Система мониторинга ширины колеи ж/д путей
с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС совместно с инерциальными измерениями ZETLAB
Спутниковые навигационные системы — это один из наиболее развивающихся и перспективных видов навигационных систем. Увеличивающаяся точность измерений параметров движения, определения местоположения искомого объекта предопределяет ход развития спутниковой навигации. Увеличивается эффективность использования систем такого рода при интегрировании их в различные измерительные задачи.
Одной из основных сфер применения спутниковой навигации, бесспорно, является спутниковый мониторинг транспорта — система мониторинга подвижных объектов, построенная на основе систем спутниковой навигации, оборудования и технологий сотовой связи и радиосвязи, вычислительной техники и цифровых карт. Спутниковый мониторинг транспорта используется для решения задач транспортной логистики в системах управления перевозками и автоматизированных системах управления автопарком.
Принцип работы заключается в отслеживании и анализе пространственных и временных координат транспортного средства. На транспортном средстве устанавливается мобильный модуль, состоящий из следующих частей: приёмник спутниковых сигналов, модули хранения и передачи координатных данных. Полученные данные анализируются и выдаются диспетчеру в текстовом виде или с использованием картографической информации. Мобильный модуль может быть построен на основе приёмников спутникового сигнала, работающих в стандартах ГЛОНАСС.
Однако получаемые с помощью мобильного модуля сигналы со спутников не дают возможности изучать процессы, связанные с небольшими (в пределах 10 см) перемещениями объекта. Кроме того, при перемещении объекта на значительные расстояния, довольно часто требуется определить некоторые динамические характеристики, связанные со скоростью перемещения. В данном аспекте на помощь приходят инерциальные измерения, которые позволяют получать информацию с высокой частотой независимо от внешних источников информации. Одними из самых популярных инерциальных измерителей являются акселерометры.
Акселерометр — прибор, измеряющий постоянную составляющую ускорения движения объекта. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трёх плоскостях. Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. В предложенной системе используются акселерометры ВС 201, которые являются ёмкостными акселерометрами и могут использоваться как датчики линейных ускорений и датчики перемещений, поскольку измеряют не только переменную, но и постоянную составляющую сигнала ускорения. Акселерометр ВС 201 хорошо подходит для точных инерциальных измерений. В сочетании с модулем аналого-цифрового преобразователя ZET 220, оснащённым активной антенной и приёмником ГЛОНАСС, датчик ВС 201 составляет достаточно компактную и многофункциональную систему. Подключение модуля ZET 220 к персональному компьютеру (ноутбуку) с последующим обменом с ним полученными данными, а также возможность автономной работы платы аналого-цифрового преобразователя с записью сигнала на встроенный накопитель при питании от аккумулятора делают рассматриваемую систему универсальной.
Для проверки отклонения ширины колеи железнодорожных путей на соответствие допустимым нормам используется система, состоящая из одного или более аналого-цифровых преобразователей ZET 220, оснащенных приёмником ГЛОНАСС, и двух или более акселерометров. На рамы вагонных тележек надёжно устанавливаются датчики ВС 201 (по одному на каждую тележку) в горизонтальном положении перпендикулярно направлению движения состава. Далее датчики подключается к соответствующим модулям ZET 220. Для связи со спутниками ГЛОНАСС на открытых участках вагонных тележек закрепляются активные антенны, выходы которых подключаются к соответствующим входам модулей ZET 220.
Сущность метода, которым определяется наличие отклонений ширины железнодорожной колеи на отдельных участках пути, заключается в измерении поперечного движению ускорения катящейся по рельсам вагонной тележки. Из-за того, что ширина колеи на всем своем протяжении неодинакова и может изменяться в силу различных причин, то при движении по рельсам каждый вагон имеет степень свободы в поперечном направлении, а следовательно, и свою траекторию качения по рельсам. На рисунке ниже (слева) изображены несколько вариантов движения по рельсам. Каждый из них представляет собой движение по участку, имеющему криволинейные фрагменты с очень большими радиусами кривизны (см рис. ниже, справа). При этом возникают центростремительные ускорения, определяемые по формуле:
a=v2/r
где v — скорость движения, r — радиус кривизны.
При движении по криволинейным участкам происходит смещение каждого вагона относительно идеальной прямолинейной траектории на определенную величину. А поскольку эта величина в каждый момент времени непостоянна, то возникает ускорение в поперечном направлении, которое и измеряется при помощи акселерометров.
Измеренный аналоговый сигнал оцифровывается с помощью модуля ZET 220, в основе которого лежат методы аналого-цифрового преобразования, и в цифровом виде информация передается на вычислительный комплекс (например, персональный компьютер) для последующей обработки. Постобработка полученного сигнала ускорения заключается в применении математического аппарата, а именно: подсчитав интеграл исходного сигнала ускорения мы получим скорость движения тележки в поперечном направлении, а проинтегрировав исходный сигнал дважды, получим ее относительное перемещение на железнодорожном полотне влево или вправо. Одновременно с обработкой аналогового сигнала осуществляется прием информации со спутников ГЛОНАСС для фиксации таких параметров как текущее время, координата места нахождения состава и скорость движения состава. Принцип работы системы мониторинга представлен на рисунке:
Основой для расчётов наличия неравномерности ширины железнодорожной колеи является полученное в итоге относительное перемещение вагонной тележки вправо и влево. Поскольку датчики закреплены в перпендикулярном движению состава направлении, то в тех местах, где железнодорожное полотно будет делать изгибы, акселерометры будут фиксировать центробежное ускорение тележки, а следовательно, и наличие относительного перемещения. Поэтому в системе используются два или более датчика, чтобы производить дифференциальные измерения.
Итак, в системе установлены два акселерометра. Поскольку датчики одинаково ориентированы для измерений, можно считать, что на все воздействия на движущийся состав, вызванные изменением траектории движения поезда, они будут воспринимать одинаково, но с некоторой временной задержкой. Эта задержка равна времени прохождения поездом расстояния, на котором находятся датчики. Тогда, зная расстояние между акселерометрами и зная скорость движения состава от спутников ГЛОНАСС, можно посчитать время задержки. Далее используется математический аппарат вычислительного комплекса: полученные сигналы синхронизируются (через найденную величину времени путем задержки одного из сигналов) и вычитаются друг из друга. Полученный дифференциальный сигнал дважды интегрируется, и в итоге получается отклонение траекторий движения тележек, на которых установлены датчики.
На рисунке ниже изображены зависимости сигналов ускорения, полученные с двух датчиков, от времени. Хорошо видно, что максимум ускорения сигнала с первого датчика выпадает на 9 секунду, а со второго датчика на 12 секунду. При расстоянии между датчиками в 100 метров и движении поезда со скоростью 120 км/ч задерживаем первый сигнал на 3 секунды (см. центральный рисунок). Далее вычитаем сигналы друг из друга и выполняем двойное интегрирование (см. рисунок справа). В итоге получается график относительной неравномерности траекторий движения двух вагонов по железнодорожному полотну. При его детальном анализе оператор может сделать вывод о соответствии ширины колеи определенного участка железной дороги.
Поскольку нулевому уровню сигнала относительной неравномерности траекторий движения соответствует идентичное движение обеих тележек, то судить об отклонении параметра ширины колеи в каждой точке пути можно по измеренному значению переменной составляющей сигнала. При слишком большом значении этого параметра можно сделать вывод о том, что железнодорожная колея на данном участке имеет расширение, и наоборот, если значение слишком мало, то это говорит о сужении полотна.
С точки зрения эксплуатации такую систему можно представить в ином виде, а именно: в ключе «измерение и моментальное отображение результата»:
Представление результатов работы системы мониторинга осуществляется при помощи SCADA-системы ZETVIEW (см. рисунки ниже). Использование SCADA позволяет пользователю редактировать как логику автоматизации процесса измерения и управления, так и внешний вид оператора, для адаптации под себя, если это необходимо.
С точки зрения оператора система представляет графики зависимости сигнала относительной неравномерности перемещения вагонных тележек в поперечном направлении от текущего времени и от пройденного пути. При таком подходе оператор всегда сможет определить, на каком участке железнодорожной магистрали происходили отклонения ширины колеи от допустимого размера. Для представления графиков используются данные, получаемые от спутников ГЛОНАСС, а именно мировое время и текущие координаты местоположения подвижного состава, которые для более удобного представления пересчитываются в пройденное от начальной точки расстояние.
Чтобы составить более чёткую картину по исследуемому маршруту, предлагается провести несколько измерений при движении состава, как в прямом, так и в обратном направлении. Набранная статистика даёт наиболее чёткие представления о состоянии полотна на каждом участке маршрута.
Увеличение количества измерительных датчиков способствует значительному повышению точности всей системы, поскольку даёт возможность анализировать несколько пар сигналов с акселерометров за один выезд.
Безусловным преимуществом системы является её недорогое, но в то же время максимально эффективное исполнение, что предполагает оснащение измерителями каждого поезда, а соответственно, и постоянный мониторинг всей железнодорожной транспортной сети. Простота эксплуатации и наладки системы выводят её на уровень массового использования не только в сфере железнодорожного, но и других видов транспорта.
Ещё одной положительной особенностью является графическая визуализация всего процесса измерений. При работе проекта на графиках отчётливо прослеживаются интервалы несоответствия ширины колеи заданным размерам, что предполагает быструю локализацию проблемы и её своевременное устранение.
Статья опубликована в журнале «Наукоёмкие технологии» № 10, 2010, т.11
Авторы статьи: Антонов А.Ю., Красовский А.А.
В статье была использована следующая литература:
Савант С.Д. «Принципы инерциальной навигации», пер. с англ., под ред. В. А. Боднера;
Степанов О.А. «Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации».