/
Author: Шелухин В.И.
Tags: рельсовый транспорт железнодорожное движение автоматика железнодорожный транспорт телемеханика издательство транспорт
ISBN: 5-277-00963-9
Year: 1990
Similar
Text
ви. шелухин
ДАТЧИКИ
ИЗМЕРЕНИЯ
И КАНТРОЛЯ
УСТРОЙСТВ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ТРАНСПОРТА
МОСКВА '-ТРАНСПОРТ'' 1990
УДК 656.259.13
Шелухин В. И. Датчики измерения и контроля устройств же-
лезнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1990. 119 с.
Изложены принципы построения и особенности работы дат-
чиков обнаружения, измерения параметров движения транспорт-
ных средств, обмена информацией. Рассмотрены особенности
эксплуатации и характеристики обнаружения традиционных и
радиотехнических путевых датчиков. Даны рекомендации по вы-
бору и оптимизации координат размещения радиотехнических
датчиков в условиях эксплуатации.
Рассчитана на инженерно-технических работников, связан-
ных с эксплуатацией и разработкой устройств железнодорожной
автоматики, а также может быть полезна студентам высших
учебных заведений специальности «Автоматика, телемеханика и
связь на железнодорожном транспорте».
Ил. 57, табл. 5, библиогр. 27 назв.
Рецензент Г. П. Кудинов
Заведующий редакцией Н. Л. Немцова
Редактор И. В. Мартынова
Ш
3202Q4OCOO-169
049 (01)-90
ISBN 5-277-00963-9
© В. И. Шелукин, 1990
Глава 1
КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
1.1. Общие сведения
Задача обнаружения транспортных средств охватывает прак-
тически все ответственные системы управления транспортными
средствами (ТС). Анализ условий работы и требований, предъ-
являемых к датчикам обнаружения (ДО) подвижных единиц,
показывает, что наиболее полно они сконцентрированы в зада-
чах, решаемых системами горочной автоматической централи-
зации (ГАЦ). К ним относятся напольные условия эксплуата-
ции в любой климатической зоне страны, необходимость обна-
ружения ТС в фиксированной зоне участка пути, малое время
анализа для принятия решения о наличии ТС (оно существен-
но меньше времени перевода стрелки), высокая достоверность
обнаружения.
В зависимости от назначения систем управления движением
перечисленные требования накладывают различные ограниче-
ния на характеристики датчиков обнаружения. Так, в систе-
мах ГАЦ увеличение времени анализа (инерционность датчика
обнаружения) приводит к необходимости увеличения интерва-
ла попутного следования отцепов, что связано со снижением
перерабатывающей способности горки. Необходимость обнару-
жения ТС в фиксированной зоне (на стрелочном участке) так-
же накладывает ограничения на характеристики ДО. Умень-
шение зоны обнаружения равноценно уменьшению длины пред-
стрелочного участка, что снижает безопасность роспуска
(возможен перевод стрелки под вагоном). Увеличение же зоны
обнаружения приводит к необходимости снижения скорости рос-
пуска.
Унификация датчиков обнаружения ТС предполагает учет
всевозможных требований к ним, оценку их функционирования
и пригодности к эксплуатации по ряду основных критериев. К
их числу относятся: достоверность, инерционность, протяжен-
ность зоны контроля и др.
Основные критерии эффективности датчиков обнаружения
рассмотрим на примере решения наиболее сложной транспорт-
ной задачи — контроля свободности стрелочных путевых участ-
ков. Ввиду особой важности применения ДО в горочных систе-
мах автоматизации будем учитывать режим автовозврата при
работе стрелочного привода, что накладывает дополнительные
требования к датчикам по параметру инерционности (быстро-
действия) .
3
1.2. Инерционность датчиков обнаружения
Обнаружение транспортного средства производится в стро-
го ограниченной зоне стрелочного участка, определяемой дли-
ной защитного предсгрелочного участка /пу (рис. 1.1) и длиной
остряков /су- Зона контроля АВ ограничена рельсовыми стыка-
ми. Общая длина контролируемого участка /к=/пу + /су.
Значение величины 1пу выбирается в соответствии с извест-
ным условием [13]:
Zny^Vmax(/n4-/cy), (1.1)
где »юах — максимальная скорость движения ТС;
/п — время перевода стрелки,
/Су — время срабатывания исполнительных элементов системы.
Как видно, условие (1.1) имеет одностороннее ограничение,
однако минимальный интервал попутного следования отцепов
обеспечивается при минимально допустимом значении /Пу- Ана-
логичные ограничения могут быть отнесены к участку /Су и его
дальней границе В.
Таким образом, характерной особенностью работы ДО яв-
ляется строго фиксированная зона контроля Д. Во избежание
отрицательных последствий рабочая дальность действия дат-
чиков должна совпадать с длиной контролируемого участка А.
Для оценки соответствия протяженности зоны контроля и
фактической дальности обнаружения датчиком транспортного
средства введем коэффициент зоны контроля
где /ф — фактическая длина контролируемого датчиком участка.
Дальность обнаружения датчиком подвижных единиц /д^/ф.
При Кз< = 1 фактическая зона контроля, обеспечиваемая датчи-
ком, равна нормативной. Если A3z<l, т. е. фактическая зона
контроля меньше нормативной, возможен перевод стрелки под
вагонами, что приводит к снижению безопасности роспуска. Ес-
ли А3/>1, г. е. датчик контролирует ТС за пределами норма-
тивной зоны контроля 1К, увеличивается межвагонный (межпо-
ездной) интервал, что приводит к снижению перерабатывающей
способности. Нежелательность последствий функционирования
ДО при соблюдении неравенства А3/^1 очевидна.
Рис. 1.1
4
Инерционность работы датчиков обнаружения ТС в контро-
лируемой зоне определяется алгоритмом работы, физическими
принципами реализации и используемой элементной базой.
Большой динамический диапазон скоростей движения ТС же-
лезнодорожного транспорта, требование повышения перераба-
тывающей способности горок и пропускной способности магист-
ралей выдвигают в качестве одного из основных показателей
датчиков обнаружения ТС работу в реальном масштабе време-
ни протекания технологического процесса. Ограничения, накла-
дываемые на длину контролируемой зоны, еще больше усили-
вают требование минимизации времени фиксации подвижной
единицы в контролируемой зоне.
Фактическое время нахождения ТС в контролируемой зоне
/ф = (/тс + /к)/О,
где /Тс — физическая длина отцепа (ТС);
v — скорость движения ТС.
Датчик фиксирует наличие ТС при въезде его на границу
контролируемой зоны после принятия решения приемным уст-
ройством и срабатывания исполнительного элемента (ИЭ).
Время фиксации исполнительным элементом ТС с момента
вступления последнего на границу контролируемого участка
/ср = /р + / ИЭ,
где /р — время принятия решения приемником,
/'иэ — время срабатывания ИЭ.
Время /р характеризует потенциальные возможности первич-
ного датчика и определяется физическим принципом обнару-
жения и алгоритмом работы.
Поскольку сигнал в приемном устройстве датчика не мо-
жет мгновенно измениться до уровня, фиксируемого пороговым
устройством, момент принятия решения датчиком обнаружения
при появлении в зоне контроля ТС носит случайный характер.
Уровень сигнала на входе приемника изменяется постепенно и
зависит от характера поверхности транспортного средства, на-
стройки датчика и его параметров.
Время принятия датчиком решения о наличии ТС на гра-
нице контролируемого участка tp определяется требуемой ве-
роятностью обнаружения P(t). В свою очередь вероятность об-
наружения определяется мгновенной плотностью вероятности
обнаружения в течение короткого промежутка времени ydt.
Интенсивность (мгновенная плотность вероятности) числа
обнаружений ТС в зоне контроля
у=1//,
где / — математическое ожидание времени, за которое обеспечивается обна-
ружение ТС.
Если у = const, вероятность обнаружения ТС за время tP
P(t) = l— ехр(—у/р). (1-2)
5
Отсюда видно, что, зная величину у и задаваясь временем
наблюдения tp, можно рассчитать вероятность обнаружения ТС.
Поскольку обнаружению подвергаются ТС, въезжающие в
контролируемую зону, то мгновенная плотность вероятности на
элементе участка зоны контроля 1К зависит от времени, т. е.
у=у(О- В результате вероятность обнаружения
С
Р6‘>1-ехр[-]\((7.)Щ]. (1.3)
о
С учетом введенных вероятностей может быть определено
время принятия решения, характеризующее потенциальное быст-
родействие датчика обнаружения ТС. Так, при y=const вре-
мя tP='—1п[1—P(t)]ly. При y=var время принятия решения
определяется более сложным путем из выражения (1.3) и мо-
жет быть найдено численными методами.
Приведение исполнительного элемента датчика обнаруже-
ния в исходное состояние с момента фактического проезда по-
следней подвижной единицей границы контролируемой зоны ха-
рактеризуется временем удержания
С“Сд4~: из,
где Сд — время принятия датчиком решения о свободности участка с мо-
мента освобождения его ТС;
/"иэ — время удержания исполнительного элемента.
Критериями инерционности датчиков обнаружения ТС слу-
жат: коэффициент инерционности по принятию решения о заня-
тости участка Кир, коэффициент инерционности по принятию
решения о свободности участка Кис и интегральный коэффици-
ент инерционности датчика Ки [10]:
Кир = (^р-М'иэ) Утах/(^тс "Мк) ; (1*4)
Кис = (^уд + Й'иэ) Утах/ Стс + й;) J (15)
Ки” (^ср + К) Утах/(/тс “Мк) • (1-6)
В тех случаях, когда исполнительный элемент не входит в
состав датчика обнаружения, Киэ и t"K3 в формулах (1.4)—(1.6)
принимаются равными нулю. Предпочтение используемого кри-
терия определяется характером решаемой задачи и эксплуата-
ционно-техническими требованиями. Для сравнительной оценки
датчиков обнаружения целесообразно пользоваться интеграль-
ным критерием [см. формулу (1.6)].
1.3. Вероятности пропуска
и ложной фиксации транспортных средств
Учитывая большое разнообразие возможных физических
принципов и признаков обнаружения ТС, случайный характер
влияющих на достоверность обнаружения факторов, в качестве
критериев работы датчиков обнаружения служат: вероятность
пропуска отцепа РПр и вероятность ложной фиксации Рлф.
6
Технические средства обнаруживают подвижные железнодо-
рожные единицы в условиях большого числа мешающих фак-
торов, которые носят случайный характер. Различные конст-
рукции обнаруживаемых вагонов, их отражающее свойство,
шунтовое сопротивление, скорости движения, погодные и кли-
матические воздействия в условиях постоянных механических
вибраций — все эти факторы могут влиять на принятие ошибоч-
ного решения датчиками обнаружения. Возможны ошибки двух
видов: пропуск ТС и ложная фиксация.
Степень риска в результате различных ошибок определяется
спецификой решаемой задачи. Так, эффективность работы сис-
темы горочной автоматики определяется степенью повышения
перерабатывающей способности. В этом случае ошибки обоих
видов приводят к задержке расформирования: в первом случае
(пропуск) возможны сходы вагонов, во втором (ложная фик-
сация) — посылка вагонов не по заданному маршруту, увеличе-
ние интервалов попутного следования. В обоих случаях это при-
водит к снижению перерабатывающей способности.
Наиболее общим критерием для оценки работы датчиков об-
наружения следует считать минимум вероятности полной оши-
бки:
Рош=РлфР(Яо)+/’прР(Я1), (17)
где Р(Н0) — априорная вероятность отсутствия ТС в контролируемой зоне;
Р(Н1) — априорная вероятность наличия ТС в контролируемой зоне.
Априорные вероятности Р(Нй) и P(Hi) характеризуются
интенсивностью движения ТС:
P(H,)=2tJT,
i = i
где tt—время проследования i-м ТС контролируемой датчиком зоны;
Т —суммарное время работы датчика
По результатам статистических исследований роспуска сос-
тавов на сортировочных горках большой мощности (6000 ваго-
нов в сутки) для головных стрелок Р(Н0) = 0,714-0,79 и P(Hi) =
= 0,214-0,29; для пучковых Р(Н0) = 0,824-0,88 и Р(Hi) = 0,124-
4-0,18; для парковых Р(Н0) =0,884-0,93 и Р(Н[) =0,074-0,12.
При реализации порогового алгоритма работы, что имеет
место для всех путевых датчиков, включая и радиотехнический,
фиксация занятости происходит для рельсовой цепи (РЦ) ли-
бо при превышении преобразуемой величиной некоторого поро-
гового значения (первый алгоритм), либо, наоборот, при значе-
нии преобразуемого параметра ниже порогового (второй алго-
ритм).
По первому алгоритму вероятность правильной фиксации
контролируемого объекта
а.
Р(а,>аПор)= J f(a)da,
Clnop
7
где ai — значение преобразуемого параметра в точечном датчике (ток, на-
пряжение, шунтовое сопротивление и т. п );
Опор — пороговое значение преобразуемого параметра;
((a) —плотность распределения преобразуемого параметра.
По второму алгоритму вероятность правильной фиксации
контролируемого объекта
Ctnop
Р(а;Сапор)= J f(a)rfa.
а.
Нормально разомкнутая стрелочная рельсовая цепь фикси-
рует наличие отцепа в случае, если сопротивление шунта отце-
па, вагона не превышает нормативное, т. е. Яш^Яя- Если соп-
ротивление шунта превышает пороговое значение (/?Пор=/?н),
приемник РЦ не фиксирует наличие отцепа, несмотря на то что
на самом деле он находится в контролируемой зоне. Таким об-
разом, принимается ошибочное решение, которое оценивается
вероятностью пропуска отцепа РЦ:
Rm
Р (^?ш^*^пор) “ J f (Рш) dPm.
Rnop
Шунтовое сопротивление отцепа представляет собой случай-
ную функцию, зависящую одновременно от многих независи-
мых случайных факторов эксплуатационного характера (загряз-
нения головок рельсов и поверхности колеса, веса вагона, соб-
ственного сопротивления колесной пары и т. п.) Это дает ос-
нование считать, что плотность вероятности распределения
шунтового сопротивления может быть описана нормальным за-
коном:
/(/?ш) = 1/(<7ш]/'2л)ехр{-(;?ш-/?н)г/(202ш)},
где (Уш — среднее квадратичное отклонение шунтового сопротивления;
7?н — математическое ожидание шунтового сопротивления.
Тогда вероятность пропуска отцепа датчиком, в качестве
которого используется рельсовая цепь,
___Рш
Рпр = 1/(<7шИ 2л) J ехр{— (Рт—Ra')2/(2o2m)}dRja
Rnop
Вероятность пропуска отцепа датчиками пространственного
контакта (оптическими, радиотехническими, ультразвуковыми
и т. п.) в случае, если наличие сигнала характеризует свобод-
ность контролируемой зоны Pnp = P(Un>Unop), т. е. ошибка в
обнаружении отцепа в контролируемой зоне, определяется ве-
роятностью превышения напряжением помехи порогового на-
пряжения приемника.
Для фотоэлектрических устройств (ФЭУ) наличие отцепа
регистрируется при малом световом токе, т. е. при экранирова-
нии вагоном светового потока, падающего на фотоприемник.
При этом в цепи фотоприемника протекает темновой ток /т.
8
Плотность распределения темнового тока хорошо описывает-
ся законом Релея. В этом случае вероятность пропуска отцепа
ФЭУ
I /2*
'’•--Т- Р 2<”’
° 1 г
'пор
где It—темновой ток фотоприемника;
о2т — дисперсия темнового тока;
/пор — пороговый ток.
Вероятность пропуска, обеспечиваемая магнитоиндукцион-
ными датчиками типа ПБМ.-56, определяется вероятностью то-
го, что наведенное напряжение на выходе датчика при просле-
довании колесной пары вагона будет меньше порогового:
Р пр = Р (U Д< // пор)
В настоящее время не имеется сведений о законе распреде-
ления напряжения на выходе магнитоиндукционной педали.
В общем виде плотность распределения напряжения на выходе
магнитоиндукционной педали f(U) зависит от скорости движе-
ния отцепа vo, пространственной ориентации оси магнита (х, у)
и от расстояния между поверхностью колеса и плоскостью маг-
нита датчика I. В эксплуатационных условиях все перечислен-
ные факторы носят случайный характер f(U)=f(uo, х, у, I).
II пор
Вероятность пропуска Рп?= § f(U)dU.
ил
Ложная фиксация отцепа в контролируемой зоне стрелочно-
го участка регистрируется выдачей команды о занятости в то
время, когда на стрелочном участке отсутствует отцеп. Это со-
бытие характеризует ложное срабатывание исполнительного
элемента датчика и может быть оценено вероятностью ложной
фиксации.
Ложная фиксация происходит в случае, когда сопротивле-
ние рельсовой цепи становится ниже порогового. Это бывает
обычно в результате уменьшения сопротивления балласта. Та-
ким образом, вероятность ложной фиксации рельсовой цепью
/?ПОр
Р лф — Л(/?рц</?пор) = j f(Ppn)dPpu,-
Ррц
Для датчиков пространственного типа, использующих явле-
ние экранирования сигнала, при отсутствии контролируемого
объекта вероятность ложной фиксации
Р лф —Р (U C<lIInop)
где Uс — напряжение сигнала.
Для фотоэлектрического (оптического) датчика напряжение
сигнала определяется световым током фотоприемника /с- При
9
ухудшении погодных условий изменяется мощность светового
потока, значение /с может уменьшиться и стать ниже порого-
вого /„op. В этом случае при фактической свободности стрелоч-
ного участка регистрируется ложная занятость.
Как показали статистические исследования эксперименталь-
ных характеристик светового тока 1С ФЭУ, плотность его рас-
пределения описывается законом Райса или обобщенным зако-
ном Релея.
В связи с этим вероятность ложной фиксации отцепов ФЭУ
/с2+а2
\ П2с /
где /с —световой ток фотоприемника,
о2с —дисперсия светового тока;
а—математическое ожидание,
/0 — функция Бесселя
Вероятность ложной фиксации магнитоиндукционным дат-
чиком характеризуется вероятностью того, что наведенная
э. д. с. при отсутствии вагона превысит пороговое значение. По-
скольку магнитоиндукционные датчики реагируют на ферромаг-
нитные материалы, то трудно даже предположить причины, ко-
торые при отсутствии вагона вызовут появление наведенной
э. д с. в приемнике. Можно лишь предположить влияние на
приемник магнитоиндукционного датчика наведенных тяговых
токов, которые могут вызвать его ложное срабатывание. Все
это позволяет положить вероятность ложной фиксации магни-
тоиндукционными датчиками практически равной нулю.
1.4. Вероятность обнаружения транспортных средств
по дальности на участке пути
Чрезвычайно опасными для систем управления движением
подвижных единиц являются ошибки датчиков обнаружения ти-
па кратковременного пропуска при перемещении ТС в контро-
лируемой зоне. Характерным примером таких ошибок является
кратковременная потеря шунта рельсовой цепью, вызывающая
перевод стрелок под вагонами в системах ГАЦ и электрической
централизации, опасный сбой в работе систем автоблокировки
и др.
Вероятность обнаружения ТС по длине контролируемого
участка /к представляет собой накопленную вероятность обна-
ружения. Каждому элементу длины контролируемого участка
соответствуют вполне определенные значения мгновенной плот-
ности вероятности обнаружения и накопленной вероятности
обнаружения.
10
Для датчиков обнаружения ТС типов ФЭУ, РТД-С, ПБМ-56,
ДП50-80 распределение дальности обнаружения в зоне контро-
ля подчиняется нормальному закону:
w(R) =
1__
сУ2л
(R—т)2
2а2
Для рельсовой цепи распределение дальности обнаружения
в зоне контроля хорошо описывается усеченным нормальным
законом:
Вероятности обнаружения по дальности соответственно:
По законам распределения дальности обнаружения датчи-
ков и оценке ожидаемой вероятности установления «контакта^
с ТС определим интегральную вероятность обнаружения P(t)
на основании функции y(t):
t
P(t) = 1—exp {— | y(t)dt}.
Очевидно, что при прочих равных условиях способность дат-
чика обнаруживать ТС различна для различных точек зоны
его действия. Так, для магнитоиндукционных педалей она рас-
тет при приближении оси колесной пары к месту установки пе-
дали и уменьшается при удалении. Это распространяется на
ФЭУ и РТД-С, т. е. существует зависимость: у=у(1) или у =
=y(R). На основе этих зависимостей для известного характера
движения подвижной единицы в контролируемой зоне можно
определить закон установления пространственного контакта
как функции t, т. е. у=у(О Использование функции y(t) для
количественной характеристики эффективности датчиков обна-
ружения обусловлено возможностью практического определения
статистического распределения дальности обнаружения ТС и
выявления на его основе зависимости y(R) или у(1) для всех
условий обнаружения:
где 1— P(R) —интегральный закон распределения дальности необнаружения
ТС;
v —скорость движения подвижной единицы, для которой получе-
ны статистические данные, определяющие закон распределе-
ния дальности обнаружения
11
Для рассматриваемых случаев
Функцию у (0 получим, если в выражениях для у (7?) и
у(1) учесть характер изменения расстояния I во времени при
движении ТС относительно точечного датчика обнаружения
Наиболее характерным случаем работы обнаружителей
пространственного контакта является тот, когда обнаруживае-
мое ТС движется с переменной скоростью относительно датчи-
ка. Отцеп длиной /отц (рис. 1.2) въезжает на участок контроля
/к со скоростью и. Время, в течение которого отцеп проедет
контролируемый участок, определяет время накопления Т.
Для условий работы датчиков обнаружения типов ФЭУ и
РТД-С 7\ = (/к + /отЦ)/а. Уравнение изменения дальности R до
обнаруживаемого отцепа: R — Vr7?2o+ (lo + vt)2.
Учитывая условия размещения и работы обнаружителей ти-
пов ПБМ-56, ДП50-80, РЦ, для которых R—0, время, в течение
которого отцеп находится в зоне их действия, определяется:
для магнитоиндукционных датчиков
7"2=/зд/у;
для РЦ
Т3 = (/к + 1отц)/^>
где /Зд — длина зоны действия магнитоиндукционного датчика
Уравнение изменения дальности R до обнаруживаемого от-
цепа относительно места расположения приемников ПБМ и РЦ
описывается одним выражением: R = vt=l. Тогда интегральные
вероятности обнаружения ТС при его движении по контроли-
руемому участку:
Рис. 1.2
12
для РТД и ФЭУ
P(t) = i—exp
для РЦ
P(t) = 1—exp
Предложенный критерий интегральной (накапливающейся)
вероятности обнаружения ТС позволяет оценить ожидаемую ве-
роятность обнаружения объекта для любой точки контролиру-
емой зоны любым датчиком обнаружения железнодорожного
транспорта.
1.5. Критерии оценки инерционных характеристик
датчиков измерения параметров движения
Инерционность измерительных датчиков ИД систем автома-
тизации в конечном итоге определяет эффективность автомати-
зации. Инерционность датчика и его точность оказываются свя-
занными между собой и с характеристиками входного сигнала.
Введение системы критериев измерительных датчиков стано-
вится особенно актуальным в связи с повышением скорости рос-
пуска составов на сортировочных горках, когда время просле-
дования отцепа по замедлителям тормозных позиций становится
соизмеримым с инерционностью замедлителей. Повышение мощ-
ности замедлителей уже в настоящее время позволяет обеспе-
чить замедление при торможении отцепов до 2 м/с2. При раз-
работке бортовых датчиков измерения скорости движения ло-
комотивов для систем регулирования тяговыми двигателями
необходимо учитывать инерционные свойства измерителей. Од-
нако до настоящего времени не имеется обобщающих критери-
ев оценки измерительных датчиков.
Как известно, общая погрешность измерительных средств
может быть представлена в виде суммы составляющих:
битах — 6о тах + 6д max ИЛИ 62д = 62о + 62д,
где 6о max, 62о — соответственно максимальное значение и средний квадрат
_____________ статической погрешности измерителя,
йд max, 6вд — соответственно максимальное значение и средний квадрат
динамической погрешности измерителя.
Динамическая погрешность измерителя бд может быть раз-
ложена на динамические погрешности первого и второго ви-
дов: бд = бд! + 6дЦ.
Динамическая погрешность первого вида 6Д1 обусловлена
инерционностью схемы измерителя и определяется длительно-
стью переходных процессов, происходящих в этих узлах, а бдц
обусловлена изменением входного сигнала за время преобразо-
вания и определяется скоростью изменения или частотным спек-
тром входного сигнала.
Таким образом, динамическая погрешность измерительного
датчика определяется инерционностью измерителя, которая мо-
жет быть выражена как
/и “ /ис Т ^пи,
где /ис — время, определяемое длительностью переходных процессов в схе-
ме датчика;
/пи — время преобразования измерителем входного сигнала.
Динамическая погрешность измерительных датчиков в сис-
темах управления и регулирования в основном определяется
величиной /пи. Причем эта величина, связанная с длительно-
стью входного сигнала, одновременно определяет значения ста-
тической и динамической погрешностей. Эта зависимость, как
известно, имеет оптимум, при котором обеспечивается минимум
суммарной погрешности. Увеличение /пи приводит к уменьшению
статической погрешности и одновременно к увеличению дина-
мической.
Выбор оптимального времени преобразования сигнала в из-
мерительных датчиках является достаточно сложной задачей и
не всегда оправдан, поскольку не учитывает реально допусти-
мого времени обработки сигнала по условиям реальной дина-
мики движения управляемых транспортных средств. Поэтому
оптимизация времени /пи должна производиться в рамках до-
пустимого времени обработки сигнала, т. е. должно выполняться
неравенство: /Пи^/доп, где /доп— время, определяемое допусти-
мой инерционностью ИД, учитывающего реальные параметры
движения управляемого транспортного средства в контроли-
руемой зоне, временные параметры средств управления и т. п.
В общем случае ^on = f(ai, ..., ап), где а, — параметры, ха-
рактеризующие процесс управления в реальном масштабе вре-
мени.
Для систем автоматизации регулирования скорости движе-
ния транспортных средств допустимое время
/до«=[г'о/ч(/)]±1/Г[t)20/a2(/)]+2/н/а(/) ,
где t'o — начальная скорость въезда ТС на измерительный участок;
а(7) — ускорение движения ТС по измерительному участку;
/н —нормативная длина контролируемого участка пути, в пределах
которой ИД должен выдать информацию о скорости движения.
14
Значение величины /н выбираегся из соотношений:
/н = Чшах^пи; 1 (18)
^О^пи/^иу1, При 6<бд, I
где у0 — текущая скорость движения ТС по измерительному участку.
Для радиолокационных измерителей скорости соотношения
(1.8) могут быть записаны в следующем виде:
[0,5.ГЛ./(/иуСО8а)]/ ПИ «1,
где F — доплеровская частота;
Л.— длина волны излучаемого сигнала;
а — угол облучения ТС.
Очевидно, что условие непревышения допустимой погреш-
ности измерения бд при /Пи = const может быть легко реализо-
вано в сравнительно малом динамическом диапазоне изменения
скоростей движения: dA = vmax/vmin- Однако динамический диа-
пазон изменения скоростей движения ТС на железных доро-
гах, характеризуемый коэффициентом dR, изменяется в широких
пределах (1,5^^д^ 100). Так, даже в спускной части сортиро-
вочной горки в зависимости от размещения измерительного
участка коэффициент с?д изменяется в пределах 1,5^б/д^ 15.
Соотношения (1.8) практически минимизируют величину /пи
на максимальной скорости движения ТС. При ^д3>1 погреш-
ность измерителя , что практически не дает воз-
1 max min 1
можности реализовать условие 6<6Д во всем диапазоне ско-
ростей движения. С целью стабилизации погрешности измери-
теля по всему диапазону скоростей необходимо предусматри-
вать адаптацию интервала /пи к скорости движения.
Критерием адаптации измерительных датчиков параметров
движения служит коэффициент адаптации
^а = Уо/пи//н = Const | 6<6д'1,та1 (T9)
Условие (1.9) позволяет считать стационарным процесс на
входе датчика на интервале /пи и связать дисперсию входного
сигнала, определенную по ансамблю при математическом ожи-
дании, равном нулю, с дисперсией, вычисленной усреднением в
частотной области. Для оценки дисперсии динамической по-
грешности, обусловленной изменением сигнала за время преоб-
разования, необходимо знать дисперсию скорости изменения
входного сигнала, учитывая, что энергетический спектр произ-
водной сигнала Sp= (2яК)2 SX(F), где SX(F) — энергетический
F max
спектр входного сигнала, а2^ §(2n.F)2Sx(F)dF = (2лТтах)2оЧ'3.
о
Тогда (72дин = О2/2яи = (2nf тах^пи) 2 (^тах—Хпт) 2/36. ВИДНО, ЧТО
дисперсия динамической погрешности измерения стремится к
сколь угодно малой величине при Xmax/-X’min= 1, что может быть
достигнуто с помощью адаптации времени измерения в ИД.
15
Глава 2
ПУТЕВЫЕ ДАТЧИКИ КОНТРОЛЯ ПОДВИЖНЫХ ЕДИНИЦ
2.1. Электромагнитные точечные путевые датчики
Широкое применение на железнодорожном транспорте на-
ходят точечные датчики магнитоиндукционного типа. Основным
элементом их являются постоянные магниты и насаженные на
них катушки [6]. При проследовании колеса вагона над датчи-
ком в его катушке индуцируется э. д. с., амплитуда которой
пропорциональна скорости движения. Полярность выходного
напряжения изменяется в точке совмещения осей магнита и
колесной пары.
Датчик педального типа (ПБМ-56), широко эксплуатируе-
мый до настоящего времени на сети железных дорог, доста-
точно подробно описан во многих источниках, в том числе в
[6]. Поэтому описание его в данном разделе опущено.
Опыт эксплуатации датчиков ПБМ-56 на сортировочных
горках показал их невысокую надежность [26]. Причинами от-
казов и сбоев этих датчиков являются: вибрация рельсов, на-
прессовка снега и льда, механические повреждения, влияние
магнитных полей тяговых двигателей и климатических факто-
ров. Около 80% отказов датчика ПБМ-56 с релейной ячейкой
РЯ-ПБМ происходит при движении вагонов со скоростью ни-
же 1,5 км/ч и 20% — при протекании в рельсах тока с ампли-
тудой более 75 А. Таким образом, существенным недостатком
датчика являются низкая чувствительность, зависящая от ско-
рости движения, и низкая помехозащищенность от токов в
рельсовых цепях.
Сильная уязвимость датчика внешними механическими
воздействиями резко снижает его срок службы. Так, срок
службы датчиков, установленных на головных стрелочных
участках сортировочных горок ближе чем на 1 м от стыка, не
превышает полутора-двух лет, в то время как на участках с
малой интенсивностью движения они работают пять и более
лет. Так как срок службы датчика должен быть не менее че-
тырех-пяти лет, целесообразно использовать их на малодея-
тельных участках железных дорог.
Путевой датчик ДП50-80. Более совершенным путевым дат-
чиком является трансформаторный типа ДП50-80 с преобразо-
вателем сигнала путевого датчика ПСДП50-81 [4], [25]. Этот
датчик выпускается взамен магнитной педали для контроля
проезда осей колесных пар при скорости движения состава от
0 до 36 км/ч.
16
Рис. 2.1
Датчик рассчитан на номинальное напряжение питания
(20±2) В и частоту 50 Гц. Ток при номинальном напряжении
равен 1,2 А. Напряжение на выходных обмотках составляет
(35±3) В. При подключенном преобразователе минимальная
амплитуда напряжения сигнала на выходе датчика должна
быть не менее 2 В. Линия связи до преобразователя при ис-
пользовании кабеля СЦБ должна быть до 0,5 км, а при ис-
пользовании кабеля со скруткой жил — не более 5 км. Такие
ограничения, накладываемые на длину кабельной линии, дик-
туются требованиями помехозащищенности сигналов датчи-
ков. Известно, что в кабеле без скрутки жил мощность помех
достигает 3—4 мВт при мощности сигнала электромагнитного
датчика 0,4—20 мВт, а в кабеле со скруткой — не превыша-
ет 0,01 мВт. Датчик обеспечивает зону чувствительности (зону,
в пределах которой уверенно обнаруживается колесо вагона)
длиной 0,35—0,65 м.
Датчик состоит из электромагнитной головки 1 (рис. 2.1,а),
регулировочных прокладок 2, платформы 3 и крюкового болта
4. Электромагнитная головка представляет собой электромаг-
нитную систему, состоящую из двух независимых стержневых
сигнального и компенсирующего магнитопроводов с равномер:
но распределенными обмотками wl и w2 (рис. 2.1, б).
Магнитопроводы с обмотками залиты эпоксидной смолой и
размещаются под головкой рельса на расстоянии 45 мм парал-
лельно друг другу и рельсу (см. рис. 2.1,а). При такой конст-
рукции и расположении электромагнитная система датчика
ортогональна вертикальной и горизонтально-поперечной сос-
тавляющим мешающих магнитных полей, поэтому помеха в
обмотках индуцируется лишь продольной составляющей поля.
Основная платформа предназначена для установки датчи-
ка на рельсы типа Р50 или Р65, а дополнительная, поставляе-
2—1030 17
мая заводом, служит для установки его (при необходимости)
на рельсы типа Р75. Питающее напряжение от трансформато-
ра типа ПОБС-5А подается на выводы 1—2 (см. рис. 2.1,6).
Сигнал с датчика снимается с выводов 4—5. Вывод 3 служит
для дистанционной настройки и контроля исправности дат-
чика.
Питающим напряжением частотой 50 Гц в обмотках wlc и
wIk создаются пульсирующие магнитные потоки. Сигнальный
поток Фс замыкается через магнитопровод, воздушные проме-
жутки и головку рельса. Компенсирующий поток Фк замыка-
ется через магнитопровод, воздушные промежутки, платформу
и подошву рельса.
Воздействие головки рельса на поток Фс отличается от
воздействия платформы участка и подошвы рельса на поток
Фк, поэтому магнитные потоки магнитопроводов датчика не
совпадают по амплитуде, фазе и частоте. В результате на вы-
ходе датчика имеется сигнал расстройки, образованной разно-
стью напряжений, наводимых потоками Фс и Фк во встречно
включенных сигнальной и компенсирующей обмотках датчика.
Этот сигнал расстройки, имеющий как детерминированную,
так и случайную составляющие и достигающий 2—3 В, ком-
пенсируется в преобразователе сигналов. Отрегулированный
датчик должен обеспечивать сигнал расстройки, равный нулю.
В противном случае его характеристики обнаружения осей ко-
лесных пар существенно ухудшаются.
При появлении реборды колеса над датчиком воздушные
промежутки сигнального стержня уменьшаются. В результате
увеличивается э. д. с., наводимая во вторичной обмотке w2c
сигнального стержня. На выходе появляется разность э. д. с.,
являющаяся сигналом наличия колеса в зоне датчика.
Изменение зоны чувствительности датчика существенно за-
висит от ориентации датчика в горизонтальной и вертикальной
плоскостях, от износа головки рельса и проката бандажа.
Преобразователь сигнала датчика ПСДП50-81. Преобразова-
тель сигнала служит для приема и преобразования сигнала с
выхода датчика ДП50-80 и формирования сигнала управления
исполнительным элементом.
Напряжение питания преобразователя, подводимое к выво-
дам 71—72 (рис. 2.2), постоянное (24±4) В. Номинальный по-
требляемый ток 25 мА.
Преобразователь сигнала состоит из следующих функцио-
нальных узлов: усилителя на транзисторах V8 и V10, стаби-
лизатора напряжения на стабилитроне V7, релейного триггер-
ного элемента на транзисторах V5 и V6, выпрямителя (VI—
V4), разделительного согласующего трансформатора Т и узла
настройки (R1—R3, С1).
Узел настройки предназначен для компенсации сигнала рас-
стройки датчика. Для амплитудной регулировки сигнала рас-
18
Рис. 2.2
согласования предусмотрен дополнительный источник перемен-
ного напряжения 4—6 В, подводимого к выводам 11—12 схе-
мы. Подстроечным резистором R2 изменяют напряжение, сни-
маемое с вывода 32 и подводимое к вторичной обмотке датчи-
ка (вывод 4) (см. рис. 2,1,6). Фазовый регулятор выполнен
на резисторах R1 и R3 (см. рис. 2.2), с которого (вывод 53)
подводится также к вторичной обмотке датчика (вывод 3) (ом.
рис. 2.1,6). Вывод 31 (см. рис. 2.2) преобразователя соединя-
ется с другой вторичной обмоткой датчика (вывод 5) (см. рис.
2.1,6).
Начальная регулировка датчика с целью компенсации на-
пряжения рассогласования производится резисторами R2 и R3
дистанционно при отсутствии подвижной единицы в зоне кон-
троля. Узел настройки подключается к датчику с помощью
трехпроводной линии.
Для нормальной работы релейного элемента, выполняюще-
го функции регистрации колесных пар по превышению напря-
жения на его входе (транзистор V5), предусмотрен выпрями-
тель переменного сигнала (V/—V4) с фильтром R4-C3. При
превышении уровнем входного сигнала порогового значения
срабатывании триггера (V5, V6), определяемого сопротивления-
ми резисторов R5 и R6, происходит переключение триггера. В
отсутствие сигнала транзистор V5 открыт напряжением, снимае-
мым с резистора R6. При этом транзистор V6 закрыт низким
потенциалом коллектора V5.
При появлении колесной пары над датчиком на выходе уз-
ла настройки возникает переменное напряжение, достигающее
максимума при нахождении оси колеса над датчиком, и уве-
личивается выпрямленное напряжение, снимаемое с резистора
R4. При достижении им порогового уровня (1,2—1,6 В) проис-
ходит переключение триггера. Транзистор V5 переходит в
закрытое состояние, а Уб—открывается. Открытие транзисто-
ра V6 свидетельствует о наличии колеса в зоне действия дат-
чика. Это состояние продлится до тех пор, пока напряжение
на входе транзистора V5 не уменьшится до порога возврата
2* 19
(0,6—0,8 В) по мере удаления оси колеса от датчика. После
этого транзисторы V5 и V6 возвращаются в исходное состоя-
ние, цикл фиксации колесной пары заканчивается. Разность
напряжений порогов срабатывания и возврата обеспечивает
защиту устройства от влияния помех датчика и пульсаций сиг-
нала.
Стабилизатор напряжения (RIO, V7, С4) предусмотрен для
стабилизации напряжения питания триггера ( + 5 В) и тем
самым для поддержания стабильными пороговых напряжений.
Усилитель постоянного тока на транзисторах V8 и V10
обеспечивает выдачу управляющего сигнала исполнительному
элементу. Напряжение в схеме снимается с двух выводов: 51
и 52. В первом случае осуществляется управление поляризо-
ванным реле, а во втором сигнал управления выдается на ре-
ле типа НМШ с сопротивлением питающей обмотки не менее
500 Ом (вывод 52).
2.2. Короткие рельсовые цепи
Во всех современных системах автоматического и телеме-
ханического регулирования движения поездов РЦ выполняют
наиболее ответственные функции путевого датчика двоичной
информации о состоянии путевых изолированных участков на
перегонах, станциях, сортировочных горках, а также служат в
качестве рельсовых линий связи для организации непрерывной
автоматической связи между поездами и устройствами, регули-
рующими движение поездов. Рельсовые цепи широко исполь-
зуются в качестве информационно-измерительных датчиков
(ИИД) для создания непрерывного канала связи в системах
автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) для об-
мена информацией между сигнальными устройствами на пе-
регоне.
На железных дорогах нашли применение многие виды РЦ,
отличающиеся принципом действия, устройством и параметра-
ми ее элементов, электрическими схемами включения [13], [1].
По принципу действия РЦ как путевые датчики разделяют на
нормально разомкнутые и нормально замкнутые. Нормально
замкнутые РЦ, в которых контролируется работоспособность
всех элементов, включая рельсовые нити, широко применяются
в системах управления, обеспечивающих безопасность движе-
ния поездов. Нормально разомкнутые РЦ, в которых не кон-
тролируется исправность элементов и рельсовой нити, находят
применение на сортировочных горках.
Одним из основных параметров, определяющих нормальное
функционирование РЦ как путевого датчика, является шунто-
вое сопротивление. Случайный характер изменения шунтово-
го сопротивления приводит к ошибкам. Например, потеря
шунта может привести к пропуску ТС, что создаст предпосыл-
20
ки аварийной поездной ситуации вследствие неправильного
управления огнями светофора.
Искажения передаваемой информации вследствие кратко-
временного пропадания шунта могут привести к искажению
кодовой комбинации управления светофорами. Так, если вмес-
то кода желтого огня будет принят код зеленого, снижается
безопасность движения, в противном же случае снижается про-
пускная способность или эффективность интервального регу-
лирования.
Момент вступления поезда или одиночного ТС на участок
РЦ и его фиксация путевым приемником, реализующим поро-
говый алгоритм, также носит случайный характер. Однако в
случае движения поезда по блокам-участкам с длинными РЦ
(несколько сотен метров) отмеченный фактор малозначителен.
Если длина РЦ ограничивается несколькими метрами или де-
сятками метров (станционные, горочные РЦ), случайный ха-
рактер фиксации ТС с момента вступления его на контроли-
руемый участок приобретает очевидную остроту. Объясняется
это тем, что время проследования ТС коротких рельсовых це-
пей на больших скоростях становится соизмеримым с инер-
ционностью действия исполнительных элементов. При опре-
деленных обстоятельствах, например на горочных РЦ, это мо-
жет приводить к взрезу стрелки или к ее переводу под со-
ставом.
В системах ГАЦ к коротким рельсовым цепям (КРЦ)
предъявляют дополнительные требования по быстродействию,
что связано с работой стрелок в режиме автовозврата и недо-
пустимостью даже кратковременной потери шунта при движе-
нии ТС по контролируемому участку. Наличие в горочных РЦ
предстрелочного участка, вводимого в качестве защитного,
предусматривает дополнительное время, требуемое для полно-
го перевода стрелки.
Отцеп должен быть обнаружен независимо от состояния
балласта и загрязнения контактных частей рельсов и колес-
ных пар. Однако на практике переходное сопротивление коле-
со— рельс нередко достигает 0,5 Ом и более, что является
причиной кратковременной потери шунта. Повышенное загряз-
нение балласта на стрелочных участках солями, рудами и т. п.
приводит к снижению сопротивления балласта до 3 Ом на
12,5 м [13], что уменьшает устойчивость работы КРЦ-
He останавливаясь на специфике технической реализации
и особенностях построения нормально замкнутых и нормаль-
но разомкнутых коротких горочных РЦ, достаточно полно из-
ложенных во многих известных работах [13], [1], приведем
лишь некоторые новые результаты статистических исследова-
ний работы РЦ по обнаружению отцепов.
Весьма опасными и вместе с тем трудно обнаруживаемыми
являются нарушения функционирования коротких РЦ типа
кратковременной потери шунта. Эти нарушения носят случай-
ный характер. Наиболее характерные магнитограммы измене-
ния напряжения на обмотке путевых реле для нормально ра-
зомкнутых горочных РЦ приведены на рис. 2.3, а, а для нор-
мально замкнутых — на рис. 2.3,6.
Магнитограммы изменения напряжения на путевом реле
для нормально разомкнутых РЦ отображают результаты ин-
тегрирования питающего напряжения с постоянной /инт=0,15с,
соответствующей максимально допустимому времени с момента
наложения шунта до размыкания фронтовых контактов обрат-
ного повторителя путевого реле.
На представленных магнитограммах видны глубокие флук-
туации напряжений на путевом реле при движении отцепов.
Эти флуктуации носят устойчивый характер по всей длине
КРЦ. Характер флуктуаций практически не зависит от скорос-
ти движения отцепов, а их глубина изменения амплитуд ко-
леблется в большом динамическом диапазоне и может быть
ниже порога срабатывания (отпускания) путевого реле. Ста-
тистический анализ магнитограмм проведен для порогового на-
пряжения срабатывания путевого реле при номинальном соп-
ротивлении шунта /?ш = 0,5 Ом.
Учитывая большой диапазон изменения скоростей отцепов
(0—10 м/с), длительность замираний для разомкнутой РЦ или
появления питающего напряжения для замкнутой РЦ может
существенно превысить время срабатывания путевого реле или
удержания его якоря. Это приводит к ошибкам типа пропуска
отцепа, характеризующимся кратковременной потерей шунта.
Статистический анализ длины стрелочных участков, на ко-
торых осуществляется обнаружение отцепов, проводился путем
вычисления величины
22
, - 1
4ф— /ср^О—Jcp^Oj
/р
где Гр— длительность реализации, фиксируемая таймером магнитографа;
/р — длина реализации;
/ср— длина участка реализации, на котором происходит достижение
порогового напряжения;
и0— скорость движения отцепа;
/ср— время, в течение которого напряжение на путевом реле достигает
пооргового значения.
Гистограммы распределения статистической частости пре-
вышения порогового напряжения на путевом реле в зависимос-
ти от длины пройденного отцепом пути на начальном /н и ко-
нечном /к участках нормально разомкнутых КРЦ представле-
ны на рис. 2.4, а, а нормально замкнутых КРЦ — на рис. 2.4,6.
Плотность распределения вероятности (ПРВ) дальности
обнаружения отцепа короткой рельсовой цепью на ближней и
дальней ее границах (изолирующие стыки для нормально ра-
зомкнутой РЦ с питанием на ближнем конце и нормально зам-
кнутой РЦ) хорошо описывается усеченным нормальным рас-
пределением:
1 ехр[—(/—/П;)2/(2(Т2/)]
w(l) = —— ------------------z-------,
0,5{1+Ф[/п1/(агу2)]}
где mi — математическое ожидание;
с21 — дисперсия соответствующей случайной величины;
Ф[/п;/(а/У2)] — интеграл вероятности.
Для ближнего участка нормально разомкнутой РЦ mi =
= 2,6 м, <7/= 0,5 м, а нормально замкнутой РЦ /и/=1,8 м, сч=
= 0,3 м. Для дальнего участка нормально разомкнутой РЦ От;=
= 0,3 м, ci = 0,1 м, а нормально замкнутой РЦ mi = 1,8 м, щ=
= 0,3 м.
Как известно, длина горочной рельсовой цепи определяет
интервал между скатывающимися отцепами. С одной стороны,
уменьшение этого интервала позволяет увеличить скорость
роспуска. С другой стороны, инерционность работы исполни-
тельных элементов — путевого реле, стрелочного перевода —
закладывает ограничения на минимальную длину стрелочной
23
горочной РЦ. В связи с этим длина такой РЦ рассчитывается
следующим образом:
^рц=/пу + 1ок, (2 1)
где /Пу — длина предстрелочного участка (от изолирующих стыков до начала
остряков);
/ок —длина участка РЦ от начала остряков до изолирующих стыков пе-
ред крестовиной стрелки
Длина предстрелочного участка рассчитывается по фор-
муле
/пу = ffZne-pZnp) ,
где v — скорость движения отцепов;
<пс — время перевода стрелки;
tap — время срабатывания путевого реле (повторителя) с момента на-
ложения шунта.
При заданной расчетной скорости движения ц=7 м/с (/пр=
= 0,15 с) до момента срабатывания путевого реле отцеп прой-
дет 1,05 м РЦ. Так как допустимая скорость движения отце-
пов fmax=10 м/с, это расстояние может быть равно 1,5 м
Результаты статистических исследований магнитограмм
указывают на то, что расстояние, которое отцеп проходит до
момента фиксации его путевым реле, составляет 2,6 м для
нормально разомкнутой РЦ и 1,8 м для нормально замкнутой,
что существенно превышает рассчитанную по формуле (2.1) дли-
ну РЦ.
С учетом проведенных исследований целесообразно уточ-
нить общепринятую расчетную формулу (2.1), представив ее
в виде:
/пу = f тах^пс +mi (2 2)
Для нормально разомкнутой РЦ mz = 2,6 м, а для нормаль-
но замкнутой РЦ т/=1,8 м.
Закон распределения дальности, на которой происходит
освобождение отцепом РЦ (см. рис. 2.4), и его числовые ха-
рактеристики указывают на то, что напряжение возбуждения
на путевом реле возникает, как правило, ранее, чем послед-
няя колесная пара окажется на изолирующем стыке Относи-
тельно дальнего изолирующего стыка для нормально разомкну-
той РЦ т/ = 0,3 м; щ=0,15 м, а для нормально замкнутой РЦ
mi = 1,8 м, ш=0,3 м. Причем точка, соответствующая mi, рас-
полагается ближе дальнего изолирующего стыка на 0,3—1,8 м.
Быстродействие горочных РЦ при снятии шунта, как извест-
но, составляет 0,3—0,35 с. Смещение дальней границы зоны
чувствительности РЦ на 0,3—1,8 м независимо от скоростей
движения отцепов не приводит к опасным отказам, поскольку
колесная пара вагонов находится на остряках стрелки и не да-
ет возможности перевести ее. Более того, учитывая замедле-
ние срабатывания путевого приемника РЦ при снятии шунта,
24
смещение дальней границы зоны чувствительности повышает
быстродействие РЦ для установления маршрута очередному
отцепу
Замедление после снятия шунта служит главным образом
для уменьшения вероятности пропуска отцепа вследствие
кратковременной потери шунта Однако эффективность такой
меры резко снижается при малых скоростях движения отце-
пов. Заметим, что использование термина кратковременная по-
теря шунта весьма условно и в ряде случаев, особенно для
КРЦ, не оправдано, поскольку время потери шунта может
быть соизмеримо и даже может превышать нормативное за-
медление при снятии шунта
Таким образом, можно сделать вывод, что движение отце-
пов по коротким горочным РЦ сопровождается флуктуациями
напряжения на путевом реле Суммарная длительность «зами-
раний», определенная на уровне порога срабатывания путево-
го реле при проезде массовых вагонов, достигает 47% общего
времени прохода отцепом КРЦ При проезде длиннобазных ва-
гонов эффект потери шунта проявляется еще сильнее.
На основании исследований магнитограмм, снятых на ре-
ально действующих КРЦ, определена ПРВ дальности обнару-
жения отцепов. Показано, что математическое ожидание даль-
ности обнаружения при въезде отцепа на РЦ т/ = 2,6 м для
нормально разомкнутой РЦ и т/=1,8 м для нормально зам-
кнутой РЦ с дисперсиями о2г=0,25 и o2z = 0,3 соответственно.
Математическое ожидание смещения дальней границы зо-
ны чувствительности РЦ относительно изолирующего стыка
tni=0,3 м для нормально разомкнутой РЦ и т;=1,8 м для нор-
мально замкнутой РЦ с соответствующими дисперсиями о2г=
= 0,01 и о2/ = 0,1
Полученные результаты необходимо учитывать при проек-
тировании, определении длины предстрелочного участка и обо-
рудовании КРЦ
2.3. Фотоэлектрические датчики
Фотоэлектрическое устройство, включающее светоизлуча-
тель (осветитель) и фотоприемник, широко эксплуатируется на
сети железных дорог и на метрополитене как средство допол-
нительной защиты стрелки от перевода под вагонами
В осветителе ФЭУ устанавливаются электрическая лампа
линзового светофора ЖС12-25 и фокусирующая линза, прик-
рытая предохранительным стеклом Фотоприемник состоит из
фоторезистора и релейной ячейки РЯФУ-72.
Обнаружение отцепов в контролируемой зоне основано на
экранировании транспортным средством светового потока, по-
ступающего в приемник Используемый излучатель ФЭУ ра-
ботает в диапазоне длин волн Х= (0,44-0,76) мкм.
25
Достоинством фотодатчика являются работа в режиме про-
странственного контакта с обнаруживаемым объектом, про-
стота реализации и эксплуатации, относительно низкая стои-
мость. В то же время в оптическом диапазоне волны подвер-
жены сильному затуханию в зависимости от состояния атмос-
феры (дождь, туман, снег, пыль). Запыленность и загрязнение
оптических линз горюче-смазочными материалами сильно отра-
жаются на нормальном функционировании ФЭУ. С другой сто-
роны, в солнечную погоду при проезде в контролируемой зоне
вагонов с хорошо отражающими боковыми поверхностями, на-
пример рефрижераторных секций, в приемник ФЭУ попадают
отражения в виде солнечных зайчиков, в результате чего вы-
рабатывается команда ложной свободное™.
Вероятность правильного обнаружения фотоприемником по-
лезного сигнала
Рпо= °]w(lc)dlc,
^пор
где w(lc)— ПРВ светового тока в цепи фотоэлемента приемника;
/пор — пороговый ток фотоприемника.
Световой ток
/с—/к + /ф,
где /н — начальный ток фотоэлемента, определяемый приложенным постоян-
ным напряжением;
/ф •— ток, определяемый внешней фоновой освещенностью фотоприемника.
Определим другие статистические характеристики ФЭУ.
Так, вероятность пропуска препятствия
оо
Рпр“ J
^ПОР
где w(It) — ПРВ темнового тока в цепи фотоэлемента.
Темновой ток
/т=/р + /н + ^ф,
где /р — рабочий ток, протекающий в цепи фотоэлемента при облучении его
световым потоком излучателя.
Соответственно вероятность ложной фиксации
^пор
Рлф= J w(le)dle.
о
Значения вероятностей Рпр и Рлф зависят от соотношения
мощности смеси полезного сигнала и помехи Рс, определяемой
током /с, и мощности помехи Рп, определяемой током 1Т.
26
Мощность оптического сигнала, приходящего на фотопри-
емник,
S
Рс==Ризл _ „ ССЩз,
где Ризл—мощность излучения передатчика;
S — полезная площадь освещаемой части фотоэлемента;
у — диаграмма направленности излучателя по мощности;
х — расстояние между излучателем и фотоприемником;
а, — показатель затухания среды;
а2 — показатель, характеризующий пропускание излучаемого сигнала
оптической системой фотодатчика.
В соответствии с вышеизложенным правильная фиксация
наличия полезного сигнала на входе фотоприемника произой-
дет при выполнении неравенства
РС Рпор,
где Рпор — пороговая мощность входного сигнала.
При оптимальном или квазиоптимальном построении фото-
приемника основной вклад в принятие ошибочного решения
будет вносить затухание оптического сигнала. Затухание сиг-
нала обусловлено двумя основными причинами — поглощением
и рассеянием:
ai = an+aP,
где ап — показатель поглощения;
ар — показатель рассеяния.
Если радиус рассеивающих частиц гЗ>Х, показатель рас-
сеяния аР3>ап. В рассматриваемом случае использования ФЭУ
для оценки работы фотодатчика в напольных условиях это со-
отношение выполняется. В результате общий показатель зату-
хания
Г2
ai= nA]' kw(r)r2dr,
Г1
где N — концентрация рассеивающих частиц;
k — коэффициент эффективной площади, зависящий от р=2лг/Х и от
комплексного показателя преломления среды;
w(r)— ПРВ размеров рассеивающих частиц
При приближенно можно считать k=2.
Мощность оптического сигнала на входе приемника
г2
Рс = [Ризл5/ (у2х2) ] nWa2 У kw(r)r2dr.
Г1
При этом мощность излучения передатчика
Х2
РиЗЛ”У^с(Л., T)d\,
и
27
где X, и X, — соответственно минимальная и максимальная длины волн из-
луачемого светового сигнала;
ЗДсбХ, 7") - Г1РВ мощности сигнала в спектре излучения, зависящая от
абсолютной температуры тела источника Т.
Помимо полезного сигнала Рс, на вход оптического прием-
ника поступает помеховый сигнал, определяемый внешней фо-
новой освещенностью (Ьотопоиемника. Составляющая помехо-
вого сигнала характеризуется медленными флуктуациями
в зависимости от погодных условий (ясно, пасмурно, дождь
и т. п.), времени суток, дополнительного искусственного осве-
щения местности.
Таким образом, на вход фотодатчика поступает смесь по-
лезного оптического сигнала и помехи с мощностями Рс и Р$
соответственно. Результирующая фоновая освещенность фото-
приемника Рвх = Рс + Рф. Мощность фонового оптического сиг-
нала характеризуется спектральной плотностью мощности, од-
нако на фотоприемное устройство будет оказывать влияние
лишь та часть спектра (A,mm4-Xmax) фонового сигнала, кото-
рая воспринимается фотоэлементом,
Хтах
Рф = J Щф(Х, T)d'k.
ХщШ
Суммарная мощность смеси сигнал-фон на входе фотопри-
емника
Рвх = Рс“|“Рф
В случае перекрытия источника светового сигнала экраном
(препятствием), не пропускающим излучаемый диапазон
волн, на вход приемника поступает фоновый сигнал мощно-
стью Р'ф, в общем случае отличающейся от Рф. На ее значение
будут оказывать влияние отражающие свойства препятствия,
расстояние от него до фотоприемника, ориентация фотоприем-
ника и т. п. Для простоты примем Рф=Р'ф, что справедливо,
например, при работе фотодатчика в безлунную ночь и при
отсутствии внешних источников освещения.
Входная мощность сигнала в приемнике вызывает ток /ф,
который в общем виде можно записать
Хз
/Ф(Х)=/О J е(Х)щ(Х, T)dK
X,
где 1о—постоянная составляющая тока;
е(X)—спектральная чувствительность фотоэлемента.
Порог чувствительности фотоприемника
Фи ’
U с *
где Фэ — удельная мощность излучения;
— напряжение шума на выходе приемника;
Uc — напряжение сигнала на выходе приемника;
28
Sf — полоса частот;
А — площадь чувствительной площадки фотоприемника
Обнаружительная способность фотоприемника D = Uc^Ai\f:
:(ДШФЭ)- Интегральная вольтовая чувствительность З=йс/Фэ.
Инерционные свойства фотоприемника при его облучении
световым потоком определяются инерционностью нарастания
тока фотоответа /ф. Для фоторезистора
/ф=/Уф[1—ехр(—Z/t)],
где /Уф—установившийся ток фотоответа;
т — среднерекомбинационное время жизни носителей тока
При выключении светового потока либо при его перекрытии
экраном инерционные свойства фотоприемника с фоторезистором
определяются током фотоответа при его спаде /ф = /Уфехр(—t/x).
Чувствительность фоторезистора 3 = й/ф/йФэ. Мощность сигнала
на нагрузке фотоэлемента Рн=/2ф(Х)/?.
Фотоприемником принимается решение о свободности конт-
ролируемого участка при превышении мощностью сигнала поро-
гового значения Рпор. И наоборот, если РнСРпор, принимается
решение об отсутствии полезного сигнала, т. е. о занятости кон-
тролируемого участка.
В связи с тем что мощность оптического сигнала на входе
фотоприемника, как и мощность фонового, носит случайный ха-
рактер, решение, принимаемое приемником, носит вероятност-
ный характер. Если рассматривать в качестве реального фото-
электрического устройства фотодатчик, используемый для кон-
троля свободности стрелочных участков в системах ГАЦ, то
основным критерием его функционирования следует считать па-
раметры, характеризующие правильную фиксацию свободности
участка при отсутствии на нем отцепа и правильную, достовер-
ную, фиксацию занятости. Оба эти параметра оцениваются ве-
роятностью ошибки в принятии решения ФЭУ. При фактической
свободности участка Рвх</Эпор.
Вероятность ошибочного решения, принимаемого ФЭУ при
фактической занятости, определяется условием Рф>Рпор- В этом
случае при занятости стрелочного участка в фотоприемник по-
падает световой сигнал, определяемый внешней освещенностью,
отражениями света от поверхности препятствия (светлые цис-
терны, контейнеры и др.), и мощность фонового сигнала на вхо-
де приемника может превысить значения порогового уровня.
Подобные ошибки приводят к наиболее тяжелым последстви-
ям— сходам вагонов при переводе под ними стрелки.
Ошибка при фиксации фактической свободности участка не
приводит к опасным последствиям, однако уменьшает скорость
роспуска составов.
Для определения статистических характеристик обнаружения
подвижных единиц фотодатчиком проведены экспериментальные
исследования работы ФЭУ. Способ исследования характеристик
29
заключался в статистической обработке данных измерений
темнового /т и светового 1С токов ФЭУ, которые подвержены
случайным колебаниям, вызванным воздействием различных
внешних факторов. В качестве примера можно привести зави-
симости Ir(i) и Ic(t), полученные в течение суток при пасмур-
ной погоде для нескольких комплектов ФЭУ (рис. 2.5).
