Разработка методов и устройств диагностики направляющих линий поездной радиосвязи

Актуальность работы. Системы поездной радиосвязи (ПРС) играют важную роль в организации процесса перевозок на железнодорожном транспорте и служат для передачи команд управления подвижным составом и обмена информацией диспетчеров с машинистами поездов. От надежного функционирования ПРС во многом зависит безопасность движения, возможность предотвращения аварийных ситуаций и оперативное устранение их причин [17, 54] Поэтому большое внимание уделяется разработке нового и модернизации существующего радиотехнического оборудования ПРС: улучшению характеристик приемо-передающих, антенно-фидерных и других устройств, необходимых для организации бесперебойной радиосвязи. Однако совершенствованию существующих и разработке новых методов контроля и диагностики систем ПРС уделяется недостаточно внимания. Применяемые в настоящее время методы контроля каналов ПРС обладают низкой оперативностью, высокой трудоемкостью, а также недостаточной информативностью для выявления конкретных неисправностей и определения предотказных состояний систем ПРС или ее отдельных элементов. Особенно это касается диагностики систем ПРС гектометрового диапазона, которые благодаря применению направляющих линий (НЛ) обеспечивают большую дальность действия и во многих случаях являются основными системами мобильной связи железнодорожного транспорта.

Работы по измерению параметров ПРС производят с помощью измерительных приемников, установленных в специализированных вагонах-лабораториях (ВЛ). Результатами измерений являются протоколы, включающие графики изменения уровней сигнала и помех вдоль перегонов, девиацию и модулирующую частоту [12, 30, 31, 32, 73, 74]. На основе этой информации создается картина состояния радиоканалов, что помогает обслуживающему персоналу обнаруживать повреждения. К существенным недостаткам методов диагностики параметров ПРС относятся: низкая автоматизация проведения измерений и обработки их результатов, отсутствие возможности проведения измерений в режиме реального времени, высокая трудоемкость и низкая точность в определении координат повреждений. Поэтому требуется совершенствование существующих и разработка новых научно обоснованных методов диагностики направляющих линий ПРС.

Цель и задачи исследования

В диссертационной работе поставлена задача разработки новых и совершенствовании существующих методов и технических средств для контроля и диагностики направляющих линий ПРС гектометрового диапазона с целью повышения автоматизации и оперативности измерений, сокращения трудоемкости диагностики каналов радиосвязи и возможности определения их предотказных состояний.

Направление исследований. Одним из возможных решений поставленной задачи является разработка нового метода обработки информации в существующей системе контроля параметров ПРС с использованием вагон-лаборатории и создание на этой основе автоматизированной подсистемы диагностики НЛ как составной части единой системы мониторинга и администрирования (ЕСМА) [42].

Другим направлением исследований является разработка нового метода I диагностики направляющих линий ПРС, основанного на принципах рефлектометрии с применением зондирующих сигналов с большими базами.

В качестве основных методов исследований в работе используются методы компьютерного моделирования амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик НЛ, устройств дистанционного зондирования направляющих линий ПРСметод наименьших квадратов для определения параметров модели при автоматизации обработки результатов измерений вагон-лабораторииметод Монте-Карло для оценки точности работы устройства дистанционного зондирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов в работе обусловлена использованием реальных измерений вагон-лаборатории, • сопоставлением результатов с известными физическими моделями распространения радиосигналов и с данными, взятыми из литературы, а также применением статистических методов обработки результатов измерений и данных компьютерного моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Выбрана и обоснована модель изменения поля с расстоянием при диагностике направляющих линий с использованием вагон-лаборатории и разработан метод определения неисправностей НЛ и ее предотказных состояний.

2. Разработан алгоритм обработки результатов измерений вагон-лаборатории, позволяющий повысить уровень автоматизации существующих контрольно-измерительных комплексов и создать подсистему диагностики параметров ПРС в ЕСМА.

3. Построена компьютерная модель направляющих линий ПРС, проведено моделирование их амплитудно-частотных, фазо-частотных характеристик и распространения по ним зондирующих сигналов. Результаты моделирования позволили оценить основные свойства НЛ и подтвердили возможность применения импульсной рефлектометрии для их диагностики.

4. Впервые для направляющих линий ПРС на основе принципов рефлектометрии предложен, теоретически обоснован и промоделирован метод диагностики их текущего состояния. В качестве зондирующих сигналов использованы сигналы с большими базами. Метод позволяет постоянно, в режиме реального времени, контролировать текущее состояние НЛ при допустимом уровне помех, создаваемых работе приемного оборудования ПРС.

5. Разработана структурная схема рефлектометра с использованием зондирующих сигналов с большими базами. Компьютерное моделирование его работы подтвердило, что он позволяет выполнять диагностику состояния НЛ в реальных условиях эксплуатации, при уровне создаваемых помех, не превышающем установленного при работе ПРС значения.

Практическая значимость работы.

Получены результаты, которые позволяют выполнить модернизацию существующих средств измерений параметров НЛ, а также вносят. существенный вклад в создание новых автоматизированных контрольно-диагностических комплексов.

Разработана и экспериментально опробована новая интерпретация измерений вагон-лаборатории для диагностики состояния НЛ и определения их возможных неисправностей. Метод диагностики, основанный на предлагаемой интерпретации, может быть включен в ЕСМА.

Разработано устройство для дистанционного определения места повреждения направляющих линий ПРС путем их зондирования сигналами с большими базами, при использовании которого могут быть решены следующие практические задачи:

— определение повреждений направляющих линий в режиме реального времени и их локализация;

— оценка исправных и предотказных состояний направляющих линий;

— совместная работа устройства зондирования и приемопередающего оборудования ПРС из-за допустимого уровня помех, создаваемых рефлектометром;

— возможность включения устройства зондирования в состав ЕСМА хозяйства связи ОАО «РЖД».

Новизна этой разработки защищена патентом РФ на полезную модель.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Выбор модели, описывающей изменение поля с расстоянием при распространении радиосигналов по направляющим линиям поездной радиосвязи.

2. Метод и алгоритм обработки результатов измерений вагон-лаборатории.

3. Результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотной, фазо-частотной характеристик направляющих линий поездной радиосвязи и распространения зондирующих сигналов по ним, которые указывают на возможность создания систем диагностики НЛ, совместимых с работой ПРС.

4. Метод и структурные схемы устройств диагностики текущего состояния направляющих линий поездной радиосвязи, основанные на принципах рефлектометрии.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо автором, либо при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация результатов измерений параметров поездной радиосвязи, анализ экспериментальных данных выполнены совместно с научным руководителем.

Автором самостоятельно выполнены следующие работы:

— теоретический анализ возможности создания метода диагностики параметров направляющих линий ПРС с использованием зондирующих сигналов с большими базами;

— компьютерное моделирование амплитудно-частотной, фазо-частотной характеристик направляющих линий ПРС и распространения зондирующих сигналов по нимкомпьютерное моделирование работы рефлектометра НЛ с использованием зондирующих сигналов с большими базами, оценка точности локализации неисправностей в зависимости от уровня помех. t.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной Дню Радио (Иркутск: ИрГТУ, 2006;2011 гг.) — а также на научных семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» (Иркутск: ИрГУПС 2007;2011 гг.) — на международной конференции «Innovation & Sustainability of Modern Railway» (Nanchang, China, 2008) — на ежегодной Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 114-й годовщине Дня Радио (Красноярск, ИПК СФУ, май 2009 г.) — на межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, ИрГУПС, октябрь 2009 г., май 2011 г.) — на научном семинаре Научно-исследовательского института прикладной физики при ИГУ (Иркутск,.

ИГУ, октябрь 2009 г.) — на научном семинаре Иф МГТУ ГА (Иркутск, Иф МГТУ ГА, июнь 2011 г.).

Основные публикации по теме диссертации. Результаты научного исследования отражены в 10 публикацияхиз них 2 в отечественных рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, 1 в материалах международной конференции и 1 в патенте на полезную модель.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 103 источника. Результаты исследования изложены на 147 страницах основного текста.

Во введении дана общая характеристика работы, раскрыта её актуальность, сформулированы цель и задачи диссертации, определены положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе обзорного характера рассмотрены общие принципы организации систем ПРС и проблемы, возникающие в процессе эксплуатации направляющих линий, в том числе факторы, ограничивающие дальность и снижающие качество радиосвязи. В главе даны общие сведения о распространении электромагнитных волн вдоль однопроводных и двухпроводных направляющих систем. Отмечено, что НЛ представляют собой протяженную антенну, воспринимающую помехи индустриального происхождения, которые создаются электроподвижным составом, высоковольтными линиями продольного электроснабжения, а также в результате работы близко расположенных к приемной аппаратуре различного рода промышленных установок. Эти помехи, а также техническое состояние НЛ и являются основными причинами, ограничивающими дальность и качество радиосвязи.

Анализ проблем, возникающих при эксплуатации направляющих линий, показал, что применяемые способы диагностики систем поездной радиосвязи отстают от внедрения нового радиотехнического оборудования и не позволяют в полной мере реализовать его преимущества. Основными недостатками существующих измерительных комплексов, устанавливаемых на ВЛ, являются низкий уровень автоматизации, отсутствие совместимости и взаимодействия баз данных комплексов и ЕСМА, отсутствие статистической обработки результатов измерений, высокие требования к подготовке оператора и его непосредственное влияние на процесс измерений.

Определена задача исследований, заключающаяся в совершенствовании технологического процесса диагностики состояния НЛ и поиска неисправностей.

В заключении к главе сформулированы требования к методу диагностики направляющих линий ПРС, при выполнении которых возможно создание полностью автоматизированных контрольно-диагностирующих комплексов.

Во второй главе рассмотрена возможность улучшения существующего метода контроля и диагностики направляющих линий ПРС, основанного на применении вагон-лаборатории.

Для проведения анализа экспериментальных данных и выяснения характера изменения поля с расстоянием рассмотрены несколько моделей распространения сигналов. В результате выбрана физическая модель, наиболее точно описывающая характер изменения мощности в системе поездной радиосвязи гектометрового диапазона с применением НЛ. Разработан метод определения параметров модели, основанный на поиске глобального минимума функционала, построенного по методу наименьших квадратоввыбран способ задания весовых функций, учитывающий вклад различных ошибок в результаты измерений при изменении расстояния. Предложен алгоритм определения состояния НЛ поездной радиосвязи. Программная реализация данного алгоритма и внедрение в существующие измерительные комплексы позволит повысить автоматизацию контроля состояния и диагностику неисправностей направляющих линий по данным вагон-лаборатории.

Третья глава посвящена разработке устройства диагностики НЛ поездной радиосвязи, основанного на применении метода рефлектометрии. Описаны приборы и особенности их использования для контроля проводных и кабельных линий связи, рассмотрены основы формирования стоячих волн и отраженных сигналов при различных неисправностях линии. Описаны факторы, мешающие внедрению рефлектометрических методов для диагностики НЛ и возможности их устранения, разработана структурная схема устройства диагностики НЛ поездной радиосвязи.

Неоднородная структура НЛ и большой уровень помех являются одной из причин, из-за которых метод рефлектометрии до настоящего времени не применялся для диагностики каналов ПРС. Диагностика НЛ при помощи рефлектометрических методов является сложной технической задачей, решение которой было начато с выбора параметров диагностирующего сигнала а, следовательно, с определения полосы пропускания направляющих систем. НЛ гектометрового диапазона рассчитаны для передачи сравнительно узкой полосы частот -25 кГц [54], а их реальные частотные характеристики неизвестны. Для определения полосы пропускания НЛ было проведено компьютерное моделирование направляющих линий поездной радиосвязи и исследованы частотные характеристики двухпроводных и однопроводных направляющих линий. Пропускная способность двухпроводной волноводной линии составила А/ МГц. Полученные результаты по расчету АЧХ направляющих линий свидетельствуют о значительном превышении ее полосы пропускания по сравнению с диапазоном работы ПРС. Это указывает на возможность развития не только систем диагностики НЛ, совместимых с работой ПРС, но и других систем связи с подвижными объектами железнодорожного транспорта, например, систем передачи цифровых данных. — V.

Выполнено компьютерное моделирование работы метода рефлектометрии НЛ и распространения зондирующих сигналов по направляющим линиям ПРС. Точность определения места положения неисправности, полученная в результате моделирования, из-за влияния конечной полосы пропускания, неоднородности коэффициента укорочения для одиночного однополярного зондирующего импульса при отсутствии шума в линии составила А/"10 м, а при отношении 5УУ7?=14 дБ Д/" 50 м.

Отмечено, что локализация повреждений НЛ с помощью метода рефлектометрии в условиях сложной помеховой обстановки и постоянной работы приемо-передающих устройств ПРС затруднена, поэтому необходимо использовать накопление результатов измерений для увеличения отношения.

Например, последовательное накопление 3000 измерений и их усреднение дает увеличение ЯЖ на 35 дБ.

Результаты, проведенного моделирования показали, что при выполнении определенных требований метод рефлектометрии может быть использован для диагностики направляющих линий ПРС.

Четвертая глава посвящена разработке и моделированию работы рефлектометра направляющих линий с применением зондирующих сигналов с большими базами.

Сформулированы основные требования к выбору зондирующих сигналов для рефлектометра НЛ поездной радиосвязи:

1. Зондирующий сигнал не должен влиять на работу систем поездной радиосвязи, должна обеспечиваться совместимость передачи информации с одновременным диагностированием направляющих линий.

2. Сигнал должен обладать хорошими автокорреляционными свойствами, обеспечивающими высокую вероятность его обнаружения на фоне помех. Корреляционные функции должны иметь основной лепесток максимальной амплитуды и боковые лепестки минимальной амплитуды.

Отмечено, что в значительной степени требованиям по выбору диагностирующих сигналов удовлетворяют. кодовые последовательности Баркера и М-последовательности. С помощью компьютерного моделирования показано, что наиболее эффективными сигналами для зондирования НЛ являются псевдослучайные М-последовательности, состоящие из импульсов разной полярности.

Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра. В программе математического моделирования ЗнпиПпк 6 [22] построена компьютерная модель устройства дистанционного зондирования НЛ, включающая в себя формирователь зондирующей последовательности, модель направляющей линии с дефектом и корреляционный приемник с квадратурными каналами.

В качестве формирователя зондирующей последовательности использован генератор фазоманипулированной пятнадцати разрядной М-последовательности, состоящей из импульсов разной полярности.

Модель направляющей линии построена с учетом проведенных ранее исследований её частотных характеристик.

Для регистрации отраженных сигналов использован корреляционный приемник с квадратурными каналами, реализующий алгоритм обработки сигналов, в котором для развертки по дальности до места дефекта введена непрерывная развертка по времени в предположении о стационарности состояния НЛ за время измерений. Такой алгоритм равносилен комбинированной когерентной и некогерентной обработке сигналов, он позволяет заменить параллельную обработку последовательными вычислениями и снизить требования к вычислительному устройству, но уступает по качеству работы чисто когерентной обработке Возникающий при этом проигрыш можно компенсировать увеличением времени накопления сигналов.

Выполнена оценка точности локализации дефекта НЛ при различных уровнях радиопомех на входе корреляционного приемника. Показано, что точность локализации улучшается при уменьшении уровня радиопомех или при увеличении числа усреднений рефлектограмм.

В заключении сформулированы наиболее значимые выводы сделанные автором в ходе диссертационного исследования и показаны направления дальнейших внедрений полученных результатов.

Выводы к главе.

1. Произведен выбор зондирующего сигнала для рефлектометра НЛ поездной радиосвязи. С помощью компьютерного моделирования показано, что наиболее эффективными сигналами для зондирования НЛ являются псевдослучайные М-последовательности, состоящие из импульсов разной полярности. В качестве зондирующего сигнала выбрана 15 — разрядная разнополярная М-последовательность, модулированная гармоническим сигналом с частотой равной средней частоте работы ПРС. Длительность элементарного символа последовательности составляет 2 мкс.

2. В качестве алгоритма обработки отраженных сигналов выбран алгоритм комбинированной когерентной и некогерентной обработки сигналов. Для развертки по дальности была введена непрерывная развертка по времени в предположении о стационарности состояния НЛ за все время измерений. Выбранный алгоритм позволяет заменить параллельную обработку последовательными вычислениями и снизить требования к вычислительному устройству. Возникающий при этом проигрыш можно компенсировать увеличением времени накопления сигналов.

3. Разработана структурная схема рефлектометра для диагностики направляющих линий поездной радиосвязи в режиме реального времени. Элементы рефлектометра выполняют следующие функции: формирование псевдослучайных зондирующих последовательностей и управление их основными параметрами: частотой и длительностью следования пачек зондирующих сигналовобработка отраженных сигналов в соответствии с предложенными алгоритмамиотображение рефлектограмм на дисплее и сохранение ранее полученных рефлектограмм в архивной памяти.

4. В результате моделирования по методу Монте-Карло для надежности у = 0,95 была выполнена оценка среднеквадратического отклонения измеренной дальности до места повреждения при различном уровне помеховых сигналов в диагностируемой линии и одновременной работы передающих устройств ПРС. При числе усреднений N=3000 получено значение параметра 577?=18 дБ, а среднеквадратическая ошибка <7 = 36,2 м, такая ошибка является допустимой для локализации неисправностей НЛ. Дальнейшее увеличение параметра может быть получено увеличением числа усреднений ТУ, в результате компьютерного моделирования установлено, что значение 57УК=28 дБ и сг = 5 м возможно при 7У>30 000.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ проблем, возникающих при эксплуатации направляющих линий поездной радиосвязи, показал, что применяемые способы диагностики качественных показателей систем поездной радиосвязи отстают от внедрения новой техники и не позволяют в полной мере реализовать ее преимущества. Основными недостатками существующих измерительных комплексов являются низкий уровень автоматизации, отсутствие обеспечения совместимости и взаимодействия баз данных комплексов и ЕСМА, отсутствие опции статистической обработки результатов измерений, высокие требования к подготовке оператора и его непосредственное влияние на процесс измерений.

Диссертационная работа содержит решение актуальной задачи, имеющей важное значение для развития средств диагностики направляющих линий поездной радиосвязи с целью повышения безопасности движения на железнодорожном транспорте и оптимизации перевозочного процесса.

В процессе диссертационного исследования были получены следующие научные и практические результаты:

1. Предложена новая интерпретация данных измерений } вагона-лаборатории. Для этого использована экспоненциальная модель с учетом пространственных волн, которая наиболее адекватно описывает процесс распространения сигналов по направляющим линиям поездной радиосвязи. Разработан метод определения параметров модели, основанный на поиске глобального минимума функционала, построенного по методу наименьших квадратов с использованием экспериментальных данныхпроведена оценка применимости этого метода на примере реальных измерений.

2. На основании проведенного компьютерного моделирования направляющих линий поездной радиосвязи с учетом их реальных параметров, исследованы частотные характеристики двухпроводных и однопроводных волноводов. Полученные результаты по расчету АЧХ свидетельствуют о значительном превышении полосы пропускания, до значения порядка 1 МГц, по сравнению с диапазоном работы ПРС ГМВ (около 25 кГц). Это указывает на возможность создания систем диагностики НЛ, совместимых с работой ПРС.

3. Рассмотрена возможность метода диагностики НЛ с применением способа рефлектометрии, основанного на зондировании направляющих линий короткими импульсными сигналами. Разработана компьютерная модель рефлектометра и выполнена оценка точности определения расстояния до места неисправности при использовании зондирующего сигнала в виде одиночного видеоимпульса. Показано, что при отсутствии шума в исследуемой линии точность, ограниченная дисперсией скорости, не превышает значения 10 м, при введении в линию шума точность ухудшается до 50 м при отношении сигнал/шум 14 дБ.

4. Предложено применение шумоподобных зондирующих сигналов в рефлектометрических устройствах диагностики направляющих линий ПРС. Как показано, это позволяет улучшить выделение полезных сигналов в условиях сложной помеховой обстановки, повысить точность определения расстояния до места повреждения, снизить требования к энергетике зондирующих импульсов и обеспечить одновременную работу систем диагностики и поездной радиосвязи. В качестве зондирующего сигнала использована фазоманипулированная 15 — разрядная разнополярная периодическая М-последовательность, модулирующая гармонический сигнал с частотой около средней частоты работы ПРС 2 МГц. Выбраны длительность элементарного символа М-последовательности 2 мкс и период ее повторения 200 мкс.

5. В качестве алгоритма получения данных на выходе рефлектометра предложен комбинированный алгоритм когерентной и некогерентной обработки сигналов. Для развертки по дальности введена развертка по задержке опорного сигнала на входе коррелятора в предположении о стационарности состояния НЛ за время измерений. Такой алгоритм позволяет заменить параллельную обработку последовательными вычислениями и снизить требования к вычислительному устройству корреляционного приемника.

Возникающий при этом проигрыш можно компенсировать увеличением времени накопления сигналов.

6. Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы основных узлов рефлектометра НЛ и проведено компьютерное моделирование его измерительного тракта, которое показало возможность работы рефлектометра с требуемой для практики точностью. В результате статистических испытаний были построены распределения измеренной дальности до места повреждения, которые оказались близкими к нормальному закону. Выполнена оценка среднеквадратических отклонений распределений при различном уровне помеховых сигналов в диагностируемой линии и одновременной работы передающих устройств ПРС. При числе усреднений N=3000 получено значение параметра 57У/2=18 дБ, а среднеквадратическое отклонение составляет 36,2 м, что является допустимым для локализации неисправностей НЛ. При дальнейшем увеличении числа усреднений N можно добиться уменьшения погрешности измерений дальности без учета дисперсии НЛ до значений, а = 5 м, дБ при //-30 000.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю кандидату физико-математических наук, доценту Унучкову Владимиру Евгеньевичу за постановку задачи диссертационной работы, помощь на этапах организации и проведения исследований, за внимание и требовательность при анализе и интерпретации результатов, а также за полученные автором опыт и знания в области радиотехники.

Автор признателен заведующему кафедрой «Телекоммуникационные системы» ФГБОУ ИрГУПС доктору физико-математических наук, профессору Климову Николаю Николаевичу и всему коллективу кафедры за всестороннюю помощь, полезные советы, ценные и критические замечания при выполнении и обсуждении диссертационной работы.