RU2794238C1 - Method for operational control of railway stock location, its speed and integrity - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: method for operational control of the location of a railway rolling stock, its speed and integrity, in which information from a satellite radio navigation system is used to determine the location of a rolling stock and its speed, which, after processing it, obtaining geographic coordinates and generating appropriate messages, is transmitted to the railway safety control centre with binding of the data generated by the receiver to the coordinates of the terrain. As a source of additional information about the location of the train, a fibre-optic cable (FOC) with a reflectometer connected to it is used, laid along the railway track at a given distance from it. Then, the FOC is placed along the railroad track by means of aerial installation and/or its burying at different depths, including the possibility of direct vibration exposure through various elements that ensure the transmission of vibrations, as well as laying in the rail itself, by placing the FOC in pockets, including when it is rigidly fixed, for example, by gluing, with an acceptable tension in the places of rail joints, which excludes the rupture of the fibre optic cable, to form an additional Brillouin effect, which makes it possible to determine the place where the wheelset passes the rail joint, controlling the degree of stretching of the fibre optic cable based on a change in the frequency of the optical signal, and with the mathematical processing of signals generated by optical measuring instruments.

EFFECT: improved measurement accuracy.

6 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике с использованием распределенных датчиков на основе волоконно-оптического кабеля (ВОК), телемеханике, системам передачи данных и может быть использовано в системах связи, сигнализации и блокировки для обеспечения безопасности движения железнодорожного подвижного состава (ПС) в условиях различного рода помех, вносящих дополнительные погрешности в результаты измерений.The invention relates to measuring equipment using distributed sensors based on fiber optic cable (FOC), telemechanics, data transmission systems and can be used in communication, signaling and blocking systems to ensure the safety of railway rolling stock (RS) in conditions of various kinds of interference , introducing additional errors in the measurement results.

В настоящее время обеспечению безопасности ПС уделяется повышенное внимание, что определяется, прежде всего, следующими перспективными направлениями развития железнодорожного транспорта: 1) перспективой развития научных, производственных и экономических отношений, что особенно актуально для развития регионов России, удаленных друг от друга на большие расстояния; 2) повышением интенсивности перевозок на железных дорогах Российской Федерации и других стран; 3) расширенным внедрением скоростного движения.Currently, increased attention is paid to ensuring the safety of railway stations, which is determined, first of all, by the following promising areas for the development of railway transport: 1) the prospect of developing scientific, industrial and economic relations, which is especially important for the development of Russian regions that are long distances from each other; 2) an increase in the intensity of transportation on the railways of the Russian Federation and other countries; 3) expanded introduction of high-speed traffic.

Для решения существующих проблем обеспечению безопасности железнодорожного движения необходимо совершенствование существующих автоматизированных систем связи, централизации и блокировки (СЦБ), которые в перспективе могли бы стать основой для создания интеллектуальных систем управления ПС и инфраструктурой ОАО «РЖД».To solve the existing problems of ensuring the safety of railway traffic, it is necessary to improve the existing automated systems of communication, centralization and blocking (CCB), which in the future could become the basis for the creation of intelligent control systems for the substations and infrastructure of Russian Railways.

Это требует разработки и использования на практике новых технологических решений и инновационных информационных технологий. Значительные возможности для разрешения многочисленных противоречий, связанных с обеспечением решения задач повышения безопасности железнодорожного движения, появляются при использовании волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве распределенного чувствительного элемента (ЧЭ). В настоящее время волоконно-оптические технологии активно используются при создании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), но могут быть использованы и для решения практических задач обеспечения безопасности железнодорожного движения. Их преимущества при реализации ВОК в качестве датчиков, сенсоров и извещателей заключаются в том, что они являются не сосредоточенными, имеющими ограниченную область информационного, информационно-технологического, командно-измерительного и диагностического контроля обеспечения безопасности железнодорожного движения, а распределенными, позволяющими определять события, которые происходят в любом месте прокладки ВОК.This requires the development and practical use of new technological solutions and innovative information technologies. Significant opportunities for resolving numerous contradictions related to providing solutions to the problems of improving the safety of railway traffic appear when using fiber-optic cables (FOC) as a distributed sensing element (SE). Currently, fiber-optic technologies are actively used in the creation of fiber-optic communication lines (FOCL), but can also be used to solve practical problems of ensuring the safety of railway traffic. Their advantages in the implementation of FOC as sensors, sensors and annunciators are that they are not concentrated, having a limited area of information, information technology, command-measuring and diagnostic control of railway traffic safety, but distributed, allowing to determine events that occur anywhere in the laying of the fiber optic cable.

На фиг. 1 представлены наиболее приоритетные направления использования распределенных датчиков, чувствительными элементами которых является ВОК. В их числе: 1) определение местоположения поезда; 2) определение направления скорости движения; 3) определение целостности ПС; 4) охрана важных объектов железнодорожных объектов и путей; 5) контроль проведения и обеспечения безопасности ремонтных работ.In FIG. 1 shows the most priority areas for the use of distributed sensors, the sensitive elements of which are FOC. Among them: 1) determining the location of the train; 2) determining the direction of the speed of movement; 3) determination of the integrity of the PS; 4) protection of important objects of railway facilities and tracks; 5) control of carrying out and ensuring the safety of repair work.

Но за проявление свойств универсальности такого рода приходится расплачиваться появлением многих недостатков. Основными среди них являются: 1) сложность построения приборов в виде когерентных рефлектометров, обеспечивающих преобразование отраженных оптических лучей, которые появляются из-за дефектов изготовления ВОК и из-за внешних воздействий на него и, как результат этого, высокая их стоимость при низких показателях сигнализационной надежности; 2) низкий энергетический потенциал сигналов, формируемых рефлектометрами, и высокий уровень помехового фона; 3) сложность обеспечения метрологического контроля точности и достоверности получаемых измерений, которая усугубляется тем, что многие физические процессы, оказывающие влияние на повышение сигнализационной надежности распределенных датчиков на основе ВОК и, в частности, на определение скорости, направления движения и местоположения подвижного состава (ПС), оказываются скрытыми от наблюдателя.But for the manifestation of the properties of universality of this kind, one has to pay with the appearance of many shortcomings. The main ones are: 1) the complexity of constructing devices in the form of coherent reflectometers that provide the conversion of reflected optical beams that appear due to defects in the manufacture of the FOC and due to external influences on it and, as a result, their high cost at low signaling reliability; 2) low energy potential of the signals generated by reflectometers and a high level of noise background; 3) the complexity of providing metrological control of the accuracy and reliability of the measurements obtained, which is aggravated by the fact that many physical processes that affect the increase in the signaling reliability of distributed sensors based on the FOC and, in particular, the determination of the speed, direction of movement and location of the rolling stock (MS) , are hidden from the observer.

Известна распределенная волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов (патент №2485454, опубл. 20.06.2013 г. ([1]). Изобретение относится к измерительной технике, ориентировано на обеспечение безопасности железнодорожного движения и может применяться для регистрации вибраций, шумов и акустических сигналов. Система регистрации содержит волоконно-оптическую измерительную линию на одномодовом оптическом волокне с установленным френелевским или фарадеевским отражателем, с одной стороны, а с другой - оптоэлектронный блок, который состоит из лазерного источника, соединенного с первым входом разветвителя Х-типа. Первый выход разветвителя присоединен к указанной измерительной линии, а второй - к звукоизолированной катушке из одномодового волокна, последовательно присоединенной к отражателю на втором конце. Линии образуют разомкнутую двухплечевую схему волоконного интерферометра Майкельсона, сигналы с которого поступают со второго входа/выхода разветвителя на фотоприемник и регистратор виброакустических сигналов. В качестве локальных датчиков вибрационных сигналов используются линейные отрезки волокна в измерительной линии, укрепленные на вибрирующей поверхности объекта, а в качестве датчиков акустических сигналов - одна малогабаритная катушка из одномодового оптического волокна или по меньшей мере один многовитковый элемент из одномодового оптического волокна.A distributed fiber-optic system for recording vibroacoustic signals is known (patent No. 2485454, publ. 20.06.2013 ([1]). The invention relates to measuring technology, is focused on ensuring the safety of railway traffic and can be used to record vibrations, noise and acoustic signals The registration system contains a fiber-optic measuring line on a single-mode optical fiber with a Fresnel or Faraday reflector installed, on the one hand, and on the other hand, an optoelectronic unit, which consists of a laser source connected to the first input of the X-type splitter. to the indicated measuring line, and the second one - to a sound-insulated single-mode fiber coil connected in series to the reflector at the second end.The lines form an open two-arm Michelson fiber interferometer circuit, the signals from which come from the second input/output of the splitter to the photodetector and vibroacoustic signal recorder. As local vibration signal sensors, linear fiber segments are used in the measuring line, mounted on the vibrating surface of the object, and as acoustic signal sensors - one small-sized coil of single-mode optical fiber or at least one multi-turn element of single-mode optical fiber.

Способ-аналог [1] отличается тем, что для определения координат отдельных чувствительных элементов датчиков звука или вибраций на волоконно-оптической измерительной линии применяются локальные периодически излучающие источники (например, пьезоизлучатели или виброзвонки), обозначающие координату датчика на основе заранее заданной определенной частоте звучания (п. 8 формулы изобретения).The analogue method [1] differs in that to determine the coordinates of individual sensitive elements of sound or vibration sensors on a fiber-optic measuring line, local periodically emitting sources (for example, piezoelectric emitters or vibrators) are used, indicating the coordinate of the sensor based on a predetermined frequency of sound ( Clause 8 of the claims).

Пункт 8 формулы изобретения [1] определяет основную проблему использования распределенных сенсоров на основе распределенных волоконно-оптических кабелей (ВОК) - необходимость привязки формируемых ими сигналов к опорным точкам железной дороги с известными координатами на местности. С этой целью в изобретении [1] в п. 8 формулы изобретения предполагают использование дополнительных по отношению к сенсору на основе ВОК «локальных периодически излучающих источников, например, пьезоизлучателей или виброзвонков, обозначающих координату с использованием заранее заданной определенной частоты звучания».Paragraph 8 of the claims [1] defines the main problem of using distributed sensors based on distributed fiber optic cables (FOC) - the need to bind the signals generated by them to the reference points of the railway with known coordinates on the ground. For this purpose, in the invention [1], in clause 8 of the claims, the use of “local periodically emitting sources, for example, piezoelectric emitters or vibrating bells, indicating the coordinate using a predetermined frequency of sounding” is assumed to be used additional to the sensor based on the FOC.

В необходимости использования дополнительных датчиков в виде пьезоизлучателей или виброзвонков, обозначающих координату их местоустановки, заключается основной недостаток изобретения [1]. Кроме того, их малые размеры приводят к следующему по значимости недостатку. Он связан с тем, что их первоначальное положение дополнительных датчиков в виде пьезоизлучателей или виброзвонков может быть бесконтрольно изменено либо в результате случайного или путем целенаправленного злоумышленного воздействия, в результате чего появятся неконтролируемые ошибки привязки сигналов, формируемых распределенными извещателями на основе ВОК, по отношению к истинным (контрольным) координатам их местоположения.The need to use additional sensors in the form of piezo emitters or vibrators, indicating the coordinate of their location, is the main drawback of the invention [1]. In addition, their small size leads to the next major drawback. It is due to the fact that their initial position of additional sensors in the form of piezoelectric emitters or vibrating alerts can be changed uncontrollably either as a result of accidental or deliberate malicious action, resulting in uncontrolled errors in the binding of signals generated by distributed detectors based on FOC, in relation to the true (control) coordinates of their location.

