[02-2024] Перспективы развития методов позиционирования поездов на основе волоконно-оптических измерений

[Admin]

Перспективы развития методов позиционирования поездов на основе волоконно-оптических измерений

ХАКИЕВ Зелимхан Багауддинович, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», Центр роботизации технологических процессов, заместитель начальника, канд. техн, наук, 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
КУКУШКИН Сергей Сергеевич, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», Центр роботизации
КУДЮКИН Владимир Валерьевич, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железтехнологических процессов, нодорожном транспорте», главный научный сотрудник заместитель генерального отдела научно-исследовательской директора, Москва, Россия работы, д-р техн, наук, профессор, заслуженный изобретатель РСФСР, Москва, Россия

Ключевые слова: позиционирование поездов, интервальная система обеспечения безопасности, рефлектометрия, волновая теория сейсмоакустических воздействий, помехозащищенность, точность и достоверность оценок
Аннотация. В статье рассмотрены современные технологии позиционирования поездов, позволяющие определять их местоположение, целостность, скорость и направление движения. На основе проведенного анализа показаны ограниченные возможности существующих методов и обоснована необходимость использования новых резервов для решения актуальных задач обеспечения безопасности железнодорожного движения. Предложено дополнение к методам и технологиям позиционирования поездов на основе волоконно-оптических измерений с использованием волоконно-оптического кабеля, проложенного вдоль железнодорожного пути и используемого в качестве распределенного чувствительного элемента. Проведенные исследования относятся к оптическим сигналам, формируемым рефлектометром, а также к разработанным методам и технологиям повышения помехозащищенности волоконно-оптических измерений. Показаны новые возможности совершенствования распределенных волоконно-оптических измерений и обеспечения выполнения требований, предъявляемых к безопасности движения.

■ При оказании транспортно-логистических услуг ОАО «РЖД» сталкивается с потребностью создания дополнительного резерва пропускных и перевозочных способностей железнодорожной инфраструктуры для обеспечения заявляемого потока грузовых и пассажирских перевозок, обладающего постоянной тенденцией роста [1]. Одна из таких возможностей заключается в переходе на инновационную технологию интервального регулирования движения, когда допустимое расстояние между движущимися подвижными составами соответствует тройному значению тормозного пути следующего поезда [1].
Для перехода на эту технологию необходимо иметь высокоточную и достоверную информацию о позиционировании подвижного состава (ПС). Существующие методы, относящиеся к получению такого вида информации, были ограничены применением сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), систем инерциальной навигации, колесной, а также визуальной, радарной и лидарной одометрии. Каждый из перечисленных источников информации обладает не только преимуществами, но и недостатками [2].
Наиболее совершенная система позиционирование ПС на основе сигналов ГНСС имеет некоторые ограничения. Так, из-за высокого уровня электромагнитных помех не обеспечен одновременный прием сигналов от шести и более навигационных космических аппаратов (НКА); невозможно получение навигационной информации в тоннелях; неудовлетворительные показатели точности и достоверности данных в условиях плотной застройки железнодорожной и примыкающей к ней городской инфраструктуры, при экранировании приема сигналов мостами, эстакадами и другими инженерными сооружениями. В результате не обеспечивается не только требуемая точность определения длины и целостности ПС, но и расстояния до объектов пути и инфраструктуры, а также идентификация пути, на котором находится состав. Многие из перечисленных недостатков обусловлены специфическими особенностями спутниковых навигационных систем.
Сегодня возникает необходимость поиска новых методов и разработке на их основе инновационных технологий, применение которых позволит обеспечить получение навигационных параметров ПС с требуемыми показателями точности, достоверности и надежности их позиционирования. Решение такой задачи может быть основано на применении реф-лектометрии, когда волоконно-оптический кабель, проложенный на определенном расстоянии от пути и на заданной глубине, используется в качестве распределенного чувствительного элемента (ЧЭ) [3-7].

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают [3-5], что использование распределенных волоконно-оптических датчиков (ВОД), обладающих высокой чувствительностью к сейсмоаку-стическим воздействиям, является одним из перспективных направлений развития автоматизированных систем мониторинга (АСМ) различного назначения. Их преимущество заключается в возможности замены тысячи точечных извещателей, датчиков и сенсоров (далее датчиков), благодаря чему становится реализуемой идея расширения показателей глобальности позиционирования ПС и организации различных видов мониторинга. Это может быть контроль технического состояния (ТС) поездов, рельсов, железнодорожной инфраструктуры, основу которого составляет использование наземных источников информации.
Ранее это направление не рассматривалось, а понятие о «глобальности» мониторинга было связано с применением космических средств. В настоящее время в ОАО «РЖД» проложено более 40 тыс. км волоконно-оптических кабелей (ВОК), поэтому создаваемая на основе распределенных волоконно-оптических датчиков автоматизированная система мониторинга железнодорожного транспорта приобретает черты глобальной системы. Она может составить основу
наземной расширенной АСМ более высокого уровня, когда полученные данные могут быть использованы для прогнозирования и предотвращения нештатных и аварийных ситуаций, а также природных и техногенных катастроф. Последняя задача становится все более актуальной в связи с быстрым изменением климата и ростом угроз диверсий.

Особенность АСМ заключается в том, что разработанные методы и технологии можно использовать по двойному назначению (для передачи информации на большие расстояния и сбора результатов отточенных датчиков; для осуществления распределенных измерений на расстоянии до 50 км при работе с одним рефлектометром).
Сложность реализации новых идей, основанных на рефлектометрии, связана с большим числом недостатков при реализации распределенных методов волоконно-оптических измерений (БОИ). Основным недостатком является крайне низкая помехозащищенность получаемых измерений. Об этом, например, свидетельствует когнитивная (знаниепорождающая) графика сигналов, формируемых рефлектометром [5].
Основополагающие принципы ее формирования проиллюстрированы на рис. 1, где представлено изменение исходного сигнала рефлектометра при воздействии, оказываемом проходящим электропоездом. Основу построения когнитивной графики составляет большое число используемых данных БОИ (более 1250 отсчетов в секунду). При этом каждое ее временное сечение, называемое рефлектограм-мой, представленное в виде временной последовательности откликов ВОД на сейсмоакустическое воздействие, воспринимается как одна реализация измерения длины движущегося железнодорожного подвижного состава. Таких значений много, и они в условиях помех представляют собой случайные величины (СВ), совокупность которых образует статистическую выборку. При этом неопределенность результатов БОИ становится чрезвычайно большой по отношению к допустимым значениям.
Научная задача в новой постановке заключается в уменьшении этой неопределенности. Кроме того, необходимо учитывать, что традиционные методы решения, составляющие основу борьбы с помехами в условиях большого числа воздействий на ВОД, оказываются малоэффективными. Об этом свидетельствует применение методов обработки результатов, которые реализованы в наиболее известной системе распределенных волоконно-оптических измерений «Анаконда» [6, 7].

Расширить возможности БОИ может предлагаемая система обработки сигнала, выдаваемого рефлектометром, при использовании прикладных методов обработки формируемых им сигналов [3-5]. Тот же сигнал рефлектометра в виде когнитивной графики после дополнительной его обработки с использованием разработанного метода адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ) представлен на рис. 2. Рефлекто-грамма сигнала, которая получена при использовании метода АНФ, приведена на рис. 3. Из сравнения когнитивных графиков (см. рис. 1, 2) следует, что в результате применения алгоритмов АНФ существенно повышаются показатели помехозащищенности волоконно-оптических измерений.
В результате дополнительной обработки формируемого рефлектометром сигнала значительно повышаются соотношения сигнал/шум и сигнал/помеха. Это приводит к увеличению других показателей эффективности ВОИ, включая устойчивость, точность и достоверность информации. Такая возможность обеспечена использованием новых прикладных методов математической обработки сигналов, формируемых при волоконно-оптических измерениях [3-5, 8-10].
Известно, что классическая метрология и предлагаемые ею методы обработки экспериментальных данных измерений, в том числе и используемой фильтрации, составляющие основу изобретения [6], ориентированы только на один источник информации о контролируемом объекте. Применительно к обсуждаемой теме это могут быть данные измерений, получаемые от одной колесной пары. Однако при позиционировании подвижного состава на основе распределенного ВОД их много. При этом каждая из колесных пар ПС при взаимодействии с рельсом становится дополнительным источником сейсмоакустических воздействий на волоконно
оптический датчик. Поэтому необходимо считаться с волновой теорией таких воздействий на чувствительный элемент, которым является ВОК.
Однако в такой трактовке научная задача повышения эффективности измерений никогда ранее не ставилась. Существующие методы обработки в этом случае не приводят к желаемому результату, поэтому необходимы дополнительные нетрадиционные технические решения. Например, значительное усиление одной из составляющих формируемой групповой волны воздействий на чувствительный элемент в виде ВОК [3—5].
Проведенные исследования показали, что такое решение просто реализовать, разрешив существующие проблемы ВОИ. Примером может служить Система контроля местоположения поездов [7]. Для экспериментальных исследований вдоль железнодорожного пути проложили ВОК, оболочку которого механически соединили с прутом заземления элемента инфраструктуры, имеющего точную геодезическую привязку к контролируемому участку пути.

Полученный эффект показывают иллюстрации когнитивного графика (рис. 4) и рефлектограммы (рис. 5). В результате применения такого простого технического решения мощность одной из составляющих групповой волны усиливалась по отношению к другим в тысячи раз. При этом факт ее появления в групповой волне оказывается связанным с геодезической привязкой к объектам инфраструктуры железной дороги (в рассматриваемом случае с опорами контактной сети [7]). Результаты ВОИ оказываются привязанными к реперным точкам цифровой карты железнодорожного пути. Также появляется возможность для комплексирования данных ВОИ и цифровой карты железнодорожного пути, чего ранее не было.
Кроме этого, по-новому решается актуальная задача, связанная с определением местоположения головы и хвоста поезда. О высоком качестве ее разрешения свидетельствуют графики, построенные на основе измерений (рис. 6). Таким образом, получаемые данные волоконно-оптических измерений приобрели еще одно ценное свойство, позволяющее определить место проявления события, которое связано с обеспечением безопасности движения поездов. Проведенные экспериментальные исследования показали, что была достигнута существенно лучшая точность позиционирования по сравнению с вариантом решения аналогичных задач на основе сигналов СРНС ГЛОНАСС.

Перспективы развития методов и технологий позиционирования связаны с комплексированием данных, получаемых от различных источников информации. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований появилась система распределенных волоконно-оптических измерений. Она обладает требуемыми показателями точности, достоверности и надежности получения данных о местоположении и целостности ПС, его скорости и направлении движения. Однако необходимо совершенствовать и существующие технологии использования сигналов навигационных космических аппаратов для разрешения проблем позиционирования поездов, а также для обеспечения решения задач глобального мониторинга, составляющих основу прогнозирования и предупреждения о надвигающихся природных катаклизмах и техногенных катастрофах.
Для совершенствования существующей АСМ предполагается в центрах мониторинга и на железнодорожных станциях размещать не только корректирующие станции, обеспечивающие реализацию дифференциального режима позиционирования ПС [2], но и псевдоспутники в виде наземных управляе
мых навигационных станций (НУНС), установленные в четырех и более наземных пунктах [11].
Такими пунктами могут быть железнодорожные станции с разветвленной сетью путей. Это позволит дополнить уже существующее навигационное поле, создаваемое навигационными космическими аппаратами. Для уменьшения производственных затрат они могут оснащаться генераторами частот и времени, которые по стабильности существенно уступают аналогам, размещенным на НКА. Но такое упрощение технических решений предполагает, что коррекция частот и времени НУНС будет выполняться как можно чаще за счет наземных измерений длины ПС с использованием лазерных дальномеров и оттестированных на их основе распределенных ВОД. Кроме того, метрологическая аттестация может быть проведена и на основе принципа действия интероферометрии и эффекта Саньяка с использованием точечных волоконно-оптических датчиков, которые могут выполнять наиболее точный подсчет количества колесных пар проходящего состава. При этом данные позиционирования, которые получают с помощью чувствительного элемента ВОК, используют для уменьшения интервалов времени между операциями по коррекции времени псевдоспутников и НКА.
В настоящее время основу коррекции времени навигационных космических аппаратов составляют лазерные дальномеры [12]. Такая технология требует привлечения большего количества средств измерений. Использование лазерных дальномеров предполагается наряду с существующими средствами радиотехнических и оптических измерений расстояний от опорных точек на Земле до НКА. Путем комплексирования данных осуществляется контроль точности измерений, получаемых различными средствами, и определяются величины систематических погрешностей, которые вызваны расхождением времени атомных стандартов частоты НКА. Такой контроль из-за его сложности проводится эпизодически, например, раз в полгода. Интервалы времени между очередными дорогостоящими операциями корректирования времени (часов) навигационных космических аппаратов только увеличиваются. Из-за этого показатели точности спутникового позиционирования постепенно ухудшаются.

Для позиционирования подвижных средств на основе распределенного волоконно-оптического датчика применяются также лазерные технологии измерений. Они проводятся с использованием лазерного излучения, но лазерный поток света распространяется в ВОК, который не вносит искажений в передаваемый оптический сигнал, как воздушное пространство Земли. Интервал времени между измерениями с использованием распределенных ВОД определяется показателями интенсивности железнодорожного движения, которые быстро возрастают. Поэтому коррекция времени может проводиться чаще.
Кроме того, без особой сложности могут быть реализованы дополнительные технологии лазерных измерений, например, длин электропоездов на прямолинейных участках железнодорожного пути, когда источник лазерного излучения будет находиться в голове поезда, а отражатель - в хвосте. Для сравнения результатов измерений длины с методом, который реализуют на основе спутниковых радионавигационных систем, источник лазерного излучения и отражатель должны быть расположены в местах приема сигналов НКА. Такой прием позволит не только повысить точность определения местоположения, скорости и целостности ПС, но и будет способствовать метрологической аттестации, создаваемой на дороге системы ВОИ.
При этом, ОАО «РЖД» становится не только потребителем навигационной информации СРНС ГЛОНАСС, а также превращается в активного участника повышения точностных характеристик и достоверности навигационных данных, которыми могут пользоваться другие потребители. Повышение показателей точности, достоверности и надежности спутниковых навигационных систем будет реализовано, в том числе, и в интересах других ведомств, а не только для удовлетворения внутренних потребностей ОАО «РЖД».
Самая сложная проблема при реализации технологии волоконно-оптических измерений заключается в повышении помехозащищенности результатов ВОИ. Она требует учета специфических условий проведения измерений. Также необходимо найти наиболее подходящие проблемно-ориентированные нетрадиционные научно-методические и технические решения.

Таким образом, в статье обоснована необходимость учета и полезного использования волновой теории сейсмоакустических воздействий на ВОК, который проложен вдоль железнодорожного пути и является чувствительным элементом распределенного ВОД.
Показано, что решение этой задачи ориентировано на поиск различных нетрадиционных решений существующих проблем. Одно из них заключается в использовании «механических маркеров». Суть его применения заключается в обеспечении непосредственной передачи энергии сейсмоакустических волн, появляющихся при взаимодействии колесных пар с рельсом, к оболочке ВОК, проложенного в местах размещения инженерных сооружений инфраструктуры ОАО «РЖД» (реперных точек, обозначенных в цифровой карте железной дороги). Также необходима разработка и применение прикладных математических методов борьбы с помехами, адаптированных к новым условиям проведения ВОИ.
Проведенные экспериментальные исследования
показали, что прикладное применение разработанных мер борьбы с искажениями результатов ВОИ сопровождается появлением принципиально новых условий для повышения точностных показателей позиционирования ПС. При этом определяется местоположение ПС с привязкой к реперным точкам с абсолютной погрешностью не хуже 5 м и его скорость с точностью ±5 км/ч, обеспечивается контроль целостности поезда (отсутствие оторвавшихся вагонов, цистерн и платформ).
Разработанные методы и технология распределенных ВОИ создают предпосылки для реализации следующих инновационных технологий в области навигационных определений: комплексирования различных источников измерений, методы реализации которых существенно обогащены в результате проведенных в ОАО «РЖД» теоретических и экспериментальных исследований; повышения помехозащищенности результатов ВОИ при обработке сигналов, формируемых на выходе рефлектометра, на основе совершенствования прикладных математических методов.

СПИСОК источников

1. Долгий А.И. Условия перехода на сокращенный интервал движения на МЦК в рамках цифровой трансформации // Железнодорожный транспорт. 2020. Ns 11. С. 12-16.
2. Иванов В.Ф., Попов И.А. Высокоточная система позиционирования железнодорожного подвижного состава // Труды АО «НИИАС» : сборник статей. М.: Типография АО «Т8 Издательские Технологии», 2021. Выл. 11, Т. 2. С. 179-189.
3. Кудюкин В.В. Особенности применения волоконно-оптической сенсорики для систем мониторинга на железнодорожном транспорте // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2023. № 2 (58). С.77-83.
4. Кудюкин В.В., Кузнецов В.И., Хатламаджиян А.Е. Про-граммно-аппаратный комплекс волоконно-оптической сенсорики для систем мониторинга на железнодорожном транспорте // Труды АО «НИИАС» : сборник статей. М.: Типография АО «Т8 Издательские Технологии», 2021. Вып. 11, T. 2. С. 59-64.
5. Кукушкин С.С., Кудюкин В.В., Белов А.Н. Инновационные технологии обеспечения безопасности движения на основе оптоволоконной сенсорики//Автоматика, связь, информатика. 2021. № 11. С. 43-46. DOI: 10.34649/AT.2021.11.11.010
6. Патент № 2659913 РФ, B61L 25/02. Система контроля местоположения поезда/ Болотов П.В, Воробьев В.В., Воронин В.А., Ермаков Е.В., Кононенко А.С., Маркевич М.В., Миронов В.С., Розенберг И.Н., Соловьева А.М., Талалаев Д.В.; патентообладатель АО «НИИАС». № 2017129877; заявл. 24.08.2017; опубл. 04.07.2018; Бюл. № 19.
7. Патент № 2727438 РФ, В61L 25/02. Система контроля местоположения поездов/Долгий А.И., Кудюкин В.В., Кукушкин С.С., Кузнецов В.И., Розенберг Е.Н., Розенберг И.Н.; патентообладатель АО «НИИАС». № 2019138981; заявл. 02.12.2019: опубл. 21.07.2020; Бюл. № 21.
8. Патент Ns 2705770 РФ, G08B 13/00. Способ оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ / Кукушкин С.С., Кузнецов В.И., патентообладатель Кукушкин С.С. № 2018119750; заявл. 29.05.2018; опубл. 11.11.2019; Бюл. № 33.
9. Кукушкин С.С., Гладков И.А., Чаплинский В.С. Методы и информационные технологии контроля состояния динамических систем / МО РФ. М.: Хоружевский А.И., 2008. 327 с.
10. Кузнецов В.И. Статистическая идентификация. Ком-плексирование измерительных данных //Промышленные АСУ и контроллеры. 2014, №12. - С. 30-33.
11. Патент № 2759173 РФ, B64G 1/002. Способ навигационного контроля орбит выведения космических аппаратов и система для его реализации/Чаплинский В.С., Кукушкин С.С., Коновалов В.П., Прут В.И.; патентообладатель АО «ГКНПЦим. М.В. Хруничева». № 2021108447; заявл. 30.03.2021; опубл. 09.11.2021; Бюл. №31.
12. Зотов С.М., Чурилов Н.С. Комбинированная технология прецизионного сравнения шкал времени, формируемых высокоточными удаленными стандартами частоты и времени с использованием радиотехнических и оптических средств измерений И Двойные технологии. 2022. № 1 (98). С. 2-6.