Комплекс автоматизированного контроля положения контактного провода свч методом

Авторы патента:

Полезная модель относится к дистанционным измерительным системам и может быть использована на электрифицированном железнодорожном и городском транспорте для определения положения контактного провода. Сущность полезной модели заключается в том, что комплекс автоматизированного контроля положения контактного провода СВЧ методом включает в себя аппаратные и программные средства: антенные блоки с частотой излучения в СВЧ-диапазоне, объединяющие передающую и приемную антенны и соединенные с одноканальным/многоканальным блоком управления посредством коммутационных проводов или беспроводным каналом связи; управляющий компьютер со специализированным программным обеспечением; датчик линейных перемещений с синхронизатором работы многоканального радиолокационного оборудования; системы спутниковой навигации; источники электропитания; гироскопы. Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений и помехоустойчивости бесконтактных систем определения положения контактного провода.

Существующие подходы к определению положения контактного провода, основанные на выполнении измерений вручную с использованием инструментальных средств диагностики, и визуальных осмотрах контактной сети [1-3] являются малоэффективными. Они требуют больших материальных затрат, дают недостаточно точные результаты и требуют неоднократного обхода контролируемых участков. Кроме того, наличие в инструментальных средствах диагностики частей, находящихся в непосредственной близости от высоковольтных компонентов, представляет дополнительную угрозу для жизни и здоровья обслуживающего персонала. По этой причине современная система текущего содержания контактной сети электрифицированного транспорта требует использования бесконтактных измерительных систем, которые делают возможным дистанционный автоматизированный контроль положения токонесущего провода и способны работать в движущемся с установленной скоростью транспортном средстве.

Известно устройство для определения положения контактного провода в плане (патент RU 58468 U1), содержащее полоз токоприемника коробчатой конструкции с размещенными в нем по всей его длине вихретоковыми датчиками и соответствующими блоками обработки сигналов, генератор, блок сбора и передачи информации и идентичных измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных между собой вихретокового датчика, смесителя, компаратора и регистра, при этом один выход генератора соединен с обмоткой возбуждения вихретокового датчика соответствующего измерительного канала, а другой выход генератора соединен со вторыми входами смесителей соответствующих измерительных каналов, при этом управляющие входы каждого регистра соответствующего канала соединены с выходом блока сбора и передачи информации, регистры соответствующих измерительных каналов последовательно связаны между собой и с информационным входом блока сбора и передачи информации, выход которого подключен к регистрирующему устройству, например, к ЭВМ. Данное техническое устройство обладает рядом недостатков. Конструкция устройства громоздка, сложна в настройке, обладает низкой надежностью. Наличие механически связанных элементов системы, обуславливает значительные погрешности измерений.

Известно устройство для измерения высоты и зигзага контактного провода (патент RU 2180622 C1), содержащее объектив, три матричных фотоприемника, три блока измерения положения изображения контактного провода на первом, втором и третьем матричных фотоприемниках соответственно, блок регистрации зигзага контактного провода, блок регистрации высоты контактного провода. Данная оптическая система размещается в подвижном транспортном средстве, при этом оптическая ось и система зеркал этой системы должны иметь определенную пространственную ориентацию относительно лобового стекла и контактного провода. Оценку геометрических параметров контактного провода осуществляют по результатам обработки получаемых в процессе съемки изображений.

Известно устройство для измерения износа, высоты подвеса и зигзага контактного провода (патент RU 2138410 C1), которое содержит линейный источник света длиной, превышающей максимально возможное расстояние между крайними положениями зигзага контактного провода и отражатель, размещенные на крыше вагона-лаборатории, при этом источник света через контактный провод оптически связан с оптоэлектронной головкой, содержащей объектив и интегральную многоэлементную фотоприемную линейку. Выход оптоэлектронной головки связан с входом электронного блока первичной обработки информации, выход которого связан с компьютером. Определение высоты подвеса контактного провода, с использованием этой системы, осуществляется по величине проекции светового пучка, отраженного контактным проводом, либо по расстоянию между проекциями световых пучков. Зигзаг контактного провода определяется по величине отклонения центра проекции светового пучка, отраженного контактным проводом от нулевого положения, соответствующего центральной продольной оси вагона-лаборатории.

Известные технические устройства определения положения контактного провода, основанные на оптических методах измерений, имеют ряд недостатков, главным из которых является снижение точности измерений при неблагоприятных погодных условиях, например, под прямыми солнечными лучами, туманом, снегом, дождем, или в темное время суток. Применение дополнительных систем освещения для измерений в ночное время требует значительных затрат электроэнергии, а использование видеокамер, работающих в инфракрасном диапазоне, эффективно только на малых расстояниях. Кроме того, в процессе проведений измерений в поле зрения попадают различные детали контактной сети, которые создают дополнительные проблемы при обработке получаемых изображений, в случае применения устройств видеоконтроля. Вместе с тем, применяемые видеокамеры зачастую характеризуются малым пространственным разрешением и зашумленностью формируемого изображения.

Анализ аналогов показывает, что существующие бесконтактные системы определения положения контактного провода имеют большие погрешности и ряд ограничений при проведении измерении в сложных погодных условиях или в темное время суток, а применение вспомогательных устройств для решения этой проблемы, как правило, является малоэффективным.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному техническому решению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения параметров контактного провода (патент RU, 2137622, C1).

Используемое в прототипе устройство предназначено для измерения геометрических параметров контактного провода (зигзага и высоты подвеса). Устройство размещается в вагоне-лаборатории и содержит в себе линейный осветитель с отражателем, оптически сопряженный через контактный провод с блоками приема, первичной обработки, анализа и отображения информации. Блок приема информации из двух или более оптоэлектронных головок, каждая из которых содержит оптическую систему в виде объектива и интегральную многоэлементную фотоприемную матрицу. В качестве блока анализа и отображения информации использован компьютер. В другом варианте исполнения рассматриваемого устройства оптоэлектронные головки и осветитель располагаются на пантографе токоприемника. Определение положения контактного провода осуществляется посредством обработки и анализа сигналов, получаемых в процессе отражения от контактного провода световых лучей, которые попадая через оптическую систему оптоэлектронных головок на фотоматрицы "засвечивают" определенный их участок. В свою очередь электронный блок первичной обработки сигналов обеспечивает развертку фотоматриц и соответствующую обработку видеосигнала для выделения необходимой информации о положении и величине проекции световых пучков, отраженных от контактного провода.

Прототип обладает рядом недостатков. В частности, для измерения одного из основных параметров положения контактного провода - высоты подвеса, требуется дополнительный датчик или устройство на пантографе нескольких (не менее двух) оптоэлектронных головок, которые таким образом находятся под высоким напряжением. Это требует организации дополнительных мероприятий по устранению опасности при работе с высоковольтными элементами. В случае же расположения оптоэлектронных головок на крыше или внутри вагона, в соответствии с данным техническим решением, возникает необходимость проведения коррекции величины износа контактного провода при изменениях высоты подвеса, что весьма усложняет проведение измерений и обработку получаемой информации.

Недостатком прототипа, как и существующих оптических измерительных систем, является также зависимость точности измерений от погодных условий. Измерения невозможно реализовать во время дождя, снега или тумана в связи с тем, что в этих условиях большая часть излучения рассеивается и по этой причине затрудняется устойчивый прием отраженного от поверхности контактного провода светового потока, что приводит к возникновению существенных погрешностей.

Задача заявляемого технического решения заключается в повышении эффективности диагностики объектов инфраструктуры электрифицированного транспорта путем повышения помехоустойчивости, точности и достоверности измерений в сложных природно-климатических условиях.

Целью создания заявляемой полезной модели является устранение недостатков бесконтактных систем измерения параметров положения контактного провода, обусловленных наличием помех при неблагоприятных погодных условиях, а также повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения нескольких параметров положения контактного провода.

Поставленная цель достигается тем, что комплекс автоматизированного контроля положения контактного провода СВЧ методом включает в себя аппаратные и программные средства: антенные блоки, объединяющие передающую и приемную антенны, с частотой излучения в СВЧ-диапазоне; одноканальный/многоканальный блок управления; управляющий компьютер со специализированным программным обеспечением, позволяющий подключать программные блоки для автоматизированной интерпретации получаемой в процессе измерений информации; специализированное бортовое устройство-датчик линейных перемещений с синхронизатором работы многоканального радиолокационного оборудования в процессе движения или системы спутниковой навигации для осуществления привязки получаемой информации к железнодорожной или автодорожной системе координат; источники стационарного или автономного питания, обеспечивающие работу комплекса в течение рабочей смены; коммутационные провода; гироскопы для учета продольных и поперечных колебаний в процессе движения транспортного средства, на котором размещается комплекс.

Комплекс размещается на подвижной единице, например, специализированном диагностическом комплексе, вагоне - или автомобиле-лаборатории, автомотрисе, путевой тележке или другом транспортном средстве, таким образом, чтобы антенные блоки и контактный провод образовывали триангуляционную систему, где основанием служит расстояние между опорными точками - антенными блоками, а в вершине находится искомый объект - контактный провод. В процессе проведения измерений в обследуемую среду антенные блоки, соединенные посредством коммутационных проводов или беспроводным каналом связи с одноканальным/многоканальным блоком управления, излучают и регистрируют электромагнитные импульсы в СВЧ диапазоне. Регистрируемый приемными антеннами сигнал преобразуется в цифровой вид при помощи аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав блока управления, и фиксируется в памяти компьютера, соединенного с ним посредством коммутационных проводов. В процессе программной обработки полученной таким образом радарограммы, а также из известных тригонометрических соотношений определяются параметры положения контактного провода: обрыв, величина натяжения, зигзаг и высота контактного провода.

Привязка получаемой в процессе проведения измерений информации к железнодорожной или автодорожной системе координат осуществляется:

- в случае размещения данного комплекса на подвижной единице, оснащенной собственной системой позиционирования, путем передачи координат на компьютер, управляющий комплексом;

- при отсутствии бортовой системы позиционирования путем непрерывной записи глобальных географических координат траектории движения комплекса и глобальных географических координат пикетных, километровых столбов и осей искусственных сооружений с использованием систем спутниковой навигации, или посредством датчика линейных перемещений, размещаемого на колесных парах, с синхронизатором работы радиолокационного оборудования в процессе движения.

Для учета продольных и поперечных колебаний в процессе движения транспортного средства, на котором размещается комплекс, в состав комплекса входят гироскопы, соединенные с управляющим компьютером.

Оценка состояния измеряемых параметров контактной сети производится в непрерывном автоматическом режиме по результатам интерпретации радарограмм, которая выполняется специализированным программным обеспечением. С целью оперативного контроля состояния контактной сети и своевременного принятия мер по устранению выявленных дефектов и отступлений, измеряемые значения контролируемых параметров сравниваются с установленными действующими нормативными документами допустимыми значениями. По результатам обработки и анализа получаемой информации формируется отчет в соответствии с формами, установленными действующими нормативными документами.

Заявляемое техническое решение имеет преимущества по сравнению с оптическими системами определения параметров положения контактного провода, так как может работать под прямыми солнечными лучами, дождем, снегом или туманом, а также в темное время суток, поскольку электромагнитное излучение в СВЧ диапазоне характеризуется меньшей частотой излучения (большей длинной волны) и как следствие большей проникающей способностью.

Оборудование, используемое для реализации предлагаемой полезной модели, - съемное, имеет небольшие габариты, возможность простого монтажа и демонтажа, и может работать от источников как стационарного, так и автономного питания. Благодаря этому система может устанавливаться на любое транспортное средство. Отсутствие частей, находящихся в непосредственной близости от высоковольтных элементов, делает заявляемый способ безопасным для обслуживающего персонала. Достоинством предлагаемого способа является также возможность автоматической обработки и интерпретации получаемой непосредственно в процессе проведения измерений информации о текущем состоянии элементов контактной сети, что позволяет своевременно принимать меры по устранению выявленных неисправностей.

Техническим результатом полезной модели является повышение помехоустойчивости бесконтактных систем определения положения контактного провода и повышение точности измерений. Данный результат достигается за счет того, что излучаемые антенными блоками электромагнитные волны в СВЧ диапазоне обладают значительно большей проникающей способностью по отношению к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне, что позволяет, при прочих равных условиях, проводить измерения параметров положения контактного провода в темное время суток и сложных погодных условиях (прямые солнечные лучи, туман, снег, дождь, обледенение) без снижения точности получаемых результатов. Благодаря этой особенности заявляемой полезной модели, в отличие от известных решений, отсутствует необходимость использования дополнительных вспомогательных систем (системы освещения, инфракрасные датчики и т.п.), направленных на решение проблемы возникновения помех, обусловленных природно-климатическими условиями, что существенно упрощает конструкцию применяемого оборудования и делает этот метод более мобильным и экономически выгодным.

Применение предлагаемого способа позволит обеспечить повышение надежности работы устройств тягового электроснабжения за счет своевременного и более точного обнаружения дефектов контактной сети.

ЛИТЕРАТУРА

1 Магидин Ф.А. Устройство и эксплуатация контактной сети. Издательство: Маршрут, 2006, 62 с.

2 Зимакова А.Н., Гиенко В.М., Скворцов В.А. Контактная сеть электрифицированных железных дорог, учеб. пособие. - 2-е стер. изд. - М.: ФГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. - 232 с.

3 Марквардт К.Г. Контактная сеть. Учебник для ВУЗов железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1994. - 335 с.

Комплекс автоматизированного контроля положения контактного провода СВЧ методом, содержащий аппаратные и программные средства, отличающийся тем, что аппаратная часть включает в себя антенные блоки, объединяющие передающую и приемную антенны с частотой излучения в СВЧ-диапазоне, одноканальный/многоканальный блок управления, специализированное бортовое устройство - датчик линейных перемещений с синхронизатором работы многоканального радиолокационного оборудования в процессе движения или системы спутниковой навигации для осуществления привязки получаемой информации к железнодорожной или автодорожной системе координат, источники стационарного или автономного питания, обеспечивающие работу комплекса в течение рабочей смены; коммутационные провода, гироскопы для учета продольных и поперечных колебаний в процессе движения транспортного средства, на котором размещается комплекс, управляющий компьютер, а программная часть включает в себя специализированное программное обеспечение, позволяющее подключать программные блоки для автоматизированной интерпретации получаемой в процессе измерений информации.