Способ определения положения центров шпал рельсового пути Российский патент 2024 года по МПК E01B35/06 B61K9/08 

Изобретение относится к области алгоритмического обеспечения информационно-измерительных систем, применяемых в железнодорожных машинах с бесконтактным считывающим устройством для определения положения шпал, а также прибором для измерения пройденного машиной расстояния и устройством управления для центрирования рабочего устройства, и может применяться для бесконтактного считывания положения шпал и определения путевой координаты их центра.

Из уровня техники известны система и способ для контроля железнодорожного пути (патент RU 2385446, опубликовано 27.03.2010, МПК: G01C 3/08 (2006.01)). Способ контроля железнодорожного пути состоит из нескольких этапов, на которых с помощью устройства лазерного подсвета освещают линию от края до края железнодорожного пути; принимают часть света, отраженного от железнодорожного полотна; генерируют и анализируют совокупность полученных изображений; обрабатывают совокупность изображений; записывают соответствующее географическое местоположение изображений с помощью приемника GPS или дистанционного устройства для определения данных о местоположении; отображают физические характеристики участка железнодорожного пути. Обработка совокупности изображений заключается, в том числе, в восстановлении сечений анализируемого участка пути вертикальными плоскостями, что позволяет с помощью системы, реализующей способ, проводить измерения, которые включают в себя, но без ограничения: расстояние между шпалами, угол шпал относительно рельса, трещины и дефекты в поверхности шпал, отсутствующие, не выровненные или осевшиерельсовые подкладки, отсутствующие, поврежденные или не выровненные крепежные детали, изношенные или поврежденные изоляторы, износ рельсов, колею между рельсами, высоту щебеночного слоя относительно шпал, размер щебня и разрыв или разделение в рельсе. Система включает в себя один или несколько алгоритмов для определения измеряемых параметров железнодорожного пути. Для эффективной обработки всех данных, полученных с помощью указанной системы контроля железнодорожного пути, устройство обработки, согласно предпочтительному варианту своего осуществления, включает в себя компьютер с процессором, например, Intel Pentium 4, с тактовой частотой 2,8 ГГц, а для эффективного хранения всех данных, предпочтительно, включает в себя два жестких диска большой емкости, сконфигурированных для использования одновременно обоих механизмов чтения/записи как один привод (RAID массив).

Требования к производительности процессора и объему хранилища следует отнести к недостаткам данного способа.

Известен способ определения положения шпал рельсового пути (патент RU 2806764, опубликовано 07.11.2023, МПК: Е01В 35/06 (2006.01), Е01В 27/16 (2006.01), В61К 9/08 (2006.01), G01C 3/00 (2006.01)), который основан на получении отсчетов измерений дистанции d в вертикальном направлении между машиной и щебнем или шпалой. При этом для регистрации точек начала и окончания шпалы применяют два цифровых фильтра Ф₁ и Ф₂, импульсные характеристики которых выбираются таким образом, что являются зеркальными отражениями ожидаемых временных реализаций сигнала измерителя дистанции d для участков 1) «щебень-шпала» и 2) «шпала-щебень» соответственно по информации о скорости движения машины при априори известных ширине шпалы, среднем расстоянии между шпалами и частоте дискретизации F_д сигнала бесконтактного измерителя дистанции d. На вход цифровых согласованных фильтров Ф₁ и Ф₂ подают сигнал с вычтенной априори известной дистанцией до шпалы в вертикальном направлении d_шп, а для сигналов с выходов фильтров Ф₁ и Ф₂ выполняют поиск точек локальныхмаксимумов, превышающих порог Z_пор, определяют соответствующие им моменты времени t₁ и t₂ проезда над точками начала и окончания шпалы. Далее по информации от прибора для измерения расстояния при регистрации пройденного машиной пути s(t) оценивают текущие путевые координаты точек начала и окончания шпалы R₁=s(t₁) и R₂ - s(t₂) и вычисляют по ним путевую координату центра шпалы R_шп=0,5(R₁+R₂). Порог обнаружения границы шпалы Z_пор устанавливают по критерию Неймана - Пирсона исходя из допустимого уровня вероятности ложных обнаружений границ шпал.

