для обеспечения информационного взаимодействия с другими ООД через СПД.

Концентратор информации КИ-6М может обслуживать до 6 каналов информационной связи. Два канала, как правило, используются для подключения концентратора к сети передачи данных СПД, остальные 4 канала могут использоваться для подключения периферийных контроллеров.

Сервер СПД предназначен для централизованного контроля работы средств СПД и каналов связи, управления потоками данных в СПД, а также для маршрутизации данных между СПД и локальной вычислительной сетью (ЛВС) центра диспетчерского контроля и управления.

В качестве сервера СПД применяется типовая персональная или в промышленном исполнении IBM-совместимая ЭВМ, функционирующая под управлением программного средства "Сервер СПД", поставляемого в составе системы.

Технические и программные средства СПД поддерживают следующие виды структуры:

1) структура с «ячеистой» топологией;

2) структура с топологией «шина».

В СПД с ячеистой топологией концентраторы информации КИ-6М представляют собой узлы сети, соединяются выделенными каналами связи и производят информационный обмен между собой и с подключенными ООД по протоколу «точка-точка».

Ячеистая топология позволяет строить СПД с разнообразной организацией каналов информационной связи.

Концентраторы информации в СПД с ячеистой топологией должны соединяться между собой одноименными каналами, т.е. окончания канала связи, соединяющего два концентратора, должны подключаться к разъемам «КАНАЛЫ», имеющим одинаковые номера (например «КАНАЛ 2» - «КАНАЛ 2»). Нарушение этого принципа приводит к неправильной работе маршрутизации кадров в СПД.

Устройства ООД могут подключаться к любым разъемам «КАНАЛЫ» КИ-6М.

Передача пакетов информации через СПД с «ячеистой» топологией осуществляется по эстафетному принципу, т.е. последовательно от узла к узлу.

Преимуществом ячеистой топологии является ее высокая адаптивность под различные существующие схемы организаций каналов связи, а в случае применения кольцевых структур - высокая устойчивость к отказам отдельных узлов или каналов связи, т.к. информационные потоки автоматически перенаправляются по действующей части СПД.

К преимуществу применения ячеистой топологии относится и то, что ООД-источники и ООД-потребители информации могут быть подключены к любому узлу СПД, т.е. пакеты информации могут передаваться по любой действующей цепочке узлов.

Недостатком ячеистой топологии является необходимость организации двухточечных каналов связи между узлами на линейных участках ж.д. Наиболее предпочтительным для данной топологии является организация линейных связей между узлами по физической паре магистрального связевого кабеля с обходным каналом связи тональной частоты от границ участка.

Топология СПД типа «шина» ориентирована на линейную структуру участка ж.д., оборудованного аппаратурой уплотнения типа К-24Т.

Передача информационных кадров в СПД с шинной топологией осуществляется в процессе циклического опроса сервером СПД узлов (концентраторов информации КИ-6М) по групповому каналу аппаратуры К-24Т.

Основным недостатком СПД с топологией типа «шина» является то, что отказ группового канала приводит к полному отказу СПД. Для повышения надежности рекомендуется организовывать дополнительный групповой канал по независимой системе К-24Т. В нормальном режиме работы сервер СПД производит по каждому групповому каналу опрос половины общего количества узлов, при этом информационная нагрузка равномерно распределяется по обоим каналам, время доставки сообщений минимально. В случае отказа одного из групповых каналов, все узлы, включенные в данную СПД, начинают опрашиваться по действующему каналу, при этом время доставки пакета увеличивается в два раза.

В СПД с топологией типа «шина», в отличие от ячеистой топологии, информационный обмен по групповому каналу осуществляется только между узлом и сервером СПД.

Концентраторы информации КИ-6М в СПД типа «шина» должны подключаться к групповым каналам К-24Т разъемами «КАНАЛЫ 1» и «КАНАЛЫ 2» соответственно. К остальным разъемам «КАНАЛЫ» концентратора могут подключаться устройства ООД, а также фрагменты СПД с ячеистой топологией.

В зависимости от применяемого вида топологии СПД в модули микропроцессорного контроллера (ММК) КИ-6М должны быть установлены микросхемы памяти, содержащие соответствующие рабочие программы, поставляемые в составе системы.

Информационное взаимодействие компонентов СПД между собой и с подключенными ООД осуществляется в соответствии с описанием СПД.

В зависимости от требуемой информационной структуры прикладной системы, в составе которой применяется СПД, возможно применение децентрализованной, централизованной или смешанной структуры СПД.

Децентрализованная структура может быть создана только при применении СПД с ячеистой топологией. В такой структуре один или несколько локальных АРМов прикладных систем могут быть подключены к любым узлам СПД и осуществлять информационное взаимодействие с определенными в их конфигурации периферийными контроллерами (ПК).

Пример децентрализованной структуры СПД с локальными АРМами приведен на рисунке 20.



Рисунок 20 -. Пример децентрализованной структуры СПД с локальным включением АРМов.

В децентрализованной структуре СПД каждый локальный АРМ помимо прикладной задачи должен осуществлять функции управления маршрутизацией и диагностики той части СПД, с узлами которой он взаимодействует.

Централизованная структура требует наличия в составе СПД сервера СПД, который осуществляет помимо функций управления маршрутизацией и диагностики СПД передачу данных между периферийными контроллерами прикладных систем и АРМами, включенными в локальную вычислительную сеть центра в качестве рабочих станций.

Сервер СПД в данной структуре осуществляет ввод информации из СПД и ее накопление в базе данных файлового сервера для обеспечения общего доступа к ней со стороны рабочих станций, включенных в данную локальную сеть. При этом в случае организации СПД с ячеистой топологией, в системе возможно наличие локальных АРМов. Количество сетевых АРМов ограничивается только характеристиками локальной вычислительной сети.