Применение моделирования для анализа тональных рельсовых цепей

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 сопротивлениеэкы. 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 5−277−957−4.
2. Системы автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты / В. С. Дмитриев, В. А. Минин. — М.: Транспорт, 1992. — 182 с. — ISBN 5−277−814−4.
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 5−901 267−63-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 5−277−1 433−0.
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 978−5-903 538−01−0.
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 0−13−32 374−8.
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: 5−06−623−9.
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 5−06−1 544−0.
Статья поступила в редакцию 18. 01. 2011-
представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой