авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Повышение помехоустойчивости передачи информации по рельсовой цепи в системах железнодорожной автоматики и телемеханики

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПАРШИНА ЕКАТЕРИНА ВАЛЕРЬЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ ПО РЕЛЬСОВОЙ ЦЕПИ В СИСТЕМАХ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

05.22.08 – Управление процессами перевозок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

МИХАЛЕВ Александр Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беляков Игорь Васильевич;

кандидат технических наук

Тильк Игорь Германович.

Ведущая организация – открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и проектно конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте».

Защита состоится «22» апреля 2011 г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д.218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, аудитория 283. Тел. (343) 358-55-10.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения и в сети Интернет на сайте http://usurt.ru .

Автореферат разослан «___» ____________ 20___г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес совета и по факсу (343)245-31-88.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В. Р. АСАДЧЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сети железных дорог России широкое распространение получила числовая кодовая автоблокировка и система автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН). В этой системе используется один частотный канал, организованный по рельсовой линии. В зависимости от вида тяги частота несущего колебания выбирается равной 25 или 50 Гц. Передача информации осуществляется путем амплитудной манипуляции несущей и числовым кодированием. Система кодовой автоблокировки позволяет передавать три сообщения: желтый с красным (КЖ), желтый (Ж) и зеленый (З). В качестве элементной базы использованы электромагнитные реле.

В силу ограниченности функциональных возможностей, высокой энерго- и материалоёмкости аппаратуры, низкой помехозащищенности и надежности эта система не удовлетворяет возросшим требованиям, предъявляемым к современным устройствам интервального регулирования движения поездов. Число отказов и сбоев в работе системы АЛСН достаточно велико (порядка 300 тысяч в год). Анализ отказов АЛСН показывает, что более 46 % из них приходится на рельсовую цепь (РЦ). Почти половина из них вызвана её неустойчивой работой при флуктуациях сопротивления балласта и мешающим действием помех от тягового тока.

Машинист при частых сбоях вынужден отключать систему и вмешиваться в ее работу. Неустойчивая работа АЛСН вызывает задержки поездов и нарушение графика исполненного движения (например, экстренное торможение, которое влечет за собой экономические потери, вызванные увеличением времени хода, перерасходом электроэнергии, утомляемостью машиниста).

Для обеспечения устойчивой работы системы АЛСН на входном конце рельсовой цепи необходимо обеспечить величину тока полезного сигнала не менее 1,5 А. Протяженность железных дорог России составляет около 150 тыс. км. При средней длине блок-участка в 2 км потребляемая мощность одной рельсовой цепи составляет 250 ВА. Эксплуатационная длина сети железных дорог России составляет 84 767,5 км. Мощность, потребляемая системой автоблокировки и АЛСН, составляет порядка 10,6 МВт, что соизмеримо с мощностью Саяно-Шушенской ГЭС.

Поэтому дальнейшее совершенствование систем АЛСН связано с переводом технических средств на современную, более надёжную микроэлектронную элементную базу. Это позволит расширить их функциональные возможности, снизить энерго- и материалоемкость аппаратуры. Применение новых, более совершенных алгоритмов обработки сигналов, реализация которых на старой элементной базе была принципиально невозможной, обеспечивает повышение устойчивости функционирования системы АЛСН в условиях воздействия помех от тягового тока.

В данный момент активно развивается движение высокоскоростных поездов. Поэтому исследование каналов передачи информации на локомотив обладающих более высоким, по сравнению с АЛСН, быстродействием и помехоустойчивостью является актуальной задачей.

Задача повышения помехоустойчивости АЛСН и качественного сокращения количества сбоев в работе этой системы является одной из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «РЖД» до 2015 г., способствующих повышению безопасности и скоростей движения. Поэтому работы по исследованию помехозащищенных способов передачи информации по рельсовой цепи как канала связи не прекращены.

Основным направлением является применение новых способов преобразования, приема и передачи сигналов по рельсовой линии и использование современной микроэлектронной элементной базы.

Цели и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является повышение помехоустойчивости передачи информации по рельсовой цепи в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:

1. Предложить способ преобразования, приема и передачи, а также принцип кодирования сигналов, передаваемых по РЦ, позволяющий достигнуть потенциально возможный уровень их помехоустойчивости.

2. Разработать структурные и принципиальные схемы микроэлектронных устройств, обеспечивающих кодирование информации, прием информации на релейном конце РЦ и на локомотиве.

3. Разработать имитационную модель для анализа работы предложенного принципа передачи сигналов.

4. Оценить помехоустойчивость предложенного способа передачи и приема информации по РЦ.

Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы применялись классические и современные методы исследований: теория вероятности, теория передачи сигналов, а также цифровая обработка сигналов, компьютерное имитационное и программное моделирование, корреляционный анализ.

Достоверность научных исследований подтверждается результатами теоретических исследований и результатами имитационного моделирования.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Предложен принцип кодирования сигналов, передаваемых по рельсовой цепи, и их согласованная фильтрация для обеспечения помехоустойчивости информации передаваемой по рельсовой цепи.

2. Разработан алгоритм получения двоичных сигналов для кодирования показаний путевых светофоров на базе 13-ти импульсного сигнала Баркера.

3. Определены критерии использования сигналов, полученных путем циклической перестановки 13-ти импульсного сигнала Баркера.

4. Разработан алгоритм, повышающий достоверность обнаружения полезного сигнала при использовании сигналов с сильной взаимной корреляцией, полученных при циклической перестановке 13-ти импульсного сигнала Баркера.

5. Определены пороги срабатывания решающего устройства в зависимости от отношения сигнал/шум в рельсовой цепи, обеспечивающие достоверный прием информации.

На защиту выносятся:

1. Способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовой цепи, за счет применения согласованной фильтрации.

2. Алгоритм получения двоичных сигналов на базе сигнала Баркера.

3. Алгоритм, повышающий достоверность обнаружения полезного сигнала.

4. Результаты имитационного моделирования способа помехоустойчивой передачи сигналов по рельсовой цепи.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований позволяют решить вопросы повышения помехоустойчивости передачи данных в системах управления движением поездов на линиях магистрального и промышленного железнодорожного транспорта, использующих рельсовые цепи для передачи информации, которые справедливы и для других каналов передачи данных в системах автоматики и телеуправления.

Технические решения, предложенные в диссертации, являются основой для инженерных разработок в данной области.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной конференции ТрансЖАТ 2008 (Сочи, 2008); Международной научно-практической конференции «СвязьПромЭкспо» (Екатеринбург, 2009); Международной научно-практической конференции «СоюзПромЭкспо» (Екатеринбург, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития», посвященной 130-летию Свердловской ж.д. (Екатеринбург, 2008); Всероссийской научно-практической конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара, 2009); V объединенном научно-техническом совещании ЗАО «Отраслевой центр внедрения новых технологий» и секции «Железнодорожный транспорт «Российской инженерной академии» (Москва, 2010 г); научно-практической конференции «Молодые ученые – транспорту – 2009» (Екатеринбург, 2010).

Основные положения диссертации отражены в 11 публикациях, в том числе 2-е – в журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент РФ по теме диссертации № 2392150 МПК В61Д 3/24.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 80 наименований. Диссертация изложена на 132 страницах, содержит 59 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задачи исследования, практическая значимость, определены цели и задачи исследования, научная новизна.

В первой главе рассматривается текущее состояние систем обеспечения безопасности движения поездов с применением РЦ в качестве основной аппаратуры контроля свободности участков пути и передачи телемеханической информации на локомотив. Неудовлетворительные результаты эксплуатации существующих систем АЛС потребовали развития научного подхода, основанного на использовании принципиально новой научной базе. Основные причины сбоев в работе АЛС показаны на структурной схеме (рисунок 1).

  Основные причины сбоев в-0

Рисунок 1 – Основные причины сбоев в работе АЛС

Их анализ определил следующие основные направления совершенствования системы АЛС:

повышение помехоустойчивости системы за счет исследования и оптимизации способов приема и обработки сигналов, передаваемых по рельсовой цепи в сложной помеховой обстановке;

разработка более надежной и отказоустойчивой аппаратуры (использование менее энергоемкой, микроэлектронной аппаратуры в составе систем);

отказ от коротких рельсовых цепей;

увеличение ответственности за качество регулировки аппаратуры АЛС.

Работа, проведенная коллективами ученых и инженеров вузов, НИИ и КБ Российской Федерации и стран СНГ: МИИТ, ВНИИЖТ, СамГУПС, ОмГУПС, ДИИТ и других вылилась в ряд патентов, новых системных схемотехнических решений систем АБ и АЛС, включая тональные и бесстыковые РЦ, АЛС-ЕН, системы счета осей, АЛСР и другие. Большой вклад в исследование способов повышения помехоустойчивости сигналов АЛСН и разработку новых технических решений для системы автоматической локомотивной сигнализации внесли ученые: В. М. Лисенков, Г. А. Казимов, Д. В. Шалягин, В. С. Петрухин, П. Ф. Бестемьянов, А. В. Вековищев, А. Б. Бесков, Д. В. Врубель, И. В. Беляков, Б. Д Никифоров, В. Б. Леушин, В. И. Шаманов.

Несмотря на огромную проведенную работу, проблему обеспечения надежной работы систем АБ и особенно АЛС нельзя считать полностью завершенной.

В связи с этим в диссертационной работе сформулированы актуальные задачи разработки принципиально новых подходов к практической реализации функционирования канала передачи информации, основанного на использовании существующих рельсовых линий, функциональным назначением которого является как контроль свободности участков пути, так и передача телемеханической информации на локомотив. Разработка новых подходов позволит устранить бльшую часть отказов в работе АЛС.

Отмечено, что наиболее важной и трудно реализуемой задачей является достижение предельно возможной помехоустойчивости аппаратуры, функционирующей в условиях большого качественного разнообразия и количественно радикально различных уровней помех в рельсовых каналах передачи информации. По рельсовым цепям передаются функционально сложные аналоговые и цифровые сигналы, взаимодействие которых с помехами носит сложный характер, анализ которого в настоящее время изучен в недостаточной степени.

На сегодняшнее время наиболее эффективным методом достижения максимальной помехоустойчивости в условиях значительных помех является метод согласованной фильтрации. Этот метод широко применяется в радиолокации и в некоторых других специальных устройствах связи, обеспечивая достаточно надежное качество приема информации. Однако он до сих пор не используется ни в зарубежных, ни в отечественных системах обеспечения безопасности движения поездов, использующих рельсовый тракт передачи информации.

В диссертационной работе рассматривается использование метода согласованной фильтрации в системах АЛС и его развитие для применения на железных дорогах. Для возможности практического увеличения отношения сигнал/шум в диссертационной работе предложено и научно обосновано использование ряда и других мер, основанных на использовании методов, применяемых в системах связи. К ним относятся кварцевая стабилизация параметров несущей, фазовая манипуляция сигналов, система фазовой автоподстройки частоты, выбор наиболее оптимальных характеристик полосовых фильтров и другие.

Во второй главе предложен способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовой цепи, на основе оптимального приема сигналов с характерными автокорреляционными функциями, кодирующих показания путевых светофоров.

Теория связи устанавливает возможность предельно достижимого по достоверности обнаружения двоичного сигнала с известной структурой и характерной автокорреляционной функцией (АКФ) в смеси сигнала с помехами, если для обнаружения применить корреляционный приемник в виде согласованного фильтра (СФ). В этом случае структурная схема обнаружителя должна иметь вид, приведенный на рисунке 2.

Определено, что назначение оптимальных приемников состоит не в наилучшем воспроизведении входного полезного сигнала, а в формировании наибольшего пикового отношения сигнал/помеха на своем выходе в момент времени t = T и сравнении выходного напряжения в этот момент времени с некоторым порогом h.

  Оптимальный приемник Метод-1

Рисунок 2 – Оптимальный приемник

Метод согласованной фильтрации, примененный в оптимальном приемнике (рисунок 2), состоит в том, что аддитивная смесь s(t):

, (1)

где u(t) – полезный информационный сигнал с комплексным спектром S(j), а n(t) – помеха, подается на вход линейного фильтра с передаточной функцией K(j) и импульсной характеристикой фильтра (ИПХ) – h(t) определенным образом согласованной со спектром полезного сигнала S(j).

При оптимальной фильтрации помеха n(t) характеризуется нормальным законом распределения и равномерной плотностью энергетического спектра N0 со средним квадратом напряжения помехи (дисперсии) . Согласованный фильтр с передаточной функцией K(j) способен обеспечить на выходе максимальное отношение мощности полезного сигнала к мощности помехи в момент окончания информационного сигнала t = t0:

. (2)

Обозначим знаком выходные эффекты СФ. Так как СФ является линейной системой, то выходной сигнал можно представить как

, (3)

где

, (4)

, (5)

так что

, (6)

где Е – энергия сигнала выполняется только когда

, (7)

где комплексно-сопряженный спектр сигнала u(t), то есть характеристики сигнала и фильтра согласованы.

ИПХ СФ с точностью до постоянного коэффициента совпадает с перевернутым по оси времени сигналом u(t), сдвинутым на величину t0 вправо. Для примера на рисунке 3 показан сигнал u(t) в виде 13-ти импульсного сигнала Баркера и его ИПХ.

Рисунок 3 – Формирование ИПХ согласованного фильтра

В момент времени t=T сигналы на выходе СФ создают на его выходе отклик

. (8)

Первое слагаемое в (8) представляет собой автокорреляционную функцию АКФ сигнала u(t) при нулевом аргументе Ra(0), а второе слагаемое – взаимно-корреляционную функцию полезного сигнала и помехи с нулевым аргументом Rв(0).

Взаимокорреляционная функция полезного сигнала и помехи должна принимать минимальные значения, то есть сигналы должны быть между собой слабо коррелированны. Это обеспечит надежное разделение сигналов между собой. Сигналы с АКФ, которые в интервале [0, Т] принимают гораздо меньшие значения, чем при t = T, называются сигналами с характерной АКФ. Такие сигналы могут быть использованы для кодирования показаний путевых светофоров. Наиболее подходящим является сигнал Баркера с минимально возможным при данном числе парциальных импульсов N = 13 уровне боковых лепестков. Почти вся его энергия сосредоточена в амплитуде последнего пика, которую можно вычислить по формуле:

, (9)

где N – число импульсов в последовательности сигнала Баркера; b – амплитуда боковых лепестков.

Недостатком такого сигнала является его единственность. Решить эту проблему можно путем циклической перестановки парциальных импульсов. Алгоритм получения двоичных сигналов на базе сигнала Баркера показан на рисунке 4.

  Схема циклической-14

Рисунок 4 – Схема циклической перестановки импульсов

двоичного сигнала

Полученные при этом двоичные сигналы обладают следующими свойствами:

амплитуда главного пика удовлетворяет условию Апик >> Абок. лепестков;

парциальные импульсы имеют одинаковую амплитуду;

максимальная амплитуда АКФ появляется в момент окончания действия сигнала на входе согласованного фильтра.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.