Устройство мониторинга рельсового транспортного средства
RAIL VEHICLE MONITORING DEVICE

Изобретение относится к области организации и управления движением на железных дорогах, в частности к средствам регистрации пробега и мониторинга состояния элементов подвижного состава.
Известно устройство и способ для рельсового транспортного средства, в котором для определения пробега рельсового транспортного средства используется датчик ускорения, измеряющий статическое ускорение в радиальном направлении колеса транспортного средства. В процессе движения ускорение, измеренное датчиком, изменяется вследствие углового отклонения оси измерения относительно поля тяготения Земли, что позволяет осуществлять подсчет количества оборотов колеса и затем расчетным методом (умножением количества оборотов на длину поверхности катания колеса) определить пробег рельсового транспортного средства (RU 2524805, В60Т 8/17, опубл. 18.11.2009) - аналог.
Недостатком известного решения является следующее. В качестве датчика количества оборотов используется датчик ускорения, закрепленный на колесе. Во время движения рельсового транспортного средства в реальных условиях измеренное значение ускорения будет определяться суперпозицией центробежных сил при вращении колеса, силы гравитационного поля Земли и сил, возникающих при прохождении колесом различного рода неровностей рельсового пути (рельсовые стыки, стрелочные пересечения, дефекты пути и т.д.). В моменты контакта поверхности катания колеса с участком рельса, имеющим неровность, появляются амплитудные выбросы разной величины, которые будут искажать сигнал и приведут к ошибкам подсчета числа оборотов, а следовательно - к ошибкам контроля пробега рельсового транспортного средства.
Известно устройство для мониторинга состояния букс колесных пар вагонов движущегося поезда, содержащее установленные на каждой буксе датчики измерения параметров состояния элементов конструкции буксы, микропроцессор обработки измерительной информации, активный приемопередатчик информации о состоянии буксы по радиоканалу, магнитоэлектрический генератор, состоящий из диска с магнитными элементами, закрепленного на торцевой поверхности оси колесной пары, и витков электрических проводников, размещенных неподвижно под крышкой буксы и подключенных через диодные выпрямители и аккумуляторы электрической энергии к клеммам питания датчиков, микропроцессора и приемопередатчика, причем информационные выходы датчиков и информационные входы приемопередатчика взаимосвязаны через соответствующие входные и выходные шины микропроцессора (RU 2381935 C1, В61K 9/04, опубл. 20.10.2010) - аналог.
Недостатком известного решения является то, что оно обеспечивает мониторинг состояния только букс колесных пар вагона подвижного состава в режиме реального времени с возможностью передачи данных о результатах мониторинга заинтересованным лицам. При этом в качестве источника питания в известном устройстве используют автономный источник питания в виде магнитоэлектрического генератора. Однако известное устройство не позволяет отслеживать местоположение рельсового транспортного средства и контролировать его пробег.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является принятое за прототип устройство мониторинга рельсового транспортного средства, содержащее установленные в корпусе процессор, модуль спутниковой системы навигации, модуль GSM, блок памяти, последовательно соединенные датчик ускорения и блок обработки диагностических данных, блок управления и источник питания, при этом первый вход процессора подключен к выходу модуля спутниковой системы навигации, второй вход - к выходу блока обработки диагностических данных, выход - к входу модуля GSM, а выход/вход - к входу/выходу блока памяти, источник питания включает аккумуляторную батарею с контроллером заряда и магнитоэлектрический генератор, выход блока регулирования которого подключен к входу блока управления, выходом соединенного с входами питания модуля спутниковой системы навигации, модуля GSM, центрального процессора, блока памяти и блока обработки диагностических данных, а входом/выходом - к выходу/входу аккумуляторной батареи с контроллером заряда, корпус выполнен со съемной крышкой, одна часть которой выполнена из радиопрозрачного материала и скошена под углом не более 70 градусов к вертикальной оси корпуса, напротив нее размещены антенны модуля спутниковой системы навигации и модуля GSM, противоположная крышке сторона корпуса является его основанием, в котором выполнены отверстия соответственно для крепления переднего подшипникового щита к основанию корпуса, для установки и фиксации основания корпуса на крепительной крышке буксового узла и для соединения вала ротора генератора посредством соответствующей муфты с осью колесной пары (RU 2627959, B61L 25/04 Н02K 21/12, опубл. 13.07.2016) - прототип.
Известное устройство позволяет осуществлять мониторинг различных технико-технологических параметров и узлов рельсового транспортного средства при различных скоростях его движения, а также отслеживать его местонахождение в режиме реального времени.
Недостатками данного устройства являются следующие.
1. Низкая точность определения суммарного пробега вагона за достаточно длительный период эксплуатации. Это связано с тем, что в известном устройстве пробег вагона можно определить только расчетным методом путем обработки информации о местоположении вагона по данным ГЛОНАСС/GPS. Однако, при этом неизбежно накопление ошибки вычисления пробега из-за погрешностей определения координат, которые резко возрастают в случае нарушения связи со спутниками при прохождении тоннелей, железнодорожных мостов, затенении антенны ГЛОНАСС/GPS соседним подвижным составом, зданиями и сооружениями инфраструктуры и пр. С учетом размещения устройства внизу вагона (на буксовом узле) вероятность затенения ГЛОНАСС/GPS весьма высокая.
2. Наличие в известном устройстве для электропитания источника питания, содержащего аккумулятор. Для грузовых вагонов установлены требования к температурному диапазону эксплуатации от (-40°)С до (+50°)С. При температуре ниже нуля емкость аккумулятора начинает резко снижаться, а при температурах ниже (-20°С) он теряет работоспособность. В то же время, аккумулятор будет потреблять от генератора значительную мощность для подзарядки, что при малой скорости вращения ротора генератора (небольшой скорости движения вагона) может привести к неработоспособности устройства в целом.
3. Использование для передачи данных радиомодема GSM ограничивает область применения устройства только районами с устойчивым покрытием сетями сотовой связи.
Для владельца (собственника) важнейшим параметром мониторинга, характеризующим остаточный ресурс рельсового транспортного средства и определяющим необходимость проведения его технического обслуживания, ремонта, утилизации, является пробег.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и надежности контроля пробега рельсового транспортного средства.
Технический результат достигается тем, что устройство мониторинга рельсового транспортного средства, содержит установленные в корпусе со съемной крышкой магнитоэлектрический генератор, механически соединенный с осью колесной пары, блок управления, блок хранения данных, блок передачи данных и блок определения местоположения, подключенный к блоку обработки данных, последовательно соединенные формирователь импульсов и счетчик импульсов, при этом выход магнитоэлектрического генератора по сигналу переменного напряжения связан с входом блока питания, выполненного с возможностью выпрямления и стабилизации выходного переменного напряжения магнитоэлектрического генератора, и с входом формирователя импульсов, выход которого связан с входом счетчика импульсов, выход которого связан с одним из входов блока обработки данных, другой вход блока обработки данных связан с выходом блока определения местоположения, а выход блока обработки данных связан с одним из входов блока хранения данных, другой вход которого связан с выходом блока управления, а выход - с блоком передачи данных, который по входу-выходу связан с блоком управления.
Устройство мониторинга, в котором в блоке передачи данных может быть использован проводной интерфейс и крышка снабжена соответствующим разъемом.
Устройство мониторинга, в котором в блоке передачи данных может быть использован беспроводной интерфейс, а крышка выполнена с возможностью обеспечения связи между блоком передачи данных и внешним принимающим устройством.
Устройство мониторинга, в котором блок передачи данных выполнен в виде радиомодема.
Устройство мониторинга, характеризующееся тем, что определение местоположения транспортного средства производится с использованием сигналов базовых станций GSM.
Сущность заявляемого изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства мониторинга рельсового транспортного средства, а на фиг. 2 - электрический сигнал на выходе фазных обмоток статора магнитоэлектрического генератора.
Устройство мониторинга рельсового транспортного средства размещается в отдельном корпусе со съемной крышкой, закрепленном на буксовом узле колесной пары рельсового транспортного средства и содержит магнитоэлектрический генератор (генератор) 1, блок питания 2, блок управления 3, блок обработки данных 4, блок определения местоположения 5, блок хранения данных 6, блок передачи данных 7, формирователь импульсов 8, счетчик импульсов 9. Формирователь импульсов 8 и счетчик импульсов 9 соединены последовательно, выход магнитоэлектрического генератора 1 по сигналу переменного напряжения связан с входом блока питания 2, и с входом формирователя импульсов 8. Выход формирователя импульсов 8 связан с входом счетчика импульсов 9, выход которого связан с одним из входов блока обработки данных 4. Другой вход блока обработки данных 4 связан с выходом блока определения местоположения 5, а выход блока обработки данных 4 связан с одним из входов блока хранения данных 6, другой вход которого связан с выходом блока управления 3. Выход блока обработки данных 4 связан с блоком передачи данных 7, который по входу-выходу и выходу-входу связан с блоком управления 3.
В одном из вариантов устройства в блоке передачи данных 4 используется проводной интерфейс (типа USB, CAN, RS-485 и т.п.), а крышка буксового узла содержит соответствующий разъем для подключения. В этом случае данные о пробеге рельсового транспортного средства и диагностическая информация считываются из блока хранения данных с помощью внешнего устройства (ноутбука, планшетного компьютера, смартфона, специализированного считывателя) при остановке рельсового транспортного средства на станции (в пункте обслуживания).
В другом варианте выполнения - в блоке передачи данных используется беспроводной интерфейс (типа Bluetooth, RFID, Wi-Fi и др.), а часть крышки корпуса устройства выполнена из радиопрозрачного материала для обеспечения связи между внешним устройством и блоком передачи данных. При этом данные о пробеге рельсового транспортного средства и диагностическая информация считываются из блока хранения данных с помощью внешнего устройства (ноутбука, планшетного компьютера, смартфона, специализированного считывателя) при остановке рельсового транспортного средства на станции (в пункте обслуживания).
В третьем варианте в блок передачи данных представляет собой радиомодем (типа DMR, WiFi, GSM и др.), при этом данные о пробеге рельсового транспортного средства и диагностическая информация передаются по радиоканалу.
Устройство мониторинга рельсового транспортного средства работает следующим образом.
При движении рельсового транспортного средства магнитоэлектрический генератор (генератор) 1, механически связанный с осью колесной пары, вырабатывает переменную ЭДС. Электрический сигнал на выходе фазных обмоток статора генератора 1 представляет собой квазигармоническое колебание (фиг. 2), количество периодов которого за один оборот колеса фиксировано и зависит только от конструкции генератора (количества полюсов-магнитов, размещенных на роторе и конфигурации обмоток статора).
Выходной сигнал переменного напряжения электромагнитного генератора 1 поступает на вход блока питания 2 и вход формирователя импульсов 8. В блоке питания 2 осуществляется преобразование переменного напряжения электрического тока в постоянное, которое используется для электропитания всех составных частей устройства.
В формирователе импульсов 8 выходной сигнал генератора преобразуется в последовательность импульсов, количество которых равно количеству периодов сигнала на выходе генератора. Счетчик импульсов 9 подсчитывает количество поступивших на него импульсов. Количество подсчитанных импульсов будет однозначно показывать число оборотов колеса за выбранный период.
Пробег вагона L определяется в блоке обработки данных 4 по формуле:
L=πD⋅n/к, где:
D - диаметр колеса по кругу катания;
n - количество импульсов, подсчитанных счетчиком;
к - коэффициент, определяющий количество периодов электрического сигнала на выходе генератора (количество импульсов на входе счетчика) за один оборот колеса.
Коэффициент - к, связывающий частоту переменного выходного напряжения генератора и частоту вращения колеса, параметр конкретного генератора. Можно оценить его как произведение количества магнитов (полюсов) ротора на количество зубцов (обмоток) статора генератора, деленное на два: k=n р/2, однако в многополюсных генераторах происходит наложение магнитных вихрей друг на друга, и основная гармоника выходного напряжения совсем необязательно будет соответствовать приведенной выше формуле - так что коэффициент определяется только конкретной конструкцией генератора.