В зависимости от погодных условий, времени года и суток
распределение темнового и светового тока может существенно
изменяться. Так, на рис. 2.6 представлены гистограммы измене-
ния 7С и 7т в течение суток при ясной солнечной погоде, экспе-
риментально измеренные в течение длительного периода (фев-
раль— август). Ввиду низкой разрешающей способности стре-
30
лочного прибора, используемого для этой цели на начальном
участке /т<0,1 мА, отсутствуют значения в интервале 0—
0,05 мА. Сравнительная характеристика гистограмм распреде-
ления показывает, что хотя интервал изменения токов /с и /т
тот же, однако параметры закона распределения, аппроксими-
рующего приведенные гистограммы, могут существенно отли-
чаться.
Применение критерия согласия позволило подтвердить гипо-
тезу описания темнового тока релеевской ПРВ:
и’(7т,) = (7т/а2т)ехр[—/2т/(2а2т)] при /т5=0.
Для оценки вероятности пропуска определяющей является
дисперсия а2т. Обработка результатов экспериментальных из-
мерений, представленных на гистограммах, позволяет задаться
интервалом значений о2т, в пределах которого она может изме-
няться на практике (10~3^o2T=C5'10-2).
Для описания светового тока используется обобщенный за-
кон Релея:
,, ,
w(Ic) = -----
а2,
72с+А2
е ^° ° 10( ° при /с>0,
\ а<= /
где 10(х) — модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Математическое ожидание амплитуды тока
. , . , . , А2
А2 | /А2 | А2 А2 \
1+ 0 , М . 2 ) + оз М л i ) е
2о2с / X 4о2с / 2о2с \ 4о2с / .
Дисперсию можно описать через начальный момент второго
порядка: D(IZ)~ </2с>—</с>2. Расчеты показывают, что
значения параметров распределения лежат в границах 1,4^
<А^1,6; 5’ 10~3<(т2с=С10-2.
Определим вероятности пропуска препятствия:
ОС GO J
Р(Н0/Н1)= СWn(/T)dIT= Г—„ ехр
I 1 °т
1 т
dI^
72иор'
2а2т,
Аналогично вероятность ложного срабатывания
/пор /пор J [ J2„4-Д2 \ / AJ \
P(HlIHt>) = (w(Ic)dfc—\ —5— ехр ——-------------- /о —— р/е =
Q *0 О2с \ 2(Гс / \ Ос /
= 1 — Q С^/Ос) ^пор/Ос) .
с/э
Здесь Q(u, u)=jxexp[—(x2 + u2)/2]I0(ux)dx — табулирован-
ная функция.
31
0,05
0,16c,Mb
Рис. 2.7
Результаты расчетов, проведенных для трех значений поро-
гов /ПОр= 1,51о,2 мА, используемых в устройствах горочной
автоматики ФЭУ (рис. 2.7), позволяют сделать вывод, что ве-
роятность пропуска препятствия, г. е. вероятность того, что ФЭУ
не зарегистрирует вагон на контролируемой позиции, весьма ма-
ла и не превышает 10-6. В то же время с точки зрения ложных
срабатываний ФЭУ явно не удовлетворяет тем требованиям, ко-
торые предъявляют к устройствам горочной автоматики. Расче-
ты показывают, что реальная вероятность ложных срабатыва-
ний будет колебаться в пределах 10-3—10~4 при А = 1,54-1,6 и
Ос = 0,005. Очевидно, эго обусловлено слабой защищенностью
ФЭУ от воздействия атмосферных осадков, вибрации устано-
вочных стоек, приводящих к сбою юстировки фотолуча.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод. Ис-
пользуемые в устройствах горочной автоматики датчики, осно-
ванные на оптическом принципе (в частности, ФЭУ) не удов-
летворяют предъявляемым к ним требованиям ввиду низкой
помехозащищенности. Вероятность ложных срабатываний по-
добных устройств составляет 10-3—10~4. Жесткие требования
по юстировке фотоизлучателя и фотоприемника усложняют
эксплуатацию ФЭУ. В ясную солнечную погоду резко возраста-
ет вероятность пропуска отцепов, в особенности при роспуске
светлых рефрижераторных секций. Следует также отметить,
что появившиеся на сети железных дорог длиннобазные восьми-
осные цистерны с высоко поднятым основанием (1330 мм) не
обнаруживаются ФЭУ ввиду узконаправленного излучения. Ос-
таются вне зоны видимости ФЭУ и вагоны-транспортеры с низ-
ко опущенным основанием платформы (до 560 мм).
32
Глава 3
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ КОНТРОЛЯ
СВОБОДНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ПУТИ
3.1. Принципы обнаружения подвижных единиц
и построения радиотехнических датчиков
Радиотехнические датчики (РТД) обеспечивают пространст-
венный контакт с обнаруживаемыми транспортными средства-
ми и могут работать в двух режимах: обнаружение посредст-
вом приема отраженного сигнала (канал отраженного сигнала
КОС) и обнаружение в результате экранирования транспорт-
ным средством сигнала, излучаемого передатчиком (канал пря-
мого сигнала КПС) [10], [3].
Особенностью работы таких датчиков являются расположе-
ние их в зоне постоянных вибрационных воздействий, большой
диапазон температурных изменений, постоянное воздействие
климатических факторов (снег, туман, дождь и т. п.) и эксплу-
атационных (сильная запыленность, постоянное загрязнение
горюче-смазочными материалами и т. п.), малая дальность об-
наружения, значительная протяженность обнаруживаемых объ-
ектов. Поверхности вагонов имеют сложную структуру и раз-
ные отражательные свойства. Транспортные средства должны
обнаруживаться в строго ограниченной контролируемой зоне
при наличии в непосредственной близости от нее, а нередко и
в ней мешающих «местных» предметов, обладающих хорошими
отражающими свойствами (верхнее строение пути, опорные
столбы, вагоны на соседних путях).
В радиотехнических датчиках реализуются различные приз-
наки обнаружения ТС: уровень сигнала на входе приемника
(отраженного или экранируемого транспортным средством);
частота доплеровского сигнала, несущая информацию о скоро-
сти перемещения объекта; время задержки отраженного сиг-
нала.
Основные признаки обнаружения ТС, используемые в ра-
диотехнических датчиках, представлены в табл. 3.1.
Наиболее просто реализуется амплитудный признак обнару-
жения (по мощности). При этом ТС обнаруживается при умень-
шении мощности сигнала на входе приемника (в результате
его экранирования транспортным средством) ниже порогового
Pi<Pnop или при превышении его над пороговым уровнем Р2>
>Т’п<>р. Остальные признаки обнаружения предполагают более
сложные алгоритмы построения радиотехнических датчиков, ре-
ализующих измерение и оценку параметров.
3—1030 33
В данной главе будут рассмотрены РТД, реализующие пер-
вые два признака обнаружения ТС.
Основным отличием радиотехнических датчиков является их
работа в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне электромаг-
нитных волн, в частности сантиметровом (f = 9,14-9,5 ГГц).
В них используется свойство этого диапазона волн — отражать-
ся от обнаруживаемых подвижных единиц.
Использование воли СВЧ-диапазона вызвано главным обра-
зом следующими соображениями [21]. Чем выше частота излу-
чаемого колебания, тем сильнее влияют на распространение
этих волн атмосферные осадки. При радиусе г рассеивающих
частиц метеорологического происхождения (туман, дождь, снег)
или иного (пыль) влияние на распространение электромагнит-
ного излучения тем меньше, чем больше неравенство А>г (А—
длина волн СВЧ-колебания).
Таким образом, для напольных датчиков целесообразно вы-
бирать диапазон частот, для которых А>г. Учитывая, что ра-
диус водяных капель в дожде изменяется от 0,025 до 0,35 см,
длину волны излучаемого колебания следует выбирать значи-
тельно больше 0,35 см.
Следует отметить, что в густом тумане при видимости менее
50 м затухание волн оптического диапазона, используемого в
ФЭУ, составляет более 100 дБ/км, в то время как для А = 3,2 см
затухание равно 0,3—0,4 дБ/км. При ливневом дожде с интен-
сивностью 150 мм/ч затухание волн с А = 3 см составляет
4,9 дБ/км, а при А<1 см превышает 30 дБ/км.
Таким образом, очевидно преимущество диапазона СВЧ, а
точнее, сантиметровой его части, для использования в наполь-
Таблица 31
Признак обнаружения Математическая запись Критерий обнаружения
Мощность сигнала на входе приемника: КПС /?2А2а3 Pl пор
кос Рга2Ь2Л2исп Р Р,~ cos —о 4лЯ2А2а3 2 Р 2^>Р пор
Частота доплеровского сигнала 2v = cost/ X /?Д>/7 дпнп
Напряжение на выходе корре- т UI =" | Цоп(^)Цот(/ Ul^>Unop
ляционного приемника Время задержки отраженного 0 t^Rfc
сигнала Протяженность отцепа /q — vp/ф 53 Р д (2соза) /о min
34
a)
г—-—, м
I
ff)
\ гсвч
±TZ
I гмс
| УС [*
‘ т
Гур I
Vl «2
1 Ю
I Н УД Н -У9> Н~ I Н АЖУ-<4^
: х> ~ __________________ А3
' i i^~H уГГГ\/
Т______^2
Рис. 3.1
ных датчиках. Следует заметить, что видимый диапазон волн
(А,=0,4-?0,75 мкм), используемый в фотоэлектрических датчи-
ках, наиболее сильно подвержен влиянию метеорологических
осадков, запыленности и загрязненности.
Очевидно, чем больше длина волны излучаемого колебания,
тем меньше влияют на него рассмотренные факторы. Однако
при этом необходимо использовать антенные устройства боль-
ших размеров.
На рис. 3.1 показаны варианты структурных схем радиотех-
нических датчиков. В схеме РТД (см. рис. 3.1,а) передающий
модуль, включающий в себя генератор СВЧ-колебаний ГСВЧ,
генератор модулирующего сигнала ГМС и передающую антен-
ну А1, устанавливается по одну сторону контролируемого участ-
ка железнодорожного пути, а приемный модуль, состоящий из
приемной антенны А2, усилителя ограничителя УО и устройст-
ва фиксации УФ, — по другую сторону участка.
При отсутствии на контролируемом участке ТС излучаемый
передатчиком сигнал попадает в приемную антенну А2 и в УФ
приемника, реализующего пороговый алгоритм распознавания
сигнала. Вырабатывается сигнал логической единицы х^, сви-
детельствующий о свободности участка пути. При появлении ТС
в зоне действия РТД излучаемый передатчиком сигнал экрани-
руется и в приемную антенну А2 сигнал не попадает, _в резуль-
тате чего вырабатывается сигнал логического нуля Xi, свиде-
тельствующий о занятости участка пути.
Достоинством такой схемы построения РТД являются оче-
видная простота и непрерывный контроль работоспособности
датчика.
На рис. 3.1,6 представлена схема построения РТД, реали-
зующего алгоритм обнаружения ТС по приему отраженного от
него сигнала. При этом передающий и приемный модули рас-
полагаются по одну сторону контролируемого участка. При на-
3* 35
личин ТС в зоне действия датчика излучаемый передающей ан-
тенной А1 сигнал, отразившись от боковой стенки ТС, попадает
в приемную антенну А2. В результате при превышении уровнем
отраженного сигнала порогового значения в УФ формируется
сигнал Х2, характеризующий занятость зоны контроля. При от-
сутствии ТС отраженный сигнал на вход приемной антенны А2
не поступает, в результате чего на выходе формируется сигнал
Х2, свидетельствующий о свободности участка.
Схемы, представленные на рис. 3.1, а и б, — это одноканаль-
ные варианты построения РТД. В первом случае РТД имеет
канал прямого сигнала (РТД-КПС), во втором случае — канал
отраженного сигнала (РТД-КОС).
На рис. 3.1,в показан двухканальный вариант построения
радиотехнического датчика, представляющий собой комбиниро-
ванную схему двух одноканальных РТД. Эта схема состоит из
одного передатчика и двух приемников, разнесенных в простран-
стве. Приемные модули с антеннами А2 и АЗ устанавливаются
на противоположных сторонах контролируемого участка. При-
чем антенна приемного модуля АЗ устанавливается в непосред-
ственной близости от передающей антенны А1. Конструктивно
приемно-передающие антенны А1 и АЗ при использовании в
РТД циркулятора могут быть совмещены.
В отсутствие ТС антенна А2 принимает излучаемый сигнал
по каналу прямого сигнала, а в приемную антенну АЗ сигнал
передатчика не поступает. Поэтому на выходах УФ2 и УФ 1
формируются соответственно сигналы Xi и Х2, на основании ко-
торых решающее устройство РУ регистрирует свободность уча-
стка. При появлении ТС экранируется сигнал по КПС, в резуль-
тате он не поступает в приемную антенну А2, и вместе с этим
в приемной антенне АЗ канала отраженного сигнала появляется
сигнал, отраженный от ТС. На выходах УФ2 и УФ 1 формиру-
ются инверсные значения напряжений соответственно Xi и Хг-
Занятость участка регистрируется при_появлении иа входе РУ
любого из двух значений напряжений х\ или Х2.
Таким образом, в схеме РТД, показанной на рис. 3.1, в, сво-
бодность контролируемого участка проверяется по наличию сиг-
нала в антенне А2 по КПС и одновременно отсутствию его на
входе приемной антенны АЗ по КОС, что позволяет более дос-
товерно определять фактическую свободность зоны контроля.
Двухканальный вариант построения РТД на базе двух ка-
налов прямого сигнала представлен на рис. 3.1, г. Здесь в от-
личие от рассмотренного выше передающий модуль с антенной
А1 устанавливается по одну сторону контролируемого участка,
а по другую, в зоне действия передающей антенны, — два при-
емных модуля с антеннами А2 и АЗ.
Каждый в отдельности КПС этой схемы имеет тот же алго-
ритм работы, что и в варианте, приведенном на рис. 3.1, о. Сво-
бодность участка регистрируется РУ в том случае, если на его
36
входах присутствуют напряжения Xi и х2, характеризующие на-
личие сигналов в антеннах соответственно А2 и АЗ. Отсутствие
обоих сигналов в приемных антеннах при появлении ТС в ре-
зультате полного или частичного экранирования им излучаемого
передатчиком сигнала, поступающего в любую нз приемных ан-
тенн А2 или АЗ, приведет к формированию на выходе РУ сиг-
нала занятости участка.
Как видно, добавление к одноканальному варианту РТД
лишь одного приемника (см. рис. 3.1, в и г) существенно повы-
сит достоверность определения фактической свободности кон-
тролируемого участка.
Преимуществом двухканального варианта построения РТД
с двумя каналами прямых сигналов (РТД-2К.ПС) является воз-
можность контроля работоспособности каждого из каналов, а
также возможность выбора такого расположения приемных ан-
тенн А2 и АЗ в зоне действия диаграммы передающей А1, при
котором обнаруживаются практически любые ТС.
3.2. Характеристики обнаружения подвижных единиц
Радиотехнический датчик с каналом прямого сигнала. Рас-
смотрим статистические характеристики каналов на примере за-
дачи обнаружения отцепов на стрелочном участке, которая сво-
дится к проверке двух гипотез Hi и Но. Гипотеза Яь y(t) =
= sT(Q + «n(O — соответствует наличию отцепа на стрелочном
участке, а гипотеза HQ: y(t) = u„(t) — отсутствию отцепа в зо-
не обнаружения.
Учитывая незначительные расстояния, на которых работает
РТД-КПС, будем считать sT(t)^N(sT, о2т). Помехи, на фоне
которых осуществляется обнаружение в КПС, вызваны отраже-
ниями от верхнего строения пути и от близкорасположенных
местных предметов. Вероятность пропуска определяется видом
сигнала и ПРВ помех wn(u) и находится интегрированием сверт-
ки распределений:
Рпр=Р(Я0/Я1) = у wn(z—y)ws(y)dy, (3.1)
— оо
где t/иор—порог срабатывания решающего устройства РТД.
Наиболее часто мгновенные значения помех, на фоне кото-
рых осуществляется обнаружение отцепов на стрелочных участ-
ках сортировочных горок, подчиняется релеевской ПРВ:
Wn(u)=——~exp (““ГТ” . (З-2)
где о2п — дисперсия помех.
37
Тогда вероятность пропуска
р кпс
г пр
U пор—St—У
Y + ---------
У2пс
У ехр
ys \ .
— ldy
2о2п /
„Вероятность ложного срабатывания РТД с КПС из-за воз-
действия мешающих отражений от верхнего строения пути и
близко расположенных к РТД предметов
РЛфкис = Р(Я|/Я0) = 'Jw„(u)du= l/o2nj и ехр[—u2/(2cr2n)]rfu.
^пор t^nop
В инженерных расчетах для определения вероятностей лож*
вых срабатываний Р(Н\{Нй) и пропуска отцепов Р(Н0/Н}) бу-
дем пользоваться приближенными выражениями Для гауссовс-
кой ПРВ при наличии полезного сигнала и помехи wrn(y) =
= 1/(У2яосп)ехр[—(у—Л)2/(2о2сп)], а при отсутствии сигнала
wa(y) = 1 / С|/2лоп) ехр [— (у—а)2/ (2о2п) ].
Тогда вероятность пропуска транспортных средств
^пркпс— § ^СИ^М^Ф[(^ПОр-^)/СГп]>
- со
а вероятность ложных фиксаций
Р лфкпС = 1-—Ф[(^пор
Зависимости P(H0/Hl) =f(Uaop, ос„) и Р(Нt/Н0)= f(Us,ov, ап),
представленные для различных пороговых уровней (рис 3.2,а),
иллюстрируют достоверность обнаружения РТД. Если соотно-
шения сигнал — шум изменяются от 0,5 до 2, что имеет место в
реальных условиях эксплуатации РТД, вероятности пропуска и
ложной фиксации достигают 10-13.
Радиотехнический датчик с каналом отраженного сигнала.
Обнаруживаемые ТС представляют собой протяженные объекты
с большим числом элементарных отражателей, расположенных
на боковых поверхностях Причем различные типы вагонов об-
ладают различными отражающими свойствами
Ранее было отмечено, что радиотехнические датчики конт-
роля должны обеспечивать минимум вероятности ошибки обна-
ружения, поэтому для правильного обоснования структуры соз-
даваемого датчика необходимо определить статистические
характеристики сигналов. Однако воспользоваться детермини-
рованными моделями отраженных от вагонов сигналов невоз-
можно из-за действия внешних факторов, случайного характера
отражения, а также из-за наличия на поверхностях вагона
большого числа неоднородностей различной конфигурации.
38
Рис. 3 2
Особенностью РТД является работа его в ближней зоне из-
лучения, где габариты объекта отражения во много раз превы-
шают геометрические размеры антенн и расстояние до них. По-
этому были проведены многочисленные экспериментальные ис-
следования отражающих свойств вагонов.
Основной задачей исследования статистических характерис-
тик сигналов, отраженных от вагонов, является определение
ПРВ амплитуд (ПРВА) отраженного сигнала, позволяющее
осуществить синтез оптимальных алгоритмов последетекторной
обработки. С другой стороны, при известной структуре радио-
технического датчика полученные ПРВА позволяют оценить до-
стоверность обнаружения отцепов с помощью РТД-С.
Воспользоваться результатами исследования статистических
характеристик эффективной площади рассеяния грузовых ваго-
нов (10] для анализа РТД не представляется возможным, по-
скольку РТД работает в иных, чем измеритель скорости усло-
виях. Так, результаты, приведенные в [10], получены для гороч-
ных измерителей при дальности 5—100 м, в то время как РТД
работает вплоть до 0,5 м, что существенно изменяет характе-
ристики отраженных сигналов.
Анализ гистограмм распределения амплитуд сигналов, отра-
39
женных От вагонов, показывает, что ПРВА отраженных сигна-
лов подчиняется закону Накагами:
w(y)=2mmy2m-'l(r(m)dK2m)enp(—wy2/<j2c); 0,5^m<oo, (3.3)
где т — параметр распределения, служащий мерой глубины флуктуаций ин-
тенсивности отраженного сигнала;
у— параметр интенсивности отраженного сигнала,
Г (т) — гамма-функция.
Плотность распределения вероятности Накагами является
достаточно общей. Изменяя значение параметра т, можно ап-
проксимировать и другие законы распределения. Например,
при т=1 получаем характерное для амплитуды отраженного
от вагона сигнала распределение по закону Релея. При т = 0,5
формула (3.3) хорошо аппроксимирует плотность вероятности
Райса.
Определим характеристики достоверности обнаружения ва-
гонов радиотехническим датчиком с каналом отраженного сиг-
нала (РТД-КОС). Так же как в РТД-КПС, для рассматривае-
мого случая задача обнаружения сводится к проверке двух ги-
потез. Гипотеза Hi: y(t} =sOTp(^) + ua(t) соответствует наличию
отцепа в стрелочной зоне, а гипотеза //0: y(t)=u„(t)—отсут-
ствию отцепа в зоне обнаружения.
Для общности мешающее отражение от подстилающей по-
верхности и близкорасположенных местных предметов будем
описывать с помощью выражения (3.3).
Достоверность фиксации протяженного объекта при лосле-
детекторной обработке и некогерентном приеме определяется
ПРВ случайной величины у, соответствующей гипотезе Hi. Пос-
ле преобразований найдем:
a>(z) = m"’n’1crn4m-2"
ехр(—z2n/g2n)
22«-2Г (т)Г(п) ас2т
2п-1
2
2П-
S
к
(2m+k—1)!о2*д
22(ш+й~п) + Ц2п),! "
(3.4)
Рассмотрим некоторые частные случаи. Пусть амплитуда
сигнала, отраженного от подстилающей поверхности и местных
предметов, подчиняется закону Релея (т. е. и=1), тогда выра-
жение (3.4) примет вид:
mman4mz-2m+1
X$)(z) —---------------
1 7 22^-2Г(щ)ас2т
I 2z2
С учетом того что z2/o2n^>l (именно при таком условии рас-
сматривалось решение задачи), упростим последнее выражение:
mmcr„4m(2m—1)'
w(z>—- ------------ exp(-z2/a2n)/z2m-’.
4 22«~2Г (m)crn2m
При m== 1
w (г) = К exp (—z2/a2n) /г,
О’* с
(3.5)
где Л — нормировочная константа
40
Следует отметить, что соотношение (3.5) справедливо лишь
при В противном случае следует пользоваться бо-
лее точным соотношением (3.4). Полагая, что соотношение (3.5)
справедливо, определим вероятность пропуска протяженного
объекта каналом отраженного сигнала:
Рпркос= w(z)dz*= ~~Q(k, m) f ехр(—z2/o2n)dz2 (3.6)
0 2 0
В выражении (3.6)
Q(k, m) =
ттпП(уа4т-2п 2n-l / 2n-l
------------------- 2 2
22т-2Г(т)Г(п)ас2'п \ *
(2/n+fe—l)!gn2fe
G?n)*
Рассмотрим частные случаи отражения от отцепов, которые
описываются моделями с доминирующей блестящей точкой, на
фоне помех с п=1 и т>1:
—1)!
Рдрнос—2- ?r-;i)ncJ................сгпг'”+г(б,гпор/пгп)-д/гехр[—7/гпор/(2ст2ц)]Х
X W— m/z, (l~m)/2(772nop/(T2n).
В случае модели объекта без доминирующей блестящей точ-
ки последнее соотношение упрощается:
Рпркос =
СТ2п
<Т2с
ехр(—1/2пор/а2п)
~ (lAiop/ffM*
*=о 1(1 + 1)...(1+/г)
(3.7)
Анализ статистических характеристик обнаружения РТД-
КОС показывает, что при реальных значениях среднего квадра-
тичного отклонения отношения сигнал — помеха 0,5^о^2 мож-
но обеспечить вероятность ложной фиксации ТС 10-8—10~9, а
вероятность пропуска отцепа 10~6—10~8. При сравнении харак-
теристик вероятности ложной фиксации преимущество РТД-КОС
перед РТД-КПС очевидно. В рассматриваемом варианте обна-
ружителя Рлф на два-три порядка меньше.
Определим вероятность ложного срабатывания приемника
канала отраженного сигнала:
Рлфкос= ГW(y)dy= - — J г/2«-1ехр(—ny^^dy.
jj Г(п)ап2п гГ
Ь'пор С'пор
Для м>0,5 последний интеграл является табличным:
Рлфкос = Г(П, п(/2иор/<Т2и)/Г(п).
Зависимости РЛф(Д1/До) и Pnp(#o/#i), представленные на
рис. 3.2,6 и рис. 3.3 для различных значений п и разных поро-
говых уровней, позволяют оценить достоверность обнаружения
отцепов в зависимости от соотношения сигнал — шум.
41
Доплеровский радиотехни-
ческий датчик. Рассмотрим ха-
рактеристики обнаружения с
помощью РТД, основанного на
эффекте Доплера (РТД-ДИС).
Как известно, сигнал на выхо-
де доплеровского измерителя
скорости (ДИС) представляет
собой последовательность им-
пульсов с изменяющейся час-
тотой и флуктуирующей ам-
плитудой. Изменение частоты
следования импульсов обуслов-
лено неравномерностью скоро-
сти движения отцепа на участ-
ке измерения. Поскольку стре-
лочный участок обычно доста-
точно мал (на сортировочных
горках он не превышает 15 м)
и расположен за пределами
тормозных позиций, изменени-
ем скорости можно пренебречь.
В результате скорость движе-
ния отцепа на интервале обра-
ботки Т можно считать посто-
янной.
Рис. 3.3
Флуктуации амплитуды доплеровского сигнала обусловлены
характером отражающей поверхности ТС. Флуктуации имеют
интерференционную природу и приводят к замираниям отра-
женного сигнала (рис. 3.4,а). Интерференция волн, отраженных
от поверхности отцепа, обусловлена неоднородностью се рас-
сеивающих свойств в процессе обнаружения. Амплитуда отра-
женного сигнала в общем случае изменяется по случайному за-
кону и характеризуется ПРВ w„(y). Вид ПРВ w„(y) определя-
ется характером зондирующего сигнала, способом его обработ-
ки и отражающими свойствами ТС. На основе статистического
материала, собранного в процессе испытаний РТД на сортиро-
вочных горках, были получены аналитические соотношения, оп-
ределяющие вид ПРВ w.,(y).
Рассмотрим задачу обнаружения с помощью РТД-ДИС на
стрелочных участках сортировочных горок. Решение о наличии
отцепа в пределах контролируемой зоны будем выносить по k
из п импульсов (рис. 3.4, б), сформированных по превышению
входным напряжением некоторого порогового уровня (7ПОр (см.
рис. 3.4, а), с дальнейшим поступлением в накопительное уст-
ройство с порогом до-
определим функцию распределения процесса сигнал+по-
меха:
Реп(И, k) =C'I,1p‘cn(l— Реп) п ~к
(3.8)
42
п!
где С*п= ".------— число сочетаний;
k\(n—k)\
оо
рса = ^wca(y)dti — вероятность превышения огибающей процесса сигнал+
{/пор +помеха y(t)=s(t)-[-ua(t) порогового уровня.
Аналогично функция распределения для шумовой помехи
n(t), превысившей порог Unov k раз из п испытаний (рис. 3.4, в
и г).
Рп(л, /г) =C''nptn(l—рп)" (3.9)
где Ра.— §WuUn(t)du—вероятность превышения огибающей шумовой помехи
^ПОр
ua(t) порогового уровня.
Искомые вероятности Рпрдис и РЛфдис определяются путем
нахождения площади под кривой, описываемой выражениями
43
(3.8) и (3.9), с одной стороны и осью абсцисс с другой стороны,
расположенной справа от порога k = k0 (рис. 3.4,<9). Поскольку
k величина целочисленная, определения Рпрдис и РЛфднс сводится
к суммированию ординат распределений:
РПрдис = 1— S Cl‘npken(\~pca)n-k И Рлфди°=2 С%р‘д(1—рв)»-\
k = ko k = ka
При больших п выражения упрощаются:
Рпрдис = Ф{(Йо—ирсп)/[прсп(1—Реп)]1/2},
Рлфдие= 1-Ф{(А0-«Рп)/[»рп(1— Рп)]1/2},
где Ф(х) — функция Крампа.
Определим входящие в выражения (3.8) и (3.9) составляю-
щие реп и рп- Пусть шп(ип = «п/а2пехр[—ы2п/(2а2п)], что соответ-
ствует изотропной модели мешающих отражений от подстила-
ющей структуры верхнего строения пути. Тогда
рп = J Wn(uI1)duIl = ехр[—l/пор/(2а2п)].
^пор
В качестве модели отражений от отцепа рассмотрим случай
одной блестящей точки в отраженном сигнале. Эта ситуация со-
ответствует принадлежности ПРВ y(t) обобщенному релеевско-
му распределению. Тогда
1—рсп= f p/a2cnexp[p2+£'2i/(2o2cn)]/o(p£'i/o2cn)rf(/= 1—-Q(y2A, 17п0Р/ап).
б^пор
Рис. 3.5
44
+«2\
х
Q(«, у)= f
При этом £i = 0,5€/2То — энер-
гия сигнала, где U— амплитуда
сигнала; То— время (период) об-
работки; а /г2 = £2Т0/(2У20) = U2'
: (2а2п)—отношение сигнал — по-
меха, где N2o — G~nTo— спектраль-
ная плотность мощности шума;
хехр
V
yj^uxjdx.
Зависимости Т>прдис = Н^, п>
Реп), представленные на рис. 3.5,
позволяют сделать следующие
выводы. Радиотехнический дат-
чик обнаружения РТД-ДИС об-
ладает наилучшими характерис-
тиками по сравнению с рассмот-
ренными датчиками. Учитывая
реальные скорости движения ТС в зоне контроля и их протя-
женность, время накопления сигнальных импульсов доплеров-
ской частоты может составить (100-?-300)т. Вероятность про-
пуска ТС обнаружителем РТД-ДИС при п=100 и пороговом
значении k=^n становится меньше 10“10, а вероятность ложной
фиксации не превышает 10-9.
Однако такая высокая достоверность достигается датчиком
более сложным, чем одноканальные РТД-КОС или РТД-КПС,
к тому же для непрерывного контроля его работоспособности
должны быть предусмотрены специальные меры. В связи с этим
целесообразно в тех случаях, когда используются напольные
измерители скорости, совмещать функции измерения и обнару-
жения, хотя не всегда эксплуатационные условия работы сис-
тем представляют такую возможность. Радиотехнические дат-
чики РТД-КПС позволяют наиболее просто осуществить не-
прерывный контроль работоспособности.