Также недостаток изобретения [1] заключается в том, что не раскрыто основное его предназначение, связанное с применением для решения перечисленных актуальных задач обеспечения безопасности железнодорожного движения. Технический результат - «повышение чувствительности измерений в широкой полосе частот как вибрационных, так и акустических сигналов с помощью одной волоконно-оптической линии» определяет только физическую суть способа [1], но не показывает, как на основе его использования могут быть решения проблемные для ОАО «РЖД» прикладные задачи, представленные на фиг. 1.Also, the disadvantage of the invention [1] lies in the fact that its main purpose is not disclosed, associated with the use for solving the listed urgent problems of ensuring the safety of railway traffic. The technical result - "increasing the sensitivity of measurements in a wide frequency band of both vibration and acoustic signals using a single fiber-optic line" determines only the physical essence of the method [1], but does not show how, based on its use, there can be problematic solutions for JSC "Russian Railways" applied tasks presented in Fig. 1.

Известна «Система контроля местоположения поездов» ([2], патент RU №2727438, заявка №2019138981, опубл. 21.07.20 г., бюл. №21), содержащая бортовой приемник спутниковой навигационной системы, выход которого через блок привязки географических координат к трассе железнодорожной линии связан с бортовым контроллером, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом локомотивной радиостанции, и установленный в центре управления информационно-управляющий сервер, первый вход и первый выход которого соединены соответственно с выходом и входом устройства электрической централизации, второй вход и второй выход информационно-управляющего сервера соединены соответственно с выходом и входом стационарного радио приемопередатчика, а также установленные в центре управления сенсорное устройство слежения за передвижением поезда по перегону и блок формирования данных о местоположении вагонов поезда, при этом вдоль железнодорожного пути на заданном расстоянии от него проложен волоконно-оптический кабель (ВОК) с герметичной заглушкой и соединен с входом/выходом сенсорного устройства слежения за передвижением поезда по перегону, дополнительный выход которого соединен с первым входом блока формирования данных о местоположении вагонов поезда, выход и второй вход которого соединены соответственно с третьим входом и третьим выходом информационно-управляющего сервера, отличающийся тем, что каждое определенное место внешней оболочки ВОК, координаты которого известны, механически соединено с рельсом железнодорожного пути посредством элемента, обеспечивающего передачу вибраций, а блок формирования данных о местоположении вагонов поезда состоит из последовательно соединенных модулей предикатора, дополнительный вход модуля сравнения и его выход являются соответственно первым входом, вторым входом и выходом блока формирования данных о местоположении поезда.Known "System for monitoring the location of trains" ([2], patent RU No. 2727438, application No. 2019138981, publ. track of the railway line is connected to the on-board controller, the input and output of which are connected, respectively, to the output and input of the locomotive radio station, and the information and control server installed in the control center, the first input and the first output of which are connected, respectively, to the output and input of the electrical interlocking device, the second input and the second output of the information and control server is connected to the output and input of the stationary radio transceiver, respectively, as well as the sensor device installed in the control center for tracking the movement of the train along the haul and the block for generating data on the location of the train cars, while along the railway track at a given distance from it is laid a fiber-optic cable (FOC) with a sealed plug and connected to the input/output of the sensor device for tracking the movement of the train along the haul, the additional output of which is connected to the first input of the block for generating data on the location of train cars, the output and second input of which are connected, respectively, to the third input and the third output of the information and control server, characterized in that each specific location of the outer shell of the FOC, the coordinates of which are known, is mechanically connected to the rail of the railway track by means of an element that ensures the transmission of vibrations, and the unit for generating data on the location of train cars consists of serially connected predictor modules , the additional input of the comparison module and its output are, respectively, the first input, the second input and the output of the block for generating data on the location of the train.

Также «Система контроля местоположения поездов» по п. 1 отличается тем, что часть элементов, обеспечивающих передачу вибраций, расположены рядом с проводниками заземления опор линии продольного энергоснабжения на рельсы.Also, the “Train Location Monitoring System” according to claim 1 is different in that some of the elements that ensure the transmission of vibrations are located next to the grounding conductors of the supports of the longitudinal power supply line to the rails.

Кроме того, «Система контроля местоположения поездов» по п. 1 отличается тем, что часть элементов, обеспечивающих передачу вибраций, расположены рядом с рельсовым стыковым соединением.In addition, the "Train Location Monitoring System" according to claim 1 is characterized in that some of the elements that ensure the transmission of vibrations are located near the rail butt joint.

Использование системы позволяет повысить точностные показатели определения местоположения поездов с использованием ВОК в качестве распределенного чувствительного элемента (ЧЭ) и обеспечения их координатной привязки к инфраструктуре опор линии продольного энергоснабжения на рельсы и к рельсовым стыковым соединениям. При этом исключается необходимость в использовании дополнительных датчиков в виде виброзвонков [1].The use of the system makes it possible to improve the accuracy of determining the location of trains using the FOC as a distributed sensing element (SE) and ensuring their coordinate binding to the infrastructure of the supports of the longitudinal power supply line on the rails and to the rail butt joints. This eliminates the need to use additional sensors in the form of vibrating alerts [1].

Актуальные задачи обеспечения безопасности железнодорожного движения, перспективное решение которых связано с использованием в качестве распределенного датчика волоконно-оптического кабеля (ВОК), формулируют в следующей последовательности (фиг. 1):Actual problems of ensuring the safety of railway traffic, the promising solution of which is associated with the use of a fiber-optic cable (FOC) as a distributed sensor, are formulated in the following sequence (Fig. 1):

1) определение местоположения поезда;1) determining the location of the train;

2) определение направления движения и скорости подвижного состава;2) determination of the direction of movement and speed of the rolling stock;

3) определение целостности подвижного состава;3) determination of the integrity of the rolling stock;

4) контроля передвижений обслуживающего персонала и хождения по путям посторонних;4) control of the movements of service personnel and walking along the paths of strangers;

5) контроль проведения и обеспечение безопасности ремонтных работ.5) control of carrying out and ensuring the safety of repair work.

Изобретение [2] направлено на решение первой задачи. При этом не рассмотрены вопросы одновременного решения и других задач, которые отмечены выше, а также вопросы повышения сигнализационной надежности распределенного датчика, чувствительным элементом которого является ВОК. При этом сигнализационная надежность является комплексным показателем эффективности использования распределенного датчика на основе ВОК. Ее составляющие представлены:The invention [2] is aimed at solving the first problem. At the same time, the issues of simultaneous solution of other tasks noted above, as well as issues of increasing the signaling reliability of a distributed sensor, the sensitive element of which is a fiber optic cable, are not considered. At the same time, signaling reliability is a complex indicator of the efficiency of using a distributed sensor based on FOC. Its components are:

1) вероятностью успешного решения поставленной задачи;1) the probability of successful solution of the task;

2) вероятностью «ложной» тревоги, когда сигналы, формируемые распределенным датчиком, и данные, определяемые для принятия решений на их основе, ошибочны;2) the probability of a "false" alarm, when the signals generated by the distributed sensor and the data determined for making decisions based on them are erroneous;

3) временными интервалами между «ложной» тревогами.3) time intervals between "false" alarms.

Недостаток изобретения [2] также заключается в том, что скорость движения поезда уточняют с использованием космических навигационных систем (КНС). При этом возможности определения скорости поезда с использованием распределенного датчика на основе ВОК не рассмотрены.The disadvantage of the invention [2] also lies in the fact that the train speed is specified using space navigation systems (SNS). At the same time, the possibilities of determining the speed of a train using a distributed sensor based on the FOC are not considered.

Также один из наиболее существенных недостатков использования ВОК в качестве распределенного датчика заключается в следующем:Also, one of the most significant disadvantages of using FOC as a distributed sensor is the following:

- в низкой энергетике сигналов, с которыми работают измерительные приборы, контролирующие интенсивность обратного светового потока, который формируется в результате рассеивания в ВОК, вызванного различными эффектами, например, эффектом Бриллюэна и Рэлеевским рассеянием;- in low-energy signals used by measuring devices that control the intensity of the reverse light flux, which is formed as a result of scattering in the FOC caused by various effects, for example, the Brillouin effect and Rayleigh scattering;

- в высоком уровне помех, сопровождающимся ростом неопределенности при оценивании длины поезда.- in a high level of interference, accompanied by an increase in uncertainty in estimating the length of the train.

Проходят испытания различные альтернативные методы контроля местоположения и целостности подвижного состава (ПС), основанные на применении специальных технических средств, в том числе и внутренней телеметрии, использующей датчики, установленные на вагонах. Получаемую при этом телеметрическую информацию (ТМИ), собирают и передают в центры управления железнодорожным движением с использованием беспроводных систем связи ([3], А.В. Тимофеев, Д.И. Грознов «Метод оперативного контроля целостности поездного состава на основе данных оптической когерентной рефлектометрии», Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, том 17, №6). Но такие подходы также обладают недостатками. Основной из них заключается в том, что требуется дополнительное оборудование. Но и сигналы, формируемые рефлектометрами при использовании ВОК в качестве чувствительного элемента, в реальных условиях оказываются существенно искаженными помехами различного происхождения, в том числе:Various alternative methods for monitoring the location and integrity of the rolling stock (RS) are being tested, based on the use of special technical means, including internal telemetry using sensors installed on the cars. The resulting telemetric information (TMI) is collected and transmitted to railway traffic control centers using wireless communication systems ([3], A.V. Timofeev, D.I. Groznov “Method of operational control of the integrity of a train set based on data from optical coherent reflectometry”, Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics, 2017, volume 17, no. 6). But such approaches also have disadvantages. The main one is that additional equipment is required. But the signals generated by reflectometers when using a FOC as a sensitive element, in real conditions, turn out to be significantly distorted by interference of various origins, including:

- нелинейными искажениями волоконно-оптического датчика (ВОД);- non-linear distortions of the fiber-optic sensor (FOS);

- результатами множественной рефракции и интерференции сейсмоакустических волн;- results of multiple refraction and interference of seismoacoustic waves;

- воздействиями иных, близко расположенных источников сейсмоакустической эмиссии [3].- impacts of other, closely spaced sources of seismoacoustic emission [3].

В результате этого, следы от ударов колесных пар наблюдаются в хаотической смеси с высокоэнергетическими широкополосными помехами. Они представляют собой совокупность сейсмических волн, вызываемых множественными источниками (колесными парами). Это приводит к необходимости учета волновой теории их распространения, рефракции и интерференции.As a result, wheelset impact marks are observed in a chaotic mixture with high-energy broadband noise. They are a set of seismic waves caused by multiple sources (wheel sets). This leads to the need to take into account the wave theory of their propagation, refraction and interference.

В условиях, когда возможности используемых физических принципов, составляющих основу виброакустических измерений при использовании ВОК в качестве чувствительного элемента распределенного датчика, ограничены, особую значимость приобретают современные математические методы обработки сигналов, формируемых рефлектометрами.In conditions when the possibilities of the physical principles used, which form the basis of vibroacoustic measurements when using a FOC as a sensitive element of a distributed sensor, are limited, modern mathematical methods for processing signals generated by reflectometers are of particular importance.

Существующие прикладные математические методы обработки сигналов, формируемых рефлектометрами, в основном, ориентированы на использование традиционных математических фильтров. Примеры практического их использования приведены на фиг. 2, где буквами от А до Г представлены результаты, полученные на различных участках контроля целостности ПС. Из их анализа следует, что только на отдельных участках контроля целостности ПС, могут быть получены приемлемые результаты (фиг. 2(Г)).The existing applied mathematical methods for processing signals generated by reflectometers are mainly focused on the use of traditional mathematical filters. Examples of their practical use are shown in Fig. 2, where the letters from A to D represent the results obtained in various areas of the PS integrity control. From their analysis, it follows that only in certain areas of the PS integrity control, acceptable results can be obtained (Fig. 2(D)).

