Підвищення безпеки руху поїздів шляхом удосконалення пристроїв підрахунку вісей рухомого складу

Так як швидкість руху поїзду є випадковою величиною, то і тривалість вихідного сигналу датчика також є випадковою величиною. Тому оптимальний приймач для виявлення сигналу від датчика повинен бути багатоканальним, в якому для різних можливих значень тривалості сигналу використовується відповідний узгоджений фільтр. Крім цього до складу оптимального приймача повинні входити детектор огинаючої, блок визначення найбільшого значення та граничний елемент. Так як реалізувати оптимальний приймач складно, то на практиці можуть застосовуватись різні квазіоптимальні приймачі. Запропоновано одноканальний квазіоптимальний приймач (рис. 6), до складу якого входять детектор огинаючої (ДО), підсилювач, фільтр низької частоти (ФНЧ) та граничний елемент (ГЕ). ФНЧ має наступну амплітудно-частотну характеристику (АЧХ)

 , (6)

де М – максимально можливе значення параметру m. Аналіз АЧХ (6) показав, що найбільш близьку до неї характеристику має фільтр Батерворта другого порядку. У відповідності з АЧХ (6) було синтезовано цифровий фільтр та розроблено програму цифрової фільтрації сигналу для мікроконтролера сім’ї MCS 51.

Для запропонованого квазіоптимального приймача були одержані математичні вирази для визначення імовірності загальної (сумарної) помилки при виявленні вихідного сигналу трансформаторного диференційного ТКД. Досліджено вплив граничного рівня та спектральної щільності потужності шуму на імовірність помилки. Так як помилки „пропуск вісі рухомого складу” та „невірна фіксація вісі” приводять до однакових наслідків – невірний контроль вільності ділянки, то для вибору оптимального граничного рівня запропоновано використовувати критерій мінімуму імовірності загальної помилки. Встановлено, що застосування квазіоптимального приймача дозволяє зменшити імовірність загальної помилки більш ніж у три рази (рис. 7)  (f – смуга пропускання вхідного фільтру приймача). Визначено, що при відношенні потужності сигналу до потужності шуму рівному десяти та оптимальному виборі граничного рівня імовірність загальної помилки при виявлення сигналу від датчика квазіоптимальним приймачем складає 10-6. При зменшенні відношення сигнал/шум від 10 до 3 імовірність загальної помилки збільшується в 3, 7 рази.

Було визначено, що імпульсні завади приводять до ударного збудження приймальних контурів ТКД, а також смугового вхідного фільтру приймача. Для захисту від імпульсних завад запропоновано: 1) використовувати ТКД з диференційним включенням приймальних котушок, завдяки чому забезпечується компенсація впливу завад; 2) використовувати синхронно-фазове детектування; 3) будувати приймач по принципу широкосмуговий фільтр – обмежувач – вузькосмуговий фільтр. Визначено, що для зменшення впливу наведених імпульсних завад необхідно вибирати коефіцієнт загасання приймального контуру датчика більше 12000, а смугу пропускання вхідного фільтра приймача – більше 3, 8 кГц.

Запропоновано квазіоптимальний приймач доповнити вузлом, що містить широкосмуговий фільтр, обмежувач, вузькосмуговий фільтр. Для оцінки завадостійкості такого приймача за допомогою пакету ORCAD 9. 1 було проведене комп’ютерне моделювання впливу на вхід приймача сигналу з мінімально можливою довжиною від датчика, а також різних імпульсних завад. При виборі параметрів завад використовували технічні характеристики відомого імітатора завад, що застосовується для перевірки мікроелектронних засобів на електромагнітну сумісність. Результати моделювання показали, що відгук на виході фільтра низької частоти від впливу вихідного сигналу датчика значно більший, ніж від впливу завад.

Четвертий розділ присвячений розробці алгоритмів функціонування пристроїв підрахунку вісей, дослідженню показників надійності цих пристроїв та достовірності підрахунку вісей.

Використовуючи одержані практичні результати та рекомендації щодо вибору конструкції та параметрів точкового колійного датчика, а також структури завадостійкого приймача було розроблено пристрій підрахунку вісей рухомого складу (рис. 8). До складу пристрою входять генератор синусоїдальних коливань з підсилювачем, трансформаторний диференційний датчик, приймач сигналів від датчика, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), мікроконтролер (МК), блок прийняття та передачі даних (Пр/Пер). Приймач містить вхідні смугові фільтри, регулюємий підсилювач, диференційний підсилювач, амплітудний обмежувач, фазоздвигаюче коло та синхронний детектор (СД). Функції фільтру низької частоти та операції порівняння вихідної напруги приймача з граничними рівнями виконує мікроконтролер. Для перевірки працездатності пристрою до його складу введені ключі імітації проїзду колісної пари, що включені паралельно до прийомних котушок датчика.

У ідеально збалансованого диференційного ТКД вихідний сигнал у відсутності колеса дорівнює нулю. Але із-за неідентичності приймальних котушок ТКД та неоднакового зв’язку приймальних котушок з передаючою завжди існує сигнал розбалансу. При цьому на виході приймача діє відмінна від нуля постійна напруга. Під впливом повільно змінюючихся дестабілізуючих факторів (кліматичних умов, старіння елементів та ін.) відбувається зміна вихідної напруги приймача, що може привести к помилкам у підрахунку числа вісей. Для запобігання таких помилок розроблено адаптивний алгоритм роботи пристрою. Відповідно до даного алгоритму мікроконтролер визначає початкове значення вихідного сигналу приймача і аналізує подальші значення сигналу через однакові проміжки часу. Якщо поточне значення сигналу відрізняється від початкового на величину меншу заданої, тобто швидкість зміни сигналу менша за задану, то поточне значення приймається в якості початкового. Якщо ж поточне значення відрізняється від початкового на величину більшу заданої, то мікроконтролер переходить до виконання підпрограми підрахунку вісей. Рішення о проїзді колісної пари приймається у разі послідовного збільшення вихідної напруги приймача на граничне значення відносно початкового значення, а потім – зменшення на граничне значення або навпаки. Після реєстрації проїзду колеса мікроконтролер повертається до виконання адаптивного алгоритму. У випадку коли початкове значення виходить за