3.3. Обеспечение требуемой достоверности
обнаружения вагонов
Достоверность обнаружения транспортных средств опреде-
ляется многими факторами, среди которых решающая роль
принадлежит выбору порогового напряжения узла принятия ре-
шения РТД.
Для принятия приемником КПС радиотехнического датчика
решения о свободности контролируемого участка необходимо,
чтобы уровень сигнала на входе порогового элемента (7С был
выше уровня порога t7nop- Учитывая, что на входе приемника
имеется помеховый сигнал U„, будем считать, что условием
принятия правильного решения о свободности является выпол-
нение неравенства UCn>Unov.
Решение о занятости принимается приемником КПС в том
случае, когда в результате экранирования излучаемого сигнала
на входе порогового элемента действует напряжение сигнал —
помеха в основном в виде просачивающегося сигнала С7спр, уро-
вень которого ниже порогового (7пор.
Особенностью работы РТД-С является то, что ввиду различ-
ных типов обнаруживаемых вагонов и разной их конструкции в
приемник может попадать частично просачивающийся сигнал.
В результате помеховый сигнал на входе порогового элемента
может рассматриваться как аддитивная смесь напряжения соб-
ственных шумов приемника, наведенных в его цепях иш, а так-
же напряжения помехи, возникающего за счет просачивания
части излучаемого сигнала (7Спр. Условие принятия решения о
занятости можно записать так: С7ш-Ь^спр<С,Пор.
45
Таким образом, выбор порогового напряжения обнаружения
отцепов в контролируемой зоне определяется известным крите-
рием обнаружения (в частности, критерием Неймана — Пирсо-
на) и требует рассмотрения вопроса оптимизации координат
размещения передающего и приемного модулей РТД-С (КПС).
Критерии обнаружения отцепов и требуемые характеристи-
ки обнаружения — вероятности пропуска и вероятности ложной
тревоги — были подробно рассмотрены в книге [10]. Рассмотрим
вопрос обеспечения заданных характеристик обнаружения пу-
тем оптимизации координат размещения датчика в зоне стре-
лочного участка.
Обозначим мощность сигнала, излучаемую передающим мо-
дулем РТД, Рг. Предположим, что обнаруживаемый отцеп пере-
мещается в сечении А—А' (рис. 3.6), определяемом как пло-
щадь разрешения (сечение, расположенное в плоскости пересе-
чения диаграмм направленности приемной и передающей ан-
тенн). Площадь разрешения S в реальных условиях много мень-
ше площади поверхности вагона SB. Однако при движении ва-
гона и постоянной ориентации антенн (например, на уровне
сцепки) экранируемая площадь 5Э может оказаться меньше S.
Вследствие этого в приемную антенну РТД поступает часть
мощности передающего сигнала, которая и является причиной
наличия на входе порогового элемента напряжения просачива-
ния <7спр. В итоге это может привести к пропуску отцепа.
Плотность потока мощности сигнала в сечении 5, располо-
женного на расстоянии Ri от передающей антенны, при равно-
мерном распределении ее по всему сечению
Пз = Рг^пер/(4ix/?i2),
где Опер — коэффициент направленною действия (КНД) передающей ан
тенны.
46
Мощность сигнала, проходящего через неэкранированную
площадь,
f’s = ns(S—Sa).
Мощность сигнала на входе приемника
Р n = HnSn,
где Пп= Ps/[4n(R—Pi)2]—плотность потока мощности на входе приемной ан-
тенны;
Sn = OnpV/4— эффективная площадь приемной антенны
Окончательно получаем:
РгДперДпрХ? (S—Sa)
п“ (4л)3Р12(Р-Р1)“ ’
где £>пр — КНД приемной антенны.
Для прямоугольного синфазного раскрыва антенны КНД
D=4nabkakb/k2,
где а, b — геометрические размеры раскрыва антенн;
ka, kb — коэффициенты, определяемые функциями амплитудного распреде-
ления поля вдоль соответствующей стороны антенны.
В расчетах для рупорных антенн kKZ„ = kakb и может быть
принят равным 0,7—0,8. Окончательно мощность сигнала на
входе приемника при занятости контролируемого участка
Рп зав = PraW2„cn (S-Sa) /[4л/?12 (P-Pi) 2VaJ,
где a3— множитель, учитывающий потери при распространении СВЧ-сигнала
на участке передатчик — приемник и потери в высокочастотном
тракте.
При отсутствии экранирования (S3 = 0), т. е. при свободном
участке, мощность сигнала на входе приемника
рпсв= —Р,)2Х2а3].
При полном экранировании отцепом излучаемого сигнала
(S = S3) мощность на входе приемника Рп = 0. Отношение мощ-
ностей на входе приемника при свободности участка и при по-
явлении на нем отцепа определяется следующим образом:
Рпев/Рп зап ”S/(S—Sa) .
При выборе порогового напряжения обнаружения РТД-С бу-
дем руководствоваться соображениями, приведенными выше.
В частности, вероятность ложной тревоги Pv характеризуется
тем, что при отсутствии отцепа напряжение Ucn на входе поро-
гового элемента оказывается меньше напряжения порога:
^cn/t/nop<l. Вероятность пропуска отцепа характеризуется тем,
что при наличии отцепа, экранирующего излучаемый передатчи-
ком сигнал (рассматривается канал прямого сигнала РТД), на
входе порогового устройства (ПУ)
U СВР + Уш Упор,
где Уш — среднее квадратичное значение шумового напряже шя, наблюда-
емого в приемном тракте на входе ПУ.
47
Полагая, что помеха распределена по нормальному закону,
воспользуемся следующими выражениями для определения
U пор.
Вероятность правильного обнаружения
Pd—0,5{1+Ф[(£/пор —^спр)/<Тп]}, (3.10)
где ®(z) = l/(y2njexp(—x2/2)rfx при 0^z^5.
— оо
Вероятность ложной тревоги
РР=0,5{1-Ф[((Лп-{/пор)/ап]}. (3.11)
Для выбора оптимального порогового напряжения обнару-
жения в соответствии с критерием Неймана — Пирсона задаем-
ся вероятностью ложной тревоги PF. Пусть Pf=10°. Положив
(Лор=1,7 В и воспользовавшись табличными значениями Ф(г)
для среднего квадратичного значения шумового напряжения
Оп=150 мВ (значение получено при исследовании опытной пар-
тии приемников РТД), находим (17Сп—(Лор)/сгп = Р = 4,76. Отсю-
да С/Сп/оп = 4,76+1,7/0,15, или Ксп/ап=4,76+11,3= 16,06.
Тогда для обеспечения 7Л=Ю-6 необходимо на входе поро-
гового элемента иметь среднее квадратичное значение Uca=
= 16оп = 2,4 В, т. е. при свободности контролируемого участка
напряжение на выходе усилителя приемника РТД-С должно
быть не менее 2,4 В.
Далее в соответствии с формулой (3.10) определяем допус-
тимое напряжение 17Спр. Для этого задаемся вероятностью пра-
вильного обнаружения Рд = 0,999999 = 0,96 и определяем ((Лор—
—Пспр)/оп = а. Отсюда при заданной PD в соответствии с таблич-
ными значениями Ф(г) получим а = 4,76, т. е. (7Спр/оп = (Лор/оъ—
—а= 11,3—4,76 = 6,54. Откуда (7Спр = 6,54 ап = 0,98 В.
Нетрудно убедиться, что при Рв = 0,95 напряжение (Лпр =
= 1,05 В.
Таким образом, для обеспечения Рр=10~6 и Ро = 0,96 на-
пряжение порога может быть равным 1,7 В, при этом напряже-
ние (Л;п/5=2,4 В, а напряжение просачивающегося сигнала
<7СПр^0,98 В. На рис. 3.7 показаны графики, поясняющие прин-
ципы выбора порогового напряжения обнаружения (Лор, а на
рис. 3.8—диаграммы напряжений на входе порогового устрой-
Рис 3.7
48
Рнс. 3.8
ства Для обеспечения в РТД с каналом прямого сигнала за-
данных PF и PD необходимо, чтобы отношение уровней напря-
жения на входе порогового элемента Ucn св/ПСпр з ан ^2,4/0,98^=
^2,4
При линейности амплитудной характеристики усилительного
тракта в диапазоне принимаемых сигналов такое отношение
напряжений обеспечивается отношением мощностей сигнала на
входе приемника Рсп/Рспр = 2,42 = 5,76. Так как Рсп/Рспр=
=S/(S—S3), то должно соблюдаться условие
S/(S—5э)>5,76, или 5э/5>0,82. (3.12)
Обеспечить выполнение условия (3.12) можно выбором коор-
динат размещения антенн приемопередатчиков и их соответст-
вующей юстировки в местах установки.
3.4. Радиотехнический датчик РТД-С
В состав РТД-С входят два конструктивно одинаковых мо-
дуля передающий (ПРД) и приемный (ПРМ). Выпускаются
следующие модификации датчиков: с одним передающим и дву-
мя приемными модулями (РТД-Cl), а также с одним переда-
ющим и одним приемным модулями (РТД-С2, РТД-СЗ). Ком-
плект РТД-СЗ можно устанавливать взамен фотоэлектрическо-
го датчика с использованием крепежных стоек последнего.
На рис. 3.9 приведены функциональные схемы передающего
и приемного модулей РТД-С. Передатчик РТД-С состоит из ру-
порной антенны А1 (см. рис. 3.9,а), генератора сверхвысокочас-
тотных колебаний ГСВЧ на лавинно-пролетном диоде, стабили-
затора тока СТ, модулятора М, генератора модулирующих сиг-
налов ГМС, схемы индикации СИ. Приемный модуль РТД-С со-
держит рупорную антенну А2 (см. рис. 3.9,6), СВЧ-детектор Д,
усилитель-ограничитель сигнала УО, пороговое устройство ПУ,
схему сравнения СС, два фазоинверсных каскада ФИ, выходное
устройство ВУ. В приемном модуле предусмотрена также схема
индикации СИ для контроля наличия сигнала на входе прием-
ника,
Сверхвысокочастотный сигнал (fo = 9,8 ГГц), модулирован-
ный по амплитуде импульсной последовательностью с частотой
Рис. 3.9
4—1030
49
Рис. 3.10
Г.; = 60 кГц, излучается антенной передатчика АЗ (рис. 3.10).
Генератор СВЧ-колебаний выполнен на лавинно-пролетном дио-
де (ЛПД), помещенном в объемный резонатор А2. Генератор
поставляется в модульном исполнении (ГЛПД-1) и соединяет-
ся с антенной АЗ посредством фланца.
Модуляция СВЧ-сигналов генераторов на ЛПД представля-
ет определенные сложности, так как ЛПД критичен к броскам
питающего напряжения. В схеме передатчика РТД-С для уп-
равления работой ЛПД предусмотрен стабилизатор тока, вы-
полненный на транзисторе VT2. Режим работы стабилизатора
тока определяется напряжением на стабилитроне VD4 и на дио-
де VD5.
Начальное значение тока генерации ЛПД, соответствующее
паспортному, устанавливается с помощью переменного резисто-
ра R10 в цепи эмиттера транзистора VT2. В передатчике РТД-С
ток ЛПД контролируется на выводах 8, 12 посредством измере-
ния постоянного напряжения на резисторе R13 (3—11 мА).
Модуляция СВЧ-колебаний осуществляется путем уменьше-
ния тока ЛПД, который должен стать меньше тока генерации.
С этой целью параллельно стабилитрону VD4 и диоду VD5 под-
ключен транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. Ког-
да на базе транзистора VT1 появляется импульс положитель-
ной полярности от генератора модулирующего сигнала, тран-
зистор открывается и шунтирует VD4, VD5. В результате на-
пряжение на транзисторе VT2 становится равным падению
напряжения на открытом транзисторе VT1, т. е. 0,5—1 В, и со-
противление транзистора VT1 резко возрастает. Это приводит
к резкому уменьшению тока, протекающего через ЛПД, и его
генерация срывается.
50
Таким образом в передатчике РТД-С осуществляется
100%-ная амплитудная модуляция СВЧ-спгнала без отключе-
ния питающего напряжения
Генератор модулирующего сигнала ГМС выполнен на гене-
раторе импульсов прямоугольной формы (микросхемы DD1,
DD2) Задающий генератор ГМС на микросхемах DD1.1, DD1.2
с помощью частотозадающей цепи R3-C5 вырабатывает сигнал
с частотой около 120 кГц. Для обеспечения заданной формы
импульсной последовательности со скважностью, равной двум,
используется триггер на микросхеме DD2.
Для согласования ГМС с модулятором на транзисторе VT1
в схеме предусмотрена цепь R5-C6 и микросхема DD1 3. Форми-
рование сигнала для включения индикации на светодиоде VD7
производится интегратором C8-R11 на инверторах DD1.4,
DD 1.5-3.
При отсутствии модулирующего сигнала на вход транзисто-
ра VT1 подается низкий потенциал и транзистор VT2 обеспечи-
вает номинальный ток ЛПД, в результате чего ГСВЧ непрерыв-
но вырабатывает немодулированный сигнал. Одновременно с
этим микросхемы DD1.5-3 перебрасываются и, создавая высокий
потенциал на выходе, уменьшают ток, протекающий через свето-
диод VD7, который гаснет, свидетельствуя об отсутствии моду-
лирующего сигнала.
Стабилизатор напряжения передающего модуля РТД-С со-
стоит из выпрямителя VD1, сглаживающего фильтра C1-R1-C3
и стабилизатора на диоде VD3 и предназначен для обеспече-
ния постоянного напряжения от 7,2 до 9,0 В для питания ГМС,
модулятора и схемы индикации.
Питание ГСВЧ производится от нестабилизированного ис-
точника постоянного тока, состоящего из выпрямителя VD2 и
сглаживающего фильтра C2-R2-C4.
Сигнал, излучаемый передатчиком, принимается приемной
антенной А] (рис. 3.11) и посте детектирования VD1 подается
на вход двухкаскадного усилителя-ограничителя DAI, DA2.
Коэффициент усиления усилителя может регулироваться ре-
зистором R8. Функции порогового элемента выполняет триггер
Шмитта DD1.1. Для обеспечения заданных характеристик об-
наружения пороговое напряжение триггера установлено рав-
ным 3,4—3,6 В амплитудного значения переменного модулиру-
ющего сигнала. Это напряжение контролируется при настройке
РТД-С на выводе 5, на который подается сигнал после пико-
вого детектора VD3, R18, С9.
С целью повышения помехоустойчивости приемника в схеме
предусмотрен делитель DD3 с коэффициентом деления п=10.
Выходной переменный сигнал, частота которого составляет
6 кГц, подается на один вход схемы сравнения, выполненной
на элементе DD1.3. На второй вход схемы сравнения подается
напряжение управления с выхода второго приемника (выводы
4* 51
az
11, 12) через схему ИЛИ-HE DD2.3. В случае использования
датчика с одним приемником (РТД-С2, РТД-СЗ) сигнал уп-
равления на схему сравнения подается от источника питания
+ 14 В.
При наличии обоих сигналов на входах схемы DD13 (пере-
менного импульсного и постоянного напряжения логического
нуля) с выхода схемы сравнения поступает переменный сигнал
на фазоинверсные каскады VT1, VT2, нагрузкой которых слу-
жит трансформатор TV2. Со вторичной обмотки трансформа-
тора выпрямленное напряжение подается на обмотку исполни-
тельного реле (выводы 17, 19).
Выходное постоянное напряжение на этих выводах не ме-
нее 18 В на нагрузке R = 1,8 кОм. Исполнительное реле может
быть удалено на расстояние до 1 км от датчика при сечении
жил кабеля не менее 1 мм2. Как показывает опыт эксплуата-
ции РТД-С, напряжение на выходе приемника на нагрузке со-
противлением 1,8 кОм составляет 22—24 В.
Ограничение дальности размещения исполнительного реле
диктуется допустимым падением напряжения полезного сигна-
ла в кабеле, которое при малых значениях тока не превышает
1,5 В на дальности до 2 км, а также наведенным напряжением
помех, которое не должно превышать 2—3 В.
В схеме предусмотрена индикация для визуального контро-
ля работоспособности приемника: DD1.2, DD2.2, VD1.
Питание усилителя управления на фазоинверсных каскадах
осуществляется от двухполярного источника, состоящего из вы-
52
прямителя VD5 и сглаживающего фильтра на конденсаторах
СП—С14. Остальные устройства схемы приемника получают
питание через дополнительный фильтр, выполненный на эле-
ментах R20, С15, R21, С16. Стабилитрон VD6 предназначен для
защиты элементов схемы от перенапряжения источника пита-
ния в условиях эксплуатации.
Приемный модуль, так же как и передающий, питается от
внешнего источника переменного напряжения 12 В.
3.5. Комплексирование точечных путевых датчиков
Подавляющее большинство систем автоматизации управле-
ния движением поездов базируется на широком использовании
путевых устройств контроля подвижных единиц (рельсовые цепи,
индуктивные шлейфы, напольные точечные путевые датчики).
Разнообразие средств контроля объясняется стремлением
создать надежные системы управления движением, которые ис-
ключали бы влияние всевозможных мешающих факторов. Соз-
дание единого технического устройства, датчика, отвечающего
требованиям надежности, является практически неразрешимой
задачей. В связи с этим в ряде случаев целесообразно созда-
вать несколько видов технических средств, решающих одну и
ту же задачу, но каждое из которых исключает недостатки
другого. Как правило, эффективнее сочетание технических
средств, реализующих разные физические принципы.
Комплексирование обнаружителей подвижных единиц пред-
полагает совместное использование двух или нескольких тех-
нических средств, решающих одну задачу и работающих на об-
53
Таблица 3.2
Эксплуатационный фактор Характер ошибки датчиков
РЦ ФЭУ ПЬМ-56 РТД
Загрязнение:
рельсов, колесных пар по — — —
балласта ЛФ ___ —
Дождь ЛФ ЛФ — —
Туман — ЛФ —. —
Снег ЛФ — —
Изморозь — ЛФ — —
Малые скорости движения отцепов — — по —
Освещение — по — —
Примечание. ПО — пропуск отцепа; ЛФ — ложная фиксация.
щее исполнительное устройство в соответствии с заданным ал-
горитмом работы. Комплексирование может быть осуществлено
и на одном техническом устройстве, реализующем различные
признаки обнаружения подвижных единиц.
В качестве примера целесообразности комплексирования
средств обнаружения может служить система горочной авто-
матической централизации. В табл. 3.2 приведены факторы,
влияющие на различные путевые датчики контроля свободности
стрелочных участков, и ошибки, к которым они приводят.
Вероятности ложной фиксации и пропуска отцепа для раз-
личных датчиков приведены ниже:
РЦ ФЭУ РТД
Вероятность ложной фиксации — 10-3—7-10~4 10~в—10 4
» пропуска отцепа 2-10—4 10-7 10 7-10“10
В табл. 3.3 дана сравнительная характеристика различных
путевых датчиков по интенсивности ошибок.
Эксплуатационные факторы, вызывающие ложную фиксацию
отцепов (см. табл. 3.2), сильно влияют на затухание волн оп-
та б л и ц а 3.3
Стрелка (среднее число отцепов в год) Характер ошибки Интенсивность прогнозируемых сипибок датчиков
РЦ ФЭУ РГД
Головная ЛФ 160 в год 1 в 1,5 года
(8-10s) ПО 160 в год 1 в 7- 10 лет
Пучковая ЛФ — 80 в год 1 в 3 года
(4 1051 по 30 в год менее 1 в 10 лет
Разделительная ЛФ — 1 в год менее 1 в
(ЗЮ4) 10 лет
по 1—2 в год менее 1 в 10 лет
Примечание. ПО — пропуск отцепа. ЛФ — ложная фиксация.
54
тического диапазона. Освещение — единственный фактор, ока-
зывающий влияние на работу ФЭУ, который приводит к ошиб-
ке типа пропуска. При попадании прямых солнечных лучей в
фотоприемник либо в результате переотражения их от поверх-
ности вагона, на выходе ФЭУ появляется управляющий сигнал,,
приводящий к срабатыванию исполнительного реле. При этом
возникает опасная ситуация, снижается безопасность роспуска.
Главными факторами ненадежной работы рельсовой цепи
являются загрязнение рельсов и колесных пар, что приводит к
увеличению шунтового сопротивления и вследствие этого к про-
пуску отцепа. Такие ошибки в работе горочных рельсовых це-
пей допускают возможность перевода стрелок под вагонами,
что резко снижает безопасность роспуска.
Загрязнение балласта, приводящее к снижению чувствитель-
ности путевых приемников, вызывает ошибки другого характе-
ра — ложные фиксации отцепов, в результате чего снижается
перерабатывающая способность горки.
Стремление уменьшить влияние отмеченных факторов на ра-
боту РЦ привело к необходимости использования укороченных
нормально разомкнутых РЦ. При этом РЦ теряет способность
обнаруживать длиннобазные вагоны.
Разрешить это противоречие можно посредством комплекти-
рования РЦ и радиотехнического датчика или РЦ и фотоэлек-
трического устройства Проведенные исследования показали, что
предпочтительнее применять РТД, так как факторы, снижаю-
щие работоспособность ФЭУ не оказывают на него влияния.
Рис. 3.12 иллюстрирует принципы комплектирования датчи-
ков обнаружения отцепов на Стрелочных участках. Свободность
стрелки контролируется с помощью РЦ, РТД и магнитной пе-
дали МП посредством объединения выходов этих устройств в
схеме логической обработки «И» (см. рис. 3.12,а).
При таком алгоритме контроля свободноеги участка совме-
стная вероятность пропуска отцепа может быть сколь угодно
Рис. 3.12
55
малой. Для рассматриваемой схемы пропуск отцепа произой-
дет при совпадении трех разнородных факторов: сопротивление
балласта меньше порогового значения (7?б<^поР), напряжение
сигнала на входе РТД меньше порогового (£/с<£/ПоР) и ско-
рость перемещения ферромагнитной массы вблизи магнитной
педали превысила некоторое пороговое значение (о>оПаР). Та-
ким образом, комплексирование предполагает использование
путевых датчиков, реагирующих на различные физические па-
раметры.
Совместная вероятность пропуска комплексированного уст-
ройства
Рпр — РрДЯб^^пор) Рртц(17с<^пор) Рмп(у^=* Упор) ,
Комплексирование датчиков является средством повышения
достоверности работы обнаружителей. Возможно комплексиро-
вание и на базе одного устройства, использующего различные
признаки обнаружения. Причем критерием целесообразности
комплексирования в обоих случаях построения обнаружителей
должна быть вероятность принятия ошибочного решения.
Построение комплектированных обнаружителей на базе од-
ного устройства имеет очевидные преимущества. Рассмотрим
принцип совмещения функций обнаружения отцепов по различ-
ным признакам на базе радиотехнического датчика.
Радиотехнические датчики РТД-КПС и РТД-КОС реализу-
ют амплитудный признак обнаружения. При этом обнаружение
отцепов осуществляется по превышению (КОС) или не превы-
шению (КПС) порогового уровня сигнала. Причем приемник
РТД-КПС предполагает работу при полностью известном сиг-
нале. В случае однородной конструкции вагонов характеристи-
ки обнаружения могут быть обеспечены на достаточно высоком
уровне. Приемник РТД-КОС работает в условиях сильно флук-
туирующего сигнала на входе, что обусловлено сложным ха-
рактером отражающей поверхности обнаруживаемых отцепов.
В результате вероятностные характеристики обнаружения при-
емником РТД-КОС оказываются хуже, чем у РТД-КПС, при од-
ном и том же энергетическом потенциале РТД. Для улучше-
ния качественных показателей РТД возможно совместное ис-
пользование нескольких приемников КПС, разнесенных в про-
странстве таким образом, чтобы просачивающийся сигнал в
одном КПС при неполном его экранировании одним и тем же
отцепом полностью экранировался для второго приемника КПС.
Другой вариант комплексирования предусматривает совмест-
ное использование КПС и КОС.
Использование дополнительного признака обнаружения от-
цепа в РТД-КОС (выделения доплеровской частоты отражен-
ного сигнала) позволяет повысить достоверность обнаружения
движущихся отцепов. Отличительной особенностью построения
КОС, осуществляющего обнаружение транспортного средства
по наличию илн отсутствию доплеровской частоты, является
56
учет фазовых соотношений отраженного сигнала. Таким обра-
зом, комплексированный обнаружитель на базе радиотехничес-
кого датчика может строиться и по схеме двух каналов отра-
женного сигнала: первый решает задачу обнаружения по ам-
плитудному признаку (КОС), второй — по фазовому (ДИС)
(см. рис. 3.12,6). Для достижения более высокой вероятности
правильного обнаружения используются три канала: КПС-КОС-
ДИС (см. рис. 3.12,в) или РЦ-КПС-КОС (см. рис. 3.12,г). Ре-
шение о наличии обнаруживаемого отцепа в канале ДИС при-
нимается при накоплении заданного числа k импульсов доп-
леровской частоты, как это было показано в § 3.4.
57
Эффективность комплексирования обнаруживателей транс-
портных средств целесообразно оценивать по отношению вероят-
ности ошибочного решения одного из /V датчиков, входящих в
комплексное устройство, к вероятности ошибки обнаружения,
допускаемой комплексным устройством:
Уош = tnin[PolU (Д1) , Ро!и(Дг), —, Рош(Дх) ] -/Ркш (Дк) • (3.13)
Для ряда задач обнаружения подвижных единиц в системах
управления движением, обеспечивающих безопасность, в част-
ности для роспуска составов, эффективность комплексирования
может оцениваться дифференциальными критериями, характе-
ризующими отдельно выигрыш в вероятности пропуска упр и в
вероятности ложной фиксации уЛФ-
уПр=т1п[Рпр(Д1), Рир(Дг), .... Рцр(Дл)]/Рпр(Дк), (3.14)
Улф = гшп[Рлф (Д1), Рлф(Дг). Рлф(Д.'<’)]/Рлф(Дк). (3.15)
В системах, обеспечивающих безопасность движения поез-
дов на участках интенсивного движения, приориют следует от-
давать критерию упр. В системах горочной автоматики, целевом
функцией которых является перерабатывающая способность, в
равной степени ущерб может быть нанесен и в случае пропус-
ка, и в случае ложной фиксации отцепа, в связи с чем оцен-
ка эффективности должна вестись по интегральному критерию.
На рис. 3.13 и 3.14 приведены характеристики достоверности
обнаружения комплексированных обнаружителей на базе РТД.
Анализ характеристик комплексированных обнаружителей
показывает, что эффективность обнаружения транспортных
средств в контролируемой зоне существенно повышается. Так,
упр обнаружителя РТД-КПС-К.ОС составляет Ю3—104, хотя
Т’лФ= Ю-1Ч-10° при алгоритме обнаружения отцепа по схеме «И».
Таким образом, вероятность пропуска комплексированного об-
наружителя уменьшается на три-четыре порядка, хотя увели-
чивается на порядок вероятность ложной фиксации. Вероятность
принятия ошибочного решения комплексированным датчиком,
характеризующая интегральный критерий эффективности, на
два-три порядка лучше каждого в отдельности РТД-КПС
(кос).
Более существенный выигрыш в обнаружении дает тройное
комплексирование РТД- (ДИС-КПС-КОС).
Эффективность комплексирования при обнаружении отце-
пов на стрелочном участке наглядно показывают диаграммы
напряжений, вычерченные самописцем, подключенным к выхо-
дам ФЭУ и РТД (рис. 3 15 и 3.16).
На фрагменте записи (см. рис. 3.15,д) видно, что при про-
езде отцепа, состоящего из шести вагонов, во время движения
рефрижераторной секции в результате попадания в фотопри-
емник ФЭУ отраженного от нее солнечного света датчик заре-
58
гистрировал кратковременную свободность. В случае отсутствия
дополнительного датчика обнаружения возможен перевод стрел-
ки под вагоном. Однако радиотехнический датчик РТД-КОС в
это время регистрировал занятость (см. рис. 3.15,6), в резуль-
тате исполнительное реле управления стрелкой было обесточе-
но (см. рис. 3.15,в), что исключило перевод стрелки. Аналогич-
ная картина наблюдалась при фиксации длиннобазных отцепов
рельсовой цепью. В результате комплексирования РЦ с радио-
техническим датчиком осуществлялась безошибочная работа ис-
полнительного реле при фиксации длиннобазных вагонов и пе-
ревод стрелки под вагонами был исключен. Диаграммы на-
50
Рис. 3.15
пряжении, приведенные на
рис. 3.16, получены при дви-
жении двух восьмиосных
цистерн.
Решение о целесообраз-
ности комплексирования
должно базироваться на ка-
чественной оценке возмож-
ного использования техниче-
ских средств и количествен-
ной оценке эффективности в
соответствии с выражения-
ми (3.13)--(3.15). Такой
подход является общим как
при необходимости модер-
низации действующих схем
железнодорожной авто-
матики, так и при разработ-
ке новых перспективных
систем управления движе-
нием.
РТД,-С(одщиа выход)
Рис. 3.16
60
Глава 4
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ДАТЧИКИ
4.1. Особенности эксплуатации
горочных измерителей скорости
Скорость движения отцепов на сортировочных горках явля-
ется одним из важнейших параметров для интервального ре-
гулирования и прицельного торможения в системах автомати-
ческого регулирования скорости (АРС). В качестве базового
на сети железных дорог СССР используется радиолокационный
скоростемер типа РИС-В2, структурная схема которого пока-
зана на рис. 4.1. Скоростемер включает в себя сверхвысокоча-
стотный узел СВЧ, в который входят антенна А, циркулятор
Ц, генератор сверхвысокочастотного сигнала ГСВЧ, вырабаты-
вающий переменный сигнал частотой f = 37,5 ГГц, и смеситель
СМ, на который поступают сигнал ГСВЧ через одно плечо цир-
кулятора (в качестве опорного) и отраженный от отцепа сиг-
нал, поступающий через антенну; блок измерителя-преобразова-
теля сигналов доплеровской частоты ИПС, в который входят
схема усиления и фильтрации доплеровской частоты УНЧ, два
пороговых элемента — компараторы KJ и К2, схема формиро-
вания счетных и строб-импульсов УФ и схема преобразования
доплеровской частоты в постоянное напряжение П. Блок пита-
ния БП скоростемера содержит выпрямитель В, преобразова-
тель напряжения ПН и стабилизаторы Ст.
Опыт эксплуатации показывает, что широкие возможности
использования измерителей скорости, относящихся к первичным
информационно-измерительным датчикам параметров движения
ТС, могут быть ограничены погрешностями измерителей. По-
Рис. 4.1
61
грешности измерения скорости отцепов на измерительном участ-
ке изучены достаточно полно только для случая движения по
нему одного отцепа. Однако в реальных условиях работы сор-
тировочных горок в зоне действия измерителя скорости одно-
временно появляются два или несколько ТС. Технология рос-
пуска вагонов на сортировочных горках, особенно большой
мощности, допускает такой интервал попутного следования от-
цепов, при котором на тормозной позиции (ТП) одновременно
могут находиться два отцепа. При этом в случае установки од-
ного скоростемера на ТП на его вход будут одновременно по-
падать сигналы, отраженные от двух отцепов. Стремление уст-
ранить это явление путем размещения на ТП двух скоростеме-
ров, работающих на каждый замедлитель, существенно услож-
няет алгоритм обработки сигналов в системах управления за-
медлителями. С другой стороны, такое размещение не устраня-
ет в пределах тормозной позиции зоны, в которой оба скоросте-
мера будут принимать отраженный от одного отцепа сигнал.
Более того, при установке двух скоростемеров на ТП увеличи-
вается угол облучения ад движущегося отцепа. При этом в зо-
ну действия скоростемера могут попадать отцепы, движущиеся
по соседним путям.
Все это может оказывать сильное влияние на погрешность
измерения скорости. В книге [10] излагается вопрос, связанный
с погрешностями измерения вследствие влияния боковых ле-
пестков диаграммы направленности антенны, и даны рекомен-
дации по их подавлению.
Механизм влияния сигналов, отраженных от отцепов, дви-
жущихся в зонах главного и боковых лепестков с разными ско-
ростями, на погрешность измерения скорости и пути ее умень-
шения были исследованы на основании опыта эксплуатации из-
мерителей при внедрении горочного микропроцессорного ком-
плекса.
В результате анализа установлено, что средняя -частота
доплеровского сигнала, или среднее число положительных выб-
росов сигнала, превысивших относительный пороговый уровень
Ппор = Ппор/ (о'^п + о2с) за время измерения THiK:
т Гизм „~№ор/2Г __<72(1+уМ 1
ЛИ (t/пор» Гизм)— ( ®Д1 । 2 I,
где о>д1 — доплеровская частота, пропорциональная скорости движения пер-
вого отцепа;
q2— отношение мощностей полезного и помехового сигналов;
Y2— коэффициент, характеризующий ширину спектра доплеровского
сигнала «мешающего» отцепа;
Дс)д — разность доплеровских частот, пропорциональных скоростям дви-
жения отцепов.
Отсюда видно, что при наличии сигналов, отраженных от
других находящихся в зоне действия скоростемера отцепов,
средняя частота доплеровского спектра смещена.
62
Второй член в скобках определяет абсолютную погрешность
измерения доплеровской частоты, обусловленную влиянием по-
мехи, вызванной отражением от «мешающего» отцепа, при от-
сутствии интерференционных замираний.
Относительная погрешность измерения доплеровской часто-
ты
<7г(1-Ь>г2) А(йд
0(0 д — —— •
1+7' (Од1
Последнее выражение показывает, что при наличии в пре-
делах измерительного участка двух отцепов погрешность изме-
рения определяется отношением мощностей полезного и поме-
хового сигналов q2, разностью скоростей движения отцепов
Асод, а также шириной спектра доплеровского сигнала «мешаю-
щего» отцепа уг.
Установлено также, что при определенных положениях
транспортных средств относительно измерителя скорости имеет
место интерференция отраженных сигналов, усиливающая эф-
фект флуктуации сигналов на входе скоростемера. Более того,
при определенной относительной скорости движения ТС, по-
падающих в зону действия скоростемера, наступают длительные
замирания сигнала на входе измерителя. Причем длительность
замираний может существенно превышать как время измере-
ния, так и время нахождения скоростемера в режиме памяти.
Общее выражение напряжения сигнала на входе усилителя
доплеровской частоты скоростемера может быть записано так:
где V — множитель ослабления, характеризующий замирания из-за бие-
ний двух сигналов;
Г1 — расстояние до первого отцепа;
Лф1 — фазовая составляющая сигнала.
Модуль величины V характеризует замирания амплитуды
отраженного сигнала
I = 1 +72 + 2gcosAx,
2 л
где Лх =—Дг+Ао)я/+Дф — величина, определяемая разностью расстояний
А,
между двумя ТС относительно скоростемера Аг
и их относительной скоростью перемещения Д<чд.
На рис. 4.2 показаны зависимости изменения модуля j V|
от времени Т при перемещении ТС по измерительному участку.
Зависимости построены для q = l и скорости движения основно-
го ТС, соответствующей ГД1 = 1000 Гц, т. е. 14,2 км/ч. Кривая 1
соответствует скорости движения «мешающего» ТС, равной
1 км/ч (70 Гц), кривая 2—14,2 км/ч (1000 Гц), кривая 3 —
28,5 км/ч (2000 Гц).
63
Можно сделать следующие
выводы. Работа измерителя
удовлетворительна лишь при
наличии одного транспортного
средства в зоне измерителя. В
противном случае скоростеме-
ром может регистрироваться
либо скорость одного из ТС,
либо среднее значение скоро-
сти отцепов, либо величина,
никак не связанная со скоро-
стями обоих отцепов, особенно
если скорости отцепов различ-
ны, а уровни отраженных от
чих сигналов примерно равны.
При отсутствии интерферен-
ционных замираний отражения
от «мешающего» отцепа снижают точность измерения скорости
основного отцепа. Причем погрешность тем больше, чем больше
разница в скоростях обоих отцепов и чем больше мощность
мешающего сигнала.
Наиболее радикальным путем уменьшения влияния «мешаю-
щих» отцепов на работу измерителя является правильная юсти-
ровка скоростемеров на измерительном участке ТП.
Явления замирания сигнала и изменение напряжения на вы-
ходе скоростемера РИС-В2 определяются уровнем отраженно-
го сигнала. В связи с этим остановимся более подробно на воп-
росе выбора координат установки скоростемера на тормозных
позициях, а также на соображениях по выбору порогов сраба-
тывания компараторов К.1 и К2.
Надо иметь в виду, что первые измерители скорости (ЭС
ЦНИИ), а также скоростемеры, эксплуатируемые на сортиро-
вочных горках зарубежных стран (ФРГ, Франции и др.), уста-
навливаются в напольных ящиках в железнодорожной колее.
При этом угол ао = О°, т. е. cosao=l.
Однако из-за сложности эксплуатации скоростемеров, уста-
навливаемых таким образом, отечественные скоростемеры раз-
мещают в междупутье, вблизи тормозных позиций. При этом
cosao=#l, и, если не учитывать этот сомножитель, возникает
систематическая погрешность измерения скорости и, так как
при установке скоростемеров на различных горках на разных
тормозных позициях угол облучения а0 может быть различен,
эта погрешность имеет случайный характер. В связи с этим ско-
ростемеры даже с идеально одинаковыми параметрами и ха-
рактеристиками, будучи установленными на разных ТП, могут,
измеряя одну и ту же скорость движения отцепов, выдавать
различные значения, не соответствующие фактическому. Более
того, при движении отцепа по измерительному участку (ПУ),
64
Io
Рис 4 3
угол а0 меняется в зависимости от координаты нахождения от-
цепа на ТП.
Это первый аспект, связанный со спецификой установки ско-
ростемеров РИС в междупутье
Другой аспект, порожденный таким расположением изме-
рителя, не менее важный, состоит в следующем
Диаграмма направленности антенны измерителя скорости
имеет конечную величину, более того она остронаправленная
В горизонтальной и вертикальной плоскостях 0= (6±0,5)d
Для получения на выходе скоростемера РИС сигнала, отра-
женного от отцепа, при движении отцепа по ТП измеритель
должен облучать его по всей длине, а, учитывая инерционность
исполнения команд на торможение замедлителей, эта длина
должна быть увеличена на величину A/min (рис 4 3)
При изменении угла а0 на величину Аа в связи с постоянст-
вом 0, очевидно, изменяется и длина участка, на котором из-
меритель может определять скорость В случае, показанном на
рис 4 3, она смещается либо вправо (а0—Аа), при этом ближ-
няя граница измерительного участка (точка А) смещается на
ТП, либо влево (а0 + Аа), при этом дальняя граница (точка В)
смещается влево в зону ТП Это приводит к тому, что в первом
случае скоростемер начнет выдавать скорость отцепа, когда он
будет находиться на замедлителе, а во втором случае он прекра-
тит выдачу информации о скорости прежде, чем отцеп доедет
до границы ТП, т е в обоих случаях резко снижается эффек-
тивность управления замедлителями ТП, возрастает погреш-
ность прицетьного торможения отцепов Такие явления приво-
дят к увеличению времени «пропадания» сигнала на выходе ско-
ростемеров РИС В связи с этим неоднозначно может тракто-
ваться указание в инструкции по эксплуатации РИС-В2 уста-
навливать перед включением такое положение антенн, при ко-
тором будет обеспечиваться оптимальное отражение сигнала
движущимся вагоном, т е устанавливать антенну перпенди-
кулярно нижней торцовой части вагона, находящегося на рас-
стоянии 50 м (максимальной дальности измерения)
5—1030 65
На самом деле, если измерительный участок с расположен-
ным на нем ТП прямолинеен в пределах 50 м, то при установ-
ке скоростемера РИС в междупутье обеспечить перпендикуляр-
ность оси диаграммы направленности антенны к торцовой стен-
ке вагона просто невозможно.
Если измерительный участок в пределах максимальной даль-
ности работы скоростемера РИС не прямолинеен, то отмечен-
ное требование выполнить можно, однако при этом зона, пере-
крываемая диаграммой направленности антенны 1иу, может
быть либо смещена за пределы ТП, либо может перекрывать
ее частично, что резко снижает эффективность использования
измерителя скорости.
Более того, необходимо правильно выбрать место располо-
жения измерителя относительно ближней границы ТП (точка-
А). Очевидно, и расстояние относа измерителя /2 от оси пути
(головки рельса) играет существенную роль и должно также
быть регламентировано и взаимоувязано с другими установоч-
ными параметрами и характеристиками скоростемера РИС.
Заметим, что выбор угла облучения отцепа существенным
образом определяет уровень отраженного от него сигнала.
Главной причиной возникновения замирания отраженного сиг-
нала на входе скоростемера РИС является интерференция от-
раженных волн, а также зеркальное отражение от гладких по-
верхностей цистерны, участков боковых поверхностей других ва-
гонов. Однако решающим фактором при определении оптималь-
ных координат размещения измерителя является необходимость
облучения диаграммой направленности антенны всей зоны из-
мерительного участка при ограничении предельной дальности
работы скоростемера РИС и возможность перекрытия излуче-
нием минимальной площади соседних путей.
Для анализа и выбора координат установки измерителя
скорости на ТП воспользуемся рис. 4.3, на котором показано
расположение измерительного участка и скоростемера РИС-В2
в горизонтальной плоскости.
Точка О (точка размещения РИС-В2) выбрана за предела-
ми тормозной позиции на расстоянии I2 от оси пути. Ширина
диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоско-
сти 0 и угол облучения о0 определяют в основном длину зоны
вдоль оси пути, в пределах которой осуществляется измерение
скорости. От ближней границы измерительного участка (точка
Л) измеритель располагается на расстоянии
Zmin = Z2/tgaA; aA=arctg(/2/^min).
Следует иметь в виду, что боковая стенка вагона пересека-
ет крайний луч диаграммы направленности антенны в точке С
и, следовательно, ближняя граница измерительного участка сме-
щается на расстояние 1'тт относительно расположения РИС-В2
и зависит от ширины вагона. Углы ал и ав определяются гра-
ницами основного лепестка диаграммы направленности антен-
66
ны на уровне половинной мощности при заданной ширине ди-
аграммы 0. Максимальное расстояние lW3X, определяемое даль-
ней границей ИУ (точка В) и проекцией точки О на ось пути:
fmax = /2/tgaB; aB = arctg(/2//max).
Длина участка измерения скорости на тормозной позиции
/иу —/щах—/mln — /2 . , 1*
\ tgCtB tgCtA /
Как видно из рис. 4.3, угол диаграммы главного лепестка
антенны 0 = «а—ав, или 0 = arctg(/2//min)—arctg(/2//max).
Угол наклона оси главного лепестка диаграммы измерителя
относительно оси пути, обеспечивающий заданное значение
/Иу при ширине диаграммы 0, «о = arctq(Z2//o) - В то же время
, 0 е ,0
а0=ав + —, откуда ав = а0----— и аА = ао+ —•
Расчетная зависимость длины измерительного участка,
облучаемого измерителем на ТП, как функции координат уста-
новки может быть записана [19]:
/иу — /
Г / 0 '
/2 1/tgl а0— ~
е
ао+ 2
На рис. 4.4 и 4.5 приведены расчетные зависимости /тах =
= f(a0, I2, 0) и /Иу = /(ао, /2, 0). Как и следовало ожидать, при
установке скоростемера в междупутье на расстоянии I2 от оси
пути дальняя граница ИУ (точка В) (см. рис. 4.3) удаляется
при увеличении ширины диаграммы направленности антенны.
Однако при углах ао>15° (рис. 4.4,а) максимальная длина /тах
увеличивается незначительно, а при ао>ЗО° практически стаби-
лизируется при ширине диаграммы направленности антенны
0 = 24-20°.
Рис. 4.4
5*
67
При углах облучения ао<15° к направлению движения отце-
пов /иу существенно изменяется при возрастании 0 (рис. 4.5,а).
Так, при ао=10° Zmax = 7-b30 м при изменении 0 от 2 до 20°
(см. рис. 4.4, а).
Существенное изменение /тах при постоянстве ао и 0 следует
ожидать даже при небольших изменениях расстояния относа
измерителя относительно оси пути. Так, при а0 =2° изменение 1г
в незначительных пределах (1,7—2,4 м) приводит к смещению
/max на 40 м, т. е. в среднем ошибка в установке измерителя
всего на 0,1 м относительно оси пути приводит к смещению
дальней границы измерительного участка на 6 м. Причем это
смещение возрастает при уменьшении ао (рис. 4.4,6).
На рис. 4.5, а представлены зависимости длины измеритель-
ного участка /Иу от угла облучения ао для разных значений
0, а на рис. 4.5, б — зависимость смещения границы ближней
зоны ИУ (Zmm) от тех же параметров а0 и 0 при фиксирован-
ных значениях /г-
Анализ приведенных зависимостей показывает, что при ус-
тановке измерителя скорости в междупутье для уменьшения по-
грешности измерения необходимо уменьшать а0. В результате
увеличивается длина измерительного участка и ближняя гра-
ница ИУ удаляется от места установки измерителя. С этим яв-
лением необходимо считаться. Так, при а0 = 2°, 0 = 2° и h =
= 2,4 м длина ИУ, хотя и составляет более 90 м, однако при
этом ближняя граница его существенно сдвигается. Это озна-
68
чает, что при таких значениях ао, 0, h полезная излучаемая
мощность радиолокационного скоростемера используется неэф-
фективно и, более того, при ограниченной дальности действия
существенно уменьшает полезную длину ИУ, в пределах кото-
рой уверенно производится измерение параметров движения.
Например, при дальности действия скоростемера РИС-В2 50 м
при тех же значениях ао, 0, /2 длина измерительного участка
составляет всего 32 м, т. е. примерно на 30% меньше его воз-
можностей.
Таким образом, при выборе параметров антенны измерителя,
а также места его установки необходимо руководствоваться
весьма противоречивыми условиями:
1. Для уменьшения погрешности измерения параметров дви-
жения отцепов ширина диаграммы 0 должна быть небольшой,
угол ао необходимо также уменьшить.
2. Увеличение длины измерительного участка /иу возможно
путем уменьшения ао.
Однако это приводит к удалению ближней границы ИУ и
требует увеличения мощности излучения, что в свою очередь
может вызвать дополнительные погрешности измерения вслед-
ствие приема сигналов, отраженных от движущихся по боко-
вым путям отцепов. С другой стороны, увеличивается диаметр
«пятна», облучающего отцеп, что уменьшает эффективность ис-
пользования антенн с узкой диаграммой. Более того, не всегда
возможно удаление измерителя от границы измерительного
участка ТП на большое расстояние из-за требований габаритов
приближения строения. Следует иметь в виду, что удаление
скоростемера от оси пути в среднем на 0,1—0,2 м приводит к
смещению ближней границы на 0,5—1 м, при этом дальняя
граница смещается на 6—10 м. Существенное смещение ближ-
ней границы ИУ связано с изменением угла облучения ао. Та-
ким образом, для обеспечения длины участка измерения ско-
рости в пределах 25—30 м необходимо иметь ширину диаграм-
мы направленности 0 = 6ч-1О°, при этом угол облучения а0 =
= 5—8°, а /2 = 2,24-2,4 м. В этом случае расстояние относа из-
мерителя от ближней границы измерительного участка лежит в
пределах 10 м^/ты^16 м. Дальность действия измерителя ско-
рости не менее 45—50 м.
Учитывая критичность выбора координат размещения изме-
рителя, необходимо прежде всего соблюдать условие: макси-
мальная дальность работы скоростемера /д>/Иу + /тт.
В табл. 4.1 приведены основные установочные характерис-
тики измерителя на тормозных позициях, оборудованных раз-
личными замедлителями. Рекомендации соответствуют пара-
метрам радиолокационного скоростемера РИС-В2 (дальность
действия /я = 50 м, 0 = 6°) для /2 = 2,24-2,4 м.
Приведенные рекомендации соответствуют выбору длины
измерительного участка по оси пути. Так как ближняя к изме-
69
Таблица 4.1
Замедлитель Количество замедлителей на тормозной позиции Длина тормозной позиции, м (40; (5±0,5) ^min, м U0±l) й<У , м (40±2)
1 6,25 9±2 11 ±3 12±4
РНЗ-2 2 8,68 8±2 11±3 15±4
3 12,5 7±1 12±3 20±5
КВ-3-72 1 11,49 7±1 12±3 20±5
2 23,0 6±1 14±1 28±3
КНП-5; Т-50; 1 13,47 6± 1,5 13±2 14±2
ВЗПГ 2 27,5 6±0,5 14± 1 28±2
Примечание. В скобках указаны предельные параметры.
рителю скорости боковая поверхность вагона (точка С) распо-
лагается на расстоянии, меньшем /2 (см. рис. 4.3), определяе-
мом шириной вагона Ь, то длина фактического участка, на ко-
тором измеряется скорость, увеличивается на 5—8 м (рис.
4.5,в). Причем увеличение длины /Иу происходит за счет смеще-
ния ближней границы измерительного участка. Это указывает
на допустимость уменьшения расстояния относа измерителя от-
носительно ближней границы измерительного участка. Однако
пользоваться этим целесообразно лишь в тех случаях, когда
требования габаритов приближения строения не обеспечивают-
ся. Следует иметь в виду, что уменьшение lmjn увеличивает
возможность приема сигналов, отраженных от отцепов, движу-
щихся по соседним путям в зоне действия измерителя. Тем не
менее надо учитывать и такую возможность увеличения длины
измерительного участка. В соответствии с рис. 4.3 /'иу=/иу +
4" Д/mln = /иу + ( /mln—Z mln).
Опыт эксплуатации радиолокационных измерителей скорости
РИС-В2 показывает, что режимы их эксплуатации не всегда по-
зволяют реализовать потенциальные возможности измерителя,
исключая при этом причины заводской недоработки узлов
РИС-В2.
Главными причинами недоиспользования потенциальных воз-
можностей измерителя скорости можно считать погрешности
измерения частоты отраженного сигнала на выходе скоростеме-
ра, влияние отражений от отцепов, движущихся по соседним
путям. Основными факторами, обусловливающими эти причины,
являются протяженность и неравномерность облучаемой по-
верхности вагона, неточность юстировки, настройки и установ-
ки скоростемера.
Протяженность и неравномерность облучаемой поверхности
вагона являются объективным фактором работы измерителя
скорости, особенно при установке его в междупутье, что приво-
дит к глубокой флуктуации отраженного сигнала.
70
Для уменьшения влияний этих факторов необходимо стро-
го соблюдать рекомендации как по настройке измерителей, так
и по установке и юстировке скоростемера. Неправильная юсти-
ровка антенны скоростемера по углу облучения ао приводит к
смещению зоны измерения, усиливает эффект замираний отра-
женного сигнала.
Условие получения в приемнике максимально устойчивого
уровня отраженного от отцепов сигнала обеспечивается при
перпендикулярном облучении поверхности вагона (торцовой
стенки), т. е. когда угол облучения а0 совпадает с направлени-
ем движения. Поэтому радикальным способом уменьшения вре-
мени замираний флуктуирующего сигнала является установка
измерителя в колее железнодорожного пути. Однако условия
эксплуатации в этом случае существенно усложняются.
Таким образом, при установке скоростемера РИС-В2 на тор-
мозных позициях в междупутье следует руководствоваться сле-
дующим:
1. Измеритель необходимо устанавливать на минимально
возможном расстоянии от оси пути. В соответствии с этим
/2тш=2,2ч-2,4 м, а расстояние от головки рельса до продольной
оси измерителя равно 1,2—1,3 м.
2. Расстояние установки измерителя относительно ближней
границы при длине измерительного участка 23—28 м должно
быть не менее 10 м. Оптимальным расстоянием для такой дли-
ны тормозных позиций следует считать (14± 1) м.
3. С увеличением длины измерительного участка требования
к юстировке антенны скоростемера по углу облучения ао по-
вышаются (см. табл. 4.1). Для максимальной длины тормозных
позиций /и>=274-28 м cto= (6±0,5)°.
4. Максимальная длина измерительного участка на прямо-
линейных участках пути составляет 40 м. При этом угол облу-
чения ао=(5,5±О,5)°, а /тш=(Ю±1)м.
При необходимости унификации требований к установке ско-
ростемера РИС-В2 на тормозных позициях любой длины, но не
более 30 м, могут быть использованы рекомендации, приведен-
ные в табл. 4.1 для двухзвенных замедлителей типов К.НП-5,
Т-50 и ВЗПГ.
В тех случаях, когда по каким-либо соображениям этот ва-
риант не может быть принят при установке скоростемера на
ТП меньшей длины, следует руководствоваться данными табл.
4.1 для соответствующего случая.
4.2. Оптимизация порогов срабатывания
и координат размещения скоростемеров
Повышение точности измерения скорости скатывания отце-
пов. Функционирующий в настоящее время на сети железных
дорог доплеровский измеритель скорости РИС-В2 в ряде слу-
71
чаев не обеспечивает требуемой точности. Объясняется это сле-
дующими причинами:
неоптимальностью места установки и ориентации диаграмм
направленности РИС;
неоптимальностью выбора верхнего и нижнего порогов сра-
батывания преобразователя скоростемера.
Перечисленные причины не затрагивают принципиальных
сторон построения существующего измерителя скорости. При
разработке и создании измерителя скорости РИС-В2 не в пол-
ной мере принимались во внимание важнейшие особенности, спе-
цифика условий сортировочных горок. Покажем это.
К числу важнейших особенностей функционирования допле-
ровских измерителей надо отнести следующие: протяженный
характер отцепов и малое их удаление от измерителя, ограни-
ченный интервал времени измерения tK.
Интервал определяется временем нахождения отцепа в
зоне действия диаграмм направленности измерителя. При этом
точность измерения разных скоростей скатывания отцепов мо-
жет сильно отличаться. Указанные факты не принимались во
внимание при создании скоростемера РИС-В2, поскольку его
разработка базировалась на положениях дальней радиолока-
ции. Поскольку точность измерения оказалась неудовлетвори-
тельной, в скоростемере РИС-В2 был использован восьмимил-
лиметровый диапазон волн. Как известно, с увеличением час-
тоты зондирующего сигнала точность измерения скорости может
быть повышена. Однако это привело к удорожанию измерите-
ля, усложнению его конструкции. Вместе с тем, как показыва-
ют результаты проведенного анализа, повысить точность мож-
но путем оптимизации структуры измерителя и не переходя в
миллиметровый диапазон волн. Использование же трехсанти-
метрового диапазона позволит, с одной стороны, унифицировать
все радиотехнические датчики, а с другой — упростить конст-
рукцию измерителя, снизить его стоимость.
Рассмотрим статистическую модель отражения электромаг-
нитных волн от протяженного отцепа. По условиям эксплуата-
ции местоположение РИС определено. Оно задается следую-
щими величинами. Это, во-первых, относ измерителя от оси пу-
ти h и относ от начала измерительного участка /1 (рис. 4.6).
Рис. 4.6
72
Во-вторых, две угловые координаты: ширина диаграммы на-
правленности (ДН) в горизонтальной плоскости 0Г и угол на-
клона ДН к направлению роспуска аОсН-
Для описания модели отражения электромагнитных волн от
объектов важное значение имеют их геометрические размеры и
радиус элементарных отражателей. Поскольку местоположение
антенны РИС жестко задано, определяющее значение приобре-
тают форма объекта, количество сосредоточенных отражателей
(«блестящих» точек) на его поверхности. Учитывая, что коли-
чество типов и модификаций вагонов достаточно велико, це-
лесообразно сделать модель отражения универсальной.
В общем случае на поверхности отцепа можно выделить т
«блестящих» точек. Число этих точек, а также их местоположе-
ние на поверхности могут быть случайны. В результате напря-
жение сигнала, отраженного от совокупности этих точек, мож-
но записать в виде:
«отр= {[Sa„t/„cos (W„/+®n)]2-HSa„t/„sin(W„/+
П —- I n 1
+Ф„)]2}0-5 exp{i arctg [2an{7nsin(o)n/+<Dn)/San{7ncos((on/+<Dn)]} =
n — i n — i
=2аяУпехр[1(соя/+Фп)]. (4.1)
n —. I
Здесь an=l при нахождении отцепа в зоне действия ДН и
ап = 0 при выходе отцепа из зоны ее действия; Un, <вп, Фп —
соответственно амплитуда, доплеровская угловая частота и фа-
за отраженного от n-й «блестящей» точки сигнала на выходе
смесителя приемного измерителя.
Для того чтобы воспользоваться соотношением (4.1), необ-
ходимо конкретизировать входящие в него компоненты. Для
простоты предположим, что отражающий объект — плоский.
Это не только значительно упрощает задачу, но и позволяет
качественно оценить явления при отражении от протяженных
объектов.
Доплеровская частота сигнала, отраженного от n-й «блестя-
щей» точки,
4л;
где А, — длина волны излучаемого сигнала;
иг — горизонтальная скорость отцепа;
ап — угол падения волн на n-ю «блестящую» точку.
Определим фазу отраженного от п.-й точки сигнала:
4л
Фп= . Ron-
Л
где Ron — расстояние от антенны измерителя до n-й «блестящей» точки.
5*—1030 73
На рис. 4.6 видно, что при равномерном размещении «блес-
тящих» точек на поверхности отцепа справедливы соотноше-
ния:
ОА
ROn = V (ОА^+[ОВ-(п-1)д+Ах]2,
где Ах — шаг перемещения объекта.
Амплитуда отраженного от n-й «блестящей» точки сигнала
0'„ = {Pn.'iA2Ooyan/[(4n)2/?2o«cosa„]}0,5.
где Раер — мощность излучаемого передатчиком сигнала;
Do—КНД антенны РИС;
у = 0,5— постоянный коэффициент, характеризующий структуру измерите-
ля и тип сигнала;
ап — эффективная отражающая площадь n-й «блестящей» точки.
В соответствии с изложенной моделью осуществлен расчет
огибающей сигнала, отраженного от отцепа, при его перемеще-
нии вдоль измерительного участка со скоростями 0,5 и 5 м/с.
Число «блестящих» точек на боковых и торцовых поверхностях
одиночного отцепа принималось равным соответственно шести
и трем, расстояние между соседними «блестящими» точками на
боковой поверхности — равным 1,8 м. Остальные параметры
имеют следующие значения: />Пер=30‘10-3 Вт, Х = 0,03 м, oi =
= ... = (У6 = 0,2, ст? = ... = 09 = 2, шаг итерации х = 0,003 м.
Зависимость амплитуды сигнала, отраженного от отцепа,
описываемого совокупностью девяти «блестящих» точек, от чис-
Рис. 4.7
74
ла итераций N представлена на рис. 4.7. На ней можно выде-
лить четыре характерных участка:
1-й участок — рост амплитуды сигнала, отраженного от бо-
ковой стенки отцепа. Объясняется входом в зону действия все
новых и новых блестящих точек;
2-й участок — некоторое уменьшение сигнала, отраженного
от боковой стенки отцепа. Объясняется это выходом некоторых
«блестящих» точек из зоны действия РИС и уменьшением угла
облучения а„ при движении отцепа вдоль измерительного уча-
стка;
3-й участок — резкие всплески сигнала. Объясняется вступ-
лением в зону действия ДН торцовой стенки отцепа. Так как на-
илучшие условия отражения (в силу законов геометрической
оптики) у торцовой стенки, сигнал, отраженный от нее, имеет
наибольшую амплитуду. Из-за малого углового разноса «блес-
тящих» точек на торцовой поверхности между отраженными от
них и от боковой стенки сигналами могут происходить биения;
4-й участок'—монотонное уменьшение амплитуды отражен-
ного сигнала. Объясняется выходом вагона из зоны действия
ДН п соответственно увеличением расстояния Ron до каждой
из оставшихся в зоне действия «блестящих» точек.
На рис. 4.8 представлена гистограмма распределений ампли-
Рис. 4.8
5**
75
туд сигнала, отраженного от протяженного отцепа. Первое, что
бросается в глаза, это явно негауссовский характер распреде-
ления амплитуд отраженного сигнала. Это распределение зави-
сит также от формы и типа лоцируемого отцепа. Более того, на
малых расстояниях при протяженных объектах наблюдается
сложная амплитудно-частотная модуляция отраженных сигна-
лов. Оказывается, что амплитуда и частота в этом случае взаи-
мозависимы, т. е. информация о скорости движения отцепа
заложена как в частоте (фазе) отраженного сигнала, так и в
его амплитуде.
Таким образом, если решается задача синтеза оптимальных
или квазиоптимальных измерителей параметров движения, не-
обходимо принимать во внимание особенности отраженных от
протяженных объектов сигналов. В частности, если статисти-
ческие характеристики амплитудной и частотной модуляции
сигнала могут быть определены, они должны отразиться в ха-
рактере и особенностях структурной схемы вновь создаваемого
измерителя. Если измеритель уже создан (как в случае с
РИС-В2), учет указанных особенностей отражения может улуч-
шить характеристики этого измерителя путем изменения харак-
теристик его узлов. В частности, знание закономерностей из-
менений амплитуды и частоты отраженного сигнала позволяет
обоснованно подойти к выбору пороговых уровней решающей
схемы скоростемера РИС-В2, что будет показано далее.
Обратимся к особенностям доплеровского спектра отражен-
ного от протяженного объекта сигнала. В случае дальней лока-
ции, когда движущаяся цель может рассматриваться как точеч-
ная, доплеровский спектр отраженного сигнала носит линейча-
тый характер. В случае локации на малых расстояниях из-за
больших угловых размеров отцепов происходит размытие (рас-
ширение) доплеровского спектра, что в конце концов снижаег
точность измерения скорости. Обычно в этом случае для умень-
шения угловых размеров отражающей поверхности применяют
узкую игольчатую ДН измерителя. Однако в горочных РИС та-
кой способ не приемлем, поскольку при этом уменьшается дли-
на измерительного участка (см. рис. 4.3).
Кроме отмеченных явлений, при сложных многоточечных
структурах протяженных объектов (объекты горочных РИС)
происходит интерференция волн от совокупности «блестящих»
точек. Она подчиняется сложному закону и может привести к
замираниям сигналов, что в ряде случаев и наблюдается в
РИС.
Потери точности измерения. Скорость скатывания отцепов
определяется с меньшей точностью, если не учитывать статис-
тическую связь между огибающей и частотой отраженного сиг-
нала. Обратимся к уравнению, описывающему сигнал на входе
измерителя: +un(0 = t7ocos[a>o^ + 9o] +un(t);
&V(a)o, ст2п).
76
Как известно, сумму гармонического колебания и гауссовс-
кого шума s(t) можно представить в виде сигнала со случай-
ными амплитудой A(t) и фазой 0(0, так что y(t)=A(t)y(
Xcosfwo/—0(()—90]. Аналогичную форму, как было отмечено вы-
ше, имеет сигнал на аналоговом выходе РИС при отражении от
протяженного объекта. Поскольку амплитуда и частота отра-
женного сигнала взаимозависимы, для их совместного распреде-
ления в общем случае справедливо неравенство w(A, 0)у=
=7^йу(Д)&у(0). Здесь w (А, 9) —совместная ПРВ амплитуды и ча-
стоты отраженного сигнала; &у(А), w(9) — соответственно од-
номерные ПРВ огибающей и частоты отраженного от отцепа
сигнала.
Определим условную ПРВ частоты при условии, что ампли-
туда равна постоянному уровню С:
а>2(9|4 = С) =
w(A=C, 0)
э(А=С)
С / С202 \
еХР1“ ^гпЮ».Г (4.2)
V 2n0aw. ' '
В выражении (4.2)
СЛ cz>
где F((o) —энергетический спектр шума n(t)
Видно, что закон распределения (4.2) является гауссовским
со средним значением т = 0 и дисперсией о2 о =а2пда2*/С2.
Зависимость о2« от относительного нормированного уровня
огибающей (7н = С/о2п показана на рис. 4.9. Из нее видно, что с
увеличением уровня огибаю-
щей дисперсия оценки допле-
ровской частоты уменьшается.
Наоборот, с уменьшением ам-
плитуды отраженного сигнала
точность измерения падает,
дисперсия оценки я26 резко
возрастает [19].
Отмеченная закономерность
имеет большое значение, пос-
кольку показывает, что, ис-
пользуя реализации огибаю-
щей отраженного сигнала,
можно существенно повысить
точность оценки частоты отра-
женного сигнала.
Выбор порогов срабатыва-
ния горочного измерителя
РИС-В2. Отличительной осо-
бенностью измерителей скоро-
77
сти протяженных отцепов, имеющих сложную многоточечную
отражающую поверхность, является использование доплеровско-
го сигнала со случайно изменяющейся во времени амплитудой.
Экспериментальные исследования показывают, что глубина ам-
плитудной модуляции результирующего доплеровского сигнала
из-за интерференции электромагнитных волн, отраженных от
различных частей отцепов, может достигать 100%. В результа-
те при обработке такого сигнала цифровыми или аналоговыми
методами возрастает погрешность измерения.
Как известно, в горочном скоростемере реализован двухпо-
роговый метод обработки доплеровского сигнала. Он заключа-
ется в том, что демодуляции подвергается только та часть доп-
леровского сигнала, амплитуда которого превышает верхний
порог UnB. Скорость определяется путем интерполяции резуль-
татов демодуляции с помощью пороговых схем с нижним по-
рогом ипк.
Рассмотрим вначале теоретические аспекты задачи повы-
шения точности измерения путем регулировки порогов измери-
теля. С этой целью оценим зависимость мгновенной частоты
отраженного сигнала от порога, а также достигаемый при этом
выигрыш в точности измерения.
В соответствии с вышеизложенным сигнал на входе измери-
теля может быть записан в виде: у (!) = A (l)cos[cool—0(1)]-
Найдем статистическую связь между случайными отклоне-
ниями частоты 0(1) и значениями огибающей:
А2 / А2 А<Щ \ , ч
w(A, 0) —--------- с.хр I —----- —-------- ), (4.3)
/2^3 Qa \ 2а * 2<ЛДР2д )
V i. J IU у йь Д
где ДРд — половина полосы доплеровского спектра сигнала на уровне
Удобно перейти к новой относительной переменной z=
= Д/(оу2) = (А2/<А2>)0-5, где <А2> = 2о2—средний квадрат
значений огибающей. В результате выражение (4.3) перепишет-
ся в виде:
а>(0, z)=2z2!(V лДЙд) ехр[-г2(ДР2д+02)/ДР2д(.
На основании последнего выражения может быть найдена
условная ПРВ частоты, когда значения огибающей сигнала
превышают некоторый заданный порог гп:
a>(i/|z>2n) = 1/Ул е п (1 + //2)-3/гГ(3/2, х).
Здесь ц = 0/ДПд — новая относительная переменная;
Г(3/2, х) — неполная гамма-функция, где х = г2п(1+у2).
Анализ полученной ПРВ показывает, что с увеличением по-
рогового уровня гп резко уменьшается вероятность больших от-
клонений частоты, т. е. резко уменьшается число больших оши-
бок измерения скорости. Следовательно, средняя квадратичная
ошибка с увеличением гп должна снижаться.
78
Важной характеристикой введенной относительной перемен-
ной у может служить среднее значение модуля отклонения ча-
стоты:
«{|у| I z = z1} = l/(ziKл),
где Z\ — заданное значение г.
Как следует из последнего равенства, с увеличением отно-
сительного уровня огибающей zi среднее значение модуля от-
клонения частоты от своего среднего значения уменьшается.
Это обстоятельство, как и в предыдущем случае, может слу-
жить теоретическим обоснованием применения амплитудной се-
лекции доплеровского сигнала для уменьшения по1решности
измерения скорости.
В качестве характеристики эффективности метода ампли-
тудной селекции удобно использовать относительную среднюю
квадратичную погрешность измерения мгновенной частоты:
6£2д = <4 /Йд=1/(Г 2лМ)ехр[(г2п/2)|^£1(г2п)]. (4.4)
Здесь л.М = £2д/Л£2д характеризует широкополосность допле-
ровского спектра частот, a £'i(z2n) — это интегральная показа-
тельная функция.
Для вычислений удобно пользоваться приближенным ра-
венством:
£1(х)=—0,5772—lnz2a + z2„ _-Д-+ .
4
На основании проведенного теоретического анализа сформу-
лируем практические рекомендации по выбору пороговых уров-
ней (7Пв и Ппн в измерителе скорости.
В блоке преобразования сигнала измерителя РИС-В2 при-
менена схема, в которой в моменты пропадания импульса доп-
леровского сигнала постоянная времени интегрирующей цепи
аналогового преобразователя возрастает за счет увеличения со-
противления цепей разряда конденсаторов интегратора. В ре-
зультате напряжение на выходе интегратора остается постоян-
ным («запоминается») и скачкообразные изменения сигнала на
выходе измерителя скорости устраняются. Для этого доплеров-
ский сигнал с выхода УНЧ (см. рис. 4.1) подается на два ком-
паратора напряжения (на операционных усилителях) с раз-
личными порогами срабатывания. Порог срабатывания компа-
ратора /С/ (t/пв) выше уровня собственных шумов измерителя
примерно в 2 раза, а порог компаратора К2 (UnK) находится
на уровне верхней границы шумов. Подробно принцип работы
блока преобразователя сигналов РИС-В2, в котором примене-
на двухпороговая схема, изложен в [8].
Остановимся на вопросе выбора верхнего UnB и нижнего
t/пи порогов и оценки достигаемого при этом выигрыша в точ-
ности измерения скорости отцепов.
79
Для оценки относительной средней квадратичной ошибки
измерения мгновенной частоты доплеровского сигнала как фун-
кции порога можно, воспользовавшись соотношением (4.4), по-
лучить (19]:
бЯд= ——ехр
/2ЙЯ
z2„
г4п
4
•0,5772—lnz2n
где 2п = 1/пв/о217д — отношение верхнего порога к среднему квадратичному
занчению огибающей доплеровского сигнала
График зависимости дйд как функции приведенного порога
гп представлен на рис. 4.10. Видно, что средняя квадратичная
погрешность с увеличением порога падает; при zn<l—быстро,
а затем крутизна характеристик уменьшается Для скоростей
отцепов на сортировочных горках, измеряемых с помощью ско-
ростемера РИС-В2, соотношение доплеровской частоты и ши-
рины спектра доплеровского сигнала ЙД/ЛЙД= 1004-300.
Для выбора порога zn следует иметь в виду, что с его уве-
личением резко уменьшается время анализа полезного сигна-
ла. Под полезным сигналом понимается та часть реализации
доплеровского сигнала, которая превышает пороговое значе-
ние. Так, при zn=l длительность полезного сигнала (время пре-
вышения сигналом порогового уровня) составляет 37% дли-
тельности всей реализации, а при zn>l,5—10%.
Таким образом, на практике целесообразно устанавливать,
значение порога zn в пределах от 1 до 1,5. Причем чем меньше
измеряемая скорость, тем меньше ЙД/ЛЙД и, следовательно, тем
больше должно быть значение порога гп.
Для обеспечения неизменной погрешности измерения значе-
ния порогов UnB у скоростемеров РЙС-В2, устанавливаемых на
разных тормозных позициях, должны различаться. Действи-
тельно, если считать, что Лйд при отражении от отцепа данно-
го типа есть величина постоянная, то из-за разных скоростей
отцепа на 1, 2 и 3-й ТП имеем: йд1тп>йд2тп>йд3тп.
Воспользовавшись графиками на рис 4.10, видим, что по
мере увеличения номера ТП значение порога должно также воз-
растать. Однако заметим, что чрезмерное завышение верхнего
порога ведет к тому, что измеритель большее время будет ра-
ботать в режиме памяти, а это приводит к снижению точности.
Нижний порог UnH предназначен для поддержания задан-
ной точности и надежности измерения скорости при кратковре-
менных пропусках сигнала, обусловленных случайной ампли-
тудной модуляцией. С помощью последовательностей сигналь-
ных и опорных импульсов в момент пропуска сигнальных им-
пульсов формируются строб-импульсы, которые управляют ре-
жимом памяти. В нормальных условиях, когда амплитуда ана-
логового доплеровского сигнала превышает верхний порог и
формируется последовательность сигнальных импульсов, строб-
импульсы не вырабатываются, что достигается задержкой сиг-
нальных импульсов.
S0
При замираниях амплиту-
да аналогового доплеровского
сигнала становится ниже верх-
него порога, в результате один
или несколько сигнальных им-
пульсов не формируются.
Дальнейшая работа схемы
предполагает, что при любых
уменьшениях амплитуды ана-
логового сигнала нижний по-
рог всегда пересекается. Для
этого значение UnH выбирает-
ся на уровне нижней границы
собственных шумов измерите-
ля скорости. В результате по-
следовательность опорных им-
пульсов формируется всегда
и в свою очередь управляет формированием строб-сигналов.
Результаты эксплуатации скоростемера РИС-В2 показыва-
ют, что в ряде случаев измеритель в режим памяти не пере-
ключается. Так, при замираниях амплитуда доплеровского ана-
логового сигнала может не превышать нижний порог, т. е. быть
на уровне собственных шумов В результате триггер, выраба-
тывающий строб-импульсы, не запускается и интегратор не ра-
ботает в режиме памяти
К аналогичным последствиям могут привести перескоки фаз
доплеровского сигнала вследствие интерференции. В этом слу-
чае амплитуда его, с одной стороны, может оказаться ниже
верхнего порога, а с другой — превысить нижний порог, но не
пересечь его.
Для устранения этих явлений можно установить UB„ ниже
уровня шумов. В этом случае последовательность опорных им-
пульсов будет формироваться практически независимо от амп-
литуды входного сигнала. Однако в нормальных условиях
строб-импульсы формироваться не будут, поскольку выраба-
тывается последовательность сигнальных импульсов. При зами-
раниях же строб-импульсы будут вырабатываться независимо
от амплитуды доплеровского сигнала.
Поскольку в процессе эксплуатации уровень шума изменя-
ется, может быть предложена схема следящего нижнего поро-
га типа автоматической регулировки усиления.
4.3. Датчики ускорения скатывания отцепов
Алгоритмы измерения ускорения скатывания отцепов. В ка-
честве первичного источника информации о параметрах движе-
ния отцепов на сортировочных горках используются скоростеме-
ры РИС-В2, измеряющие скорость движения отцепа v(t) с по-
81
грешностью Ускорение движения отцепа a(t) определяют
путем дифференцирования измеренной скорости.
Определим оценки первой производной скорости a(t)=*
л Л
= (dldt)v(t) и ее среднего квадратичного отклонения оа, если
скорость отцепа измерена в точках tl:j. Соответствующие изме-
ренные значения скорости имеют вид:
где 61/,еУ(0, а,) — случайные ошибки измерений.
Будем считать, что скорость v(t) измеряли через постоян-
ные интервалы времени То- Определим требования к погреш-
ностям измерения ускорения и выбору оптимального интервала
дифференцирования То. Определим ускорение отцепа a(t) в
точке s, являющейся серединой интервала t, Zs+J, в виде
Л Л
as=a,;-i-/?, где as — оценка производной ускорения, a R — оста-
л
точный член. Для определения оценки ускорения as на основе
измерений скорости разложим функцию v(t) в ряд Тейлора з
окрестности точки s:
e.+<=u,+u,iTo+ (г'7’и)3+-1Г (l'To)4+...; (4.5)
v^vs-vsiTa+ (iToy~-~- (HW+ ~~ ('To)4—.. (4.6)
Вычтя выражение (4.6) из выражения (4.5), получим:
vs nsIV
и,+г-и,-,=2гмТо+2-—- (<To)3+2—— («То)5+... (4.7)
о! о!
Производная скорости
Vs+i—Vs-l , - —
us=as=——-------+/?<, »=1, k.
2.11 о
Остаточный член
[Us UsV 7
—— (7To)a+ -GTo)’+... . (4.8)
ol 0! J
Значения функций, входящих в выражение (4.8), поясняют-
ся на рис. 4.11. В частности, при s = i = 1 имеем
as=
Ug—Vo
2Го
+«i=
2Т0
+Яь
Аналогичные алгоритмы вычисления ускорения при различ-
ном числе точек измерения п приведены в табл. 4.2.
82
Таблица 4.2
п Алгоритм вычисления ускорения
[— 3u(O)+4v(O) — v(t2) ] 21 о T2iv(t)/3
3 1 -T2of(O/6
а t=l‘ ~ 2Го +
a«=6- QT 4y(6)+3v(0)] 21 0 Pof’(O/3
Я i=fo — " [— llv(/o) + 18v(/1)— 9v(0)+2у(/з)] о/ 0 - TWV (0/4
4 а* t=t, - [—2t>(0) — За(Л)+бУ(/2)— ц(0)] 6То a* t=t: = [»(/»)— 6n(/i)+За(/2)+2у(/3)] О/ 0 т3^ V (0/12 —T’oviv(o/12
at=t3 = -±~ [—2t>(/o)+9»(0)—18t>(O) + llt>(/3)] 6/ 0 TWv(0/4
а;=/. - “27, [—25у(0) +48п(/1)— 36»(/2) + 416у(/з)-Зу(/4)] Чг=6 - 'шт ' [—Зп(^о) —ЮУ(б) + 18и(г'2) — 121 о 7Vv(O/5 -T'*ocv(O/2O
5 —6у(/3)+у(Л|)] ам. - . ’ [»(М— 8t»(O)+8f(O)—Ч'О! 1 0 T’ovV(/)/3O
а^3~ ,2Г [—п(/0)+6и(/!) — 18и(/2)4- + 10у (^з) +3и (/4)] аы, - 12Г [3v(/o)—16v(/1)+36n(/2) — —48v(ts)+25v(t4)] T>v(o/2O T4ofv(0/5
Сравнение показывает,
что наиболее простые выра-
жения получаются при не-
четном числе точек измере-
ния (п = 3; п=5) и вычис-
лении ускорения в средних
точках. При таком способе
вычисления остаточный член
минимален, так как коэф-
фициенты при производных
получаются наименьшими.
Поэтому на практике целе-
83
сообразно применять формулы, помеченные в таблице звездоч-
кой.
Вернемся к анализу соотношений (4.7) и (4.8). Из них вид-
но, что ошибка в определении ускорения зависит от случайных
ошибок измерения скорости отцепа в точках s,+i, s,_ 1, что при-
водит в свою очередь к случайным ошибкам дифференцирова-
ния, и от неучета остаточного члена, приводящего к методиче-
ской погрешности Известно, что
(tTo)2—{49)
где fmaxi— максимальное значение третьей производной скорости по време-
ни на рассматриваемом интервале 7\=27То.
Из последнего равенства видно, что с увеличением Г,, т. е.
интервала между точками s + i и з—i (То), методическая по-
грешность растет. Уменьшить методическую погрешность мож-
но путем усложнения алгоритма вычисления ускорения при
увеличении числа точек измерения п. Это наглядно иллюстри-
руется в табл. 4.2. По мере увеличения числа точек измерения
остаточный член Rt уменьшается, однако сложность алгорит-
ма возрастает.
Случайные ошибки оценки ускорения. Соотношения для оцен-
ки ускорения отцепа и получающиеся при этом методические
погрешности предполагают, что скорость отцепа v(t) точно из-
вестна. На практике, однако, из-за воздействия многочислен-
ных факторов скорость представляет собой случайный процесс.
При этом, помимо методических погрешностей, при построении
измерителя возникают и случайные погрешности, связанные с
зашумлением первичной информации.
Будем характеризовать случайные погрешности оценки ус-
корения дисперсией ал. Для ее определения на первом этапе
будем считать, что результаты измерения скорости в точках
s-H и з—i, т. е. vs+i и vs~i, некоррелированы, равноточны и ха-
рактеризуются дисперсиями а2а, S-H = o2t>, s-i—o2v. Тогда диспер-
сия случайной погрешности оценки ускорения в точке s, напри-
мер, для простейшего алгоритма
А2 <А-, s+i + aV С2» . г-7-
ал —--------------=-----; i=l, к. (4.10)
a, S/ (217-0)2 2(1 Го)2
Из выражения (4.10) видно, что дисперсия случайных оши-
бок оценки ускорения пропорциональна дисперсии ошибки ско-
рости. Дисперсия случайных ошибок оценки ускорения умень-
шается при увеличении интервала между используемыми изме-
рениями и возрастает с увеличением числа используемых изме-
рений.
84
В случае когда соседние измерения скорости коррелированы
между собой, выражение для дисперсии оценки ускорения ви-
доизменяется:
ад = (Ч-н ~~Ч-')2 а2„-5у(2»т0)
° a, si ‘ (2iT0)2 “ 2(17-0)2
где By(2iTa) — корреляционная функция ошибок измерения.
Угловые скобки здесь означают усреднение по множеству
реализаций.
С уменьшением интервала iT0 между соседними измерениями
л
предел дисперсии оценки ускорения lima2 a,s =—В"у((У).
Из последнего равенства следует, что ошибки измерения ско-
рости практически не влияют на оценку ускорения. Важен, в
частности, тот факт, что систематические ошибки измерения
скорости не вызывают ошибок в оценке ускорения. Это видно,
например, из выражения (4 7) Систематические ошибки у vs+;
и vs-: взаимно компенсируются.
В качестве величины, характеризующей суммарную погреш-
ность оценки ускорения отцепа Qs, можно использовать сум-
л л
му квадратов максимальной случайной ошибки (За а для случая
гауссовских процессов) и методической погрешности R: Qz =
= (За Л)2 + /?2.
а
Методы уменьшения случайных и методических погрешностей.
Наиболее употребимым методом уменьшения погрешности яв-
ляется многократное определение ускорения и дальнейшее его
усреднение, так что
Л к Л к Л 2 Л
а51 = 2х<а5 ,/Sxi; Х*=1/стЛ = 2(iTo)2/ct20,
i=i ' i = i a, st
где k — число обрабатываемых выборок.
В этом случае дисперсия среднего значения ускорения
Л2 k
о л = a2o/(2T20Si2).
a, S; 1=1
й 1
Принимая во внимание, что 2i2 =—k(k+ 1) (26+ 1), среднее
i=i 6
значение ускорения и его дисперсия:
л * л
asl=6i2i2as,/[/?(/?+1) (2/г+1)]; (4.11)
1-1 '
Л2
(jл =3cr2v/[7’2oA:(fe+1) (2*+1)]. (4.12)
а,
Отметим, что чем больше интервал между измеренными
значениями скорости, тем меньше случайная ошибка определе-
85
ния ускорения. Что касается методической погрешности, то она
тоже изменяется и теперь в отличие от выражения (4.8) будет
определяться соотношением
1
|Я|<— Ьтах|Ро(3Й2+ЭЙ-1). (4.13)
оО
Методическая погрешность тем больше, чем больше взят ин-
тервал дифференцирования. Таким образом, с одной стороны,
при увеличении числа точек определения ускорения и примене-
ния усреднения случайные ошибки измерения скорости при вы-
числении ускорения уменьшаются, а с другой — при увеличе-
нии числа используемых измерений скорости возрастают мето-
дические погрешности.
Заметим также, что в условиях сортировочных горок и ис-
пользования на них скоростемеров РИС-В2, дальность действия
которых ограничивается 50 м, время анализа не может быть
взято сколь угодно большим. Расчет времени измерения исхо-
дя из зоны обзора измерителя РИС-В2 приведен в [18].
Выбор шага дискретизации и интервала усреднения. Из со-
отношений (4.8) и (4.9) видно, что знание значений величин
|Umax | и u2v полностью определяет точностные характеристики
измерения ускорения. Так, например, из соотношения (4.10)
видно, что если оо = 0,01 м/с, i = l, то для обеспечения а л
_ a, Si=i
^0,0001 м/с2 необходимо, чтобы К27’о=10'2 с, т. е.
X Ю"3 с.
Заметим, однако, что на практике невозможно беспредельно
уменьшать шаг То, получая некоррелированные отсчеты оши-
бок измерения скорости, для которых справедливо соотноше-
ние (4.10). Поэтому обычно интервал дискретизации То выби-
рают так, чтобы То^Тк (интервалу корреляции процесса a(t),
описывающего изменение ускорения движения отцепов), а за-
тем подбирают такое количество точек k, которое обеспечит
требуемое значение дисперсии ошибки ускорения. Что касает-
ся методической погрешности, определяемой из соотношения
(4.8) или (4.13), то в случае, когда a(t) =а = const, можно счи-
тать /? = 0.
В действительности же a(7)#=const, что связано со случай-
ными внешними возмущениями, действующими на участке за
последней тормозной позицией. В этом случае для определения
методических погрешностей необходимо иметь оценки Umax-
Оценим величину суммарной погрешности оценки ускорения:
Qs (fc) = (3oa,s)2+/?2. (4.14)
л г,
Подставляя в формулу (4.14) величины и R из выра-
жений (4.12) и (4.13), найдем
86
6/г2+6/г + 1
0. 12+3,?_1)2
' Ро k(k+1) (2й+1) 900 ( + - )•
Из условия dQv(k)/dk = 0 найдем выражение, с помошью
которого подберем k = kOm, обеспечивающее минимум суммар-
ной ошибки определения ускорения:
(6fe3+9P+/z—1) (2fe3+3/;2+fe)2 __ 40500%
7'6оП2тах
Последнее уравнение необходимо решать с точностью до це-
лого значения числа k. Заметим, что если Umax используется
лишь для определения длины интервала дифференцирования,
то требования к погрешности определения итах могут быть
сравнительно невелики.
Адаптивный измеритель ускорения. Существующие электро-
механические датчики не обеспечивают необходимой точности
измерения ускорения для определения ходовых свойств отце-
пов, вследствие чего снижается эффективность работы системы
АРС. При измерении ускорения отцепов для систем прицельного
торможения необходимо учитывать и нелинейную составляющую
функции ускорения. Существующие же способы дают лишь слу-
чайное усреднение функции ускорения в пределах измеритель-
ного участка и не могут отражать действительных ходовых
свойств отцепов [7], [14], [15], [23].
Измерители ускорения на базе радиолокационного скоросте-
мера позволяют достигнуть высокой точности измерения. Как
отмечалось в [7], погрешность измерения менее 0,5%. В радио-
локационном методе измерения ускорения легко реализуется
общеизвестная операция дифференцирования скорости по време-
ни (dvfdt) в дискретной форме в виде вычисления первой раз-
ности скоростей за интервал измерения tn. Первичным парамет-
ром для измерения ускорения являются два соседних значения
скорости движения отцепов ui и иг, измеренные за равный ин-
тервал времени tK:
а=(«2—»1)/<и. (4.15)
Рассмотрим этот метод измерения ускорения и принцип по-
строения адаптивного измерителя с целью минимизации по-
грешности измерения по диапазону измеряемых скоростей отце-
пов. Учитывая, что щ = /'Д1Л/(2сойа) и v^Fj&k/ (2cosa), из вы-
ражения (4.15) получаем:
X F д2—ЕЯ1 _
2cosa /и
где Л^2 — количество импульсов
а=
X —Mi л
. Q ,
2cosa-----------------Ря-2
доплеровской частоты, подсчитанное на
двух соседних интервалах измерения П,.
При дискретном методе измерения ускорения, который ха-
рактеризуется наибольшей точностью, Мг^и/Гдг и Л^Ми/Гщ,
87
где Гд! и ТД2—период доплеровской частоты соответственно в
первом и втором интервалах измерения скорости.
Таким образом, при постоянном интервале измерения tn,
который формируется высокочастотным генератором, ускорение
пропорционально разности N2—Ni.
Погрешность измерения ускорения отцепов в зависимости от
угла облучения а:
да-.-
да
/2a2cos2a
sina;
da ,t —7Vi)sina2cosoH2a
ба a =----— —------------------------~ tgada.
da /2B2cos2a(/V2—AG)X
График зависимости погрешности даа показан на рис. 4.12.
Отсюда видно, что при установке измерителя в междупутье
угол облучения а не превышает 10° и погрешность не превыша-
ет 0,2%. Изменение угла а при юстировке в пределах 1—2°
практически не влияет на погрешность.
Основная погрешность измерения ускорения рассматривае-
мым методом связана с интервалом времени измерения ta л
длиной волны X [7], [18]: баг =Х/(2а/2и). Увеличение времени
измерения ускорения приводит к существенному уменьшению
погрешности. Однако при его постоянстве во всем диапазоне
скоростей движения длина измерительного участка возрастает
с увеличением скорости. Вместе с тем при постоянном /и по-
грешность дискретного вычисления ускорения возрастает с
уменьшением скорости движения отцепов, поскольку уменьша-
ется число периодов доплеровской частоты, укладывающихся
в интервале измерения.
Таким образом, условия выбора интервала измерения огра-
ничиваются, с одной стороны, допустимой погрешностью изме-
рения, а с другой — длиной измерительного участка.
Задаваясь максимально допустимой погрешностью преобра-
зователя бщах, можно определить ми-
нимальный интервал времени /итш, на
котором выполняется счет числа пери-
одов частоты доплеровского сигнала:
fa niln^ l/(6max7'mln) • (4.16)
Однако на больших скоростях дви-
жения, т. е. когда Fmax, при по-
стоянстве tn min, выбранном ДЛЯ Fmin,
погрешность измерения будет значи-
тельно меньше допустимой. В то же
время, особенно в задачах контроля и
управления, величина (и min становится
фактором, ограничивающим эффектив-
ность систем управления и регулиро-
88
вания, а в ряде случаев и недопустимой. Поэтому вторым огра-
ничением при выборе временного интервала измерения должно
служить допустимое время /доп, определяемое реальным време-
нем движения транспортного средства по участку контроля и
регулирования, т. е.
on 5sm 1 n 1 /(6maxRm 1 п) . (4.17)
Время измерения /и может включать в себя время прохода
отцепа в зоне облучения диаграммы направленности доплеров-
ского скоростемера и ограничивается дальностью его действия.
В зависимости от места установки скоростемера и от его
характеристик длина измерительного участка /иу может изме-
няться от десятков сантиметров до десятков метров. Тогда диа-
пазон времени измерения
(/отц + /иу)/Гтах^^и^(/отц+/иу)/Гт!п.
Возможность изменять время /и в зависимости от реальной
скорости движения, а также возможность варьировать длиной
измерительного участка /иу позволяет измерять ускорение, учи-
тывающее его нелинейную функцию.
Длина волны виляния
, , Rs / Z2 \
/з= 2л / ------ 1+g—— ,
V п \ s2 )
где R — радиус колеса;
s — половина расстояния между кругами катания колесной пары;
п —• конусность обода колеса;
£ — поправка, учитывающая действие моментов связи между боковыми
рамами тележки;
I — расстояние между центрами колесных пар.
Ускорение движения отцепов, связанное с его динамически-
ми и кинематическими характеристиками, можно представить в
виде
I 2л \
a(7)=ao-|-Asinl— I ,
\ 1ъ 1
или, переходя к временному представлению,
I 2л \
a(/) = a0+4sin I--- t , (4 18)
\ Тв /
где ао—постоянная составляющая ускорения;
Тв — период виляния колесной пары.
Алгоритм измерения ускорения [выражение (4.15)] можно
представить в виде [7]:
а= (п2—vi)/tx = (s2—st)/t2a.
Однако в [7] рассматривается случай равнозамедленного
или равноускоренного движения. Для оценки ускорения движе-
6—1030 89
ния отцепов с учетом нелинейной составляющей определим рас-
стояния si и s2, пройденные отцепом за время измерения tn-
В общем случае расстояние, пройденное отцепом,
ds d2s t2 d3s t3
s — 14- ' 4- 4-...,
dt dt2 2! dt3 3!
ИЛИ
t2 , t3
s — vot+a —-—+a—4-... (4.19)
Очевидно, при равноускоренном движении третье слагаемое
выражения (4.19) обращается в ноль. С учетом выражений
(4.18) и (4.19) расстояние, пройденное отцепом за первый ин-
тервал измерения (и,
Г . . . ( 2л , П 12и . /Зи 2л I 2л , \
Si—VqGi4- ao+4sin. tB I 4-4 cost /и
|_ \ •* в /J Z и /в \ 1 в J
Расстояние, пройденное отцепом за второй интервал изме-
рения,
2л [ 2л
— cos —— tn
* В \ * в
где Оо1=о0+ао/и.
Преобразуя выражение (4.15) и учитывая, что 0о=51/^и, по-
лучим, что ускорение движения отцепа с учетом нелинейной со-
ставляющей
ИЛИ
2(уг—t>i)
2 ($2--sl)
“ = 3/2„ ”
А Г
3t2n L
[ 2л
/2и31П I /и
\ 1 в
2л
Гв
(4.20)
tn
3
Первое слагаемое выражения (4.20) подчеркивает постоян-
ную составляющую изменения ускорения на интервале /и, выби-
раемом в соответствии с формулами (4.16) и (4.17), а второе
слагаемое определяет колебательный характер ускорения на
измерительном участке с периодом Тв. С целью учета колеба-
тельной составляющей ускорения интервал измерения ускоре-
ния должен выбираться из условия tB^TB/4.
Учитывая, что TB = lBfv, интервал времени измерения tn дол-
жен выбираться на основании выражения (4.16):
бтахТ' min 4v
90
е)
Рис- 4.13
6*
91
Выполнение неравенств (4.16) и (4.21) возможно лишь при
регулируемом tK в процессе слежения за текущей доплеровской
частотой Fл. На рис. 4.13 показаны зависимости погрешности
измерения ускорения да от скорости движения отцепов и вре-
мени измерения для двух диапазонов частот работы измерите-
ля скорости (Х = 3,2 см и Х = 0,8 см).
Как видно, для измерителей скорости трехсантиметрового
диапазона (см. рис. 4.13,а/ обеспечить допустимую погреш-
ность измерения ускорения в диапазоне скоростей отцепов ог
0,5 до 10 м/с возможно при введении переменных интервалов
измерения: при п = 0,5-3-1 м/с, Д = 2,5 с; при v= l-з-З м/с, ^и =
= 1 с; при м/с, ^и = 0,5 с. Для скоростемера, работающего
в миллиметровом диапазоне волн (% = 8 мм) (см. рис. 4.13,6/,
погрешность измерения ускорения ба0,8% достигается при
введении двух интервалов измерения 0,8 и 0,5 с в диапазоне
скоростей п^1 м/с и v~ 1-4-10 м/с соответственно. Интервал
измерения ta можно изменять непрерывно и дискретно.
Возможность измерителя ускорения регулировать время /н
в зависимости от скорости движения отцепа обеспечивает ми-
нимальную погрешность в диапазоне измеряемых скоростей.
Непременным условием при этом должно быть постоянство ин-
тервала /и по меньшей мере в одном цикле измерения ускоре-
ния, т. е. соседние значения скоростей Vi и v2 должны измерять-
ся за одинаковые интервалы времени.
Допустимое время измерения ^доп определяется реальным
временем нахождения отцепа в зоне действия радиолокацион-
ного скоростемера. При этом отцеп рассматривается в виде рас-
пределенного (протяженного) объекта, поверхность которого
сканируется при его движении относительно неподвижного из-
мерителя— скоростемера. Минимальное время измерения в
случае точечного облучения отцепа определяется максимальной
скоростью движения и минимальной длиной отцепа: /Ит1п^
^Imm/Vmax. Рассматриваемый алгоритм позволяет измерять ус-
корение при длине измерительного участка, близкой к нулю, что
расширяет возможность его использования на различных уча-
стках сортировочной горки.
Рис. 4.14
92
На рис. 4.14 представлены схема, поясняющая принцип по-
строения адаптивного измерителя ускорения, и временные диаг-
раммы ее работы. Радиолокационный скоростемер РИС (рис.
4.14,а), устанавливаемый в междупутье, облучает поверхность
движущегося отцепа и принимает отраженный сигнал. На выхо-
дах преобразователя РИС формируется импульсная последова-
тельность (рис. 4.14,6) с частотой Fa. Эта последовательность
поступает на ключевое устройство Кл (см. рис. 4.14,а), которое
управляется формирователем интервала измерения ФИИ. Со-
ответствующий временной интервал выбирается управляющим
напряжением, поступающим с РИС на ФИИ.
На время сформированного интервала (рис. 4.14, в) ключ
открывается и счетные импульсы поступают на счетчик СЧ
(рис. 4.14,г). По окончании первого цикла записи импульсов
Их в счетчик происходит перезапись их в регистр Р, так что к
следующему интервалу измерения счетчик приводится в исход-
ное состояние. При поступлении на вход ключа второго сфор-
мированного интервала измерения в счетчике происходит пов-
торная запись счетных импульсов Л1г- По окончании второго
цикла измерения состояния разрядов счетчика переписываются
в регистр, в котором осуществляется реверсивный счет. Полу-
ченная разность Иг—Их (см. рис. 4.14, г) в виде параллельного
или последовательного кода через преобразователь ПК посту-
пает либо на цифровой индикатор, либо в микропроцессорное
устройство для принятия решения управления транспортным
объектом.
Радиолокационный метод измерения ускорения в отличие от
широко используемого метода, реализующего алгоритм: а =
= 2s(/2—tj/(t^Px + txPz), позволяет повысить точность измере-
ния и уменьшить длину измерительного участка.
Рассмотренный метод измерения ускорения позволяет путем
введения переменного интервала /и, зависящего от скорости
движения отцепа, построить адаптивный измеритель, стабили-
зирующий погрешность измерения, не превышающую заданную
во всем диапазоне движения отцепов. Возможность построения
и практической реализации адаптивного измерителя ускорения
путем введения переменного времени измерения в зависимости
от скорости движения отцепа позволит существенно уменьшить
погрешности измерения ускорения, что особенно важно для
систем АРС. Учет протяженности отцепа при радиолокационном
способе измерения ускорения существенно влияет на время из-
мерения и протяженность измерительного участка.
Поскольку ускорение отцепов в общем случае не является
равнозамедленным, а имеет колебательный характер, что су-
щественно влияет на точность прицельного торможения, имеет-
ся возможность измерения ускорения, учитывающего нелиней-
ность его изменения в реальном времени. При этом не требу-
ется дополнительного размещения на пути каких-либо датчи-
ков.
93
4.4. Синтез оптимальных горочных датчиков
параметров движения
При рассмотрении задачи синтеза под измерителями будем
понимать устройства, осуществляющие оптимальную или квази-
оптимальную фильтрацию параметров движения отцепа (ско-
рости v, ускорения а) в условиях воздействия флуктуационных
шумов. Критерием оптимальности синтезируемых алгоритмов
обработки будем считать минимум среднего квадрата ошибки.
Другие критерии рассматривать не будем. Метод синтеза рас-
сматриваемых датчиков базируется на теории нелинейной мар-
ковской фильтрации. В условиях, когда шумы в канале на-
блюдения n(t) гауссовские, теория построения алгоритмов об-
работки широко известна. Поэтому, чтобы не перегружать из-
ложение, вопросы теоретического содержания не рассматрива-
ются и промежуточные выкладки не приводятся. Основное вни-
мание уделяется структурам синтезируемых измерителей.
Рассмотрим в порядке усложнения два типа измерителей.
Первый предполагает, что наблюдается только один параметр
движения отцепа — скорость. Однако динамика движения отце-
па не задана.
Второй синтезируемый измеритель предназначен для фор-
мирования оценки не только скорости и, но и ускорения а. При
этом предполагается, и это соответствует действительности, что
уравнения, описывающие динамику движения реального отцепа,
могут быть определены. Наблюдения за движением отцепа, как
и в первом случае, ведутся с помощью доплеровского измери-
теля скорости. Причем если скорость отцепа измеряется с по-
мощью РИС, то ускорение—с помощью педалей на спускной
горке. Хотя такой способ оценки ускорения далеко не соверше-
нен, однако в совокупности с использованием РИС он может
дать существенное повышение точности измерения. Достигает-
ся это путем комплексирования первичных датчиков скорости
и ускорения, реализующих разные физические принципы изме-
рения (см. § 3.5).
Синтез оптимальных горочных измерителей скорости. Пусть
наблюдается реализация случайного процесса
y(t)=s(t)+n(t),
причем
№о
m[n(/)]=0; m[n(7i)«(/2)]=—-— 6(^2—G); №=const,
2
где №o/2 — спектральная плотность шумов наблюдения.
При этом полезный сигнал имеет вид:
s(t) = l/cos{wo [f— (2и/с) f]},
где U, «о — соответственно известные амплитуда и частота зондирующего
сигнала.
94
Скорость отцепа v будем считать случайной величиной с
известными средним значением <и>=иСр и дисперсией о20.
Синтез оптимальных измерителей рассматривается в книге [23].
Там же задачи синтеза рассматриваются с позиции реализации
алгоритмов построения датчиков. Воспользовавшись известными
соотношениями теории нелинейной марковской фильтрации [27],
приведем уравнения, описывающие структуру оптимального из-
мерительного датчика:
dv(t) * 2
-------= Vt = „ТГ"
№о
dt
2
с
Л Г (
•k(t)ty(t)sin ы01
t —
2
с
dk(t) 2 4 л Г / 2 л
——=/;('/_)=— Уо)2о—— k2(t)t2y(t)cos <»о /—---vt
at N2o с2 \ с
Первое уравнение описывает структуру канала формирова-
ния оценки скорости отцепа, представленную на рис. 4.15, где
УЭ— управляющий элемент. Как видно, оптимальный фильтр
для этого случая представляет собой параметрическую систему,
основу которой составляет система фазовой автоподстройки
частоты. С увеличением времени наблюдения коэффициент пе-
л
редачи усилителя K(t) = t/(N20cv) монотонно умень-
шается до нуля. Здесь |3 — постоянный коэффициент, a v —
коэффициент передачи умножителя. Напряжение на выходе ин-
тегратора определяет оценку измеряемого параметра v.
Второе уравнение характеризует точность измерения и опи-
сывает динамику изменения апостериорной дисперсии скорости.
Относительная погрешность скорости
бо(0 = [14-2?a%w2o4/3/(3c2)]-1 =Г(/)/а2у,
где q—U2/(2N2o)—отношение сигнал-помеха на входе фильтра;
_ л
k(t)—среднее значение k(t).
95
Зависимости 8v=f(t) |g=conSt для случая, когда 8а%(о2о/(3с2) =
= 1, представлены на рис. 4.16. Видно, что с увеличением ин-
тервала измерения t = T погрешность оценки скорости падает.
Заметим, однако, что в реальных условиях интервал измерения
Т не может быть выбран произвольно большим, поскольку он
определяется как длиной измерительного участка, так и сред-
ней скоростью отцепа <и> = цср, т. е. T=lay/v.
В результате задача обеспечения неизменной погрешности
измерения тесно связана с выбором интервала измерения, кото-
рый в свою очередь определяется величинами /Иу и V. Нетрудно
заметить, что для обеспечения заданной погрешности интер-
вал измерения должен выбираться из соотношения:
T=/Hy/<v>=[(S-4—1)3с7 (8?a2vco2o)]»'5
Используя полученные соотношения и зависимости, приве-
денные на рис. 4.16, можно обоснованно подойти к выбору ин-
тервала измерения Т при реализации универсального измери-
теля параметров движения.
Синтез измерителей скорости и ускорения при заданной ди-
намике движения отцепа. Динамика движения отцепа на изме-
рительном участке задается уравнениями:
Точка в данном случае означает дифференцирование по вре-
мени.
Для описания изменения скорости движения используют и
более известное уравнение [13]:
а=£ф-(№о+№д)]10--3,
где g'— ускорение свободного падения с учетом вращающихся масс от-
цепов;
I — уклон участка пути;
Ц70, №д — соответственно основное и дополнительное удельное сопротивле-
ние движению вагона.
Однако в уравнениях (4.22) предполагается, что а = 0. Пос-
леднее означает, что в пределах измерительного участка отцеп
движется с постоянной скоростью, т. е. изменения ускорения
нет. Вместе с тем, в многочисленных работах отмечается, что
а#=0. Поэтому при рассмотрении задачи синтеза дополним
уравнения (4.22) стохастическим дифференциальным уравнени-
ем вида
a(t)= — Qaa(t)+Qana(t),
где — постоянная, описывающая инерционные свойства вагона.
при этом m[na(t)]=0; m[na(ti)na(t2)] = N20a6 /2.
Предполагается, что в пределах измерительного участка ус-
корение изменяется некоторым случайным образом вблизи сво-
его среднего значения <а>. Опуская первое из уравнений
96
(4.22), которое не несет дополнительной информации, но уве-
личивает размерность задачи, получим окончательное уравне-
ние, описывающее динамику движения отцепа на измерительном
участке:
v(t) = at-, )
. (4.23)
a(t) = — Qaa(t)+Qana(t). J
Поскольку никаких дополнительных средств наблюдения
за изменением скорости отцепа, кроме скоростемера, не преду-
смотрено, уравнение наблюдения запишем в виде
y(t) = v(t) + nu(t), (4.24)
где v(t) — сигнал, пропорциональный скорости на выходе измерителя.
Ориентируясь на цифровую обработку сигналов в измери-
телях, перепишем уравнения (4.23) и (4.24) в дискретном вре-
мени:
Vh + l~V
Oh + l= (1—QaTo) Ол+ НаТоПаК',
Здесь Vh = v(th), а То—шаг дискретизации.
Воспользовавшись [23], для структуры каналов формирова-
Л л
ния оценок скорости ин и ускорения ан, представленной на
рис. 4.17, можно записать аналитические соотношения:
Л Л Л Л Л
Нл+1 = ил + 7о0л + ^п —Vh)‘,
Л Л Л
Ол + 1 = (1—ЯаТо)йл + ^21(</Л+1 — vh).
Матрицы апостериорных дисперсий ввиду их громоздкости
не приводятся. Видно, что измеритель Vh и ан является двух-
канальным, рекуррентным, с перекрестными обратными свя-
зями.
Синтез комплексированных измерителей. Идея комплексиро-
вания заключается в использовании датчиков измерения с раз-
личными принципами деист-
вия. Например, так как слу-
чайная ошибка радиотехниче-
ских датчиков характеризуется
широкополосным спектром, а
у педальных датчиков — низко-
частотным, то при их объеди-
нении можно использовать раз-
ницу в свойствах ошибок.
Рассмотрим построение по-
добных измерителей. Пусть ра-
диотехнический датчик, выпол-
Рис. 4.17
97
ненный на базе скоростемера РИС-В2, осуществляет наблюде-
ние за скоростью отцепа, так что уравнение наблюдения имеет
вид yih = Vh + nih- Кроме того, пусть в качестве дополнительного
датчика, выдающего информацию об ускорении отцепа, исполь-
зуются педальные датчики. Соответствующее уравнение наблю-
дения имеет вид
yih = Clh + Xah,
где Xah — ошибка наблюдения применяемого датчика.
Поскольку ошибки случайные, для их описания можно ис-
пользовать уравнение вида
Ха, л-н = (1—Ях7”о)х0/1+£2хГоп^/1;
причем m(nxh)=0, m(nxhnxk) = о2хдй*.
В результате объединения результирующая система уравне-
ний, описывающая динамику движения отцепа, будет иметь вид:
Vh+i = Vh~i-Toah',
ПЛ-Н = (1—QaT$tlah‘,
Ха, Л+1— (1—Qx7”o)Xah + Qx7’o/lxft,
(4.25)
а уравнение наблюдения:
г/1л = пл+«1л;
yih = Clh + Xah.
Применяя стандартные уравнения теории нелинейной фильт-
рации [23], можно найти структуру комплексированного изме-
рителя.
Упростить синтезированный измеритель можно, понижая
размерность вектора оцениваемых параметров. В этом случае
уравнения, эквивалентные уравнениям (4.25), можно записать
в виде:
Vft + i = Пл+ Toyzh—T^Xahy
Ха, Л+1 = (1‘—Ях?'о)Хал + йх7'оПхЛ.
Рис. 4.18
98
л
При этом r/ift = fft + nu; ah =
— У'2-h Xah-
В результате преобразова-
ний алгоритм обработки зна-
чительно упростится:
АЛЛ АЛ
+ 1 = ПЛ—ToXah-h Ty^h-V^x (yih—П/i) 1
Л АЛЛ
Ха, Л4-1 = (1—QxTo) Xah~i~ ^з(У1Ь—vh)‘,
Л Л
Oh + 1= УчЪ.—Xah.»
Структура двухканального
измерителя, соответствующая
последнему алгоритму, представлена на рис. 4.18. Наибольший
интерес представляет канал формирования ускорения, позволя-
ющий увязать между собой два разнотипных измерителя.
Таким образом, на базе радиотехнических датчиков скорос-
ти можно создавать оптимальные или квазиоптимальные изме-
рители параметров движения отцепов. В общем случае они бу-
дут многоканальными следящими на основе фазовой автопод-
стройки частоты. Наибольший интерес представляет возмож-
ность оценки ускорения отцепов на базе измерения скорости, а
также возможность создания комплексированных измерителей,
объединяющих в одну измерительную систему датчики, реали-
зующие различные принципы.
Создание датчиков, или измерителей, осуществляющих оцен-
ку ускорения движения отцепов, позволяет реализовать уточнен-
ную модель скатывания отцепа в пределах измерительного уча-
стка с учетом динамики ускорения.
4.5. Датчики длины подвижных единиц
В системах железнодорожной автоматики, в частности в си-
стемах автоматизации роспуска составов на сортировочных гор-
ках, вагоны и отцепы рассматриваются как распределенные
объекты. Информация о длине отцепов позволяет контролиро-
вать заполнение сортировочных путей и местоположение отце-
пов по мере их продвижения на спускной части горки.
На базе измерителей длины транспортных средств могут ре-
шаться задачи контроля освобождения участков пути, напри-
мер, в системах автоблокировки. Наконец, измеритель длины
транспортных средств может служить автономным средством
для контроля правильности функционирования датчиков скоро-
сти. Существуют и другие задачи автоматизации, в которых ин-
формация о длине транспортной единицы является весьма по-
лезной.
В эксплуатируемых системах АРС длина отцепов вычисля-
ется посредством меры длины одного условного четырехосного
вагона, которую принимают равной 15 м. Однако, учитывая
многообразие парка подвижного состава, эксплуатируемого на
сети железных дорог СССР, измерители длины, базирующиеся
на отмеченном принципе, характеризуются большой погрешно-
стью. Например, при измерении длины четырехосного цельно-
металлического вагона длиной 24,5 м погрешность превышает
38%, а при измерении длины восьмиосной цистерны для нефти
длиной 19,09 м погрешность более 60%.
Известен метод определения длины отцепов [13], базирую-
щийся на измерении времени проследования отцепа £ОТц длиной
1отц мимо регистрирующей точки с последующим пересчетом
/отц в известное число мер времени ta, связанное с мерой дли-
ны /м.
99
Для реализации этого метода на измерительном участке на
известном расстоянии /м друг от друга устанавливаются два
точечных путевых датчика (педали). Измеряя время прохода,
например, первой колесной пары, участка 1М, получают времен-
ную меру tM. Зная время прохода отцепом контрольного сече-
ния пути и предполагая, что движение отцепа на рассматрива-
емом интервале равномерно, находим длину отцепа: /0Тц~
—^М^отц/^М'
Недостатки приведенного метода очевидны. Длина отцепа
может быть выражена целым числом эталонных отрезков /м.
Движение отцепов на спускной части горки, как правило, уско-
ренное, а это не учитывается в приведенном алгоритме, что,
естественно ограничивает область возможного использования.
Более совершенным и лишенным указанных недостатков яв-
ляется метод, реализуемый датчиком измерения длины тран-
спортных средств, структурная схема и диаграмма работы кото-
о t0 7
СО 1 Z 3
t
Рис. 4.19
100
рого показаны на рис. 4.19. Диаграмма поясняет принцип ра-
боты датчика при использовании аналогового выхода скоросте-
мера.
Алгоритм измерения длины подвижных единиц следующий.
При движении транспортного средства по измерительному уча-
стку на выходе радиолокационного измерителя скорости, напри-
мер РИС-В2, формируется постоянное напряжение, пропорцио-
нальное скорости движения v. Интервал времени /о с момента
вступления ТС на измерительный участок и до проезда им не-
которого сечения пути в зоне действия скоростемера (напри-
мер, начала тормозной позиции) фиксируется, и определяется
величина, представляющая длину ТС: /0= f v(t)dt, или, перехо-
о
дя к дискретному представлению, /о = а/о/Тд, где а — постоян-
ный коэффициент, а Тл — период доплеровской частоты.
Временной интервал t0 может формироваться радиотехниче-
ским датчиком РТД. Для уменьшения погрешности измерения
длины вследствие замираний сигнала и для лучшего согласо-
вания скоростемера с датчиком используют делитель напряже-
ния ДН и преобразователь напряжения в частоту ПНЧ.
При использовании дискретного выхода РИС-В2 (ключ SA1
находится в положении 1) импульсная последовательность сиг-
налов доплеровской частоты поступает в схему преобразовате-
ля масштаба ПМ, являющегося делителем частоты. Счетные им-
пульсы с выхода ПМ подаются в схему совпадения СС, на вто-
рой вход которой подается сигнал логической единицы от РТД,
формирующего временной интервал счета t0. Эта импульсная
последовательность поступает в счетчик импульсов СЧ, дешиф-
ратор Д и цифровой индикатор И, на котором высвечивается
длина ТС в метрах.
При необходимости измерения длины подвижных единиц с
накоплением на определенном пути, например в задачах кон-
троля заполнения путей сортировочных горок, предусматрива-
ется схема определения направления движения СОНД. В этом
случае в зависимости от направления движения подвижных еди-
ниц в СОНД с помощью РТД формируется сигнал управления
реверсивным счетчиком СЧ. При вытяжке отцепов с сортиро-
вочного пути на индикаторе по мере продвижения отцепов бу-
дет индицироваться суммарная длина оставшейся части отце-
пов, проследовавших на сортировочный путь.
При использовании аналогсвого выхода скоростемера его
выходной сигнал подается на постоянный делитель напряжения
Rl, R2 (рис. 4.20) и далее на вход преобразователя напряже-
ния в частоту (DAI, DA2). Последовательность импульсов из
ПНЧ поступает в схему преобразователя масштаба (DD1,
DD5.1, DD5.2, DD6, DD7), на выходе которого формируется им-
пульсная последовательность, поступающая в схему сравнения
101
Рис. 4 20
(DD8.1, DD8.2). Коэффициент преобразования ПМ составляет
20 импульсов на 1 м длины ТС.
Формирование временного интервала измерения to и опреде-
ление направления движения осуществляются схемой, выпол-
ненной на DD2.1, DD2 3, DD2.4, DD3.1, DD3.2, DD4.1, DD8.1 и
DD8.2.
Описанный датчик длины ТС может использоваться на сор-
тировочных горках для решения задач контроля заполнения пу-
тей подгорочного парка и контроля правильности расцепа ва-
гонов (по длине отцепов). Датчик может служить альтернати-
вой резервной системе автоблокировки на датчиках счета осей.
4.6. Точечный датчик обмена информацией
При создании автоматизированных систем управления дви-
жением транспортных объектов возникает задача считывания
или обмена информацией между подвижным объектом и стаци-
онарным пунктом в некоторой локальной пространственной об-
102
ласти. Так, при построении системы автоматического сбора пер-
вичной информации о передвижении грузов по сети железных
дорог при создании автоматизированной системы управления
движением поездов метрополитена (АСУ ДПМ) возникает за-
дача обмена информацией между бортом подвижной транспорт-
ной единицы и напольным устройством. Хотя с научной точки
зрения эта проблема не является сложной, тем не менее на же-
лезнодорожном транспорте условия эксплуатации оказываются
настолько сложными, что многие простые технические решения
не удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Обмен оперативной информацией между подвижным объек-
том и наземным пунктом может быть дуплексным или симплек-
сным.
Рассмотрим особенности построения и функционирования то-
чечных датчиков обмена информацией. Поскольку в их состав
входят по два передатчика и приемника, такие датчики могут
рассматриваться как простейшая радиолиния малого радиуса
действия. Структурная схема дуплексной радиолинии ближнего
действия, предназначенной для передачи дискретной информа-
ции, например, путем амплитудной модуляции СВЧ-сигиала,
показана на рис. 4.21. Такие линии находят применение в си-
стемах точечной коррекции систем автоматического управления
движением поездов, обмена информацией на станциях при ос-
тановке поездов метрополитена. Использование СВЧ-диапазона
позволяет организовать практически «закрытый» от воздействия
внешних помех канал связи, реализовать его высокую пропуск-
ную способность.
В комплект оборудования входят мобильный и стационарный
полукомплекты, включающие в себя на передающей стороне
модуляторы Ml и М2, генератор низкой частоты ГНЧ и генера-
тор сверхвысокочастотного сигнала ГСВЧ, а на приемной — сог-
ласующее устройство СУ, усилитель-ограничитель У О и детек-
тор Д.
Работа линии осуществляется в такой последовательности.
С аппаратуры передачи данных АПД, находящейся на борту
ТС, на модулятор М передатчика поступает, начиная с некото-
Рис. 4.21
103
рого момента времени, контрольная
дискретная последовательность. Моду-
лированный СВЧ-сигнал излучается /
антенной в сторону предполагаемого
места установки стационарного полу- ь
комплекта. Учитывая небольшую даль- 4
ность действия, приемник радиолинии
строится по схеме прямого усиления.____;
Напольное приемное устройство осу-
ществляет обнаружение контрольной
последовательности, что означает вхо- Рис 422
ждение в связь, после чего включает-
ся передатчик стационарного комплекта. Аналогичным образом
осуществляется вхождение в связь приемника мобильного ком-
плекта.
Для устранения взаимных влияний наиболее эффективен
разнос по поляризации каналов дуплексной радиолинии. Син-
хронизация передаваемых дискретных последовательностей осу-
ществляется с помощью систем тактовой и цикловой синхрони-
заций, входящих в состав АПД. Для обеспечения высокой по-
мехоустойчивости могут использоваться и более сложные виды
модуляции.
Важной характеристикой датчиков обмена информацией яв-
ляется зона радиовидимости. Под зоной радиовидимости /р по-
нимают протяженность пространственной области, в которой
возможен обмен информацией между напольным’ и бортовым
комплектами. Зона радиовидимости определяется направлен-
ностью антенны 0, а также дальностью Ro (рис. 4.22). Если ТС
движется вдоль линии, перпендикулярной направлению излуче-
ния, /p = 2/?otg(0/2). Так, на рис. 4.23 представлена зависимость
зоны радиовидимости ZP в горизонтальной плоскости для пира-
мидальной рупорной антенны с характеристиками: длина Re =
= 5Х; размер выходного сечения Ьр = 8 см; 2(рОе = 5°—от Ro.
Зная 1Р, несложно рассчитать время обмена информацией / =
— Ipfv. Зависимости времени обмена от скорости движения ТС
и удаленности Ro представлены на рис. 4.24.
Так, например, при /Р = 2 м и и = 27,7 м/с (100 км/ч) получа-
ем, что / = 7,2-102 с. При использовании АПД со скоростью
передачи 9600 Бод это соответствует передаче в одном направ-
лении 600 байт информации.
Таким образом, в радиолиниях указанного вида объем пере-
даваемой информации и время передачи ограничены. Они мо-
гут быть увеличены либо путем повышения скорости переда-
чи, либо путем увеличения зоны радиовидимости /Р.
Простейший алгоритм обнаружения факта вхождения в
связь имеет следующий вид. Пусть на вход порогового устрой-
ства (ПУ) поступает последовательность из М отсчетов ut на-
пряжения u(t), которое представляет собой случайный процесс
104
Рис. 4.23
N сравнивается с порогом k0. Если
на выходе блока предва-
рительной обработки сме-
си сигнала и шума y(t) =
= s(t) + n(f) или только
шума y(t)=n(t). Счет-
чик, включенный на вы-
ходе ПУ, суммирует чис-
ло отсчетов (N), превы-
сивших пороговое значе-
ние ипор (за М отсчетов),
а решающее устройство
(РУ) выносит решение
о наличии или отсутствии
сигнала. С этой целью
результат суммирования
то выносится решение о наличии сигнала. Если N<Ck0,
выносится решение об отсутствии сигнала.
Положим, что все отсчеты щ взаимно независимы, а вероят-
ность ложной тревоги при принятии решения по одному отсче-
ту полагается одинаковой во всех отсчетах и обозначается 1—р.
Тогда вероятность ложной тревоги РЛт на выходе описанного
обнаружителя определяется биноминальным законом распреде-
ления числа N при отсутствии сигнала в отсчетах «,•:
Рис. 4.24
7—1033
105
Рл^С1м(1-рУр“-1,
l = ko
где Cl№ — число сочетаний.
Предположим, что вероятности превышения порогового уров-
ня ипОр в отсчетах равны между собой и обозначаются р, тог-
да вероятность правильного обнаружения
/’no=2C'W(l— р)м~1-
l=k0
Заметим, что вклад в величину каждого отсчета и,, обус-
ловленный - присутствием сигнала, в общем случае различен,
поскольку сигнал может присутствовать в произвольном числе
отсчетов Мс, необязательно равном М, т. е. МС^М. Кроме то-
го, уровень сигнала из-за замираний может изменяться во вре-
мени. Общие формулы, позволяющие рассчитать Рп0 и Рлт, в
этом случае существенно усложняются и пригодны лишь для
расчетов на ЭВМ.
