Удосконалення методів і засобів підвищення завадостійкості тональних рейкових кіл

Abstract

Саяпіна І.О. Удосконалення методів і засобів підвищення завадостійкості тональних рейкових кіл. ‒ Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.22.20 «Експлуатація та ремонт засобів транспорту» (275 ‒ Транспортні технології). ‒ Український державний університет залізничного транспорту, МОН України, Харків, 2017. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у вирішенні наукового завдання удосконалення методів та засобів підвищення завадостійкості тональних рейкових кіл. Вперше розроблено: - метод підвищення завадостійкості тонального рейкового кола, який дозволяє зменшити вплив завад на колійний приймач в інтервалах між імпульсами інформаційного сигналу; - метод адаптивного керування пристроєм підвищення завадостійкості тонального рейкового кола, який коригує величину затримки сигналу залежно від умов роботи тонального рейкового кола, що дозволяє підвищити точність налаштування захисного часового інтервалу колійного приймача. Удосконалено: - метод прийому амплітудно-маніпульованих сигналів тонального рейкового кола, який, на відміну від існуючих, дозволяє підвищити завадостійкість колійного приймача від вузькосмугових завад. Знайшла подальший розвиток: - імітаційна модель тонального рейкового кола, яка, на відміну від існуючих, дає можливість досліджувати характер розповсюдження інформаційних сигналів у тракті передачі при різних умовах експлуатації і оцінити їх часові залежності. Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані методи підвищення завадостійкості тональних рейкових кіл (ТРК) можуть бути впроваджені на діючих ділянках залізниць України, обладнаних ТРК з централізованим розміщенням обладнання без істотних змін у конструкції апаратури. Вони дозволять підвищити завадостійкість колійного приймача та нададуть можливість зменшити кількість відмов ТРК, що викликані впливом завад на колійний приймач, у результаті чого зменшаться експлуатаційні витрати, пов'язані з простоєм поїздів, а також дорожньо-транспортними пригодами за участю людей, вантажів і технічних засобів. Результати дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі кафедри електротехніки та електричних машин, кафедри автоматики та комп'ютерного телекерування рухом поїздів, а також Навчально-наукового інституту перепідготовки та підвищення кваліфікації кадрів УкрДУЗТ при підготовці фахівців служб сигналізації та зв'язку. Основні результати роботи передані для впровадження до регіональної філії "Південна залізниця" ПАТ "Укрзалізниця", що підтверджується відповідними актами впровадження, які наведені в додатках до дисертаційної роботи. Їх упровадження дає можливість підвищити завадостійкість колійного приймача ТРК і, як наслідок, безпеку процесу перевезень, зменшити кількість відмов, розмір експлуатаційних витрат і попередити аварії й втрати вантажів. За темою дисертації опубліковано 22 наукові праці, у тому числі 8 наукових статей (з них 5 – без співавторів) у фахових виданнях, затверджених МОН України, з яких 5 включені до міжнародних наукометричних баз, 2 патенти на винахід, 1 патент на корисну модель та 11 тез доповідей на наукових конференціях. Основний зміст роботи. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, відображено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, методи дослідження, особистий внесок здобувача, відомості про публікації, структуру та обсяг дисертації. Перший розділ присвячено аналізу основних чинників, що негативно впливають на роботу ТРК, та існуючих підходів щодо зменшення даних впливів і підвищення завадостійкості ТРК. Близько 20 % відмов систем СЦБ становлять відмови рейкових кіл (РК). Основним проблемним елементом у них є ізолюючі стики (~29 % відмов РК) і стикові з'єднувачі (~18 % відмов РК). Важливою перевагою використання ТРК є відсутність цього ненадійного елемента. Окрім ізолюючих стиків, відмови часто виникають через закорочування ТРК (~16 %), злам рейки та вплив сторонніх завад (~12 %), що порушує нормальну роботу режимів ТРК і може призвести до аварій. Подальше погіршення електромагнітної сумісності внаслідок збільшення кількості чинників, що негативно впливають на умови роботи ТРК, поява завад у робочому діапазоні частот при впровадженні перспективного електрорухомого складу потребує подальших заходів щодо захисту ТРК від завад. Другий розділ присвячено дослідженню характеру розповсюдження