СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА, ЕГО СКОРОСТИ И ЦЕЛОСТНОСТИ
METHOD FOR OPERATIONAL CONTROL OF RAILWAY STOCK LOCATION, ITS SPEED AND INTEGRITY

Изобретение относится к измерительной технике с использованием распределенных датчиков на основе волоконно-оптического кабеля (ВОК), телемеханике, системам передачи данных и может быть использовано в системах связи, сигнализации и блокировки для обеспечения безопасности движения железнодорожного подвижного состава (ПС) в условиях различного рода помех, вносящих дополнительные погрешности в результаты измерений.
В настоящее время обеспечению безопасности ПС уделяется повышенное внимание, что определяется, прежде всего, следующими перспективными направлениями развития железнодорожного транспорта: 1) перспективой развития научных, производственных и экономических отношений, что особенно актуально для развития регионов России, удаленных друг от друга на большие расстояния; 2) повышением интенсивности перевозок на железных дорогах Российской Федерации и других стран; 3) расширенным внедрением скоростного движения.
Для решения существующих проблем обеспечению безопасности железнодорожного движения необходимо совершенствование существующих автоматизированных систем связи, централизации и блокировки (СЦБ), которые в перспективе могли бы стать основой для создания интеллектуальных систем управления ПС и инфраструктурой ОАО «РЖД».
Это требует разработки и использования на практике новых технологических решений и инновационных информационных технологий. Значительные возможности для разрешения многочисленных противоречий, связанных с обеспечением решения задач повышения безопасности железнодорожного движения, появляются при использовании волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве распределенного чувствительного элемента (ЧЭ). В настоящее время волоконно-оптические технологии активно используются при создании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), но могут быть использованы и для решения практических задач обеспечения безопасности железнодорожного движения. Их преимущества при реализации ВОК в качестве датчиков, сенсоров и извещателей заключаются в том, что они являются не сосредоточенными, имеющими ограниченную область информационного, информационно-технологического, командно-измерительного и диагностического контроля обеспечения безопасности железнодорожного движения, а распределенными, позволяющими определять события, которые происходят в любом месте прокладки ВОК.
На фиг. 1 представлены наиболее приоритетные направления использования распределенных датчиков, чувствительными элементами которых является ВОК. В их числе: 1) определение местоположения поезда; 2) определение направления скорости движения; 3) определение целостности ПС; 4) охрана важных объектов железнодорожных объектов и путей; 5) контроль проведения и обеспечения безопасности ремонтных работ.
Но за проявление свойств универсальности такого рода приходится расплачиваться появлением многих недостатков. Основными среди них являются: 1) сложность построения приборов в виде когерентных рефлектометров, обеспечивающих преобразование отраженных оптических лучей, которые появляются из-за дефектов изготовления ВОК и из-за внешних воздействий на него и, как результат этого, высокая их стоимость при низких показателях сигнализационной надежности; 2) низкий энергетический потенциал сигналов, формируемых рефлектометрами, и высокий уровень помехового фона; 3) сложность обеспечения метрологического контроля точности и достоверности получаемых измерений, которая усугубляется тем, что многие физические процессы, оказывающие влияние на повышение сигнализационной надежности распределенных датчиков на основе ВОК и, в частности, на определение скорости, направления движения и местоположения подвижного состава (ПС), оказываются скрытыми от наблюдателя.
Известна распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов (патент №2485454, опубл. 20.06.2013 г. ([1]). Изобретение относится к измерительной технике, ориентировано на обеспечение безопасности железнодорожного движения и может применяться для регистрации вибраций, шумов и акустических сигналов. Система регистрации содержит волоконно-оптическую измерительную линию на одномодовом оптическом волокне с установленным френелевским или фарадеевским отражателем, с одной стороны, а с другой - оптоэлектронный блок, который состоит из лазерного источника, соединенного с первым входом разветвителя Х-типа. Первый выход разветвителя присоединен к указанной измерительной линии, а второй - к звукоизолированной катушке из одномодового волокна, последовательно присоединенной к отражателю на втором конце. Линии образуют разомкнутую двухплечевую схему волоконного интерферометра Майкельсона, сигналы с которого поступают со второго входа/выхода разветвителя на фотоприемник и регистратор виброакустических сигналов. В качестве локальных датчиков вибрационных сигналов используются линейные отрезки волокна в измерительной линии, укрепленные на вибрирующей поверхности объекта, а в качестве датчиков акустических сигналов - одна малогабаритная катушка из одномодового оптического волокна или по меньшей мере один многовитковый элемент из одномодового оптического волокна.
Способ-аналог [1] отличается тем, что для определения координат отдельных чувствительных элементов датчиков звука или вибраций на волоконно-оптической измерительной линии применяются локальные периодически излучающие источники (например, пьезоизлучатели или виброзвонки), обозначающие координату датчика на основе заранее заданной определенной частоте звучания (п. 8 формулы изобретения).
Пункт 8 формулы изобретения [1] определяет основную проблему использования распределенных сенсоров на основе распределенных волоконно-оптических кабелей (ВОК) - необходимость привязки формируемых ими сигналов к опорным точкам железной дороги с известными координатами на местности. С этой целью в изобретении [1] в п. 8 формулы изобретения предполагают использование дополнительных по отношению к сенсору на основе ВОК «локальных периодически излучающих источников, например, пьезоизлучателей или виброзвонков, обозначающих координату с использованием заранее заданной определенной частоты звучания».
