Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор систем оповещения о приближении поезда 12
1.1 Системы речевого оповещения с приоритетом роли оператора 14
1.2 Системы оповещения, использующие сигналы железнодорожной автоматики и телемеханики 16
1.3 Координатные системы оповещения 20
1.4 Переносные автономные системы оповещения с датчиками, соединенными с системой радиоканалом 22
1.5 Централизованные системы информирования и оповещения 24
1.6 Сосредоточенные дистанционные системы оповещения 25
1.7 Выводы по главе 1 .26
1.8 Постановка задач диссертационного исследования 31
Глава 2. Разработка алгоритмов обнаружения сигнала приближающегося поезда .34
2.1 Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Нарастание амплитуды сигнала при приближении поезда .34
2.2 Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Источники виброакустических колебаний при приближении поезда
2.2.1 Регулярные источники шума приближающегося поезда 38
2.2.2 Нерегулярные источники шума движущегося поезда
2.2.2.1 Скрежет от подвижного состава при прохождении кривых .47
2.2.2.2 Удары о стыки 53
2.2.2.3 Волнообразный износ рельса 54
2.2.2.4 Неравномерность колес .55
2.3 Исследование свойств железнодорожного пути .55
2.4 Собственный шум рельса и помехи в точке установки системы
оповещения на рельсе 65
2.5 Алгоритмы обнаружения приближающегося поезда 70
2.5.1 Полосно - энергетический алгоритм 70
2.5.2 Энтропийный алгоритм обнаружения сигнала поезда для повышенных шумов 73
2.5.3 Энтропийно - разностный алгоритм обнаружения поезда, движущегося по кривой 77
2.6 Выводы по главе 2 .78
Глава 3. Структурная и принципиальная схема автономного устройства оповещения о приближении поезда .80
3.1 Структурная схема устройства оповещения с учетом внешних воздействий 81
3.2 Требования к оборудованию устройства оповещения о приближении поезда с учетом высокой функциональной безопасности .83
3.3 Разработка узла приема виброакустических колебаний рельса 84
3.4 Структурная схема устройства оповещения о приближении поезда 87
3.5 Описание принципов построения и работы устройства оповещения .88
3.6 Описание схемы электрической принципиальной .99
3.7 Результаты испытаний устройства оповещения «Сигнализатор-П»..104 3.8 Выводы по главе 3 .108
Глава 4. Методика оценки функциональной безопасности устройства оповещения о приближении поезда
4.1 Обоснование безопасности принципов работы устройства оповещения о приближении поезда 112
4.2 Методика определения помехоустойчивости обнаружения поезда. Способы повышения помехоустойчивости .113
4.3 Расчет функциональной безопасности дублированной структуры устройства оповещения .131
4.4 Выводы по гл. 4... 132
Заключение .133
Литература
- Системы оповещения, использующие сигналы железнодорожной автоматики и телемеханики
- Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Источники виброакустических колебаний при приближении поезда
- Требования к оборудованию устройства оповещения о приближении поезда с учетом высокой функциональной безопасности
- Методика определения помехоустойчивости обнаружения поезда. Способы повышения помехоустойчивости
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Рост интенсивности движения по железным дорогам обуславливает необходимость обслуживания путей без прекращения движения поездов. Выполнение работ на путях ОАО «РЖД» в таком режиме приводит к наездам поездов на работников, что является одним из основных источников их травматизма. Актуальность темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки высоконадежной системы оповещения о приближении поездов на перегонах, повышающей безопасность работы малочисленных бригад. Мероприятия по предупреждению наездов подвижного состава на работающих в зоне железнодорожных путей отражены в «Положении об обеспечении безопасной эксплуатации технических сооружений и устройств железных дорог при строительстве, реконструкции и (или) ремонте объектов инфраструктуры ОАО «РЖД» от 27.02.2012 г., №395-р.
Для оповещения работающих на станциях традиционно используются сообщения дежурного по станции по системе громкоговорящей связи, а на перегонах – ограждение мест работ сигналистами, которые оповещают руководителя работ с помощью носимых радиостанций. Указанные способы оповещения по вине человеческого фактора имеют более высокую интенсивность отказов, чем автоматические средства.
В РФ на ряде станций в настоящее время безопасность работников обеспечивается стационарными автоматизированными системами оповещения, которые используют сигналы от существующих систем сигнализации-централизации-блокировки (СЦБ). Однако большинство средств СЦБ, введенных до 1990 года, не удовлетворяют современным требованиям комплексной автоматизации перевозок и сдерживают внедрение новых информационных технологий.
Инновационное развитие ОАО «РЖД» осуществляется в соответствии с задачами, которые определены «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года », утверждённой распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008, №887 - р, а также « Стратегическими направлениями научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года ( Белая книга ОАО «РЖД ») » и «Концепцией единой технической политики холдинга «РЖД» от 18.07.2009. Решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям (протокол от 03.08.2010 №4 п.4) перед ОАО «РЖД» поставлена задача разработки и реализации дополнительных программ инновационного развития, что привело к включению исследования и разработки переносной системы оповещения в программу инновационного развития и план научно-технической работы ОАО «РЖД».
Степень разработанности темы исследования. Описание основных принципов построения перспективных и эксплуатируемых в РФ систем оповещения приведено в работах Ульянова В.М., Меламеда Ю.И., Жукова В.И., в работах специалистов НИИАС, являющегося профильным по вопросам безопасности на железнодорожном транспорте: Алабушева И.И., Ананьева Д.В., Андриенко В.С., Блиндера И.Д., Новикова В.Г. Проведенный анализ показал актуальность создания систем оповещения, не использующих сигналы СЦБ и не
содержащих устройств радиосвязи. Наиболее перспективным методом обнаружения приближающегося поезда является метод анализа виброакустических колебаний рельса.
В работе D.J.Thompson приведены исследования возникновения и распространения виброакустических колебаний в рельсе при движении поезда. Отечественная научная литература по этой теме представлена работами сотрудников НИИАС и отраслевых университетов.
Поскольку все компоненты системы оповещения должны обладать высокой функциональной безопасностью (ФБ), в том числе метод обнаружения приближающегося поезда, то для подтверждения ФБ необходимы расчеты параметров, основанные на научно обоснованной методике расчетов. Такой методики на момент проведения диссертационных исследований не существовало.
Автономное устройство оповещения о приближении поезда, разработанное на основе проведенных в диссертационной работе исследований, решает задачи обеспечения безопасности на перегонах рабочих малочисленных бригад и повышения производительности их труда.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является разработка алгоритмов и устройств системы оповещения о приближении поезда по виброакустическим колебаниям рельса, повышающих функциональную безопасность систем оповещения.
Для достижения поставленной цели исследования в работе решены следующие задачи:
1. Исследование и сравнительный анализ принципов построения современных
систем оповещения о приближении поезда.
-
Анализ виброакустических колебаний рельса с целью выделения закономерностей и их классификации.
-
Разработка и исследование алгоритмов, повышающих надежность обнаружения приближающегося поезда.
-
Разработка и исследование устройства оповещения о приближении поезда с повышенной функциональной безопасностью.
-
Экспериментальная проверка устройства оповещения о приближении поезда. 6.Разработка методики и исследование функциональной безопасности устройства оповещения.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа, теории надежности, цифровой обработки сигнала, теории вероятности и математической статистики, методы анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.
Объектом исследования диссертационной работы являются системы оповещения о приближении поезда.
Предметом исследования диссертации являются алгоритмы и устройства систем оповещения о приближении поезда по виброакустическим колебаниям рельса, повышающие безопасность систем оповещения.
Научную новизну составляют следующие положения:
-
Разработан алгоритм обнаружения поезда по виброакустическим колебаниям рельса, отличающийся повышенной надежностью распознавания поезда, приближающегося по прямой в условиях повышенного среднего уровня шума.
-
Разработан алгоритм обнаружения поезда, отличающийся повышенной надежностью распознавания поезда, приближающегося по кривой.
-
Разработано автономное устройство оповещения, отличающееся использованием цепей самоконтроля положения на рельсе, взаимопроверки датчиков, каналов обработки сигналов и элементов акустической сигнализации для обеспечения высокой функциональной безопасности.
-
Разработана методика оценки функциональной безопасности автономного устройства оповещения, отличающаяся учетом помехоустойчивости алгоритмов обнаружения приближающегося поезда.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Алгоритм обнаружения поезда по виброакустическим колебаниям рельса, отличающийся повышенной надежностью распознавания поезда, приближающегося по прямой в условиях повышенного среднего уровня шума.
-
Алгоритм обнаружения поезда, отличающийся повышенной надежностью распознавания поезда, приближающегося по кривой.