сигналів у тракті передачі ТРК. На основі відомої схеми заміщення і закономірностей розповсюдження сигналів у рейковому колі розроблена імітаційна модель тракту передачі ТРК, яка дозволила дослідити характер поширення інформаційних сигналів у ТРК при різних умовах експлуатації і оцінити їх часові залежності. На підставі методів математичної статистики з використанням критеріїв Манна-Уїтні, Фішера і Стьюдента з довірчою ймовірністю 95 % доведена адекватність моделі. Отримано часові характеристики проходження сигналу з виходу колійного генератора на вхід колійного приймача при зміні частоти несучого сигналу (для діапазонів несучих частот ТРК-3), довжини рейкової лінії (від 0,2 до 1 км) і опору ізоляції (від 0,12 до 50 Ом7км). Мінімальний час проходження сигналу 0,246 мс відповідає сигналу з частотою 780 Гц при довжині рейкової лінії 0,2 км і опорі ізоляції 50 Ом. Максимальний час 0,927 мс відповідає сигналу з частотою 420 Гц при довжині рейкової лінії 1 км і опорі ізоляції 0,85 Ом. Середнє значення часу проходження сигналу становить 0,4565 мс, середньоквадратичне відхилення ‒ 0,1453 мс і дисперсія ‒ 0,0211 мс 2 . Зміна фази сигналу при проходженні рейкової лінії прямо пропорційна довжині рейкової лінії, частоті сигнального струму і обернено пропорційна опору ізоляції. Результати моделювання використані в процесі навчання нейронних мереж при реалізації адаптивного методу керування пристроєм підвищення завадостійкості ТРК. Третій розділ присвячено розробленню імітаційної моделі тракту передачі ТРК з можливістю аналізу впливу асиметрії тягового струму, імпульсних і флуктуаційних завад на його роботу, а також моделюванню запропонованого методу підвищення завадостійкості ТРК. Запропонована модель, що враховує одночасний вплив зворотного тягового струму, флуктуаційних та імпульсних завад на роботу ТРК. Отримані значення потужності багатокомпонентних завад при електрифікації ділянки постійним і змінним струмом показують, що при несприятливих умовах потужність завади може перевищити потужність сигналу, в результаті чого співвідношення сигнал/завада складе -1,22 дБ і -2,1 дБ відповідно. Розроблено метод підвищення завадостійкості ТРК, на основі якого удосконалено пристрій, що передбачає уведення до ТРК регульованої лінії затримки, генератора одиночного імпульсу і керованого електронного ключа. Запропонований метод запобігає можливості збудження колійного приймача внаслідок впливу завад в інтервалах між імпульсами сигнального струму. Аналіз співвідношень сигнал/завада на вході колійного приймача при використанні запропонованого методу показує, що при дії відомих завад від тягового струму він дозволяє підвищити співвідношення сигнал/завада на вході колійного приймача від 10% до 30% в залежності від параметрів завад і рівня корисного сигналу, а при дії імпульсних і флуктуаційних завад ‒ від 8% до 23% при рівні корисного сигналу 1,25 В. Удосконалено пристрій прийому амплітудно-маніпульованих сигналів ТРК, який дозволяє підвищити завадостійкість колійного приймача від впливу вузькосмугових завад. Запропонований пристрій передбачає одночасну перевірку наявності необхідного рівня сигналу контролю стану РК і перевірку на наявність вузькосмугових завад з робочою частотою корисного сигналу. Четвертий розділ присвячено розробленню нейромережевої моделі адаптивного пристрою керування лінією затримки, що входить до складу пристрою підвищення завадостійкості ТРК. Метод адаптивного керування пристроєм підвищення завадостійкості ТРК дозволяє підвищити точність налаштування захисного часового інтервалу, протягом якого на вхід колійного приймача не надходять завади, і адаптувати роботу пристрою в разі зміни параметрів сигналу. Це досягається за рахунок коригування часу затримки під конкретні умови роботи ТРК завдяки використанню нейронних мереж. При цьому враховується частота несучого й модулюючого сигналів, довжина ТРК і коливання опору ізоляції рейкової лінії. Модель містить у своєму складі 5 нейронних мереж. Середньоквадратична помилка на навчальній вибірці склала 1,54710-4, 5,87710- 5 , 2710-4, 4,58710-5 і 1,74710-4 відповідно до кожної з мереж. Проведено техніко-економічне оцінювання впровадження результатів дисертаційної роботи, яке довело, що термін окупності впровадження запропонованого методу підвищення завадостійкості ТРК становить 2,25 року, а загальна сума економічного ефекту від застосування його протягом десяти років складе 68,991 тис. грн.