Применение моделирования для анализа тональных рельсовых цепей

Общетехнические задачи и пути их решения

153

5. ISO 9000-3:1997. Quality management and quality assurance standards. Part 3: Guidelines for the application of ISO 9001:1994 to the development, supply, installation and maintenance of computer software. - Опубл. 1997-12-15.

6. ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93. Оценка программной продукции. Характеристики качества и руководства по их применению. - Введ. 1993-28-12. - М. : Изд-во стандартов, 2004. - 12 с.

7. ГОСТ 2.109-73. Единая система конструкторской документации. Основные требования к чертежам. - Введ. 1974-01-07. - М. : Стандарты информации, 2007. -28 с.

Статья поступила в редакцию 30.09.2010;

представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.

УДК 681.326.7

М. Н. Василенко, М. Б. Соколов

ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ТОНАЛЬНЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

Приводится доказательство необходимости использования моделирования при анализе рельсовых цепей на примере тональной рельсовой цепи. Сформулированы цели моделирования и основные требования к модели. Приведена методика представления рельсовой цепи в виде блочной схемы.

функциональный блок, модель ТРЦ, имитационное моделирование, процессное моделирование.

Введение

Рельсовая цепь (РЦ) является основным элементом практически всех устройств железнодорожной автоматики и телемеханики: автоблокировки, автоматической локомотивной сигнализации, электрической централизации стрелок и сигналов, диспетчерской централизации и диспетчерского контроля движения поездов, систем горочной централизации [1]-[4]. В этих системах рельсовые цепи служат в качестве путевого датчика в пределах перегонов и станций для получения первичной дискретной информации о состоянии путевых участков и целостности рельсовых нитей, на основании которой автоматизируется процесс управления и повышается безопасность движения поездов [1 ], [5].

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

154

Общетехнические задачи и пути их решения

Рельсовые цепи обеспечивают контроль исправного состояния элементов тяговой сети, предназначенной для пропуска обратного тягового тока. Кроме того, рельсовые цепи являются каналом для передачи на локомотивы и другие подвижные единицы информации о показаниях проходных светофоров по пути следования поезда и допустимой скорости его движения в данной точке пути, что необходимо для функционирования систем автоматической локомотивной сигнализации и автоматического управления торможением [6].

Следовательно, в значительной мере непосредственно от качества работы рельсовых цепей зависит качество функционирования АБ и безопасность движения поездов.

1 Особенности анализа рельсовых цепей

При проектировании условия работы РЦ определяются их основными параметрами: z - удельным сопротивлением рельсовой линии; ги - удельным сопротивлением изоляции; U - напряжением источника питания; р -относительной координатой поездного шунта или места полного электрического разрыва рельса. Точность составления регулировочных таблиц и легкость настройки РЦ на работу в пяти режимах определяется значениями описанных характеристик. На стадии наладки и исследования параметров РЦ необходимо использовать данные, полученные в результате анализа, проведенного одним из методов анализа рельсовых цепей [8].

Известны четыре группы методов анализа характеристик РЦ.

Метод замены РЦ четырехполюсниками, разработанный коллективом специалистов: А. М. Брылеевым, Ю. А. Кравцовым, А. В. Шышляковым

[3].

Обобщенный метод, разработанный коллективом специалистов: В. С. Дмитриевым, В. А. Мининым [2].

Метод относительных рельсовых цепей. Разработан коллективом кафедр «Автоматика и телемеханика» МГУПС и СамГАПС [11].

Метод составления индивидуальных регулировочных таблиц рельсовых цепей, разработанный коллективом специалистов: В. С. Аркатовым, Ю. В. Аркатовым, С. В. Казеевым, Ю. В. Ободовским [8].

Все известные методы анализа характеристик РЦ обладают рядом недостатков (в них учитываются основные параметры: мгновенные значения напряжений, токов и мощностей, а также углов фазового сдвига в точках цепи). С учетом характеристик, указанных ниже, анализ выполнения рельсовой цепью пяти режимов работы целесообразно проводить на каждом этапе жизненного цикла рельсовых цепей с использованием абстрактного описания - модели.

Как объект моделирования рельсовая цепь характеризуется:

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

155

1) изменчивостью - необходимо учитывать не только состояние, в котором на данный момент находится рельсовая цепь, но и состояние, в которое она может перейти;

2) наличием окружающей среды - рельсовая цепь является не только самостоятельной системой, но и подсистемой системы автоблокировки. Поэтому при учете условий эксплуатации РЦ, кроме атмосферных явлений, необходимо учитывать мешающее влияние сигналов со стороны соседних и смежных рельсовых цепей;

3) противоинтуитивным поведением - в процессе изучения рельсовой цепи можно прийти к выводу о необходимости ввода в модель (например из-за неполного учета параметров РЦ) корректирующего воздействия (корректирующего коэффициента), хотя в реальности это порой оказывается неэффективно;

4) тенденцией к ухудшению характеристик - со временем характеристики рельсовой цепи могут ухудшиться, что в силу противоинтуитивного (например в результате изменения параметров радиоэлементов вследствие неблагоприятных условий эксплуатации) поведения может привести к необходимости изменения ее проектных характеристик;

5) взаимозависимостью - работа рельсовой цепи не может быть полностью изолирована. Воздействия на рельсовую цепь могут протекать в нескольких направлениях и оказывать влияние как на элементы цепи, так и на элементы окружающей среды. Впоследствии эти процессы могут взаимно влиять друг на друга;

6) организацией (сложная структура РЦ) - рельсовая цепь состоит из элементов, входящих в отдельные устройства, которые объединены между собой для выполнения режимов работы [9], [10].

2 Основные требования к модели рельсовой цепи

Рассмотрим основные требования к модели РЦ.

Низкая погрешность оценок параметров модели: использование аппарата математического моделирования; наличие средств описания непрерывного сигнала и законов расчета электрических цепей.

Подробный учет параметров системы: влияние обходного тракта передачи энергии (рельсовые линии - смежные и соседние); влияние со стороны второго пути двухпутного перегона; сопротивление изолирующих стыков; входные сопротивления со стороны питающего и релейного концов.

Гибкость: возможность использования для анализа рельсовой цепи любой конструкции.

Полнота и визуализация вывода промежуточных результатов: вывод результатов анализа в промежуточных точках; отображение графиков непрерывного сигнала в выбранных промежуточных точках.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

156

Общетехнические задачи и пути их решения

Простота и удобство использования: удобный интерфейс пользователя; минимальное внесение изменений в структуру модели.

Восприимчивость: к проявлениям отказов; к внесению неисправностей.

3 Цели и назначение модели

Четкое определение целей и назначения модели (см. ниже) влияет на структуру модели, а следовательно, на выбор метода моделирования. Анализ отказов рельсовых цепей позволяет определить следующие цели анализа методом моделирования [7]:

Оценка характеристик - определение, насколько хорошо рельсовая цепь предлагаемой конструкции будет соответствовать критериям исправно работающей рельсовой цепи (при свободной - реле надежно включено, при занятой - надежно выключено, в том числе при отказах аппаратуры, рельсовой и кабельной линий);

Прогноз поведения - оценка поведения рельсовой цепи при некотором предполагаемом сочетании рабочих условий (оценка режимов работы рельсовых цепей в нормальных условиях и в условиях возникновения отказов);

Выявление значимых факторов - выявление из большого числа действующих факторов тех, которые в большей степени влияют на поведение рельсовой цепи (первичных параметров, значений напряжений и токов рельсовой цепи);

Выявление функциональных соотношений - определение природы зависимости между двумя или несколькими действующими факторами, с одной стороны, и реакцией рельсовой цепи - с другой (анализ коэффициентов шунтовой чувствительности и чувствительности к излому или изъятию рельса, чувствительности к возникновению отказа как в аппаратуре, так и в элементах рельсовой линии) [9], [10].

Как показал анализ известных методов моделирования, ни один из них полностью не удовлетворяет всем основным требованиям к модели рельсовой цепи, следовательно, не удовлетворяет целям моделирования

4 Блочное представление тональной рельсовой цепи для моделирования

Согласно [9], чтобы модель полнее отображала реальную рельсовую цепь или ее определенные особенности, необходимо: однозначное соответствие между элементами модели и элементами представляемого объекта; сохранение точных соотношений или взаимодействие между элементами. Степень изоморфизма модели РЦ относительна, поскольку ряд параметров реальной рельсовой цепи (влияние обходных путей, в том числе в случае подключения различных перемычек, заземлений, отсосов) определить трудно. Поэтому можно построить только гомоморфную модель, в которой

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

157

имеет место лишь неполное по отношению к реальной рельсовой цепи подобие между различными группами элементов модели и объекта, но полное относительно целей исследования.

С целью проведения анализа гомоморфной модели тональная рельсовая цепь разбивается на части, работа которых представляется в абстрактной форме.

На рисунке 1, а представлена функциональная схема неразветвленной рельсовой цепи. По функциональной схеме (рис. 1, а) строится блочная схема (рис. 1, б). Принцип разделения на функциональные блоки (ФБ) выбран по условию, что блок - область устройства, характеризующаяся соответствующим множеством идентификаторов [12]. В рельсовой цепи таким идентификатором считаем отдельный элемент электрической схемы РЦ, принадлежащий к определенному законченному устройству и выполняющий определенную функцию.

Приведем список процессов, выполняемых в элементах ТРЦ [13].

1. Путевой генератор: формирование сигнала несущей частоты; формирование сигнала частоты манипуляции; формирование частотно-манипулированного сигнала.