-
Автономное устройство оповещения, отличающееся использованием цепей самоконтроля положения на рельсе, взаимопроверки датчиков, каналов обработки сигналов и элементов акустической сигнализации для обеспечения высокой функциональной безопасности.
-
Методика оценки функциональной безопасности автономного устройства оповещения, отличающаяся учетом помехоустойчивости алгоритмов обнаружения приближающегося поезда.
Достоверность научных положений, выводов и практических
рекомендаций, полученных в диссертационной работе, подтверждается
корректным обоснованием постановок задач, точной формулировкой критериев,
компьютерным моделированием, результатами экспериментальных
исследований, результатами эксплуатации серийно выпускаемых устройств оповещения «Сигнализатор-П».
Практическая ценность. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, используются на практике в составе устройства оповещения о приближении поезда «Сигнализатор-П».
Внедрение результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы внедрены при разработке, изготовлении и вводе в эксплуатацию в ОАО «РЖД» устройства оповещения «Сигнализатор-П». Устройство выпускается серийно ООО «ЦРТ» с 2012 г. Разработанная в диссертационной работе методика оценки функциональной безопасности дублированной аппаратно-программной платформы, а также оценка безопасности устройства оповещения «Сигнализатор-П» по разработанной методике прошли экспертизу по нормативам ОАО «РЖД».
Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре речевых информационных систем Университета ИТМО, при выполнении НИР №713554, этап 4 «Исследование алгоритмов, программных и аппаратных средств
распознавания акустических и виброакустических образов различной природы » и НИР №340725 « Исследование и разработка методов повышения робастности алгоритмов автоматического распознавания русской слитной речи в условиях сложной акустической обстановки в режиме реального времени» (IDRFMEFI57514X0033).
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на VIII Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (2012г., Варна, Болгария), XLIII и XLIV научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО ( 2014г, 2015г., СПб), III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых ( 2014г., 2015г., СПб), Межотраслевом Научно-техническом совете по проблемам систем оповещения (2012 г., Москва), IV Международной научно-практической конференции Некоммерческого партнерства «Объединение производителей железнодорожной техники» (2013 г., Москва). Результаты диссертационной работы включены в отчеты о НИОКР «Рельс» (2012 г., ОАО «РЖД»), «Свирель» (2014г., ОАО «РЖД»).
Личный вклад автора. Основные научные результаты, выносимые на защиту и составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Постановка задач для каждого раздела работы была выполнена автором самостоятельно. В публикациях с соавторами вклад автора был основным.
Публикации по теме исследования. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, из них 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (127 источников), 150 страниц, 40 рисунков, 10 таблиц и 2 приложений.
Системы оповещения, использующие сигналы железнодорожной автоматики и телемеханики
Традиционно в ОАО «РЖД» использовались средства и системы, ориентированные на участие человека в процессе оповещения работников о приближении поезда. Возможно 2 варианта реализации подобных систем: стационарные станционные и автономные системы ограждения места работ.
Большинство железнодорожных станций России оборудовано системами двусторонней парковой связи громкоговорящего оповещения (ПСГО) [105]. ПСГО используется, прежде всего, как средство для передачи информации о маневровых передвижениях подвижного состава по станциям и ближайшим к станциям перегонам. Система ПСГО использует стационарные системы связи: проводные линии связи и громкоговорители. Как выяснилось в результате масштабной ревизии состояния технических средств ОАО «РЖД», большинство технических средств, введенных в эксплуатацию ранее 1990 г., практически непригодны для дальнейшей модернизации и увязки с новыми системами оповещения и управления движением поездов. Комплектующие для ремонта систем ПСГО также недоступны или не производятся.
При работах на перегонах используется принятый еще в СССР порядок ограждения места работ сигналистами, регламентируемый рядом нормативных документов ОАО «РЖД». Сигналисты располагаются по обе стороны от места работ, на безопасном расстоянии, которое жестко определено нормативными документами ОАО «РЖД» и зависит от допустимой скорости приближающегося поезда на данном участке пути.