В необходимости использования дополнительных датчиков в виде пьезоизлучателей или виброзвонков, обозначающих координату их местоустановки, заключается основной недостаток изобретения [1]. Кроме того, их малые размеры приводят к следующему по значимости недостатку. Он связан с тем, что их первоначальное положение дополнительных датчиков в виде пьезоизлучателей или виброзвонков может быть бесконтрольно изменено либо в результате случайного или путем целенаправленного злоумышленного воздействия, в результате чего появятся неконтролируемые ошибки привязки сигналов, формируемых распределенными извещателями на основе ВОК, по отношению к истинным (контрольным) координатам их местоположения.
Также недостаток изобретения [1] заключается в том, что не раскрыто основное его предназначение, связанное с применением для решения перечисленных актуальных задач обеспечения безопасности железнодорожного движения. Технический результат - «повышение чувствительности измерений в широкой полосе частот как вибрационных, так и акустических сигналов с помощью одной волоконно-оптической линии» определяет только физическую суть способа [1], но не показывает, как на основе его использования могут быть решения проблемные для ОАО «РЖД» прикладные задачи, представленные на фиг. 1.
Известна «Система контроля местоположения поездов» ([2], патент RU №2727438, заявка №2019138981, опубл. 21.07.20 г., бюл. №21), содержащая бортовой приемник спутниковой навигационной системы, выход которого через блок привязки географических координат к трассе железнодорожной линии связан с бортовым контроллером, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом локомотивной радиостанции, и установленный в центре управления информационно-управляющий сервер, первый вход и первый выход которого соединены соответственно с выходом и входом устройства электрической централизации, второй вход и второй выход информационно-управляющего сервера соединены соответственно с выходом и входом стационарного радио приемопередатчика, а также установленные в центре управления сенсорное устройство слежения за передвижением поезда по перегону и блок формирования данных о местоположении вагонов поезда, при этом вдоль железнодорожного пути на заданном расстоянии от него проложен волоконно-оптический кабель (ВОК) с герметичной заглушкой и соединен с входом/выходом сенсорного устройства слежения за передвижением поезда по перегону, дополнительный выход которого соединен с первым входом блока формирования данных о местоположении вагонов поезда, выход и второй вход которого соединены соответственно с третьим входом и третьим выходом информационно-управляющего сервера, отличающийся тем, что каждое определенное место внешней оболочки ВОК, координаты которого известны, механически соединено с рельсом железнодорожного пути посредством элемента, обеспечивающего передачу вибраций, а блок формирования данных о местоположении вагонов поезда состоит из последовательно соединенных модулей предикатора, дополнительный вход модуля сравнения и его выход являются соответственно первым входом, вторым входом и выходом блока формирования данных о местоположении поезда.
Также «Система контроля местоположения поездов» по п. 1 отличается тем, что часть элементов, обеспечивающих передачу вибраций, расположены рядом с проводниками заземления опор линии продольного энергоснабжения на рельсы.
Кроме того, «Система контроля местоположения поездов» по п. 1 отличается тем, что часть элементов, обеспечивающих передачу вибраций, расположены рядом с рельсовым стыковым соединением.
Использование системы позволяет повысить точностные показатели определения местоположения поездов с использованием ВОК в качестве распределенного чувствительного элемента (ЧЭ) и обеспечения их координатной привязки к инфраструктуре опор линии продольного энергоснабжения на рельсы и к рельсовым стыковым соединениям. При этом исключается необходимость в использовании дополнительных датчиков в виде виброзвонков [1].
Актуальные задачи обеспечения безопасности железнодорожного движения, перспективное решение которых связано с использованием в качестве распределенного датчика волоконно-оптического кабеля (ВОК), формулируют в следующей последовательности (фиг. 1):
1) определение местоположения поезда;
2) определение направления движения и скорости подвижного состава;
3) определение целостности подвижного состава;
4) контроля передвижений обслуживающего персонала и хождения по путям посторонних;
5) контроль проведения и обеспечение безопасности ремонтных работ.
Изобретение [2] направлено на решение первой задачи. При этом не рассмотрены вопросы одновременного решения и других задач, которые отмечены выше, а также вопросы повышения сигнализационной надежности распределенного датчика, чувствительным элементом которого является ВОК. При этом сигнализационная надежность является комплексным показателем эффективности использования распределенного датчика на основе ВОК. Ее составляющие представлены:
1) вероятностью успешного решения поставленной задачи;
2) вероятностью «ложной» тревоги, когда сигналы, формируемые распределенным датчиком, и данные, определяемые для принятия решений на их основе, ошибочны;
3) временными интервалами между «ложной» тревогами.
Недостаток изобретения [2] также заключается в том, что скорость движения поезда уточняют с использованием космических навигационных систем (КНС). При этом возможности определения скорости поезда с использованием распределенного датчика на основе ВОК не рассмотрены.
Также один из наиболее существенных недостатков использования ВОК в качестве распределенного датчика заключается в следующем:
- в низкой энергетике сигналов, с которыми работают измерительные приборы, контролирующие интенсивность обратного светового потока, который формируется в результате рассеивания в ВОК, вызванного различными эффектами, например, эффектом Бриллюэна и Рэлеевским рассеянием;
- в высоком уровне помех, сопровождающимся ростом неопределенности при оценивании длины поезда.
Проходят испытания различные альтернативные методы контроля местоположения и целостности подвижного состава (ПС), основанные на применении специальных технических средств, в том числе и внутренней телеметрии, использующей датчики, установленные на вагонах. Получаемую при этом телеметрическую информацию (ТМИ), собирают и передают в центры управления железнодорожным движением с использованием беспроводных систем связи ([3], А.В. Тимофеев, Д.И. Грознов «Метод оперативного контроля целостности поездного состава на основе данных оптической когерентной рефлектометрии», Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, том 17, №6). Но такие подходы также обладают недостатками. Основной из них заключается в том, что требуется дополнительное оборудование. Но и сигналы, формируемые рефлектометрами при использовании ВОК в качестве чувствительного элемента, в реальных условиях оказываются существенно искаженными помехами различного происхождения, в том числе:
- нелинейными искажениями волоконно-оптического датчика (ВОД);
- результатами множественной рефракции и интерференции сейсмоакустических волн;
- воздействиями иных, близко расположенных источников сейсмоакустической эмиссии [3].
В результате этого, следы от ударов колесных пар наблюдаются в хаотической смеси с высокоэнергетическими широкополосными помехами. Они представляют собой совокупность сейсмических волн, вызываемых множественными источниками (колесными парами). Это приводит к необходимости учета волновой теории их распространения, рефракции и интерференции.
В условиях, когда возможности используемых физических принципов, составляющих основу виброакустических измерений при использовании ВОК в качестве чувствительного элемента распределенного датчика, ограничены, особую значимость приобретают современные математические методы обработки сигналов, формируемых рефлектометрами.
Существующие прикладные математические методы обработки сигналов, формируемых рефлектометрами, в основном, ориентированы на использование традиционных математических фильтров. Примеры практического их использования приведены на фиг. 2, где буквами от А до Г представлены результаты, полученные на различных участках контроля целостности ПС. Из их анализа следует, что только на отдельных участках контроля целостности ПС, могут быть получены приемлемые результаты (фиг. 2(Г)).
Следовательно, особую актуальность приобретает разработка новых математических методов повышения сигнализационной надежности волоконно-оптического датчика.
1
2
3
1
2
3
Примером этого являются методы адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ) составляющие основу известного «Способа оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ», патент RU №2705770, заявка №2018119750 с приоритетом от 29.05.2018 г., опубл. 11.11.2019 г., бюл. №32 [4]. Он заключается в том, что устанавливают чувствительные элементы (ЧЭ), составляющие основу построения технических средств охраны (ТСО), выбирают наиболее информативные признаки сигнала, формируемые чувствительными элементами (ЧЭ) извещателей, по которым идентифицируют факт преодоления нарушителем зоны охраны, фиксируют полученные значения сигналов с чувствительных элементов и выделяют из них признаки, свойственные нарушителю, сравнивают их значения с установленной величиной и по результатам сравнения определяют момент выдачи сигнала тревоги, отличающийся тем, что сформированные извещателем сигналы подвергают дополнительной обработке с использованием алгоритмов адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ), в результате которой определяют косвенные оценки дисперсии формирующего шума  характеризующей мощность внешнего возмущения, которая является косвенным информационным признаком импульсного воздействия нарушителя на чувствительный элемент извещателя, приводящего к изменению его выходного сигнала, затем используют вычисленные косвенные оценки дисперсии формирующего шума  где k - индекс наблюдаемого временного отсчета, а (k-1) - индекс предшествующего временного отсчета измерений, которые используют в качестве информационного признака при формировании сигнала оповещения о нарушении, формируемого на основе сравнения полученных оценок дисперсии формирующего шума  с выбранными порогами, u, u и из где u - порог, ниже которого вычисленные значения оценок дисперсии формирующего шума, рассматривают как помеховый фон, не связанный с нарушением охраняемых рубежей объектов и границ, при этом нахождение сформированного сигнала, характеризующего изменение оценок дисперсии формирующего шума между порогами u и u рассматривают, как помехи, которые связаны с повышенным влиянием внешних воздействий на чувствительный элемент извещателей, но не свидетельствуют о нарушении зоны охраны, и только факт превышения сформированным сигналом оценок дисперсии формирующего шума порога u используют для формирования сигнала тревоги, при этом для повышения вероятности обнаружения нарушителя по вычисленным оценкам дисперсии формирующего шума используют различные алгоритмы компенсации помех в сформированном сигнале, характеризующем изменение во времени оценок дисперсии формирующего шума.
Недостаток способа [4] в том, что он ориентирован на задачи охраны рубежей объектов и границ. Для целей, связанных с обеспечением безопасности железнодорожного движения, он может быть использован без внесения существенных изменений для решения следующих задач (фиг. 1):
- обеспечения охраны важных объектов и инженерных сооружения железнодорожной инфраструктуры;
- контроля проведения и обеспечения безопасности выполнения ремонтных работ.
Он хорошо работает при сосредоточенных точечных воздействиях в виде импульсных откликов формируемого сигнала на шаги обслуживающего персонала и нарушителей, на работу различными инструментами (фиг. 1).
Способ [4] является наиболее близким к предлагаемому изобретению по используемым методам математической обработки сигналов, формируемых рефлектометрами. При их применении появляются новые возможности для повышения сигнализационной надежности распределенного датчика на основе ВОК, которые связаны с обеспечением привязки сигналов, формируемых рефлектометрами, к опорам электросети, которые с достаточной точностью привязаны к координатам местности и железнодорожного пути.
i
Однако и у способа-аналога [4] также есть свои недостатки. Они проявляются в том, что выходные электрические сигналы, формируемые рефлектометром при прохождении подвижного состава (ПС), представленные на фиг. 3(A) в виде когнитивной (знаниепорождающей) графики, искажены помехами. В результате применения алгоритмов АНФ получают более четко выраженные границы верхней и нижней линий (фиг. 3(Б)), представленных в момент времени значениями  и  соответственно. Они определяют в каждый момент времени (t), соответствующий выдаче рефлектометром сигнала в виде рефлектограмм, начало  и окончание  поезда. При этом значения  и  восстановлены со случайными ошибками и
ti
ti
В результате применения алгоритмов АНФ, как это следует из анализа графических изображений, приведенных на фиг. 3(Б), ошибки измерений не устраняются, а только уменьшаются по абсолютной величине  и  где  и  - ошибки, содержащиеся в сигнале, формируемом рефлектометром. Но они также являются случайными. Для уменьшения погрешностей определения длины поезда значения  аппроксимируют соответствующими прямыми, которые представлены на фиг. 3(B). В результате этого длину поезда определяют, как  где и - уточненные значения A и B, которые получили в результате аппроксимации экспериментальных данных соответствующими прямыми
Очередная операция, направленная на повышение точности получаемых оценок длины поезда, связана с усреднением в каждый момент времени получаемых разностей  между уточненными значениями, определяющими начало  и хвост  ПС.
Исходными данными для работы алгоритма являются оценки сигнала, полученные после обработки адаптивным фильтром. На фиг. 3(A) представлен когнитивный график исходного сигнала, а на фиг. 3(Б) обработанный адаптивным фильтром.
o
На фиг. 3(B) приведены уточненные в результате аппроксимации графики изменения («перемещения») границ сигнала, которые появляются в результате воздействия электропоезда на распределенный датчик при прохождении выбранного отрезка пути, определяемого интервалом времени оценивания (Δt).
o
o
Оценку длины состава осуществляют путем вычисления среднеарифметических величин, соответствующих значениям, определяющим собой границы сигнала. На фиг. 3(Б) они определены на заданном временном интервале измерений и обозначены стрелкой соответствия. Как следует из иллюстрации (фиг. 3(Б)) выбранный для измерений временной интервал оценивания (Δt) составлял 21,5 секунду (Δt=21,5 с).
t
t2
t1
Следующая операция предлагаемого способа связана с получением оценок длины (целостности) поезда, скорости и направления движения ПС, для чего используют алгоритм определения длины и целостности подвижного состава на основе получения средне арифметических значений оценок расстояния S=X-X, которые представляют, как результаты определения длины и целостности подвижного состава, которые затем используют для определения скорости движения поезда по формуле:
t1
1
где X - положение границы сигнала в момент времени t;
t2
2
X - положение границы сигнала в момент времени t;
2
1
Δt=t-t - временной интервал между анализируемыми событиями.
1
2
Для повышения точности оценивания, как уже было отмечено, используют предварительную линейную аппроксимацию положений левой и правой границы на заданном интервале времени. Получаемые при этом значения скоростей перемещения начала и конца поезда (левой и правой границ сигнала) равны тангенсам углов α и α (фиг. 3 (Г)). В зависимости от направления движения, скорости принимают положительные значения (при движении к рефлектометру) (фиг. 4), или отрицательные (при движении объекта от рефлектометра) (фиг. 3).
1
2
Для случая, иллюстративные материалы которого представлены на фиг. 3, вычисленная средняя скорость поезда была равна: V=- 57 км/ч (при этом знак «-» соответствует движению от рефлектометра). При противоположном движении поезда его скорость была равна: V=52 км/ч.
Экспериментально установлено, что определяемые в результате операции аппроксимации значения тангенсов углов ai и аг, если быть точными, не совпадают.
Причина этого заключена в эффекте Доплера, существование которого в ВОК размещенном вдоль железнодорожного полотна не вызывает сомнений. Однако из-за больших искажений вибрационных измерений различного рода помехами не удавалось определить, как эффект Доплера может проявляться в результатах виброизмерений, полученных при рефлектометрии.
1
2
1
2
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы определить в каком виде он может проявиться. Без этого теоретические исследования, посвященные эффекту Доплера, могут еще долгое время восприниматься, как некая абстракция. Теория Дж. Максвелла, которую воспринимают, как пример невообразимого достижения человеческого разума, также долгое время оставалась бы математической абстракцией, если бы не появился изобретатель Г. Герц, который экспериментально доказал наличие электромагнитных волн при грозовых разрядах. Самые общие положения, относящиеся к проявлению эффекта Доплера, заключаются в том, что результаты измерений (в нашем случае виброакустических) меняют знак на противоположный при движении к измерительному средству и от него. В нашем случае это вычисляемые на основе полученных измерений тангенсы (tg α и tg α) углов наклона α и α прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда, соответственно (фиг. 3(Б,В,Г)) и фиг. 4(А,Б,В)). Кроме того, он также проявляется в том, что прямые, аппроксимирующие значения движения головы и хвоста поезда не являются, строго говоря, параллельными (фиг. 3(Г,Д)) и фиг. 4(В,Г)).
На приведенных графиках (фиг. 3(Г)) он обнаруживается в том, что прямые, аппроксимирующие значения движения головы и хвоста поезда незначительно расходятся. При движении в противоположном направлении (при движении по направлению к рефлектометру) они, наоборот, сходятся фиг. 4(В,Г)).
Появление эффекта Доплера вызвано тем, что вибрационные воздействия от колесных пар через грунт при движении состава вызывают возмущение неоднородностей в параллельно уложенном ВОК. Теоретические основы появления эффекта Доплера состоят в следующем.
Скорость передвижения зон возмущенных неоднородностей по уложенному вдоль железнодорожного полотна ВОК равна скорости передвижения состава. При этом частоты прямого излучения и частоты излучения сигнала обратного рассеяния должны отличаться из-за эффекта Доплера. Поэтому считается теоретически возможным определение скорости передвижения зон возмущенных неоднородностей, которая совпадает со скоростью состава, на основе эффекта Доплера. Но как это должно было отразиться в сигнале? И можно ли выявить те незначительные его изменения, которые связаны с эффектом Доплера на фоне помех, которые его маскируют? Они настолько значительны по величине при традиционном вибрационном измерении, что достоверность полученных результатов обработки линий движения головы и хвоста поезда и их расхождения под влиянием эффекта Доплера может вызывать сомнения. Об этом свидетельствуют и полученные результаты обработки с использованием алгоритмов АНФ (фиг. 3(Б,В)) и (фиг. 4(А,Б)).
Но сомнения оказываются несостоятельными, когда анализу подвергают когнитивные графики, приведенные на фиг. 5(В,Г) и фиг. 7(B). А они получены при использовании предлагаемого изобретения, когда среднюю мощность сигнала, формируемого рефлектометром, существенно поднимают по величине, в результате чего под ним появляется подставка. При этом на фиг. 5(А,Б) представлены результаты вибрационных измерений, когда «маркер», искусственно вводимый при механическом соединении ВОК с железным прутом заземления опор токонесущей сети. В результате этого, получают новый тип реакции сигнала, формируемого рефлектометром, на появление поезда на контролируемом участке железнодорожного пути: он, как бы поднимается на «ножках» над помеховым фоном (фиг. 6(Б)) в отличие от аналогичного проявления без использования «маркера» (фиг. 6(A)). В результате этого, могут быть определены и требования, которые должны предъявляться к организационно-техническим мероприятиям, связанным, например, с прокладкой ВОК вдоль железнодорожного полотна, и к математическим методам обработки сигнала, формируемого рефлектометром.
Один из способов такого подъема, который можно отнести к организационно-техническим мероприятиям, связан с использованием элементов обеспечения непосредственного воздействия вибраций, вызываемых ПС, на ВОК [2]. Он наиболее простой в плане понимания предлагаемого способа повышения сигнализационной надежности датчика, сенсора или извещателя на основе ВОК, но не единственный. Кроме того, он требует реализации некоторых других условий, при которых данный эффект проявляется. Организационно введение «маркера» в сигнал, формируемый рефлектометром, может быть реализовано за счет повышенной чувствительности датчика, сенсора или извещателя на основе ВОК при наличии на пути следования поезда инженерных сооружений в виде мостов и тоннелей. Но их количество может быть недостаточным для повышения сигнализационной надежности датчика, сенсора или извещателя на основе ВОК.
В данном способе предлагаются математические методы обработки сигнала, формируемый рефлектометром, обеспечивающие его подъем над «нулевым» уровнем, идентифицируемым как помеховое воздействие. В результате этого он также, как и в случае, представленном на фиг. 6(Б), поднимается «на ножках» при непосредственном приближении поезда к контролируемому участку пути. При этом мощность сигнала, формируемый рефлектометром, после его предварительной обработки увеличивается на несколько порядков, о чем можно судить в результате сравнения графиков, приведенных на фиг. 6(A) и фиг. 6(Б), а также данных, представленных на фиг. 8.
Сущностные характеристики заявляемого изобретения заключаются также в том, что его использование, помимо уточнения местоположения ПС, обеспечивающего контроль его целостности, позволяет определять скорость движения поезда. При этом скорость движения ПС определяют, как на основе оценки тангенсов наклона аппроксимированных или восстановленных при обработке данных, определяющих начало и хвост поезда, так и путем оценивания их расхождения. В последнем случае на получаемых и регистрируемых сигналах наблюдается проявление эффекта Доплера, существование которого теоретически было обосновано. Однако значительные погрешности проводимых до настоящего времени вибрационных измерений не позволяли обнаружить его проявление в сигналах, формируемых рефлектометрами. Такая возможность появляется при использовании предлагаемого изобретения.
э
э
Одна из отличительных особенностей использования распределенного датчика на основе ВОК и рефлектометров в качестве приборов измерений, заключается в высоком уровне неопределенности (ΔS) при оценивании длины поезда. Она оказывается значительной за счет того, что датчик на основе ВОК формирует сигналы с высоким энергетическим потенциалом впереди поезда и после того, как ПС окажется за пределами того участка, на котором проводят измерения. При использовании предлагаемого изобретения уровень неопределенности (ΔS) существенно уменьшается. Этот эффект показан на иллюстрациях, приведенных на фиг. 8.
Ко второму источнику повышения средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, относят в соответствии с операциями, составляющими основу предлагаемого способа, новые прикладные математические методы. К их числу относят методы адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ) [4], о чем свидетельствуют иллюстрации, приведенные на фиг. 3 и фиг. 4. К ним также относят и методы конструктивной теории конечных полей (фиг. 9) [5].
Использование обработки сигнала, формируемого на основе алгоритмов АНФ, выгодно отличается помимо уменьшения уровня помех еще и тем, что при этом увеличивают мощность сигналов отклика на воздействия, оказываемые поездом. В результате появляется более остро выраженный на уровне формируемого сигнала контраст между помеховым фоном и самим воздействием. Особенность математического аппарата АНФ заключается в том, что полученные при его использовании обработанные сигналы рефлектометра откликаются только на импульсные воздействия, что сопровождается их существенным усилением. При наличии помехового фона они незначительные. При появлении поезда на контролируемом участке железной дороги они становятся наиболее выраженными (их амплитуда увеличивается на несколько порядков) (фиг. 5). В результате этого среднюю мощность сигнала, формируемого после рефлектометра адаптивным фильтром на основе алгоритма АНФ, также увеличивают. При этом сигнал, получаемый после обработки с использованием АНФ, поднимается над исходным «нулевым» уровнем (фиг. 6). Если допустимо такое сравнение, то он «поднимается на ножки». Этот эффект имеет определяющее значение для идентификации целостности ПС и подсчета количества его вагонов.
Поэтому одна из задач изобретения заключена в определении и реализации дополнительных условий, которые позволили бы избирательно поднять среднюю мощность сигнала, формируемого при использовании АНФ, еще выше.
Как уже было отмечено ранее, один из организационно-технических способов, позволяющий дополнительно повысить среднюю мощность сигнала, формируемого при использовании АНФ, заключается в применении операции, обеспечивающей непосредственную передачу вибраций в заранее определенных местах от стыков рельс к волоконно-оптическому датчику. В изобретении [2] осуществляют передачу вибраций через часть элементов, которые расположены рядом с проводниками заземления опор линии продольного энергоснабжения на рельсы или рядом с рельсовым стыковым соединением. Однако эту операцию проводят для уточнения местоположения ПС за счет предварительного обеспечения географической привязки опор линии продольного энергоснабжения.
Проведенные исследования показывают, что этому также способствует повышение уровня воздействий проходящего поезда на ЧЭ распределенного датчика при использовании устройств и способов непосредственного воздействия в определенных местах на оболочку ВОК. Одно из таких решений составляет основу патента-прототипа [2], когда «определенное место оболочки ВОК, координаты которого известны, механически соединяют с рельсом железнодорожного посредством элемента, обеспечивающего непосредственную передачу вибраций». Однако его используют для повышения точности привязки сигнала, формируемого рефлектометром, к месту событий, на которые он откликается формированием информационного сигнала.
В предлагаемом изобретении непосредственную передачу вибраций в заранее определенных местах от рельса к волоконно-оптическому датчику (ВОД) проводят для достижения дополнительной цели, заключающейся в повышении средней мощности сигнала, формируемого при использовании алгоритмов АНФ. Результаты проведенных натурных экспериментов приведены на фиг. 7. На фиг. 7(A) представлен когнитивный график последовательности сигналов, формируемых рефлектометром с частотой 1250 Гц, который получен после использования алгоритмов АНФ, без непосредственной передачи вибраций от рельс к волоконно-оптическому датчику, механически соединенным с прутом заземления, соединяющих опору линии продольного энергоснабжения с рельсом. На нем видны, как и на фиг. 3 и фиг. 4, видны искажения, которые приводят к погрешностям определения длины ПС и его целостности. На фиг. 7(Б) представлен сигнал рефлектометра после его обработки с использованием алгоритмов АНФ. При этом по сравнению с существующей практикой использования ВОД по аналогичному назначению значительно обострен контраст между помеховым фоном (шумом) и сигналами, которые определяют длину ПС.
Далее на фиг. 7(B) представлен случай проведения вибрационных измерений при использовании предлагаемого изобретения. Из сравнительного анализа полученных результатов обработки сигнала рефлектометра при использовании алгоритмов АНФ следует, что точность определения длины ПС стала существенно выше, и отличительная особенность измерений при использовании предлагаемого изобретения стала несравнимо больше проявляться в подъеме среднего уровня сигнала над помеховым фоном, что показано при численном представлении на фиг. 7(Г).
В результате этого существенно уменьшается неопределенность идентификации длины ПС, что показано на основе реальных сигналов на фиг. 8. На фиг. 8 внизу показано, как изменился сам сигнал, формируемых рефлектометром при применении алгоритмов АНФ при использовании операций, обеспечивающих дополнительное повышение среднего уровня сигнала над помеховым фоном.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что способ, реализованный в патенте [2], относится к числу достаточно простых в плане реализации и наиболее показательных в части демонстрации появляющегося при этом дополнительного положительного технического эффекта, но он не единственный. Подобный эффект также дополнительно может быть повышен за счет применения прикладной математики более высокого уровня по сравнению, в том числе, и по сравнению с тем, что дает использование алгоритмов АНФ [4] и алгоритмов конструктивной теории конечных полей [5]. Также к числу такого нового направления использования дополнительного математического аппарата при решении актуальных задач обеспечения безопасности железнодорожного движения следует, например, отнести:
1) использование волновой теории вибрационных воздействия, позволяющей более точно представить результат рефракции и интерференции волн, источниками которых является множество колесных пар, наезжающих на стыки рельсовых соединений;
3
2) сокращение неопределенности идентификации длины и повышения точности определения местоположения (AS) (фиг. 8) за счет дополнительного обострения переходных процессов импульсных сигналов [5,6] и уточнения количества вагонов на основе появляющегося нового соответствия между минимумами импульсных откликов сигнала, сформированного после использования алгоритмов АНФ и числом вагонных пар (фиг. 8).
i
min
n
В качестве математического аппарата, применение которого приводит к дополнительному, помимо алгоритмов АНФ, повышению среднего уровня сигнала в данном изобретении используют нетрадиционное представление значений исходных цифровых сигналов, формируемых рефлектометрами, образами-остатками [5]. Пример такого преобразования приведен на фиг. 9, где на фиг. 9(a) представлен исходный сигнал, формируемых рефлектометром в момент времени t, а на фиг. 9(6) результаты, получаемые при нетрадиционном представлении значений N=2n - разрядных исходных цифровых сигналов образами-остатками. В результате увеличения при таком структурно-алгоритмическом преобразовании (САП) минимального кодового расстояния d в 2+1 раз, формируемый сигнал усиливают по амплитуде в соответствующее число раз (фиг. 9(6)). При этом повышается частота появления быстроменяющихся значений преобразованного сигнала рефлектометра, а на их изменение реагирует адаптивный нелинейный фильтр, реализующий алгоритмы АНФ, из-за чего уровень средней мощности сигнала на выходе системы обработки существенно увеличивают. В итоге, увеличивают значение подставки под сигнал, соответствующий появлению ПС на контролируемом участке железной дороги (фиг. 8), а неопределенность измерения длины поезда уменьшают.
Также может быть использован и модернизированный математический аппарат, описанный в [3]. Но в том виде, в котором он представлен в [3], его применение не может дать ожидаемого преимущества при расширенном прикладном использовании. Он ориентирован на какие-то частные случаи, примером которых может служить иллюстрация, приведенная на фиг. 2(Г). Нужно повышать, как показано в предлагаемом изобретении, уровень средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, а математический аппарат, приведенный в [3], эту задачу не решает.
Предлагаемый способ определяет новые требования, которые предъявляются к разработке и применению нетрадиционных прикладных математических методов.
В результате отмеченных особенностей появляются дополнительные возможности для устранения недостатков изобретений [1] и [2]. В [1] для обеспечения привязки сигналов рефлектометра были использованы специальные датчики, определяющие пересечение поездом определенной черты, координаты которой были бы точно определены. Однако местоположение датчиков необходимо было бы как-то охранять от случайного или злоумышленного перемещения. Столбы и рельсовые стыковые соединения специальной охране не подлежат. В то же время рельсовые стыковые соединения представляют собой наиболее мощный источник вибрационных воздействий на ЧЭ, в качестве которого используют ВОК. Увеличение силы ударного воздействия колесных пар на рельсовые стыковые соединения сопровождается значительным повышением уровня средней мощности сигнала при использовании маркера. Поэтому при его сравнении с установленными пределами появляется дополнительная возможность использования распределенного волоконно-оптического датчика по дополнительному назначению - для дефектоскопии железнодорожного пути.
3
7
На фиг. 5 представлены когнитивный график и рефлектограмма (фиг. 5(A) и фиг. 5(Б)), которые были получены без использования маркера, появление которого связано с обеспечением непосредственного вибрационного воздействия на волоконно-оптический датчик. Пример формирования такого воздействия описан в патенте [2]. На фиг. 5(B) и фиг. 5(Г) приведены когнитивный график и рефлектограмма для случая, когда он используется. Из сравнения значений амплитуд, приведенных на фиг. 5(Б) и фиг. 5(Б), следует, что при отсутствии маркера максимальное значение амплитуд импульсного отклика, формируемого после применения алгоритмов АНФ приближается к условному значению 5×10. В то же время при использовании маркера оно становится равным: 1,8×10. В результате этого сигнал рефлектометра, сформированный после использования алгоритмов АНФ, при наличии вибрационных воздействия, вызванных движением поезда, значительно поднимается по среднему уровню и становится на подставку, которую называют «ножками» сигнала (фиг. 6).
Этот подъем становится еще более выраженным при наличии маркера, примером которого появляется при использовании патента [2]. Но идея, составляющая основу появления патента [2], заключалась в том, чтобы обеспечить более точную привязку формируемого сигнала к географическим координатам того места железнодорожного пути, на котором сигнал, формируемый рефлектометром, был получен.
А при использовании предлагаемого изобретения обеспечивают еще и одновременное определение уточненной длины ПС, а также его скорости. При этом оценку скорости можно также производить и на основе эффекта Доплера. В результате этого появляется возможности оценивания скорости движения поезда не только на основе аппроксимации линий, определяющих начало и хвост ПС, как это показано на фиг. 3 и фиг. 4, но и на основе учета эффекта Доплера.
Следовательно, существенные характеристики заявляемого изобретения проявляются еще и в том, что на сигнале, формируемом при определенных условиях организации непосредственного воздействия через соответствующие элементы, а также после специальной обработки, способствующих повышению уровня различий между помеховым фоном и полезным сигналом, проявление эффекта Доплера наблюдают в схождении и расхождении прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда.
На фиг. 10 представлена иллюстрация, поясняющая основополагающие принципы вибрационных измерений, которые используют для определения местоположения, направления движения, скорости и целостности поезда.
Кроме того, предлагаемое изобретение составляет основу для решения и других актуальных задач виброакустических измерений, предназначенных для повышения безопасности железнодорожного движения и охраны труда работников ремонтных бригад.
Проведенный анализ и многочисленные экспериментальные исследования позволили сформулировать следующую формулу изобретения.
t
t2
t1
1. Способ оперативного контроля местоположения железнодорожного подвижного состава, его скорости и целостности, при котором используют для определения местоположения подвижного железнодорожного состава и его скорости движения информацию спутниковой радионавигационной навигационной системы, которую поле ее обработки, получения географических координат и формирования соответствующих сообщений передают в центр управления безопасностью железнодорожного движения, обеспечивают привязку формируемых приемником данных к координатам местности, при этом в качестве источника дополнительной информации о местоположении поезда используют проложенный вдоль железнодорожного пути на заданном расстоянии от него волоконно-оптический кабель с подключенным к нему рефлектометром, используемым в качестве измерительного прибора отраженных оптических сигналов, вызванных вибрационным воздействием подвижного состава на распределенный датчик с чувствительным элементом в виде волоконно-оптического кабеля, отличающийся тем, что используют дополнительные операции, которые связаны, как с совершенствованием технологического процесса получения вибрационных измерений на основе Рэлеевского рассеяния в виде размещения волоконно-оптического кабеля вдоль железнодорожного полотна посредством воздушного монтажа и/или его закапывания на различной глубине залегания, в том числе с обеспечением возможности непосредственного вибрационного воздействия через различные элементы, обеспечивающие передачу вибраций, в также прокладку в самом рельсе, путем размещения волоконно-оптического кабеля в карманах, в том числе, и при его жесткой фиксации с допустимым натяжением в местах рельсовых соединений, при котором исключается разрыв волоконно-оптического кабеля, для формирования дополнительного эффекта Бриллюена, позволяющего определять место прохождения колесной парой стыка рельс, контролируя степень растяжения волоконно-оптического кабеля на основе изменения частоты оптического сигнала, так и с математической обработкой сигналов, сформированных оптическими измерительными приборами, в том числе используют алгоритм определения длины и целостности подвижного состава на основе получения среднеарифметических значений оценок расстояния S=X-X, которые представляют, как результаты определения длины и целостности подвижного состава, которые затем используют для определения скорости движения поезда по формуле:
t1
1
где X - положение границы сигнала в момент времени t;
t2
2
X - положение границы сигнала в момент времени t;
2
1
1
2
1
2
Δt=t-t - временной интервал между анализируемыми событиями, также осуществляют предварительную линейную аппроксимацию положений левой и правой границ сигнала, формируемого на выходе рефлектометра, воспринимаемых, как границы начала и конца поезда, на заданном интервале времени, получаемые при этом значения тангенсов углов α и α наклона аппроксимирующих прямых, определяющих движение начала и конца поезда, соответственно, используют для уточнения точности оценивания скорости подвижного состава и дополнительного подтверждения данных о направлении движения поезда, получаемые значения скорости движения принимают положительные или отрицательные значения, соответствующие направлению движения объекта контроля к рефлектометру или от него, при этом расхождения значений тангенсов углов α и α аппроксимирующих прямых появляются под влиянием эффекта Доплера, возможность выявления которого свидетельствует о получении полного набора данных измерений, который должен быть при навигационных определениях местоположения, направления и скорости движения контролируемого объекта. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве способов математической обработки сигналов, сформированных оптическими измерительными приборами, используют адаптивную нелинейную фильтрацию,прикладную математическую теорию конечных полей для дополнительного повышения уровня средней мощности сигнала, формируемого оптическими измерительными приборами, за счет повышения его эквивалентной энергетики при представлении цифровых сигналов, формируемых оптическими измерительными приборами, их образами-остатками и операциями, позволяющими уменьшить неопределенности идентификации длины подвижного состава.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнализационную надежность распределенных сенсоров на основе волоконно-оптических кабелей повышают также путем жесткого соединения с металлическим прутом заземления, соединяющим рельс железнодорожного пути с металлической опорой электросети или столба, в результате чего вибрационные и ударные на стыках рельс воздействия проходящего подвижного железнодорожного состава передают на волоконно-оптический кабель, используемый в качестве распределенного чувствительного элемента при волоконно-оптических измерениях непосредственно, а не через демпфирующую среду грунта или насыпи, обеспечивая при этом существенное, определяемое тысячами раз, превышение амплитуд формируемых волоконно-оптическим кабелем сигналов при одновременной привязке сигналов распределенного извещателя к опорным точкам, связанным с установкой опор и столбов, появляющийся при этом рост средней мощности сигнала, формируемого в результате математической его обработки, используют в качестве дополнительного критерия идентификации длины поезда и целостности его состава.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения длины ПС и скорости его движения также используют эффект Доплера, который становится наблюдаемым при выполнении следующих условий вибрационных измерений: изменения знака результатов определения направления и скорости движения поезда, получаемых на основе вибрационных измерений с использованием волоконно-оптического датчика в качестве распределенного чувствительного элемента и измерительного прибора - рефлектометра; при увеличении средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, дополнительно проявляющимся в виде схождения и расхождения прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда, а также в существенном повышении отношения сигнал/помеха.
Сущностные характеристики предлагаемого изобретения также проявляются в том, что использование разработанных операций, которые производят над физическими объектами в виде распределенного ВОК и сигналами, формируемыми рефлектометрами, позволяет значительно дополнить возможности спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Использование изобретения позволяет контролировать местоположение, скорость и целостность ПС в тоннелях, а такая возможность отсутствует при использовании СРНС. Кроме того, использование ВОК в качестве распределенного ЧЭ, позволяет восполнить многие из существующих недостатков СРНС. В их числе определение длины поезда и целостности ПС, дефектоскопия, предупреждение аварий и катастроф, вызванных причинами, которые скрыты от наблюдения на больших расстояниях.
Использованные источники информации
1. Волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов (патент №2485454, опубл. 20.06.2013 г.
2. Система контроля местоположения поездов, патент RU №2727438, заявка №2019138981, опубл. 21.07.20 г., бюл. №21.
3. А.В. Тимофеев, Д.И. Грознов «Метод оперативного контроля целостности поездного состава на основе данных оптической когерентной рефлектометрии», Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, том 17, №6.
4. Способ оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ, патент RU №2705770, опубл. 11.11.2019 г., бюл. №32.
5. Способ оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ, патент RU №2674809, опубл. 13.12.2018 г., бюл. №34.
6. Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации, патент №2672392, опубл. 14.11.2018 г., бюл. №23.
7. Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент №2658795, опубл. 22.06.2018 г., бюл. №13.