Система определения скорости локомотива и направления движения Российский патент 2023 года по МПК B61L25/02 G01S17/86 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и предназначено для измерения параметров движения железнодорожных составов.

Известны локомотивные скоростемеры, предназначенные для измерения, регистрации и сигнализации параметров (скорость, время, расстояние и так далее) движения поезда(Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка скоростемерных диаграммных лент. М.: УМК МПС России, 2002. С.272. ISBN 5-89035-052-8[1], Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), М.: УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте. 2007. С.272. ISBN 978-5-89035-465-5[2]).

Так, например, известный локомотивный скоростемер типа 3СЛ-2М предназначен для выполнения следующих функций: отображение скорости движения, суточного времени и пройденного пути: регистрации скорости движения, времени движения и стоянок, пройденною нуги, направления движения, давления воздуха в тормозной системе, огней локомотивного светофора, наличия напряжения питания на катушке ЭПК, состояния системы автоматического управления торможением (при наличии); сигнализации (для системы АЛСН) о достижении контролируемых скоростей.

Для регистрации параметров движения используется бумажная лента шириной 79,5 мм, покрытая сернокислым барием. На ленту типографским способом наносятся линии и цифры, используемые при расшифровке. Лента разделена на два поля - поле скорости (между нижними и средними километровыми наколами) и поле времени (между средними и верхними километровыми наколами). В каждом из этих полей нанесены линии, обозначающие минимальное, максимальное и промежуточные значения. На поле скорости регистрируется значение скорости, тормозного давления и направление движения, на поле времени - получасовые интервалы времени, часовые наколы, огни локомотивного светофора (желтый, красно-желтый, красный), питание катушки ЭПК, состояние САУТ.

Из-за конструктивных особенностей скоростемера только писец скорости и писец времени находятся па одной линии, остальные писцы сдвинуты относительно их линии: ЭЖ, САУТ - на 27 мм влево, ЭК, ЭКЖ, ТД, НД - на 20 мм вправо, ЭЭ - на 42,5 мм вправо. Лентопротяжный механизм скоростемера приводится в движение от колесной пары локомотива через редуктор и валик привода прибора, выходящий из корпуса слева внизу. Три ряда игл на лентопротяжном валике предназначены для протягивания ленты, кроме того, наколы от них показывают пройденный путь. Расстояние между наколами 5,0 мм, что соответствует 1 км пройденного пути. Скорость протяжки ленты пропорциональна скорости движения локомотива. Лента наматывается на ведущую катушку, вращаемую от лентопротяжного валика через зубчатые колеса и фрикционное устройство, которое обеспечивает постоянное натяжение скоростемерной ленты. Пластина регистратора, выполненная из упругой латуни и хромированная, служит для фиксации положения ленты при давлении на нее пишущих узлов писцов. Кроме того, усилием, с которым эта пластина прижимается к игольчатому валику, обеспечивается постоянство длины протяжки ленты - на каждые 20 наколов - 100 мм. Это имеет важное значение при расшифровке показаний скоростемерной ленты, поскольку шаблоны расшифровки выполнены с соблюдением этого условия. Для ручной протяжки ленты при заправке в прибор игольчатый валик вращается вручную. Эту возможность обеспечивает храповой механизм, через который ватик соединен с системой шестерен прибора.

Реверсивный механизм обеспечивает работу скоростемера вне зависимости от направления движения поезда. Он смонтирован на валике привода прибора и представляет собой две конических шестерни - одну выше, другую ниже конической шестерни собственно механизма и два встречно направленных храповых механизма, смонтированных каждый на своем фланце валика привода и сцепленных каждый со своей шестерней. Механизм измерения скорости приводится от одного вала с лентопротяжным механизмом, от него же подзаводится специальный часовой механизм (часовой ход) узла измерения скорости (к часам скоростемера отношения не имеет), звук работы которого хорошо слышен при движении. От часового хода с постоянной скоростью поворачивается вертикально установленный валик с продольными пазами, в пазах которого укреплены три стальных зубчатых сегмента, могущие свободно ходить в пазах. По цилиндрической поверхности сегментов прорезаны мелкие кольцевые канавки, в профиль похожие на треугольнички. Сбоку к сегментам прижимается зубчатый ролик с такими же канавками, похожими на ответную часть резьбы. Ролик приводится во вращение от колесной пары через систему шестерен в скоростемере, и вращаясь, поднимает сегмент, с которым он находится в зацеплении. Получается что-то похожее на пару "шестеренка - зубчатая рейка". В каждый момент времени один из сегментов поднимается вращающимся роликом, второй зафиксирован в положении, до которого был поднят, специальным фиксирующим роликом, также имеющим резьбу и перекатывающимся по образованной тремя сегментами зубчатой цилиндрической поверхности, а третий, расцепившись, падает вниз, в исходное положение. Фиксирующий ролик позволяет стрелке указателя скорости устойчиво, без провалов вниз показывать текущую скорость движения.

Чем больше скорость - тем выше сегмент успевает подняться за время нахождения в зацеплении с колесом (пока вал не повернулся и не ввел зацепление с колесом следующий сегмент). Над сегментами стоит зубчатая рейка с шарикоподшипниками, приводящая стрелку скоростемера и писец скорости. Сегмент, вышедший из зацепления с колесом, под собственным весом и давлением шарикоподшипника падает вниз и цикл измерения скорости повторяется с другим сегментом.

Имеются исполнения скоростемера на максимальную скорость 150 км/ч и 220 км/ч, соответствующая градуировка наносится на скоростемерную ленту.

Направление движения регистрируется писцом, находящимся у линии нулевой скорости. При движении вперед он прочерчивает тонкую линию, при движении задним ходом этот писец через специальный рычаг в механизме прибора приводится реверсивным механизмом в движение и прочерчивает вертикальные линии у нулевой линии скорости. Поскольку это происходит часто, на скоростемерной ленте появляется одна толстая линия в районе между нулевой и линией 10 км/ч. Для отображения и регистрации времени используются специальные часы скоростемера, небольшой 24-часовой циферблат которых установлен па основном циферблате скорости, в течение получаса плавно поднимают минутный писец. По истечении 29-30й и 59-60й минуты писец времени падает, прочерчивая вертикальную линию, и снова начинается запись следующего отрезка времени. По истечении 1 часа±1 минута дополнительно отмечается проколом ленты. Игла, делающая часовые проколы, поднимается до верхней точки за 24 часа. Завод часов и перевод стрелок осуществляются ключом, который виден справа вверху у застекленного полукруглого окошка циферблата в районе цифр 100-110 км/ч. Ключ всегда вращается по часовой стрелке. Для перевода часов необходимо немного вытянуть ключ из корпуса. После установки времени он возвращается назад под действием возвратной пружины. Полный завод обеспечивает ход в течение 36 часов.

Локомотивным скоростемером также регистрируется давление в тормозной магистрали или в тормозных цилиндрах, при наличии системы электропневматического торможения. Давление сжатого воздуха подводится в скоростемер, установленный в нем металлический сильфон двигает писец давления. Используются сильфоны на максимальное давление 6 кгс/см² и 8 кгс/см².

Для записи параметров АЛСН используются четыре электромагнита с приводом к соответствующим писцам. Электромагниты возбуждаются и опускают писцы на 2-2,8 мм при появлении на локомотивном светофоре желтого, красно-желтого, красного огня и возбуждении катушки ЭПК автостопа. При проверках бдительности, когда катушка ЭПК теряет питание и раздается свисток, писец поднимается до восстановления питания рукояткой бдительности и на ленте видна длительность проверки.

Для регистрации состояния системы САУТ скоростемеры оборудуются дополнительным пятым электромагнитом с писцом.

Также известны скоростемеры серии КПД-3. представляющие собой микропроцессорное контрольно-измерительное устройство для тягового подвижного состава, обеспечивающие более высокую точность измерений и достоверность при расшифровке поездной информации: погрешность КПД-3 не более±1 км/ч.

Регистрация скоростемерной информации в КПД-3 производится: на бумажную (пластиковую) ленту: в электронный съемный модуль памяти; в электронный блок регистрации информации защищенный, действующий как «черный ящик».

Расшифровка данных с модуля памяти после поездки проводится автоматически в специальной компьютерной программе ЭМ-Эксперт, которая подробно отображает данные о состоянии тормозной системы, сигналах светофора, скорости, времени и других параметрах поездки. Основной функцией скоростемера является измерение, индикация и регистрация скорости, пройденного пути, времени, тормозного давления и параметров АЛС.

Дополнительно КПД-3 измеряет величину ускорения (замедления) движения локомотива, что обеспечивает повышение безопасности движения и ресурсосбережение: машинист может оперативно применять режимы торможения и тяги при управлении поездом на пути с любой сложностью профиля, контролировать трогание с места без опасности разрыва состава, оперативно проверять эффективность тормозов.

Последняя модель КПД-3В позволяет регистрировать и впоследствии анализировать расход электроэнергии на локомотиве по трем каналам (например, на тягу, рекуперацию и на отопление вагонов). КПД-ЗВ также контролирует плотность тормозной магистрали.

Скоростемеры серии КПД-3П предназначены для использования на локомотиве при маневровой работе, на малодеятельных участках, в пригородном движении, а также на промышленных предприятиях.

Запись скоростемерной информации производится в электронный съемный модуль памяти для после рейсовой автоматизированной расшифровки.

Каждый следующий вид скоростемера серии КПД-3П дополняется новыми функциями, так например, скоростемеры типа КПД-3ПА используются для локомотивов промышленных предприятий, а также для дооснащения подвижного состава, выходящего на ж/д пути общего пользования. КПД-3ПА выполняет функции: измерение, индикацию и регистрацию скорости, ускорения, пройденного пути, времени, давления и другой скоростемерной информации: сигнализацию превышения контролируемых скоростей; выдачу сигналов для управления гребнесмазывателем и песочницей, а комплекс КПД-ЗПС также включает в себя функции определения местоположения локомотива и измерения расхода топлива, а скоростемеры КПД-3ПВ используются для оснащения ж/д транспорта «с нуля» согласно требованиям нормативных документов и дополнительно выполняют: предварительную световую сигнализацию при периодической проверке бдительности с реализацией алгоритма с "верхней" рукояткой бдительности: контроль самопроизвольного ухода локомотива: контроль несанкционированного отключения электропневматического клапана (ЭПК) ключом ЭПК.

Известный скоростемер КПД-3ПС используется на тепловозах и специальном самоходном подвижном составе промышленных предприятий, выполняет функции КПД-3ПА и КПД-3ПВ, а также дополнительно осуществляет: измерение температуры и плотности топлива в баке локомотива; определение расхода топлива в литрах и килограммах за любой промежуток времени; определение местоположения локомотива по системам спутниковой навигации ГЛОНАССи GPS; передачу данных о текущих географических координатах локомотива и другой поездной информации на сервер пользователя; получение команд управления с сервера пользователя.

Важную роль в своевременном срабатывании устройств безопасности играет точность измерения параметров движения (Марюхненко B.C. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов: монография; - Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. - 112 с. [3]), в частности, скорости железнодорожной единицы(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-ратехн. наук, профессора B.C. Марюхненко. - Новосибирск: Наука. 2014. - 256 с. [4]).

Между тем. одометрические измерители скорости, применяемые на современных локомотивах железных дорог РФ, имеют большую погрешность измерения (от 0,5 до 2,0 км/ч в зависимости от скорости движения в диапазоне от 0 до 80 км/ч), что препятствует и повышению точности соблюдения временного графика движения, и сокращению допусков на срабатывание устройств безопасности (Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.ielectro.ru[5]). Устройство КЛУБ-У. Руководство по эксплуатации. Часть первая. 36991-00-00 РЭ. - Ижевск: изд-во ИРЗ. 2014. - 264 c.[6]). Кроме того из-за недостаточно высокой точности измерений известные скоростемеры имеют дополнительные составляющие погрешности измерений, которые проявляются при неполном сцеплении колеса с рельсом (юз, буксование колес), зависимость погрешности измерения от износа бандажей колес (Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД». 2011. - 256 с. [7]).

Общей проблемой на ж/д транспорте является измерение малых скоростей движения с начала трогания с места и в самом конце движения, вплоть до остановки. Это объясняется тем. что для измерения скорости применяются механические датчики, которые обладают значительной погрешностью измерения, кроме того, при пробуксовке и юзе они не работоспособны.

Известны также автодинные радиолокаторы малого радиуса действия с использованием частотной модуляцией, которые нашли широкое применение на ж/д транспорте в качестве измерителей параметров движения вагонов на сортировочных горках, локомотивов относительно полотна дороги, обнаружителей занятости стрелочных переводов и ж/д переездов, датчиков предупреждения столкновений и многое другое, (Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники». 2016, №3. стр. 32-80 [8]).

Существенным недостатком данных устройств является выделение полезного сигнала на фоне помех, обусловленных функционированием стационарными радиотехнических систем.

Также известна «Локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути» (патент RU №2378654 от 10.01.2010 г. [9]), которая содержит три приемоизлучающих устройства, каждое из которых включает блок СВЧ -излучателя с передающей антенной и приемный блок отраженного СВЧ -излучения с приемной антенной и усилителем и программируемый микропроцессор с двумя блоками корреляционно-экстремальной обработки. Все приемоизлучающие устройства расположены последовательно по продольной симметрии рельса и отраженные сигналы от подстилающего балласта, воспринимаются и анализируются по специальному обеспечению.

Недостаток: очень сложное схемное решение за счет применения корреляционной обработки, а также нестабильная работа в экстремальных условиях эксплуатации, таких как сложные метеорологические условия (обильные осадки, вихревые потоки с примесью твердотельных неоднородное гей).

Эта система практически не применима навысокоскоростных ж/д магистралях, в которых не используются шпаты, а есть только прочное подстилающее основание на всем пути, т.е. нет балласта в обычном смысле этого слова, т.е. нет реперов для отчетов.

В настоящее время намечается тенденция перехода электрического ж/д транспорта на постоянном токе на переменный ток промышленной частоты, это дает значительное повышение эксплуатационных характеристик одновременно с применением управления всеми двигательными (ведущими) колесами локомотива по схеме мотор/колесо от центрального процессора. Это предъявляет повышение требований к измерениям параметров движения как на сверхмалых (0.5-2 м/с), так и на больших скоростях (300-500 км/ч).

Для повышения точности измерения скорости движения локомотива на ж/д пути, особенно на малых скоростях, начиная с момента трогания с места с определением направления движения предложена система определения скорости локомотива и направления движения (патент RU №2769956С1, 11.04.2022[10]). основанные на применении - использовании искусственных ориентиров - маркеров вдоль геометрии ж/д пути в виде накладок для крепления рельсов к шпалам, характеризующиеся тем, что по мере движения локомотива излучающей по двум последовательным каналам зондирующие радиолокационные сигналы, принимают отраженные от меток ответные сигналы и, зная расстояние-базу между зондирующими - приемными каналами, атак же засекают время между проходом ответных импульсов от текущей метки по каждому каналу по формуле: S=V*t, где S=L₂ (расстояние между каналами), t - время прохода метки.

Скорость локомотива определяют по выражению: V=S/t=2/Δt, а по последовательности времени прохода канатами метки определяют направление движения, так если последовательность первый-второй канал, то движение вперед, если же второй-первый, то назад; при движении с места все отсчеты проводят по второй метке. При этом технический результат достигается за счет применения двух последовательных радиолокаторов матого радиуса действия, размещенных в подкузовном пространстве локомотива, а в качестве маркеров по геометрии ж/д пути выбраны накладки крепления рельсов к шпатам и оптиматьной обработки отраженных от маркеров сигналов. Существенным недостатками данного технического решения является размещение радиолокаторов в подкузовном пространстве локомотива, что приводит к появлению флуктуационных составляющих, обусловленных переотражением зондирующих сигналов от конструктивных элементов локомотива, а также возникновение погрешностей, из-за влияния вихревых воздушных потоков, содержащих бытовой мусор. Известны также технические решения по обоснованию применения для измерения скорости железнодорожных подвижных объектов альтернативного, радиолокационного доилеровского измерителя скорости (М.А. Гурулева. B.C. Марюхненко. Применение доилеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск. Иркутский государственный университет путей сообщения. 2016, №1(108), с. 129-142 [11]).

В соответствии с источником информации [11] радиальную скорость объекта определяют, дифференцируя значения дальности (по показаниям радиодальномера), или, оценивая конечную разность дальностей на границах фиксированного интервала времени. При этом отмечается, что достичь гораздо большей точности измерений позволяет использование доплеровского эффекта. 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 доплеровским измерителем скорости (ДИС) импульсного и непрерывного излучения в пользу последнего. 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 П_рл и приемника П_рм с относительной скоростью V_r приводит к смещению частоты принимаемых сигналов:

где f_o=1/Т_o - 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. При этом радиальная скорость объекта определяется по формуле: где V_r - радиальная скорость объекта; λ_о=c/f_о - длина волны излучаемых колебаний.

При облучении электромагнитными колебаниями неподвижной цели (балласта железнодорожного пути) радиальную скорость локомотива V_r можно записать как V_r=Vcosα, 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 цели 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(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.):

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

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 а по отношению к горизонтали. При α=35…70° доплеровское смещение составляет 35…80% (G.Hilger.GlasersAnnalen, 1998, N9/10. S.533-541).

Из выражения (3) видно, что при увеличении угла излучения относительно его основного значения появляется множество частот, расширяющих полосу доплеровского излучения. Если отражающие свойства поверхности в пределах облучаемой площади одинаковы, то форма огибающей спектра зависит от угла β. Ширина спектра отраженного сигнала:

где - доплеровские сдвиги частоты соответственно от первой и второй точек цели.

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 (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.), чтобы часть переданного сигнала, отразившись от поверхности, вернулась к приемнику должно выполняться неравенство 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. 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. Протяженность и неравномерность облучаемой поверхности вагона приводит к флуктуатации отраженною сигнала, уменьшить влияние которой можно правильной установкой и настройкой скоростемера. 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_иy 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 (Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок; Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут.2005. - 240 с.). 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.

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 (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. - М: Радио и связь, 1983. - 536 с.) и от ускорения движения подвижного объекта. Расширение спектра доплеровского сигнала влияет на величину потенциальной среднеквадратической погрешности измерения радиальной скорости объекта. 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 1 м/с² погрешность измерения скорости составляет 0.65 км/ч (G.Hilger. GlasersAnnalen, 1998, N9/10, S.533- 541).

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. Однако при использовании доплеровских измерителей скорости, работающих от подстилающей поверхности имеется ряд сложностей, обусловленных размещением приемоизлучающих устройств, как в подкузовном пространстве локомотива, так и на корпусе локомотива, неоднородностью подстилающей поверхности, наличием завихрений, содержащих твердотельные фракции, что сказывается на точности измерения скорости.

В качестве прототипа выбрано известное техническое решение «Способ и устройство определения скорости локомотива и направления движения» (патент RU №2769956С1, 11.04.2022 [10]).

Данное устройство представляет собой систему определения скорости локомотива и направления движения, которая содержит маркеры на геометрии ж/д пути, первый и второй радиолокационные датчики, соответственно, первый и второй блоки обработки отраженных сигналов - БОС, микроконтроллер, шину управления и синхронизации, две двунаправленные шины связи и потребители сигналов скорости и направления движения со следующими соединениями: первый и второй радиолокационные датчики с зондирующими и отраженными сигналами шинами и связаны с метками, а выходы датчиков через первый и второй БОС, соответственно, связаны с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого шиной связан с управляющими и синхронизирующими входами первого и второго датчиков; второй выход микроконтроллера сигналами скорости и направления движения связан с их потребителями. В основу работы известного устройства положен принцип радиолокационного обнаружения по ходу локомотива естественных маркеров по геометрии ж/д пути, а именно накладок для крепления рельсов к шпалам. Для чего в подкузовном пространстве локомотива расположены два радиолокационных датчика следующим образом: последовательно по оси локомотива с краю, а их проекции на рельсовое полотно совпадают с накладками с внутренней или внешней стороны рельса, расстояние между датчиками чуть меньше или равно расстоянию между соседними шпалами, т.е. чуть меньше 50 см (45-49).

По ходу движения локомотива датчики излучают зондирующие радиолокационные сигналы с узкой диаграммой направленности строго вниз на ж/д полотно. По мере движения датчики последовательно проходят над балластом и накладками, от которых получают отраженные сигналы, причем от балласта и шпал их мощность минимальна, а от накладок в децибелы выше. Заметим, что от датчиков не требуется ни определения расстояния до накладок, ни определения угла места, а только наличие отраженных от накладок сигналов.

Полученные отраженные сигналы обрабатываются в датчиках в формате логики, т.е. итоговый результат обработки представляет собой лог.0, если датчик находится вне накладки, и лог.1, если над ней.

Эти сигналы поступают на микроконтроллер, который по логической единице от первого датчика движение вперед до второй шпалы начинает отсчет времени.

Когда второй дат чик достигнет второй шпалы, микроконтроллер получит лог.1, отсчет времени прекращается, а микроконтроллер производит вычисление скорости по известной формуле, в которой известно время Δt и расстояние между датчиками.

Замер времени для расчета от начала движения производится при второй лог.1 от второго датчика от соответствующей накладки (движение вперед) и от соответствующей накладки (движение назад) от третьего датчика.

Измерение направления движения происходит также при фиксации второй шпалы по следующему алгоритму: если первым фиксируется второй датчик, то движение вперед, если же третий датчик, то движение назад. Измерение скорости и направления происходит одновременно, а по ней вычисляют и величину пройденного пути.

Недостатками прототипа являются недостатки, характерные для радиолокационных измерителей скорости.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности измерения скорости подвижного железнодорожного состава.

Поставленная задача достигается за счет того, что в системе определения скорости локомотива и направления движения, содержащей маркеры, локационный датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров, соответственно, блок обработки отраженных сигналов - БОС, шину управления и синхронизации, шину связи с потребителями сигналов скорости и направления движения, маркеры размещены на опорах контактной сети по пути следования локомотива, датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров выполнен в виде лазерного дальномера, дополнительно в систему определения скорости локомотива и направления движения введены приемник спутниковой навигационной системы, электронная картографическая навигационная информационная система, соединенная своими входами с выходами соответственно БОС и приемника спутниковой навигационной системы, а своим входом - выходом соединена с бортовым компьютером бортовой системы безопасности движения локомотива который своими входами соединен соответственно с выходами БОС и приемника спутниковой навигационной системы, при этом локационный датчик выполнен в виде лазера, работающего в ближнем ИК диапазоне 1065 нм для определения пространственного положения точек отражения от маркеров, маркеры выполнены в виде оптических угловых отражателей и размещены на опорах контактной сети по пути следования локомотива, преимущественно в начале и конце блок - участков и на светофорах, оптические угловые отражатели выполнены с диффузным светоотражающим эффектом не мене 80%.

Предлагаемая система определения скорости локомотива и направления движения, содержит: маркеры на геометрии ж/д пути, которые выполнены в виде оптических угловых отражателей и размещены на опорах контактной сети по пути следования локомотива преимущественно в начале и конце блок участков и на светофорах;

локационный датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров, который выполнен в виде лазера, работающего в ближнем ИК диапазоне (1065 нм) для определения пространственного положения точек отражения от маркеров;

Электронная картографическая навигационная информационная система (ЭКНИС) представляет собой программный комплекс, который предназначен для создания и обработки электронных (цифровых) карт, их отображения и редактирования во внутреннем векторном формате DM.

Программа функционирует в составе программного комплекса компьютера бортовой системы безопасности локомотива и является управляющей для остальных модулей системы (приложений).

Программа выполняет значительную часть сервисных функций и математической обработки цифровой картографической информации, а также обеспечивает работу вспомогательных программных модулей и процедур динамических библиотек. В состав программного комплекса входит головной программный модуль DMW, редактор классификатора OBJ.EXE, редактор условных знаков VGM.EXE, редактор бланков ввода семантики ID.EXE, файлы динамически подключаемых библиотек (.DLL) -программы решения различных прикладных задач.

Все программы выполнены в виде отдельных исполняемых модулей и разработаны независимо друг от друга. Обмен информацией между модулями осуществляется через совместно используемые файлы. При необходимости, модули, работающие с классификатором, могут быть вызваны из картографического редактора. На ЭКНИС выводится в реальном режиме следующая информация: путь следования локомотива между станциями, размещение по пути следования светофоров, полустанков, разъездов, опор контактной сет и с маркерами, станционные входные и выходные сигнальные установки и т.п. В качестве аналога ЭКНИС могут быть использованы известные системы (Грязнов В.И. Электронные картографические навигационные информационные системы (ЭКНИС). Часть 2. ФГБОУВО «Керченский государственный морской технологический университет». Керчь. 2019. 44 с).

Введенный в систему измерения скорости локомотива приемник спутниковой навигации позволяет получить дополнительные данные о параметрах движения локомотива и скорректировать полученные лазерным дальномером данные движения локомотива при неблагоприятных условиях внешней среды.

Посредством лазерного дальномера измеряют расстояние, и/или пеленг, и/или курс, по крайней мере, до трех оптических угловых отражателей, установленных на опорах контактной сети и светофорах с известными координатами, рассчитывают координаты точки установки лазерного дальномера на локомотиве с последующим их преобразованием в географическую систему координат, вычисляют координаты точки установки антенны приемника СНС, вычисляют эталонные координаты точки установки антенны приемника СНС, вычисляют погрешности расстояний, пеленга и курса, вычисляют поправки, которые вводят в вычислитель.

В бортовом компьютере системы безопасности движения локомотива (СБДЛ) вводят из приемника СНС сигналы координат локомотива, скорости движения локомотива, расстояние и/или пеленг и/или курс, по крайней мере, до трех оптических угловых отражателей, установленных на опорах контактной сети с известными координатами, рассчитывают координаты точки установки лазерного дальномера на локомотиве с последующим их преобразованием в географическую систему координат, вычисляют координаты точки установки антенны приемника СНС, вычисляют эталонные координаты точки установки антенны приемника СНС, вычисляют погрешности расстояний, пеленга и курса, вычисляют поправки, которые вводят в вычислитель, при этом также вводят в вычислитель данные о расположении ОУО и антенны СНС, координаты и курс локомотива (X_c, Y_c, Z_c, К), углов крена и дифферента (θ, ψ) локомотива, а также расстояний (D₁, D₂, D₃), измеренных радаром до ОУО, и его координат (X_л, Y_л, Z_л), и последующим расчетом эталонных координат антенны СНС (ϕ_э,λ_э,h_э), которые сравниваются с вычисленными координатами СНС (ϕ_с, λ_с, h_c) с использованием информационных сигналов от навигационных космических аппаратов.

В процессе измерения скорости в компьютере СБДЛ также вычисляют значения поправок к измеренным значениям скорости для конкретных режимов движения локомотива:

и коэффициенты измерителя скорости К_и:

где V_о - истинная относительная скорость локомотива, V_и - относительная скорость локомотива определенная по результатам замеров посредством лазерного дальномера, К_и - коэффициент измерителя скорости, зависящий от режимов движения локомотива.

Связь между поправкой и коэффициентом измерителя скорости определяется по формуле:

Для ввода в корректоры используется погрешность измерителя скорости, т.е. величину, обратную по знаку поправке измерителя скорости (лазерного дальномера) и отнесенную к значению относительной скорости.

Относительная погрешность измерителя скорости определяется для каждого режима движения локомотива и вычисляется по формуле:

Компенсация погрешностей измерителя скорости посредством корректоров производится в том случае, если в результате измерения скорости будет наблюдаться наличие погрешностей в работе измерителя скорости, превышающих допустимые значения, заданные для каждого режима движения локомотива. Наличие погрешностей измерения скорости может быть обусловлено отсутствием отражения сигналов от оптических угловых отражателей на криволинейных участках движения локомотива и сложных метеорологических условиях (сильная метель, наличие града).

Истинная относительная скорость локомотива в данных обстоятельствах определяется по показаниям приемника спутниковой навигационной системы или путем оценки конечной разности расстояний на границах фиксированного интервала времени между опорами контактной линии, определенных посредством ЭКНИС, а также может быть определена по данным, вырабатываемым инерциально-измерительным модулем при его наличии в составе оборудования системы безопасности движения локомотива.

Все вычислительные операции и ввод корректирующих сигналов осуществляется автоматически по специальной программе.

Вся измеренная информация по ходу движения локомотива транслируется через бортовую систему безопасности локомотива в систему интервального регулирования движения поездов, которая включает расположенные вдоль перегонов реперные датчики, которые выполнены в виде балис, представляющих собой систему точечной передачи данных, а также стационарно расположенные радио блок-центры, связанные с микропроцессорной системой централизации стрелок и сигналов и с системой диспетчерской централизации, на мониторах которой отображается местоположение поездов в реальном времени.

Угловые оптические отражатели выполнены со специальным оптическим покрытием.

Отражение от поверхности в выбранном спектральном диапазоне может быть усилено за счет нанесения специальных оптических покрытий (https://www.tydexoptics.com/pdf/ru/Optical_Coatings_ru.pdf). Нанесенные пленки дополнительно могут модифицировать физические свойства поверхности, например, повышать ее стойкость к воздействию влаги.

Из уровня техники известны различные светоотражающие покрытия из которых наиболее совершенным является светоотражающее покрытие, приведенное в источнике RU №2775015С1, 27.06.2022, которое включает от 10 до 20% масс раствор синтетического фторсодержащего каучукоподобного сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом марки СКФ - 26 в этилацетате и аноминиевую пасту «STAPA 9757» с чешуйками «серебряные доллары» в количестве от 0,05 до 3,0 масс. % от массы фторкаучука в растворе.

Использование в качестве светоотражающего компонента алюминиевой пасты «STAPA 9757» с чешуйками «серебряные доллары», размер которых в пределах 18 мкм, положительно влияет на отражающую способность покрытия при длительном сроке (до 10 лет) его использования. Кроме того выбранное содержание пасты «STAPA 9757» от 0,05 до 3,0% масс. от массы фторкаучука в растворе обеспечивают равномерное покрытие поверхности, за счет строгой параллельной ориентации дискообразных чешуек на обрабатываемой поверхности, создавая необходимое отражение излучаемых сигналов.

Подобранная опытным путем композиция светоотражающего покрытия позволяет проводить процесс нанесения его на обрабатываемую поверхность тонким слоем с применением простых средств, таких как: кисть, краскопульт или шпатель, при этом получается гладкое покрытие с высоким диффузным светоотражающим эффектом не мене 80%.

Использование предлагаемого технического решения позволит повысить точность и надежность измерения линейной скорости и пройденного пути, осуществлять определение направления движения, расширить диапазон минимальных рабочих скоростей, а также расширить область применения на различных транспортных средствах.

Источники информации.

1. Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка скоростемерных диаграммных лент. М.: УМК МПС России, 2002. С.272. ISBN 5-89035-052-8.

2. Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), М.: УМЦ, по образованию на железнодорожном транспорте. 2007. С.272. ISBN 978-5-89035-465-5.

3. Марюхненко B.C. Информационный анализ навигационного обеспечения управляющих систем подвижных транспортных объектов: монография; - Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. - 112 с.

4. 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-ратехн. наук, профессора B.C. Марюхненко. - Новосибирск: Наука. 2014. - 256 с.

5. Козюков А.И. Локомотивный скоростемер. Информационная система [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.ielectro.ru.

6. Устройство КЛУВ-У. Руководство но эксплуатации. Часть первая. 36991-00- 00 РЭ. -Ижевск: изд-во ИРЗ. 2014. - 264 с.

7. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской федерации: утв. Приказом Минтранса России от 21.12.2010 г. N286. - М.: ООО «Трансинфо ЛТД», 2011.- 256 с.

8. Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80.

9. Патент RU №2378654 от 10.01.2010 г.

10. Патент RU №2769956 С1, 11.04.2022.

11. М.А. Гурулева. B.C. Марюхненко. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск. Иркутский государственный университет путей сообщения. 2016. №1(108), с. 129-142.

Изобретение относится к определению местоположения или опознавания подвижного состава. Система определения скорости локомотива и направления движения содержит маркеры, локационный датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров, блок обработки отраженных сигналов (БОС), шину управления и синхронизации, шину связи с потребителями сигналов скорости и направления движения, приемник спутниковой навигационной системы, электронную картографическую навигационную информационную систему. Датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров выполнен в виде лазерного дальномера, работающего в ближнем ИК диапазоне 1065 нм. Электронная картографическая навигационная информационная система соединена своими входами с выходами соответственно БОС и приемника спутниковой навигационной системы, а своим входом-выходом соединена с бортовым компьютером бортовой системы безопасности движения локомотива. Бортовой компьютер своими входами соединен соответственно с выходами БОС и приемника спутниковой навигационной системы. Маркеры выполнены в виде оптических угловых отражателей с диффузным светоотражающим эффектом не менее 80% и размещены на опорах контактной сети. Технический результат заключается в повышении надежности измерения скорости подвижного железнодорожного состава.

Система определения скорости локомотива и направления движения, содержащая маркеры, локационный датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров, соответственно, блок обработки отраженных сигналов - БОС, шину управления и синхронизации, шину связи с потребителями сигналов скорости и направления движения, отличающаяся тем, что маркеры размещены на опорах контактной сети по пути следования локомотива, датчик для излучения и приема отраженных сигналов от маркеров выполнен в виде лазерного дальномера, дополнительно в систему определения скорости локомотива и направления движения введены приемник спутниковой навигационной системы, электронная картографическая навигационная информационная система, соединенная своими входами с выходами соответственно БОС и приемника спутниковой навигационной системы, а своим входом-выходом соединена с бортовым компьютером бортовой системы безопасности движения локомотива, который своими входами соединен соответственно с выходами БОС и приемника спутниковой навигационной системы, при этом локационный датчик выполнен в виде лазера, работающего в ближнем ИК диапазоне 1065 нм для определения пространственного положения точек отражения от маркеров, маркеры выполнены в виде оптических угловых отражателей и размещены на опорах контактной сети по пути следования локомотива преимущественно в начале и конце блок-участков и на светофорах, оптические угловые отражатели выполнены с диффузным светоотражающим эффектом не менее 80%.