Способ предупреждения столкновения локомотива с препятствием на железнодорожном пути

Изобретение относится к области обеспечения безопасности железнодорожного движения и, в частности, может быть использовано для предупреждения столкновений поездов с препятствиями на железнодорожном полотне. Способ заключается в том, что расположенный по направлению движения локомотива участок железнодорожного полотна облучается электромагнитным излучением от источника, расположенного на локомотиве, отраженный от препятствия поток электромагнитной энергии принимается приемником, также расположенным на локомотиве, по значениям параметров отраженного потока обнаруживается препятствие, расположенное на пути движения локомотива. Машинист или автоматическая система включают экстренное торможение. Электромагнитное излучение генерируется путем периодического формирования импульсов напряжения между рельсами железнодорожного пути. Место приложения импульса напряжения выбирается перед первой по направлению движения локомотива колесной парой или иным конструктивным узлом локомотива, обеспечивающим электрическое соединение между рельсами. Достигается повышение безопасности движения железнодорожных поездов.

 

Изобретение относится к области обеспечения безопасности железнодорожного движения и, в частности, может быть использовано для предупреждения столкновений поездов с препятствиями на железнодорожном полотне.

Известен способ предотвращения столкновения железнодорожного поезда с препятствием, появившимся, например, в результате камнепада (обвальная сигнализация). Способ состоит в установке на опасном участке железнодорожного полотна сигнальной сетки, состоящей из проводников, разрываемых падающими камнями. Разрыв проводника обеспечивает формирование электрического сигнала, позволяющего диспетчеру вовремя остановить движение поездов на опасном участке [1]. Способ требует существенных затрат на обеспечение безопасности и может быть применен для предотвращения столкновений только со специфическими препятствиями.

Известен также способ предупреждения столкновения железнодорожного поезда со случайно оказавшимися на железнодорожном полотне людьми или машинами, находящимися вне зоны видимости машиниста (за поворотом, в тоннеле и т.п.), заключающийся в том, что перед опасным участком пути у железнодорожного полотна устанавливается специальный знак "С", предписывающий машинисту дать предупредительный звуковой сигнал (длинный свисток) [2]. Поданный заранее звуковой сигнал, будучи услышан людьми, позволяет им вовремя покинуть железнодорожное полотно или эвакуировать с него посторонние предметы. Недостатком способа является то обстоятельство, что свисток не всегда может быть вовремя услышан, например, при сильном встречном ветре. Кроме того, если препятствие не может быть вовремя удалено с пути, например неисправный автомобиль или раненое животное и т.п., способ не обеспечивает своевременного получения машинистом информации о необходимости экстренного торможения.

Существует способ обнаружения на отрезке железнодорожной линии препятствия, вызывающего электрическое соединение рельсов. Способ состоит в том, что на питающем конце линии формируют электрические сигналы разных частот и подают их в рельсовую линию, на противоположном конце сигналы детектируют, интегрируют, а разность уровней сигналов большей и меньшей частот сравнивают с заранее определенными, соответствующими нормальному, шунтовому и контрольному режимам работы опорными напряжениями и по результатам сравнения определяют состояние рельсовой линии [3].

Недостатками способа в случае применения его для обнаружения препятствий являются следующие его особенности:

- способ должен применяться к изолированному участку линии [3];

- необходимо использовать электрические сигналы двух частот;

- информационные сигналы анализируются на противоположном конце линии, в силу чего способ не может быть использован автономно на локомотиве.

Наиболее близким к заявляемому способу техническим решением является способ (прототип) предупреждения столкновения локомотива с препятствием на железнодорожном пути, заключающийся в том, что расположенный по направлению движения локомотива участок железнодорожного полотна облучается электромагнитным излучением от источника, расположенного на локомотиве, отраженный от препятствия поток электромагнитной энергии принимается приемником, также расположенным на локомотиве, по значениям параметров отраженного потока обнаруживается препятствие, расположенное на пути движения локомотива, после чего машинист или автоматическая система включают экстренное торможение. В настоящее время в качестве электромагнитного излучения широко используется излучение оптического диапазона, формируемое лобовым прожектором [4], установленным на локомотиве и направляющим световой луч вдоль пути перед поездом. Отраженный сигнал, то есть картина освещенного участка пути, обычно анализируется машинистом визуально. Способ характеризуется следующими недостатками:

1. При недостаточной видимости (перед поворотом или при наличии атмосферных осадков) способ не обеспечивает своевременного получения машинистом информации, необходимой для заблаговременного включения торможения.

2. Способ требует построения сложной и дорогостоящей системы анализа изображений для реализации автоматического режима работы.

Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что используемая для облучения железнодорожного полотна электромагнитная энергия характеризуется радиочастотным диапазоном длин волн. Энергия излучается короткими (порядка 10 нс) импульсами. Импульсы электромагнитной энергии формируются непосредственно в промежутке между рельсами железнодорожного полотна и распространяются вдоль полотна. При этом двухпроводная электрическая линия, образованная металлическими рельсами, играет роль ВЧ канала (волновода). Таким образом, импульс электромагнитной энергии будет распространяться вдоль рельсов, повторяя расположенные впереди повороты железнодорожного полотна. При наличии на пути препятствия (человек, животное, посторонний механизм и т.п.) часть электромагнитной энергии отразится от препятствия и будет двигаться навстречу поезду. На локомотиве располагается радиоприемник, обеспечивающий регистрацию отраженных импульсов электромагнитной энергии и подачу команды на экстренное торможение в случае, если амплитуда отраженного сигнала превосходит заранее установленный уровень.

Иными словами, способ обеспечивает реализацию принципа радиолокатора. Существенным отличием предлагаемого способа от типичного радиолокатора, применяемого, например, для сопровождении самолетов, является наличие волновода, обеспечивающего преимущественное распространение электромагнитного импульса вдоль требуемого направления. Поскольку скорость распространения электромагнитного излучения вдоль линии в первом приближении равна скорости света, то, измеряя промежуток времени между моментом формирования импульса излучения и моментом прихода отраженного сигнала в приемник, можно определять расстояние до препятствия и использовать эту информацию для включения процесса торможения.

С тем чтобы обеспечивать достаточную для безопасности точность определения расстояния до препятствия, т.е. пространственное разрешение системы, необходимо, чтобы длительность импульса излучения, умноженная на скорость распространения излучения (в первом приближении на скорость света - 3·10⁸ м/с), составляла приемлемую величину. Так, при длительности импульса 10 нс (10·10^-9 с) пространственное разрешение будет составлять величину, близкую к расстоянию, преодолеваемому электромагнитным излучением за время действия импульса

10·10^-9 с·3·10⁸ м/с = 3 м.

Такая ошибка в определении расстояния представляется вполне допустимой для задачи определения момента начала торможения.

В предлагаемом способе для формирования импульса электромагнитного излучения может быть использован радиочастотный импульс с несущей частотой, например, дециметрового диапазона. Однако для обеспечения минимальных потерь энергии при распространении вдоль рельсов целесообразно использовать резонансные свойства такого волновода. А именно, выбрать длину волны излучения равной, например, удвоенному расстоянию между проводящими элементами волновода, т.е. между рельсами. В этом случае длительность одного колебания (период колебаний) можно приближенно определить по простому соотношению:

τ=2·d/c,

где с - скорость света,

d - расстояние между рельсами.

Для российских железных дорог расстояние между рельсами составляет 1,52 м, что соответствует длине волны излучения 3,04 м. Как было показано выше, длительность импульса излучения целесообразно выбирать не слишком большой, чтобы не снижать пространственное разрешение системы. В частности длительность импульса 10 нс представляется вполне приемлемой. Для установленной длины волны 3,04 м и при такой длительности импульса в пределах импульса по времени может поместиться только один период электромагнитных колебаний (длина волны связана с периодом электромагнитных колебаний в общем случае следующим соотношением: λ=τ_к·с, где τ_к - период колебаний, c - скорость света [5]).

Таким образом, электромагнитное излучение целесообразно формировать в виде одного видеоимпульса без заполнения его высокочастотной несущей. В настоящее время такие импульсы эффективно используются, в том числе и в радиолокации [6].

Для того чтобы электромагнитное излучение распространялось перед поездом вдоль рельсов, необходимо, чтобы место формирования электромагнитного импульса было расположено перед первой колесной парой локомотива, являющейся короткозамкнутой перемычкой в волноводе из двух рельсов и способной в силу этого отразить почти всю энергию падающего излучения в обратном направлении. Для того чтобы отраженная от колесной пары электромагнитная волна, находилась в фазе с волной, распространяющейся в прямом направлении, и тем самым обеспечивала усиление излучаемого поля, необходимо место формирования импульса расположить на расстоянии, обеспечивающем максимальную мощность изучения в прямом направлении. Это расстояние будет зависеть от конкретной конструкции передней части локомотива, и его необходимо устанавливать экспериментально.

При определении допустимых пределов периода следования импульсов необходимо воспользоваться следующими соображениями.

Период следования импульсов излучения, с одной стороны, не может быть меньше определенной величины. Период определяет протяженность так называемой зоны обнаружения, т.е. максимального расстояния, на котором может быть обнаружено препятствие. Это расстояние должно быть не меньше длины пути, на которой локомотив (поезд) способен гарантированно погасить скорость до нуля, остановившись перед препятствием. Электромагнитное излучение преодолевает это расстояние дважды - в прямом и обратном направлениях, распространяясь, в первом приближении, со скоростью света. При этом время t₁, затраченное излучением на такой путь, очевидно, определится как:

t₁=2·L/c,

где L - максимально возможная длина тормозного пути для данного локомотива (состава) при наиболее неблагоприятных обстоятельствах;

с - скорость света.

Величина t₁ и определяет минимальное значение периода следования импульсов излучения.

Например, если при определенных условиях длина тормозного пути поезда составит 1000 м, то минимальное значение периода следования импульсов будет равно 2·1000/3·10⁸=6,67·10^-6 с.

С другой стороны, длительность периода между импульсами не должна быть больше промежутка времени, за который на рельсах может неожиданно появиться препятствие (например, автомобиль), движущееся в направлении, перпендикулярном железнодорожному пути. Время, в течение которого это препятствие может оказаться на пути, не будучи зафиксированным с помощью предыдущего импульса излучения, можно оценить следующим образом. Определить, например, экспериментальным путем расстояние l_o от рельса до точки, в которой препятствие уже создает регистрируемый отраженный сигнал, находясь на удалении L от поезда. Это расстояние, очевидно, должно отсчитываться по линии, перпендикулярной железнодорожному пути. Затем определить вдоль той же линии расстояние l_c от рельса до препятствия, находясь на котором препятствие неизбежно вызовет столкновение. Время, за которое препятствие преодолеет разность между этими расстояниями (l_o-l_c), двигаясь с максимально возможной скоростью, и определит максимально допустимое значение периода следования импульсов:

t₂=(l_o-l_c)/v,

где (l_o-l_c) - определенная выше разность расстояний (подразумевается, что расстояние от препятствия до рельса, на котором уже формируется уверенно обнаруживаемый отраженный сигнал, больше расстояния, которое приводит к столкновению);

v - максимально возможная скорость приближения препятствия к рельсу.

Например, если уверенно регистрируемый отраженный сигнал формируется автомобилем на расстоянии 1,5 м от рельса (поезд находится на расстоянии L от места выезда автомобиля), а столкновение неизбежно происходит на расстоянии 1,3 м и автомобиль движется со скоростью 150 км/ч (42 м/с), то для обязательного приема хотя бы одного отраженного импульса от автомобиля до момента его критического приближения к рельсу необходимо посылать импульсы не реже чем с периодом (1,5-1,3)/42=4,76·10^-3 с.

Таким образом, общее выражение для определения допустимых пределов периода следования импульсов Т будет следующим:

(l_o-l_c)/v>Т>(2L/c)+t.

Технический эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в повышении безопасности движения железнодорожных поездов. Влияние используемого по предлагаемому способу электромагнитного излучения на традиционные средства автоматического управления движением поездов следует предполагать исчезающе малым, поскольку частотный спектр этого излучения лежит в области выше 100 МГц, а автоматика рельсовых цепей работает на частотах от 0 до 5500 Гц [7].

Литература

1. Степанов Н.М., Новиков М.А. Автоматическая сигнализация на переездах и искусственных сооружениях. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982. - 136 с.

2. ГОСТ 8442-65 Знаки путевые и сигнальные железных дорог.

3. Патент РФ №2173276 Способ контроля состояния рельсовой линии/ Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта. Тарасов Е.М., Белоногов А.С., заявлено 31.05.1999 г., №99111187/28. Опубликовано 10.09.2001. Бюл. №25, МКИ B61L 23/16.

4. Электрооборудование тепловозов: Справочник/ В.С.Марченко, А.А.Сергеев, В.Т.Иванченко и др. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2003. - С.215.

5. Краткий справочник для инженеров и студентов: Высшая математика. Физика. Теоретическая механика. Сопротивление материалов/ Полянин А.Д., Полянин В.Д., Попов В.А., Путятин Б.В., Сафрай В.М., Черноуцан А.И. - М.: Международная программа образования, 1996. - С.266.

6. Щербак Н. Сверхширокополосная радиолокация. Что это такое. - Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2002, №3, с.38-44.

7. Кириленко А.Г. Электрические рельсовые цепи: учебное пособие/ А.Г.Кириленко, Н.А.Пельменева. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - С.23-24.

Способ предупреждения столкновения локомотива с препятствием на железнодорожном пути, заключающийся в том, что расположенный по направлению движения локомотива участок железнодорожного полотна облучается электромагнитным излучением от источника, расположенного на локомотиве, отраженный от препятствия поток электромагнитной энергии принимается приемником, также расположенным на локомотиве, по значениям параметров отраженного потока обнаруживается препятствие, расположенное на пути движения локомотива, после чего машинист или автоматическая система включают экстренное торможение, отличающийся тем, что электромагнитное излучение генерируется путем периодического формирования импульсов напряжения между рельсами железнодорожного пути; место приложения импульса напряжения выбирается перед первой по направлению движения локомотива колесной парой или иным конструктивным узлом локомотива, обеспечивающим электрическое соединение между рельсами, длительность импульса напряжения τ выбирается по соотношению:
τ=2·d/c,
где d - расстояние между рельсами;
с - скорость света,
а период следования импульсов Т устанавливается в соответствии с выражением:
(l_o-l_c)/v>T>(2L/c)+t,
где l_о - максимальное расстояние с внешней стороны железнодорожного полотна от рельса до препятствия, на котором препятствие обеспечивает уверенно принимаемый отраженный сигнал при расстоянии до локомотива, равном L;
l_c - максимальное расстояние с внешней стороны железнодорожного полотна от рельса до препятствия, приводящее к неизбежному столкновению;
v - максимальная, достижимая скорость выезда препятствия на железнодорожное полотно;
L - максимально возможная длина тормозного пути для данного локомотива (состава) при наиболее неблагоприятных обстоятельствах;
с - скорость света;
t - время реакции системы (время от момента обнаружения отраженного от препятствия сигнала до начала процесса торможения).