2. Путевой фильтр: формирование сигнала амплитудно-частотной модуляции.

3. Кабельная линия: затухание сигнала ТРЦ; фазовый сдвиг сигнала

ТРЦ.

4. Трансформаторный (путевой) ящик: понижение уровня сигнала ТРЦ для согласования сопротивлений аппаратуры и рельсовой линии; настройка на режимы работы ТРЦ.

5. Рельсовая линия: затухание и фазовый сдвиг частотно-

модулированного сигнала.

6. Путевой приемник: прием сигнала с ПЯ и кабеля релейного конца; выбор и фильтрация несущей частоты; фильтрация манипулирующей частоты; формирование постоянной составляющей выходного сигнала.

7. Путевое реле: срабатывание индикатора поступления частотно-модулированного сигнала.

Приведенные процессы выделены в блоки, из которых, согласно топологии рельсовой цепи, строится модель ТРЦ.

Аналогично построена блочная схема перегонной бесстыковой ТРЦ (рис. 2). Согласно [14], в модели должно учитываться влияние на моделируемую РЦ как смежных, соседних так и параллельных ТРЦ. Это влияние будет определено значениями волнового сопротивления ZE РЛ и входных сопротивлений смежной и соседней РЦ и питающего и релейного концов смежной и соседней РЦ, уровнями сигналов, отводимых и принимаемых моделируемой рельсовой цепью от параллельной рельсовой цепи через сопротивление ^экы. Скорость и точность моделирования зависят от системного времени.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

158

Общетехнические задачи и пути их решения

б)

Рис. 1. Функциональная (а) и блочная (б) схемы неразветвленной тональной рельсовой

цепи

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2011/1

Рис. 2. Структурная схема перегонной бесстыковой ТРЦ

Общетехнические задачи и пути их решения 159

160

Общетехнические задачи и пути их решения

5 Выбор универсального средства моделирования

Для решения задач построения модели относительно целей моделирования предлагается использовать одно из универсальных средств описания процесса, которым является любой математический пакет, удовлетворяющий следующим требованиям: удобство использования; возможность вывода графики; выполнение аппроксимации процесса, непрерывного во времени, в дискретную форму (теорема Котельникова); использование прямого и обратного преобразований Фурье для обработки сигнала тональной рельсовой цепи; способность моделирования неограниченных линий с распределенными параметрами.

При оценке адекватности проверяется сходимость эталонного и моделируемого объектов по значениям их характеристик. Для этого экспериментатор проводит серию проверок, чтобы укрепить свое доверие к модели.

Теория достоверности характеристик и значений характеристик построена на трех компонентах: достоверность исходных данных; адекватность применяемых моделей; достоверность теоретического аппарата и методов расчета.

Из сказанного выше для анализа ТРЦ адекватность будет оцениваться как достоверность характеристик модели.

С этой целью в ФБ необходимо учесть следующие параметры и использовать соответствующие законы, описывающие изменение сигнала ТРЦ:

для генератора ТРЦ - выражения для колебательного процесса и суммирования двух колебательных процессов со скважностью 2;

для фильтра - весовую функцию и функцию полосы пропускания фильтра. Процесс фильтрации описать односторонним преобразованием Фурье, для которого непрерывный сигнал генератора описывается в дискретной форме при помощи теоремы Котельникова;

для кабельной линии - километрическую емкость, коэффициенты фазового сдвига и затухания сигнала в кабеле;

для путевого трансформатора и защитного резистора - законом Ома для участка цепи и коэффициентом затухания сигнала в трансформаторе определить сигнал на входе рельсовой линии;

для рельсовой линии - законом Ома для участка цепи и коэффициентом затухания и сдвига фаз в рельсовой линии определить сигнал на выходе рельсовой линии;

для путевого приемника - детектирование несущей частоты - разложением в ряд Фурье, выделение постоянной составляющей из преобразования матрицы - обработкой сигнала несущей частоты, фильтрации частоты модуляции - разложением в ряд Фурье;

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

161

для путевого приемника - функцию сравнения тока реле, найденного по закону Ома, с токами надежного притяжения и отпадания, зависящими от величины воздушного зазора якоря.

Оценку уровня отклонения результатов при моделировании относительно результатов натурных измерений проводят при помощи определения величины доверительного интервала [15].

Заключение

При проектировании современных станционных и перегонных систем железнодорожной автоматики, использующих тональные рельсовые цепи, задачи их анализа являются особенно актуальными, т. к. безопасность функционирования этих систем в наибольшей степени обеспечивается качеством работы рельсовых цепей. Согласно проведенному анализу проблем, связанных с работой ТРЦ, в частности с учетом возникающих в них отказов, а также с полученными различными методами теоретическими и практическими результатами, можно сделать следующие выводы.