При реализации заявляемого решения могут быть использованы электромагнитные генераторы, конструкции которых известны из патентов РФ №2381935 и 2627959, а также электромагнитные генераторы выпускаемые фирмой WagonTracker. Вырабатываемая электромагнитным генератором мощность зависит от частоты вращения оси колесной пары вагона. Например, при скорости движения 5 км/ч мощность электромагнитного генератора составляет не менее 8 вт, а при скорости 110 км/ч - не менее 40 Вт, что позволяет использовать его в качестве источника питания различных маломощных потребителей.
Точность измерения пробега определяется точностью предварительного измерения диаметра колеса. Диаметр колеса по кругу катания измеряется при установке устройства на рельсовое транспортное средство в депо (пункте технического обслуживания) и записывается в блок обработки в виде константы. В реальных условиях эксплуатации точность измерения диаметра колеса составляет ±0,5 мм, что соответствует относительной погрешности 0,05-0,06% или 5-6 км на 10000 км пробега
Результаты измерения пробега рельсового транспортного средства из блока обработки данных 4 поступают для записи в блок хранения данных 6, откуда по команде из блока управления 3 поступают в блок передачи данных 7 для дальнейшей передачи потребителю. Информационное сообщение содержит идентификационный номер рельсового транспортного средства, данные о пробеге и о местонахождении рельсового транспортного средства.
В одном варианте блока передачи данных 7 используется проводной интерфейс (типа USB, CAN, RS-485 и т.п.), а крышка корпуса устройства содержит соответствующий разъем, при этом данные о пробеге рельсового транспортного средства считываются из блока хранения данных 6 с помощью внешнего устройства (ноутбука, планшетного компьютера, смартфона, специализированного считывателя) при остановке рельсового транспортного средства на станции (в пункте обслуживания). С помощью внешнего устройства через разъем блока передачи данных 7 в блок управления 3 передается команда на считывания информации, блок управления 3 выдает соответствующую команду в блок хранения информации 6 для передачи информации о пробеге на внешнее устройство с помощью блока передачи данных 7.
В другом варианте в блоке передачи данных 7 используется беспроводной интерфейс (типа Bluetooth, RFID, Wi-Fi и др.), а часть крышки корпуса устройства выполнена из радиопрозрачного материала для обеспечения связи между внешним устройством и блоком передачи данных 7, при этом данные о пробеге рельсового транспортного средства и диагностическая информация считываются из блока хранения данных 6 с помощью внешнего устройства (ноутбука, планшетного компьютера, смартфона, специализированного считывателя) при остановке рельсового транспортного средства на станции (в пункте обслуживания).
В третьем варианте в блок передачи данных 7 представляет собой радиомодем (типа DMR, WiFi, GSM и др.), при этом команда на считывание и данные о пробеге рельсового транспортного средства передаются пользователям по радиоканалу по установленному протоколу. При отсутствии радиосвязи блок управления 3 обеспечивает запись данных, поступающих из блока обработки данных 4, в блок хранения данных 6. При восстановлении радиосвязи блок управления 3 выдает команду в блок передачи данных 7 на считывание информации из блока хранения данных 6 и передачу потребителям по радиоканалу.
Блок определения местоположения 5 осуществляет определение координат рельсового транспортного средства, которые в дальнейшем используются пользователями устройства для привязки результатов контроля пробега к карте железных дорог. Блок определения местоположения 5 может использовать сигналы ГЛОНАСС/GPS. В другом варианте устройства определение местоположения производится с использованием сигналов базовых станций GSM. Поскольку точный пробег рельсового транспортного средства определяется подсчетом количества оборотов колеса, определение местоположения достаточно производить с невысокой точностью по сигналам базовых станций.
Если рельсовое транспортное средство неподвижно, устройство не работает из-за отсутствия выходного напряжения источника питания. Данная особенность устройства не является недостатком, поскольку ресурс рельсового транспортного средства измеряется в километрах пробега и в покое не расходуется. Текущее положение рельсового транспортного средства в неподвижном состоянии определяется по последним данным, записанным в момент прекращения движения (остановки).
Таким образом, предлагается устройство мониторинга рельсового транспортного средства, которое позволяет повысить точность и надежность контроля пробега рельсового транспортного средства.