Приемник для рельсовой цепи

 

Использование: в железнодорожной автоматике для приема сигналов, передаваемых по рельсовой линии. Сущность: устройство содержит полосовой фильтр, детектор, интегратор, дискретизатор, блок вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии, блок определения коэффициента усиления фильтра, корритирующий блок приема сигналов контроля и исполнительный блок. 1 ил.

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, в частности к устройствам контроля состояний рельсовых линий.

Известен приемник для рельсовой цепи, в котором решение о состоянии рельсовой линии выносится на основе сравнения с фиксированным порогом амплитуды полезного сигнала (Аркатов В.С. Кравцов Ю.А. Степенский Ю.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. М. Транспорт, 1990, с.83-97, рис. 4.4).

Недостатком этого приемника является наличие фиксированного порога. Снижение уровня полезного сигнала, например, при уменьшении сопротивления изоляции рельсов, приводит к тому: что приемник выносит неправильное решение о занятости рельсовой линии. Переpегулировка рельсовой цепи в этом случае с целью повышения уровня рабочего сигнала может привести к нарушению условий выполнения шунтового режима, например, при восстановлении сопротивления балласта.

Известен также приемник для рельсовой цепи, в котором решение о состоянии рельсовой линии выносится на основе сравнения с порогом некоторой решающей статистики, получаемой путем суммирования временных отсчетов полезного сигнала. Причем, для повышения надежности приемник содержит два канала обработки, один из которых фиксирует освобождение рельсовой линии, другой наоборот, переход ее в занятое состояние) заявка N 4819370/11 (047267), 1990).

Недостатком этого приемника является то, что для его нормальной работы необходимо задать численные значения дисперсии помех, действующих в рельсовой линии, амплитуду полезного сигнала контроля в нормальном режиме и амплитуду сигнала на входе приемника в шунтовом режиме. Поскольку перечисленные параметры представляют собой нестационарные случайные процессы, то приемник, рассчитанный на эффективную работу только при определенных значениях параметров, может ложно фиксировать свободное состояние контролируемой рельсовой линии. Это снижает уровень безопасности движения поездов.

Известен приемник для рельсовой цепи, выбранный в качестве прототипа, в котором решение о состоянии рельсовой линии выносится на основе сравнения с порогом кумулятивной суммы (авт.св. N 1740225, 1989). Причем при расчетах значения кумулятивной суммы используются оценки амплитуды сигнала на выходе рельсовой линии в нормальном или шунтовом режимах. Формирование оценок производится на основе специального решающего правила. Переключение алгоритма вычисления оценок производится после принятия решения о состоянии рельсовой линии контактом реле. Причем в нормальном режиме работы вычисляется оценка амплитуды полезного сигнала этого режима, а оценка амплитуды сигнала в шунтовом режиме хранится в памяти. И, наоборот, в шунтовом режиме работы оценивается амплитуда сигнала одноименного режима и фиксируется последнее значение оценки сигнала в нормальном режиме.

Описанный приемник имеет два недостатка.

Первый заключается в следующем. Например, в нормальном режиме, когда вычисляются оценки полезного сигнала контроля высокого уровня, значение амплитуды сигнала в шунтовом режиме считается неизменным. На самом деле, уровень в шунтовом режиме будет изменяться. Он зависит от состояния рельсовой линии, величин ее первичных параметров. Таким образом, в приемнике всегда имеется неопределенность информации об одном из режимов работы рельсовой цепи, что снижает достоверность контроля состояния линии.

Другой недостаток связан с инерционностью работы приемника. Решающее устройство выносит решение об изменении состояния рельсовой линии с некоторой задержкой, связанной с временем накопления кумулятивной суммы. За интервал времени между фактическим изменением состояния рельсовой линии и моментом принятия решения о смене режима вычисленные оценки будут соответствовать установившемуся режиму работы, а подставляться в алгоритм вычисления кумулятивной суммы предшествующего режима. Это приводит к неустойчивой работе приемника в момент изменения состояния рельсовой линии, что может привести к ложной фиксации свободного состояния рельсовой линии. Это снижает уровень безопасности движения поездов.

Технический эффект изобретения заключается в повышении надежности работы приемника рельсовой цепи. Указанный эффект достигается тем, что приемник контроля состояний рельсовой линии дополнительно содержит блок вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии, блок определения коэффициента усиления фильтра и корректирующий блок. Причем, с помощью корректирующего блока вычисляется апостериорная вероятность нахождения системы КРЛ в нормальном режиме и осуществляется корректировка измеряемой величины входного сигнала.

В предлагаемом устройстве выполняется фильтрация среднего значения амплитуды сигнала КРЛ. Алгоритм фильтрации описывается уравнениями: = +p(1)· y_h-; +1-p(1)p(1) × (1) p(1) exp- exp- + + · exp- где среднее значение амплитуды сигнала КРЛ; коэффициент усиления фильтра; р(1) апостериорная вероятность нахождения системы КРЛ в нормальном режиме; R дисперсия флуктуаций информационного параметра сигнала КРЛ; α коэффициент широкополосности сигнала.

Приведенные уравнения имеют следующий физический смысл. Первое уравнение это уравнение для рекуррентного вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии. Новое значение оценки информационного параметра на h-ом шаге получается суммированием экстраполированного значения , вычисленного на предыдущем (h-1)-ом шаге и разницы текущего значения реализации У_h и экстраполированной оценки с учетом весового коэффициента
Весовой коэффициент представляет собой коэффициент усиления фильтра и численно равен скорости изменения входной реализации на шаге квантования (h, h-1).

Второе уравнение служит для вычисления апостериорной дисперсии являющейся мерой коэффициента усиления фильтра. Согласно третьему уравнению вычисляется апостериорная вероятность наличия или отсутствия во входной реализации информационного параметра С учетом значения этой вероятности производится либо фильтрация сигнала, либо его экстраполяция.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства. Приемник для рельсовой цепи содержит последовательно соединенные полосовой фильтр 1, детектор 2, интегратор 3, дискретизатор 4, блок приема сигналов контроля рельсовой линии 8, связанный с исполнительным блоком 9 и источник сигнала постоянного уровня, отличающийся тем, что он снабжен блоком вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии 5, блок определения коэффициента усиления фильтра 6 и корректирующий блок 7, один вход которого подключен к выходу дискретизатора 4, другой и третий входы подключены соответственно к первому и второму входам блока определения коэффициента усиления фильтра 6, четвертый вход связан с выходом источника сигнала постоянного уровня, а выход соединен с первым входом блока определения коэффициента усиления фильтра 6, второй вход которого связан с выходом источника сигнала постоянного уровня, третий вход подключен к первому выходу блока вычисления среднего значения уровня сигнала контроля состояния рельсовой линии 5, а третий выход к первому входу блока вычисления среднего значения сигнала контроля рельсовой линии 5, второй вход которого подключен к выходу дискретизатора 4, а второй выход к первому входу блока приема сигнала контроля рельсовой линии 8, второй вход которого соединен с выходом дискретизатора 4.

Блок вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии 5 содержит первый 13 и второй 11 умножители, элемент задания коэффициента умножения, равного α вычитатель 10, сумматор 12, и элемент задержки 14, вход которого подключен к выходу сумматора 12, а выход к первому входу первого умножителя 13, второй вход которого подключен к выходу элемента задания коэффициент а умножения, равного α, а выход к первым входам вычитателя 10 и сумматора 12, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя 11, первый вход которого соединен с выходом вычитателя 10, вторым и третьим выходами которого являются, соответственно, выход вычитателя и выход сумматора.

Блок определения коэффициента усиления фильтра содержит источник сигнала постоянного уровня логической единицы, элемент задания коэффициента умножения, равного α² третий 16, четвертый 21, пятый 24, шестой 25, седьмой 22, восьмой 23 и девятый 18 умножители, второй 28 и третий 27 вычитатели, второй 29 и третий 20 сумматоры, делитель, второй элемент задержки и два квадратора 15 и 17, причем выход первого квадратора 15 подключен к первому входу третьего умножителя 16, второй вход которого подключен к выходу второго квадратора 17, а выход к первому входу четвертого умножителя 21, второй вход которого подключен к выходу пятого умножителя 24, а выход к первому входу второго вычитателя 28, вход которого соединен с выходом шестого умножителя 25, первым входом подключенного к выходу седьмого умножителя 22, а выход с первым входом второго сумматора 29, выход которого подключен к входу элемента задержки 26, выход которого соединен с первым входом восьмого умножителя 23, второй вход которого подключен к выходу элемент а задания коэффициента умножения, равного α^{2 ,} а выход подключен к вторым входам второго сумматора 29, к первому входу седьмого умножителя 22 и первым входам делителя 19 и третьего сумматора 20, выход которого соединен с вторым входом делителя 19, выход которого подключен к входу второго квадратора 17, второму входу девятого умножителя 18, выходом которого образован третий выход блока, первый и второй выходы которого образованы, соответственно, выходом первого квадратора 15 и выходом третьего сумматора 20, вход вторыми входами второго вычитателя 27, пятого 24, шестого 25 и девятого 18 умножителей, а второй и третий входы соответственно, вторым входом третьего сумматора 20 и входом первого квадратора 15. Корректирующий блок содержит четвертый сумматор 36, третий квадратор 41, десятый 33, одиннадцатый 38 и двенадцатый 32 умножители, второй 30, третий 39, четвертый 34 и пятый 37 делители, вычислители экспоненты 40 и 31, вычислитель квадратного корня 35 и элемент задания коэффициента умножения 2, выход которого подключен к первым входам десятого 33 и одиннадцатого 38 умножителей, выходы которых подключены к первым входам второго 30 и третьего 39 делителей, выходы которых соединены со входами вычислителей экспоненты 31 и 40, выход одного из которых подключен к первому входу двенадцатого умножителя 32, второй вход которого соединен с выходом вычислителя квадратного корня 35, входом подключенного к выходу четвертого делителя 34, а выход с первыми входами четвертого сумматора 36 и пятого делителя 37, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 36, второй вход которого подключен к выходу другого вычислителя экспоненты 40, причем второй вход третьего делителя 30 соединен с выходом квадратора 41, входом которого образован первый вход блока, второй вход которого образован вторым входом третьего делителя 39, третий вход вторым входом десятого умножителя 33 и первым входом четвертого делителя 34, четвертый вход вторыми входами одиннадцатого умножителя 38 и четвертого делителя 34, при этом уровень сигнала упомянутого источника сигнала постоянного уровня пропорционален дисперсии помех в данной рельсовой линии.

Устройство работает следующим образом. Входная реализация у(t), представляющая собой сумму информационного сигнала Θ(t) и помех n(t), поступает из рельсовой линии на вход полосового фильтра 1, подавляющего мешающие сигналы. С помощью детектора 2 производится выпрямление сигнала. В интеграторе 3 выполняется сглаживание, а с помощью дискретизатора 4 осуществляется взятие временных отсчетов.

Дискретные значения входной реализации у_h поступают на входы блока вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии 5, корректирующего блока 7 и блока приема сигналов контроля рельсовой линии 8. В блоке 5 производится фильтрация среднего значения информационного параметра . Вычисленное среднее значение в блоке задержки задерживается на один шаг дискретизации, а в перемножителе 13 производится умножение значения и коэффициента широкополосности сигнала α.

Полученное произведение подается на первый вход сумматора 12 и первый вход вычитателя 10. На второй вход блока 10 подается очередное значение реализации у_h. Разность (y_h-) с выхода вычитателя 10 поступает на первый вход перемножителя 11, на второй вход которого подается значение коэффициента усиления фильтра Произведение с выхода блока 11 подается на второй вход сумматора 12 где складывается со значением В результате на выходе сумматора 12 образуется среднее значение уровня сигнала контроля рельсовой линии .

С выхода вычитателя 10 сигнал, пропорциональный разности (y_h-) поступает на первый вход блока определения коэффициента усиления фильтра.

Первый вход блока определения коэффициента усиления фильтра соединен с входом квадратора 15. На выходе блока 15 образуется сигнал, пропорциональный y_h-.С выхода квадратора 15 сигнал подается на первый вход перемножителя 16.

Сигнал р с выхода блока коррекции 7 поступает на входы умножителей 18, 24, 25 и вычитателя 27, на второй вход которого подается логический уровень единицы.

С выхода вычитателя 27 разность (1-р) подается на второй вход перемножителя 24. Произведение р(1-р) с выхода блока 24 подается на первый вход перемножителя 21. На второй вход блока 21 подается сигнал, пропорциональный · y_h-.

Очередное значение коэффициента усиления фильтра (которое представляет собой апостериорную дисперсию фильтрации ) получается на выходе сумматора 29. С выхода сумматора 29 через блок задержки 26 апостериорная дисперсия подается на первый вход умножителя 23, где перемножается с квадратом коэффициента широкополосности полезного сигнала. Произведение с выхода умножителя 23 подается на первые входы сумматоров 20, 29, умножителя 22 и делителя 19.

На второй вход сумматора 20 подается сигнал, пропорциональный дисперсии помех R, действующих на входе приемника.

Сумма (+R) с выхода сумматора 20 подается на второй вход делителя 19. На выходе блока 19 образуется сигнал, пропорциональный
Этот сигнал подается на входы умножителей 18, 22 и квадратора 17. В квадраторе сигнал возводится во вторую степень и затем подается на вход умножителя 16. В результате перемножения на выходе блока 16 образуется сигнал, пропорциональный
y_h-.

Сигнал с выхода делителя 19 подается на первый вход умножителя 18. На второй вход блока 18 подается сигнал, пропорциональный вероятности р. Произведение с выхода блока 18 подается на второй вход умножителя 11 блока вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии 5.

На входе умножителя 22 образуется сигнал, пропорциональный величине который в блоке 25 перемножается с величиной апостериорной вероятности р и подается на второй вход блока вычисления разности 28. Полученная разность в блоке 29 суммируется с оценкой В результате на выходе сумматора 29 образуется величина апостериорной дисперсии согласно уравнениям (1).

Значение апостериорной вероятности р образуется на выходе блока коррекции 7. На входы делителей 30 и 39 подаются значения отсчетов сигнала y_h² и y_h- соответственно. На второй вход блока 30 с выхода умножителя 33 подается произведение (-2R). Полученное частное -У_h²/2R подается на вход вычислителя экспоненты 31.

С выхода блока 31 сигнал, пропорциональный exp(y_h2/2R) подается на первый вход умножителя 32. На втором входе блока 32 присутствует сигнал, пропорциональный квадратному корню из частного суммы +R и дисперсии помех R, поступающей с выхода блока вычислителя квадратного корня 35. Частное с выхода блока 32 подается на первый вход сумматора 36.

На второй вход блока 39 подается произведение -2+R с выхода умножителя 36. Полученное частное подается на вход вычислителя экспоненты 40. Найденное значение экспоненты подается на второй вход сумматора 36 и второй вход делителя 37. В делителе 34 вычисляется частное, пропорциональное которое затем подается на вход блока 35, где вычисляется квадратный корень. Полученное значение подается на второй вход умножителя 32. Сигнал с выхода сумматора 36 подается на первый вход делителя 37. В результате, на выходе делителя 37 образуется сигнал, пропорциональный апостериорной вероятности р исправного и свободного состояния рельсовой линии.

Вычисленное значение оценки полезного сигнала КРЛ в нормальном или шунтовом режимах подается на вход блока приема сигналов контроля рельсовой линии 8. Блок 8 может быть реализован на основе алгоритма, описанного в авт. св. N 1740225, 1989.

Формула изобретения

ПРИЕМНИК ДЛЯ РЕЛЬСОВОЙ ЦЕПИ, содержащий последовательно соединенные полосовой фильтр, детектор, интегратор, дискретизатор, блок приема сигналов контроля рельсовой линии, связанный с исполнительным блоком, и источник сигнала постоянного уровня, отличающийся тем, что он снабжен блоком вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии, блоком определения коэффициента усиления фильтра и корректирующим блоком, один вход которого подключен к выходу дискретизатора, другой и третий входы подключены соответственно к первому и второму входам блока определения коэффициента усиления фильтра, четвертый вход связан с выходом источника сигнала постоянного уровня, а выход соединен с первым входом блока коэффициента усиления фильтра, второй вход которого связан с выходом источника постоянного уровня, третий вход подключен к первому выходу блока вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии, а третий выход к первому входу блока вычисления среднего значения сигнала контроля рельсовой линии, второй вход которого подключен к выходу дискретизатора, а второй выход к первому входу блока приема сигнала контроля рельсовой линии, второй вход которого соединен с выходом дискретизатора, при этом блок вычисления среднего значения уровня сигнала контроля рельсовой линии содержит первый и второй умножители, элемент задания коэффициента умножения, равного a, где a - коэффициент широкополосности сигнала контроля рельсовой линии, вычитатель, сумматор и элемент задержки, выход которого подключен к выходу сумматора, а выход к первому входу первого умножителя, второй вход которого подключен к выходу элемента задания коэффициента умножения, равного a, а выход к первым входам вычитателя и сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя, первый вход которого соединен с выходом вычитателя, вторым и третьим выходами которого являются соответственно выход вычитателя и выход сумматора, блок определения коэффициента усиления фильтра содержит источник сигнала постоянного уровня логической единицы, элемент задания коэффициента умножения, равного a², третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый умножители, второй и третий вычитатели, второй и третий сумматоры, делитель, второй элемент задержки и два квадратора, выход первого из которых подключен к первому входу третьего умножителя, второй вход которого подключен к выходу второго квадратора, а выход к первому входу четвертого умножителя, второй вход которого подключен к выходу пятого умножителя, а выход к первому входу второго вычитателя, вход которого соединен с выходом шестого умножителя, первым входом подключенного к выходу седьмого умножителя, а выход с первым входом второго сумматора, выход которого подключен к входу элемента задержки, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого подключен к выходу элемента задания коэффициента умножения, равного a², а выход подключен к вторым входам второго сумматора, к первому входу седьмого умножителя и первым входам делителя и третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом делителя, выход которого подключен к входу второго квадратора, второму входу девятого умножителя, выходом которого образован третий выход блока, первый и второй выходы которого образованы соответственно выходом первого квадратора и выходом третьего сумматора, первый вход вторыми входами второго вычитателя и пятого, шестого и девятого умножителей, второй и третий входы соответственно вторым входом третьего сумматора и входом первого квадратора, корректирующий блок содержит четвертый сумматор, третий квадратор, десятый, одиннадцатый и двенадцатый умножители, второй, третий, четвертый и пятый делители, вычислители экспоненты, ввычислитель квадратного корня и элемент задания коэффициента умножения 2, выход которого подключен к первым входам десятого и одиннадцатого умножителей, выходы которых подключены к первым входам второго и третьего делителей, выходы которых соединены с входами вычислителей экспоненты, вход одного из которых подключен к первому входу двенадцатого умножителя, второй вход которого соединен с выходом вычислителя квадратного корня, входом подключенного к входу четвертого делителя, а выход с первыми входами четвертого сумматора и пятого делителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу другого вычислителя экспоненты, причем второй вход третьего делителя соединен с выходом квадратора, входом которого образован первый вход блока, второй вход которого образован вторым входом второго делителя, третий вход вторым входом десятого умножителя и первым входом четвертого делителя, четвертый вход - вторыми входами одиннадцатого умножителя и четвертого делителя, при этом уровень сигнала упомянутого источника сигнала постоянного уровня пропорционален дисперсии помех в данной рельсовой линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1