Admin

Перспективы развития волоконно-оптических систем измерений

КУКУШКИН Сергей Сергеевич,
АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», Центр роботизации технологических процессов, главный научный сотрудник отдела научно-исследовательской работы, профессор, д-р техн, наук, заслуженный изобретатель РСФСР, Москва, Россия
БЕЛОВ Алексей Николаевич, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», Центр роботизации технологических процессов, ведущий научный сотрудник отдела технологического обеспечения и робототехники, канд. техн, наук, Москва, Россия

Ключевые слова: волоконно-оптические технологии, распределенные и точечные измерения, проблемы и методы разрешения противоречий распределенных и точечных измерений, комплексирование различных источников измерительной информации, обеспечение совмещения функций измерений и передачи сигналов
Аннотация. Статья посвящена исследованиям в области распределенных и точечных волоконно-оптических измерений (РВОИ и ТВОИ). Представлены результаты этих исследований. Показаны направления разрешения проблем, связанных с одновременным использованием различных возможностей волоконно-оптической техники (ВОТ) для поиска наиболее продуктивных методов и технологий комплексирования антагонистических функций передачи диагностической информации на основе волоконно-оптических линий связи.

Волоконно-оптический кабель (ВОК), проложенный вдоль железнодорожного пути и используемый в качестве основы построения распределенных волоконно-оптических датчиков (РВОД), обладает высокой чувствительностью к виброакустическим воздействиям, возникающим в процессе взаимодействия колесных пар и рельсов при прохождении поезда.

Однако наряду с высокой точностью измерений имеются и недостатки. Чувствительность ВОК становится помехой при совмещенной передаче информации в режиме ВОЛС и системы волоконно-оптических измерений (ВОИ). Этим вызвано появление различных требований к ВОК. В первом случае его нужно прокладывать как можно ближе к источнику виброакустиче-ского воздействия для повышения чувствительности распределенных волоконно-оптических датчиков. Во втором - наоборот, как можно дальше для уменьшения помех при передаче информации.
Современные технологии предполагают прокладку ВОК в трубах,
которые вставляют в технологические отверстия рельсошпальной решетки (РШР) или приклеивают к подошве рельсов. Такие технологии обеспечивают минимум затрат на прокладку ВОК. При этом значительно увеличивается уровень виброакустических помех, оказывающих негативное влияние на показатели эффективности функционирования ВОЛС, и, как результат, на качество получаемой информации. Кроме этого, не представляется возможным повышение точности ВОИ на основе инновационной технологии «механических» маркеров [1,2].
В случае прокладки волоконно-оптического кабеля в трубах РШР или при приклеивании его к подошве рельсов повысить точность распределенных ВОИ можно за счет учета при рефлектометрии волновой теории акустических воздействий проходящего поезда на распределенный чувствительный элемент (ЧЭ).


Техническое решение состоит в подключении в установленных местах к определенным оптиче
ским волокнам (ОВ) магистрального ВОК катушек, собранных из петель. При этом для обеспечения привязки результатов распределенных ВОИ к цифровой карте движения поездов места размещения катушек из ВОК совмещают с элементами инфраструктуры железной дороги, которые имеют точную геодезическую привязку. Отличительная особенность предлагаемых в статье инноваций заключается в возможности их совместного использования, благодаря чему обеспечивается существенное увеличение показателей эффективности ВОИ.
Интерес к применению волоконно-оптических технологий год от года повышается. Так, в АО «НИИАС» для решения актуальных проблем обеспечения безопасности движения активно развивается перспективная система «АНАКОНДА». Рассматриваются предложения, использование которых в ОАО «РЖД» способствует совершенствованию существующих технологий определения местоположения подвижных составов (ПС), их целостности, скорости и направления движения на основе распределенных волоконно-оптических измерений (РВОИ). Их отличительная особенность заключается в возможности значительного повышения показателей точности и достоверности получаемых результатов РВОИ, а также в предложениях по обеспечению комплексирования этих результатов с данными позиционирования ПС, которые получают на основе сигналов спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС [1].
Одно из инновационных решений проблемы повышения точности ВОИ основано на предлагаемом дополнении к существующей метрологии. Оно связано с такими негативными эффектами, проявляющимися при использовании РВОИ, как волновое виброакустическое и сейсмическое воздействия на измеритель, оказываемые движущимся ПС.
Универсальная модель измерений в метрологии ассоциируется с весами. Например, на одну чашу кладут предмет, подлежащий исследованию, на противоположную - последовательно на основе оптимального алгоритма устанавливают определенный набор гирь, добиваясь при этом эффекта уравновешивания весов. Время, которое необходимо затратить на эту процедуру, как правило, не ограничивают. Эта модель составляет основу проведения последовательности измерений одного воздействия. Она достаточно хорошо работает при обеспечении точечных измерений.

В рассматриваемом случае, применительно к местоположению ПС, единичное воздействие определяется, например, ударом одной колесной пары на стыке рельсов, который находится в зоне чувствительности точечного датчика. Однако в подвижном составе множество колесных пар взаимодействуют с рельсами. При прохождении ими стыков рельсов создаются виброакустические и сейсмические волны. Энергия волн с разными фазовыми характеристиками хаотически складывается и вычитается при их распространении. По этой причине волоконно-оптические измерения размываются, в них появляется дополнительная неопределенность, препятствующая повышению показателей точности и достоверности. Это хорошо видно на рис. 1, где представлены результаты обработки рефлекто-граммы с использованием одного из наиболее эффективных существующих способов фильтрации. Цель фильтрации - повысить отношение сигнал/шум при обработке данных, формируемых рефлектометром,
Однако, как следует из рис. 1, задача ВОИ, заключающаяся в подсчете количества колесных пар и числа самих вагонов для определения длины и целостности ПС, не может быть решена. Основная причина заключается в разрушающем воздействии на получаемые результаты РВОИ волновой теории распространения виброакустиче-ских и сейсмических воздействий.
Наиболее сильно это проявляется в месте, совпадающем с серединой подвижного состава, когда мощность негативного влияния на данные РВОИ групповой виброакустической и сейсмической волны (ГВАСВ), создаваемой движущимся поездом, наибольшая. Эта область обведена красным цветом (см. рис. 1). При этом, чем дальше анализируемые фрагменты рефлектограммы отстоят от центра ПС, тем меньше проявляется разрушающее действие ГВАСВ.

К такой реальности приходится приспосабливаться, и эту особенность фильтрации пытаются даже использовать. Ее применение способствует уменьшению погрешностей РВОИ, которые вызваны эффектом последействия. Он проявляется, в том, что чувствительный элемент, которым является ВОК, проложенный вдоль железнодорожного пути, фиксирует присутствие ПС, когда он только приближается к контролируемому участку измерений или уже вышел за его пределы. Тогда повышенная (из-за ослабления мощности негативного влияния ГВАСВ на результаты РВОИ) надежность подсчета первых и последних колесных пар позволяет повысить точность позиционирования начала и конца ПС.

В настоящее время основной способ уменьшения отмеченной неопределенности РВОИ заключается в ее предыскажении ГВАСВ. С этой целью предлагается использовать «механический» маркер. Его основное преимущество в простоте реализации.
Эксперимент по снижению негативного влияния ГВАСВ на показатели точности и достоверности результатов ВОИ заключался в следующем. ВОК, проложенный в насыпи вдоль железнодорожного пути, был откопан, а его оболочка прикручена проволокой к железному пруту заземления, соединяющего рельс с мачтой системы электропитания ПС.
Первоначальный вариант и результат применения простого способа борьбы с негативным влиянием ГВАСВ приведены на рис. 2 (до ее предыскажения на основе эффекта «механического» маркера) и на рис. 3 (после операции предыскажения). В результате последующего использования алгоритмов обработки получают когнитивный знаниепорождающий график (КЗПГ) и результаты ВОИ, которые не уступают по точности данным определения местоположения и скорости движения ПС на основе сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС.
Изменения графика КЗПГ, который является основой предлагаемой технологии мониторинга результатов РВОИ, показаны на рис. 4. Этот график при существующей технологии обработки данных рефлектометром, так называемый водопад, представлен на рис. 4, а. Задача заключается в том, чтобы его модернизировать и сделать еще более содержательным и выразительным.
По оси ординат модернизированного КЗПГ отложены значения интервалов времени между прохождением головы и хвоста поезда. На оси абсцисс показано, как они меняются с течением времени. Использование КЗПГ в таком преобразованном виде существенно упрощает анализ и интерпретацию результатов определения длины ПС и его целостности.

На приведенных примерах рассмотрены случаи равномерного движения поезда по направлению к месту расположения рефлектометра (см. рис. 2-4). При этом КЗПГ (см. рис. 3 и 4) отличаются тем, что ПС движется в противоположных направлениях и с разными скоростями. Они представлены сигналами, которые получены в одном из вертикальных (временных) сечений КЗПГ. Реф-лектограммы дают возможность оценить изменения значений интенсивности отраженного (обратного) оптического излучения,которые получают из исходных данных, формируемых рефлектометром. Также одна из особенностей КЗПГ заключается в том, что сигналы исходных рефлектограмм по сравнению с «водопадом» уже прошли предварительную обработку.
КЗПГ (см. рис. 3 и 4, б) построены после обработки данных, формируемых рефлектометром, с использованием алгоритмов адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ). В результате этого были устранены грубые (аномальные) ошибки. При этом сам КЗПГ, появившийся при модернизации «водопада» целенаправленно был превращен в метрологический инструмент, который в дальнейшем стал основой для получения новых знаний и выявления скрытых закономерностей, сопровождающих ВОИ.
Таким образом, в разработанной прикладной теории появилась возможность более продуктивного использования принципов формирования «водопада» для построения систем ВОИ с элементами адаптации и искусственного интеллекта. В этом заключается научное и прикладное значение КЗПГ, существенно изменившее прежнюю технологию анализа результатов ВОИ.


На рефлектограмме, представляющей собой одно из вертикальных сечений КЗПГ (см. нижнюю часть рис. 4, а, б), можно заметить, что в новом модернизированном ее варианте (см. рис. 4, б) существенно повышены соотношения сигнал/шум и сигнал/помеха по сравнению с тем, что было ранее. Эффект проявляется в существенном уменьшении числа сглаженных выбросов амплитуд сигнала рефлектометра. Благодаря этому значительно уменьшается неточность в определении длины ПС (рис. 4, в). Это показано вертикальными пунктирными линиями, связывающими в единое целое иллюстрации, приведенные на рис. 4 б, в. При этом построение рефлектограмм не имеет принципиальных отличий от существующей традиционной практики РВОИ. По оси ординат отложены значения амплитуд отраженного оптического сигнала, интенсивность которых меняется за время прохождения ПС, по оси абсцисс - значения числа к осредненных рефлектограмм, формируемых в рефлектометре с высокой частотой опроса, например, foncp = 100 осредненных рефлектограмм за одну секунду.
Применение предлагаемых инновационных технологий значительно отличает графики от того, что дает рефлектометр в виде «водопада». При равномерном движении ПС линии, характеризующие движение его головы и хвоста, аппроксимируются прямыми линиями. При этом точность такого представления стала настолько высокой, что можно заметить некоторые закономерности, связанные с незначительными отличиями углов наклона прямых. При приближении к рефлектометру они едва заметно сходятся, а при удалении от него, наоборот, расходятся. Кроме того, результаты исследований выявили значительное повышение показателей помехозащищенности РВОИ.
Эффект, который проявляется при построении рефлектограмм в случае использования предлагаемой технологии предыскажения ГВАСВ, представлен на рис. 5. При этом существенно уменьшается неопределенность идентификации, которая связана с высокой чувствительностью ВОК, проложенного вдоль железнодорожного пути, к воздействиям приближающегося и удаляющегося поезда (рис. 5, а). Импульсный сигнал реф-лектограммы при появлении ПС из-за существенного повышения энергии воздействий при использовании предыскажения ГВАСВ отрывается от своего исходного пьедестала в виде «нулевого уровня» и приподнимается на эквивалентное значение условной величины, равной 0,5 • 1015 (рис. 5, б). Считая количество минимумов в графике импульсных откликов, появившихся в результате отрыва от «нулевого уровня» при использовании предыскажения ГВАСВ, можно с повышенной точностью определить количество вагонов электропоезда.

