7. Использование акустических методов для повышения безопасности движения поездов

7.1.1. Акустическая система оперативной диагностики состояния рельсового пути перед движущимся локомотивом

Разрабатываемая система, установленная на борту локомотива, должна независимо от скорости движения состава, времени суток и метеоусловий в автоматическом режиме обнаруживать (в том числе и за пределами прямой видимости из кабины локомотива), препятствия на железнодорожном полотне и разрыв железнодорожного полотна с выдачей сигнала экстренного торможения. К препятствиям можно отнести контактирующие с полотном достаточно массивные объекты типа вагона или авто или гусеничного транспорта. Система должна быть также оснащена защитой от ложных срабатываний при штатном, не выходящем за пределы согласованных с заказчиком отклонений, состоянии полотна.

Исходные данные для предварительных расчетов

По нашим данным длина непрерывных, соединенных сваркой плетей рельсов на отечественных железных дорогах составляет до 800-900 метров (за рубежом до 2000 метров). Рельсы закрепляются на бетонных или деревянных шпалах, уложенных в грунт (щебень) с периодичностью порядка 1,5 метра. Плети рельсов соединяются узлами стыков, в которых концы соседних плетей закреплены независимо, без непосредственного механического контакта, на поверхности шпалы (например, бетонной). Концы рельсов в стыке могут быть соединены электрически (например, спаяны медной жилой). Стык плетей может быть заполнен амортизирующей прокладкой. В проекте может рассматриваться как независимая система укладки отдельных рельс, с несовпадающими по длине стыками, так и секционная укладка рельсового полотна со стыками, расположенными в пределах одной и той же шпалы. Скорость состава не более 100 м/сек (в среднем до 50 м/сек). Препятствие на рельсовом пути или разрыв полотна должны быть обнаружены на расстояниях не менее 2000 метров с движущегося локомотива.

Предполагаемые физические принципы, положенные в основу работы предлагаемой системы, основаны на некоторых закономерностях распространения звука в тонких стержнях и балках, лежащих на упругих основаниях. Звуковая волна, возбужденная в таком стержне на определенной частоте может распространяться с очень высокой скоростью по стержню (рельсовому пути) на достаточно большие расстояния. Неоднородность рельсового пути типа частичного или полного разрыва и помещение достаточно большой массы на рельсовый путь приводит к возникновению отраженной волны, которая распространяется в обратном направлении и может быть зафиксирована на локомотиве.

Для того, чтобы ответить на вопрос о принципиальной возможности создания такой системы, были проведены некоторые предварительные оценки и расчеты. Основными параметрами, которые надо было оценить, являются – диапазон частот, величины затуханий сигналов, возможные уровни отраженных сигналов для перечисленных аномалий, а также временные соотношения, учитывая высокие скорости движения локомотива.

Оптимизация частотного диапазона сигнала необходима с точки зрения снижения потерь на поглощение звука при распространении сигнала вдоль плети рельса, что приводит к ограничению частоты сверху, а также с точки зрения виброакустических шумов локомотива (состава)), на фоне которых полезный сигнал необходимо выделять. С учетом скорости продольных волн в материале рельса порядка c = 5200 м/сек и высоты рельса порядка h = 0,15 метра можно считать, что на частотах ниже f = 15 000 Гц вдоль рельса сигнал распространяется, в основном, за счет нулевой моды колебаний. Можно также с достаточно высокой степенью достоверности считать, что на частотах f < 1000 Гц затухание сигнала составит не более 6 дБ на длину плети, что соответствует логарифмическому затуханию порядка 0,006 дБ/м, но это максимально возможное значение.

Основные потери сигнала в рельсе в отсутствие препятствий и разрывов возникают в узлах крепления рельс к шпалам. Потери же сигнала на самых низких частотах определяются, в основном, пластической деформацией в подложке полотна, например, в щебне.

Самые большие потери сигнала будут возникать на стыках рельс, т.е. на естественных разрывах рельсового пути. Если длина сплошного пути составляет более 2000, то указанных потерь сигналов вообще не будет или они будут минимальны.

Можно предположить, что в среднем потери сигнала на одном стыке могут составить до 15-18 дб. Эта величина получена нами, исходя из наших предварительных знаний конструкции стыка и ее, конечно, надо экспериментально проверять. Такая величина говорит о том, что от стыка 85% энергии сигнала отразится обратно, а 15% энергии сигнала будет распространяться дальше. На следующем стыке ситуация повторится. Таким образом, можно считать, что возможное ослабление прямого сигнала на трассе 2000 метров составит более 36 дБ. И такое же ослабление будет и для сигнала, распространяющегося в обратном распространении. Таким образом, из-за поглощения и стыков суммарные потери сигнала могут составить около 90 дБ (30 000 раз ).

Однако важным представляется то, что сигнал, отраженный от разрыва рельса превышает уровень сигнала от стыка. Это превышение по предварительным оценкам может лежать в диапазоне от 6 до 26 дБ

При отражении от разрыва рельса расположенного в пределах ближайшей плети отраженный сигнал существенно превысит сигнал, наблюдаемый в штатной ситуации и кроме того будет разделен со штатным сигналом по времени. Так, например, при разрыве в середине плети временное разделение сигналов составит около 200 мсек., а превышение сигнала по амплитуде над фоном будет на 5-6 дБ выше наблюдаемого в штатной ситуации. Если предположить одновременное наблюдение сигналов от разрыва и стыка, то с учетом дополнительного затухания сигнала прошедшего разрыв на пути к стыку плетей превышение сигнала от разрыва над сигналом от стыка составит не менее 26 дБ (в 20 раз).

При отражении сигнала от контактирующих с полотном достаточно массивных препятствий - оценка амплитуды отраженного сигнала в точке расположения препятствия оказывается в выбранном диапазоне частот порядка амплитуды падающей волны, т.е. сигнал практически отражается от препятствия без потерь. Оценка действия массы на полотне в данном случае аналогична оценке действия виброзадерживающей массы в системе виброизоляции. Таким образом, в данном случае отраженный сигнал также существенно превысит сигнал, наблюдаемый в штатной ситуации и кроме того будет разделен со штатным сигналом по времени. Так, например, при расположении аномалии в середине плети временное разделение сигналов составит около 200 мсек., а превышение сигнала по амплитуде над фоном будет на 6-7 дБ выше наблюдаемого в штатной ситуации. При одновременном наблюдении сигналов от аномалии и стыка, с учетом дополнительного затухания сигнала прошедшего аномалию на пути к стыку плетей превышение сигнала от разрыва над сигналом от стыка составит не менее 6-7 дБ (в 2-2,5 раза). Дополнительные преимущества сулит в данном случае также совместная обработка сигналов одновременно пришедших по двум плетям рельсового полотна.

Не смотря на достаточно большие величины потерь, они, тем не менее, не представляются столь катастрофическими. Существующие современные системы обнаружения слабых гидроакустических сигналов работают, например, с уровнями потерь даже более высокими (так нормальными системами являются такие, у которых входное отношение сигнал/шум составляет 10^-6.)

Рассмотрим эту проблему более подробно. В рельсовом пути возбуждается вибрационный сигнал S(t) с заданными параметрами. Такими основными параметрами являются излучаемая энергия сигнала и его частотно-временные параметры (полоса частот, длительность, тип сигнала).

Излучаемый сигнал распространяется по рельсовому пути, который является в общем случае неоднородной средой с поглощением. Рельсовый путь можно описать некоторой неизвестной передаточной характеристикой, параметры которой зависят от частоты и пространственной координаты Х, числа стыков и т.д, Н(х,t). Для фиксированных точек приема –излучения передаточная характеристика пути не изменяется по времени, но так как локомотив движется, то в каждый данный момент времени Н(х,) может быть другой. Именно по этой причине в Н(х,t) введено t. И только в случае, когда рельсовый путь с длиной более 2000 метров не содержит стыков Н(х,t) = Н(х). Полезный сигнал, пройдя по рельсовому пути, отражается от препятствия или разрыва и распространяется в обратном направлении по той же неоднородной среде. Однако в общем случае при наличии стыков и учитывая движение локомотива передаточная характеристика уже несколько другая. Этот сигнал принимается датчиком (датчиками) на локомотиве и подвергается обработке.

В процессе прямого и обратного распространения сигнала по рельсу возникает частотная дисперсия сигнала (различные частотные составляющие сигнала распространяются с различными скоростями), что приводит к дополнительному растягиванию сигнала по временной оси.

Отраженные сигналы поступают в приемник на фоне вибрационных шумов, создаваемых локомотивом (поездом). Здесь следует отметить, что сами виброакустические шумы локомотива и поезда также распространяются по рельсовому пути и, по крайней мере, с частью из них происходят те же явления, что и с излученным полезным сигналом.

Таким образом, полезный сигнал, как прямой, так и отраженный всегда будет наблюдаться на фоне посторонних шумов и будут искажены за счет передаточной характеристики и частотной дисперсии.

Возвращаясь к проблеме энергетических соотношений, можно сказать, что большие потери энергии зондирующего сигнала ( порядка 100 дб) не являются определяющими в данной постановке задачи. При излучении в рельсовый путь виброакустического сигнала с мощностью порядка 100 ватт, отраженный сигнал будет иметь мощность порядка 1 милливатта, что является вполне приемлемой величиной для его обнаружения. Главная проблема заключается в получении информации о передаточной характеристике среды, поскольку без априорного знания или ее измерения, излученный сигнал просто будет не различим на фоне других сигналов.

Зная передаточную характеристику среды и спектральный состав виброакустических помех, создаваемых локомотивом, можно ставить задачу оптимального синтеза зондирующего сигнала, т.е. такого сигнала, который был бы уверенно различим на фоне виброакустических шумов, причем еще раз подчеркнем, что при таком синтезе важны именно специфические частотно-временные параметры сигнала, а не его энергетика. В технике обработки сигналов, такие методы синтеза и алгоритмы обработки получили название алгоритмов согласованной со средой обработки сигналов. И применительно к данной проблеме «согласование» означает получение априорной информации о канале распространения звука. Как нам представляется, эта задача может быть решена, так как информацию о структуре рельсового пути (стыках, главным образом) измерительная система может получать непрерывно по ходу движения поезда, а сама структура является стационарной, т.е. ее параметры не изменяются со временем. Что же касается закона частотной дисперсии, то он может быть весьма просто определен заранее.

Все сказанное относится к общему случаю, когда на заданной длине обнаружения рельсового пути имеются стыки. Если на этой длине стыки отсутствуют, то задача резко упрощается и может быть решена достаточно тривиальными методами обработки сигналов, так как учитывать необходимо только частотную дисперсию. Так, если для каких-то подвижных средств достаточно иметь длину обнаружения свободного пути порядка длины рельса без стыков, то, как нам представляется система может быть достаточно простой.

Что касается временных соотношений, то времена реакции системы должны составлять порядка 300-500 миллисекунд, и в данной задаче они не являются критическими параметрами.

В заключении этого раздела можно сделать вывод о том, что поставленная задача может быть решена. Однако, прежде, чем начинать какие-то работы по созданию макетов аппаратуры, необходимо выполнить ряд теоретических и, самое главное, экспериментальных исследований и измерений с тем, чтобы получить конкретные сведения о передаточных характеристиках, частной дисперсии, спектральных характеристиках шумов локомотивов (поездов), уровнях сигналов и пр.