способ идентификации схода вагона подвижного состава с рельс

Формула изобретения

Способ идентификации схода с рельс вагона подвижного состава, при котором механические колебания в диапазоне акустических волн, создаваемые контактом колес с рельсами при движении вагона подвижного состава, представляют как сигнал в диапазоне акустических частот по двум каналам "левая и правая колея", отличающийся тем, что вводят критерии в виде норм временных параметров колебаний указанного сигнала случайного процесса в двух каналах в двоично-цифровом коде, количества колебаний, допустимых временных сдвигов между сигналами случайного процесса по каналам и повторений случайного процесса в канале, регистрируют координаты временных значений сигнала в моменты sign (du/dt) изменения знака первой производной, описывающей указанный сигнал функции, определяют интервалы времени между моментами sign (du/dt), сравнивают текущие значения временного интервала с заданной нормой по каждому каналу и, если текущее значение временного интервала находится в пределах заданного, а количество повторений результатов по обоим каналам за установленный интервал времени не менее заданного, идентифицируют факт схода вагона подвижного состава, при этом устанавливают адаптивную зависимость допустимых временных интервалов как функцию квазистационарного медленно изменяющегося процесса, характеризующего скорость подвижного состава, для коррекции критериев по величине скорости.

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, медицинской технике и кодовых системах.

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

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

Известен способ обработки речевого сигнала в системе верификации диктора (Рабинер Л. Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов. М., Радио и связь, 1981, рис.9.12, с.445), заключающийся в формировании последовательности отсчетов, выделении конечных точек, фильтрации низких частот, детектировании основного тона, измерении энергии, анализе на основе линейного предсказателя, формантном анализе, хранении (запоминании) образов, динамическом искажении времени по отношению к зарегистрированному образу, вычислении метрики.

Недостаток способа - 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.

Известен способ преобразования сигнала случайного процесса (Микрокомпьютерные медицинские системы, под редакцией У. Томпкинса, Д. Уэбстера, М., Мир, 1983, с.478-480), заключающийся в том, что запоминают первую считанную точку и принимают ее как исходную Х₀. По критерию (X₂-X₁) и (Х₁-Х₀) определяют знаки наклона двух отрезков и их произведений. Если произведение меньше нуля, запоминают значение "X₁", если больше или равно нулю, то значение Х₂. Процесс повторяется.

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

Прототипом способа идентификации схода с рельс вагона подвижного состава является способ идентификации сигнала случайного процесса по патенту РФ 2097917, G 01 R, заключающийся в совокупности операций: запоминают образы, принимают решение об опознании или отклонении абонента, задают допустимое количество отклонений от запомненного образа, задают координаты образов в виде амплитудно-временных величин, преобразуют сигнал, для чего выделяют момент изменения знака первой производной в сигнале сообщения и регистрируют координаты амплитудно-временных значений сигнала в данный момент, сравнивают результаты регистрации с запомненными образами, визуально отображают принятое решение по результатам сравнения с учетом заданного количества отклонений.

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

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение достоверности принятия решения об опознании образа построением операции принимают решение по многоуровневому критерию.

Технический результат достигается тем, что в способ идентификации схода с рельс вагона подвижного состава, при котором механические колебания в диапазоне акустических волн, создаваемые контактом колес с рельсами при движении вагона подвижного состава, представляют как сигнал в диапазоне акустических частот по каналам "левая и правая колея", дополнительно вводят критерии в виде норм временных параметров колебаний указанного сигнала случайного процесса в двух каналах в двоично-цифровом коде, количества колебаний, допустимых временных сдвигов между сигналами случайного процесса по каналам и повторений случайного процесса в канале, регистрируют координаты временных значений сигнала в моменты sign (du/dt) изменения знака первой производной, описывающей указанный сигнал функции, определяют интервалы времени между моментами sign (du/dt), сравнивают текущие значения временного интервала с заданной нормой по каждому каналу, и, если текущее значение временного интервала находится в пределах заданного, а количество повторений результатов по обоим каналам за установленный интервал времени не менее заданного, идентифицируют факт схода вагона подвижного состава, при этом устанавливают адаптивную зависимость допустимых временных интервалов как функцию квазистационарного, медленно изменяющегося процесса, характеризующего скорость подвижного состава, для коррекции критериев по величине скорости.