1. Одними из основных и наиболее сложных требований к рельсовым цепям является обеспечение безопасности их функционирования с учетом эксплуатационных характеристик рельсовых линий, параметров элементов ТРЦ и их отказов.

2. Проектирование рельсовых цепей необходимо проводить при условии обеспечения надежности и безопасности работы систем автоблокировки, в состав которых они входят. С этой целью анализ ТРЦ должен быть направлен на определение их слабых мест для обеспечения надежного функционирования в эксплуатационных условиях.

3. Несмотря на большое количество методов исследования рельсовых цепей, все они обладают рядом недостатков, т. к. являются расчетными и в них учитываются только основные параметры, такие как мгновенные значения напряжений, токов и мощностей, а также углов фазового сдвига в точках цепи, и не учитываются вид и форма сигналов, влияние обходного тракта передачи энергии (рельсовые линии смежные и соседние), влияние со стороны второго пути двухпутного перегона (параллельные рельсовые цепи), сопротивление изолирующих стыков, входные сопротивления со стороны питающего и релейного концов, влияние отказов элементов и критических значений параметров.

4. Известен спектр методов, называемых имитационным моделированием, отличающихся различными способами описания элементов системы, ее структуры, процессов функционирования и организации процесса моделирования, позволяющих существенно расширить возможности и детализацию анализа исследуемого объекта и используемых в существующих пакетах моделирования электрических схем, к которым относится ТРЦ.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

162

Общетехнические задачи и пути их решения

5. Необходим новый метод анализа рельсовых цепей, основанный на методологии имитационного моделирования, исключающий недостатки существующих и отвечающий следующим требованиям: низкая погрешность, полнота и точность математического описания отказов ТРЦ, работ с непрерывным сигналом, учет максимального количества параметров системы, возможность анализа рельсовой цепи любой конструкции, полнота и визуализация результатов в промежуточных точках, восприимчивость к проявлениям отказов и внесению неисправностей.

Библиографический список

1. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание / В. С. Аркатов и др. - М. : Транспорт, 1990. - 295 с. - ISBN 5-277-00957-4.

2. Системы автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты / В. С. Дмитриев, В. А. Минин. - М. : Транспорт, 1992. - 182 с. - ISBN 5-277-00814-4.

3. Теория, устройство и работа рельсовых цепей / А. М. Брылеев, Ю. А. Кравцов, А. В. Шишляков. - М. : Транспорт, 1978. - 344 с.

4. Рельсовые цепи магистральных железных дорог / В. С. Аркатов, М. Ф. Котляренко, А. И. Баженов, Т. В. Лебедева. - М. : Транспорт, 1982. - 360 с.

5. Современные системы автоблокировки с тональными рельсовыми цепями / Н. Е. Федоров. - Самара : СамГАПС, 2004. - 132 c. - ISBN 5-901267-63-Х.

6. Обеспечение надёжной работы рельсовых цепей / Г. Д. Казиев // Железнодорожный транспорт. - 2006. - № 4. - С. 36-38.

7. Предупреждение и устранение неисправностей в устройствах СЦБ / Б. Д. Перникис, Р. Ш. Ягудин. - М. : Транспорт, 1984. - 233 с. - ISBN 5-277-01433-0.

8. Рельсовые цепи магистральных железных дорог : справочник / В. С. Аркатов, Ю. В. Аркатов, С. В. Казиев, Ю. В. Ободовский. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Мис-сия-М, 2006. - 496 с. - ISBN 978-5-903538-01-0.

9. Имитационное моделирование систем - искусство и наука / Р. Шеннон. - М. : Мир, 1978. - 212 с.

10. Введение в исследование операций = Operations Research: An Introduction. Глава 18. Имитационное моделирование // Хемди А. Таха. - 7-е изд. - М. : Вильямс, 2007. - С. 697-737. - ISBN 0-13-032374-8.

11. Относительные рельсовые цепи : учеб. пособие для вузов / Ю. И. Полевой. -Самара : СамГАПС, 2006. - 80 с.

12. Вычислительная математика и программирование / Ю. П. Боглаев. - М. : Высшая школа, 1990. - 267 с. - ISBN: 5-06-000623-9.

13. Методические материалы по курсу “Устройство, эксплуатация и техническое обслуживание систем автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты”. - М. : МПС, 2004. - 187 с.

14. Расчет параметров и проверка работоспособности бесстыковых тональных рельсовых цепей / М. Н. Василенко, Б. П. Денисов, В. Б. Культин, С. Н. Расстегаев // Известия петербургского государственного университета путей сообщения. - 2006. -№ 2. - C. 104-112.

15. Практикум по вычислительной математике : учеб. пособие / Г. Н. Воробьев, А. Н. Данилов. - М. : Высшая школа, 1990. - 208 с. - ISBN 5-06-001544-0.

Статья поступила в редакцию 18.01.2011;

представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University