Введение к работе
Актуальность работы. Потребности народного хозяйства
обуславливают необходимость дальнейшего увеличения провозной и пропускной способности железных дорог, что повышает требования к надежной и эффективной работе систем интервального управления движением поездов (СИУДП). Это связано с повышением скорости поезда до 140 — 200 км/ч и веса поезда до 7000 т, когда каждая лишняя остановка поезда приводит к значительным экономическим потерям, а увеличение тормозного пути, вследствие повышения веса поезда, может привести к нарушению выполнения условий безопасности.
Основным устройством СИУДП является классификатор состояний рельсовой линии, которая является чувствительным элементом классификатора. В настоящее время классифицируются два состояния рельсовой линии: свободное и занятое, когда подвижной состав находится на участке контроля. Правильное функционирование классификатора обуславливает эксплуатационную надежную и эффективную работу СИУДП в целом. Поэтому на классификаторы накладываются особые требования: высокая- степень эксплуатационной надежности и правильности функционирования, обеспечение устойчивой работы в условиях воздействия возмущений, диапазон изменения которых весьма широк. Так один из основных видов возмущений - проводимость изоляции - должен изменяться, согласно нормативам, в диапазоне 0,02 - 1 См/км. Однако на некоторых участках из-за неудовлетворительного состояния изоляции рельсовых линий этот параметр изменяется в пределах 0,02 - 30 См/км. Это приводит к чрезмерному затуханию сигналов в рельсовых линиях, неправильной классификации состояния пути, сбоям в работе систем СИУДП.
В настоящее время на сети железных дорог Росси протяженность участков с высокой проводимостью изоляции рельсовых линий превышает 40 тыс. км., из-за чего среднесетевое число отказов достигает 20% от общего числа отказов систем интервального управления движения поездов. Так как экономический ущерб из-за этого достигает 200 тыс. рублей в год на 1 километр пути, то общий ущерб огромен. Для обеспечения эксплуатационной надежности и эффективности классификаторов состояний рельсовых линий в условиях воздействия дестабилизирующих факторов в широком диапазоне разработаны многочисленные организационные и технические мероприятия, которые, однако, не обеспечивают заданных требований качества разделения классов состояний: свободного и занятого.
Несмотря на то, что в области исследования и проектирования классификаторов состояний рельсовых линий (РЛ) накоплен значительный опыт, существующие устройства строятся, как правило, с использованием единственного информативного признака - амплитуды сигнала на выходе
ОЭ 290/7акт foh
^
рельсовой линии, что в условиях воздействия дестабилизирующих факторов значительно ухудшает качество правильного определения состояния пути. Кроме того, существующие классификаторы не позволяют дополнительно классифицировать неисправное состояние рельсовой линии. Неисправное состояние, например, лопнувший рельс, приводит к ложной классификации (возможна классификация свободного состояния при фактически занятом, но неисправном), что может привести к опасной ситуации и сходу поезда с рельс.
Таким образом, до настоящего времени не созданы классификаторы, в полной мере отвечающие возросшим потребностям железных дорог. Поэтому создание нового класса устройств классификации состояний рельсовых линий, обеспечивающих инвариантность к воздействию дестабилизирующих факторов на основе многоканальных структурных схем и принципиально новых методов распознавания состояний рельсовых линий, характеризующихся расширенными функциональными возможностями и повышенным качеством разделения классов состояний рельсовых линий для систем интервального управления движением поездов является актуальной научно - технической проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР, согласно: «Программе реализации основных направлений развития и социально - экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена указанием МПС от 04.03.1997 г. № А - 276 у); «Перечню актуальных проблем научно - технического развития железнодорожного транспорта для разработки их докторантами, аспирантами и сотрудниками ВУЗов отрасли в 2001 - 2002 годах» (утвержденному указанием МПС от 17.11.2000 г. № М - 2775 у); «Перечню основных проблем железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований» (утвержденному указанием МПС от 26.12.2002 г. № Я - 1272 у); «Концепции многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов» (разработанной в соответствии с указанием МПС от 29.11.2002 г. № 191), «Концепции развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики на период 2000 - 2004 г.г.» (утвержденной указанием МПС от 06.08.01 № М - 1379 у).
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является
научное обоснование и создание нового класса устройств классификации состояний рельсовых линий, нечувствительных (инвариантных) к дестабилизирующим факторам, обладающих расширенными функциональными возможностями и повышенным качеством разделения классов состояний рельсовых линий.
Для достижения данной цели был поставлен комплекс задач: - проведение анализа современного состояния научно - технической проблемы создания классификаторов состояний рельсовых линий, обладающих повышенной эксплуатационной надежностью и удовлетворяющих комплексу
требований: обеспечение требуемого качества разделения классов и инвариантных к основному дестабилизирующему воздействию - изменению проводимости изоляции в заданном диапазоне;
разработка математических моделей рельсовых цепей в различных состояниях, с целью выявления наиболее информативных признаков, характеризующих состояния рельсовых линий;
разработка многоканальных структурных схем классификаторов состояний РЛ, нечувствительных к основному дестабилизирующему воздействию - проводимости изоляции - на основе принципов инвариантности за счет организации дополнительных каналов;
разработка методики параметрического синтеза инвариантных классификаторов состояний с целью получения оптимальных параметров дополнительного канала;
разработка новых методов определения текущего состояния рельсовой линии на основе принципов распознавания образов в условиях воздействия дестабилизирующих факторов в широком диапазоне с использованием множества информативных признаков и решающих функций;
разработка методики параметрического синтеза нового класса распознающих классификаторов состояний рельсовых линий с целью получения оптимальных решающих функций с использованием разработанных критериев качества разделения классов состояний РЛ;
разработка методики проектирования и технической реализации устройств классификации состояний РЛ, функционирующих в условиях внутренних и внешних дестабилизирующих факторов на основе предложенных методов повышения качества разделения классов РЛ для систем интервального управления движением поездов;
создание многоканальных и распознающих классификаторов состояний РЛ и внедрение их в комплекс СИУДП.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на применении основных положений теории электрических цепей, теории рельсовых цепей, теории инвариантности, теории распознавания обра?рв, теории чувствительности, современных методов оптимизации и современных положений параметрического синтеза. В процессе работы над диссертацией теоретические и экспериментальные исследования были тесно взаимосвязаны. Параллельно с моделированием многоканальных и распознающих классификаторов проводилась их разработка, экспериментальная проверка, и отрабатывалась методика проектирования.
Научная новизна работы заключается в развитии теории классификации состояний рельсовых линий, позволяющей обеспечить инвариантность к воздействию дестабилизирующих факторов, повысить качество разделения классов состояний РЛ и расширить функциональные возможности классификаторов систем интервального управления движением поездов.
Основными научными результатами, полученными в работе, являются:
обобщенные математические модели рельсовых цепей, дополнительно учитывающие взаимное влияние смежных рельсовых цепей, продольную и поперечную асимметрию рельсовых линий, влияние заземления опор контактной сети на ближайший рельс, что позволило получить аналитические выражения напряжений и токов на входе и выходе РЛ для выявления наиболее информативных признаков классификаторов и синтезировать новый класс многоканальных и распознающих классификаторов;
методы обеспечения нечувствительности классификатора к изменению проводимости изоляции на основе принципов многоканальности, позволившие добиться инвариантности классификаторов к изменению внутренних и внешних возмущающих воздействий;
методы определения текущего состояния рельсовых линий на основе принципов распознавания образов, позволяющие с помощью множества первичных признаков добиться инвариантности решающей функции классификатора к изменению внутренних и внешних возмущающих воздействий;
методика оценки информативности первичных признаков на основе обученной решающей функции, позволяющая провести селекцию признаков по информативности;
методика параметрического синтеза многоканальных и распознающих классификаторов состояний на основе предложенных критериев качества разделения классов состояний, позволившая получить оптимальные параметры компонент схем компенсационных каналов в многоканальных классификаторах и оптимальные решающие функции в распознающих классификаторах состояний;
методика проектирования многоканальных и распознающих классификаторов состояний рельсовых линий, обеспечивающих инвариантность к дестабилизирующим воздействиям заданного диапазона.
Основные положения работы, выдвигаемые на защиту:
обобщенные математические модели электрических параметров рельсовых цепей позволяют проанализировать основные характеристики и определить области существования информативных координат в зависимости от изменения проводимости изоляции, физических координат - нахождения поездного шунта и места отрыва рельсовой линии при различных длинах рельсовой линии, динамическом изменении проводимости изоляции;
метод обеспечения нечувствительности классификаторов состояний рельсовых линий к проводимости изоляции на основе принципов многоканальности и методика параметрического синтеза классификатора обеспечивают требуемые критерии разделения режимов (Кр > 1.2), что позволяет создавать классификаторы состояний по максимальной проводимости изоляции (gmax " Ю См/км), стабилизировать выходное напряжение (Дивья = ± 0.5 В) в нормальном режиме;
метод определения текущего состояния рельсовых линий в условиях воздействия возмущений в трех режимах на основе принципов распознавания образов с использованием множества первичных информативных признаков и решающих функций обеспечивает правильное функционирование классификатора при изменении проводимости изоляции до 30 См/км, стабилизирует выходную функцию (Ad < 0.5%);
методика исследования параметричной чувствительности распознающих классификаторов позволяет определить допуски на изменения параметров элементов рельсовой цепи классификаторов, определить элементы, наиболее сильно влияющие на выходную функцию решающего устройства, и реализовать классификаторы нового класса;
предложенные и созданные многоканальные и распознающие классификаторы состояний обеспечивают относительную нечувствительность к изменению основного дестабилизирующего воздействия - проводимости изоляции в широком диапазоне ее изменения, требуемую длину рельсовой линии при максимальной проводимости, имеют высокие эксплуатационные характеристики и могут быть рекомендованы к широкому внедрению на предприятиях.
Практическую ценность работы составляют:
созданный двухканальный классификатор состояний рельсовых линий, позволяющий обеспечивать инвариантность к проводимости изоляции и колебанию напряжения питающей сети посредством использования решающего устройства с разностным или логометрическим уравнением преобразования выходного напряжения двух каналов, обеспечивающий правильную классификацию состояний рельсовых линий в диапазоне изменения проводимости изоляции до 10 См/км;
созданный классификатор состояний рельсовых линий распознающего типа, позволяющий обеспечить правильное распознавание посредством использования множества информативных признаков и решающей функции классификатора на базе многочленов Лежандра и Лаггера, обеспечивающий правильную классификацию состояний рельсовых линий в диапазоне изменения проводимости изоляции до 33 См/км;
пакет прикладных программ для исследования линий с распределенными параметрами, представленными в виде (2*п) - полюсников, позволяющий оценивать качество передачи энергии по линиям в симметричном и несимметричном (с продольной и поперечной неоднородностью) состояниях и в условиях наличия значительных потерь в линиях и взаимных влияний сигналов смежных и соседних линий.
Реализация результатов работы осуществлена путем внедрения
инвариантного классификатора состояний РЛ на ст. Пост - Передача Приволжской железной дороги. Результаты внедрения позволили обеспечить
контроль состояний приемо - отправочных путей, т.к. из-за повышений засоленности балластного материала (проводимость изоляции достигает 20 См/км) традиционные классификаторы в таких условиях не могут функционировать. Инвариантный двухканальный классификатор состояний рельсовых линий использован на станции Пенза - 3 в комплексе нечетной автоматизированной сортированной системы. Использование классификатора на загрязненных путях позволило повысить точность классификации состояний сортировочного парка и расширить диапазон правильной классификации при увеличении проводимости изоляции до 6 См/км. Разработанный распознающий классификатор состояний включен в проект реконструкции станционных приемо-отправочных путей ст. Самарка, ОАО «Волжско-Уральская Транспортная Компания».
Пакет прикладных программ для исследования линий с распределенными параметрами, представленными в виде (2хп) полюсных схем использован для оценки потерь электроэнергии на тягу поездов на Куйбышевской ж.д. и выработки мероприятий по сокращению межпоездных интервалов при пропуске поездов 6000 тонн на участках главного хода.
Результаты работы используются также в учебном процессе СамГАПС при выполнении цикла лабораторных работ и чтении лекций по курсам «Автоматика и телемеханика на перегонах», «Станционные системы автоматики и телемеханики», «Линии автоматики, телемеханики и связи», «Методы математического программирования» при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 25 научно - технических конференциях и совещаниях, в том числе: Всесоюзной НТК «Методы и средства диагностики технических средств железнодорожного транспорта», Омск, 1989; межвузовской НПК «Повышение эффективности систем железнодорожной автоматики, связи и вычислительной техники», Самара, 1993; межвузовской НПК «Проблемы транспорта Дальнего Востока», Владивосток, 1995; Всероссийской НМК «Современные научные аспекты функционирования транспортного комплекса и развитие его кадрового потенциала», Москва, 1995; межвузовской НТК «Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований», Самара, 1996; первой и второй международной НПК «Безопасность транспортных систем», Самара, 1998, 2000; на третьей международной НПК «Безопасность транспортных систем», Самара, 2002. Материалы завершенной диссертации докладывались и обсуждались на межвузовской НПК с зарубежным участием «Вклад ученых ВУЗов в научно - технический прогресс на железнодорожном транспорте», Самара, 2003 г.; международной НПК «Безопасность и логистика транспортных систем», Самара, 2004 г. и на ряде заседаний технико-экономического совета Куйбышевской и Южно - Уральской железных дорог.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 80 печатных работах, в том числе в 3-х монографиях, 18 описаниях к патентам и авторским свидетельствам на изобретения, в 2 описаниях свидетельств на РИП, 1 программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 240 страницах основного текста, содержит 114 рисунков, 12 таблиц. Список использованных источников содержит 207 наименований.