Введение операции представляют случайный процесс в виде колебаний двух разнесенных каналов необходимо и достаточно для получения информационно ценных данных о процессе известными способами, например способ преобразования сигнала случайного процесса по патенту 2072563, G 01 R, RU. Совокупность положительных качеств - высокая информационная ценность и малая избыточность данных - повышает достоверность результатов при применении простых действий, что упрощает техническую реализацию. Простота применяемых операций, их реализации при работе с используемой формой описания сигналов и повышение достоверности о сигналах случайных процессов расширяет область применения способа.

Введение операции описывают сигналы случайного процесса обоих каналов двоичным цифровым кодом разновременностями между моментами sign (du/dt) изменения знака первой производной, в которые сравнивают текущие значения временного интервала с заданной нормой по каждому каналу, необходимо и достаточно для адаптации норм критериев идентификации случайного процесса, например, сход вагона подвижного состава с рельс, в частности, к скорости движения. Скорость движения состава является одним из основных источников энергии сигналов случайного процесса, как результат удара колеса о стык рельс или о шпалы при сходе вагона, соответственно и параметров сигналов - амплитуда, длительность фронтов/спадов. Коррекция норм критериев по величине скорости снижает вероятность ошибки идентификации факта схода, т.к. уменьшается диапазон временного интервала - признак внештатной ситуации. Меньший контролируемый диапазон можно преобразовать с большой точностью, следовательно, и с большей надежностью. Дублирование результатов контроля, как известно, повышает надежность контроля Р_к= 1-Р² _ош, где Р_ош - вероятность ошибки по каналу для идентичного выполнения решений каналов.

Введение операции вводят критерии в форме норм параметров колебаний процесса в форме двоичного цифрового кода, количестве колебаний сигнала случайного процесса, допустимыми временными сдвигами между сигналами случайного процесса по каналам и повторениями случайных процессов в канале, необходимо и достаточно для снижения вероятности ошибки опознания факта схода вагона подвижного состава. Случайное искажение, например количество колебаний в одном канале меньше заданной нормы, но при наличии остальных признаков может быть исключено при принятии решения. Например, в зависимости от состояния шпалы, насыпи могут быть уменьшены длительности сигналов t₁-t₄ фиг.1 (в виду недостаточной статистики), но выполнение остальных - совпадение по каналам, их количество, повторяемость данных по обоим каналам через установленное время, т.е. контакт колеса со шпалами, позволяет принять решение о факте схода.

Введение операции устанавливают адаптацию норм временных интервалов как функцию квазистационарного медленно изменяющегося процесса, необходимо и достаточно для повышения достоверности опознания факта схода вагона для различных значений скорости движения состава, т.к. при большей скорости сокращается межшпальный интервал времени возникновения колебаний от удара колеса, увеличивается амплитуда колебаний и уменьшается длительность фронта/спада колебаний.

Следовательно, совокупность введенных операций и последовательность их выполнения обеспечивает достижение поставленного технического результата - повышение достоверности опознания образа за счет многофакторного критерия при построении операции принимают решение.

На фиг.1 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм способа, на фиг.2 - вариант структурной схемы устройства идентификации схода с рельсов вагона подвижного состава.

Устройство фиг. 2, как вариант идентификации факта схода вагона подвижного состава, содержит последовательное соединение 3-осного датчика 1, блока 2 выделения моментов sign (du/dt) изменения знака первой производной на основе аналого-цифрового преобразователя (патент 2024194, Н 03 М, RU), блок преобразователей 3 время - цифра, к которым подключен генератор 4 сетки эталонных частот, блок 5 критериев, блок 6 принятия решений соответствующими входами подключен к преобразователю 3 время - цифра и блоку 2 выделения моментов sign (du/dt) изменения знака первой производной, а выход - к блоку 7 отображения.

Способ идентификации сигнала (для примера сход вагона подвижного состава с рельс) осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии вводят многофакторный критерий временных параметров колебаний сигнала случайного процесса в виде двоичного цифрового кода, количество колебаний, например, допустимыми временными сдвигами между осями/каналами и повторения случайного процесса в канале, например, 3 (блок 6 критериев). Контакт колес с рельсами при движении вагона подвижного состава создает механические колебания в диапазоне акустических волн, которые представляют (датчики 1) как напряжение в диапазоне акустических частот по двум каналам "правая - левая колея". В общем случае скорость V (фиг.1) движения состава можно рассматривать как квазистатический процесс во временном масштабе в сравнении с временными характеристиками сигнала ударного процесса "колесо-стык рельса" (фиг.1). Амплитудно-временные параметры сигналов случайных процессов, определяемых ударным контактом "колесо - стык", "колесо-шпала", являются функцией скорости движения, массы вагона, характеристик материалов как источника энергии создаваемых колебаний. В качестве идентификатора величины скорости принят временной интервал t₁ (преобразователь 2 интервалов времени), за который колесо выполняет полный оборот фиг.1 (V2>V1 при соотношении временных интервалов t₂<t (одна из осей датчика 1). Для снижения вероятности ошибки идентификации факта схода вагона подвижного вагона 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 блоков 2, 3 с блоком 5 критериев). В процессе движения описывают двоичным цифровым кодом аргумент (ПЦВ 2, блок 5 критериев) квазистационарного медленно изменяющегося процесса, что необходимо и достаточно для адаптации норм критериев для идентификации случайного процесса, например сход вагона подвижного состава с рельс. Преобразуют (блоки 2, 3) сигнал процесса, выделяя (блок 3) момент sign du/dt изменения знака первой производной в сигнале сообщения, и регистрируют координаты ₁-t₄ временных значений сигнала в момент sign du/dt фиг.1. Сравнивают (блок 6 принятия решений) результаты регистрации с нормами (блок 5 критериев) введенных критериев параметров колебаний случайного процесса в виде двоичного цифрового кода. Операция сравнения (блок 6 принятия решений) включает действия подсчета количества превышения нормы за установленный интервал времени в каждом из каналов и совпадение результатов за установленный интервал времени. Положительное решение принимают (блок 6 принятия решений) при выполнении критериев: текущее значение интервала времени случайного процесса в пределах заданного, количество повторений за управляемый отрезок времени не менее заданного при повторении результатов по обоим каналам за установленный интервал времени, что необходимо и достаточно для идентификации факта схода вагона подвижного состава. Отображают (блок 7 отображения) принятое решение, по которому останавливается состав и передается информация по установленному каналу связи на информационный центр.

Действие способа 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 при исключении избыточности данных, сокращении объема в операции регистрируют и снижении затрат в задании эталонных образов. Реализация хранения образов является самой дорогой. Кроме того, данный способ идентификации снижает поток данных в среднем на 2 порядка. Это особенно важно при сохранении информации о характере движения состава в течение 3-4 часов, т.к. может быть применена память без подвижного носителя типа магнитной ленты. Апробация показывает: для хранения 4-часовой информации достаточно 2-3 МБ памяти, т.е. энергонезависимые микросхемы ОЗУ, серийно выпускаемые ведущими фирмами мира в области вычислительной техники, с объемом до 10 МБ. Предварительный прогноз показывает - набор статистических данных случайных процессов на конкретном локомотиве может быть положен в основу диагностики его состояния и прогнозировать вероятные отказы ходовой части.

Результаты апробации вариантов предлагаемого изобретения подтвердили работоспособность и эффективность применения в областях: кардиологии, неврологии, кузнечно-прессовых производствах, опознании речевых сигналов. Для апробации в кардиологии использовался ЭКС, который восстанавливался на мониторе ПЭВМ, а по формуле Баевского вычислялись индексы с последующей диагностикой в неврологии - выделялись ритмы в биопотенциалах полушарий головного мозга, идентифицирующие состояние пациента. Реальное время диагностики составляло единицы минуты против 1 ч. Оценка эффективности для кузнечно-прессового производства, основанного на ударных производствах, проводилась сравнением силы и формы удара получаемого и эталонных значений сигнала для данного материала. Данные об ударе позволяют при необходимости вносить коррекцию в настройку оборудования, что снижает брак в производстве. Расчетные данные позволяют прогнозировать разработку электронного стетоскопа, что повысит эффективность терапевтов и педиатров при диагностике заболевания органов дыхания людей и исключит облучение из-за флюорографии.

Совокупность операций, элементов и связей, реализующих их, обеспечивает: возможность представления образа в амплитудно-временной области, что упрощает схемотехническое исполнение, отсутствие частотно-зависимых элементов позволяет реализовать устройство в микроэлектронном исполнении, что сокращает физический объем в 4-5 раз в сравнении с существующим, улучшение габаритно-весовых характеристик - исключается электромеханическое устройство, снижается энергоемкость источника питания; многофакторный критерий (2 канала, диапазон временных интервалов, количество повторений) позволяет получить достоверность идентификации факта схода вагона порядка 0,999.