Алгоритмы и устройства системы оповещения о приближении поезда по виброакустическим колебаниям рельса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Бибиков Сергей Викторович

• Бибиков Сергей Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бибиков Сергей Викторович

Введение

Глава 1. Аналитический обзор систем оповещения о приближении

поезда

1.1 Системы речевого оповещения с приоритетом роли оператора

1.2 Системы оповещения, использующие сигналы железнодорожной автоматики и телемеханики

1.3 Координатные системы оповещения

1.4 Переносные автономные системы оповещения с датчиками, соединенными с системой радиоканалом

1.5 Централизованные системы информирования и оповещения

1.6 Сосредоточенные дистанционные системы оповещения

1.7 Выводы по главе

1.8 Постановка задач диссертационного исследования

Глава 2. Разработка алгоритмов обнаружения сигнала приближающегося поезда

2.1 Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Нарастание амплитуды сигнала при приближении поезда

2.2 Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Источники виброакустических колебаний при приближении поезда

2.2.1 Регулярные источники шума приближающегося поезда

2.2.2 Нерегулярные источники шума движущегося поезда

2.2.2.1 Скрежет от подвижного состава при прохождении кривых

2.2.2.2 Удары о стыки

2.2.2.3 Волнообразный износ рельса

2.2.2.4 Неравномерность колес

2.3 Исследование свойств железнодорожного пути

2.4 Собственный шум рельса и помехи в точке установки системы оповещения на рельсе

2.5 Алгоритмы обнаружения приближающегося поезда

2.5.1 Полосно - энергетический алгоритм

2.5.2 Энтропийный алгоритм обнаружения сигнала поезда для повышенных шумов

2.5.3 Энтропийно - разностный алгоритм обнаружения поезда, движущегося по кривой

2.6 Выводы по главе

Глава 3. Структурная и принципиальная схема автономного устройства оповещения о приближении поезда

3.1 Структурная схема устройства оповещения с учетом внешних воздействий

3.2 Требования к оборудованию устройства оповещения о приближении поезда с учетом высокой функциональной безопасности

3.3 Разработка узла приема виброакустических колебаний рельса

3.4 Структурная схема устройства оповещения о приближении поезда

3.5 Описание принципов построения и работы устройства оповещения

3.6 Описание схемы электрической принципиальной

3.7 Результаты испытаний устройства оповещения «Сигнализатор-П»

3.8 Выводы по главе

Глава 4. Методика оценки функциональной безопасности устройства оповещения о приближении поезда

4.1 Обоснование безопасности принципов работы устройства оповещения о приближении поезда

4.2 Методика определения помехоустойчивости обнаружения поезда. Способы повышения помехоустойчивости

4.3 Расчет функциональной безопасности дублированной структуры устройства оповещения

4.4 Выводы по гл

Заключение

Литература

Приложение

Приложение

Введение

Системы оповещения о приближении поезда являются системами железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) и используются для обеспечения безопасности работающих на железнодорожных путях. Основные требования к системам оповещения на железных дорогах Российской Федерации жестко регламентированы стандартами РФ [38] и нормативными документами ОАО «РЖД» [106]. Общее количество станций в инфраструктуре ОАО «РЖД» на начало 2015 г. составляло 11633. На железных дорогах РФ системы оповещения установлены на 2409 станциях. Из них находятся в работоспособном состоянии - 2290 систем. Системами оповещения оборудованы только 13 перегонов.

Актуальность темы исследования. Рост интенсивности движения по железным дорогам привел к необходимости обслуживания путей без прекращения движения поездов. Выполнение работ на путях ОАО «РЖД» в таком режиме приводит к наездам поездов на работников, что является одним из основных источников их травматизма. Актуальность темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки высоконадежной системы оповещения о приближении поездов на перегонах, повышающей безопасность работы малочисленных бригад. Мероприятия по предупреждению наездов подвижного состава на работающих в зоне железнодорожных путей отражены в «Положении об обеспечении безопасной эксплуатации технических сооружений и устройств железных дорог при строительстве, реконструкции и (или) ремонте объектов инфраструктуры ОАО «РЖД» от 27.02.2012 г., №395-р.

Для оповещения работающих на станциях традиционно используются сообщения дежурного по станции по системе громкоговорящей связи, а на перегонах - ограждение мест работ сигналистами, которые оповещают руководителя работ с помощью носимых радиостанций. Указанные способы

оповещения по вине человеческого фактора имеют более высокую интенсивность отказов, чем автоматические средства.

В РФ на ряде станций в настоящее время безопасность работников обеспечивается стационарными автоматизированными системами оповещения, которые используют сигналы от существующих систем сигнализации-централизации-блокировки (СЦБ). Однако большинство средств СЦБ, введенных до 1990 года, не удовлетворяют современным требованиям комплексной автоматизации перевозок и сдерживают внедрение новых информационных технологий.

Инновационное развитие ОАО «РЖД» осуществляется в соответствии с задачами, которые определены «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года », утверждённой распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 г. №887-р, а также «Стратегическими направлениями научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года (Белая книга ОАО «РЖД »)» от 31 августа 2007 г., № 964 и «Концепцией единой технической политики холдинга «РЖД» от 18.07.2009 г., №64. Решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям (протокол от 03.08.2010 г., №4 п.4) перед ОАО «РЖД» поставлена задача разработки и реализации дополнительных программ инновационного развития, в особенности, систем обеспечения безопасности движения поездов и оповещения работающих на путях. Это, в свою очередь, привело к включению исследования и разработки переносной автономной системы оповещения в программу инновационного развития и план научно-технической работы ОАО «РЖД».

Степень разработанности темы исследования. Описание основных принципов построения перспективных и эксплуатируемых в РФ систем оповещения приведено в работах [1, 2, 3, 4, 6, 21, 34, 43, 46, 47, 72, 73, 74, 75, 79, 90, 81, 84, 93, 96, 99, 104, 105]. Проведенный анализ показал актуальность создания систем оповещения, не использующих сигналы СЦБ и не содержащих устройств радиосвязи. Наиболее перспективным методом

обнаружения приближающегося поезда является метод анализа виброакустических колебаний рельса.

В работах [77, 94, 103, 125] приведены исследования возникновения и распространения виброакустических колебаний в рельсе при движении поезда. Отечественная научная литература по этой теме представлена работами сотрудников ОАО «НИИАС» и отраслевых университетов [34, 57, 58, 59].

Задачи обнаружения сигнала и вопросы помехоустойчивости проработаны в статистической радиотехнике и радиолокации [63,100,101]. Однако принимаемый виброакустический сигнал приближающегося поезда имеет большую ширину полосы частот, малое отношение «сигнал - помеха», большую вариативность спектральных характеристик. Характеристики принимаемого сигнала и характер помехи могут существенно отличаться в зависимости от внешних условий, скорости и типа поезда. Актуальной стала разработка алгоритмов обнаружения приближающегося поезда по виброакустическим колебаниям рельса, обладающих высокой функциональной безопасностью (ФБ).

Поскольку все компоненты системы оповещения должны обладать высокой функциональной безопасностью, в том числе метод обнаружения приближающегося поезда, то для подтверждения ФБ необходимы расчеты параметров по научно обоснованной методике. Такой методики на момент проведения диссертационных исследований не существовало.

Автономное устройство оповещения о приближении поезда, разработанное на основе проведенных в диссертационной работе исследований, решает задачи обеспечения безопасности на перегонах рабочих малочисленных бригад и повышения производительности их труда.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является разработка алгоритмов и устройств системы оповещения о приближении поезда по виброакустическим

колебаниям рельса, повышающих функциональную безопасность системы оповещения.

Для достижения поставленной цели исследования в работе решены следующие задачи:

1. Исследование и сравнительный анализ принципов построения современных систем оповещения о приближении поезда.

2. Анализ виброакустических колебаний рельса, порождаемых приближающимся поездом, с целью выделения закономерностей и их классификации.

3. Разработка и исследование алгоритмов, повышающих надежность обнаружения приближающегося поезда.

4. Разработка и исследование устройства оповещения о приближении поезда с повышенной функциональной безопасностью.

5. Экспериментальная проверка устройства оповещения о приближении поезда в различных условиях эксплуатации, определение ограничений метода обнаружения.

6.Разработка методики и исследование функциональной безопасности устройства оповещения.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа, теории надежности, цифровой обработки сигнала, теории вероятности и математической статистики, методы анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.

Объектом исследования диссертационной работы являются системы оповещения о приближении поезда.

Предметом исследования диссертации являются алгоритмы и устройства систем оповещения о приближении поезда по виброакустическим колебаниям рельса, повышающие безопасность системы оповещения.

Научную новизну составляют следующие положения:

1. Разработан алгоритм обнаружения поезда по виброакустическим колебаниям рельса, отличающийся повышенной надежностью распознавания поезда, приближающегося по прямой в условиях повышенного среднего уровня шума.

2. Разработан алгоритм обнаружения поезда, отличающийся повышенной надежностью распознавания поезда, приближающегося по кривой.

3. Разработано автономное устройство оповещения, отличающееся использованием цепей самоконтроля положения на рельсе, взаимопроверки датчиков, каналов обработки сигналов и элементов акустической сигнализации для обеспечения высокой функциональной безопасности.

4. Разработана методика оценки функциональной безопасности автономного устройства оповещения, отличающаяся учетом помехоустойчивости алгоритмов обнаружения приближающегося поезда.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм обнаружения поезда, приближающегося по прямой, в условиях повышенного среднего уровня шума.

2. Алгоритм обнаружения поезда, приближающегося по кривой.

3. Функционально безопасное автономное устройство оповещения с цепями самоконтроля каналов обработки сигнала, датчиков и элементов акустической сигнализации.

4. Методика оценки функциональной безопасности дублированной структуры с учетом алгоритмов обнаружения поезда.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректным обоснованием постановок задач, точной формулировкой критериев, компьютерным моделированием, результатами

экспериментальных исследований, результатами эксплуатации серийно выпускаемых устройств оповещения «Сигнализатор-П».

Практическая ценность. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, используются на практике в составе устройства оповещения о приближении поезда «Сигнализатор-П».

Внедрение результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы внедрены при выполнении НИОКР «Рельс» между ООО «ЦРТ» и ОАО «РЖД» по разработке, изготовлению и вводу в эксплуатацию устройства оповещения «Сигнализатор-П». Устройство введено в постоянную эксплуатацию на Октябрьской железной дороге и выпускается серийно в ООО «ЦРТ» с 2012 г. Разработанная в диссертационной работе методика оценки функциональной безопасности дублированной структуры, а также оценка безопасности устройства оповещения «Сигнализатор-П» по разработанной методике прошли экспертизу по нормативным документам ОАО «РЖД».

Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре речевых информационных систем Университета ИТМО в курсе «Основы разработки программного обеспечения», при выполнении НИР №713554, этап 4: «Исследование алгоритмов, программных и аппаратных средств распознавания акустических и виброакустических образов различной природы» и НИР №340725 «Исследование и разработка методов повышения робастности алгоритмов автоматического распознавания русской слитной речи в условиях сложной акустической обстановки в режиме реального времени» (IDRFMEFI57514X0033).

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на VIII Международной конференции « Стратегия качества в промышленности и образовании» (2012г., Варна, Болгария), ХКШ и XLIV научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (2014г, 2015г., СПб), III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (2014г., 2015г., СПб), Межотраслевом Научно-техническом совете по проблемам систем оповещения (2012 г., Москва), IV Международной научно-практической конференции Некоммерческого

партнерства «Объединение производителей железнодорожной техники» (2013 г., Москва). Результаты диссертационной работы использовались при выполнении НИОКР «Рельс» (2012 г., ОАО «РЖД»), «Свирель» (2014г., ОАО «РЖД»).

Публикации по теме исследования. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ: 5 научных работ в изданиях из перечня ВАК [19 - 23], 7 научных работ в прочих изданиях [24 - 30]. Получен 1 патент РФ на полезную модель [31].

ГЛАВА 1. Аналитический обзор систем оповещения о приближении

поезда

Случаи наезда подвижного состава на работников, выполняющих работы на путях, являются одним из наиболее частых видов несчастных случаев. Одной из причин данных видов происшествий является заметно возросшая скорость движения поездов и уменьшение интервалов между поездами вследствие роста загруженности железных дорог, а также необходимость проведения работ без прекращения движения поездов. В большинстве случаев наряду с внешними факторами опасности имеют место нарушения требований системы охраны труда и техники безопасности работниками, выполняющими работы на путях.

Статистические данные за последние пять лет по травмам от наезда подвижного состава в 2007-2014 годах приведены в диаграмме на рис

2007 г 2008 г 2009 г 2010 г 2011 г 2012 г 2013 г 2014 г

Рисунок 1.1 - Статистика травматизма вследствие наезда подвижного состава на работников ОАО «РЖД»

Меры по обеспечению безопасных условий труда бригад, обслуживающих элементы инфраструктуры железной дороги, направлены на

совершенствование нормативный базы обеспечения безопасности при проведении работ, а также организацию разработки и ввода в эксплуатацию новых автоматизированных систем оповещения о приближении подвижного состава. Эти меры отражены в протоколах совещаний у старшего вице-президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича, у главного инженера Октябрьской ОАО «РЖД» В.И. Зиннера (№ НГ-29/пр от 02.02.09 г.) и у первого заместителя начальника департамента технической политики ОАО «РЖД» Ю.В. Митрохина (№ ЦТех-91/пр от 24.02.08 г.).За время выполнения диссертационной работы в нормативную базу вошли ГОСТ РФ[38], нормативные акты и отраслевые стандарты ОАО «РЖД»по безопасности.

Существует несколько способов решения задачи своевременного оповещения путевых бригад о приближении поезда:

1) речевое информирование о поездной обстановке дежурными по станциям через системы проводной связи;

2) ограждение места работ сигналистами, информирующими о приближении поезда руководителя работ по радиостанции;

3) использование в качестве источника оповещения сигналов рельсовых цепей и систем сигнализации - централизации - блокировки (СЦБ);

4) определение координат локомотива (GPS/ Глонасс) и места работ, передача координат на приемно-решающее устройство, формирующее сигналы оповещения;

5) ограждение места работ датчиками ближнего обнаружения поезда различных типов (виброакустических, ультразвуковых, оптических и др.) с радиопередатчиками, передающими по радиоканалу информацию о приближении поезда руководителю работ и на индивидуальные извещатели работников;

6) обнаружение приближающегося поезда по виброакустическим колебаниям рельса непосредственно на месте работ.

Далее приведен обзор систем оповещения о приближении поезда, реализующих вышеуказанные способы оповещения. Необходимость

систематизации и проведения более подробного обзора состояния проблемы вызвана тем, что обзоры, приведенные в [72, 73, 74, 104, 105], не являются системными и полными, а призваны подтвердить актуальность определенных научных исследований. Часть литературных источников перестала быть актуальной вследствие реализации программы развития ОАО «РЖД» на период до 2030 г. и существенного прогресса в области электроники и микропроцессорной техники.

1.1 Системы речевого оповещения с приоритетом роли оператора

Традиционно в ОАО «РЖД» использовались средства и системы, ориентированные на участие человека в процессе оповещения работников о приближении поезда. Возможно 2 варианта реализации подобных систем: стационарные станционные и автономные системы ограждения места работ.

Большинство железнодорожных станций России оборудовано системами двусторонней парковой связи громкоговорящего оповещения (ПСГО) [105]. ПСГО используется, прежде всего, как средство для передачи информации о маневровых передвижениях подвижного состава по станциям и ближайшим к станциям перегонам. Система ПСГО использует стационарные системы связи: проводные линии связи и громкоговорители. Как выяснилось в результате масштабной ревизии состояния технических средств ОАО «РЖД», большинство технических средств, введенных в эксплуатацию ранее 1990 г., практически непригодны для дальнейшей модернизации и увязки с новыми системами оповещения и управления движением поездов. Комплектующие для ремонта систем ПСГО также недоступны или не производятся.

При работах на перегонах используется принятый еще в СССР порядок ограждения места работ сигналистами, регламентируемый рядом нормативных документов ОАО «РЖД». Сигналисты располагаются по обе стороны от места работ, на безопасном расстоянии, которое жестко

определено нормативными документами ОАО «РЖД» и зависит от допустимой скорости приближающегося поезда на данном участке пути.

В системе дистанционного радио - громкоговорящего оповещения (СДРГО) «Элод-160М1», выпускаемой Владимирским заводом «Электроприбор-1», реализованы все функции, которые позволяют рассматривать ее как эффективную и надежную систему организации голосового оповещения и обеспечения безопасности работ. «Элод-160М1»является переносной, с автономным источником питания, при этом может использоваться в составе централизованной системы оповещения. Система удовлетворяет требованиям функциональной безопасности к системам оповещения о приближении подвижного состава, имеет функцию самоконтроля основных электрических цепей и работоспособности громкоговорителей. Руководитель работ может осуществить удаленный контроль состояния системы. Недостаток системы оповещения «Элод-160М1» в том, что она не является автоматизированной: сигналист замечает приближение поезда, нажимает кнопку на рации - радиосигнал поступает на принимающее устройство - вырабатывается сигнал оповещения. Несмотря на большую мощность и высокое звуковое давление громкоговорителей, в результате опытной эксплуатации с участием автора диссертационной работы, работниками на опНпе-форуме были высказаны пожелания дополнить систему оповещения индивидуальными извещателями для каждого работающего.

Следует отметить, что ежедневно работники во время проведения работ на железнодорожных путях подвергаются опасности. Сигналисты, обеспечивающие безопасность работающих на путях, согласно существующего регламента, слишком поздно замечают или вовсе пропускают приближение поездов. Потеря концентрации, переутомление, проблемы со здоровьем повышают риск пропуска момента своевременного оповещения о приближении поезда как со стороны сигналиста, так и со стороны дежурного по станции. Установлено, что травмы чаще возникают не

в результате аварий и крушений (до 3%), а в результате воздействия на работников опасных производственных факторов при обычном выполнении технологического процесса [62]. Это обстоятельство указывает на то, что многие технологические процессы железнодорожного транспорта несовершенны с точки зрения взаимодействия системы «человек — объекты инфраструктуры - подвижной состав». Многие ответственные задачи поручены человеку. В то же время, как показывают социологические исследования, человеческий фактор является самым слабым звеном системы. Вероятность отказа человеческого фактора составляет 10-4, что значительно

выше вероятности отказа технических систем (например, вероятность отказа

22

микроконтроллера составляет 10 ) [62].

Системы оповещения о приближении поезда, эксплуатируемые в настоящее время на железных дорогах России, являются групповыми и не нацелены на индивидуальное оповещение работников. Сигнал предупреждения об опасности и необходимости удалиться с путей на безопасное расстояние до работника, как правило, доводит сигналист, руководитель работ или дежурный по железнодорожной станции. Налицо человеческий фактор в ситуации с риском аварийной ситуации. Некоторые операции при обслуживании путей, например, обдув стрелок, выполняются вообще без сигналиста или в условиях ограниченной слышимости и видимости. Система обеспечения безопасности сводится к жесткому соблюдению требований нормативных документов. В указанных условиях работник не в состоянии оценить по факту обстановку на путях, что потенциально является источником риска.

1.2. Системы оповещения, использующие сигналы железнодорожной автоматики и телемеханики

Наибольшее распространение на железных дорогах России, Европы и Америки получили системы, использующие в качестве информации о

приближении поезда сигнал, получаемый из систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Железные дороги Европы и Америки более насыщены автоматикой, чем российские железные дороги. В ОАО «РЖД» в настоящее время широко применяется семейство систем оповещения «Сирена», разработанное в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте информатизации, автоматизации и связи железнодорожного транспорта (ОАО «НИИАС») [83,105]. Системы оповещения «Сирена» имеют различное исполнение и назначение. В настоящее время эксплуатируются и продолжают вводиться в эксплуатацию системы «Сирена-Р», «Сирена-СР», «Сирена-Ш», «Сирена-РЦ», «Сирена-РП». Системы «Сирена» построены на речевом и звуковом оповещении работников пути и других служб, производящих работы на перегоне, стрелочных переводах станций, оборудованных электрической централизацией, о движении поездов по данной стрелке или группе стрелок, входящих в зону оповещения. Система по средствам радиосвязи сообщает работникам, находящимся в районе стрелочного перевода, об отсутствии поездов, возможности производства работ на данном участке перегона или стрелке, о приближении поезда к месту работ на перегоне, стрелочном переводе и необходимости немедленного ухода работающих с путей на безопасное расстояние.

Разработанная в начале 2000-х специалистами МГУПС, РГОТУПС и Московской железной дороги система оповещения о приближении поезда на перегонах [1, 3, 72, 105], введена в опытную эксплуатацию. Система оповещения увязана с системами СЦБ, обеспечивает автоматическое включение оповещения о приближении поезда на заданном расстоянии к месту работ, обладает высокой надежностью, имеет постоянный контроль работоспособности системы и переходит в режим оповещения при различных неисправностях. Система использует заранее смонтированные устройства сопряжения с системами СЦБ. В качестве канала передачи

сигнала об оповещении используются радиостанции у сигналистов и руководителей работ.

На железных дорогах Японии применяются системы мобильной связи, в которых объединены две системы передачи сигналов: проводные линии связи и радиосвязи [105]. Подвижной состав фиксируется путем передачи сигнала с передатчика, установленного на подвижной единице или с поста централизации, на приемник ретранслятора, который в свою очередь посылает сигнал по радиоканалу на портативное устройство. Основным преимуществом данной системы является возможность оповещения о поездной обстановке работников, обслуживающих объекты инфраструктуры, при их передвижении по достаточно большому радиусу. Это особенно актуально для обеспечения безопасности операторов дефектоскопных тележек при проведении диагностических работ.

Рассмотренные выше системы также являются вспомогательными системами обеспечения безопасности, т.е. сохраняют существующий порядок ограждений производства работ на централизованных стрелках, участках пути в горловинах станций и на перегонах. Необходимость использования аппаратных средств СЦБ и дополнительных выходов через каждые 400-500 м для подключения к ним требует огромных материальных затрат. К тому же, средства СЦБ, введенные в действие до 1990 г., составляющие более 50% технического оснащения железных дорог России, не соответствуют уровню современных требований по безопасности, не могут быть интегрированы в современные системы оповещения и управления движением поездов и тормозят дальнейшее внедрение на железных дорогах современных средств автоматизации. Данная ситуация совершенно четко проявилась при принятии ГОСТ [38] и нормативных документов ОАО «РЖД» по безопасности в последние годы, и привела к естественному несоответствию существующих систем оповещения требованиям безопасности и новым нормативным документам.

Более того, системы оповещения, основанные на существующих устройствах СЦБ, неоптимальны с точки зрения эффективности. Так, большинство сигнальных устройств оповещения путевых ремонтных бригад, будь то световые стационарные сигнальные устройства или нестационарные внешние оповестительные системы, срабатывают за 10 минут до прибытия состава на место, где установлено устройство [62]. Если произвести подсчет времени, которое тратят люди, каждый раз ориентируясь по такому устройству, то получается следующий результат. Рабочий день продолжается 8 часов, а загруженность ж/д трассы - поезд через каждые 25 минут, имеем:

8часов ~ 19 маневров отвлечения от работ. Так как сигнал дается за 10 минут

25 минут

до приближения состава (а для полной безопасности работники именно за это время должны начать мероприятия по обеспечению безопасности), то получаем, что время, потраченное на нерабочие процедуры, равняется: 19 • 10 = 190 минут. То есть железнодорожная компания теряет 3 человека-часа из 8, что крайне неэффективно. В [8,9] указано наибольшее время упреждения системы оповещения, достаточное для выхода бригады с пути: 33 с. В нормативных документах время упреждения увеличено до 50 с. Поэтому принципиально необходимо устройство оповещения о приближении поезда с временем упреждения 50 с, регламентируемым нормативными документами по безопасности [106] и достаточным для свертывания инструмента и безопасного ухода работников с пути. Тогда потери составят всего 19 - 38 минут от рабочего дня. Но функциональная безопасность устройства с малым временем срабатывания должна быть очень высокой, что выражается в нормировании времени наработки на опасный отказ на уровне 10 ч, в соответствии с уровнем полноты безопасности 3 (Б1Ь3)согласно семейству ГОСТ Р МЭК 61508. Существующие устройства с таким временем срабатывания имеют ряд недостатков. Так, например, детектор, основанный на принципе замыкания блок - участка рельс колесной парой, может иметь

неоднозначное поведение на стыковых путях или выдать ложное срабатывание при замыкании рельсов бригадой путевых рабочих.

Существует очень важный недостаток любой распределенной системы оповещения с радиоканалом. Так как в ОАО «РЖД» доступен только один диапазон УКВ радиосвязи, то нет возможности организовать дублирующие радиоканалы с большим разносом частот, поэтому существующие устройства радиосвязи не обеспечивают необходимый уровень безопасности и принципиально не смогут его обеспечить.

1.3. Координатные системы оповещения

Специалистами ОАО «НИИАС» разработана координатная система контроля и оповещения [21, 46, 47, 72, 73, 74, 75, 83, 84, 105], см.рис.1.2, 1.3. Источниками информации о приближении подвижной единицы к месту работ являются датчики координат спутниковых навигационных системГЛОНАСС/GPS, установленные на локомотиве и на месте работ. Информация передается на сервер, который принимает решение об оповещении. В качестве канала передачи данных до конечных пользователей использованы радиотелефонные системы общего назначения GSM. Могут быть использованы и другие каналы связи, в частности, разрешенного в ОАО «РЖД» диапазона 160 МГц, и протокола «Те1га».

Рисунок 1.2 - Структурная схема координатной системы оповещения [74]

"-Зова приближения-*■

Рисунок 1.3 - Схема функционирования координатной системы оповещения [74]

Анализируя системы оповещения работников с позиции их увязки с системами СЦБ, можно сделать вывод, что большинство систем оповещения, постоянно эксплуатируемых в настоящее время на железных дорогах РФ, используют в качестве источника сигнала устройства СЦБ [21,105].

Преимуществом координатной системы контроля и оповещения является то, что она является самостоятельной, не функционирующей на

основе сигналов автоблокировки. Существенным недостатком данной системы являются отсутствие повсеместной зоны покрытия GSM и недостаточная функциональная безопасность серийных устройств GSM. Вторым существенным недостатком является низкая помехоустойчивость приема и вычисления координат устройством навигации при установке его на локомотиве - уровень электромагнитного излучения от искр контактной сети и помехи от возвратных токов локомотива достаточно высоки.

1.4. Переносные автономные системы оповещения с датчиками, соединенными с системой радиоканалом

Системы оповещения, не зависящие от СЦБ, применяются преимущественно на перегонах в случае отсутствия возможности подключения к сигналам СЦБ. К ним относится автоматизированная система оповещения (АСО) СОРЖ, разработанная ОАО «НИИАС» совместно с Владимирским заводом «Электроприбор-1» и показанная на рис. 1.4[4]:

Рисунок 1.4 - Функциональная схема системы оповещения СОРЖ[4]

Очевидные недостатки системы - большое количество компонент, особенно датчиков обнаружения поезда (ДОП) и наличие радиоканала, который является потенциальным источником опасных отказов.

Для железных дорог Германии компанией Schweizer Electronic (Швейцария) был разработан комплекс систем по обеспечению безопасности работающих на путях. Ввиду больших скоростей движения поездов на Германских железных дорогах вопросы обеспечения безопасности движения являются основными. Одним из самых популярных является линейка систем Minimel [21, 105]. В системах используются датчики ближнего обнаружения поезда, устройства проводной и радиосвязи, а так же система увязки с устройствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Системы могут быть сконфигурированы как автоматические, управляемые сигналами или ручного управления.

С середины 2010 г. в Германии безопасность работ на путях обеспечивается с помощью системы предупреждения на основе радиосвязи Autoprowa фирмы ZÖLLNER [21, 105]. Autoprowa является автоматической системой оповещения лиц, работающих на железнодорожных путях. Она состоит из блока управления, блока оповещения, датчиков обнаружения поезда, радиомодулей и других компонентов. Модули могут соединяться кабелями либо обмениваться сигналами по радиоканалу. В ноябре 2008 г испытания системы Autoprowa прошли на Октябрьской железной дороге. Выявлены такие недостатки, как небольшая мощность звукового сигнала и отсутствие элементов обогрева датчиков. Функционально и конструктивно Autoprowa не в состоянии обеспечить оповещение операторов дефектоскопных тележек. Модули системы не являются переносными и не подходят для применения малочисленной ремонтной бригадой. Используемые датчики обеих систем Minimel и Autoprowa срабатывают либо за 70-100 м до поезда, либо в момент наезда поезда на место установки датчика, что приводит к большой дальности ограждения датчиками участка работ. Наличие радиоканала между датчиком и основным блоком также

является потенциальным источником снижения функциональной безопасности.

Схемы функционирования систем М1ште1 и Ли1юрго,№а приведены на рис

Рисунок 1.5 - Схема применения автономных систем оповещения на однопутном перегоне: справа и слева на расстоянии до 2 км от места работ -сигналисты и датчики обнаружения поезда (1), основной блок формирования сигнала оповещения (2), индивидуальное устройство оповещения у руководителя работ (3)

1.5. Централизованные системы информирования и оповещения

Несмотря на многократные попытки создать единую систему управления движением поездов, информирования пассажиров и оповещения работников о поездной обстановке, ситуация сдвинулась только в 2010 г. Система ЦИСОП (Централизованная информационная система оповещения пассажиров) создана и введена в опытную эксплуатацию [79, 93]. Создание ЦИСОП обусловлено современными требованиями по безопасности оповещения, как пассажиров, так и работающих на путях, особенно на участках высокоскоростного движения, необходимостью централизации и автоматизации процессов оповещения и информирования, необходимостью унифицированных решений, реализующих требования к системе при

минимуме стоимости. Любой участок интегральной системы «ЦИСОП» может быть спроектирован с необходимым уровнем функциональной безопасности, при условии дублирования источников сигнала приближения поезда, решающих устройств, каналов связи и сигнализирующих устройств. А это существенно поднимает стоимость системы. Конечной целью ОАО «РЖД», естественно, являются централизованные автоматизированные системы управления движением поездов и оповещения. Но для достижения высокой функциональной безопасности необходимо дублировать источники информации о поездной активности.

1.6. Сосредоточенные дистанционные системы оповещения

Одним из перспективных с точки зрения возможности реализации на современной электронной базе и обеспечения требуемой безопасности, является метод обнаружения приближающегося поезда по распространяющимся вперед виброакустическим колебаниям рельса, возникающим при движении поезда. За рубежом оформлено более 10 патентов на системы оповещения, использующие виброакустические колебания рельса, в РФ - 5. Только 3 системы в соответствии с патентами являются сосредоточенными [1, 2, 31, 81], т.е. не содержат радиоканала между датчиком (узлом, устройством) обнаружения поезда и устройством сигнализации. И до недавних пор не существовало ни одного разрешенного к эксплуатации в ОАО «РЖД» автономного автоматического переносного устройства оповещения. Схема применения автономного устройства оповещения приведена на рис

Рисунок 1.6 - Схема применения автономного устройства оповещения

1.7. Выводы по главе

Сравнение некоторых из вышеупомянутых систем оповещения о приближении поезда, удовлетворяющих требованиям нормативных документов [38, 105] и введенных в эксплуатацию в ОАО «РЖД», приведено в таблице

Основные выводы по главе.

1. Использование человеческого фактора в процессе оповещения о приближении поезда необходимо избегать. Если это невозможно по нормативным документам, его нужно дублировать автоматизированной системой.

2. Использование устройств СЦБ для формирования сигналов оповещения на перегонах - затратное мероприятие, приводящее к низкой функциональной безопасности результирующей системы оповещения, особенно в случае использования старых устройств СЦБ.

3. Недостатки зарубежных и отечественных систем оповещения с GPS/Глонасс заключаются в недостаточной функциональной безопасности приемников спутникового сигнала при воздействии электромагнитных импульсов от контактной сети и электромагнитного излучения при прохождении возвратного тока.

4. Использование одного радиоканала, включая GSM или разрешенные диапазоны частот ОАО «РЖД», является источником скрытого риска потери

связи и возникновения аварийной ситуации, так как железная дорога -источник мощных электромагнитных помех. Единственный выход -дублирование каналов связи в далеко разнесенных частотных диапазонах (как в Японии).

5. ОАО «РЖД» перестраивает структуру подразделений. Необходимо разграничение зон ответственности подразделений за безотказную работу введенных в эксплуатацию устройств. Холдингу была бы интересна система оповещения, находящаяся в зоне ответственности только одного подразделения. Например, в основе работоспособности системы «Сирена» заложено бесперебойное функционирование устройств СЦБ (Служба автоматики и телемеханики дирекции инфраструктуры) и радиосвязи (Дирекция связи).

6. Большинство описанных выше проблем решает автономное сосредоточенное устройство оповещения, использующее виброакустический метод обнаружения приближающегося поезда.

7. Все существующие и внедряемые системы оповещения о приближении поезда на перегоне повышают безопасность работающих на путях, но пока еще не отменяют существующий порядок ограждения места работ сигналистами согласно нормативным документам.

Таблица 1. 1 -Сравнение систем оповещения о приближении поезда

ХАРАКТЕРИСТИКИСИСТЕМОПОВЕЩЕНИЯ

Критерии сравнения: СИРЕНА-СР СИРЕНА-РП МШМЕЬ95 СОРЖ Координатная система контроля и оповещения

Разработчик ВНИИАС ВНИИАС Швейцария ВНИИАС ВНИИАС

Наличие аппаратуры:

- стационарной + + + + - нет необходимости

- напольной + + + + - нет необходимости

- локомотивной - - - - +

- мобильной + + + + +

Диапазондействия оборудованный участок оборудованный участок оборудованный участок зона радиосвязи Влюбом местена линиях, движения локомотивов, оборудованных КЛУБ-У* с функцией оповещения

Типсигналаоповещения:

- световой - - 0 - +

- звуковой + + + + +

- речевой + + + + +

Использование:

- проводныхлиний + + + - нет необходимости

- радиоканала + + + + +

- спутник.навигации - - - - +

Продолжение Таблицы

Возможностьпередачи команд

с пути напоезд - - - - +

Наличиеувязкис устройствами СЦБ + + + - - нет необходимости

Возможность работы на + - (перегон по ТЗ) + + +

станции

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы и устройства системы оповещения о приближении поезда по виброакустическим колебаниям рельса»

Возможность работы на + + + +

перегоне

Автоматическая передача + + + +

сигналов оповещения

Ручная передача сигналов + + + + +

оповещения

Количество оборудованных 30 1 1 1

станций

Количество работоспособных 14 1 1 1

систем

Клуб-У - локомотивное устройство блокировки рельсовой цепи. Составная часть существующей системы СЦБ.

1.8. Постановка задач диссертационного исследования

Таким образом, перед автором диссертационного исследования были поставлены задачи исследования и разработки автономной переносной сосредоточенной функционально безопасной системы оповещения путевых работников о приближении поезда на перегоне, полностью независимой от систем СЦБ и радиосвязи.

Поскольку предметная область диссертационного исследования слабо проработана, а была необходимость получить результат в виде приемлемого по многим критериям решения за короткое время, применен предметно -ориентированный подход к проектированию системы оповещения [107]. Преимущество подхода в сравнении с известными методами проектирования и решения изобретательских задач - в четком своде правил по декомпозиции целей и предметной области, позволяющих быстро определить и ограничить разумное количество связей системы, характеризующих текущий уровень абстракции.

Предложенное решение системы оповещения идентифицирует приближающийся поезд путем обнаружения специфических виброакустических колебаний, порождаемых зоной контакта рельсов и колес вагонов. За основу определяемых сигналов были приняты волны Лэмба, которые связаны с волноводным механизмом распространения колебаний [66]. Поезд должен обнаруживаться за время Та = 50 с до его проезда по месту установки системы оповещения. Системе также необходимо время Т„ на обработку сигнала и принятие решения, 5 с минимум. Диапазон скоростей поезда - 25 -140 км/ч. Следовательно, расстояние от точки на рельсе, которой достиг поезд, до точки установки изделия на рельсе должно быть не менее:

5 = (Та + Т) • V, (1.1)

где V- скорость движения поезда, для скорости 140 км/ч (~ 40 м/с ): 5 = (50+5) с40 м/с = 2200 м.

Решение о приближении поезда и включение сигналов оповещения должно быть принято на расстоянии:

Бл = та- V, Бл = 50с • 40 м/с = 2000 м. (1.2)

Время распространения виброакустических колебаний от приближающегося поезда по рельсу составляет:

Тр= Б/ К= 2200 / 5000 = 0,4 (с) и может не учитываться. Здесь V - скорость распространения волны Лэмба в стали, приблизительно составляет 5000 м/с (минимум, для твердых сталей -до 6000 м/с).

При расстоянии между приближающимся поездом и сигнализатором более 2000 м допустимо считать рельсы и прилегающие к ним элементы строения пути длинной линией с потерями, с точки зрения распространения в них виброакустических колебаний.

Представим поезд как источник сообщения о своем приближении в виде виброакустических колебаний, рельс - как длинную линию передачи этих колебаний с неоднородностями и затуханием. В точке установки сигнализатора существует естественный виброакустический шум, возможны помехи от различных источников неакустического происхождения (рельсовые цепи, контактная сеть). Задача сигнализатора - обнаружить и идентифицировать виброакустический сигнал, содержащий сообщение о приближении поезда на фоне шума, путем приема, усиления, преобразования виброакустических колебаний и анализа виброакустического сигнала.

Имеет смысл принять следующую терминологию:

- виброакустические колебания возникают вследствие взаимодействия колеса и рельса, передаются по воздуху, рельсу и элементам строения пути во всех направлениях, в том числе и по направлению к виброакустическому датчику,

- виброакустический сигнал является электрическим и появляется в точке установки изделия после преобразования виброакустических колебаний виброакустическим датчиком.

Для успешного выбора алгоритма обнаружения необходимо понимание физических основ следующих составляющих:

• источников виброакустических колебаний, возникающих при взаимодействии колесных пар приближающегося подвижного состава с рельсами, в том числе при прохождении кривых;

• рельса и окружающего его участка строения пути между приближающимся поездом и местом установки изделия, как линии передачи виброакустических колебаний;

• классификации естественного виброакустического шумового сигнала и помех (при отсутствии приближающегося подвижного состава) в точке установки сигнализатора;

• неидеальность узла преобразования виброакустических колебаний в электрические, определяемые конструкцией узла и материалами. Несмотря на то, что эти потери меньше, чем потери распространения виброакустических колебаний по рельсу и прилегающим элементам строения пути, игнорировать их нельзя.

Исходя из необходимости анализа этих составляющих, сформулированы задачи:

• определить все физические источники виброакустических колебаний, которые производит приближающийся поезд, в том числе при прохождении кривых;

• найти и понять в результате теоретического анализа и анализа экспериментальных данных специфические черты источников, облегчающие декомпозицию задачи идентификации приближающегося поезда.

• теоретически и экспериментально определить свойства рельсового пути и прилегающего к нему участка строения пути, как линии передачи виброакустических колебаний, определить набор спектральных компонент виброакустических колебаний, которые распространяются вдоль рельсового пути;

• понять, какие специфические свойства виброакустического сигнала могут однозначно свидетельствовать о приближении поезда, при условии приема сигнала в точке установки системы оповещения на рельсе, для различных участков пути и разных погодных условий;

• проанализировать шумовой сигнал и все источники помех в точке установки изделия на шейке рельса при отсутствии движения подвижного состава по контролируемому пути;

• проанализировать пути реализации и обосновать выбор алгоритмов для решения задачи идентификации каждого из специфических свойств сигнала приближающегося поезда.

Следующий круг задач относится к аппаратной реализации системы оповещения. Это может осуществлено не ранее, чем будут выбраны алгоритмы для обнаружения приближающегося поезда. В процессе выбора структурной схемы системы необходимо проанализировать и оценить предельные и реализуемые параметры функциональной безопасности с точки зрения работоспособности метода обнаружения, примененных алгоритмов обнаружения, достаточности резервирования структурных элементов (каналов, элементов сигнализации) и организации перекрестных связей для самопроверки работоспособности системы.

На момент начала диссертационных исследований не существовало методики расчета и доказательства безопасности для устройств с высокой функциональной безопасностью (время наработки на опасный отказ - не менее 10 ч, запаздывание сигнала оповещения считается опасным отказом), содержащей сложный обнаружитель сигнала, в условиях всевозможных мешающих воздействий, когда принятие решения по обнаружению сигнала и является показателем функциональной безопасности системы. В результате диссертационных исследований выявилась необходимость разработки и обоснования корректности такой методики.

ГЛАВА 2. Разработка алгоритмов обнаружения сигнала приближающегося поезда

Данный раздел посвящен вопросам разработки алгоритмов обнаружения приближающегося поезда по виброакустическим колебаниям рельса. Задачу обнаружения поезда можно рассматривать как задачу обнаружения разладки случайного процесса. Под разладкой понимается изменение свойств случайного процесса. Наиболее распространенные виды разладки - изменение математического ожидания (изменение энергии) и изменение дисперсии (изменение свойств распределения случайного процесса).

Для разработки алгоритмов обнаружения приближающегося поезда необходимо проанализировать фонограммы, записанные на железнодорожных путях при движении поездов, и выделить специфические признаки сигнала приближающегося поезда.

В процессе разработки опытного образца системы оповещения в 2008 -2010 гг. было записано и исследовано 287 файлов фонограмм с различных мест на путях Октябрьской железной дороги. С помощью готового опытного образца и серийных экземпляров устройства оповещения «Сигнализатор-П» было записано и исследовано еще 218 файлов, большинство на Октябрьской железной дороге, 22 - в Казахстане.

2.1 Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда. Нарастание амплитуды сигнала при приближении поезда

Шум приближения поезда отличается от других источников виброакустических колебаний специфическим нарастанием, зависящим от расстояния до поезда, скорости поезда и качества рельсового пути. Нарастание определяет первый подход к обнаружению разладки - изменение математического ожидания временного ряда (или математического ожидания

отдельных спектральных групп). Зависимость амплитуды сигнала от расстояния до поезда установлена экспериментально:

Л = к А (2.1)

где А - амплитуда сигнала в точке установки датчика, А0-исходная амплитуда сигнала в точке нахождения поезда, Б- расстояние до поезда, К -коэффициент качества пути [21].

При приближении поезда, расстояние до поезда Б в каждый момент времени можно представить как:

Б = Б0 - V • г,

а выражение (2.1 ) примет вид

где Б0 - условное начальное расстояние от датчика до поезда, на котором сигнал становится различимым, V- скорость поезда, г - текущее время. Коэффициент К является функцией частоты: К = К (/), (2.3)

так как рельсовый путь обладает резонансной структурой и различными свойствами для виброакустических колебаний разных частот.

Диапазон скоростей поезда 25 - 140 км/ч. Рассмотрим внимательнее (2.2). Для этого запишем его в виде [21]

, к А

А = (2.4)

У - г)

V

где Б0/Ув в (2.4) имеет размерность времени. Пусть это будет время захвата сигнала. За это время до наезда поезда на место установки датчика должно произойти первичное обнаружение сигнала, характеристики которого схожи с сигналом приближения поезда, и должен быть включен алгоритм уточнения принятия решения об оповещении. При фиксации времени захвата сигнала: чем выше скорость приближения поезда, тем дальше от поезда

датчик должен захватить сигнал, и тем быстрее необходимо принимать решение. К специфическим характеристикам сигнала можно отнести его нарастание по закону К/(1С-1), где 1С - время захвата сигнала.

Ввиду различных свойств пути, для разных частот нарастание различных полос частот по мере приближения поезда происходит с разными коэффициентами, согласно (2.3). Но закон нарастания каждой группы спектральных компонент остается одинаков на временном отрезке от момента захвата сигнала до момента подачи сигнала «Оповещение», естественно, при условии сохранения той же структуры и свойств самого рельсового пути. Эту особенность можно принять в качестве отличительной черты сигнала приближающегося поезда, не зависящей от типа поезда, типа пути и погодных условий: закон нарастания (форма кривой) всех спектральных групп одинаков, масштабный коэффициент отличается.

2.2. Анализ специфических свойств сигнала приближающегося поезда.

Источники виброакустических колебаний при приближении поезда

Вопрос источников возникновения виброакустических колебаний поездов хорошо изучен в промышленной акустике, так как с шумами на железной дороге в мире более ста лет ведется активная борьба [77, 125]. Исследование производится по стандартизованным методикам. Например, уровень шума, излучаемого поездом, измеряется в воздухе на расстоянии 25 м от оси пути и на высоте 3,5 м с помощью системы микрофонов [77]. Ряд предметных областей исследования шума подвижного состава непосредственно близки к задаче обнаружения приближающегося поезда. Это исследования шума качения колесных пар по рельсам, проскальзывания колесных пар, периодического стука дефектов колесных пар, удара колес о стыки, изменение характера виброакустических колебаний при движении по кривой. Тем не менее есть существенные отличия, связанные с необходимостью обнаружения виброакустических колебаний,

распространяющихся на большие расстояния, с частотой выше 10000 Гц [22]. Данный частотный диапазон не исследуется промышленной акустикой.

Задачи диссертационного исследования - понять:

• как образуются виброакустические колебания,

• какие виброакустические колебания (ВК) рельс пропускает в себя из зоны контакта колеса с рельсом,

• для каких ВК рельс и элементы строения пути, как волновод, обеспечивают распространение на большое расстояние,

• какие ВК не рассеялись при распространении по рельсу в элементах строения пути и не переизлучены в воздух.

Условия для распространения ВК на большое расстояние:

• достаточная амплитуда ВК в исходной точке их появления, которой считается поверхность головки рельса,

• распространение ВК вглубь рельса с его поверхности. В радиотехнике подобная задача решается с помощью теории согласования импедансов, ее с успехом можно применить к механике,

• определенные полосы частот, определяемые геометрией рельса и элементами строения пути,

• отсутствие неоднородностей пути (искусственные сооружения, стрелочные переводы и т.д.). Они нарушают структуру волновода, которым являются рельсы и элементы строения пути, при распространении виброакустических колебаний [22].

Источники шума движущегося поезда известны [22, 77] и их можно разделить на 2 группы:

- регулярные: шум качения пары «колесо-рельс»,тяговый шум, аэродинамический шум;

- нерегулярные: определяются типом пути, типом и состоянием подвижного состава. К ним относятся стук колесной пары о стыки, удары и шум, вызванные дефектами окружности обода колеса и рельса, скрежет при

прохождении поездами кривых, шумы двигателей, трансмиссии, грохот элементов конструкции вагонов.

2.2.1 Регулярные источники шума приближающегося поезда

Экспериментально установлено, согласно стандартизованной методике измерения шума [22, 77], что аэродинамический шум, создаваемый движущимся медленнее 200 км/ч поездом, практически не проникает в рельс, затухает при распространении в воздухе и не воздействует на виброакустический датчик, установленный на рельсе, если расстояние до приближающегося поезда более 1 км.

Шум качения (см. рис 2.1.) является доминирующим источником шума в большом диапазоне скоростей. Его уровень возрастает с увеличением скорости поезда V с коэффициентом приблизительно 30^У, то есть увеличение на 9 дБ уровня звука происходит при удвоении скорости[125].

Рисунок 2.1 - Иллюстрация механизма образования шума качения [125]

Рисунок 2.2 - Схема механизма образования шума от контактного взаимодействия колеса и рельса [125]: Q - осевая нагрузка, Н; h -неровности, м; N - подводимая мощность к пятну контакта, кВт; Р - звуковое давление; и - колебание поверхности колеса и рельса; 2- импеданс соответствующей части

Тяговый шум (шум двигателя и трансмиссии) намного меньше зависит от скорости поезда, он часто доминирует на низких скоростях (10-30 км/ч). Шум качения, в свою очередь, состоит из 2-х составляющих: шума взаимодействия шероховатостей колеса и рельса в зоне их контакта, и шума микропроскальзывания, или «крипа» (рис.2.2). Г. Герц доказал, что зона контакта качения между двумя неконформными телами имеет эллиптическую форму. Картер ввел понятие крипа, микропроскальзывания, между рельсом и колесом. Существуют программные комплексы, которые позволяют достаточно достоверно рассчитать возникновение шума в различных ситуациях и его распространение вдоль рельсового пути. Есть ряд

опубликованных обобщенных результатов, полученных с их помощью и подвергнутых сопоставлению с экспериментальными данными. Но данные касаются только частот колебаний ниже 5000 Гц.

Установлено [57, 58, 125], что основным фактором, влияющим на звукообразование локомотива, является система «колесо-рельс», которую можно показать в виде 3-х составляющих:

• собственно область контакта, формирующая акустические возмущения;

• рельс, как излучатель звука;

• колесо, как излучатель звука.

Звук, генерируемый контактным взаимодействием колеса и рельса в окружающее пространство, передается их колеблющимися поверхностями и от каждого из этих элементов системы может быть показан в виде выражения:

Р = Sp • • ^, (2.5)

где: 8Р - спектральная плотность функции источника возмущения (в данном случае функция возмущения в контакте взаимодействия колеса с рельсом),

Т- коэффициент передачи от источника возмущения в смежные среды - воздух, рельс, колесо,

Ым, - коэффициент излучения колебаний в окружающую среду (в воздух) от колеса и рельса.

В работе [125], где приводится формула (2.5), значения коэффициентов Т^ и N используются для качественного оценивания предлагаемых конструктивных решений, направленных на снижение шума качения. Поэтому они в данном случае приводятся в самом общем виде, т.к. точное их определение - весьма сложная задача, имеющая самостоятельный интерес. В общем виде они зависят от частоты.

На основании (2.5) спектральную плотность виброакустических колебаний рельса, вызванных приближающимся поездом, в точке установки виброакустического датчика можно определить выражением:

Рр = 8р ТрЫр(Ь) + О, (2.6)

где:

Бр - спектральная плотность функции источника возмущения,

Тр - коэффициент передачи от источника возмущения в рельс, зависит от

частоты колебаний,

Ир(Ь) - коэффициент передачи колебаний по рельсу, учитывающий волноводные свойства рельса и затухание, зависит в общем случае от частоты колебаний и расстояния до приближающегося поезда, О - спектральная плотность аддитивного шума, не связанного с приближением поезда, в точке установки датчика обнаружителя.

Область контакта колеса и рельса представляет собой «контакт несогласованных по форме тел». При этом контактная площадка между колесом и рельсом имеет небольшой размер, примерно 12*18мм, и имеет форму, близкую к эллипсу [57, 58, 59, 125]. Размер площадки важен для оценки фазовых соотношений сигнала при определении соотношения элементов излучения и обнаружения.

Поверхности колеса и рельса являются негладкими. Это предполагает учет поверхностных микронеровностей, которые порождают неполное прилегание поверхностей контакта и, соответственно, резкие локальные изменения контактных давлений.

Причинами появления звука считаются изменения силового взаимодействия в области контакта, вызванные контактом неровностей поверхности рельса и круга катания колеса. При этом по терминологии Международного союза железных дорог выделены три группы таких неровностей:

• очень короткие с длиной волны =0,03.. .0,08 м;

• короткие с длиной волны =0,08.0,3 м, обусловленные преимущественно проскальзыванием и прокаткой колес;

• длинные с длиной волны =0,6.2,3 м, обусловленные прокаткой и правкой рельсов [77].

При качении без тягового усилия и трения в буксах, при упругой деформации колеса и рельса в зоне контакта, линия максимального нагружения проходит через точку, образованную вертикальным диаметром круга катания колеса и рельсом. При появлении тягового усилия линия максимального нагружения смещается от этой точки вперед, в сторону движения поезда, а при отсутствии тягового усилия на оси колеса и большом трении в буксах она будет смещаться назад. На границе зоны сцепления при повороте колеса происходит постепенное уменьшение нагружения и микропроскальзывание.

В области сцепления скорости микропроскальзывания Sx и 8у будут равны [58]:

^ = ^ = 0, (2.7)

результирующие касательные напряжения не должны превышать предельной величины, т.е.

\я( х, у)| — о (х, у), (2.8)

а в области проскальзывания

х, у) = цПо( X, у), (2.9)

где ^ - коэффициент предельного трения.

Рисунок 2.3 - Спектр периодически повторяющихся импульсов [58]

Для области качения предполагаемая функция нагружения может быть для упрощения представлена в виде периодически повторяющихся импульсов, при этом спектр ее будет иметь вид ( рис. 2.3) [58]:

А <»

КО + Е (А ^ + В 81и .

2 V=1

(2.10)

где

А = 2 /; А = = 2 /Ц

^)

w t

V I

Здесь /1 = т - основная частота или скорость повторения процесса; V -переменный индекс. Коэффициент В=0, т.к. функция s(t)- четная, т.е. s (t)

При очень маленькой длительности импульса спектральные амплитуды для всех гармоник одинаковы и равны постоянной величине [58].

Другая функция (рис.2.4) соответствует области скольжения.

Рисунок 2.4 - Спектр периодически повторяющихся пилообразных импульсов [58]

Характер возмущения обусловлен сдвиговыми деформациями вплоть до срезания. Они проявляются в тангенциальном направлении. Функция описывается выражением (2.11) [57].

Г 1 л

,0 ^ и < Т. (2.11)

1-1 Т

V 1 У

) = и

Коэффициенты Фурье равны:

А и0 . . п 2и0 Тт - и . . и0 V = ^ А = 0 В =~Т 81П( ^) * = —, (2.12)

2 2 Т 0 Т

т.е. коэффициенты В, уменьшаются обратно пропорционально номеру гармоники, как показано на рис.2.4.

Из вышесказанного можно сделать 3 важных вывода:

1) амплитуда гармоник падает с ростом номера гармоники, причем нелинейно, для обеих составляющих шума качения;

2) при уменьшении размера шероховатости поверхности уменьшится период Т для обеих компонент, что, в соответствии с (2.10) и (2.12), вызовет перенос спектра шума качения в область более высоких частот;

3) расчет спектра шума качения от характера шероховатости никогда не делался и представляет собой сложную задачу.

С целью расчета параметров ио, и, Тв определены размеры зон сцепления и скольжения в области контакта колеса и рельса. Зона скольжения находится от оси площадки размером 12 х 18 мм на расстоянии 4,78 мм, т.е. зона сцепления равняется 13,2 мм [57, 58]. Допущения на уровне модели Герца позволяют не только качественно оценить приведенные расчеты, но вместе с тем позволяют сделать вывод о том, что при анализе звукообразования «вперед», для сигнала, который требуется обнаружить, шум качения, без скольжения, является доминирующим.

Второй важный вывод, сделанный автором: направление силы нагружения на пограничной с точки зрения проскальзывания линии контакта в случае тягового нагружения имеет небольшой вектор в сторону, обратную движению поезда. Колесо сначала деформируется, сжимается вблизи зоны контакта в результате нагружения, а затем отталкивается от рельса в момент срыва в микропроскальзывание. Зона сцепления сосредоточена вокруг точки, образованной вертикальным диаметром колеса. Граничная линия

микропроскальзывания находится сзади по отношению к зоне сцепления и направлению движения. Именно поэтому, несмотря на то, что шум крипа ясно слышен при проезде груженого товарного состава, он практически отсутствует на фонограммах при приближении поезда, но зато явно виден на фонограммах при удалении поезда. Спектры на участках фонограммы при приближении и удалении поезда различны как по форме огибающей, так и по преобладающим спектральным компонентам. На приближении доминирует шум качения, на удалении - шум крипа. Это крайне важно для выключения системы оповещения.

При рассмотрении ситуации движения под небольшим углом к горизонтальной плоскости, в любую из сторон, картина в целом остается без изменений, но амплитуда сигнала возрастает. При движении с небольшим уклоном (под горку) появляется вектор в сторону движения для распространения шума качения вглубь рельса, и шум возрастает в десятки раз. При движении по участкам с уклоном в горку обычно включают дополнительное тяговое усилие, что также приводит к увеличению интенсивности шума качения.

На ряде фонограмм нарастание шума качения приближающегося поезда происходит в виде резких скачков амплитуды. Резкие скачки амплитуды сигнала свойственны, прежде всего, неоднородностям пути. Объяснение более плавным изменениям амплитуды удалось получить в результате прослушивания фонограмм движения электричек с экспериментальных электромагнитных датчиков: отчетливо слышны участки включения тягового усилия двигателя за счет приема возвратных тяговых токов и работы тиристорных регуляторов. При сопоставлении сигнала с этих участков с сигналом, снятым пьезоэлектрическим датчиком, выяснилось, что шумовые участки относительно плавного нарастания шума качения связаны с включением тягового усилия. Как было сказано ранее, при тяговом усилии на колесах тяговой оси происходит смещение вектора нагружения вперед относительно вертикали тяготения, сам шум качения в области частот 16 кГц

и выше также становится более интенсивным. На сигнале - нерезкое нарастание шума в области высоких частот. Причем к увеличению шума приводят только те включения тяги, которые приводят к ускорению движения. Рекуперационные включения (торможение двигателем) электричек, наоборот, уменьшают его скачком на 2-3 дБ.

Рисунок 2.5 - Типовой пример включения тяги на короткое время локомотивом пассажирского поезда (сверху - сигнал во временной области, снизу - изменение спектра сигнала во времени)

Экспериментально удалось установить, что расположение тяговой оси (осей) в передней части движущегося локомотива и наличие тягового усилия имеет на расстоянии более 1 км от подвижного состава решающее значение для образования виброакустических колебаний, которые распространяются вдоль рельсового пути. При этом тип подвижного состава, находящийся за тяговой осью, практически не имеет значения. Значение имеет скорость поезда и нагрузка на тяговую ось, или распределение нагрузки на тяговые оси, если их несколько. Это имеет вполне рациональное объяснение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бибиков Сергей Викторович, 2015 год

Литература

1. А.с. 1789402 СССР МКИ. B61L23/06. Устройство для оповещения о приближении подвижного состава к месту работ/ И.Е.Соколов. В.П.Сычев (СССР)// 4605199. Заявл. 14.11.1988. - Опубл. 23.01.1993.-Бюл. №3.

2. А.с. 1066867 СССР МКИ. B61L23/06. Путевой извещатель / В.С. Бабин, А.А.Байданов, В.Я.Васильев, А.А.Королев, Л.Г.Плешаков (СССР)// 3290737. Заявл. 02.06.1981. - Опубл. 15.01.1984. - Бюл. №2.

3. Алабушев, И.И. Методическое обеспечение построения систем регулирования движения поездов с использованием радиоканала : автореферат дис. ... канд. техн. наук : 05.22.08 [Текст] / Алабушев Иван Игоревич; [Место защиты: Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ) МПС РФ] - М: МИИТ.- 2010. - 20 с.

4. Алабушев, И.И.. Оповещение работников о приближении поезда [Текст] / И.И. Алабушев // Труды ВНИИАС. - 2007.- Вып. 7. - С. 65-68.

5. Алексенко, В.М. Математическое моделирование возмущенного движения железнодорожного экипажа типа (2-2) в прямом участке пути [Текст] / В.М. Алексенко, П.Д.Насельский, В.Г. Рубан //Изв. высших учебн. заведений. Северо-Кавказский регион. Естеств. науки. - 1995.-№1.- С.49-54.

6. Ананьев, Д.В. Комплексное решение задач железнодорожной связи [Текст] / Д.В. Ананьев, А.А. Зубриянов// [Электронный ресурс] http ://www.pulsar-

telecom.ru/data/upload/publication/main/ru/491/tasks_solution.pdf

7. Артюхин, В.В. Определение надежности устройства оповещения о приближении подвижного состава [Текст]/ В.В.Артюхин // Материалы IV международной научно - практической конференции, «Veda a technologie: krok do budoucnosti - 2008». - Dil 11. Technicke vedy: Praha. Publishing House «Education and Science». - C.23-28.

8. Артюхин, В.В. Повышение безопасности обслуживания путевого оборудования и механизмов [Текст] : автореф. дис. канд. техн. наук: 05.26.03 /В.В. Артюхин // Алматы : [б. и.]. - 2008. - 21 с.

9. Артюхин, В.В. Устройство оповещения о приближении подвижного состава [Текст]/ В.В.Артюхин // Каталог научно-технических разработок, предлагаемых для внедрения на железнодорожном транспорте Республики Казахстан. - Алматы: КазАТК. - 2007. - С.25.

10. Баринов, С.П. Характеристики обнаружителя радиосигнала при наличии имитирующих помех и гауссовского шума [Текст]/ С.П. Баринов // Радиотехника. - 2007. - №7. - с.49-51.

11. Беляев, В.П. Моделирование и оценка эффективности локального радиоэлектронного комплекса [Текст]/ В.П.Беляев, Б.Ю.Волочий,

A.В.Грабчак и др. //Межведомственный сб. научных работ "Отбор и обработка информации". - Львов: Изд. ФМИ НАНУ.- 1999.-Вып.13(89) -С.65-70.

12. Беляев, В.П. Оценка эффективности методов расчета показателей связности в структурном анализе радиоэлектронных комплексов[Текст]/

B.П.Беляев, Б.Ю.Волочий, Л.Д.Озирковский и др.//Межведомственный научно-технич. сб. "Теоретическая электротехника". - Львов: Изд-во "Свгг".-1998. - Вып. 54. - С.8-14.

13. Беляев,В.П. Построение математических моделей поведения радиоэлектронных комплексов по методу эквивалентной интенсивности потока [Текст]/ В.П.Беляев, Б.Ю.Волочий, Л.Д.Озирковский // Вестник гос. ун-та "Львовская политехника" "Теория и проектирование полупроводниковых и радиоэлектронных устройств". - Львов: Изд - во гос. ун - та "Львовская политехника". -1998 - № 343. - С. 74-77.

14. Беляев, В.П. Оценка эффективности эргатических систем с учетом влияния дестабилизирующих внешних факторов [Текст]/ В.П.Беляев, Б.Ю.Волочий, А.В.Грабчак и др. // Тезисы докладов 4-й научно-

технической конф. "Опыт разработки и применения приборо-технологических САПР микроэлектроники". Ч.1 - Львов.:1997.- С.13-14.

15. Беляев, В.П. Средства автоматизации проектирования алгоритмов функционирования систем управления [Текст]/ В.П.Беляев, Б.Ю.Волочий, Л.Д.Озирковский //Труды 4-й украинской конфер. по автоматическому управлению «АВТОМАТИКА - 97» т. 2. - Черкассы. -1997. - С. 37.

16. Беляев, В.П. Структурно-автоматные модели двух отказоустойчивых структур радиоэлектронных систем [Текст]/ В.П.Беляев, Б.Ю.Волочий, Л.Д.Озирковский //Тезисы докладов 3-й международной научно - техн. конф.» Математическое моделирование в электротехнике, электронике и электроэнергетике». - Львов. - 1999. - С. 22.

17. Бестемьянов, П.Ф. Методы повышения безопасности микропроцессорных систем интервального регулирования [Текст] / Петр Филимонович Бестемьянов //Дисс докт. техн. наук: 05.22.08 // 2001. -324 с.

18. Бестемьянов, П.Ф. Статистическая обработка данных об опасных отказах устройств СЦБ [Текст] / П.Ф. Бестемьянов //Вторая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». Труды конференции. Кн.2. - М.: МИИТ.- 2000.- C.IV-7 - IV-8.

19. Бибиков, С.В. Алгоритм обнаружения приближающегося поезда [Текст]/ С.В. Бибиков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2015. - Т. 15. - № 5. - С. 950-953.

20. Бибиков, С.В. Оценка функциональной безопасности обнаружения виброакустического сигнала приближающегося поезда [Текст]/ С.В Бибиков, Ю.Н. Матвеев, Н.Н. Семенов // Изв. вузов. Приборостроение. -2014. - №2(57). - С.47-52.

21. Бибиков, С.В. Современная мобильная система оповещения о приближении поезда [Текст] / С.В. Бибиков, М.Е. Маркисонов, С.А. Панасюк // Изв. вузов. Приборостроение. - 2013. - №2(56). - С. 24-28.

22. Бибиков, С.В. Движущийся поезд как источник звуковых волн, распространяющихся по рельсовому пути [Текст] / С.В. Бибиков, А.В. Шапарь // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. -№05(81). - С. 152.

23. Бибиков, С.В. Оценка функциональной безопасности дублированных вычислительных систем [Текст] / С.В. Бибиков, В.А. Богатырев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - №02(78). - С. 146.

24. Бибиков, С.В. Оценка безопасности компьютерной системы сигнализации на транспорте [Текст] / С.В. Бибиков, В.А. Богатырев // Сборник трудов VIII Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании». - Варна. - 2012. - В 3-х т., т.2. -С.364-365.

25. Бибиков, С.В. Оценка функциональной безопасности систем, связанных с безопасностью [Текст] / В.А. Богатырев, С.В. Бибиков // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2011. - №4(18). - С. 45.

26. Бибиков, С.В. Дублирование процессов в операционной системе реального времени для повышения надежности системы [Текст] / В.П. Корявцев, С.В. Бибиков // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Выпуск 1. - СПб: Университет ИТМО. - 2014. - С. 53-54.

27. Бибиков, С.В. Информационно-адаптивный метод обнаружения и классификации приближения поезда [Текст] / С.В. Бибиков, Ю.Н. Матвеев // Альманах научных работ молодых ученых XLIV научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1. - СПб: Университет ИТМО. - 2015. - С. 57-59.

28. Бибиков, С.В. Исследование полосно-энергетического алгоритма обнаружения виброакустических колебаний приближающегося поезда [Текст] / Ф.В. Болотнов, С.В. Бибиков // Альманах научных работ молодых ученых XLIV научной и учебно-методической конференции

Университета ИТМО. Том 1. - СПб: Университет ИТМО. - 2015. - С. 68-69.

29. Бибиков, С.В. Организация процессов в операционной системе реального времени устройства «Сигнализатор-П» [Текст] / В.П. Корявцев, С.В. Бибиков // Альманах научных работ молодых ученых ХК1У научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 2. - СПб: Университет ИТМО. -2015. - С. 62-64.

30. Бибиков, С.В. Характерные признаки виброакустического сигнала приближающегося поезда [Текст] / С.В. Бибиков, Ю.Н. Матвеев // Сборник тезисов докладов IV Всероссийского конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО. - 2015. -http://openbooks.ifmo.ru/ru/file/876/876.pdf.

31. Бибиков, С.В. Устройство оповещения о приближении поезда. Патент (полезная модель) РФ 146763. Б61Ь23/06. Устройство оповещения о приближении поезда. / С.В. Бибиков, И.Д. Блиндер, М.В. Хитров // -Бюл. 2014. - № 29.

32. Бирюков, М.Н. Выражения математического ожидания, дисперсии и условных вероятностей знаковых и ранговых обнаружителей Неймана-Пирсона в шуме и потоке помех [Текст] / М.Н.Бирюков // Радиотехника,

2006, №6, с.101-106.

33. Бирюков М.Н. Синтез непараметрических обнаружителей Неймана-Пирсона в условиях совместного воздействия шума и размытого (интенсивного) потока помех [Текст] / М.Н.Бирюков // Радиотехника. -

2007.- №6.- С.68-71.

34. Блиндер, И.Д. Система оповещения работающих на перегоне. [Электронный ресурс]/ И.Д. Блиндер, С.А.Вдовин А.В. Запольский А.В. // Режим доступа:

http://scbist.com/xx3/42724-03-2015-sistema-opovescheniya-rabotayuschih-na-peregone.html

35. Воробьев, А.В. Научные основы создания отказоустойчивых интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами [Текст] : автореф. дисс. ... д-ра техн. наук: 05.13.05. / А.В.Воробьев //- М.: МГИЭМ - 2010. - 32 с.

36. Галушкин, В. В., Сквозная технология проектирования комплексов бортового оборудования перспективных воздушных судов [Текст] / В.В. Галушкин, Д.И. Катков, В.В. Косьянчук [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - №3. - С. 201-209.

37. Гатчин, Ю. А. Основы проектирования вычислительных систем интегрированной модульной авионики [Текст] / Ю.А. Гатчин, И.О. Жаринов// М. : Машиностроение, 2010. - 224 с.

38. ГОСТ Р 55804-2013. «Системы информирования о движении поездов и оповещения о приближении железнодорожного подвижного состава».

39. ГОСТ Р 53431-2009. «Автоматика и телемеханика железнодорожная. Термины и определения».

40. Денисенко, А.Н. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие [Текст] / А.Н. Денисенко // М: Горячая Линия - Телеком. - 2005. - 704 с.

41. Деренский, И.Г. Исследование упругих колебаний в волноводах с непараллельными границами и разработка системы неразрушающего контроля на их основе. Автореферат дисс. канд. техн. наук. 01.04.06. [Текст] / И.Г.Деренский / 2011.- Таганрог.:ЮФУ. -21 с.

42. Джонсон, К. Механика контактного взаимодействия [Текст] / К. Джонсон // М.: Мир. - 1989. - 510 с.

43. Дюсебаев, М.К. Способ обеспечения безопасности обслуживания железнодорожных путей [Текст] / М.К.Дюсебаев, В.В.Артюхин, А.В.Артюхин // Алматы: Промышленность Казахстана. - 2007.- № 5. -С.76.

44. Жаринов, И.О. Принципы построения и методы автоматизации проектирования вычислительных систем интегрированных комплексов

бортового оборудования [Текст]: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.13.12 /И.О. Жаринов//СПб: НИУ ИТМО. - 2011. - 298 с.

