СПОСОБ ПУТЕВОЙ НАВИГАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЛОКОМОТИВА ПО ГЕОМЕТРИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD OF WAY NAVIGATION AND MEASURING SPEED OF A LOCOMOTIVE ACCORDING TO GEOMETRY OF A RAILWAY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения основных параметров движения локомотива (состава) по железнодорожной дороге (ЖД) как-то: прохождение шпальной подкладки, скорости, и пройденного пути. Предпочтительнее его использование для навигации по геометрии пути.
Общей проблемой измерения этих параметров являются погодные условия: дождь, снег, туман, а также поднимающаяся при движении, особенно на больших скоростях, пыль от балласта полотна и пр. Также оказывает влияние проскальзывание, пробуксовка и износ колес локомотива.
Известен «Способ измерения линейной скорости локомотива» по патенту РФ №2189599, в котором применено ультразвуковое излучение, затем отражаемые волны от полотна ж/д принимаются и по определенному алгоритму обрабатываются и по полученным результатам определяют скорость движения локомотива. Все измеренные и вычисленные параметры движения передаются в центральный компьютер управления локомотива и по РК в диспетчерский пункт ж/д.
Недостатком является невозможность использования в зимнее время при наличии снежного покрова, т.к. ультразвуковое излучение отражается от поверхности снега и не позволяет обнаружить границу раздела двух сред, обладающими различными отражающими способностями (щебеночный балласт, шпалы).
Также известен «Оптический способ определения скорости железнодорожного состава» по заявке РФ №2013103281 / 28 от 25.01.2013 г. Способ заключается в том, что два видеорегистратора, расположенные на заданной высоте под локомотивом, производят съемку ж/д полотна синхронно, в каждый момент времени запоминается текущий кадр в каждом видеорегистраторе с тем же фрагментом ж/д полотна, вычисляется связь между этими кадрами и по разнице порядковых номеров кадров и сдвигу между ними определяется скорость.
Недостаток: в условиях плохой видимости (туман, снег, пыль и пр.) падает и очень значительно точность измерения скорости.
Широко известны и в основном практически везде применяются колесные датчики пути и скорости (ДПС), см. Зорин В.И. «Современные системы обеспечения безопасности», «Железные дороги мира», журнал №11, 2000 г., стр. 52-54.
Недостаток тот же, что и в предыдущем аналоге, а также ограниченность эксплуатационных ресурсов ДПС из-за наличия в нем механических вращающихся деталей. В результате погрешность составляет 50-70 метров на километр пути, что не удовлетворяет требованиям по точности.
Наиболее близким техническим решением является патент РФ №2378654 от 10.01.2010 г. «Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути», которая содержит три приемо-излучающих устройства, каждое из которых включает блок СВЧ-излучателя с передающей антенной и приемный блок отраженного СВЧ-излучения с приемной антенной и усилителем и программируемый микропроцессор с двумя блоками корреляционно - экстремальной обработки. Все приемно-излучающие устройства расположены последовательно по оси рельса и излученные сигналы отражаются от подстилающего балласта, воспринимаются и анализируются по специальному программному обеспечению.
Недостаток: очень сложное схемное решение, а также структура балласта неизвестна и изменяется от погодных условий, что приводит к неоднозначности измерений.
Этот способ и устройство для его осуществления вообще не применим в высокоскоростных ж/д магистралях, в которых не применяются шпалы, а есть только прочное подстилающее основание на всем пути. В качестве реперов применены шпалы, которые могут быть занесены снегом или же щебеночным балластом, который закрывает шпалы полностью или частично.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения параметров движения и создание системы, которая не нуждается ни в установке каких - либо дополнительных реперных элементов вдоль рельсовой колеи, ни в приеме сигналов спутниковых навигационных систем.
Технический результат достигается за счет применения РЛС малой дальности с высоким разрешением по дальности за счет использования широкополосных зондирующих сигналов, а в качестве реперов отражающей поверхности используются подкладки с болтами для крепления рельсов к шпалам или к специальному основанию по всей длине пути.
Для решения поставленной задачи предлагается способ путевой навигации и измерения линейной скорости локомотива по геометрии железнодорожного пути, основанный на применении радиолокации малой дальности, для чего использовано два идентичных регистратора, включающие в себя один задающий и два приемных СВЧ-сигналов, расположенные под днищем локомотива на несколько метров друг от друга последовательно вдоль направления движения, а сам способ заключается в непрерывном зондировании подстилающей поверхности пути вдоль монорельса и в непрерывном измерении отраженных значений информативного параметра, характеризующего одно из периодически изменяющего вдоль пути свойства элементов конструкции железнодорожного полотна, при этом в качестве контролируемого свойства элементов конструкции железнодорожного полотна выбирают элементы крепления рельса к шпале: подкладки, причем непрерывно воздействуют СВЧ-излучением на элемент крепления с внешней или внутренней стороны рельса, принимают отраженные от элементов крепления сигналы, а в качестве измеряемого информативного параметра выбирают время между проходами регистраторами над одной подкладкой, а зная расстояние между двумя регистраторами определяют линейную скорость по простейшей формуле S=V⋅Δt, отсюда V=S/Δt
где: S - расстояние между приемниками = Const
Δt - время прохода между серединами двух соседних подкладок = var.
Зная S и время прохода определяем линейную скорость движения
Фиксируя момент прохода каждой подкладки, производится их последовательный счет за все время от начала пути, используя его для навигации движения локомотива.
На фиг. 1 показано структурная электрическая схема одного регистратора,
реализующая предложенный способ, на котором изображено:
1 - СВЧ-генератор
2 -передатчик
3 - первый согласованный приемник
4 - второй согласованный приемник
5, 6 - первый и второй измерители амплитуды соответственно
7, 8 - схемы нормирования (первая и вторая соответственно)
9 - блок вычитания
10 - микропроцессор (МП) И -АЛУ
12, 13 - первый и второй каналы регистрации соответственно
14 - шпалы;
15 - подкладки;
16 - балласт (основание);
17 - вид кривых напряжения на выходе схемы нормирования 7 и 8 по временной оси t (регистратора 13), при прохождении подкладки 15
А1 - излучающая антенна
А2 и A3 - принимающие антенны
MP - монорельс
Устройство по данному способу имеет следующие соединения, (фиг. 1)
Передатчик 2 через первую А1 антенну зондирующими сигналами связан с подкладкой 15, которая отраженными сигналами через вторую А2 антенну и через третью A3 антенну (соответственно) связаны с первым и вторым каналами регистрации 12 и 13, а их выходы соединены с первым и вторым входами блока вычитания 9 в МП 10, первый выход МП 10 соединен с входом СВЧ-генератора 1, а второй выход соединен с внешними потребителями. Выход СВЧ-генератора 1 первым выходом соединен с передатчиком 2 с антенной A1, а вторым и третьим выходами соединен с первым и вторым согласованными приемниками соответственно.
Каждый канал регистрации имеет следующие внутренние соединения: выход согласованного приемника 3 (4) соединен с одним из входов измерителя амплитуды 5 (6), выход измерителя 5 (6) через схему нормирования 7 (8) низкочастотными сигналами (НЧ) соединены с первым входом (вторым входом) МП 9 блока вычитания 9 в МП 10.
На фиг. 2 показаны НЧ - составляющие отраженных сигналов от подкладок и разность этих сигналов, где:
14 - шпалы;
15 - подкладки;
16 - балласт (основание);
17 - вид кривых напряжения на выходе схемы нормирования 7 и 8 по временной оси t (регистратора 13), при прохождении подкладки 15
18 - вид кривой напряжения на выходе схемы нормирования 7 по временной оси t (регистратора 12), при прохождении той же подкладки 15
19 - вид результирующего напряжения на схеме вычитания в МП 9;
20 - нулевая точка, соответствующая нахождению устройства на середине подкладки 15.
Каналы регистрации 13 (антенна A3) находится впереди передатчика 2 по оси движения локомотива, а канал регистрации 12 (антенна А2) - позади на фиксированном расстоянии от передатчика 2. Рассмотрим формирование информационного сигнала на примере одного регистратора.
Устройство по данному способу работает следующим образом. По управляющему сигналу с первого выхода МП 10 генератор СВЧ 1 начинает генерировать сигналы сверхвысокой частоты, которые через передатчик 2 возбуждают в антенне А1 электромагнитное волны, который частично отражаются от подстилающей поверхности (шпалы, балласт), а главным образом от подкладок 15 с болтами и гайками на них, крепящих монорельс к железобетонным шпалам 14 или к другому основанию. Отраженные от подкладок сигналы принимаются антеннами А2 и A3 и через согласованные приемники 3 и 4, и через измерители амплитуд 5 и 6, нормируются на схемах 7 и 8, где и выделяются их НЧ - составляющие (каналы 12 и 13). Затем выделенные НЧ сигналы подаются на схему вычитания 9 внутри МП 10, при этом фиксируется момент времени, когда сигнал со схемы вычитания проходит через нулевое значение. Также фиксируется момент времени, когда сигнал со схемы вычитания проходит через нулевое значение второго регистратора и вычисляется промежуток времени AT между двумя отсчетами регистраторов.
Линейная скорость локомотива определяется по простейшей формуле S=V⋅Δt, а зная расстояние между регистраторами (например 3 метра) и время между моментами фиксации (перехода через нуль каждого регистратора), то скорость, где S - фиксированное расстояние между регистраторами, Δt - время между переходами через нуль первого и второго регистраторов.
Для высокоскоростных железных дорог (300-500 км/час) можно взять промежуток времени Δt за большее число нулей, например, 5 тогда
Фиксируя каждую шпалу и по дорожной карте определяем местоположение локомотива на местности, а интегрируя значение скорости определяем пройденный путь.
Таким образом, выполнение операций согласно заявленному способу позволяет обеспечить измерение линейной скорости локомотива и пройденного пути с высокой функциональной надежностью.
Устройство по данному способу устанавливается под днищем локомотива на высоте 0,5 - 1,0 м. над уровнем головки рельсов. Расстояние между регистраторами - база (оптимальное) можно взять равным три метра. Зная количество пройденных шпал определяется с помощью дорожной карты место нахождения локомотива и значимость действия машиниста: набрать скорость (сбросить скорость) до определенной величины, торможение до остановки и пр. При перемещении локомотива (устройства) над железнодорожным полотном интенсивность отраженного сигнала, принятого каждым регистратором, имеет периодический характер, обусловленный периодичностью расположения шпал в рельсошпальной решетке. Характер изменения отраженного и принятого сигнала при перемещении локомотива, а следовательно и устройства (а именно наличие нуля принятого сигнала при нахождении над серединой очередной подкладки) позволяет определить количество пройденных шпал и тем самым положение локомотива на рельсовой колее при помощи сравнения с дорожной картой.