К недостатку способа следует отнести тот факт, что амплитуды сигналов z_выxl и z_выx2 с выходов его цифровых фильтров Ф₁ и Ф₂,

z_вых1=s_вх⊗g_i, i=1,2

где s_вх - вектор отсчетов сигнала на входе согласованного фильтра, g - вектор отсчетов импульсной характеристики согласованного фильтра, ⊗ - обозначение оператора свертки, будут тем меньше, чем ближе средний уровень щебня к уровню шпал: иными словами, чем ниже отношение сигнал-помеха на входе фильтров Ф₁ и Ф₂. Выполнив имитационное моделирование в соответствии с принятыми в способе патента RU 2806764 численными параметрами:

- расстояние между шпалами в 3 раза больше ширины шпалы (фиг. 1),

- скорость движения железнодорожной машины такова, что в среднем расстояние между двумя соседними шпалами она проходит за 100 интервалов дискретизации сигнала бесконтактного дальномера (фиг. 1);

- шумы измерений бесконтактного измерителя дистанции d для шпалы имитируются математической моделью белого гауссовского шума с нулевым математическим ожиданием и дисперсией D_ш=0,1 см²,

- шумоподобные флуктуации отраженного от щебня сигнала для бесконтактного измерителя дистанции имитируются в виде узкополосного случайного процесса с относительной шириной спектра ΔƒТ=0,1,

а также приняв равным нулю превышение высоты шпал над средним уровнем щебня, получим следующие временные диаграммы для сигнала навходе согласованного фильтра (фиг. 2) и выходах z_вых1 и z_вых2 его фильтров Ф₁ и Ф₂ соответственно (фиг. 3).

Из приведенных на фиг.3 эпюр видно, что для случая равенства среднего уровня щебня и шпал для способа патента RU 2806764 нельзя задать порог Z_пор, обеспечивающий на интервале моделирования близкую к единице вероятность правильного обнаружения границ «щебень-шпала» и «шпала-щебень» при низком уровне ложных срабатываний.

По совокупности признаков в качестве прототипа выбран способ для определения положения шпал рельсового пути патента RU 2228988 (опубликовано 20.05.2004, МПК: Е01В 35/06, G01C 3/00). Изобретение прототипа относится к машинам с измерительной аппаратурой, используемой при сооружении рельсовых путей. Машина имеет для определения положения шпал на рельсовом пути бесконтактное считывающее устройство в сочетании с прибором для измерения расстояния при регистрации пройденного машиной пути. Считывающее устройство представляет собой дальномер для бесконтактного определения значений дистанции по вертикали между машиной и путем. Устройство управления, связанное с дальномером, служит для непрерывной и последовательной разбивки контролируемого пути на измеряемые участки - соответственно на:

1) опознанный участок со шпалой, включающий только в незначительной степени отличающиеся друг от друга данные измерений дистанции, и

2) на примыкающий к нему и находящийся между шпалами участок с щебнем между шпалами.

Способ определения положения шпал рельсового пути характеризуется использованием последовательности скачкообразно измененных данных измерений дистанции по вертикали на границах «щебень-шпала» и по совокупности признаков выбран в качестве прототипа.

Согласно способу прототипа при продвижении шпалоподбивочной машины измеряют пройденный путь s и считывают бесконтактным способомположение шпал. При этом вдоль измерительной линии, проходящей в продольном направлении пути над шпалами и щебнем, непрерывно получают и записывают в память данные измерений дистанции d в вертикальном направлении между машиной и щебнем или шпалой. Затем полученную таким образом и контролируемую по пути кривую измерений делят на опознанный участок со шпалой X, на котором имеются лишь минимальные изменения в данных измерений, а начало находится в первой зарегистрированной точке скачка A, за которым следует опознанный участок с щебнем Y, примыкающий к нему соответственно в точке скачка В и характеризующийся следующим друг за другом рядом скачкообразно изменяющихся величин измерения дистанции d, максимальные значения которых находятся за пределами минимальной ширины полосы m.

Как следует из описания способа, он априори предполагает, что поверхности шпал, к которым прилегают рельсы пути, лежат выше среднего уровня щебня между шпалами, чтобы при выполнении дифференцирования сигнала высоты проявлялись ярко выраженные пики (скачки) первой производной Δd на границе «щебень-шпала», которой соответствует отрицательный пик большой амплитуды, и «шпала-щебень», которой соответствует положительный пик большой амплитуды.

Однако в случае, когда средний уровень щебня между шпалами максимально близок к уровню верхних поверхностей шпал, а в предельном случае - равен ему, как смоделировано на фиг. 2, применение способа прототипа для детектирования границ шпал приводит к ложным срабатываниям и пропускам шпал. Этот факт иллюстрирует зависимость первой производной Δd на фиг. 4, которая была получена в результате обработки реализации с фиг. 2 согласно способу прототипа.

Техническая проблема заключается в том, что известные способы определения положения центров шпал имеют низкую эффективность при приближающейся к нулю разнице между уровнями шпал и щебня (фиг. 5).

Технический результат, решаемый созданием заявленного изобретения, заключается повышении качественных характеристик обнаружения центров шпал - высокой вероятности их правильного обнаружения при низкой вероятности ложной тревоги - независимо от априори неизвестного среднего уровня высоты щебня на железнодорожном пути.

Технический результат достигается следующим образом. Для анализа отсчетов бесконтактного измерения дальности d_i до шпал или щебня применяют скользящее окно с четным числом элементов N=2n, где n - натуральное число. Принимают гипотезу о том, что среднеквадратическая погрешность измерений бесконтактного измерителя не менее чем на порядок ниже, чем средний линейный размер щебня между шпалами. При технической реализации способа предполагается, что поступающие на анализ N отсчетов измерений дальности d_i хранятся в буферном массиве или сдвиговом регистре, где обновляются по принципу FIFO, First In - First Out.

Накрытую скользящим окном в дискретный момент времени i выборку из N поступивших отсчетов разбивают на две подвыборки: Для каждой из подвыборок d_1i; и d_2i оценивают среднеквадратические отклонения: σ_1i и σ_2i;-соответственно. Затем по значениям σ_1i и σ_2i вычисляют два индикатора:

Очевидно, что максимальные значения Ind_1_i будут характерны для тех моментов времени i, когда подвыборка d_1i, содержит только отсчеты с измерениями дальности до шпалы, а подвыборка d_2i - только до щебня, т.е. середина скользящего окна соответствует границе «шпала-щебень».

Аналогичным образом максимальные значения Ind_2i будут характерны для тех моментов времени i, когда подвыборка d_1i, содержит только отсчеты с измерениями дальности до щебня, а подвыборка d_2i - только до шпалы, т.е. середина скользящего окна соответствует границе «щебень-шпала».

Координаты i точек локальных экстремумов индикаторов Ind_1_i и Ind_2_i превысивших порог обнаружения Z_пор, являются дискретными моментами времени i_extr_₁ и i_extr_₂, соответствующими оценкам положений прохождения бесконтактным измерителем границ «шпала-щебень» и «щебень- шпала» соответственно. Порог обнаружения границы шпалы Z_пор устанавливают по критерию Неймана - Пирсона исходя из допустимого уровня вероятности ложных обнаружений.

Результаты расчета значений индикаторов Ind_1_i и Ind_2_i при размере скользящего окна анализа N=40 для выборки измерений, представленной на фиг. 2, приведены на фиг. 6 и фиг. 7 соответственно. Приблизительно аналогичные результаты моделирования и успешное выделение границ и центров шпал наблюдаются и в тех случаях, когда уровень щебня отличается от уровня шпал как в большую, так и меньшую сторону.

На фиг. 6 и 7 положения превысивших порог Z_пор локальных экстремумов индикаторов отмечены утолщенными импульсами.

Поскольку результаты анализа в скользящем окне возможны только после его заполнения, при расчете момента времени прохождения центра шпалы t_шп следует учитывать временную поправку на n позиций в сторону опережения:

Выбор величины N, определяющей размер скользящего окна анализа, на практике выбирается из следующих компромиссных соображений:

1) величина N должна быть меньше, чем количество отсчетов, поступивших за время прохождения измерительным устройством расстояния, равного удвоенной ширине шпалы L_ш, т.е.

где V - скорость движения железнодорожной машины;

2) увеличение N приводит к уменьшению погрешности оценивания среднеквадратических отклонений σ₁ и σ₂ и, следовательно, уменьшению погрешности вычисления значений индикаторов Ind_1 и Ind_2.

По аналогии со способом прототипа измерения моментов времени t_шп с учетом сведений от прибора для измерения расстояния при регистрации пройденного машиной пути s(t) позволяют оценить текущие путевые координаты центров шпал R_шп.

Изобретение относится к средствам обеспечения информационно-измерительных систем, применяемых в железнодорожных машинах с бесконтактным считывающим устройством для определения положения шпал. В способе определения положения центров шпал рельсового пути для регистрации моментов времени прохождения начала и окончания шпалы применяют скользящее окно размером N=2n, где n - натуральное число. При этом в каждый момент времени i накрытую окном выборку отсчетов дальности d_i разбивают на две подвыборки d_1i и d_2i равной длины n, по каждой подвыборке оценивают среднеквадратические отклонения измерений дальности σ_1i и σ_2i и вычисляют по ним два индикатора Далее оценивают временные координаты точек локальных экстремумов i_extr_₁ и i_extr_₂ индикаторов Ind_1_i и Ind_2_i, превысивших порог обнаружения Z_пор, и определяют момент времени прохождения центра шпалы по формуле По информации от прибора для измерения расстояния при регистрации пройденного машиной пути s(t) оценивают путевые координаты центра шпалы. Достигается повышение вероятности правильного обнаружения центров шпал независимо от априори неизвестного среднего уровня высоты щебня на железнодорожном пути. 7 ил.

Способ определения положения центров шпал рельсового пути, в котором при продвижении железнодорожной машины измеряют пройденный путь s и считывают бесконтактным способом положение шпал, при этом вдоль измерительной линии, проходящей в продольном направлении пути над шпалами и щебнем, получают и записывают в память данные измерений дистанции d в вертикальном направлении между машиной и щебнем или шпалой, после чего в полученных таким образом измерениях выделяют участок со шпалой и по информации от прибора для измерения расстояния при регистрации пройденного машиной пути s(t) оценивают путевые координаты центра шпалы, отличающийся тем, что для регистрации моментов времени прохождения начала и окончания шпалы применяют скользящее окно размером N=2n, где n - натуральное число, в каждый момент времени i накрытую окном выборку отсчетов дальности d_i разбивают на две подвыборки d_1i и d_2i равной длины n, по каждой подвыборке оценивают среднеквадратические отклонения измерений дальности σ_1i и σ_2i и вычисляют по ним два индикатора Ind_1_i=σ_1i/σ_2i и Ind_2_i=σ_2i/σ_1i, оценивают временные координаты точек локальных экстремумов i_{еxtr_1} и i_extr_₂ индикаторов Ind_1_i и Ind_2_i, превысивших порог обнаружения Z_пор, и определяют момент времени прохождения центра шпалы по формуле t_цш=0,5(i_{еxtr_1}+i_extr_₂-N).