Принцип построения классификатора состояний рельсовых линий множеством информативных признаков

надрессорной балки с боковой рамой в горизонтальной плоскостии с двукратным увеличением амплитуды перемещения надрессорной балки относительно боковых рам. В результате экспериментальных исследований установлено, что в зоне установленных скоростей движения грузовых поездов вертикальные ускорения кузова вагона с предлагаемой системой об-рессоривания на 60 - 80 % меньше, чем у вагона с типовой тележкой. Отметим здесь, что такой эффективности практически невозможно достичь для вагонов на тележках с традиционным рессорным подвешиванием (тележка Барбера, ZK6 и др.) в силу существующего жесткого ограничения на разность высот автосцепок сцепляемых вагонов. Для вагона с компенсирующим устройством максимальные ускорения проявляются в порожнем состоянии на частоте возмущения 3 Гц, в груженом состоянии - на частоте возмущения 2,5 Гц. Заметим, что собственная частота колебаний подпрыгивания кузова порожнего грузового вагона с тележками модели 18-100 равна 5,5 Гц. Это способствует снижению динамической нагружен-ности узлов вагона в целом и снижению затрат на его ремонт, стабилизации сил взаимодействия колеса и рельса, повышению плавности хода вагонов и сохранности перевозимых грузов, увеличению скорости движения поездов и эффективности железнодорожного транспорта в целом.

Список литературы

1. Вериго, М. Ф. Анализ методов математического моделирования динамических процессов в исследованиях интенсивности развития бокового износа рельсов и гребней колес [Текст] / М. Ф. Вериго // Вестник ВНИИЖТа. - 1997. - № 6. - С. 24.

2. Шарапов, С.Н. Проблемы создания малообслуживаемого пути [Текст] / С. Н. Шарапов // Железнодорожный транспорт. - 2001. - № 3. - С. 25 - 32.

3 Иванов, П. С. Анализ дефектов рельсов [Текст] / П. С. Иванов // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 10. - С. 58 - 60.

4. Лосев, Д. Н. По единой технологии [Текст] / Д. Н. Лосев // Транссиб. - № 2. - 2012. - С. 7.

5. Галиев, И. И. Методы и средства виброзащиты железнодорожных экипажей: Монография [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев / Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - М., 2010. - 340 с.

УДК 656.259.12

Е. М. Тарасов

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ КЛАССИФИКАТОРА СОСТОЯНИЙ

РЕЛЬСОВЫХ ЛИНИЙ МНОЖЕСТВОМ ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ

В статье рассмотрены вопросы построения многопараметрического классификатора состоянии рельсовых линий: исследованы вопросы изменения проводимости изоляции рельсовых линий, предложена структурная схема классификатора, использующего в качестве информативных признаков амплитуды и фазы напряжения и тока на входе и выходе рельсового линии, представлены формулы расчета ошибок первого и второго рода.

Проблема повышения качества функционирования и надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики приобретает все большее значение в связи с ростом требований к ритмичности функционирования систем интервального управления движением поездов, в которых устройством, достоверно определяющим состояние рельсовой линии участка контроля, являются классификаторы состояний.

Традиционно отечественные и зарубежные классификаторы состояний рельсовых линий [1,2] строятся по одно канальной схеме с одним источником питания в начале или середине

участка контроля с одним или несколькими приемниками по концам рельсовой линии контроля, и по своей сути они являются одноканальными системами с одним информативным признаком. Структурные схемы классификаторов состояний рельсовой линии (РЛ) представлены на рисунке 1.

^2уч;

в

Рисунок 1 - Структурные схемы классификаторов состояний РЛ: ИП - источник питания рельсовой цепи; [А]рд -многополюсник рельсовой линии участка контроля /уч к; ПР1, ..., ПР„ - приемники рельсовых цепей; РУ - решающее устройство классификатора.

Использование информации только одного информативного признака в классификаторе в условиях высокого уровня возмущений, воздействующих на рельсовые линии участка контроля, может привести к тому, что приемник принимает неправильное решение и фиксирует состояние «ложной» занятости при фактически свободном или «ложной» свободности при фактически занятом поездом участке контроля.

Основным возмущающим воздействием, влияющим на правильное функционирование классификаторов состояний рельсовых линий (КСРЛ), является проводимость изоляции рельсовых линий, которая в настоящее время в связи с увеличением объема перевозок по сети железных дорог массовых видов грузов, экономическими трудностями, увеличением времени между капитальным ремонтом верхнего строения пути интенсивно увеличивается.

Статистические данные по сети железных дорог России показывают, что до 21 % всех неисправностей в работе КСРЛ происходят из-за повышения проводимости изоляции, которая нестабильна во времени и зависит от вида и состояния балласта, типа и качества шпал, способа и технологии пропитки деревянных шпал, климатических факторов, перевозимых на участке грузов, интенсивности поездов на участке. Отказы, вызванные этим видом возмущений, носят длительный характер и приводят к выключению КСРЛ и, следовательно, к браку в работе железнодорожного транспорта.

Для надежной работы КСРЛ необходима информация о статистических характеристиках нестабильности первичных параметров рельсовой линии, сопротивления шунта и эквивалентного сопротивления участка излома рельса.

Дестабилизирующим фактором, влияющим на изменение первичных параметров, является проводимость изоляции между рельсовыми нитями, которая обусловлена в первую очередь изменением температуры и влажности балласта, шпал, земляного полотна и грунта

вблизи рельсов и заземляющих устройств. Для деревянных шпал эта проводимость практически линейно зависит от срока их эксплуатации, на незаселенных участках она возрастает примерно в четыре раза за 18 лет, достигая к этому времени величины 2 См/км. На засоленных участках проводимость изоляции возрастает до 4 - 5 См/км за 10 лет. При использовании железобетонных шпал увеличение проводимости изоляции рельсовой линии определяется старением изолирующих втулок и изолирующих прокладок вследствие образования на них микротрещин, в которые проникают соли из балласта. Установлено, что в теплую погоду при выпадении обильных осадков, особенно при засолении балласта, проводимость изоляции может возрасти в несколько раз в течение нескольких минут, причем для восстановления исходного значения проводимости после прекращения дождя требуется примерно в 10 раз больше времени. При отрицательной температуре проводимость изоляции равна 0,01 -0,1 См/км, что значительно ниже расчетной нормы в 1 См/км, регламентируемой ведомственными нормами технологического проектирования. Данные о суточных и сезонных изменениях проводимости изоляции позволяют осуществить правильный прогноз работоспособности существующих рельсовых цепей и создают предпосылки для синтеза инвариантных и распознающих классификаторов состояний РЛ.

Первичные параметры продольной цепи, определяющие полное удельное сопротивление рельсовой петли, зависят от частоты сигнального тока и состояния токопроводящих стыков и в меньшей степени зависят от температуры. Эта зависимость связана с уменьшением глубины проникновения магнитного поля в рельс и, следовательно, с уменьшением проводящей площади сечения рельса. Модуль удельного сопротивления рельсовой петли для рельсов типа Р65 (длина звена - 12,5 м) в диапазоне частот от 100 до 1000 Гц увеличивается практически линейно от 1,05 до 8,5 Ом/км, а аргумент нелинейно возрастает от 69 до 82°.

Сопротивление шунта существенно зависит от типа подвижной единицы и ее скорости. В частности, оно значительно уменьшается при трогании локомотива вследствие буксования колес. Следует отметить, что сопротивление шунта может практически исчезнуть при сильных морозах из-за образовании на рельсах тончайшей изолирующей пленки. Сопротивление в точке излома рельса вследствие растекания тока в толще земли нельзя считать бесконечным. Оно зависит от первичных параметров рельсовой линии, ее длины, координаты точки излома и частоты сигнального тока, величины сопротивления заземления опор контактной

Измерение сопротивления изоляции может производиться непосредственно на выбранном локальном участке с помощью сигналов тональной частоты или косвенно - по значениям напряжений и токов на концах РЛ в нормальном режиме. При этом фактически решается обратная задача по отношению к задаче расчета напряжения и тока в рельсовой цепи. Для РЛ с продольной и поперечной симметрией решение может быть найдено в аналитическом виде. В силу многозначности обратных гиперболических функций с комплексным аргументом существует несколько решений, среди которых необходимо выбрать то, которое отвечает реальным условиям.

Наибольшее влияние на погрешность косвенного измерения проводимости изоляции оказывает отклонение воздушных зазоров дроссель-трансформаторов от заданных значений, изменение магнитной проницаемости их сердечников при асимметрии тягового тока и отклонение емкостей конденсаторов блока питающего конца от номиналов. Вместе с тем что метод косвенных измерений позволяет определить величины указанных отклонений и сделать систему инвариантной по отношению к этим возмущениям.

При эксплуатации и разработке КСРЛ важное значение имеет прогнозирование их работоспособности на основе обработки данных об изменении проводимости изоляции за определенный период времени.

С целью определения сезонных изменений первичных параметров РЛ были проведены

экспериментальные исследования, заключающиеся в измерении амплитуды напряжения на путевом приемнике в течение зимне-весеннего периода.

Измерения напряжения проводились ежедневно в определенное время суток в течение 128 дней с помощью автоматического вольтметра-регистратора на базе персонального компьютера с платой многоканального аналого-цифрового интерфейса Ь305. Обработка полученных данных произведена программой ЕХР02 в среде Ма1:11сас1-2001. В программе предусмотрено использование двух способов фильтрации аддитивных помех, реализующих методы регрессионного и спектрального анализа, которые представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Сглаживание экспериментальных данных

Особенностью второго способа фильтрации помех является регулируемое подавление высших гармоник с помощью цифрового фильтра, реализующего алгоритм быстрого преобразования Фурье. Программой определялись максимальная скорость изменения выходного

напряжения

г

Т„ := гоо1

и„

и соответствующий этому момент времени Тт\ С/(£) := ШТ^, 5);

¿/2

(Лх

-Щх), х, 60, 80

Г =71,0; С/ДО С/ДО;

и

р тах

:= и (Т ).

р У т /

Максимальная скорость изменения амплитуды напряжения и тах = -0,0335 В/сут через Тт =71,0 сут от начала эксперимента.

Сезонные изменения проводимости изоляции приводят к изменению напряжения на путевом приемнике, эти изменения можно оценить амплитудой первой гармоники. В результате анализа спектра полученной реализации экспериментальных данных установлено, что амплитуда первой гармоники равна 0,76 В.

При разработке новых принципов и алгоритмов функционирования классификаторов состояний рельсовых линий, когда классификатор должен обеспечивать инвариантность к внешним возмущениям, надежно фиксировать нахождение на рельсовой линии поездного шунта и обрыв рельсовых нитей, необходимо учитывать диапазон и скорость изменения выходного напряжения рельсовой линии, которая является входной для классификатора. Данное условие может быть реализовано использованием принципов распознавания с множеством информативных признаков, характеризующих состояние рельсовых линий участков контроля.

Структурная схема распознающего классификатора состояний рельсовой линии с множеством информативных признаков представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема распознающего классификатора состояний рельсовых линий: [Арл] - четырехполюсник рельсовой линии сортировочной горки; — ограничительное и нагрузочное сопротивления рельсового четырехполюсника;

Е - источник напряжения сигнала опроса рельсовой линии; УР1, УР2 - устройства распознавания состояний рельсовых линий; Кл - классификатор состояний; (X), сЬ(Х) - решающие функции для классификации состояний по входным и выходным признакам соответственно

Достаточно сложным процессом при распознавании состояний рельсовых линий решающими функциями по входным и выходным признакам рельсовых цепей является разработка решающих правил, т. е. правил классификации состояний. Существует множество методов определения вида и сложности, решающих правил [3, 4], и из этого разнообразия удобнее всего использовать решающее правило по иерархической группировке классов. В случае разделения пространства состояний на три класса - Км, К, Кк - решающее правило может быть описано следующим образом:

X =

KNwpкdiXi)>P К при ОД) >0; Кк при d{Xj) > I,

где Р, <2, Ь- показатели классов.

Из-за воздействия возмущений границы измененных значений первичных признаков «размыты» и отклоняются от истинных, поэтому необходимо создавать классификатор, способный приходить к однозначному результату распознавания, тем более что рельсовые линии являются чувствительным элементом датчика состояния железнодорожных участков и на их информации базируются все системы интервального управления движения поездов и обеспечения безопасности. Поэтому состояние классификатора, при котором предъявленный ему образ может быть отнесен к любому классу, а не к конкретному, которому соответствует образ, недопустимо - классы не должны иметь одинаковых образов.

Для разрешения этой неопределенности выдвинем следующие гипотезы:

гипотеза Н1 - все образы нормального режима принадлежат пространству

М

N '

гипотеза Н2 - все образы шунтового режима принадлежат к пространству М8 : Х8 е М8 ; гипотеза Нз - все образы контрольного режима принадлежат к пространству

Мк : Хк

М

к

Теперь, если образ X, относится к пространству Мм, а он распознается как образ М^- или Мк, то имеет место ошибка первого рода, условная вероятность которой

QN = \fN{d{x))d{d{x)\

ц

т. е. при решении о состоянии рельсовой линии ошибочно выбраны гипотезы Н2 или Нз, в то время как справедлива гипотеза Hi, наоборот, если справедлива гипотеза Н2, а отдано предпочтение при решении о состоянии рельсовой линии гипотезе Hi, то совершена ошибка второго рода, условная вероятность которой

Qs = \fs{d{x))d{d{x)\

pj

т. е. ошибочно выбраны гипотезы Hi, в то время как справедлива гипотеза Н2.

