Система синхронизации и оценки состояния контактной сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Состав ВИКС нового поколения и его назначение

ВИКС нового поколения строятся на основе цельнометаллического стандартного пассажирского купейного вагон.

В переоборудованном вагоне предусмотрены следующие помещения:

служебный тамбур;

бытовые помещения;

аппаратный зал и смотровая вышка;

технологическое помещение;

дизельное помещение.

В помещении служебного тамбура установлено оборудование системы отопления вагона на жидком топливе.

Бытовые помещения включают в себя:

туалет, дополнительно оборудованный душем;

служебное купе проводника, в котором расположены пульты управления системами отопления, водоснабжения, электроснабжения, кондиционирования и вентиляции и автоматическое водоподъемное устройство;

купе для отдыха проводников;

помещение кухни, в котором установлены кухонная мебель, мойка, электрогазовая плита, воздухоочиститель, бытовая СВЧ-печь, водонагреватель;

салон для приема пищи и отдыха, с установленной в нем видеодвойкой;

три купе для отдыха экипажа и специалистов, сопровождающих вагон-лабораторию во время инспекций.

Под помещения кухни и салона для приема пищи и отдыха переоборудованы первое и второе купе. Под купе для отдыха экипажа и специалистов переоборудованы 3, 4 и 5 купе. Третье и четвертое купе переоборудованы в двухместное, а пятое купе - в одноместное купе. В каждом из этих купе установлены письменный стол, шкаф для одежды и стул. После пятого купе штатные помещения вагона полностью демонтированы. На их месте расположены аппаратный зал, технологическое и дизельное помещения. Над помещениями пятого купе и частью аппаратного зала в кузове вагона установлена смотровая вышка, в помещение которой ведет лестница из аппаратного зала. С обоих бортов вагона в аппаратном зале установлены смотровые фонари.

В аппаратном зале размещены:

рабочее место оператора, оборудованное микрофоном и наушниками переговорного устройства для связи с оператором смотровой вышки;

пульт управления поездной радиостанцией;

стойка, выполненная в конструктиве «Евромеханика», в которой размещается вся электронная аппаратура информационно-вычислительного комплекса (кроме датчиков), две промышленных ЭВМ IPC-610 фирмы ADVANTECH на базе процессора Pentium-150, принтер OKI-520 на выдвижной подставке; видеомагнитофон Panasonic-450;

дистанционный пульт управления системы электроснабжения;

монитор и клавиатура ЭВМ;

видеомонитор визуального наблюдения на базе бытового телевизора;

стоп-кран;

двухкамерный бытовой холодильник;

диван для отдыха и журнальный столик;

функциональный пульт для ручной регистрации визуальных отклонений от правил содержания контактной сети и два разъема, установленных по обоим бортам аппаратного зала для подключения функционального пульта;

Смотровые фонари оборудованы стеклоочистителями, стеклоомывателями и системой обогрева стекол, используемые в автомобиле марки ВАЗ 2108. В помещении смотровой вышки расположено рабочее место оператора смотровой вышки. Лобовые стекла вышки представляют собой лобовые стекла от локомотива, оборудованные стеклоочистителями, стеклоомывателями и системой обогрева стекол используемые.

В помещении вышки расположено:

два идентичных пульта управления, предназначенных для включения или выключения стеклоочистителей, стеклоомывателей, обогрева стекол, прожекторов подсветки зон установки токоприемников, местного освещения и подачу питания на видеокамеру визуального наблюдения за состоянием контактной сети;

функциональный пульт для ручной регистрации визуальных отклонений от правил содержания контактной сети, замеченных оператором смотровой вышки;

видеокамера визуального наблюдения за состоянием контактной сети;

дублирующий монитор ИВК;

микрофон и наушники переговорного устройства для связи с оператором аппаратного зала;

дублирующий пульт управления поездной радиостанцией;

манометр для контроля давления сжатого воздуха в пневматической системе подъема токоприемников;

регулировочный вентиль для установки номинального давления воздуха в пневматической системе подъема токоприемников;

кран ручного аварийного опускания токоприемника.

В технологическом отсеке расположены:

шкаф электроснабжения, предназначенный для подключения источников питания в зависимости от режима работы вагона-лаборатории, подключения потребителей электроэнергии, заряда аккумуляторной батареи, а также для контроля основных параметров системы электроснабжения вагона;

три инвертора, которые предназначены для преобразования напряжения постоянного тока 110 В в переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц;

стереотелевизионная система, состоящая из трех телевизионных камер, для измерения высоты и положения контактного провода;

датчик радиуса кривизны пути, предназначенный для измерения радиусов криволинейных участков железнодорожного пути;

датчик крена «Гировертикаль», предназначенная для определения истинного горизонта вагона и углов отклонения от него и блок питания датчика;

датчики фиксации опор контактной сети;

датчики фиксации реперных опор контактной сети;

изолирующий трансформатор внешнего электропитания;

поездная радиостанция, предназначенная для связи с машинистом электровоза и диспетчером станции;

На стенке технологического отсека находится штурвал насоса крышки гидравлического привода, с помощью которого производится открытие и закрытие крышки, расположенной на крыше вагона, которая защищает в нерабочем режиме стереотелевизионную систему от механических повреждений, осадков и абразивного воздействия пыли.

В дизельном помещении находятся:

дизель-генератор, радиатор охлаждения с вентилятором и аккумуляторная батарея;

топливный бак дизеля-генератора;

два компрессора, один из которых предназначен для обеспечения подъема токоприемников, а другой для удаления пыли с датчиков и аппаратуры, размещенных на крыше вагона;

верстак с тисками для проведения каких-либо ремонтных работ.

На крыше вагона находятся:

два токоприемника, на которых расположены измерительные датчики:

а) датчик износа контактного провода;

б) датчики подхватов контактного провода;

в) датчики ускорения токоприемника;

г) датчик ударов (подбоев) по токоприемнику;

д) датчики нажатия токоприемника на контактный провод;

дублирующий (механический) датчик высоты подвески контактного провода;

датчики высоты фиксаторов;

делитель напряжения и преобразователь напряжения;

инфракрасные излучатели (ИК) для подсветки контактного провода, обеспечивающие работу стереотелевизионной системы измерения высоты и положения контактного провода в ночное время;

блок питания излучателей для обеспечения работы ИК датчика измерения износа контактного провода;

4 галогенных прожектора для освещения фиксаторов, обеспечивающие работу датчиков фиксации промежуточных опор в ночное время;

4 галогенных прожектора, обеспечивающие визуальное наблюдение за контактной сетью и номерами опор в ночное время;

2 блока устройства связи с объектом (УСО), установленные на специальных проходных изоляторах, предназначенные для установления связи и гальванической развязки ИВК с датчиками, находящимися под потенциалом контактной сети, и 2 разделительных трансформатора, предназначенных для питания этих блоков;

антенна поездной радиосвязи;

телевизионная антенна.

Снаружи вагона установлены:

датчик скорости и пути;

датчики боковых перемещений;

датчик измерения температуры наружного воздуха.

Целью представляемой разработки является автоматизация процесса оценки состояния контактной сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного токов на основании контрольно-измерительных операций, выполняемых специальной аппаратурой информационно-вычислительного комплекса (ИВК), установленного в вагоне-лаборатории.

Информационно-вычислительный комплекс вагона-лаборатории (ИВК) обеспечивает полную автоматизацию процессов измерений и допускового контроля параметров контактной сети, которая достигается компьютеризацией всех диагностик, регистрации и оформления получаемых результатов.

Основной принцип построения ИВК основан на унификации внешнего интерфейса измерительных датчиков и предварительной обработке информации на высокоскоростных аналого-цифровых сигнальных процессорах ADSP. Применение ADSP позволяет освободить процессор ЭВМ от рутинных задач, проводить измерения в реальном масштабе времени, унифицировать программное обеспечение.

Измерительные датчики, программное обеспечение и аппаратура ИВК вагона-лаборатории обеспечивают:

бесконтактное измерение высоты контактного провода (от 1 до 4) над уровнем верха головок рельсов в диапазоне от 5500 до 6900 мм с погрешностью не более 10 мм;

бесконтактное измерение положения контактного провода (зигзаг и вынос) в плане при 1-4 проводах в диапазоне 700 мм от оси пути с погрешностью не более 10 мм;

бесконтактное измерение износа контактных проводов при 1-4 проводах по поперечному сечению с погрешностью не более 3 мм²;

контроль понижения контактного провода на воздушных стрелках, положение по высоте фиксаторов и отходящих анкеровочных ветвей относительно основного контактного провода;

измерение нажатия токоприемника на контактный провод в диапазоне от 0 до 400 Н с погрешностью не более 10 Н;

регистрацию ударов по токоприемнику;

регистрацию отрывов токоприемника от контактного провода;

измерение пройденного вагоном-лабораторией расстояния;

автоматическую отметку опор;

автоматическую отметку ключевых (реперных) опор;

измерение наклона кузова вагона относительно букс колесных пар;

измерение возвышения одного рельса над другим от 0 до 200 мм с погрешностью не более 4 мм;

измерение скорости движения вагона-лаборатории в диапазоне от 1 до 200 км/ч с приведенной погрешностью не более 1%;

измерение радиуса кривизны пути;

измерения напряжения в контактной сети от 2,7 до 4,0 кВ постоянного тока с погрешностью не более 60 В и от 21 до 29 кВ переменного тока с частотой 50 Гц с погрешностью не более 450 В;

измерение температуры наружного воздуха в диапазоне от минус 50⁰С до плюс 50 ⁰С с погрешностью не более 1⁰С.

Программное обеспечение ИВК вагона-лаборатории, написанное на языке программирования BORLAND C++ [1], [2], [3] позволяет выполнять следующие функции:

прием и обработку сигналов с измерительных датчиков;

отображение результатов измерений на экране дисплея в графическом виде в реальном масштабе времени;

запись результатов измерений на жесткий диск персонального компьютера;

формирование архива измеренных параметров;

вывод по сформированному запросу информации на печать или магнитный носитель;

диалог оператор-ЭВМ без прерывания процессов приема, обработки, отображения и архивации результатов измерений;

запуск программно-аппаратного комплекса из режима ожидания в режим измерений по команде оператора или от сигнала датчика фиксации реперных опор;

независимую привязку результатов измерений к показаниям датчика скорости и пройденного пути, точкам фиксации контактного провода;

автоматизированное тестирование готовности измерительного комплекса к использованию, обнаружение неисправностей и отображение на экране дисплея результатов диагностики;

сравнение и оперативную обработку отклонений полученных результатов измерений состояния контактной сети от нормативных параметров во время проведения инспекции участков контактной сети с последующей печатью протокола отклонений;

«балльную оценку» состояния инспектируемого участка контактной сети на основании результатов измерений и визуальных наблюдений в соответствии с «Правилами устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог» ЦЭ-197, а также с отклонениями, содержащимися в нормативном журнале, и занесение штрафных баллов в протокол отклонений.

Управление комплексом производится с двух рабочих мест операторов ИВК, одно из которых находится в аппаратном зале вагона-лаборатории, другое - в помещении смотровой вышки. Оператор аппаратного зала, используя программное обеспечение ЭВМ, управляет ИВК. Оператор смотровой вышки в процессе визуального наблюдения за состоянием контактной сети производит ручной ввод в ЭВМ визуальных отклонений от правил содержания контактной сети, используя для этого специальный функциональный пульт.

Целью представляемой работы является разработка элементов аппаратной части, алгоритмов обработки информации и программного обеспечения комплекса для измерений и допускового контроля параметров контактной сети, которая достигается компьютеризацией всех диагностик, регистрации и оформления получаемых результатов.

Рассмотрим требования «Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог» на основе которых разрабатываемый комплекс будет оценивать состояние инспектируемой контактной сети.

На прямых участках пути КП располагаются зигзагообразно относительно оси токоприемника с чередованием направления зигзага у смежных опор. Зигзаг КП нормально должен быть +/ - 300 мм.

На кривых участках пути зигзаг КП от оси токоприемника у опор допускается до 400 мм в зависимости от радиуса кривой и длины пролета в соответствии со специально составленными таблицами так, чтобы КП в середине пролета располагался, как правило, по оси токоприемника.

Двойные КП в точках фиксации на опорах должны располагаться на расстоянии 40 мм друг от друга.

Отклонения от установленных значений зигзагов КП не должны превышать +/ - 30 мм.

Отклонения КП от оси токоприемника в пролете при расчетной скорости ветра, наибольшей для данного района интенсивности, не должно превышать ни при каких условиях 500 мм на прямых и 450 мм - на кривых участках пути.

Наибольшие допустимые длины пролетов между опорами определяются с учетом типа подвески, марок, сечений и натяжения проводов, радиуса кривых, расчетных климатических и эксплуатационных условий. Для определения значений наибольших допустимых длин пролета для наиболее распространенных типов подвесок составлены специальные номограммы.

Высота подвешивания КП над уровнем верха головки рельса должна быть на перегонах и станциях не менее 5750 мм, а на переездах - не менее 6000 мм и не должна превышать 6800 мм. Уклон КП при переходе от одной высоты его подвешивания к другой при без провесном положении провода не должен превышать:

уклон не более 10 см на длине 10 м где скорость электроподвижного состава не превышает 50 км/ч;

уклон не более 4 см на 10 м на участках со скоростями движения до 120 км/ч;

уклон не более 2 см на 10 м на участках со скоростями движения более 120 км/ч.

2. Структура датчико-диагностического комплекса

2.1 Основные модули датчико-диагностического комплекса

Датчико-диагностический комплекс (ДДК) состоит из трех основных модулей.

Первый модуль представляет из себя совокупность аппаратно-программных средств для измерения положения контактного провода относительно железнодорожного полотна. Основным элементом модуля является стереоскопическая телевизионная система. Она выполняет функции приема, обработки и передачи на центральную ЭВМ информации о положении контактных проводов относительно крыши кузова вагона. ТВ система состоит из трех одинаковых ТВ камер. ТВ камера построена на базе фотоприемника в виде ПЗС линейки и системы управления процессом измерения и обработки информации на основе сигнальных процессоров фирмы Analog Devices. В состав модуля входит система определения положения кузова вагона относительно головок рельс железнодорожного полотна (датчики боковых перемещений кузова вагона).

Вторым модулем является система измерения силы нажатия контактного провода на полоз токоприемника. Она состоит из датчика нажатия и датчиков измерения ускорения токоприемника (акселерометров).

Третий модуль - это система синхронизации процесса измерения параметров контактной сети относительно пройденного вагоном пути и оценки состояния контактной сети. В нее входят датчик пути, датчик радиуса кривизны пути, датчик опор, датчик температуры, датчик напряжения, датчик подбоев и аналитическая гировертикаль. Программное обеспечение модуля, реализованное на центральной ЭВМ рабочего места оператора комплекса, составляет основу системы привязки процесса измерения к участку пути и системы балльной оценки состояния контактной сети на основе технологии паспортизации.

2.2 Система измерения положения контактного провода относительно железнодорожного полотна

В основу разработки положен принцип стереоскопического восприятия и обработки визуальной информации, получаемой от трех ПЗС ТВ камер. При этом два координатно-чувствительных оптических датчика (ТВ камеры) разнесены на некоторое расстояние (базу). Аналогичный способ получения стереоскопического изображения использован природой в человеческом зрении.

Используя основные принципы организации человеческого зрения и последние достижения электроники (средства сверхбыстрого приема и обработки информации - RISK процессоры, сигнальные процессоры и т.д.) и оптики (сверхчувствительные камеры на основе ПЗС матриц с большой разрешающей способностью), можно решить поставленную задачу - «увидеть» контактный провод над крышей вагона-лаборатории.

Однако, копирование природной стереоскопической оптической системы не позволяет достигнуть желаемых мерительных характеристик при разумной стоимости. Во-первых, поле зрения человека как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях достаточно велико, и это будет скорее вредным чем полезным фактором, т.к. объекты наблюдения находятся в достаточно узкой области пространства (интерес представляет КП над токоприемником, а не в стороне от него), а расширение без надобности зоны наблюдения может привести лишь к появлению дополнительной отвлекающей (помеховой) информации. Во-вторых необходимо учесть, что система во время работы в основном будет находиться в движении относительно наблюдаемых объектов. Как отмечалось выше, основная задача, решаемая комплексом - это динамическое измерение параметров подвеса КП при движении вагона-лаборатории под ним с определенной скоростью, желательно предельной для увеличения мобильности всего комплекса в целом. При этом наличие у фотоприемника даже небольшой протяженности поля зрения в плоскости параллельной движению приведет к появлению избыточной информации, затраты на получение и обработку которой не оправдают себя.

Благодаря изложенным выше аргументам можно сделать следующий вывод. В качестве чувствительного элемента вместо матрицы ПЗС, которая является приближенным аналогом сетчатки глаза человека, лучше применить линейку ПЗС. С технической точки зрения это упрощает процесс считывания и уменьшает объем информации для обработки в единичный момент времени, что подразумевает под собой применение меньших по мощности вычислительных средств. С экономической токи зрения стоимость даже очень хорошей линейки ПЗС гораздо меньше стоимости средней ПЗС матрицы.

Важным вопросом является расположение телевизионных камер системы, построенных на базе выбранных линеек ПЗС, в вагоне-лаборатории. По высоте камеры расположены практически на одном уровне с крышей вагона в специально оборудованных коробах. Наблюдение ведется через отверстия в крыше, в которые вмонтированы иллюминаторы из прозрачного материала (специального стекла) для предотвращения попадания осадков на чувствительные элементы камер и вовнутрь вагона. Для предотвращения скапливания капель воды иллюминаторы вращаются с большой скоростью специальными электродвигателями, предусмотрен обдув, а для нормального функционирования системы в условиях отрицательной температуры при наличии обледенений - обогрев иллюминаторов. В нерабочем состояние отверстия для наблюдения закрыты сдвижным люком, управление которым производится из помещения вагона.

ПЗС ТВ камеры в вагоне расположены над осью колесной тележки, что упрощает алгоритм пересчета положения контактных проводов из системы координат, «привязанной» к крыше вагона, в систему координат, «привязанную» к головкам рельсовых нитей железнодорожного полотна. ТВ камеры установлены в технологическом помещении рядом с тамбуром, в котором находится автономный дизельный генератор.

Такое расположение оправдано и конструктивным удобством, так как в технологическом помещении имеется доступ к подкрышному пространству для возможной замены или ремонта ТВ камер. Указанное место расположения камер обеспечивает также минимальное расстояние до средств приема и обработки информации.

По ширине вагона ТВ камеры разнесены на максимально-возможное расстояние (базу) B равную 2 м, что повышает точность измерений при стереоскопической схеме.

Рассмотрим подробнее ориентацию полей зрения ПЗС камер в пространстве, которая определяется расположением и ориентацией фоточувствительной поверхности в фокальной плоскости объектива камеры.

Линейки ПЗС расположены под углом к плоскости пола вагона и по длинной стороне - перпендикулярно оси движения вагона. В связи с приведенными выше аргументами поле зрения камеры ограничено некоторой областью над крышей вагона-лаборатории, границы которой определяются нормативами железнодорожного управления на границы возможного (допустимого) положения КП. Поле зрения формируется с помощью объектива, фокусное расстояние, которого подобрано так, чтобы угол поля зрения имел необходимую величину.

Рассмотрим структурную схему ПЗС камеры, входящей в состав стереоскопической ТВ системы. Как отмечено выше, в качестве чувствительного элемента регистрирующего наличие КП в наблюдаемой зоне используется линейка ПЗС. Линейка состоит из N фоточувствительных ячеек, размер которых определяет видимый из точки приема телесный угол, наблюдаемого каждой ячейкой элементарного объема пространства.

Общий принцип работы линейки ПЗС основан на накоплении зарядов (фактически электронов) каждой ячейкой линейки, величина которых прямо пропорциональна количеству падающих на ее поверхность фотонов. Количество фотонов в свою очередь пропорционально освещенности в элементарном объеме пространства, находящегося в наблюдаемом поле зрения.

Реально линейка ПЗС содержит два ряда ячеек, один из которых является открытым для падающего светового потока, а второй затемнен и служит для быстрой эвакуации накопленных зарядов для последующего считывания. Считывание производится последовательно, путем выталкивания сигнала из полученного регистра сдвига во внешние устройства для дальнейшей обработки. Электрически считывание осуществляется подачей на управляющие выводы линейки ПЗС последовательности коротких импульсов сдвига.

Длительность цикла работы ПЗС камеры (накопление-эвакуация-сдвиг) определяется необходимой чувствительностью, хотя в общем случае он зависит еще от ряда факторов, которые будут рассматриваться ниже.

Условия освещенности в открытом пространстве меняются в течении суток и в зависимости от внешних факторов. Одновременно в поле зрения камеры могут находиться облака различного вида. Например, равномерная облачность дает равномерное рассеяннее солнечного света, что приводит к большому и равномерному уровню освещенности в пространстве в целом. Наличие белых кучевых облаков на фоне чистого неба приводят к резким перепадам уровня освещенности по полю зрения, так как по сравнению с чистым небом, которое оптически почти черное, облака представляют собой достаточно яркие предметы. Наличие бокового солнца приводит к тому, что отшлифованная токосъемником нижняя поверхность КП блестит и имеет яркость выше фона (принимается в позитиве). В нормальных условия темный провод затеняет фоновое излучение неба (принимается в негативе). Условия освещенности могут резко меняться при въезде вагона-лаборатории в тоннель или под мост.

Диапазон изменения уровня освещенности в общем случае может достигать величины 10⁷, что естественно требует применения устройств адаптации камеры. Для этого используется модель линейки ПЗС, позволяющая использовать электронные методы регулирования чувствительности. Выбранная линейка ПЗС имеет электронный затвор, принцип работы которого основан на изменении времени накопления. Диапазон изменений времени накопления варьируется от единиц микросекунд практически до периода цикла работы камеры. Этот способ регулирования обладает большим быстродействием и широким динамическим диапазоном. С помощью него максимум сигнала поддерживается постоянно в узком диапазоне находящемся на уровне близком к уровню полной засветки линейки ПЗС, что позволяет наилучшим образом вписать его в разрядную сетку АЦП. Для организации петли управления электронным затвором в камере предусматривается отдельный параллельный усилительный тракт.

В камере предусмотрено устройство, контролирующее уровень «черного». Основой этого контроля служат сигналы от нескольких специально затемненных ячеек линейки ПЗС. Предотвращение флюктуаций уровня «черного», связанных с изменением температурного режима и других внешних условий, позволяет вписать сигнал в разрядную сетку АЦП снизу.

В случае, когда электронный затвор линейки ПЗС полностью открыт, а уровня сигнала не хватает, и его максимальное значение находится ниже упомянутого ранее узкого диапазона, возникает необходимость дополнительного усиления сигнала. Для этого в структурную схему ПЗС камеры введен усилитель с электронной регулировкой коэффициента усиления.

Камера содержит двенадцатиразрядный быстродействующий АЦП, позволяющий в дальнейшем реализовать цифровые методы обработки сигнала.

Основным элементом вычислительного ядра ТВ камеры является сигнальный процессор фирмы Analog Devices (ADSP 2181). Процессор выполняет функции регулирования электронного затвора, управления коэффициентами усиления, фильтрации полученного сигнала и обнаружения полезного сигнала. Рассмотрим подробнее перечисленные функции.

Через сигнальный процессор замкнута петля обратной связи, при помощи которой осуществляется управление коэффициентом усиления усилителя, в случае когда электронный затвор полностью открыт, а уровня сигнала не хватает. Это осуществляется для того, чтобы сигнал наилучшим образом вписывался во всю разрядную сетку АЦП. В петле обратной связи предусмотрен ЦАП, так как регулировка усиления производится аналоговым методом, и сигнал регулировки необходимо перевести из цифрового вида в аналоговый.

Через сигнальный процессор замкнута петля обратной связи для регулирования уровня «черного», содержащая также ЦАП.

Как упоминалось выше, в структурной схеме камеры имеется еще одна петля обратной связи. Эта петля осуществляет регулирование электронного затвора и имеет свой нерегулируемый усилительный тракт и два компаратора с разными порогами срабатывания. Управление электронным затвором от процессора позволяет поддерживать максимум сигнала на одном уровне в независимости от изменяющейся внешней фоновой обстановки.

Обработка полученного сигнала сигнальным процессором осуществляется с использованием алгоритма медианой фильтрации. Суть алгоритма состоит в непрерывной обработке трех отсчетов сигнала, взятых через определенные равные промежутки времени, процессором, который находит среди них средний. Алгоритм медианной фильтрации позволяет выделить импульсный полезный оптический сигнал от контактного провода на фоне сравнительно медленно меняющегося сигнала от облачного неба в дневном режиме.

После медианой фильтрации в сигнальном процессоре реализована линейная согласованная фильтрация и обнаружение путем сравнения сигнала с порогом. Порог адаптивно поддерживается на некотором уровне рассчитанном, исходя из необходимого уровня ложной тревоги.

Стереоскопическая ТВ система содержит три ПЗС камеры. Для синхронизации их работы и осуществление передачи полученной информации, в шине ISA центральной ЭВМ расположен контролер на базе сигнального процессора фирмы Analog Devices. Он выполняет расчеты положения контактных проводов в декартовых координатах и осуществляет фильтрацию ложных пересечений лучей визирования ПЗС камер. Связь ПЗС камер с контролером производится через мультиплексор и плату оптронных развязок. Связь мультиплексора с контролером осуществляется через аппаратные средства, поддерживающие протокол обмена типа SPORT сигнального процессора [4].

Как отмечалось выше, положение контактных проводов должно измеряться относительно головок рельс железнодорожного полотна. Для преобразования координат процесса измерения положения контактного провода ДДК содержит датчики боковых перемещений кузова вагона относительно колесной тележки.

Датчик боковых перемещений кузова вагона построен на базе синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), который посредством тросовой системы измеряет перемещение кузова вагона относительно колесных пар. Пересчет угловых перемещений оси (СКВТ) в линейные и их компенсация производится в центральной ЭВМ. Количество датчиков боковых перемещений - два, по одному с каждого борта вагона. Датчики боковых перемещений через мультиплексор и плату оптронных развязок соединены с сигнальным процессором (протокол обмена SPORT), который после предварительной обработки информации передает ее на центральную ЭВМ в режиме опроса на каждом метре пути.

2.3 Система измерения силы нажатия контактного провода на полоз токоприемника

Система производит определение силы нажатия контактного провода на полоз токоприемника в ходе инспекционной поездки. Для обеспечения наилучшего токосъема сила нажатия токоприемника на контактный провод должна быть постоянной и равняться 200H. Однако в реальных условиях высота подвеса контактного провода может меняется от одной опоры к другой и при движении при слишком больших перепадах высот может произойти отрыв полоза токоприемника от контактного провода. Это вызывает искрение и электрическую коррозию на рабочей поверхности контактного провода. Образовавшиеся прогары будут в дальнейшем прогрессировать, что в свою очередь укорачивает срок службы контактного провода. Стоимость километра медного провода контактной сети в настоящее время исчисляется тысячами долларов, что является веским аргументом в пользу необходимости регулярного контроля за этим параметром подвеса сети. Негативным фактором может быть и излишне сильное нажатие, что может привезти к повышенному износу и обрывам контактного провода или поломке конструкции токоприемника.

По соответствующему плану ВИКС осуществляет специальные инспекционные поездки с так называемым повышенным нажатием, когда сила нажатия токоприемника на контактный провод сознательно увеличивается. Это позволяет вести контроль за состоянием контактной сети.

При движении вагона токоприемник постоянно отслеживает положение контактного провода по высоте, что приводит к его непрерывному перемещению в вертикальной плоскости. Для компенсации вертикальных ускорений система измерения нажатия содержит два акселерометра, по одному на каждый датчик нажатия. Основными элементами датчиков измерения ускорений являются микросхемы фирмы Analog Devices ADXL-05. Территориально датчики нажатия находятся на каретках полоза токоприемника вблизи его краев. Акселерометры также закреплены на токоприемнике. Сигналы от них через блок УСО (устройство сопряжения с объектом) по оптоволоконному каналу связи для высоковольтной развязки поступают на плату оптронных низковольтных развязок сигнального процессора.

Конструктивно датчик нажатия состоит из чувствительного элемента, обслуживающей его механики, оптических волокон, платы, преобразующей оптический сигнал в цифровой, мультиплексора, платы оптронных развязок и сигнального процессора. Чувствительный элемент датчика нажатия представляет из себя оптоэлектронный преобразователь давления поляриметрического типа. Принцип действия датчика основан на том, что в случае вращения плоскости поляризации света на входе преобразователя с циклической частотой /2, фазовый сдвиг , возникающий в чувствительном элементе между двумя ортогонально поляризованными световыми колебаниями под действием измеряемого сигнала, будет одновременно являться фазой гармонического низкочастотного колебания с частотой [5]. Данный метод регистрации сигнала является универсальным для построения преобразователей физических полей, таких как электрическое и магнитное поля, температура, давление.

В настоящее время разработан и проходит испытания датчик нажатия другого типа. Принцип его действия основан на изменении сопротивления в зависимости от деформации. Чувствительный элемент этого датчика выпускается фирмой SCAIME. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с оптическим. Он более дешевый, проще конструктивно и меньше подвержен внешним воздействиям.

2.4 Система синхронизации и оценки состояния контактной сети

ВИКС, за исключением профилактических ремонтов, непрерывно осуществляет инспекционные поездки. Это приводит к накапливанию большого количества полученных данных. Для их структуирования, упорядоченного хранения и привязки к определенным участкам пути создана специальная система. Она включает в себя датчик пути, датчик радиуса кривизны пути, датчик опор, датчик температуры, датчик напряжения, датчик подбоев и аналитическую гировертикаль, систему паспортизации и балльной оценки, обработки и синхронизации на основе алгоритма выполняемого центральной ЭВМ.

Датчик пути в системе выполняет функцию одометра и спидометра. Он состоит из двух датчиков Холла, установленных на буксе колесной пары и металлического диска с пятнадцатью зубцами, проходящими через чувствительную зону датчиков по мере движения вагона. Информация от датчика колеса поступает на плату интерфейса откуда через мультиплексор и плату оптронных развязок считывается сигнальным процессором.

Датчик радиуса кривизны пути необходим для фиксации наличия поворота и измерения его радиуса кривизны. Эта информация используется в алгоритме балльной оценки состояния контактной сети. Значение нормативов состояния контактной сети меняется в зависимости от величины радиуса кривой поворота. Конструктивно датчик представляет из себя СКВТ, установленный на оси вращения тележки колесных пар вагона и приводимый в движение посредствам редуктора. Сигнал с датчика через мультиплексор и плату оптронных развязок поступает на сигнальный процессор.

Датчик опор необходим для фиксации наличия опоры подвеса контактного провода. Эта информация используется для инициализации алгоритма расчета параметров подвеса контактного провода на опоре. Эти параметры в дальнейшем необходимы при подсчете балльной оценки. Датчик опор состоит из фотоприемника и схемы обработки. Количество датчиков - два, по одному с каждой стороны крыши кузова вагона. Поля зрения датчиков направлены вверх в сторону расположения фиксаторов контактного провода на опорах. Сигналы с датчиков поступают на плату интерфейса откуда через мультиплексор и плату оптронных развязок передаются на сигнальный процессор.

Информация от датчика температуры используется при проведении процедуры балльной оценки. Это объясняется тем, что некоторые критические параметры подвеса контактного провода зависят от температуры окружающего воздуха. Основным элементом датчика является микросхема фирмы Analog Devices. Информация с датчика температуры через мультиплексор и плату оптронных развязок передается на сигнальный процессор.

Датчик напряжения необходим для измерения значения напряжения на контактном проводе и фиксации его скачков при отрывах полоза токоприемника от КП. Напряжение на датчик поступает через высоковольтный резистивный делитель. Территориально датчик расположен на крыше вагона. Информация от датчика через блок УСО по оптическому волокну поступает на плату оптических приемо-передатчиков, откуда через плату оптронных развязок передается на сигнальный процессор.

Датчик подбоев фиксирует наличие следов электрической коррозии и других неровностях на рабочей поверхности контактного провода, например, оборванной и висящей вниз струнки подвеса КП. Рабочим элементом датчика является акселерометр выполненным на основе микросхемы фирмы Analog Devices ADXL-50. Информация от датчика подбоев через блок УСО по оптическому волокну поступает на плату оптических приемо-передатчиков, откуда через плату оптронных развязок передается на сигнальный процессор.

Аналитическая гировертикаль обеспечивает измерение возвышения одной рельсовой нити железнодорожного полотна над другой на поворотах железнодорожного пути. Возвышение наружного рельса на повороте стандартизировано и его действительное значение входит в балльную оценку состояния пути. Основным элементом гировертикали является лазерный оптоволоконный гироскоп. Информация от датчика через мультиплексор и плату оптронных развязок передается на сигнальный процессор.

3. Стереоскопическая телевизионная система

провод железнодорожный токоприемник стереоскопический

3.1 Принцип действия системы

Положение контактного провода в заданной зоне неопределенности (рис. 3.1.) определяется стереоскопическим методом по пересечению углов визирования провода двумя разнесенными на некоторое базовое расстояние координатно-чувствительными ПЗС камерами.

Стереоскопический метод позволяет с помощью несложных геометрических расчетов определить высоту подвеса КП и его смещение относительно центра базового расстояния.

Ниже приводятся выражения для расчета декартовых координат КП (рис. 3.3.). Тангенсы углов визирования КП:

, (3.1)

, (3.2)

Отсюда получаем равенство:

.

При этом выражение для определения величины смещения КП относительно центра базы:

.

Вследствие того, что чувствительными элементами камер являются линейки ПЗС, которые состоят из конечного числа элементарных светочувствительных ячеек, наблюдаемая область будет подвергнута дискретизации, т.е. каждой ячейке будет соответствовать свой луч наблюдения со своим конкретным углом. Для увеличения скорости вычислений координат положения КП используются расположенные в памяти ЭВМ таблицы, в которых для обоих камер каждом i-ому отсчету кадра (т.е. каждой ячейке линейки ПЗС) поставлено в соответствие определенное значение угла. Реально в таблицах хранится не сам угол, который с практической точки зрения мало интересен, а его котангенс, значение которого и используется для вычисления декартовых координат КП. Выбор функции котангенса объясняется тем, что пределы изменения угла лежат в диапазоне от величин всегда больших 0 до практически /2, а как известно тангенс в точке /2 стремится к бесконечности, что привело бы к необходимости введения лишних ограничений на решение.

С учетом этого окончательно получаем:

. (3.3)

Аналогичным образом из (3.1) и (3.2) выводится формула для вычисления величины высоты подвеса КП, конечный вид который следующий:

. (3.4)

На полученные решения необходимо наложить ограничения, наличие которых связано с тем, что обнаружение и вычисление координат положения КП вне заданной зоны наблюдения не представляет интереса

, h<H_n<H.

В реальных условия в поле зрения системы обычно находятся несколько объектов. Эта достаточно простая ситуация (по условию количество КП в наблюдаемой зоне может доходить до 4-х штук) приводит к появлению ошибки определения истинного положения КП. В поле зрения каждой камеры находятся по два провода, следовательно каждая камера имеет по два луча визирования, пересечение которых в пространстве дает четыре точки. При этом мы получаем координаты положения четырех проводов, вместо двух. Два из измеренных КП являются истинными, два других - ложными (артефактами). Возникает задача выбора из некоторой совокупности измеренных координат координаты положения истинных КП в наблюдаемой области. Наиболее простым разрешением возникшей проблемы является введение третьей с ее расположением посередине базы B - между двумя уже существующими камерами. При таком расположении камер анализ сигналов, получаемые от трех камер, позволяет решить вопрос о том является ли данный КП истинным или он представляет собой артефакт.

Введем в рассмотрение третью (центральную) камеру. Основная ее задача, как уже отмечалось выше, - выделение из полученной совокупности проводов истинных КП с удалением из дальнейшей обработки артефактов.

Для вычислений в реальной системе для центральной камеры используется таблица, где каждому отсчету ставится в соответствие тангенс угла визирования КП, выбор которого объясняется тем, что диапазон изменения угла лежит в районе нуля, где тангенс имеет конечные значения.

Для третьей (центральной) камеры смешение КП определяется по формуле:

.

Из формул (3.3) и (3.4) мы получаем следующее выражение:

.

Из двух последних уравнений мы получаем равенство, выполнение которого и определяет принадлежность обнаруженного КП к истинным, реально существующим проводам:

. (3.5)

Стереоскопическая ТВ система определения положения контактного провода работает в условиях движения вагона-лаборатории. Определим требуемые динамические характеристики системы.

Чувствительность ТВ камеры определяется временем экспозиции или периодом считывания информации с линейки ПЗС. Для повышения чувствительности необходимо увеличивать период считывания. Однако, при движении вагона-лаборатории, зигзагообразном расположении КП и большом времени экспозиции считываемое с ПЗС линейки изображение КП будет нечетким, смазанным. Таким образом, встает вопрос о зависимости разрешающей способности системы от скорости движения вагона. Необходимо, чтобы на максимальных скоростях движения разрешающая способность была достаточной для определения с необходимой точностью положение КП с учетом его диаметра.

Диаметр наиболее часто используемой марки провода равен 14 мм. Будем считать, что определение положения КП с точностью 2 мм будет вполне достаточным (это составляет примерно 14% от диаметра КП). При современном уровне развития железных дорог нашей страны максимальная скорость движения поездов редко превышает 150 км/ч. Задаваясь в качестве максимальной скорости V величиной, равной 50 м/с (180 км/ч), мы с запасом перекроем диапазон изменения скоростей движения. Определим необходимую частоту взятия отсчетов (считывания кадра с камеры) с учетом среднего расстояния между опорами и максимально-возможного зигзага КП между ними. Если считать, что среднее расстояние между опорами 40 м, а максимально возможный зигзаг 80 см, то, беря во внимание выбранную нами разрешающую способность, получаем, что отсчеты необходимо брать через интервал l равный 0,1 м. Далее несложно подсчитать искомую величину периода считывания кадра T=l/V=2 мс.

3.2 Тарировка системы

Рассмотрим левую и правую камеры, геометрические расчеты для которых будут дуальны из-за симметричного расположения относительно оси движения вагона-лаборатории. Методика тарировки системы предполагает расположение имитаторов контактных проводов с известными заранее координатами в пределах наблюдаемой области. Тарировка системы проводится по четырем псевдопроводам для учета возможной нелинейности поля зрения оптической системы ПЗС камеры. Конечным результатом тарировки является таблица котангенсов углов визирования, где каждому углу визирования ставится в соответствие определенный отсчет полученного кадра ПЗС камеры. По заданным координатам, решая треугольники, вычислим углы подвеса псевдопроводов:

.

Аппроксимируем функцию зависимости углов лучей C визирования от отсчетов S линейки ПЗС C=F(S) кривой третьего порядка:

C=A₀+A₁*S+A₂*S²+A₃*S³.

С помощью полученных отсчетов от ПЗС камеры найдем коэффициенты уравнения, подставив отсчеты в систему уравнений:

C₀=A₀+A₁*S₀+A₂*S₀²+A₃*S₀³

C₁=A₀+A₁*S₁+A₂*S₁²+A₃*S₁³

C₂=A₀+A₁*S₂+A₂*S₂²+A₃*S₂³

C₃=A₀+A₁*S₃+A₂*S₃²+A₃*S₃³.

В качестве примера найдем коэффициент A₀=D/D₀ использую правило Крамера [6]. Где D определитель матрицы четвертого порядка:

.

А D₀ определитель матрицы четвертого порядка:

.

В реальных условиях для заполнения таблицы используется не сам угол, который с практической точки зрения мало интересен, а его котангенс, который и используется для вычисления декартовых координат КП (смотри выше):

.

Выполним аналогичные расчеты для средней камеры (рис. 3.9.).

Вычисляя углы подвеса псевдопроводов, решим симметричные треугольники:

.

Все остальные расчеты аналогичны боковым ПЗС камерам. Результатом является таблица, где каждому отсчету ставится в соответствие тангенс угла подвеса КП:

.