Кроме этого, устраняются многие недостатки существующего способа определения местоположения ПС с использованием сигналов СРНС. Так, с их помощью невозможно определить пути, на которых находятся встречные поезда. Также сигналы СРНС характеризуются низкими показателями помехозащищенности, возможностью преднамеренных их искажений и сбоями, например, при нахождении ПС в местах плотной городской застройки, в условиях их экранирования инженерными сооружениями железнодорожной инфраструктуры, а также в тоннелях.
При использовании ВОК, который был проложен вдоль железнодорожного пути и предназначался для передачи информации в режиме ВОЛО, может быть обеспечен надежный контроль безопасности движения встречных поездов с расширенными возможностями в части определения их длины, целостности, скоростей и направлений движения (рис. 6). Этому также способствует предлагаемая технология построения КЗПГ. При этом скорости определяются как отношение длины участков L, на которых производят измерения, ко времени АТ, за которое поезд их проходит: v - L/АТ. Их характеристикой становятся значения котангенсов углов а1 и Щ: ctg а1 ийдЩ.
Однако разработанная технология «механического» маркера не работает, если ВОК находится не в насыпи вдоль железнодорожного пути, а приклеен к подошве рельсов, или проложен в трубах, которые вставляют в технологические отверстия посредине рельсошпальной решетки (РШР). Для этого случая разработан и применяется в существующей практике ВОИ «волоконно-оптический» маркер. Его основу составляют петли, собранные в бухту из того же ВОК и подключенные через оптические коммутаторы к выделенным оптическим волокнам магистральной волоконно-оптической линии, распределенного ВОД. Бухты из ВОК, представляющие собой волоконно-оптический сенсор (ВОС), выполняют также функцию определения дефектов колесных пар (рис. 7). Так, колесо (1) с ползуном на поверхности его катания (2), производит во время движения ударное воздействие на рельс (3). Оно вызывает распространение ГВАСВ (4). Сейсмическая волна (6), распространяющаяся в грунте, оказывает воздействие на ВОС (5). Из-за наличия дефекта колеса в виде ползуна его воздействие на рельс будет наибольшим на участке ВОС «7.5», совпадающим с местом нанесения удара ползуном «6.1», что подтверждается сигналом на КЗПГ (8), формируемом на выходе рефлектометра. На нем видно наличие значительного возмущения в момент времени t, обозначенном как событие «7.5».



При этом также видна работа распределенного ВОД, на основе данных которого можно определить направление движения, оценить скорость и длину ПС. Эта часть когнитивного графика (см. рис. 7) заключена между воображаемыми прямыми, характеризующими движение головы и хвоста поезда.
С точки зрения повышения показателей точности и достоверности ВОИ такой эффект похож на «механический» маркер. Исходя из этого, способ предыскажения ГВАСВ с привязкой усиленной его составляющей к цифровой карте железной дороги можно назвать «волоконно-оптическим» маркером. С другой стороны такое решение оказывается полезным с точки зрения определения дефектов рельсов и колес.
Таким образом, включение в существующую систему ВОИ петлевых ВОД сопровождается не только усилением одной из составляющих ГВАСВ, благодаря чему повышаются показатели точности и достоверности распределенных измерений. Появляется возможность построения системы диагностирования и выявления дефектов за счет энергии воздействий проходящего поезда на рельсы. Также при предлагаемом техническом решении обеспечивается возможность расширения изменения пространственного разрешения наблюдаемого события в петлевом датчике.

В заключение отметим, что многие явления, связанные с обеспечением ВОИ и ранее не наблюдаемые, стали таковыми благодаря разработанной технологии построения когнитивных знаниепорождающих графиков. То, что происходит в магистральной линии распределенного ВОИ и в точечном петлевом ВОС, стало очевидным. Благодаря этому информационно-аналитическое обеспечение ВОИ было существенно обогащено и расширено. Решению проблем передачи информации по выделенным ОВ в магистральной линии ВОК должно способствовать применение разработанных инновационных технологий передачи информации [3, 4]. В целом это способствует развитию технологий искусственного интеллекта в таком сложном прикладном его применении, как обеспечение безопасности железнодорожного движения.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Кукушкин С.С., Кудюкин В.В., Хакиев З.Б., Белов А.Н. Перспективы развития методов позиционирования поездов на основе волоконно-оптических измерений // Автоматика, связь, информатика. 2024. Na 2. С. 14-18. DOI: 10.34649/АТ.2024.2.2.002.
2. Кукушкин С.С., Кудюкин В.В., Белов А.Н. Инновационные технологии обеспечения безопасности движения на основе оптоволоконной сенсорики // Автоматика, связь, информатика. 2021. Na 11. С. 43-46. DOI: 10.34649/ АТ.2021.11.11.010.
3. Кукушкин С.С. Теоретические основы разработки инновационных технологий передачи данных//Автоматика, связь, информатика. 2022. Ne 4. С. 17-20. DOI: 10.34649/АТ.2022.4.4.004.
4. Кукушкин С.С. Передача данных с использованием замещающего троичного кодирования // Автоматика, связь, информатика. 2022. Na 9. С. 16-19. DOI: 10.34649/АТ.2022.9.9.003

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК