Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц

Скачать 98.15 Kb.

Название	Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

ПРИМЕНЕНИЕ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОДВИЖНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЕДИНИЦ
М.А. Гурулёва, В.С. Марюхненко (научный руководитель)
Иркутский государственный университет путей сообщения

664074, Иркутск, ул. Чернышевского, 15

E-mail: Marina_Spiridono@mail.ru
В статье проанализированы особенности работы радиолокационных доплеровских измерителей скорости. Рассмотрена возможность и области их применения на железнодорожном транспорте. Выявлены причины расширения спектра доплеровского сигнала, влияющего на величину потенциальной среднеквадратической погрешности измерения радиальной скорости объекта.

Ключевые слова: радиальная скорость, ускорение движения, радиолокационный доплеровский измеритель скорости, спектр доплеровского сигнала.
Введение. В условиях возрастающей интенсивности перевозок и увеличения скоростей следования поездов обеспечение безопасности движения, а также производства работ по обслуживанию пути и напольного оборудования – важнейшее условие достижения высокой эффективности железнодорожного транспорта [1].

Важную роль в своевременном срабатывании устройств безопасности играет точность измерения параметров движения [2], в частности, скорости железнодорожной единицы [3]. Между тем, одометрические измерители скорости, применяемые на современных локомотивах железных дорог РФ, имеют большую погрешность измерения, что препятствует и повышению точности соблюдения временнóго графика движения, и сокращению допусков на срабатывание устройств безопасности (табл.1) [4,5].

Таблица 1

Среднеквадратичные погрешности измерителей скорости

Измеритель	Механический скоростемер ЗСЛ2МП	Электронный скоростемер в составе КЛУБ-У
		V= 0 … 80 км/ч	V > 80 км/ч
Погрешность измерения , км/ч	0,08V	1	2
Примечание: V – скорость объекта

Кроме недостаточно высокой точности измерений указанные скоростемеры имеют: а) дополнительные составляющие погрешности измерений при неполном сцеплении колеса с рельсом (юз, буксование колес); б) зависимость погрешности измерения от износа бандажей колес [6].

Сокращению допусков на срабатывание пешеходной и переездной сигнализации на перегонах препятствует расчет их параметров на основании максимально допустимой скорости поездов на участке приближения, без учета фактической скорости. В реальности, допустимая скорость для разных типов поездов отличается [7]. Большой промежуток времени от срабатывания сигнализации до фактического подхода подвижного состава приводит к случаям нарушения правил дорожного движения водителями транспортных средств (пешеходами) и пересечению переезда (пешеходного перехода) на красный сигнал светофора. Так, в 2014 году на переездах было совершено 263 дорожно-транспортных происшествия, пострадало 222 человека, из которых 57 погибли. Ущерб ОАО «РЖД» составил более 66 млн. рублей [8].

Цель доклада: обосновать применение для измерения скорости железнодорожных подвижных объектов альтернативного, радиолокационного доплеровского измерителя скорости (ДИС) [9].

Радиальную скорость объекта можно определить, дифференцируя значения дальности (по показаниям радиодальномера [10]), или, оценивая конечную разность дальностей на границах фиксированного интервала времени, однако достичь гораздо большей точности измерений позволяет использование доплеровского эффекта [9,10]. При этом, способы радиолокационного измерения отличаются видом излучаемых (непрерывные или импульсные) и характером принимаемых сигналов (прямые или отраженные).

Высокие требования к точности измерений скорости железнодорожного транспорта обуславливают выбор между ДИС импульсного и непрерывного излучения в пользу последнего [10]. При этом целесообразно использование диапазона сантиметровых волн (СВЧ частоты) ввиду высокой стоимости ДИС, работающих в миллиметровом диапазоне.

При непрерывном излучении электромагнитных колебаний (ЭМК) взаимное движение передатчика Прд и приемника Прм с относительной скоростью V_r приводит к смещению частоты принимаемых сигналов

, (1)

где

– частота излучения; F_Д – доплеровский сдвиг частоты; с – скорость света; k=1 при разнесенном приеме, и k=2 при локационном приеме; знаки «+» и «–» соответствуют сближению и удалению объектов.

, (2)

где V_r – радиальная скорость объекта;

– длина волны излучаемых колебаний.

Области применения ДИС в зависимости от расположения последнего:

а) ДИС установлен на локомотиве поезда, значения непрерывно измеряемой фактической скорости необходимы для срабатывания устройств безопасности (КЛУБ-У, САУТ), соблюдения скоростного режима машинистом;

б) ДИС стационарно установлен в колее или вблизи железнодорожного пути, значения измеряемой скорости необходимы для работы:

- системы автоматического регулирования скорости роспуска составов на сортировочных горках – для исключения нагонов и достижения требуемой дальности пробега отцепов. При этом ЭМК излучаются в направлении движущегося отцепа, отраженный от поверхности вагона сигнал в ДИС преобразуется в выходной сигнал в виде напряжения, пропорционального фактической скорости отцепа, и подается в устройство управления замедлителем и в сигнальное устройство. При совпадении заданной и фактической скоростей, замедлитель растормаживается;

- переездной и пешеходной сигнализации. Установка ДИС на заданном расстоянии до переезда (пешеходного перехода) вблизи каждого из путей в правильном и в неправильном направлении движения, позволит непрерывно, от начала и до конца поезда, измерять фактическую скорость движения. Постоянная передача информации о фактической скорости поезда в программный модуль переезда (пешеходного перехода), ее обработка и расчет времени приближения к переезду (переходу) дают возможность включить сигнализацию своевременно;

в) ДИС переносной, дополнен визуальной и звуковой индикацией. Значения непрерывно измеряемой скорости необходимы для своевременного оповещения работников о скорости приближающегося поезда и минимальном времени приближения к месту производства работ по обслуживанию пути и напольных устройств, что особенно важно при плохой видимости в условиях тумана, при осадках.

Для пояснения пункта а) на рис. 1, а показано облучение электромагнитными колебаниями неподвижной цели (балласта железнодорожного пути). Радиальную скорость локомотива V_r можно записать как V_r =V cosα, где V – скорость движения поезда, α – главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения. При V= const доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от точки В цели

, (3)

имеет максимальное значение при горизонтальном излучении (cosα →1). В то же время, мощность отраженного сигнала у принимающей антенны (без учета потерь при распространении, приеме и обработке сигнала) задается уравнением [11]:

, (4)

где: P_r – мощность сигнала, принимаемая антенной; P_t – мощность передатчика; G_t – коэффициент усиления передающей антенны; A_r –эффективная площадь приемной антенны; σ – эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе; R – расстояние от ДИС до цели при совмещенном приеме.

Рис. 1. а) Различие лучевых относительных скоростей – причина уширения спектра

отраженного сигнала; б) Огибающая доплеровского спектра

Поскольку мощность уменьшается пропорционально 4-ой степени расстояния до цели, то для получения сигнала достаточного уровня расстояние R должно быть в допустимых пределах, для чего нужно увеличить угол излучения α по отношению к горизонтали. При α =35…70° доплеровское смещение составляет 35…80% [12].

Из выражения (3) видно, что при увеличении угла излучения относительно его основного значения появляется множество частот, расширяющих полосу доплеровского излучения.

– доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от точки В1 цели; – доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от точки В2 цели (рис. 1, а). Если отражающие свойства поверхности в пределах облучаемой площади одинаковы, то форма огибающей спектра зависит от угла β (рис. 1, б). Ширина спектра отраженного сигнала

. (5)

Уменьшение угла излучения β антенны приведет к возможности исчезновения сигнала вследствие его зеркального отражения, например, от поверхности катания рельса в момент проследования поездом стрелки.

Качество сигнала, попадающего на приемную антенну, зависит от неровности основания, отражающего сигнал. Исходя из критерия Релея [13], чтобы часть переданного сигнала, отразившись от поверхности, вернулась к приемнику должно выполняться неравенство

, (6)

где h – максимальный размер неоднородности основания; α – угол падения излучаемых волн; λ – длина излучаемых волн.

Для диапазона сантиметровых волн, при длине волны λ = 1,25 см, и α= 45°, h должен быть не менее 2 мм, что выполняется для однородного щебеночного балласта.

Для пункта б) условие (6) ввиду особенностей конструкций вагонов, их гладкой поверхности, сложно выполнимо. Поэтому для получения скоростемером сигнала, отраженного от вагона, измеритель должен облучать его по всей длине (рис. 2). Протяжённость и неравномерность облучаемой поверхности вагона приводит к флуктуатации отражённого сигнала, уменьшить влияние которой можно правильной установкой и настройкой скоростемера.

Рис. 2. Схема стационарного размещения ДИС

При установке измерителя в колее железнодорожного пути в уравнении (3) cosα →1, доплеровский сдвиг частоты максимален. Однако в этом случае существенно усложняются условия эксплуатации ДИС. Для обеспечения длины участка измерения L_иу в пределах 25…30 м необходимо иметь угол β = 6…10°, при этом главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения α = 5…8°, а расстояние между местом установки измерителя и осью железнодорожного пути L= 2,2…2,4 м [14]. В этом случае расстояние относа измерителя от ближней границы измерительного участка лежит в пределах 10 м < L_мин< 16 м. Необходимо соблюдать условие

, где L_Д – максимальная дальность работы скоростемера, L_иу – длина измерительного участка.

Выводы. Важнейшей статистической характеристикой отраженного сигнала является спектр доплеровского сигнала. По оценке тяжести доплеровского спектра в темпе поступления сигнала дается оценка средней частоты радиосигнала.

Ширина спектра доплеровских частот зависит не только от изменения угла излучения антенны относительно его основного значения, но и от интервала корреляции τ_к, характеризующего скорость изменения случайного процесса во времени [15],

, (7)

и от ускорения движения подвижного объекта

, (8)

где а_r – радиальное ускорение объекта; τ_изм – интервал измерения; λ – длина волны.

Расширение спектра доплеровского сигнала влияет на величину потенциальной среднеквадратической погрешности измерения радиальной скорости объекта [15]:

, (9)

где ΔF – ширина спектра сигнала доплеровской частоты;

– отношение сигнал-шум по напряжению.

Вариантом решения проблемы стабильности сигнала, связанной с изменением отражательной способности различных оснований, является способ оценки сигнала по точкам пересечения. Так, точность измерения скорости радарными доплеровскими устройствами DRS05 (DEUTA, Германия) составляет 0,5%, при наличии ускорения 1м/с² погрешность измерения скорости составляет 0,65км/ч [12].

Таким образом, доплеровские измерители скорости позволяют, по сравнению с одометрическими скоростемерами, осуществлять бесконтактное измерение скорости движения поезда гораздо с более высокой точностью и имеют иной спектр ошибок измерений. Последнее позволяет выполнить комплексирование результатов измерений доплеровских, одометрических, аэродинамических и инерциальных измерителей, и, тем самым, повысить точность, непрерывность и устойчивость сигнала скорости в системе управления локомотивом.
Библиографический список

Марюхненко В.С. Системный анализ навигационного обеспечения подвижных транспортных объектов: монография; под ред. д-ра техн. наук, профессора Ю.Ф. Мухопада – Иркутск: изд-во ИрГТУ, 2008. – 80 с.
Марюхненко В.С. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов: монография; – Иркутск: изд–во ИрГУПС, 2009. – 112 с.
В.С. Марюхненко, Мухопад Ю.Ф., Демьянов В.В., Миронов Б.М.. Информационное обеспечение подвижных транспортных средств на основе интегрированных навигационных систем: Монография; под ред. д–ра техн. наук, профессора В.С. Марюхненко. – Новосибирск: Наука, 2014. – 256 с.
Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] – Режим доступа: www.ielectro.ru.
Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. Часть первая. 36991-00- 00 РЭ. – Ижевск: изд-во ИРЗ, 2014. – 264 с.
Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010г. N286. – М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011. – 256 с.
Приказ об установлении наибольших допускаемых скоростей движения поездов и одиночных локомотивов по главным и приемоотправочным путям. Приказ от 30.09.2014г. N ЗабДИ-310/л. – Чита, 2014.
http://setinf.kirov.ru/news/2015/02/12/27891
Франкфурт У.Н., Френк А.М. Оптика движущихся тел. – М.: Наука, 1972. – 212 с.
Широков Ю. Ф. Основы теории радиолокационных систем: электрон. учeб. пособие / Ю. Ф. Широков ; Минобрнауки России , Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева ( нац. исслед. ун-т ) . – Электрон. текстовые и граф. дан. – Самара , 2012 .
Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Под ред. Ю. М. Казаринова. – М.: Высш. шк., 1990. – 496 с.
G.Hilger. Glasers Annalen, 1998, N9/10, S.533– 541
Гавриленко В.Г., Яшнов В.А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 112 с.
Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок; Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. – М.: Маршрут, 2005. – 240 с.
Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. – М: Радио и связь ,1983. – 536 с.

	Техническое задание на оказание услуг по обслуживанию подвижных единиц... ...		Правила эксплуатации железнодорожных переездов российской федерации содержание Классификация железнодорожных переездов. Порядок определения категории железнодорожных переездов
	Инструкция по эксплуатации gps / gsm / gprs трекера “sos” vg20 Благодарим... Благодарим Вас за приобретение gps трекера “sos”. Этот компактный прибор предназначен для определения местонахождения подвижных (людей,...		Система измерения скорости ветра ws2 Катушка с кабелем kt-ws100, 100 м кабеля для подключения измерителя к терминалу или компьютеру
	К Техническому заданию на оказание услуг по обслуживанию подвижных... Техническому заданию на оказание услуг по обслуживанию подвижных единиц моторно-рельсового транспорта в части обслуживания дизельных...		К Техническому заданию на оказание услуг по обслуживанию подвижных... Техническому заданию на оказание услуг по обслуживанию подвижных единиц моторно-рельсового транспорта в части обслуживания дизельных...
	К Техническому заданию на оказание услуг по техническому обслуживанию... Техническому заданию на оказание услуг по техническому обслуживанию подвижных единиц участка мотодепо в части обслуживания дизельных...		Руководство по эксплуатации предназначено для ознакомления с устройством... Руководство по эксплуатации предназначено для ознакомления с устройством и характеристиками измерителя скорости движения транспортных...
	Модуль лазерного измерителя скорости с фотофиксацией млисф-1 Приложение Г(обязательное) Перечень оборудования, средств измерения и контроля, применяемых при испытаниях 47		Анемометр сигнальный ас-1 паспорт Анемометр сигнальный (в дальнейшем анемометр) предназначен для измерения мгновенной скорости ветра, автоматического определения по...
	Инструкция по эксплуатации железнодорожных переездов российской федерации Ссификацию и порядок определения категорий железнодорожных переездов железнодорожного транспорта общего пользования и железнодорожного...		Инструкция по эксплуатации регулятора расхода воздуха ррв1 в системе вентиляции версия 2016 01 Ррв1 это регулятор расхода воздуха, предназначенный для автоматического поддержания скорости расхода воздуха в системе вентиляции,...
	Применение акустико-эмиссионного метода для выявления дефектов сварного шва в процессе сварки При этом реализуется возможность определения с высокой точностью координат дефектов и их оперативного исправления в процессе сварки...		Антимикробное и инсекто-акарицидное действие биоцида Агро-Велт и... Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов
	Программа практикума: Планирование и организация подвижных игр с... Сообщение методиста Зыковой Н. В. на тему: Планирование и организация подвижных игр с детьми дошкольного возраста на прогулке		Техническое описание и инструкция по эксплуатации устройства контроля скорости укс 1М Устройство контроля скорости укс-1М, далее укс, предназначено для контроля скорости транспортного оборудования мельниц, элеваторов...

Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц

Похожие: