Система контроля сопротивления балласта и целостности рельс железнодорожной линии с применением сигналов с линейной частотной модуляцией
Владельцы патента RU 2592027:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО ИрГУПС) (RU)
Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики. Система контроля сопротивления балласта и целостности рельс железнодорожной линии с применением сигналов с линейной частотной модуляцией включает генератор, приемники, коммутаторы, микропроцессор управления контролем рельсовой цепи, концентратор информации. Генератор, подключенный к рельсовой линии через коммутатор, поочередно посылает линейные частотные модулированные импульсы в рельсовые линии, которые при прохождении по ней приобретают искажения амплитудного и фазового спектра, являющиеся информационными признаками изменений сопротивления балласта и целостности рельсовой линии. В результате, за счет применения в качестве стимулирующих сигналов линейных частотных модулированных импульсов тока с последующей квазиоптимальной обработкой, повышается помехоустойчивость, точность и достоверность измерений параметров рельсовой цепи, уменьшаются энергозатраты. 4 ил.
Контроль свободности участка и целостности рельс железнодорожной линии обусловлен необходимостью поддержания высокого уровня безопасности и непрерывности движения поездов [1].
Система контроля сопротивления балласта и целостности рельс железнодорожной линии относится к железнодорожной автоматике, в частности к контролю движения поездов, свободности и исправности рельсовой линии, сопротивления балласта.
Аналогом предлагаемой системы является устройство контроля целостности рельса, патент РФ №2424936, B61L 23/16, приоритет 04.02.2010 г., опубликовано 27.07.2011 [2], содержащее генератор импульсов с входом управления, один полюс которого соединен с первой рельсовой нитью на одном конце рельсовой линии, другой полюс которого соединен со второй рельсовой нитью на этом же конце рельсовой линии через измерительное устройство, включающее в себя резистор, включенный параллельно аналого-цифровому преобразователю, и подключенное выходом к входу устройства обработки информации и управления, выход которого соединен с входом управления генератора импульсов, к другому концу рельсовой линии подключен дроссель. Генератор импульсов выполнен с дополнительно установленными, связанными между собой коммутатором и стабилизатором напряжения, вход которого соединен с конденсатором, выход - с входом коммутатора напряжения, вход управления которого связан с выходом устройства обработки информации и управления, а выход - с рельсовой линией.
Недостатки аналога: не измеряется параметр сопротивления балласта Rб; не определяется место излома или изъятия рельса; нет мониторинга контроля сопротивления балласта.
В заявленном изобретении вся контролируемая рельсовая цепь РЦ (фиг. 1) длиной Lрц, и состоящая из левой - 1 и правой - 2 рельсовых нитей, оборудована N комплектами однотипных устройств контроля сопротивления балласта и целостности рельс (УКБР) - 3. Каждое из УБКР предназначено для контроля одного из N перекрывающихся с запасом Δln участков контроля длиной ≈2lук.n, n=1, 2, 3, …, N, так что
,
причем к участку контроля номер 
, подключено одно.
Все УКБР объединены линиями связи с микропроцессором управления контролем рельсовой цепи (МП УКРЦ) - 4.
УБКР - 3 на n-ом участке контроля длиной 2lук.n, разбитого на 2K интервалов контроля, состоит (фиг. 2) из: генератора - 6; приемников - 7; коммутаторов генератора - 8; коммутаторов приемников - 9, совместную работу которых обеспечивает синхронизирующими и управляющими сигналами МП УКРЦ-4.
Генератор - 6 подключается коммутатором 8 поочередно к контролируемым рельсовым линиям в точках с координатой Xn=0 и формирует из непрерывных колебаний, путем воздействия на них модулирующими сигналами, последовательность стимулирующих квазигармонических импульсных, с длительностью τnk и периодом следования Tnk, сигналов с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) (фиг. 3) с чередующимися, соответственно подключенной рельсовой линии, параметрами предыскажений и индекса модуляции, адаптированными к каждому k-му интервалу контроля [3]:
где соответственно: xn - текущая линейная координата на n-ом участке контроля; Uгn - амплитуда, τnk - длительность, ωnk(µn, t) - закон частотной модуляции, gnk(ω) - коэффициент амплитудных предыскажений, Θnk(ω) - фазовые предыскажения ЛЧМ сигнала;
Приемники - 7 в количестве 2K на интервале контроля подключаются к рельсовым линиям на границах k-го интервала контроля коммутаторами - 9 в точках с линейными координатами ±Xnk∈[0; 2lук.n], отсчитываемых от точки включения генератора - 6, и стробируются на время τnk по приходу на их входы начала ЛЧМ импульсов, распространяющихся от передатчика 6 до точки подключения приемников 7, в результате чего на их входы поступают поочередно ЛЧМ импульсы, снимаемые с контролируемой рельсовой линии:
где Zвх.k (ω) - комплексное входное сопротивление приемника 7 сигналов с k-го интервала; Znk(xn, ω) - комплексное сопротивление контролируемой, 1 или 2, линии на k-ом интервале; с - скорость распространения электрического ЛЧМ сигнала в рельсовой линии.
ЛЧМ сигнал (2) подвергается квазиоптимальной обработке [4] в цифровом фильтре, программно реализованном в микроконтроллере приемника 7. Благодаря этому (фиг. 4) вблизи момента времени tn=(Tn+τn) формируется отклик Uсф(t). Амплитуда и длительность отклика квазисогласованного фильтра есть функции многих переменных, а именно: параметров исходного сигнала (1) Uг.n, µn, τnk, и его частотных предыскажений gnk(xn, ω) и Θnk(xn, ω); параметров контролируемой линии - сопротивления Znk(xn, ω) и скорости с; входного сопротивления приемника Zвх.k(ω). При постоянных значениях параметров исходного сигнала (1), предыскажениях и неизменном во времени входном сопротивлении приемника показатели отклика согласованного фильтра - амплитуда Uсф и длительность τсф - зависят только от состояния рельсовой линии на контролируемом интервале
где Kсж - коэффициент сжатия, который при согласованной фильтрации ЛЧМ сигнала:
а при квазисогласованной фильтрации 
, но остается 
.
Соответственно амплитуда отклика согласованного фильтра Uсф>>Uлчм и длительность
В соответствии с формулами (3), (4) и пояснениями к ним (5), (6):
а) отклик квазисогласованного фильтра содержит информацию о состоянии контролируемой рельсовой линии как электрической цепи, так как зависит от комплексного сопротивления, и позволяет вести контроль ее целостности и изменений сопротивления балласта.
б) энергия ЛЧМ сигнала, вырабатываемого генератором 6, должна быть достаточной для того, чтобы амплитуда отклика квазисогласованного фильтра в приемнике 7 лишь превышала уровень некоторого порога Uпор, который определяется уровнем шумов и помех, наводимых в цепи рельсовой линии.
Микропроцессор управления контролем рельсовой цепи - 4:
а) формирует и синхронизирует команды на очередность по времени выбора участков и интервалов контроля, включения генератора 6 и приемников 7, установления индексов модуляции ЛЧМ сигналов, установления частотных предыскажений;
б) принимает от приемников 7 данные о результатах квазисогласованной фильтрации,
в) реализует алгоритмы определения степени соответствия параметров рельсовой линии техническим требованиям;
в) формирует и передает блоки информации о состоянии контролируемого участка в концентратор информации.
Коммутатор 8 канализирует энергию ЛЧМ сигнала в контролируемую рельсовую линию в соответствии с командой микропроцессора 4.
Коммутаторы 9 канализируют энергию ЛЧМ сигнала из контролируемого интервала рельсовой линии на вход приемника 7, выбранного микропроцессором 4, согласно алгоритму его работы, для контроля целостности и состояния балласта.
Концентратор информации - 5 включен в единую сеть передачи данных железнодорожных систем автоматики и телемеханики, благодаря чему результаты обработки сигналов контроля МП УКРЦ и сведения о состоянии участка контроля доступны на различных иерархических уровнях: от линейных пунктов контроля до центров управления перевозками. Они поступают по магистральной линии связи на автоматизированные рабочие места операторов, на станции и в центр управления перевозками для принятия окончательного решения о состоянии контролируемой РЦ.
Библиографический список
1. А.Г. Кириленко. Электрические рельсовые цепи. - Учебное Пособие. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006 г.
2. Свободный доступ к патентам - [электронный ресурс] - режим доступа http://freepatent.ru/patens/2424936 - патент РФ №2424936, B61L 23/16, приоритет 04.02.2010 г., опубликовано 27.07.2011.
3. С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. - Учебник для вузов по спец. «Радиотехника» - 4-е изд. - М.: Высш. шк., 2003. - 462 с.: ил.
4. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк. 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) / Под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 3. Радиолокационные устройства и системы / Под. ред. А.С. Виницкого - М.: Сов. радио, 1978. - 528 с.
Система контроля сопротивления балласта и целостности рельс железнодорожной линии с применением сигналов с линейной частотной модуляцией, включающая генератор, коммутаторы, приемники, отличающаяся тем, что устанавливается генератор для формирования из непрерывных колебаний последовательности сигналов с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией, цифровой фильтр микроконтроллера приемника для квазиоптимальной обработки сигнала, микропроцессор управления контролем рельсовой цепи, концентратор информации, автоматизированные рабочие места операторов, центр управления перевозками.