3.3 Расчет точностных характеристик системы

Данный подраздел посвящен определению погрешности измеряемых системой координат положения КП (Hп, Lп). Отсчеты углов визирования КП двумя камерами являются случайными независимыми величинами. Дисперсия оценки угловых координат КП M₂() зависит от углового разрешения ПЗС камер, т.е. от количества ячеек линейки ПЗС [7], [8].

Найдем дисперсию нормированного смещения КП:



где

Найдем частную производную смещения l по углу ₁:

Отсюда получаем выражение для дисперсии:

. (3.6)

Найдем дисперсию нормированной величины высоты:

Найдем частные производные высоты h по углам :

Отсюда получаем выражение для дисперсии:

(3.7)

Из формул (3.1) и (3.2) мы получаем следующие выражения:

Подставляя эти выражения в формулы (3.6) и (3.7) получим окончательные выражения для дисперсий:

, (3.8)

(3.9)

Будем считать, что дисперсия углов визирования M₂():

где

При известных размерах области наблюдения: H_max=3146 мм, H_min=1646 мм, S=1000 мм, L=700 мм и количестве элементарных ячеек ПЗС камеры N=2048 по формулам (3.8) и (3.9) рассчитаем точностные характеристики [8], [9].

3.4 Энергетический расчет измерительной системы определения положения контактного провода

Каждая применяемая в системе ПЗС камера имеет в качестве оптической системы фотографический объектив. Рассчитаем требуемые параметры объектива с учетом геометрии и размеров наблюдаемой области. Найдем угол поля зрения для боковых камер.

Решим треугольник ABC и найдем угол ₃:

.

Решим треугольник ADE и найдем угол ₂:

.

Из вычисленных углов найдем искомый:

.

Выполним аналогичные расчеты для средней ПЗС камеры.

Решим треугольник ABC и найдем угол ₂:

.

Отсюда находим угол поля зрения средней ПЗС камеры:

.

Размер ячейки чувствительного элемента выбранной ПЗС линейки ILX703A фирмы SONY равен 14 на 14 мкм, количество ячеек 2048. Отсюда получаем, что длина элемента равна 29 мм. Вычислим необходимое фокусное расстояние объектива:

мм.

Похожее фокусное расстояние имеет объектив фотографический «МИР-1В», с F=37.4 мм.

В светлое время суток (дневной режим) объекты (контактные провода) наблюдаются в негативе на общем фоне небесной сферы. Порог обнаружения полезного сигнала поддерживается на уровне 1/5 по отношению к величине напряжения уровня фона. Определим уровень спектральной светимости фона неба, необходимый для обнаружения полезного сигнала с достаточным отношением сигнал/шум при стандартном значении чувствительности фотоприемника ПЗС камеры. Для этого найдем напряжение, создаваемое на выходе фотоприемника световым потоком от фона неба, падающего на элементарную ячейку ПЗС линейки. Рассчитаем диаметр входного зрачка объектива D:

мм,

где O - относительное отверстие при полностью открытой диафрагме.

Вычислим площадь входного зрачка объектива A:

м².

Полоса пропускания оптического фильтра в нашем случае равняется ширине видимого спектрального диапазона 2000 A.

Угол зрения одной ячейки ПЗС линейки:

рад.

Поле зрения одной ячейки ПЗС линейки:

срад.

Найдем мощность светового потока, падающего на ячейку линейки с учетом того, что спектральная светимость фона неба B меняется в диапазоне 10^-6…10^-2 Вт/срад*м²*A:

Вт.

Вычислим энергию светового потока падающего на ячейку за время экспозиции T_э:

Дж.

Рассчитаем напряжение, пропорциональное падающему световому потоку:

В,

где S площадь ячейки ПЗС линейки S=0.196*10^-5см²,

R чувствительность линейки R=7 В*см²/мкДж.

Шумовой фон линейки в темноте в вольтах:

.

Для получения вероятности ложной тревоги порядка 10^-6 выберем отношение сигнал/шум q равное 50, отсюда получаем V_ф.пор.=9*10^-3. В вечернее и ночное время суток при меньших освещенностях обнаружение сигнала от КП с заданной достоверностью невозможно. Для сохранения работоспособности системы в ночное время используется искусственная подсветка наблюдаемых объектов.

Произведем энергетический расчет для осветителей (фар) с галогенными лампами мощность 100 Ватт. Оптическая мощность излучаемая ими будет равна:

.

Диаграмма направленности осветителей сформирована так, что по направлению движения вагона угол светового пучка равен 5^о (эта величина взята с запасом для облегчения юстировки системы), а в поперечном направлении - 20^о. Для обеспечения освещения во всей зоне расположения КП установлено пять излучателей. Рассчитаем освечиваемое поле для одного осветителя:

.

Вычислим плотность светового потока мощности, излучаемого осветителем:

,

где R - это среднее расстояние до наблюдаемого объекта равное 2.5 метра.

Рассчитаем мощность светового потока, который отражается от наблюдаемого объекта в поле зрения одной ячейки ПЗС линейки:

.

В связи с тем, что не вся мощность светового потока переотражаемая наблюдаемым объектом попадает на ячейку произведем ее расчет:

.

По результатам проведенных выше расчетов можно сделать вывод, что мощности осветителей достаточно для приема полезного сигнала с необходимым отношением сигнал/шум. Мощность светового потока от неба в дневном режиме (прием сигнала от КП в негативе) P_ф=0.45*10^-9 Вт, а мощность светового потока осветителей, переизлучаемая объектом в ночном режиме (прием сигнала от КП в позитиве) P_осв.пр.=2.49*10^-9 Вт.

3.5 Алгоритм работы ПЗС камеры

Первой задачей, которую необходимо решить в процессе обработки принятого сигнала, является задача выделения полезных импульсных сигналов от КП на фоне сигналов от небесной сферы. Эта задача решается в сигнальном процессоре ТВ камеры с использованием алгоритма медианной фильтрации [10], [11], [12] для каждого считываемого кадра.