КОМПЛЕКС ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ВАГОНА-ЛАБОРАТОРИИ ИСПЫТАНИЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к области диагностики состояния проводной контактной сети электрифицированных железных дорог, и более конкретно, к комплексу обработки информации вагона-лаборатории для испытаний состояния контактной сети.
Известен мобильный диагностический комплекс для автоматизированной оценки состояния объектов железнодорожной инфраструктуры [1 - патент РФ на изобретение №2438903, опубл. 10.01.2012], содержащий: комплекс контрольно-измерительных систем и бортовой контрольно-вычислительный комплекс. Причем упомянутый комплекс контрольно-измерительных систем снабжен системой контроля и оценки геометрических параметров пути, системой бесконтактного высокоскоростного контроля геометрических параметров рельсов, системой высокоскоростной дефектоскопии рельсов, системой скоростного визуального обнаружения дефектов пути, системой контроля динамики поезда, системой скоростного георадиолокационного контроля, системой скоростного контроля габаритов приближения строений, системой скоростного контроля состояния систем железнодорожной автоматики и телемеханики, системой скоростного контроля состояния контактной сети, системой контроля параметров аналоговой радиосвязи и системой контроля параметров цифровой радиосвязи. Упомянутый бортовой контрольно-вычислительный комплекс в свою очередь снабжен универсальной системой визуализации синхронизированных результатов диагностики всех контрольно-измерительных систем, системой комбинаторного анализа и прогнозирования состояния объектов железнодорожной инфраструктуры, а также системой управления, оснащенной внешней связью с единым информационным пространством железнодорожной инфраструктуры. Кроме того, мобильный диагностический комплекс снабжен многодискретным синхронизатором по единой координате пути и географической координате, связанным с каждой из контрольно-измерительных систем в составе комплекса. Известный диагностический комплекс реализован в виде трех вагонов, представляющих собой системный модуль, аналитический модуль и лабораторный модуль комплекса, соответственно.
Как уже было отмечено, в состав известного мобильного диагностического комплекса [1] входит система скоростного контроля состояния контактной сети. Эта система обеспечивает следующие функции: бесконтактное измерение высоты КП над уровнем головок рельсов, бесконтактное измерение положения КП в плане (зигзаг и вынос), измерение понижения КП на воздушных стрелках относительно основного КП, положения по высоте дополнительных фиксаторов и отходящих ветвей относительно основного КП, контроль и оценку качества токосъема путем анализа силы взаимодействия токоприемника с КП, измерение износа КП, видеозапись состояния контактной подвески, измерение положения отходящих ветвей относительно основного КП, регистрацию ударов по токоприемнику в продольном направлении, регистрацию отрывов токоприемника от КП, регистрацию автоматической отметки положения опор, измерение положений кузова вагона относительно рельсового полотна (боковые перемещения), измерение напряжения в контактной сети, измерение высоты основных стержней фиксаторов относительно КП, контроль прочности изоляции оборудования, измерение возвышения наружного рельса, контроль нагрева элементов подвески контактной сети, дефектология изоляторов по ИК- и УФ-излучению, а также регистрация ударов и отрывов токоприемника от КП. Таким образом, известная система скоростного контроля состояния контактной сети обеспечивает измерение и контроль целого набора параметров контактной сети. Кроме того, поскольку данная система связана с универсальной системой визуализации синхронизированных результатов диагностики и системой комбинаторного анализа и прогнозирования состояния объектов железнодорожной инфраструктуры, в мобильном диагностическом комплексе обеспечивается возможность динамической обработки данных диагностики контактной сети и визуализации результатов обработки, что является преимуществом известного комплекса. Указанный комплекс [1] является наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели и выбран в качестве ее прототипа.
Однако у диагностического комплекса [1] есть ряд недостатков. Во-первых, известный комплекс, состоящий из множества взаимосвязанных подсистем, требует сложного, долгого и дорогостоящего процесса настройки и проверки работоспособности перед его использованием (выходом на маршрут диагностики), без которого достоверность получаемых комплексом данных не может считаться высокой. Если процесс настройки комплекса может быть проведен на стадии изготовления или при первоначальном запуске, то проверка работоспособности должна проводиться перед каждым использованием комплекса, и требует привлечения высококвалифицированного персонала. Поэтому, такой комплекс диагностики необходимо дополнить средствами автоматической проверки работоспособности его систем.
Во-вторых, известный комплекс, а именно, система скоростного контроля состояния контактной сети в его составе, обеспечивает лишь возможность бесконтактного измерения положения КП, т.е. определения высоты КП над уровнем головок рельсов и положения КП в плане (зигзаг и вынос). Как известно, такое бесконтактное измерение подразумевает использование оптических, например, телевизионных или лазерных, средств регистрации. Однако точность и даже работоспособность оптических средств регистрации сильно зависит от условий окружающей среды, в частности, условий видимости между средством регистрации (объективом) и объектом регистрации (КП), уровня фоновой засветки, погодных условий и т.д. В частности, известно, что бесконтактные системы измерения положения и высоты КП подвержены ошибкам и сбоям в условиях малой освещенности (ночью), в условиях слишком яркой засветки (попадания в объектив прямого солнечного света) и при плохих погодных условиях (снег, дождь и т.д.). Поэтому, возникает необходимость дополнить комплекс измерительными и вычислительными средствами для определения положения КП контактным образом.
Кроме того, в современных диагностических задачах есть потребность в измерении следующих параметров контактной сети: длины анкерных участков; горизонтального расстояния между рабочими проводами на сопряжениях; вертикального расстояния от рабочего КП до нерабочего КП у переходной опоры и в зоне подхвата токоприемником провода пересекающей подвески. Также желательно обеспечить в комплексе функции регистрации переворота КП вокруг его оси для более полного и достоверного контроля износа КП, отрыва одного из проводов от полоза токоприемника в случае многопроводной контактной сети, и опасных величин боковых наклонов зажимов КП.
Известный комплекс [1] не обеспечивает возможности измерения перечисленных параметров и не имеет указанных функций.
Отсутствие средств автоматической проверки работоспособности, средств контактного определения положения КП, а также перечисленных выше важных измерительных и контрольных функций в известном мобильном диагностическом комплексе является его недостатком. Кроме того, из описания известного комплекса в патенте №2438903 не ясно, какую точность измерения и контроля параметров контактной сети он обеспечивает. В сущности, в указанном документе приведен только перечень параметров, подлежащих диагностике, без указания технических средств, обеспечивающих диагностику, и их характеристик.
Задачей создания настоящей полезной модели является устранение перечисленных выше недостатков, присущих известному мобильному диагностическому комплексу [1]. В частности, задачей полезной модели является обеспечение комплекса обработки информации вагона-лаборатории испытаний контактной сети с расширенными контрольно-вычислительными функциями, включающего в себя средства контактного измерения положения (смещения и высоты) КП и автоматизированной диагностики готовности комплекса к использованию.
Сущность полезной модели поясняется ниже на примере некоторых вариантов осуществления комплекса обработки информации вагона-лаборатории испытаний контактной сети, некоторые аспекты которых проиллюстрированы на Фигурах 1 и 2.
Фиг.1 изображает схему вида спереди (по оси движения вагона) модуля измерительного токоприемника комплекса вагона-лаборатории согласно варианту осуществления полезной модели.
Фиг.2 изображает схему вида сбоку модуля измерительного токоприемника комплекса вагона-лаборатории согласно варианту осуществления полезной модели.
Комплекс обработки информации вагона-лаборатории согласно полезной модели содержит контрольную и вычислительную системы, связанные друг с другом с возможностью передачи данных. Отметим, что вагоном-лабораторией может быть любое рельсовое транспортное средство, подходящее для развертывания в нем комплекса обработки информации. Кроме того, заявленный комплекс, как и известный комплекс [1], содержит многодискретный синхронизатор по единой координате пути и географической координате, связанный с каждой из контрольной и вычислительной систем.
Согласно варианту осуществления комплекса, его контрольная система содержит стереотелевизионную систему измерения высоты и смещения КП; телевизионную систему измерения высоты фиксаторов КП; систему наружного наблюдения и связи; аппаратный комплекс смотровой вышки; два датчика опор КП (по одному с каждого борта вагона); два датчика перемещений (расположены под вагоном), датчик угла поворота и датчик температуры (под вагоном); а также модуль измерительного токоприемника и датчик высоты подъема токоприемника (на крыше вагона).
Вычислительная система комплекса содержит универсальную систему визуализации синхронизированных данных контрольной системы, снабженную единым интерфейсом, систему комбинаторного анализа и прогнозирования состояния объектов КС, и систему управления с возможностью связи с единым информационным пространством железнодорожной инфраструктуры.
Части заявленного комплекса, схожие или аналогичные частям известного комплекса [1], послужившего прототипом полезной модели, не будут описываться здесь подробно, поскольку их конструкция, функции и варианты осуществления понятны специалистам в данной области техники на основании предшествующего уровня техники, в частности, документа [1]. Тогда как отличительные части заявленного комплекса рассматриваются ниже в необходимых для их понимания и осуществления подробностях.
Вычислительная система заявленного комплекса содержит модуль автоматизированной диагностики готовности комплекса к использованию, выполненный с возможностью обнаружения неисправностей контрольной и/или вычислительной систем в составе комплекса, и вывода результатов диагностики на универсальную систему визуализации, например, отображение результатов диагностики на экране дисплея системы визуализации для оператора комплекса.
Модуль автоматизированной диагностики готовности комплекса к использованию может быть реализован программными средствами, в частности, в виде машинного кода, содержащего команды, побуждающие процессор вычислительной системы комплекса обнаруживать неисправности, в частности, посредством опроса элементов контрольной и/или вычислительной систем тестовыми сигналами и приема соответствующих откликов. Альтернативно, указанный модуль может быть реализован программно-аппаратными или аппаратными средствами, что будет понятно специалистам в данной области техники.
В одном из вариантов осуществления модуль автоматизированной диагностики готовности комплекса к использованию конфигурирован для указания элемента комплекса, в котором была обнаружена неисправность, и/или типа обнаруженной неисправности, в качестве или в составе выводимых им результатов диагностики. Результаты диагностики могут отображаться на экране дисплея системы визуализации для оператора комплекса и/или передаваться в удаленное от вагона-лаборатории местоположение, например, в центр обслуживания комплекса, с использованием системы управления комплексом, имеющей связь с единым информационным пространством железнодорожной инфраструктуры.
Диагностика готовности комплекса к использованию может проводиться модулем по расписанию и/или по запросу оператора комплекса.
Модуль автоматизированной диагностики готовности комплекса к использованию обеспечивает возможность легкой и быстро проверки работоспособности систем комплекса, что решает одну из проблем прототипа полезной модели (комплекса [1]).
Далее, отличительной особенностью заявленного согласно полезной модели комплекса является модуль измерительного токоприемника в составе контрольной системы, подробное описание которого приведено ниже со ссылкой на Фиг.1 и 2.
Согласно варианту осуществления полезной модели, модуль измерительного токоприемника содержит измерительный контактный полоз 2, датчик напряжения, верхнюю (3) и нижнюю (4) рамы токоприемника, два датчика (5, 6) силы нажатия, два датчика (7, 8) вертикального ускорения, четыре датчика подхватов и датчик ударов. При этом, как показано на Фиг.1, на противоположных концах контактного полоза установлено по одному из упомянутых двух датчиков (5, 6) силы нажатия и по одному из упомянутых двух датчиком (7, 8) вертикального ускорения.
1
2
1
2
Каждый из датчиков (5, 6) силы нажатия конфигурирован для выдачи в вычислительную систему величины силы нажатия, характеризующей регистрируемую соответствующим датчиком силу нажатия КП 1 на контактный полоз 2 в данный момент времени. Таким образом, два датчика (5, 6) силы нажатия предоставляют в вычислительную систему две независимо измеренные величины силы нажатия (P, P), характеризующие силу нажатия КП 1 на контактный полоз 2 в точках O и O.
1
2
1
2
Однако, как будет понятно специалистам в данной области техники, во время движения вагона-лаборатории, датчики (5, 6) силы нажатия будут регистрировать не только силу нажатия, обусловленную непосредственно давлением КП, но также силу, обусловленную вертикальным ускорением массы (полоза), приведенной к точкам O и O размещения датчиков 5 и 6. Соответственно, величины силы нажатия (Р', P'), регистрируемые датчиками (5, 6) силы нажатия во время движения вагона-лаборатории, могут быть представлены в виде суммы указанных воздействий:
1
2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
2
a
a
где P' - сила нажатия, регистрируемая датчиком 5 во время движения вагона-лаборатории; P' - сила нажатия, регистрируемая датчиком 6 во время движения вагона-лаборатории; Р - обусловленная давлением КП доля силы нажатия, регистрируемой датчиком 5; P - обусловленная давлением КП доля силы нажатия, регистрируемой датчиком 6; m' - масса, приложенная к точке O; m' - масса, приложенная к точке O;  - вертикальное ускорение точки O; и  - вертикальное ускорение точки O.
1
2
1
2
1
2
Датчики 7 и 8 вертикального ускорения, установленные в непосредственной близости к точкам O и O размещения датчиков 5 и 6, как показано на Фиг.1, регистрируют вертикальное ускорение точек О и O и в данный момент времени, синхронно с регистрацией величин силы нажатия (Р', Р') датчиками 5 и 6, и выдают эти данные в вычислительную систему.
1
2
1
2
Таким образом, во время движения вагона-лаборатории, вычислительная система определяет величины P, Р силы нажатия КП 1 на контактный полоз 2 в точках О, O, посредством исключения, согласно уравнению (1), воздействия движущегося с вертикальным ускорением полоза 2 из показаний датчиков (5, 6) силы нажатия.
Кроме того, как было отмечено, контрольная система комплекса содержит датчик 9 высоты подъема токоприемника. В одном варианте осуществления, указанный датчик установлен в месте шарнирного крепления нижней рамы модуля измерительного токоприемника, как показано на Фиг.2, однако возможны и другие варианты его установки. Датчик 9 высоты подъема токоприемника конфигурирован для регистрации и выдачи в вычислительную систему величины угла подъема токоприемника в данный момент времени. Углом подъема токоприемника является угол α между нижней рамой модуля измерительного токоприемника и плоскостью крыши вагона. Датчик высоты подъема токоприемника может быть датчиком поворота или любым другим измерительным средством, обеспечивающим измерение угла между нижней рамой токоприемника и плоскостью крыши вагона.
На основании величины α угла подъема токоприемника, регистрируемой датчиком высоты подъема токоприемника, а также известных геометрических размеров модуля измерительного токоприемника и вагона-лаборатории, вычислительная система может определить высоту КП над уровнем головок рельсов в данный момент времени.
1
2
На основании двух величин (Р, Р) силы нажатия КП на полоз, вычисленных по показаниям датчиков (5, 6) силы нажатия, с учетом показаний датчиков (7, 8) вертикального ускорения, как было описано выше, а также длины L контактного полоза, вычислительная система может рассчитать расстояние d от центра полоза до точки контакта с КП, т.е. смещение КП от центра полоза:
Далее, на основании величины d и известных геометрических размеров модуля измерительного токоприемника и вагона-лаборатории, вычислительная система может определить смещение КП относительно оси токоприемника. Необходимо пояснить, что в данной области техники осью токоприемника называется воображаемая линия, перпендикулярная поверхности пути и проходящая через ось пути. При этом поверхность пути - это воображаемая поверхность, образованная линиями, проходящими через верхние поверхности головок рельс, а ось пути - это воображаемая линия, проходящая вдоль пути на равных расстояниях от внутренних поверхностей головок рельсов.
Описанный выше способ контактного определения положения КП на основании измерения силы нажатия КП на контактный полоз измерительного токоприемника позволяет определить смещение КП относительно оси токоприемника с точностью до длины поперечного сечения КП.
В другом варианте осуществления модуль измерительного токоприемника может содержать более чем два датчика силы нажатия, закрепленных на контактном полозе. Например, три датчика силы нажатия - по одному датчику на противоположных концах полоза и один датчик в центре полоза. Такой вариант осуществления, как будет понятно специалистам в данной области техники, позволяет увеличить точность контактного определения смещения КП относительно оси токоприемника.
В еще одном варианте осуществления полезной модели вычислительная система также выполнена с возможностью регистрации положения КП в плане (зигзаг, вынос) на основании определяемых с течением времени смещений КП относительно оси токоприемника.
При отсутствии контакта КП с полозом вычислительная система может игнорировать показания модуля измерительного токоприемника, относящиеся к положению КП, и/или регистрировать событие отрыва КП от полоза.
Таким образом, использование описанного выше модуля измерительного токоприемника с двумя или более датчиками силы нажатия, а также датчика высоты подъема токоприемника в составе комплекса обработки информации вагона-лаборатории обеспечивает возможность простого и надежного определения смещения КП относительно оси токоприемника и высоты КП с достаточной, согласно требованиям в данной области техники, точностью. Эти средства контактного определения положения КП позволяет уточнить и/или проверить данные о положении КП, полученные с помощью стереотелевизионной системы бесконтактного измерения высоты и смещения КП, например, посредством объединения данных, получаемых бесконтактным образом, с данными о смещении и высоте КП, определяемыми на основании контакта КП с полозом, как описано выше.
Необходимо понимать, что реализация в модуле измерительного токоприемника описанных выше новых функций не изменяет возможности реализации им обычных функций, таких как измерение напряжения, силы нажатия и ударов КП.
Кроме того, вычислительная система комплекса вагона-лаборатории согласно варианту осуществления полезной модели дополнительно выполнена с возможностью определения, на основании показаний контрольной системы, горизонтального расстояния между рабочими проводами на сопряжениях и вертикального расстояния от рабочего КП до нерабочего КП у переходной опоры и в зоне подхвата контактным полозом нерабочего КП. Например, определение указанных параметров может осуществляться на основании данных, получаемых стереотелевизионной системой бесконтактного измерения высоты КП, и/или данных, получаемых описанным выше контактным способом, с помощью модуля измерительного токоприемника.
Аналогично, вычислительная система может быть выполнена с возможностью вычисления и/или контроля длины анкерных участков КС на основании показаний контрольной системы, а также регистрации таких событий, как отрыв одного из проводов от полоза токоприемника в случае многопроводной КС и/или опасных (превышающих заданный порог) величин боковых наклонов зажимов КП.
Перечисленные выше новые функции комплекса обработки информации вагона-лаборатории испытаний контактной сети могут быть реализованы программными, программно-аппаратными и/или аппаратными средствами в составе вычислительной системы комплекса, осуществляющими дополнительную обработку показаний подсистем и/или датчиков контрольной системы комплекса. В частности, указанные функции могут быть реализованы в машинном коде, содержащем команды, побуждающие процессор контрольной системы осуществлять соответствующую обработку показаний контрольной системы для определения и/или регистрации необходимых параметров и событий.
Отметим, что согласно полезной модели новые функциональные возможности комплекса обработки информации вагона-лаборатории испытаний контактной сети реализованы путем внесения минимальных изменений и усовершенствований в конструкцию вычислительной и, что особенно важно, контрольной систем комплекса, по сравнению с прототипом [1], т.е. с минимальными материальными затратами. Вместе с тем, полезная модель позволяет существенно увеличить функциональные возможности прототипа [1], в частности, реализовать такие принципиально новые и важные функции, как автоматизированная диагностика готовности комплекса к использованию и контактное измерение смещения и высоты КП.
Необходимо принимать во внимание, что описанные выше варианты осуществления полезной модели являются лишь примерными и представлены в целях раскрытия сущности полезной модели, но не ограничения ее объема. Объем полезной модели определяются формулой полезной модели и ее эквивалентами, которые станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с настоящим описанием и формулой полезной модели.