Аналогично, если при решении о состоянии рельсовой линии отдано предпочтение гипотезе Hi при фактической гипотезе Нз, то совершена также ошибка второго рода, условная вероятность которой

pj

0K = \fK{d{x))d{d{x)).

Рк

Таким образом, ошибка первого рода является вероятностью распознавания состояния рельсовой линии как занятое или неисправное при фактически свободном и исправном состоянии и движение отцепов должно быть разрешено, а ошибка второго рода характеризует распознавание состояния рельсовой линии как свободное и исправное при фактически занятом или неисправном состоянии и сортировочная работа должна быть запрещена.

Ошибки первого рода сопровождаются экономическими потерями из-за простоя сортировочной горки.

Ошибки второго рода сопровождаются авариями и крушениями, т. е. катастрофической ситуацией (ежегодно по сети железных дорог половина всех случаев крушений совершается по причине ненадежной работы систем автоматики и телемеханики).

Если значения решающей функции d(x) в каждом классе подчинены нормальным законам распределения с математическими ожиданиями jum, jus, juk и среднеквадратичными отклонениями ам, os, ок, то функции плотности распределения имеют вид:

а) для класса образов нормального режима -

1

(dN(X)-fiNy

fN

оК1у\2п

б) для класса образов шунтового режима -

cs у] 2л

в) для класса образов контрольного режима -

(ds(X)-Vsy

fs

{dK{X)-nKf

fK

<7

yjbt

1 т

где juq =—V = N,S,K - выборочные средние значения решающих функций, в

т /=i

классах нормального, шунтового и контрольного режимов;

2

1 т

<r2q =-^{d{X)j-^i) -дисперсия.

т i=1

С учетом выражений (5) - (7) условные вероятности ошибки первого и второго рода для классов образов нормального, шунтового и контрольного режимов соответственно имеют

QN=—^ ;

;

СУ8у} ¿7Г

дк=—=е 2^ .

ск >/ 2л

Устройства контроля состояний рельсовых линий относятся к системам обеспечения безопасности движения поездов и должны обеспечивать многоуровневую безопасность. Для этого в настоящее время применяются релейно-контактные схемы I класса надежности, когда разрешение движению поездов осуществляется через фронтовые (прямые) контакты, не имеющие возможности свариваться.

В связи с этим проектируемая система классификации и распознавания должна обеспечивать также высокую степень надежности многоуровневым контролем правильного распознавания состояний рельсовых линий. Такими уровнями могут быть выбор решающей функции относительно «устойчивой» к флуктуации признаков-аргументов, определение границ классов отказов и выбор решающего правила с показателями классов, различающимися величиной и знаком в различных классах-режимах. С учетом этого, решающее правило (1) принимает вид:

X.. =

при d

Кк при d{Xi) > I, Ь<-1.

Решающее правило вида (11) позволяет распознавать

состояние рельсовой линии в классе образов нормального режима d{Xj) е Км , т. е. разрешение движению отцепов по горке при положительном значении решающей функции и ее величине, большей 1;

состояние рельсовой линии в классе образов шунтового режима d{Xj)<EKs т. е. запрещение движению отцепов по занятым горочным рельсовым линиям при отрицательном значении решающей функции и ее величине, меньшей 0, но большей -1;

состояние рельсовой линии в классе образов контрольного режима d(Xj)e Кк т. е. запрещение движению отцепов по неисправным горочным рельсовым линиям при отрицательном значении решающей функции и ее величине, меньшей-1.

Список литературы

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

2. Аркатов, В. С. Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник [Текст] / В. С. Аркатов, Н. Ф. Котляренко, А. И. Баженов. - М.: Транспорт, 1982. - 360 с.

3. Тарасов, Е. М. Принципы распознавания в классификаторах состояний рельсовых линий [Текст] / Е. М. Тарасов. - М.: Маршрут, 2003. - 156 с.

4. Ту, Дж., Еонсалес, Р. Принципы распознавания образов [Текст] / Дж.Ту, Р. Еонсалес. -М.: Мир, 1978.-416 с.