45. Жаринов, И.О. Принципы построения крейта бортовой многопроцессорной вычислительной системы для авионики пятого поколения [Текст] / И.О. Жаринов, Б.В. Видин, Р.А. Шек-Иовсепянц // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 4 (68). - С. 2127.

46. Зорин, В.И. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения[Текст] / В.И.Зорин, И.И.Алабушев, В.П.Титов// Сб. ЦНИИТЭИ. Сер. «Сигнализация и связь» 2004. С. 39-60.

47. Зорин, В.И. Применение измерителей расстояния в устройствах обеспечения безопасности движения поездов [Текст]/ В.И.Зорин, И.И.Алабушев, В.Г.Новиков // Автоматика, связь, информатика. - 2007. -№10

48. Каляев, И. А. Вычислительные системы с реконфигурируемой архитектурой на основе ПЛИС Virtex-6 и Virtex-7 [Текст] / И.А. Каляев, И.И. Левин, А.И. Дордопуло [и др.] // Вестник Южного научного центра. - 2013. - Т. 9. - С. 107-114.

49. Каляев, И. А. Семейство вычислительных систем с высокой реальной производительностью на основе ПЛИС [Текст] / И.А. Каляев, И.И. Левин, Е.А. Семерников // Вестник УГАТУ. - 2010. - Т. 14. - №5(40). -С. 91-101.

50. Квашнин, Н.М. Исследование колебаний элементов верхнего строения пути со скреплением типа «FOSSLOH» [Текст] / О.А. Ибрагимов, М.Я.Квашнин, Н.М.Квашнин, С.А.Танкаева //Материалы Х научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов «Инновационные технологии в развитии экономики и транспорта в Республике Казахстан». - Алматы, 2010. - С. 162-166.

51. Квашнин, Н.М. Исследование свободных колебаний элементов верхнего строения пути со скреплением типа КПП-5 [Текст]/

Н.М.Квашнин //Промышленный транспорт Казахстана. - 2010. - №3 (27). - С. 43-47.

52. Квашнин, Н.М. Некоторые результаты экспериментального определения динамических характеристик верхнего строения пути со скреплением типа «FOSSLOH» при проходе «ТАЛЬГО» [Текст]/ О.А. Ибрагимов, М.Я.Квашнин, Н.М.Квашнин //Промышленный транспорт Казахстана. -2010. - №3 (27). - С. 84-93.

53. Книга, Е.В. Базовые структуры модулей и вычислительных систем интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов, М.О. Костишин // Сборник трудов XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи. Математика. Информатика» - Томск: Изд-во Томского университета, 2014. - Часть 1. - С.137-144.

54. Книга, Е.В. Принципы организации архитектуры перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авионике [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов, А.В. Богданов [и др.] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №2. - С. 163-165.

55. Колмогоров А.Н. Три подхода к определению понятия «количество информации» [Текст] /А.Н.Колмогоров // Проблемы передачи информации. - 1965. - т.1.- №.1.- С.3-11.

56. Коновальчик, А. Высокопроизводительные вычислительные системы с реконфигурируемой архитектурой, построенной на ПЛИС [Текст] /А. Коновальчик // Современные технологии автоматизации. - 2013. - №3. -С. 70-72.

57. Кошечкина, Н.И. К вопросу о механизме звукообразования контактного взаимодействия колеса и рельса [Текст]/ Н.И. Кошечкина, Г.С. Носко // Вюник СНУ iм. В. Даля. - 2011. - №4 (158), Ч. 1. - С.101-106.

58. Кошечкина, Н.И. О распространении энергии колебаний от поверхности контакта колеса и рельса в смежные структуры. [Текст]/ Н.И. Кошечкина// ВiсникСНУiм. В. Даля. - 2010.- № 5 (147), Ч.1

59. Кошечкина, Н. И. К вопросу о шуме качения при взаимодействии колеса с рельсом [Текст] / Н. И. Кошечкина, Г. С. Носко, А. Л. Кашура // Политранспортные системы: материалы VI Всерос. НТК. -Новосибирск.: Изд-во СГУПС. - 2009. - В 2-х ч., ч. 1. — С. 462—465.

60. Курышев, В.Е. Информационно-адаптивный метод. обнаружения сигналов и классификации их источников. [Электронный ресурс]/ В.Е. Курышев// Режим доступа: http://nevod.newmail.ru/Site0711/cta/230811/iam.htm, свободный., яз. рус. (дата обращения 16.05.2015).

61. Кузьмин, И.В. Основы теории информации и кодирования [Текст] / И.В.Кузьмин, В.А. Кедрус // К.:Вища школа. - 1986. - 238 с.

62. Кузнецов, К. Б. Безопасность технологических процессов и производств [Текст]/ К.Б. Кузнецов //М.: ГОУ«Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». 2008. — 204 с.

63. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники . В 3-х т., кн.3. [Текст] / Б.Р. Левин // М.: Советское радио. - 1989. - 287 с.

64. Левин, И. И. Модульно-наращиваемая многопроцессорная вычислительная система со структурно-процедурной организацией вычислений на основе ПЛИС-технологии [Текст] // Искусственный интеллект. - 2003. - №4. - С. 446-453.

65. Лысюк В.С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов [Текст] / В.С. Лысюк // - М.: Транспорт, 1997. -188 с.

66. Лэмб, Г. Динамическая теория звука. ( пер. с англ) [Текст] /Г. Лэмб //-М.:ГИФМЛ. - 1960. - 370 с.

67. Мандзий, Б.А. Надежностные модели мажоритарных деградирующих структур и структур со сложным комбинированным резервированием

[Текст] / Б.А. Мандзий, В.П.Беляев, Б.Ю.Волочий //Труды междунар.симпозиума «Надежность и качество '99». - Пенза: изд-во Пенз. гос.техн. ун-та. - 1999. - С. 24-26.

68. Механическая часть тягового подвижного состава: Учебн. для вузов тр-та[Текст] / И.В. Бирюков, А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак и др. // Под ред. Бирюкова И.В. // М.: Транспорт. - 1992. - 440 с.

69. Моделирование системы колесо—рельс// Железные дороги мира. -2005.- №2.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.zdmira.com/arhiv/2005/zdm-2005-no-02#TOC--5, свободный. Яз.рус. (дата обращения 21.08.2012).

70. Можаев А.С. Общий логико-вероятностный метод автоматизированного структурно-логического моделирования надежности, безопасности и риска сложных систем. Многотомное издание 261 «Безопасность России». Анализ риска и проблем безопасности. В четырех частях.[Текст] / А.С.Можаев // М.: МГФ «Знание».- 2006.- С. 153-197.

71. Нагорный, В. С. Средства автоматики гидро- и пневмосистем. Учебное пособие [Текст] / В. С. Нагорный // СПб: Лань. - 2014. - 448 с.

72. Новиков, В. Г. Координатная система интервального регулирования движения поездов с расширенными функциональными возможностями локомотивного устройства: автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.22.08 [Текст] / В.Г.Новиков// М: МИИТ.- 2011.- 24 с.

73. Новиков, В.Г. Координатная система интервального регулирования движения поездов с расширенными интеллектуальными функциями локомотивного устройства [Текст] / В.Г.Новиков, В.И.Астрахан // Вопросы развития железнодорожного транспорта /под ред. к.т.н. Черкашина Ю.М., д.т.н. Гогричиане Г.В./М.: Интекст. - 2007. - С. 216.

74. Новиков, В.Г. Координатная система контроля и оповещения [Текст] / В.Г.Новиков, И.И. Алабушев //Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2008. №1. С.45-48.

75. Новиков, В.Г. Функции координатной системы интервального

регулирования движения поездов на базе локомотивного устройства с расширенными интеллектуальными возможностями. [Текст] / В.Г.Новиков // Железнодорожный транспорт на современном этапе. Задачи и пути их решения: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» статей ВНИИЖТ. - М.:Интекст.- 2008. - С. 269.

76. Оболенский, Ю.С. Оценка вписываемости экипажей 2-2-2, 2-2 и 3-3 в кривые малого радиуса [Текст] / Ю.С. Оболенский, В.Г. Рубан В.Г.//Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране: Тез. докл. Всесоюзн. конф. - Новочеркасск.- 1981.- С. 86-87.

77. Определение источников шума на подвижном составе// Железные дороги мира.-1998.-№10.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/ZDM/10-1998/7136.htm, свободный. Яз.рус. (дата обращения 09.04.2012).

78. Парамонов, П. П. Интегрированные бортовые вычислительные системы: обзор современного состояния и анализ перспектив развития в авиационном приборостроении [Текст] / П.П. Парамонов, И.О. Жаринов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №2 - С. 1-17.

79. Пат. РФ RU 2529578. - МПК В6^ 23/06 / Ананьев, Д. В., Андриенко, В.С., Баландин В.И., Вериго, А.М.^Ц) и др.// 2012144946/11: заявл.: 23.10.2012. - Опубл: 27.09.2014. - Бюл. № 27 //Патентообладатель(и): ОАО «НИИАС».

80. Пат. РФ на полезную модель №95306.- МПК В61Ь25/04. - Система информирования находящихся на перегонах железнодорожных путей работающих бригад с использованием спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС\GPS / Е.Н. Розенберг, В.И.Зорин, Е.Е.Шухина и др.// заявитель и патентообладатель ОАО «РЖД». - №2010103718/22; заявл.4.02.2010; опубл. 27.06.2010. - Бюл. № 18.

81. Предпатент Республики Казахстан № 19997 B61L 23/06. Устройство оповещения о приближении подвижного состава / Артюхин В.В., Дюсебаев М.К.// опубл. 15.09.2008. - бюл. № 9. - 4с.

82. Розенберг, Е.Н. Аналитические методы доказательства функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и связи[Текст] / Е.Н.Розенберг, И.Б.Шубинский // Безопасность движения поездов: Тезисы докладов четвертой научно-практической конференции. - М.: 2003.-С.11-22.

83. Розенберг, E.H., Воронин A.A., Алабушев И.И.. Современные технологии и технические средства для повышения безопасности перевозочного процесса [Текст] / Е.Н.Розенберг,А.А. Воронин, И.И.Алабушев // Электроника и электрооборудование транспорта.-2008.- №1.- С. 1784. Розенберг, E.H. Спутниковые технологии для решения задач улучшения

перевозочного процесса [Текст] / Е.Н.Розенберг,А.А. Воронин, И.И.Алабушев // Международная научно-практическая конференция «Спутниковые технологии и системы цифровой связи на службе железных дорог». Сб. докл. ВНИИАС.- 2007.-С. 13-15.

85. Рябинин, И. А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем./И.А.Рябинин, Г.Н.Черкесов //М.: Радио и связь. - 1981.- 264с.

86. Сапожников, В.В. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебное пособие для вузов ж.д. трансп. [Текст] / В.В. Сапожников //М.: УМК МПС РФ. - 2002.

87. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов. [Текст] / А.Б.Сергиенко //СПб: Питер. - 2003

88. Сидоров, Ю.Е. Статистический синтез автоматизированных решающих систем при априорной неопределённости [Текст] / Ю.Е.Сидоров // М.: Военное издательство.- 1993. - 232 с.

89. Сидоров, Ю.Е. Статистическое имитационное моделирование обнаружителя некогерентной пачки импульсов [Текст] / Ю.Е.Сидоров, К.А. Гарбар // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009.- № 3.-С.61 - 68.

90. Сидоров, Ю.Е. Ранговый обнаружитель импульсного сигнала на фоне шумов с неизвестным распределением [Текст] / Ю.Е.Сидоров,

B.А.Пильч // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - №4.-

C.71 - 76.

91. Сидоров, Ю.Е. Оптимальный обнаружитель радиосигналов: решающее правило, статистическое имитационное моделирование [Текст] / Ю.Е.Сидоров, Н.В. Лаврентьев // Труды СПбГТУ.- 2008- №507 -. С.118 -124.

92. Сидоров, Ю.Е. Оптимальный обнаружитель узкополосного сигнала с неизвестной несущей частотой [Текст] / Ю.Е.Сидоров // Научно-технические ведомости СПбГПУ.- 2009.- № 3.- С.74 - 80.

93. Слюняев, А.Н. Централизованная система информирования и оповещения / А.Н.Слюняев, Д.В.Ананьев, В.С.Андриенко, И.Д.Блиндер //Автоматика, связь, информатика (Журнал хозяйства СЦБ и связи). -2012.- №8. [Электронный ресурс]: http://scbist.com/zhurnal-avtomatika-svyaz-informatika/20171 -08-2012-centralizovannaya-sistema-informirovaniya-i-opovescheniya.html

94. Снижение уровня шума в кривых // Железные дороги мира. - 2009.- №6.-[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.zdmira.com/arhiv/2009/zdm-2009-no#TOC--6, свободный. Яз.рус. (дата обращения 21.08.2012).

95. Стретт Дж.В. ( лорд Рэлей ) Теория звука, в 2-х т. [Текст]/ Дж.В. Стретт (Лорд Рэлей)// М.: ГИТТЛ. - 1955.

96. Типовые материалы для проектирования 410106. ТМП «Системы оповещения монтеров пути для различных систем ЭЦ» [Текст]. М.: ГУП Гипротранссигналсвязь. - 2001. - Альбом 1-4.

97. Тихонов, В.И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. [Текст]/В.И. Тихонов//М.: Радио и связь.- 1982. — 624 с.

98. Турчак, А.А. Архитектура вычислительных систем для интегрированной модульной авионики перспективных летательных аппаратов [Текст] /

A.А. Турчак, Е.Э. Чернышев, К.Т. Михайлуца [и др.] // Радиотехника. -2002. - № 9. - С. 87-95.

99. Ульянов, В.М. Автоматическое устройство оповещения о приближении подвижного состава [Текст] / В.М. Ульянов, Ю.И.Меламед,

B.И.Болотин и др._// Автоматика Связь Информатика. - 2001. №5. - С. 3842.

100. Цикин, И.А. Оптимальная обработка сигналов в радиотехнических системах [Текст] / И.А. Цикин // Л.: ЛПИ им.М.И. Калинина. - 1986. - 77 с.

101. Шахтарин Б. И. Обнаружение сигналов. Учебное пособие для вузов. - 3-е изд., стереотип. [Текст] / Б.И. Шахтарин // М.: Горячая линия-Телеком. - 2014. - 526 с.: ил.

102. Шубинский И.Б. Основы анализа сложных систем. [Текст] / И.Б Шубинский // Л.:МО СССР. - 1986. - 256 с.

103. Шум качения и методы борьбы с ним// Железные дороги мира. - 2003.-№12.- [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/zdm/12-2003/03069-1.htm, свободный. Яз.рус. (дата обращения 09.04.2012).

104. Шевандин, М.А. Технические средства защиты от наездов подвижного состава при работах на перегонах. Методические указания к дипломному проектированию по дисциплине "Охрана труда" для студентов специальностей УПП, ЖАТС, С и слушателей ФПК [Текст] / М.А.Шевандин, А.М. Анненков и др. (сост.) // М.: МИИТ. - 1989. - 45 с.

105. Щелконогов, С. В. Анализ современных и перспективных систем предупреждения путевых работников о приближении подвижного

состава [Текст] / С.В. Щелконогов // Молодой ученый. - 2012. -№6.- С. 61-63.

106. Эксплуатационно-технические требования на системы оповещения работников, выполняющих работы на перегонах и станциях, о приближении железнодорожного подвижного состава. Утв. вице -президент ОАО «РЖД» Попов В. А. 30.12. 2005.

107. Эванс, Э. Предметно-ориентированное проектирование (DDD): структуризация сложных программных систем = Domain-Driven Design: Tackling Complexity in the Heart of Software.[Текст]/ Э. Эванс // М.: «Вильямс».- 2011. — 448 с.

108. Abe, M. Content-Based Classification of Audio Signals Using Source and Structure Modelling [Текст, англ.] / M. Abe, M. Nishiguchi // Proc. IEEE Pacific Conference on Multimedia.- 2000. - p. 280 - 283.

109. Ananda, C.M. Avionics Systems, Integration, and Technologies of Light Transport Aircraft [Текст, англ.] / C.M. Ananda, K.G. Venkatanarayana, M. Preme [и др.] // Defence Science Journal. - July 2011. - Vol. 61. - No. 4.- P. 289-298.

110. Atrey, P. Audio Based Event Detection for Multimedia Surveillance [Текст, англ.]/ P. Atrey, N. Maddage, M. Kankanhalli // Proc. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. - 2006. - Р. 301304.

111. Bluff, R.J. Integrated modular avionics: system modeling [Текст, англ.]/ R.J. Bluff // Microprocessors and Microsystems. - 1999. - №23. - P. 435-448.

112. Chu, S Environmental sound recognition with time-frequency audio features [Текст, англ.]/ S.Chu, S.Narayanan, C-C. Jay Kuo //Transactions on Speech, Audio, and Language Processing. - 2009.- Vol. 17, №. 6. - pp. 1142-1158.

113. Dubnov, S. Generalization of Spectral Flatness Measure for Non-Gaussian Processes^^^ англ.] / S.Dubnov // IEEE Signal Processing Letters. -2004.- Vol. 11. №. 8. - P. 698 - 701.

114. Dubnov, S. Analyzing several musical instrument tones using the randomly modulated periodicity model [Текст, англ.] / S.Dubnov, M.J.Hinich // Signal Processing. - 2009.- Vol. 89., N. 1.- P. 24-30.

115. Farrus M. Histogram Equalization in SVM Multimodal Person Verification [Текст, англ.]/ M. Farrus, P. Ejarque, A. Temko // IAPR/IEEE International Conference on Biometrics, ICB'07.- Seoul: Korea. - 2007.

116. Gamatie, A. A Modeling Paradigm for Integrated Modular Avionics Design [Текст, англ] / А. Gamati, С. Brunette, R. Delamare [и др.] // 32nd EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanced Applications. - 2006.

117. Kucukbayrak, M. Underwater acoustic signal recognition methods [Текст, aHra.]/M.Kucukbayrak, O.Gunes//Journal of Naval Science and Engineering. - 2009.- Vol. 5., No.3. - P. 64-78

118. Macho, D. Robust Speech Activity Detection in Interactive Smart- Room Environment [Текст, англ] / D. Macho, C. Nadeu, A. Temko // 3rd Joint Workshop on Multimodal Interaction and Related Machine Learning Algorithms.- Washington DC, USA. - 2006. - LNCS. - Vol. 4299. pp. 236247. - Springer. - 2007.

119. Temko, A. Enhanced SVM Training for Robust Speech Activity Detection [Текст, англ] / A. Temko, D. Macho, C. Nadeu // IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing.- April 2007. -ICASSP'07,- Honolulu, Hawaii, USA.

120. Temko, A.Acoustic Event Detection and Classification in Smart-Room Environment: Evaluation of CHIL Project Systems [Текст, англ] / A. Temko, R. Malkin, C. Zieger [и др.] //The IV Biennial Workshop on Speech Technology.- 11.2006.- Zaragoza, Spain.

121. A. Temko, A. CLEAR Evaluation of Acoustic Event Detection and Classification systems [Текст, англ] / A. Temko, R. Malkin, C. Zieger [и др.] //, CLEAR 2006 Evaluation Campaign and Workshop. - 04.2006. -Southampton, UK. - LNCS.- Vol. 4122. - pp. 311-322. - 2007. - Springer.

122. Temko, A. Comparison of Sequence Discriminant Support Vector Machines For Acoustic Event Classification [Текст, англ]М.. Temko, E. Monte, C. Nadeu //, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. - ICASSP'06. - 05.2006. - Toulouse, France.

123. Temko, A. Classification of Acoustic Events using SVM-based Clustering Schemes [Текст, англ]^. Temko, C. Nadeu // Pattern Recognition. - Vol. 39, Issue 4. - pp. 682-694. - 04.2006. - Elsevier. - Р.166

124. Temko, A. Classification of Meeting-Room Acoustic Events with Support Vector Machines and Variable-Feature-Set Clustering [Текст, англ]^. Temko, C. Nadeu // IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ICASSP 2005. Philadelphia, USA. - pp. 505-508.

125. Temko, А. Improving the Performance of Acoustic Event Classification by Selecting and Combining Information Sources using the Fuzzy Integral [Текст, англ] / A. Temko, D. Macho, C. Nadeu // 2nd Joint Workshop on Multimodal Interaction and Related Machine Learning Algorithms, Edinburgh, UK, July 2005, LNCS, Vol. 3869, pp. 357-368, Springer, February 2006.

126. Thomson, D. Railway Noise and Vibration: Mechanisms, Modelling and Means of Control [Текст, англ]/ D.Thomson //Elsevier(GreatBritain). -2009. - 518 p.

127. Xiong, Z. Audio Events Detection Based Highlights Extraction from Baseball, Golf and Soccer Games in a Unified Framework [Текст, англ]/ Z. Xiong, R. Radhakrishnan, A. Divakaran, T. Huang //Proc. IEEE International Conference on Multimedia and Expo. 2003.- pp. 401-404.

128. Watkins, C.B. Transitioning From Federated Avionics Architectures to Integrated Modular Avionics [Текст, англ.]/ C.B. Watkins, R. Walter // IEEE. - 2007.

Приложение 1.

Схема электрическая принципиальная системы оповещения «Сигнализатор-П»

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

ни

(11)

146 763(13)

(51) МПК

В6И 23/06 (2006.01)

п со

СО Т1-

3

СИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2013106416/11, 14.02.2013

(24) Дата начала отсчета срока действия патепта: 14.02.2013

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 14.02.2013

(45) Опубликовано: 20.10.2014 Бюл. № 29

Адрес для переписки:

107174, Москва, Новая Басманная ул., 2, ОАО "РЖД", ЦУИС, Тимофееву Р.Ю.

(72) Автор(ы):

Бибиков Сергей Викторович (1Ш), Блиндер Илья Давыдович (КЩ Хитров Михаил Васильевич (К1_Г)

(73) Патеитообладатель(и): Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (Яи)

(54) УСТРОЙСТВО ОПОВЕЩЕНИЯ О ПРИБЛИЖЕНИИ ПОЕЗДА

(57) Формула полезной модели

1. Устройство оповещения о приближении поезда, включающее датчик приближения подвижного состава, звуковые и световые сигнализаторы, отличающееся тем, что оно снабжено приемным блоком, который включает предусилитель и узел полосовых электрических фильтров, подключенный к выходу предусилителя, и блоком цифрового анализа, который включает аналого-цифровой преобразователь электрических сигналов, подключенный к выходу узла полосовых электрических фильтров приемного блока, и анализатор, соединенный с выходом аналого-цифрового преобразователя электрических сигналов.

2. Устройство оповещения по п. I, отличающееся тем, что в него введен контрольный блок, содержащий электромеханический генератор контрольных сигналов, имитирующих сигнал приближения поезда, поступающих через рельс на датчик приближения подвижного состава.

3. Устройство оповещения по п.2, отличающееся тем, что приемный блок, блок цифрового анализа, контрольный блок и блок оповещения, включающий звуковые и световые сигнализаторы, установлены в общем корпусе, снабженном крепежными средствами для крепления к рельсу.

4. Устройство оповещения по п.З, отличающееся тем, что в качестве указанных крепежных средств использованы крепежные магниты.

Я С

■и

сг> "Ч О) со