устройство идентификации схода с рельсов вагона подвижного состава

Формула изобретения

Устройство идентификации схода с рельсов вагона подвижного состава, содержащее базовый канал в виде последовательного соединения датчика механических колебаний от контакта колес с рельсами, блока согласования, блока выделения момента sign (du/dt) первой производной на основе аналого-цифрового преобразователя, формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователя время-цифра, к которому подключен генератор сетки эталонных частот, а также блок принятия решений, соединенный с блоком отображения, отличающееся тем, что введены последовательное соединение второго датчика механических колебаний от контакта колес с рельсами, второго блока согласования, второго блока выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной на основе второго аналого-цифрового преобразователя, второго формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователя время-цифра, к которому подключен генератор сетки эталонных частот, третий преобразователь время-цифра, связанный с третьим датчиком механических колебаний от контакта колес с рельсами и генератором сетки эталонных частот, блок принятия решений одними входами подключен к первому, второму и третьему преобразователям время-цифра, первые выходы первого и второго блоков выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной, подключенные к соответствующим формирователям импульсов по фронту и спаду, соединены с другими входами блока принятия решений, вторые выходы первого и второго преобразователей время-цифра через элемент ИЛИ подключены к генератору сетки эталонных частот, причем вход блока принятия решений подключен к третьему преобразователю время-цифра через блок критериев.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к анализу сигналов, и может быть использовано для идентификации момента схода вагона подвижного состава с рельсов, вычислительной технике и кодовых системах.

Известно устройство возбуждения синтезатора формантных частот в использовании многочисленных поддающихся идентификации звуков речи - фонем, Дж. Кейтер, Компьютеры-синтезаторы речи, М., Мир, 1985, в котором, образуя последовательность фонем, фонемный синтезатор копирует речь, т.е. используется математическое представление для восстановления речи в частотной области.

Недостаток устройства в том, что техническое решение в частотной области содержит элементы, не реализуемые в микроэлектронном исполнении, следовательно, имеет существенный физический объем при наличии регулировочных операций, а также сложность алгоритма получения формантных частот.

Известна цифровая система верификации диктора Л.Р. Рабинер, Р.В. Шафер, Цифровая обработка речевых сигналов, М., Радио и связь, 1981, рис.9.11, с. 444, содержащая микрофон, блок эталонного образа, блок произнесенной фразы, блок запроса, блок сравнения, блок принятия решения, блок верифицируемого абонента с совокупностью связей.

Недостаток устройства - большой объем вычислений для анализа по методу линейного предсказания или для оценивания формантных частот при верификации в реальном масштабе времени, ограничиваемых только измерением основного тона и энергии.

Известно устройство преобразования сигнала случайного процесса Mueller W. C. "Arrhythmia detection software for an ambu latory ECG monitor, Biomed, Sci. Instrum, 14/81-85, 1978, содержащее совокупность элементов и связей.

Недостаток данного устройства - запомненные точки не точно отражают пространственные интервалы времени.

Прототипом устройства идентификации схода с рельс вагона подвижного состава является устройство идентификации сигнала случайного процесса по патенту РФ 2097917 RU, содержащее последовательное соединение датчик (микрофон), программируемый усилитель, блок выделения момента изменения знака первой производной на основе аналого-цифрового преобразователя, формирователь импульсов по фронту и спаду сигнала, преобразователь время - цифра (образующие базовый канал), к которому подключен генератор импульсов сетки эталонной частоты, блок образов, блок принятия решений, формирователь импульсов управления, блок оперативной памяти, блок отображения, вход программирования с совокупностью связей.

Недостаток устройства - одноуровневый критерий принятия решения, что снижает область применения, в частности, для критических ситуаций протекающих процессов, связанных с безопасностью людей и большими материальными потерями.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение достоверности принятия решения об опознании образа за счет построения операции, принимают решение по многоуровневому критерию.

Технический результат достигается тем, что в устройство идентификации схода с рельс вагона подвижного состава, содержащее базовый канал в виде последовательного соединения датчика, усилителя, блока выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной на основе аналого-цифрового преобразователя, формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователя время - цифра, к которому подключен генератор сетки эталонных частот, а так же блок принятия решений, соединенный с блоком отображения, введены последовательное соединение второго датчика, второго усилителя, второго блока выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной на основе второго аналого-цифрового преобразователя, второго формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователь время - цифра, к которому подключен генератор сетки эталонных частот, третий преобразователь время - цифра, связанный с третьим датчиком и генератором сетки эталонных частот, блок принятия решений соответствующими входами подключен к первому, второму и третьему преобразователям время - цифра, первые выходы первого и второго блоков выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной, подключенные к соответствующим формирователям импульсов по фронту и спаду, соединены с третьим и четвертым входами блока принятия решений, вторые выходы первого и второго блоков выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной соединены с пятым и шестым входами блока принятия решений, вторые выходы первого и второго преобразователей время - цифра через элемент ИЛИ подключены к генератору сетки эталонных частот, выход третьего преобразователя время - цифра соединен с блоком критериев.

Введение 2-го канала в виде последовательного соединения датчика, усилителя, блока выделения момента siqn (du/dt) изменения знака первой производной на основе аналого-цифрового преобразователя (патент 2024194 RU), формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователя время - цифра (патент РФ 209099 RU), необходимо и достаточно для получения в реальном времени информационно ценной информации о случайном процессе из возбуждаемых колебаний. Дублирование результатов контроля, как известно, повышает надежность контроля Р_к = l-P_ош ², где Р_ош вероятность ошибки по каналу для идентичного выполнения решений каналов.

Введение третьего преобразователя время - цифра, связанного с третьим датчиком и генератором сетки эталонных частот, необходимо и достаточно для оценки состояния медленно протекающего процесса, например скорость подвижного состава с последующей коррекцией норм критерия блоком принятия решений. При достижении определенной величины скорости, т.е. кода ПЦВ, в блоке критериев переключится норма соответствующего параметра, в частности временного интервала ti и правило определения трапецеидального сигнала по коду уровня сигнала с блока выделения момента sign du/dt, выполненного на базе АЦП по патенту 2024194 RU.

Введение связей блока принятия решений с первым и вторым преобразователями время - цифра, необходимо и достаточно для оценки временных параметров возбуждаемых колебаний случайных процессов в реальном времени по установленным нормам/признакам процесса при сходе вагона.

Введение связи блока критериев с третьим преобразователем время - цифра, необходимо и достаточно для уточнения норм/признаков процесса при сходе вагона по оценке состояния медленно протекающего процесса, например скорость подвижного состава, что снижает вероятность ошибки принимаемого решения из-за большого диапазона первоначально заданной нормы.

Введение соединения блоков выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной соединены с входами блока принятия решений необходимо и достаточно для фиксации результатов оценки текущих данных о случайном процессе в реальном времени по моменту siqn (du/dt) изменения знака первой производной и коррекции результатов ПВЦ по факту большого уровня удара (фиг. 1 с), т. е. насыщения усилителя - трапецеидальный сигнал. В этом случае в качестве реальной величины ₊ принимается сумма интервалов.

Следовательно, совокупность введенных элементов, связей и последовательность выполнения операций обеспечивают достижение поставленной цели - повышение достоверности принятия решения об опознании образа, за счет реализации операции принимают решение по многофакторному критерию.

На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы, на фиг. 2 - структура схемы устройства идентификации схода с рельс вагона подвижного состава.

Устройство фиг.2 содержит модуль 1-го канала в составе последовательного соединения датчика 1, усилителя 4, блока 6 выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной на основе аналого-цифрового преобразователя, формирователь 9 импульсов по фронту и спаду (патент 1409099 RU), преобразователь 14 время - цифра, к которому подключен генератор 8 сетки эталонных частот, блок 16 принятия решений, соединенный с блоком 17 отображения, модуль 2-го канала в составе последовательного соединения второго датчика 2, второго усилителя 4, второго блока 7 выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной на основе второго аналого-цифрового преобразователя, второго формирователя 10 импульсов по фронту и спаду, второго преобразователя 15 время - цифра, к которому подключен генератор 8 сетки эталонных частот, а так же третий преобразователь 13 время - цифра, связанный с третьим датчиком 3, генератором 8 сетки эталонных частот и блоком 12 критериев, блок 16 принятия решений соответствующими входами подключен к первому, второму и третьему преобразователям 14, 15, 13 время - цифра, выходы первого и второго блоков 6, 7 выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной, подключенные к соответствующим формирователям 9, 10 импульсов по фронту и спаду, соединены с третьим и четвертым входами блока 16 принятия решений, вторые выходы первого и второго блоков 6, 7 выделения момента sign (du/dt) изменения знака первой производной соединены с пятым и шестым входами блока 16 принятия решений.

В исходном состоянии и в процессе движения вагона подвижного состава контактом колес с рельсами создаются механические колебания в диапазоне акустических волн, которые представляют (датчик 1, усилитель 4) как напряжение в диапазоне акустических частот по двум каналам "правая-левая колея". Кроме того, вводят критерии временных параметров колебаний сигнала случайного процесса в виде двоичного цифрового кода, количестве колебаний, например 4, допустимыми временными сдвигами между каналами и повторениями случайного процесса в канале, например 3 (блок 12 критериев). В общем случае скорость (фиг. IV) движения состава можно рассматривать как квазистатический процесс во временном масштабе в сравнении с временными характеристиками процесса удар "колесо - стык рельса" (фиг.1). Амплитудно-временные параметры сигналов случайных процессов, определяемых "колесо-стык", "колесо-шпала", являются функцией скорости движения, как источника энергии создаваемых колебаний. В качестве идентификатора скорости принят временной интервал ti (преобразователь 13 временных интервалов), за который колесо выполняет полный оборот фиг. 1v (V2>V1 при соотношении временных интервалов t2<t1), получаемое при помощи датчика 3. Для снижения вероятности ошибки идентификации факта схода вагона подвижного состава при различных скоростях движения из-за увеличения энергии и, как следствие, изменение формы сигнала напряжения, устанавливают адаптивную зависимость допустимых временных интервалов как функцию квазистационарного медленно изменяющегося процесса V (соединение ПЦВ 13 с блоком 12 критериев). В процессе движения описывают двоичным цифровым кодом аргумент (ПЦВ 13, блок 12 критериев) квазистационарного медленно изменяющегося процесса, что необходимо и достаточно для адаптации норм критериев при идентификации случайного процесса, например схода вагона подвижного состава с рельс. Преобразуют (блоки 6, 7) сигнал процесса, для чего выделяют момент sign du/dt изменения знака первой производной в сигнале сообщения и регистрируют координаты ti-t4 временных значений сигнала в момент siqn du/dt фиг. 1. Сравнивают (блок 16 принятия решений) результаты регистрации с нормами (блок 12 критериев) введенных критериев параметров колебаний случайного процесса в виде двоичного цифрового кода. Операция сравнения (блок 16 принятия решений) включает действия подсчета количества (блоки 6, 7) превышения нормы за установленный интервал времени в каждом из каналов и совпадение результатов за установленный интервал времени. Принимают (блок 16 принятия решений) положительное решение при выполнении критериев: текущее значение интервала времени случайного процесса больше заданного, количество повторений за управляемый отрезок времени более заданного при повторении результатов по обоим каналам за установленный интервал времени, что необходимо и достаточно для идентификации факта схода вагона подвижного состава. Отображают (блок 17 отображения) принятое решение, по которому останавливается состав и передается информация по установленному каналу связи на информационный центр.

Действие устройства проверено на макетах, выполненных в основном на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) фирмы Xilinx. Положительный эффект определяется повышением ценности результатов преобразования сигнала случайного процесса до 90...95%. Операцией выделяют момент изменения знака первой производной во временной области без дополнительных систем обработки за счет исключения избыточности данных, при сокращении объема в операции и снижении затрат в задании эталонных образов. Кроме того, данное устройство идентификации снижает поток данных в среднем на 2 порядка. Это особенно важно при сохранении информации о характере состава в течение 3-4 ч, т. к. может быть применена память без подвижного носителя типа магнитной ленты. Апробация показывает: для хранения 4 часовой информации достаточно 2-3 Мбайта памяти, т.е. энергонезависимые микросхемы ОЗУ, серийно выпускаемые ведущими фирмами мира в области вычислительной техники, с объемом до 10 Мбайт. Предварительный прогноз показывает, что набор статистических данных сигналов случайных процессов на конкретном локомотиве может быть положен в основу диагностики его состояния и прогнозировать вероятность отказов ходовой части.

Результаты апробации вариантов предлагаемого изобретения подтвердили работоспособность и эффективность для применения в областях: кардиологии, неврологии, опознании речевых сигналов. Для апробации в кардиологии использовался ЭКС, который восстанавливался на мониторе ПЭВМ, а по формуле Баевского вычислялись ритмы в биопотенциалах полушарий головного мозга, идентифицирующие состояние пациента. Реальное время диагностики составляло единицы минут против 1 ч. Расчетные данные позволяют прогнозировать разработку электронного стетоскопа, что повысит эффективность терапевтов и педиатров при диагностике заболевания органов дыхания и исключит облучение из-за флюорографии.

Совокупность элементов и связей обеспечивает возможность представления образа в амплитудно-временной области, что упрощает техническое исполнение, отсутствие частотно-зависимых элементов позволяет реализовать устройство в микроэлектронном исполнении, сокращая физический объем в 4-5 раз в сравнении с существующим, улучшение габаритно-весовых характеристик - исключается электро-механическое устройство, снижается энергоемкость источника питания.