Будем характеризовать помехоустойчивость радиолинии ве-
роятностью ошибки при передаче элемента сигнала Рош- При
использовании в радиолинии амплитудной модуляции при неко-
герентном приеме
Pom(qc)= 0,5ехр (—0,5?2с|АР|), (4.26)
где |АР| —модуль множителя ослабления, характеризующего реальные усло-
вия распространения электромагнитных волн на участке радио-
линии.
В выражении (4.26)
где Ре — мощность элемента сигнала длительностью Т-
При малой дальности ослаблением сигнала на участке рас-
пространения можно пренебречь. Определяющее воздействие на
помехоустойчивость радиолинии оказывают замирания сигна-
лов, возникающие в результате интерференции прямого епр и
отраженного от подстилающей поверхности еОтР полей в прием-
ной апертуре (рис. 4.25). Определим множитель ослабления
ДР.
Суммарная напряженность поля в месте приема
=еВр + еОтр!='(3|0РiTjiGi)0,5/7пер (я) Fnp (р) ехр (—
+ ||Ф(х, у) |[(30PiT]iG1)0.5/r2]Fnep[a+Aa(x, y)]Fnp[p + Д0(х, t/)]X
Хехр{—ДОг2+₽ф(х, y)]}dS(x, у). (4.27)
Здесь Pi, T)i, Gi—соответственно мощность излучения, к. п. д.
и коэффициент усиления антенно-фидерного тракта передаю-
щей антенны; FneP(a), Fnp(p)— характеристики направленности
передающей и приемной антенн соответственно; |Ф(х, у)|,
|Зф(х ,у) —модуль и фаза коэффициента отражения, учитываю-
щего уменьшение амплитуды и изменение фазы при отражении
106
Рис. 4.25
электромагнитных волн от подстилающей поверхности: (х, у) —
координаты текущей точки подстилающей поверхности D(x, у),
формирующей отраженную волну; а —угол между направлени-
ем максимального излучения и направлением на центр прием-
ной апертуры; р— угол между максимумом диаграммы направ-
ленности приемной антенны и направлением на передающую
антенну; Г[ = АВ, r2 = AC + СВ.
Считая, что гг'агг-^г', преобразуем формулу (4.27) к
виду
Cj — всв[^пер(ct)Fnp(Р) +Л(сс, Act, р, Др)]. (4.28)
Напряженность поля в месте приема при распространении в
свободном пространстве:
еСв= (ЗОР1Т] iG]) °’5ехр (—
Л (а, Да, р, ДР) = J Fnep[a+Aa(x, ^)]Fnp[P +
+ ДР(х, 1/)]|Ф(х, у) |ехр{—ДОДг(х, 1/) + Рф(х, t/)]}ds(x, у}.
В формуле (4.28) выражение в квадратных скобках пред-
ставляет собой множитель ослабления, характеризующий ин-
терференцию прямой и отраженной волн, т. е. =eCBAp.
Для практических приложений интерес представляет модуль
множителя ослабления
|AP|={F2(a, P)+F2(a, Да, 8, др) |Ф2(х, у) | +
+ 2F(a, ₽)F(a, Да, 8. ДР) |Ф(х, у) |cos<p}0-5.
7* 107
Здесь F2(a, 0) — F пер (a)Fnp(P); F2(a, Да, p, Др) — Fпер (a4-
+Да)РпР(р + Др); <р=£Дг+Рф. Сделав следующие обозначения:
a = F(a, р), b — F(a, Да, р, Др) [Ф(х, у) |, преобразуем выражение
(4.26) к виду
Р«ш= (<?с\а, Ь, <р) = 0,5ехр[—0,5<72с (a2 + &2+2o&cos<p)J.
Предположим, что фаза ф распределена равномерно:
, ( 1/(2я) при сре[—л, л]
<реа>(ф) =
( 0 при —л, л].
С учетом этого вероятность ошибки
ТС
Рош(Яе\а, b)= J /’ош(<7с|а, b, <p)® (<p)</<p=/0(a, b, <?2е) X
Хехр[—0,5<?2с (а2+Ь2)]/(4л). (4.29)
Первый сомножитель выражения (4.29) определяет
случайный характер огибающей отраженного от под-
стилающей поверхности сигнала. Поскольку D(x, у) может рас-
сматриваться как протяженная поверхность, то относительно
ПРВ w(b) можно считать справедливыми те же предположе-
ния, что и для протяженных целей, рассмотренные в [23].
Интерес представляют две модели отражений: со стабиль-
ной «блестящей» точкой и с большим числом равноценных то-
чек отражения. В первом случае
w (Ь) = (&/<Л) ехр[—(&2+а2) / (2о2ь) ]Л> (б a*/o2fc), (4.30)
где а2ь — дисперсия коэффициента b отраженного от поверхности D(x, у)
сигнала;
а» — величина, характеризующая среднее значение коэффициента b
Во втором случае при большом числе равноценных точек от-
ражения
w (Ь) =2ттЬ2т-1/(Г(т)о2тг,)ехр (—тЬ2/о2ь). (4.31)
Плотность распределения вероятности, отписываемая выра-
жением (4.31) и называемая также распределением Накагами,
является достаточно универсальной. При т= \ выражение (4.31)
переходит в релеевское распределение, при т>1 его можно
использовать для аппроксимации обобщенного релеевского рас-
пределения.
Подставив выражение (4.30) в формулу (4.29) и произведя
усреднение по параметру Ь, найдем
РОш=" j Рош(?с|а, b)w(b)db = 10[(аь, а, ус)/(а2ь?2с + l)]a2»X
X exp {—Q/[2« (a2*?20 + 1 )2]}.
108
При этом
Q=0,5 (Л<?2с +1) -2[увса2а4ь +
4- <?4сО2Д2а2+ Л) +?2с (2а2а4ь + а2 +
+ 2а2ь) + а6(2 + оь~2)].
Во втором случае, когда
w(b) описывается распределе-
нием Накагами [см. формулу
(4.31)], можно показать, что
Рош = /птехр(—а2<?2с/2) X
1, -0^/(4%)]
, I 4.OZ)
4ла2"*бХт
где iFJa, р, у) —вырожденная ги-
пергеометрическая функция.
В выражении (4.32)
В случае т—\, т. е когда
w(b) вырождается в релеев-
ское распределение, справед-
ливо равенство
,Fi[l, 1, —a2<?4c/(4y)]=
= ехр[—a2y4c/(4x)]
Выражение (4.32) упрощается, принимая вид
( а2о2с Г 11 /
Рош = ехр|--------1 1+ <?2с/(2х) В/ (4ло2/,х).
Для этого случая зависимости вероятности ошибки при пе-
редаче элементарного символа от соотношения сигнал — помеха
приведены на рис. 4.26. Эти зависимости подтверждают экспе-
риментально проверенный на линиях Московского метрополи-
тена факт, что уже при соотношениях сигнал—помеха qc>5
достоверность датчика обмена информацией очень высока. Так,
при Пь=1,0; <т2ь= 1,0 и qc=5 вероятность ошибки Рош^Ю-10.
4.7. Датчик фиксации проезда контрольной точки пути
Для определения точного местоположения подвижной еди-
ницы (локомотива, вагонной секции), движущейся со скоростью
v, необходимо фиксировать контрольную точку пути (КТП).
Для решения поставленной задачи может быть использован
радиотехнический датчик, реализующий радиолокационные
принципы. Точечные радиотехнические датчики фиксации кон-
трольной точки пути (ДФК.ТП) в зависимости от места уста-
новки приемника и передатчика могут быть напольными, мо-
бильными и комбинированными. Для получения информаций о
проезде КТП на подвижной единице целесообразно использо-
109
вать мобильный или комбинированный вариант построения дат-
чика [10], [20].
Рассмотрим комбинированный вариант построения ДФКТП.
В этом случае на подвижной транспортной единице, которой
может служить головная электросекция поезда метрополитена,
устанавливается приемная антенна с устройством обработки и
выдачи исполнительной команды. Передающая антенна
ДФКТП устанавливается стационарно в контрольной точке пу-
ти на одном уровне с приемной антенной. Передатчиком излу-
чается СВЧ-колебание, модулированное низкочастотным сигна-
лом. Проезд контрольной точки пути фиксируется приемником
ДФКТП, который воспринимает СВЧ-сигнал, излучаемый пере-
дающей антенной.
Одной из главных характеристик ДФКТП является погреш-
ность фиксации контрольной точки пути. Погрешность фикса-
ции КТП определяется, с одной стороны, построением приемно-
передающей части схемы ДФКТП, а с другой — используемым
принципом регистрации КТП.
Определим погрешность фиксации КТП, вызванную колеба-
ниями ТС в продольной и поперечной плоскостях движения. Пе-
редающая антенна устанавливается неподвижно в месте фикса-
ции КТП, а приемная антенна — на соответствующей высоте на
ТС.
Основные погрешности при точной фиксации путевой отмет-
ки связаны с механическими колебаниями антенны приемника
при поперечных перемещениях (колебаниях) экипажа, вызван-
ных боковым относом и боковой качкой, и при перемещениях в
горизонтальной плоскости, вызванных виляниями. Ввиду кону-
сообразности диаграмм направленности ДФКТП указанные ме-
ханические колебания могут привести к появлению погрешно-
сти фиксации. Исходя из требований к погрешности определе-
ния местоположения подвижной единицы и фактического ее зна-
чения могут быть сформулированы требования к антенно-вол-
новодному тракту датчика в соответствующей плоскости. Ука-
занную погрешность в дальнейшем будем называть механи-
ческой.
Помимо механической погрешности, в ДФКТП может воз-
никать погрешность, связанная с пороговым явлением в при-
емнике. При перемещении приемной антенны в горизонтальной
плоскости раскрыв приемной антенны постепенно попадает в
поле передающей антенны, и при определенной площади пере-
крытия передающей и приемной антенн срабатывает пороговое
устройство приемника. Это происходит, когда мощность элек-
тромагнитных колебаний, поступающих в приемник от передат-
чика Рпрм, превышает некоторое пороговое значение РПор-
Вместе с тем, поскольку РПрм зависит от расстояния до пе-
редающей антенны R, а оно меняется из-за механических ко-
лебаний экипажа, могут возникнуть специфические погрешнос-
110
ти. В дальнейшем будем называть их погрешностями порогово-
го эффекта приемника. Таким образом, при функционировании
точечных датчиков возникают погрешности, вызванные механи-
ческими колебаниями экипажа, и погрешности, вызванные по-
роговым эффектом приемника датчика.
Оценим погрешности, вызванные механическими колебания-
ми подвижной единицы. В процессе движения вагон подвержен
собственным и вынужденным колебаниям бокового относа, бо-
ковой качки и виляния [9]. Смещения приемной антенны (точ-
ка ак) (рис. 4.27, а) в поперечной плоскости вызваны боковым
относом и боковой качкой:
Уок=у+М).
В последнем выражении
У^ , , -
У^~2—cos(coB/—т);
2шв(х2—Ш2в)
9а/
0=-7—777 cos(coBf—т),
2сОв(Л2—Ш2в)
где г/а, 0а, Т — вспомогательные параметры, приведенные в [9];
сов — частота колебаний виляния.
В горизонтальной плоскости перемещения, вызванные виля-
нием (рис. 4.27,6), определяются из соотношения
у ,=14,
где — параметр, который вычисляется при шв, равной резонансной часто-
те внляний
Значения параметров уа, 0а, г, Т определяются тактико-тех-
ническими данными вагона, на котором установлена приемная
антенна датчика. Ввиду громоздкости вычислений величины
Уок и ув здесь не приводятся. Однако можно пояснить влияние
указанных перемещений вагона на точность фиксации его мес-
тоположения, задаваясь шириной диаграммы направленности
антенн измерителя и варьируя величину суммарных перемеще-
ний &у=уок + ув.
Рнс. 4.27
111
Определим механическую погрешность (рис. 4.28,а):
Aytg(0/2), (4 33)
На рис. 4.28,6 представлены результаты определения пог-
решности по формуле (4.33). Так, при ширине диаграммы на-
правленности на уровне 0,5 по мощности 0=10° и Ду=0,1 м
погрешность 6мех<1 см.
Обратимся к погрешностям, вызванным пороговым эффек-
том. Для этого определим мощность сигнала на выходе прием-
ной антенны. Непосредственное применение известного выра-
жения, определяющего энергетический расчет радиолинии, не
представляется возможным, поскольку не учитывает особенно-
стей работы в ближней зоне излучения. Как известно, важней-
шей характеристикой антенн СВЧ-диапазона является коэффи-
циент направленного действия Doo. Зная функции амплитудного
распределения поля в плоскости апертуры, для дальней зоны
излучения антенны значение Dx может быть легко определено.
Так, для широко используемых пирамидальных рупорных ан-
тенн с линейно-поляризованными синфазными прямоугольными
апертурами коэффициент направленного действия
Doo = (4л5д/А<2) Аисп,
где 5Д — действующая площадь антенны;
йисп — коэффициент использования площади апертуры, определяемый фун-
кцией амплитудного распределения поля вдоль соответствующих
сторон апертуры.
Поскольку в случае ДФКТП ближняя граница дальней зоны
излучения по осевому полю /?од определяется наибольшими раз-
мерами апертур приемной Ттахпр и передающей ТтаХпеР антенн,
ТО /?д = 2(ТтаХпер + ТтаХпр)2М. ДЛЯ СЛуЧИЯ, КОГДа К = 0,03 M,
Рис. 4.28
112
^max np = Z-max пер = 0,2 м, получаем = 1,06 м. Таким образом,
при Яо<1 м необходимо принимать во внимание особенности
формирования поля в ближней зоне излучения, названной зо-
ной Френеля. Так, для случая прямоугольной синфазной апер-
туры в зоне Френеля значение КНД изменяется и принимает
вид [23]
D(R) = £)„оВгВв = 4л5д/гиспВгВвД2,
где Вг, Вв — коэффициенты, определяемые распределением поля соответст-
венно в горизонтальном н вертикальном направлениях раскры-
ва апертуры, а также удаленностью точки наблюдения от рас-
крыва антенны
Для простоты будем считать, что Вг=Вв = Д тогда D(R) =
= 4л$д6„СпВ2Д2.
Расчет коэффициентов Вг, Вв сложен и громоздок, поэтому
на практике пользуются графическими зависимостями. Так, на
рис. 4.29 представлена зависимость коэффициента В от приве-
денного расстояния X в случае, когда распределение поля в
раскрыве антенны имеет вид f(g) =cos(ng)/L, где —L/2s=:g<C
^L/2—текущая точка на раскрыве антенны.
На основании изложенного запишем:
1
Впрм==Впер5д перВд прмЦперЦпрм В2прм В2перАисп пер&исп прм,
/-К20
где Впер — мощность передатчика;
Впер, т]прм — к. п. д. антенно-волноводного тракта соответственно пе-
редатчика и приемника;
5Д пер, Вд прм — действующие площади передающей и приемной антенн
соответственно;
Аисппер, &исп прм — коэффициенты использования передающей и приемной ан-
тенн соответственно.
Будем считать коэффициент использования, зависящий от
характера распределения амплитуды и фазы тока в раскрыве
антенны и определяющий отличие действующей площади антен-
ны от геометрической площади раскрыва антенны Sa, равным
1, Т. е. 5д пер&и сп пер — пер j прм^исп прм — >Sa прм. Последнее спра-
ведливо для плоскостных антенн с равномерным распределением
тока. В результате для пирамидальных рупорных антенн с пря-
моугольным раскрывом Sanep = ba, где Ь, а — соответственно
вертикальный и горизонтальный размеры раскрыва.
Срабатывание решающего устройства приемника ДФКТП
произойдет, когда Рпрм^Рпор, т. е. когда площадь перекрытия
раскрыва приемной антенны с диаграммой направленности пе-
редающей, в которой сосредоточена вся электромагнитная энер-
гия,
Sa прм min — Р nopAAR2o/ (Р nepS аперТ|перТ|прм52пер^2прм).
Поскольку в процессе движения в вертикальной плоскости
антенна сразу попадает в область действия передающей антен-
113
Рис. 4.29
изменяется. Это приводит к тому,
стояния /?0 от передающей антенны
ны, а в горизонтальной
плоскости — постепенно
по мере движения, как
это показано на рис. 4.30,
минимальный горизон-
тальный размер раскры-
ва приемной антенны,
при котором произойдет
срабатывание приемного
устройства,
— Р,.pJW(Pпер*$а перХ
Х'Ппер'ПпрмВ2перВ2прмЬ) .
При механических ко-
лебаниях экипажа уда-
ленность антенны прием-
ника от передатчика из-
меняется, т. е. 7?o = var, в
результате AXmJn также
что при увеличении рас-
плотность потока элек-
тромагнитной энергии уменьшается и для обеспечения сра-
батывания приемного устройства надо увеличить размеры
антенны. Но b = const, следовательно, увеличиться должен
только поперечный размер антенны, т. е. АХ увеличивается
(рис. 4.31). И наоборот, по мере уменьшения Ro уменьшается и
АХ. Считая, что Ro изменяется на величину Ау, можно записать:
ДГ = РпорХ2«21/(Рпер5 а не рТ| пер*ПпрмВ2перР2прмЬ),
где Pi = Po+A</.
Тогда относительная погрешность фиксации КТП
AXmln—ДХ*
Оп о р = ~
Р21
D„ —1; Phom — Ro-
А ком
Отсюда видно, что уменьшение погрешности фиксации КТП
приводит к необходимости увеличения RnoM, что не всегда воз-
можно, так как место установки передающей напольной антен-
ны, как правило, определяется габаритами приближения. Осо-
бо следует отметить, что если Ro увеличивается, то за счет ме-
ханических погрешностей устройство срабатывает раньше, чем
при Ro = Rhom, в то время как за счет эффекта порога оно будет
срабатывать позже. И наоборот, если Ro уменьшается, то за
счет механических погрешностей контрольная точка пути будет
зафиксирована приемником позже, в то время как за счет поро-
гового эффекта это время будет уменьшаться.
Таким образом, можно считать, что погрешность фиксации
контрольной точки пути определена пороговыми свойствами и
механическими колебаниями подвижной единицы, по характеру
являющейся компенсирующей 6s = 6Мех'—6Пор.
114
Рис. 4.30
Оценим ориентировочно погрешность фиксации КТП за счет
горизонтальных перемещений транспортного средства. Приняв
размеры выходного сечения рупорной антенны а = & = 12 см;
длину волны излучаемого сигнала Л = 3 см; т]Пер = г]прм = 0,9;
7?ном = 1,5 м; Рпор = 0,01 Рпер, находим: Sa
= 1,4 см. При отклонении под-
вижной единицы относительно
/?ном на ±0,25 м, т. е. даже при
амплитуде механических колеба-
ний вагона 0,5 м, абсолютная по-
грешность фиксации КТП соста-
вит 0,5 см. При исходном мини-
мальном расстоянии между ан-
теннами /?о = 1 м абсолютная по-
грешность фиксации КТП состав-
ляет 0,78 см.
Таким образом, можно сде-
лать следующие выводы. Опреде-
ляющими в работе точечных дат-
чиков фиксации путевой отмет-
ки являются погрешности из-за
механических колебаний бмех* По-
грешности за счет пороговых яв-
лений бпор на порядок меньше
механических погрешностей. По-
грешности за счет порога и ме-
ханических колебаний являются
взаимно компенсирующими. Для
увеличения компенсирующего
пер—144 CM2, a AXmIn =
Рис. 4.31
Рис 4 32
действия можно уменьшать пороговую чувствительность при-
емника (поднимать порог срабатывания).
Практическая реализация ДФКТП поясняется структурной
схемой, представленной на рис 4 32. Устройство позволяет осу-
ществить коррекцию программного торможения поездов метро-
политена в системах прицельного торможения
Антенны WAI, WA2, подключенные к передающему модулю
Прд и излучающие модулированный сигнал, устанавливаются
на пути или на стенах тоннеля метрополитена в контрольных
точках.
На локомотиве размещается приемное локомотивное устрой-
ство ЛУ с антенной WA3. Локомотивное устройство включает
в себя приемник Прм, подключенный к счетчику импульсов СИ,
регистр сдвига РС, блок регистрации сигнала передатчика БР,
исполнительный элемент ИЭ, узел формирования сигнала проез-
да контрольной точки пути УФ и блок счисления пройденного
пути БСП.
В контрольных точках пути устанавливаются унифицирован-
ные передающие модули Прд радиотехнических датчиков, из-
лучающие радиоимпульсные сигналы на сверхвысокой частоте.
При проследовании локомотивом первой по ходу передаю-
щей антенны WA1 в приемную антенну WA3 попадает излуча-
емый передатчиком сигнал, который воспринимается приемни-
ком унифицированного модуля радиотехнического датчика Прм.
Остальная часть блока обработки сигналов ДФКТП имеет су-
щественные отличия от схем обработки РТД и изготовляется в
виде отдельной платы.
Сигнал с выхода Прм поступает на счетчик импульсов, ко-
торый считает установленное число импульсов за время на-
хождения приемной антенны WA3 в зоне радиовидимости пе-
116
редающей антенны WA1. Количество счетных импульсов вы-
бирается из условия обеспечения заданной помехоустойчивос-
ти датчика и, как показали эксплуатационные испытания, не
превышает 100. После принятия заданного числа импульсов
счетчик выдает импульс в регистр сдвига, после чего он готов
к приему второй серии импульсов от передающей антенны
WA2 в следующей контрольной точке пути.
Записанный в PC импульс транслируется с одного выхода в
блок регистрации, где фиксируется момент появления первого
импульса и формируется начало временного интервала счета,
что свидетельствует о проезде первой контрольной точки пути.
Одновременно этот импульс поступает на один вход блока счис-
ления пройденного пути и разрешает подачу тактовых импуль-
сов с БСП в блок регистрации.
При проезде второй контрольной точки пути (WA2) в PC
записывается второй импульс с выхода счетчика и на втором
выходе регистра сдвига формируется импульс, который регист-
рируется в БР как проезд второй контрольной точки пути. Од-
новременно этот импульс формирует команду запрета в блок
БСП, воспринимающего ее как окончание посылки счетных им-
пульсов в блок регистрации. При этом на выходе блока реги-
страции формируется сигнал, подаваемый в устройство фикса-
ции проезда второй КТП, которое в свою очередь формирует
сигнал сброса счетчика СИ и регистра PC для приведения их
в исходное состояние.
В блоке регистрации осуществляется сравнение фактически
пройденного пути между соседними КТП и расстояния, задан-
ного программой движения поезда, и вырабатывается сигнал
ошибок в виде временного импульса, длительность которого
пропорциональна разности измеренного и фактического рассто-
яний. Этот импульс поступает на исполнительный элемент ИЭ,
управляющий режимом движения поезда метрополитена. Ис-
полнительный элемент корректирует движение поезда на ин-
тервале до предстоящей точки предельного торможения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ар катов В. С. и др. Рельсовые цепи магистральных железных до-
рог: Справочник. М : Транспорт, 1982. 358 с.
2.____Аркатов В. С. и др. Улучшение использования сортировочных пу-
тей при автоматизации роспуска//Железнодорожный транспорт. 1983. № 11.
С 20 23.
3. А. с. 839800 СССР, МКИ3 В 61L17/00. Устройство контроля занято-
сти стрелочных участков сортировочных горок/В. В. Григорин-Рябов,
В. И. Шелухнн, О. И. Шелухин.
4. Бартель А. В. Путевой датчик счета осей системы ГАЦ (АСУ МД)//
Автоматизация управления маршрутами движения на сортировочных гор-
ках: Сб. науч. тр./ВНИИЖТ. М.: Транспорт, 1984. 117 с.
5. Б о р о в к о в Ю. Г. Оценка влияния ходовых свойств отцепа и про-
филя пути на качество прицельного регулнровання//Тр. ВНИИДСТа. М., 1982.
Вып. 661. С. 23—35.
117
6. Бухгольц В. П. и др. Путевые датчики контроля подвижного со-
става на рельсовом транспорте. М.: Транспорт, 1976. 95 с.
7. В а в а н о в Ю. В. Радиолокационный метод измерения ускорения
движения отцепов на сортировочной горке//Автоматнка, телемеханика и
связь. 1964. № 10. С. 8—11.
8. В е р и г о А. М. и др. Радиолокационный измеритель скорости дви-
жения вагоиов//Автоматика, телемеханика и связь. 1983. № 3. С. 7—9.
9. Вершинский С. В. и др. Динамика вагона. М.: Транспорт, 1978.
352 с.
10. Г р и г о р и н-Р я бо в В. В. и др. Радиотехнические железнодорож-
ные устройства М : Транспорт, 1986. 160 с.
11. Иванченко В. Н. Микропроцессорные информационно-управляю-
щие системы автоматизации сортировочных процессов. Ростов-на-Дону:
РИИЖТ, 1984. 96 с.
12. Лисенков В. М. Теория автоматических систем интервального ре-
гулирования. М.: Транспорт, 1987. 150 с.
13. Модин Н. К. Механизация и автоматизация станционных процессов.
М.: Транспорт, 1985. 275 с.
14. П а в л о в с к и й А. И. О погрешностях оценки ходовых свойств от-
цепов на измерительном участке//Механнзацня н автоматизация сортировоч-
ного процесса на станциях. Днепропетровск- ДИИТ, 1981 С. 61—68
15. Рудановский В. М. Сравнение погрешностей систем АРС//Вест-
ник ВНИИЖТ. 1979. № 1. С. 57—60.
16. Шафит Е. М. Динамика двухпозиционного регулирования скоро-
сти отцепов в системах АРС//С6. науч. тр./ДИИТ, 1970. Вып. 297. С. 4—12.
17. Шел у хи и В. И. Датчик контроля стрелочных участков//Автомати-
ка, телемеханика и связь. 1985. № 6. С. 25—27.
18. Шел у хи и В. И. Измерение ускорения железнодорожных транспорт-
ных средств//Автоматика, телемеханика и связь. 1987. № 1. С. 13—15.
19. Шел у хин В. И. и др. Опыт эксплуатации радиолокационного из-
мерителя скорости движения отцепов РИС-В2 М, 1986. С. 1 — 14 (Автома-
тика н связь. Экспресс-информация ЦНИИТЭИ МПС; Вып. 5).
20. Шел у хин В. И. Фиксация проезда на подвижной единице кон-
трольной точки путн//Технологическая проводная и радиосвязь на железно-
дорожном транспорте: Межвуз. сб./МИИТ. 1983. Вып. 731. С. 87—90.
21. Шел у хин В. И., Щербаков Е. В. Датчики защиты от перевода
стрелок под вагонами//Автоматика, телемеханика и связь. 1985. № 3.
С. 13—16.
22. Ш е л у х и и О. И. Оценка параметров движения в зоне Френеля//
Известия вузов СССР. Радиофизика, 1982. Т. 25. № 7. С. 849—852.
23. Ш е л у х и н О. И. Радноснстемы ближнего действия. М.: Радио и
связь, 1989 . 238 с.
24. Ш е л у х и и О. И. Статистические характеристики сигналов, отра-
женных от протяженных объектов в ближней радиолокации//Известия вузов
СССР. Радиофизика, 1981. Т. 24. № 3. С. 391, 392.
25. Ш т а и к е А. Э. Применение датчика ДП50-80 и преобразователя
сигнала ПСДП50-81 для контроля занятости горочных стрелок//Автоматика,
телемеханика и связь. 1981. № 7. С. 3—6.
26. Ш е р б а к о в Е. В. и др. Опыт эксплуатации путевых датчиков на
механизированных сортировочных горках. М., 1982. С. 21—25 (Автоматика и
связь. Экспресс-информация ЦНИИТЭИ МПС, Вып. 1).
27. Ярлыков М. С. Применение марковской теории нелинейной филь-
трации в радиотехнике. М : Сов. радио, 1980, 360 с.
ОГЛАВЛ ЕНИЕ
Глава 1.
Критерии эффективности
информационно-измерительных датчиков
1.1. Общие сведения......................................3
1.2. Инерционность датчиков обнаружения ... 4
1.3. Вероятности пропуска и ложной фиксации транспорт-
ных средств . 6
1.4. Вероятность обнаружения транспортных средств по
дальности на участке пути......................... 10
1.5. Критерии оценки инерционных характеристик датчи-
ков измерения параметров движения....................13
Глава 2.
Путевые датчики контроля
подвижных единиц
2.1. Электромагнитные точечные путевые датчики . . 16
2.2. Короткие рельсовые цепи..........................20
2.3. Фотоэлектрические датчики.................... 25
Глава 3.
Радиотехнические датчики контроля
свободности локальных участков пути
3.1. Принципы обнаружения подвижных единиц и пост-
роения радиотехнических датчиков ............... 33
3.2. Характеристики обнаружения подвижных единиц . 37
3.3. Обеспечение требуемой достоверности обнаружения
вагонов............................................45
3.4. Радиотехнический датчик РТД-С..................49
3.5. Комплекснрованне точечных путевых датчиков . . 53
Глава 4.
Информационно-измерительные датчики
4.1. Особенности эксплуатации горочных измерителей ско-
рости ..............................................61
4.2. Оптимизация порогов срабатывания н координат раз-
мещения скоростемеров.............................71
4.3. Датчики ускорения скатывания отцепов .... 81
4.4. Синтез оптимальных горочных датчиков параметров
движения..........................................94
4.5. Датчики длины подвижных единиц................99
4.6. Точечный датчик обмена информацией .... 102
4.7. Датчик фиксации проезда контрольной точки пути 109
Список использованной литературы.....................117
Производственное издание
Шелухин Виктор Иванович
Датчики измерения и контроля устройств
железнодорожного транспорта
Обложка художника А. Г. Воробьева
Технический редактор Л. А. Кульбачинская
Корректор-вычитчик Н. А. Лобунцова
Корректор Т. А. Мельникова
ИБ № 4192
Сдано в набор 22 02 89 Подписано в печать 08 05 90 Т-00609.
Формат 60Х90’Ле. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Высокая печать.
Усл. печ л 7,5 Усл кр -отт 7,88 Уч -изд. л 7,9 Тираж 5000 экз. Заказ 1030.
Цена 40 коп Изд № 1-3 1/6 5 № 4872
Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ»,
103064, Москва, Басманный туп , 6а
Московская типография № 8 РППО «Союзбланкоиздат»
Государственного комитета СССР по печати,
107078, Москва, Каланчевский туп , 3/5