В системе дистанционного радио - громкоговорящего оповещения (СДРГО) «Элод-160М1», выпускаемой Владимирским заводом «Электроприбор-1», реализованы все функции, которые позволяют рассматривать ее как эффективную и надежную систему организации голосового оповещения и обеспечения безопасности работ. «Элод-160М1»является переносной, с автономным источником питания, при этом может использоваться в составе централизованной системы оповещения. Система удовлетворяет требованиям функциональной безопасности к системам оповещения о приближении подвижного состава, имеет функцию самоконтроля основных электрических цепей и работоспособности громкоговорителей. Руководитель работ может осуществить удаленный контроль состояния системы. Недостаток системы оповещения «Элод-160М1» в том, что она не является автоматизированной: сигналист замечает приближение поезда, нажимает кнопку на рации – радиосигнал поступает на принимающее устройство – вырабатывается сигнал оповещения. Несмотря на большую мощность и высокое звуковое давление громкоговорителей, в результате опытной эксплуатации с участием автора диссертационной работы, работниками на online-форуме были высказаны пожелания дополнить систему оповещения индивидуальными извещателями для каждого работающего.
Следует отметить, что ежедневно работники во время проведения работ на железнодорожных путях подвергаются опасности. Сигналисты, обеспечивающие безопасность работающих на путях, согласно существующего регламента, слишком поздно замечают или вовсе пропускают приближение поездов. Потеря концентрации, переутомление, проблемы со здоровьем повышают риск пропуска момента своевременного оповещения о приближении поезда как со стороны сигналиста, так и со стороны дежурного по станции. Установлено, что травмы чаще возникают не в результате аварий и крушений (до 3%), а в результате воздействия на работников опасных производственных факторов при обычном выполнении технологического процесса [62]. Это обстоятельство указывает на то, что многие технологические процессы железнодорожного транспорта несовершенны с точки зрения взаимодействия системы «человек — объекты инфраструктуры – подвижной состав». Многие ответственные задачи поручены человеку. В то же время, как показывают социологические исследования, человеческий фактор является самым слабым звеном системы. Вероятность отказа человеческого фактора составляет 10-4, что значительно выше вероятности отказа технических систем (например, вероятность отказа микроконтроллера составляет 10-22) [62].
Системы оповещения о приближении поезда, эксплуатируемые в настоящее время на железных дорогах России, являются групповыми и не нацелены на индивидуальное оповещение работников. Сигнал предупреждения об опасности и необходимости удалиться с путей на безопасное расстояние до работника, как правило, доводит сигналист, руководитель работ или дежурный по железнодорожной станции. Налицо человеческий фактор в ситуации с риском аварийной ситуации. Некоторые операции при обслуживании путей, например, обдув стрелок, выполняются вообще без сигналиста или в условиях ограниченной слышимости и видимости. Система обеспечения безопасности сводится к жесткому соблюдению требований нормативных документов. В указанных условиях работник не в состоянии оценить по факту обстановку на путях, что потенциально является источником риска.
Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Источники виброакустических колебаний при приближении поезда
Под скрежетом от подвижного состава при прохождении кривых понимают шум, который производится железнодорожным подвижным составом при прохождении кривых малого радиуса. Скрежет имеет характерные особенности: обычно преобладают чистые тона или узкополосные шумы; длительность любой характерной фазы длится не более 2-5 с; частотный диапазон - от 500 Гц до 8 кГц, в ряде исследований речь идет о частотном диапазоне скрежета 250 Гц —10 кГц. При распространении в рельсе скрежет содержит основные тоны и их гармоники, простирающиеся выше 22 кГц.
Рассматривают 2 вида скрежета: эффект прерывистого контакта и скрежет от контакта гребня бандажа. Для исследования первого режима рассмотрена моторная колесная пара тележки. Перемещаясь в кривой, она стремится к продолжению прямолинейного движения. В результате набегания на наружный рельс гребня колеса колесная пара отжимается внутрь кривой, что приводит к увеличивающемуся изгибу внутреннего колеса. Когда возвращающее усилие внутреннего колеса становится больше силы трения между ним и внутренним рельсом, колесо отклоняется в исходное ненагруженное положение (или снова в такое положение, в котором оно находится в состоянии сцепления с рельсом, поскольку сила трения снова становится больше возвращающей силы). Далее этот процесс многократно повторяется, что вызывает широкополосное возбуждение колеса. Шум в основном генерируется колесом, которое колеблется с собственной частотой. Рельс практически не издает никакого шума. Кроме того, уровень шума почти не зависит от скорости движения. Так как скрежет при прохождении кривых возникает на поверхности катания колеса, то его называют «скрежетом поверхности катания». При прохождении кривых малого радиуса происходит набегание гребня колесного бандажа на наружный рельс. Так как колесная пара стремится и дальше двигаться по прямой, то образуется угол набегания между колесной парой и рельсом. В результате этого возникает вторая точка касания между колесом и рельсом, в которой гребень бандажа скользит сверху вниз по кромке рельса. Трение этого скользящего контакта приводит к возбуждению колебаний как в колесе, так и в рельсе. В результате возникает шум, излучаемый и колесом, и рельсом. Его уровень возрастает с увеличением скорости. Так как шум этого вида возникает в результате контакта гребня бандажа колеса с рельсом, то его называют «скрежетом от контакта гребня бандажа».
Оба рассмотренных вида скрежета в зависимости от воздействующих факторов могут появляться как независимо друг от друга, так и совместно.
При прохождении поворотов и возникновении скрежета обычный шум качения претерпевает изменения вследствие нарушения конфигурации зоны контакта «колесо–рельс» и условий этого контакта, и может значительно уменьшиться. Это наблюдается на ряде фонограмм и является самым важным выводом. Несмотря на то, что скрежет, как правило, является тональным, экспериментальные данные показали отчетливо различимую на слух амплитудную модуляцию скрежета. Тон размывается, появляются различимые компоненты с частотой модуляции, пропорциональной скорости: - расстояние между шпалами на поворотах составляет, как правило, 0,5 м ( 2000 шпал на 1 км), - при скорости 20 м/с (72 км/ч ) частота модуляции составит 20/0,5 = 40( Гц), что близко к наблюдаемой картине. Спектр каждой тоновой компоненты размывается на 80 Гц: у каждого тонального пика появляются 2 слегка размытых боковых лепестка. Это связано с опиранием рельсов о шпалы и изменением условий передачи виброакустических колебаний из зоны контакта колеса и рельса при перемещении зоны контакта между зонами опирания, т.е. между шпалами.
Появление набора некратных частот при скрежете связано еще с формированием набора частот, основанного на собственных частотах колесного диска [125]. Кроме того, появляются еще колебания оси колесной пары, со своим набором собственных частот, которые рассчитываются из решения для стержня с двусторонним опиранием и поперечных волн, с различным числом узлов. Все эти частоты находятся в диапазоне 2 – 24 кГц.
Достаточно хорошая передача в рельс виброакустических колебаний, которые возникают в колесе, объясняется все тем же опиранием: в соответствии с достаточно адекватными моделями (см. рис 2.9.):при передаче колебаний в рельс взаимодействует с массой колеса масса только того участка рельса, который находится между соседними опорами –шпалами. В пределе это - 2 расстояния между шпалами, при нахождении зоны взаимодействия точно над скреплением, суммарная длина зависит от эпюры шпал, приблизительно 1 м. Масса такого фрагмента рельса оказывается сравнимой с массой половины колесной пары, условия для передачи от 30 до 50% энергии колебаний из колеса в рельс в соответствии с упомянутой выше теорией характеристического согласования импедансов выполняются. Масса здесь выступает как физический аналог активной части комплексного сопротивления, гибкость – как реактивный. На самом деле все гораздо сложнее, но, поскольку соответствующие частоты присутствуют в фонограммах, наиболее рациональным объяснением их появления является приведенное выше.
Суммарный уровень спектральных компонент шума качения и скрежета при прохождении криволинейного участка на расстоянии 800 – 1000 м до приближающегося поезда как минимум на 12 дБ меньше, чем у шума качения поезда того же типа на ровном участке бесстыкового пути того же перегона в тех же условиях. Если рассматривать сигнал, записанный при расстоянии между поездом и датчиком 300-400 м, заметно, что спектр скрежета сосредоточен в низко- и среднечастотной области. Эти компоненты хуже распространяются и быстрее затухают. В то же время компоненты шума качения при прохождении криволинейных участков ослабевают из-за изменения зоны контакта. Таким образом, интенсивность источника колебаний – движущегося поезда в кривой не слабее, чем на прямой, но спектральный состав возникающих виброакустических колебаний не благоприятствует их распространению вдоль рельсового пути. Фонограммы показали наличие в скрежете поезда тоновых компонент частотой от 5 до 22 кГц, распространяющихся по рельсовому пути. Недостаток сигнала скрежета - компоненты меняются по амплитуде и частоте, перетекают одна в другую, «мерцают», что сильно затрудняет их идентификацию в качестве сигнала приближающегося поезда. К сожалению, графическое представление ситуации совершенно не очевидно из-за особенностей средства отображения. К тому же, установлено, что прохождение одного и того же поезда по одной и той же кривой порождает разные сигналы, амплитуда может отличаться почти в 2 раза.
Требования к оборудованию устройства оповещения о приближении поезда с учетом высокой функциональной безопасности
Основа процессорного блока – цифровой сигнальный процессор TMS320C6745 (U4). Тактовый генератор входит в состав процессора. Для его работы используются внешние компоненты – кварцевый резонатор Y1, конденсаторы C1, C2.
Для формирования сигнала сброса на процессоре используется микросхема TLV809K33DBVR (U11). Она отслеживает наличие питания процессора VCC (3,3В), и через 200 мс после его установки снимает сигнал Reset = «0».
В схеме используются две одинаковые микросхемы SPI FLASH M25P40 (U5, U6). U5 используется для загрузки программы в процессор, U6 – для записи журнала событий. Микросхемы подключены к процессору по разным интерфейсам, SPI0 и SPI1.
Для хранения данных расчетов используется микросхема динамической памяти K4S641632 (U7), емкостью 4М 16бит. Контроллер динамической памяти реализован непосредственно в микросхеме процессора.
Микросхема MCP79410 (U8) используется для организации таймера реального времени, требуемого для протоколирования событий. Синхронизация таймера проводится при подключении устройства к компьютеру. Микросхема питается от неотключаемого напряжения 3.3BAT. Управление и считывание данных с таймера производится по шине I2C.
Связь с компьютером обеспечивает встроенный контроллер USB процессора. Для защиты контроллера от статики и перенапряжений используются микросхема TPD2E001 (U9) и транзистор IRLML6402 (VT1). Для выработки сигнала на внешнее устройство оповещения используется оптореле CPC1035N (U2). Для безопасного подключения внешнего устройства оповещения к выходному разъему прибора используется оптрон TLP281(U3). Разъем X1 используется для подключения отладчика.
На листе 3 приложения 1 представлен блок CPU2. Блок аналогичен блоку CPU1, но в усеченном варианте. Блок предназначен для повышения безопасности системы путем дублирования вычислений и последующего сравнения результатов.
Основу блока также составляет цифровой сигнальный процессор TMS320C6745 (U12). Тактовый генератор входит в состав процессора. Для его работы используются внешние компоненты – кварцевый резонатор Y3, конденсаторы C6, C7.
Для загрузки программы в процессор используется микросхема SPI FLASH M25P40 (U13). Микросхема подключена к процессору по шине SPI. Разъем JP3 нужен для отладки.
Для хранения данных расчетов используется микросхема динамической памяти K4S641632 (U19), емкостью 4М 16бит. Контроллер динамической памяти реализован непосредственно в микросхеме процессора.
Для формирования сигнала сброса на процессор используется микросхема TLV809K33DBVR (U10). Она отслеживает наличие питания процессора VCC1 =3,3В и через 200 мс после его установки снимает сигнал Reset = «0». Блок CPU2 гальванически развязан от остальной части схемы для исключения паразитных взаимодействий по сигнальным цепям. Для развязки применены микросхемы ISO7421 (U11,U16,U17,U18). Каждая микросхема может пропускать три сигнала в одном направлении и один в противоположном. Для передачи сигнала на внешнее устройство оповещения используется оптореле CPC1035N (U14). Оптореле CPC1035N (U15) используется и для 101 формирования тока через сигнальные светодиоды, входящие в состав сборок КИПМ20К-6С-4П-3, закрепленных на передней панели, и подключенных через разъем Х4. Разъем X3 используется для подключения отладчика при настройке прибора.
На листе 4 приложения 1 представлен аналоговый блок. Для съема сигнала с рельса выбран одноканальный виброакустический датчик AP-98-500, подключаемый к разъему Х5. Он, в отличие от многоканальных 3D -датчиков, является средством измерения, имеет на порядок лучшие параметры по надежности, и имеет версии с приемкой 5 и 9. Испытания, проведенные зимой 2012 года на новой конструкции узла датчика, показали, что основная компонента вибрации шейки рельса в дальней зоне (поезд на расстоянии 1 км и более) – поперечная горизонтальная. Продольной и вертикальной компоненты практически нет, особенно если подошва рельса находится под снегом.
Сигнал виброакустического датчика поступает с разъема Х5 через разделительный конденсатор C11 на усилитель переменного тока, выполненный на микросхеме U23. Коэффициент усиления – 6. Этот усилитель также выполняет роль полосового фильтра.
Далее сигнал поступает на раздельные каналы усиления низких – средних (U25) и высоких частот (U20). Это сделано для возможности увеличения чувствительности схемы на высоких частотах, так как на этих частотах уровень шумов намного меньше. К тому же в раздельных каналах гармоники и сигналы комбинационных частот от искажения на низких и средних частотах при ограничении на диодах не будут накладываться на полезный сигнал в области высоких частот. Все каскады фильтров защищены от насыщения диодами при действии импульсных акустических помех.
Далее сигналы LoBand (низких и средних частот ) и HiBand ( высоких частот) с выходов фильтров поступают на раздельные каналы кодека TLV320AIC32 (U24), где происходит дальнейшая фильтрация внеполосных 102 сигналов и преобразование сигнала в цифровую форму. Частота оцифровки – 48 кГц. Далее цифровой сигнал в виде 2-х каналов поступает на блоки CPU1 и CPU2 для обработки. Формирователь сигналов излучателя выполнен на внутреннем усилителе кодека и выведен на разъем Х9. На излучатель подается сформированный кодеком синусоидальный сигнал. Также на этом листе транзистор управления светодиодами блока CPU1 – VT2 и формирователи сигнала сирен IR4428S (U21, U22). На листе 5 приложения 1 размещена основная часть схемы питания устройства. Импульсные синхронные стабилизаторы на микросхемах ST1S10 (U28,U27,U26) вырабатывают общее напряжение питания VCC (+3,3 В), напряжение питания ядра процессора CPU1 VCore (+1,2 В) и напряжение +5В для питания цифрового семисегментного индикатора соответственно.
Для питания аналоговых узлов контроллера USB процессора U4 используется микросхема линейного стабилизатора TPS79918 (U29), которая вырабатывает стабилизированное напряжение +1,8 В (1.8VA) из VCC.
На листе 6 приложения 1 размещена схема зарядки батареи и схема питания аналоговой части.
Для питания аналоговой части устройства используется микросхема линейного стабилизатора TPS79933 (U30), которая вырабатывает стабилизированное напряжение +3,3В (3VA) из +5В.
Для осуществления заряда батареи используется специализированная микросхема заряда BQ24600 (U31), которая обеспечивает стабилизацию напряжения и тока (в соответствии с требуемой характеристикой заряда) на батарее и индикацию процесса заряда светодиодом VD7. Напряжение внешнего источника 24В подается через контакты X10, батарея подключается к разъему X11.
На этом же листе расположен источник неотключаемого напряжения 3,3 В (3.3BAT) на микросхеме OP193(U33) для питания часов реального времени и измерителя заряда батареи. 103 Для предохранения батареи от глубокого разряда служит компаратор АDCMP350 (U35) и транзисторный ключ VT6. При снижении напряжения батареи ниже 10 В ключ закрывается и возможность дальнейшего разряда батареи прекращается. Для измерения заряда батареи служит специализированная микросхема MAX17047 (U34). Она производит измерение тока батареи (измеряется падение напряжения на токоизмерительном резисторе R70), интегрирование его по времени и, таким образом, осуществляется измерение протекшего количества электричества в батарею и из батареи. Дополнительно измеряется напряжение на батарее для калибровки измерителя.
Методика определения помехоустойчивости обнаружения поезда. Способы повышения помехоустойчивости
Сигнал в нерезкой кривой, рыхлый снег выше середины шейки рельса Риc. 4.8 - типичный сигнал в нерезкой кривой (радиус 900 м и более). В данном случае ситуация отягощена снегом выше середины шейки рельса. Проезд поезда - на 128 секунде. Обычный энергетический алгоритм, хотя и обеспечивает необходимое время срабатывания на 67 секунде, не обеспечивает достаточной вероятности пропуска цели. Рассмотрим иллюстрацию работы рангового фильтра, который с точки зрения 125 помехоустойчивости является обычным узкополосным фильтром, но может автоматически настраиваться на максимумы спектра, определяемые различными свойствами различных участков пути. Причем не имеет значения, один максимум спектра или несколько. Задача - только в выборе количества спектральных компонент, взятых для вычисления отношения правдоподобия. Иллюстрация применения: метод сужения полосы резко повышает ОСП на 78-й секунде до 21,5 дБ. Реальное значение ОСП, считанное из модели, на 78 секунде, 26,3 дБ. Картина показательна еще с точки зрения принятия решения задолго до выхода аналоговой части в режим частичного ограничения.
