В. В. БУРЧЕНКОВ Автоматизация контроля технического состояния подвижного состава

линии). Анализ кривых показывает, что при высоких порогах настройки аппаратуры ( Тко > 18 °С) результаты расчетов по формулам (1.3) и (1.7) 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.

							Тк
		10		15	20						35
							25			C
		0
			0,8
1		. 10-1
Pн, Pпер			0,6
	1	. 10-2
					3
		. 10-3	0,4
1
									2

1. 10-4 0,2

1

Pп

Рисунок 1.8 – Вероятность попадания в макет данных из множества нормально греющихся букс (1), перегретых букс (2), суммарного (3)

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 поезда от постового оборудования до предвходного сигнала станции прием данных контроля, извещение дежурного по станции о необходимости остановки поезда (в случае обнаруже-

21

ния в нем перегретых букс) и выполнение всех операций, связанных с остановкой поезда в пределах станций.

Nср,
Nmax
4
3
2
1.103
5
4
3
									3
2
							2
					1
1.102
5
4
3
			12										Тк, С
10					14		16		18

Рисунок 1.9 – Средние и максимальные объемы данных, подлежащие передаче при автономных режимах работы аппаратуры контроля букс:1 – Nб = 400; 2 – Nб = 800; 3 – Nб = 1600

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:

tmax	(Lmin lï Vmaxt	1	)	,	(1.9)
	Vmax

где Lmin – минимально допустимое удаление постового оборудования от входного сигнала, км;

lп – длина поезда, км;

vmax – максимальная скорость движения поезда, км/ч;

t1 – время выполнения операций по изменению порядка приема по-

езда (t1 ≈ 0,01 ч = 0,6 мин).

22

Результаты расчетов, выполненные по формуле (1.9) для различных значений Lmin, показаны на рисунке 1.10.

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

В таблице 1.3 показано время, необходимое для передачи заданного объема информации , бит, при различных скоростях передачи.

Таблица 1.3 – Длительность передачи данных

Объем передачи, бит					Длительность передачи, с при скорости, бит/с
			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
400
	C
300
											9
200
											7
tmax
100
											5
										L=3 км
060
			80		100				120		140 км/ч 150
					vn

Рисунок 1.10 – Максимально возможное время, которое можно затратить на передачу информации в зависимости от скорости

движения поезда и удаления постового оборудования

Как следует из приведенной таблицы, необходимый для нормального функционирования системы контроля букс объем данных (200–500 бит в за-

23

висимости 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 данных составляет Nд = 10

бит (см. таблицу 1.3,), 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 завышен-

ной. Если вероятность искажения элементарной посылки равна Ри, а среднее число элементарных посылок в сообщении, определенное по формуле (1.3), равно Nср, то вероятность возникновения ошибки в сообщении при его передаче:

P	1 (1 Ð ) N .	(1.10)
îøï	è

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:

Pïêá (P(H ) P(H / H ) P(Ï ) P(Ï / Ï ).

(1.11)

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 греющих-

24

ся (перегретых) букс образуют полную совокупность событий, то вероятность ошибки при автоматическом распознании греющихся букс:

Pîø (P(H) (1 P(H / H)) P(Ï ) (1 P(Ï / Ï )).

(1.12)

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

Pîø (P(H ) Pëò P(Ï ) Pïð .

(1.13)

Потребуем, чтобы вероятность ошибки при передаче была хотя бы на порядок меньше вероятности ошибки при распознавании греющихся букс

Рош, вычисленной по формуле (1.13), т. е. потребуем выполнения условия

		1 (1 Ð )N ñð 0,1 Ð .					(1.14)
			è	îø
Из формулы (1.14) получим выражение для определения допустимой
вероятности искажения элементарной посылки:
				1
		Ð 1 (1 0,1 Ð		) Nñð .			(1.15)
		è	îø
Вероятность принятия ошибочного решения в поезде, состоящем из 50
вагонов, Р	ош	≈ 1 10-1. Если задаться значением N					= 200 бит, то при пере-
						ср

даче данных контроля поезда допустимая вероятность искажения элементарной посылки может быть Ри ≤ 1 10-5.

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 ≤ 1 10-5.

1.6 Разработки ведущих железнодорожных компаний Западной Европы для скоростных линий

Австрийская компания «Ferst alpine» освоила производство аппаратуры для пунктов обнаружения перегретых букс в движущихся поездах типа VA-HOA 350. Аппаратура обнаружения перегретых букс, состоящая из на-

25

польного и постового комплектов рассчитана на многолетнюю непрерывную эксплуатацию в разных климатических условиях. Она устойчива к механическим воздействиям и электромагнитным влияниям. Минимальная погрешность измерения обеспечивает надёжное определение состояния буксового узла.

У системы HOA 350 зона измерения на буксе определяется сложной настройкой оптической системы, воспринимающей поток инфракрасного излучения. Контролируемая зона буксы чётко определяется узконаправленной оптической системой, обеспечивающей минимум дисперсии контролируемой площади. Контактные рельсовые датчики производят счёт осей. Кроме того, с их помощью по соответствующему сигналу, преобразованному в цифровую форму, осуществляется индикация информации о фокусировке приемных камер на измерительные зоны левой или правой букс. Величина потока измеряется, регистрируется и обрабатывается только во время нахождения поезда на контрольном участке. Излучение от контролируемой зоны попадает на зеркало, совершающее колебания. Колебания обеспечивают сканирование буксы в поперечном и окружном направлениях с частотой 5–6 кГц. Ширина зоны сканирования около 80 мм. В конце каждого полупериода измерительная зона ориентируется по отношению к приёмной камере посредством оптической автоколлимации так, чтобы термоэлектрическое охлаждение, основанное на эффекте Пельтье, поддерживало температуру на постоянном уровне (–30 0С). Благодаря этому на измерения не влияет температура окружающего воздуха.

Управление электронным оборудованием осуществляет микропроцессор, допускающий перепрограммирование. Большое количество измеряемых величин может обрабатываться и для высокоскоростных поездов. Быстродействие обеспечивается за счёт малого времени срабатывания приёмника излучения и высокого быстродействия аналого-цифрового преобразователя. При скорости поезда 350 км/ч может быть реализовано два полных цикла сканирования с измерением десяти величин при каждом сканировании, что позволяет точно определить температуру буксы. Большой объём измеряемой информации обеспечивает точность диагностики. Температуры левого и правого подшипников каждой колёсной пары вводятся в запоминающее устройство вместе со всеми реквизитами контролируемого поезда.

Когда поезд уходит из контрольной зоны, все функции приёмника подвергаются контролю и записанные в память данные проверяются на достоверность. Таким образом выявляется неправильная настройка аппаратуры. Это упрощает обслуживание и контроль состояния напольных и постовых устройств.

Фирмы «CS Transport» и «Signaltechnik GmbH» разрабатывают и произ-

водят системы контроля за перегревом букс (НОА) и заклинивших тормозов (FОA). Они предлагают сегодня целое семейство систем для любых условий

26

эксплуатации, начиная от низкоскоростных грузовых поездов и вплоть до высокоскоростных пассажирских. Эта группа фирм является ведущей в мире в области регистрации температуры на высокоскоростных поездах, поэтому ее оборудование установлено как на высокоскоростных магистралях для поездов «Intercity-Express» в Германии, так и AVE в Испании и TGV во Франции.

При приближении поезда измерители переключаются из ждущего режима в режим измерения. Крышка измерителя открывается и часть инфракрасного (ИК) излучения отражается во вращающемся зеркале и проходит через систему кремниевых линз. ИК-луч модулируется с помощью механического прерывателя. В измерителях типа НОA 88/FOA 85 частота модуляции составляет 3000 Гц, а в измерителях HOA/FOA 90S – 6000 Гц. Этот механический модулятор является частью устройства обратного отражения, которое использует в качестве эталона для измерений низкую высокостабильную опорную температуру (–30 °С). С помощью линзовой системы ИКлуч фокусируется на чувствительном элементе ИК-детектора, который преобразует излучаемую энергию в электрический аналоговый "температурный" сигнал.

Путевое электронное устройство, управляемое микропроцессором, выполняет основные функции контроля, управления и оценки результатов для измерительных устройств.

Передача данных (до скорости 9600 Бод) осуществляется по стандартным каналам передачи данных с использованием модемов и стандартных протоколов передачи данных. Стандартные интерфейсы гарантируют возможность объединения в сеть нескольких измерительных постов HOA/FOA. Кроме этого они могут включаться в автоматизированную систему контроля магистралей или в интегрированную компьютерную сеть железнодорожного транспорта (Computer integrated Railroading, CIR-сеть).

Места установки аппаратуры выбираются таким образом, чтобы расстояние между ними было в среднем около 33 км. Данные от максимально четырех, следующих друг за другом, измерительных пунктов передаются через систему пакетной коммутации Х25 в центральный информационноуправляющий блок.

Обнаружители нагрева букс и заклинивших тормозов типа HOA/FOA 90S активно внедряются европейскими железными дорогами, которые эксплуатируют высокоскоростные магистрали (Немецкие, Французские и Испанские железные дороги). Туннель под Ла-Маншем и примыкающие к нему магистрали также оборудованы этими установками. В общей сложности 42 установки HOA/FOA контролируют буксы всех типов поездов, идущих по линии Лондон–Париж.

27

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

2.1Модели аппаратуры контроля буксовых узлов

Вмировой практике имеются различные модели аппаратуры контроля, работа которых основана на измерении температуры корпусов букс. В примерный состав аппаратуры (рисунок 2.1) входят правое и левое считывающие устройства 1 (напольные камеры), которые содержат приемные капсулы 2 и приемники инфракрасного излучения с оптической системой 3.

		4	5	6
	3			7
1	2
				В систему ЭЦ
	9	8
10		11		13	14
	12
				15
				Линия связи
Постовое оборудование				Станционное оборудование

Рисунок 2.1 – Упрощенная структурная схема аппаратуры контроля колес

Каждое считывающее устройство устанавливается на фундамент 9. Узконаправленная оптическая система считывающего устройства выполнена из материала, пропускающего инфракрасное излучение (германий, трехсернистый мышьяк, йодисто-бромистый калий), и ориентирована на заднюю по ходу движения поезда стенку корпуса буксы (см. рисунок 2.1, штриховая линия). При выборе углов ориентации оптической системы учитываются исключение из контроля посторонних нагретых предметов (тормозных колодок, ободов колес), защита оптики от «взглядов» на солнце и фон неба.

При прохождении по участку контроля (участок размещения считывающих устройств) колесных пар 6 локомотива и вагонов поезда каждая оп-

28

тическая система «осматривает» сначала раму вагона или тележку 5, а затем заднюю стенку корпуса буксы 4.

Принимая излучения рамы вагона и корпуса буксы, приемник вырабатывает электрический сигнал, который усиливается приемной капсулой и подается по кабелю к устройствам 10 постового оборудования. Постовое оборудование аппаратуры контроля располагают в специальном помещении или контейнере вблизи участка контроля (4–10 м от оси пути).

В зоне, где приемная оптика «осматривает» заднюю стенку корпуса буксы, на рельс 7 устанавливается датчик прохода колес 8, который вырабатывает электрический сигнал в момент контроля буксового узла. Сигнал с датчика поступает на устройства 11 постового оборудования. Дальнейший процесс работы аппаратуры контроля зависит от того, построена она по принципам систем телеизмерения или телесигнализации. При построении аппаратуры по принципам телеизмерения далее передается и регистрируется непрерывный ряд значений измеряемой величины. Устройство 10 нормирует сигналы от букс по длительности, а устройство 11 вырабатывает сигналы счета осей (колес) и стробирующий импульс, по которому аппаратура передачи данных (АПД) 12 воспринимает сигналы с выхода устройства 10. Длительность импульса стробирования должна быть больше времени контроля буксы. В результате кратковременного открытия входа аппаратуры передачи данных на время прохода буксы удается исключить из контроля посторонние нагретые части подвижного состава.

С помощью АПД сигналы от букс и счета осей передаются по линии связи к станционному оборудованию и после приема их комплектом АПД 15 выдаются на регистратор 14. Сигналы от букс фиксируются в виде цифровых уровней пропорциональных температуре корпусов букс. Оценка аварийного состояния буксового узла производится пороговыми устройствами, а подсчет количества осей и вагонов до перегретой буксы осуществляется специальными счетчиками.

Станционное оборудование аппаратуры контроля, работающей по принципам систем телеизмерения, может дополняться устройствами аварийной сигнализации и автоматическими указателями 13. Последние распознают перегретые буксы по определенным признакам сигналов (амплитуде, отношению или разности амплитуд сигналов двух букс одной колесной пары) и выдают обслуживающему персоналу информацию о наличии и расположении перегретых букс в поезде. Участок размещения напольных устройств аппаратуры контроля выбирается с таким расчетом, чтобы было достаточно времени на обработку регистрируемой информации и остановку поезда в пределах станционных путей. Расстояние от станции до места установки напольных устройств выбирается в пределах 3–10 км.

При работе аппаратуры контроля по принципам систем телесигнализации на станцию передаются только дискретные сообщения об аварийном

29

состоянии объекта контроля (буксы), Устройства 10 автоматически распознают сигналы от перегретых букс по определенным признакам, а устройства 11 вырабатывают кодовое значение текущего номера проконтролированной оси или физической подвижной единицы. В момент обнаружения перегретой буксы с помощью АПД передается, а с помощью устройств 14 регистрируется информация о наличии и расположении перегретых букс в поезде. В качестве регистратора используются запоминающие устройства, принтеры, цифровые индикаторы и др.

К преимуществам аппаратуры контроля, построенной по принципам систем телеизмерения, относится простота построения постового оборудования, наглядность и достаточно высокая информативность регистрируемых данных, а к недостаткам – сложность применения специальных аналогоцифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также дешифраторов. Использование «принципов телесигнализации» приводит к усложнению постового перегонного оборудования и к снижению информативности регистрируемых данных. Поэтому при разработке устройств автоматического распознавания перегретых букс, стремятся к усложнению алгоритмов обработки сигналов с целью повышения информативности регистрируемых данных.

Основные требования для современной аппаратуры контроля букс – это высокая надежность работы, простота обслуживания, большой диапазон скоростей движения контролируемых поездов, большой температурный диапазон работы оборудования, высокий уровень автоматизации обработки

ивыдачи результатов контроля, документальность регистрируемых данных

иих высокая информативность.

2.2Устройства напольного оборудования средств контроля

Всостав напольного оборудования (рисунок 2.2) входят две или четыре напольные камеры 2 и 10, расположенные по двум сторонам колеи, универсальные кабельные муфты 3 и 5, путевая коробка 4, ограждения напольных камер 1 и четыре датчика прохода колес 13. Все устройства напольного оборудования устанавливаются с учетом требований габарита «С» приближения строения.

Размещение устройств показано на рисунке 2.2. Каждая напольная ка-

мера устанавливается на специальную металлическую раму 7, которая крепится к бетонному фундаменту 6. Установочные размеры напольных камер относительно рельсов определяются углом ориентации оптической системы и расположением контролируемого участка буксового узла по отношению к элементам пути. Расстояние до зоны контроля составляет 520 мм по высоте от головки рельса и 400 мм в горизонтальной плоскости от внутренней грани головки рельса (точка настройки оптики). Наилучший обзор выбранного участка контроля обеспечивается при углах ориентирования оптической

30