Идея использования рангового алгоритма для анализа сигнала в кривой имеет физический смысл: поскольку при движении поезда в кривой постоянно меняется картина контакта колеса и рельса, и энергия постоянно перераспределяется по спектру, мы регулярно оцениваем энергию в тех полосах частот, где она наибольшая в данный момент времени.
Для увеличения дистанции обнаружения при небольшом ОСП используется статистический последовательный анализ Вальда, так как он позволяет принять решение с требуемыми рисками за минимальное количество наблюдений. Отсюда вытекает необходимость принятого ограничения 5 с на время обнаружения, оговоренного ранее. В связи с тем, что при обнаружении сигнала поезда несколько подряд идущих наблюдений характеризуют один и тот же процесс, все необходимые и достаточные условия (нормальный характер распределения случайной величины сигнала, независимость измерений, эргодичность самого процесса) для применения последовательного анализа по Вальду соблюдаются. Достоинство критерия последовательного анализа с точки зрения классификации по нескольким последовательным наблюдениям заключается в том, что он требует существенно меньшего количества наблюдений, чем равная ему по надежности проверка, основанная на заранее заданном количестве наблюдений. Решение об окончании наблюдения и принятии решения зависит на каждой стадии наблюдения от результатов предыдущих наблюдений. При этом на каждой стадии может быть принято решение: принять гипотезу, отклонить гипотезу, продолжить наблюдение.
Для вычисления критерия последовательного анализа необходимо задать вероятности ошибок первого и второго рода и вычислить отношение правдоподобия для каждого наблюдения. Обозначим: а - ошибка первого рода, вероятность ложной тревоги (Pit). Р - ошибка второго рода, вероятность пропуска цели (Ррг). Oil = p— = I I f—i—— - отношение правдоподобия для m наблюдений.
Для энергетического алгоритма отношения правдоподобия вычисляются через отношение суммы спектральных компонент диапазона 12000 - 22000 Гц к сумме тех же компонент, усредненных ранее по 15 с в отсутствии поезда.
Для энергетического алгоритма с ранговой фильтрацией отношения правдоподобия вычисляются через отношение суммы ранжированных спектральных компонент последнего фрейма к сумме тех же компонент, усредненных ранее по 15 с в отсутствии поезда. Количество компонент определяется с учетом нормальности распределения. Как правило, это 10-40 компонент из 210 рассчитанных. Возможна ситуация выделения нескольких полос - алгоритм сам адаптируется к ситуации на каждом шаге. Для принятия решения необходимо сравнить текущее отношение правдоподобия с порогом таким образом, что: 1. если ОП А, принимается гипотеза 1 2. если ОП В, принимается гипотеза 0 3. если В ОП А, продолжаем наблюдение, но прекращаем процесс усреднения и вычисления статистических параметров помехи. Пороги А и В выбираются следующим образом:
С точки зрения обнаружителя сигнала намного хуже пропустить сигнал, чем сработать с ложной тревогой. Поэтому можно установить первичные пороги а=і),0і, р=10 на основании экспериментальных данных с участка, графики данных с которого представлены на рис 4.9. и 4.10.
Алгоритм Вальда выполняется последовательно, им снабжены все примененные в программе реализации энергетических алгоритмов. Проведенные эксперименты доказывают, что эквивалентное увеличение ОСП, которое дает метод, составляет минимум 10 дБ на 5 секундах предельного времени принятия решения (250 точек оценки гипотез по времени).
Для ситуации в кривых: ОСП для ряда участков оказывается меньше 20 дБ во всей анализируемой полосе частот. Резко меняется сама картина сигнала - все спектральные компоненты сигнала становятся нерегулярными, амплитудной модуляцией от 3 до 80 Гц в зависимости от скорости поезда, и фрагментацией их по времени (почти 100 % амплитудной модуляцией) с временем насечки 0,5 – 4 с, причем частоты и времена зависят от устройства пути, типа подвижного состава, скорости, осадков, наличия снега на пути. Развертка спектрограмм по времени существенно различается даже для поездов одного типа, следующих с интервалом 20 минут, на одном и том же месте. Это во многом соответствует теоретическим представлениям о природе виброакустических колебаний, порождаемых поездом, движущимся по кривой. Тем не менее сам рельсовый путь всегда является полосовым фильтром, и наблюдаемое изменение сигнала поддается анализу и выделению с помощью энтропийно - разностного алгоритма обнаружения.