Следовательно, особую актуальность приобретает разработка новых математических методов повышения сигнализационной надежности волоконно-оптического датчика.Therefore, the development of new mathematical methods for improving the signaling reliability of a fiber-optic sensor is of particular relevance.

Примером этого являются методы адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ) составляющие основу известного «Способа оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ», патент RU №2705770, заявка №2018119750 с приоритетом от 29.05.2018 г., опубл. 11.11.2019 г., бюл. №32 [4]. Он заключается в том, что устанавливают чувствительные элементы (ЧЭ), составляющие основу построения технических средств охраны (ТСО), выбирают наиболее информативные признаки сигнала, формируемые чувствительными элементами (ЧЭ) извещателей, по которым идентифицируют факт преодоления нарушителем зоны охраны, фиксируют полученные значения сигналов с чувствительных элементов и выделяют из них признаки, свойственные нарушителю, сравнивают их значения с установленной величиной и по результатам сравнения определяют момент выдачи сигнала тревоги, отличающийся тем, что сформированные извещателем сигналы подвергают дополнительной обработке с использованием алгоритмов адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ), в результате которой определяют косвенные оценки дисперсии формирующего шума

характеризующей мощность внешнего возмущения, которая является косвенным информационным признаком импульсного воздействия нарушителя на чувствительный элемент извещателя, приводящего к изменению его выходного сигнала, затем используют вычисленные косвенные оценки дисперсии формирующего шума

где k - индекс наблюдаемого временного отсчета, а (k-1) - индекс предшествующего временного отсчета измерений, которые используют в качестве информационного признака при формировании сигнала оповещения о нарушении, формируемого на основе сравнения полученных оценок дисперсии формирующего шума

с выбранными порогами, u₁, u₂ и из где u₃ - порог, ниже которого вычисленные значения оценок дисперсии формирующего шума, рассматривают как помеховый фон, не связанный с нарушением охраняемых рубежей объектов и границ, при этом нахождение сформированного сигнала, характеризующего изменение оценок дисперсии формирующего шума между порогами u₁ и u₂ рассматривают, как помехи, которые связаны с повышенным влиянием внешних воздействий на чувствительный элемент извещателей, но не свидетельствуют о нарушении зоны охраны, и только факт превышения сформированным сигналом оценок дисперсии формирующего шума порога u₃ используют для формирования сигнала тревоги, при этом для повышения вероятности обнаружения нарушителя по вычисленным оценкам дисперсии формирующего шума используют различные алгоритмы компенсации помех в сформированном сигнале, характеризующем изменение во времени оценок дисперсии формирующего шума.An example of this is the methods of adaptive nonlinear filtering (ANF), which form the basis of the well-known "Method of operational and technical protection of the boundaries of objects and borders", patent RU No. 2705770, application No. 2018119750 with priority dated 05.29. November 11, 2019, bul. No. 32 [4]. It consists in the fact that the sensitive elements (SE) are installed, which form the basis for the construction of technical means of protection (TSO), the most informative signs of the signal generated by the sensitive elements (SE) of the detectors are selected, by which the fact of overcoming the security zone by the violator is identified, the received signal values are recorded from the sensitive elements and extract from them the signs characteristic of the intruder, compare their values with the set value and, based on the results of the comparison, determine the moment of issuing an alarm signal, characterized in that the signals generated by the detector are subjected to additional processing using adaptive nonlinear filtering algorithms (ANF), as a result which determine indirect estimates of the variance of the shaping noise

characterizing the power of an external disturbance, which is an indirect informational sign of the intruder's impulse action on the sensitive element of the detector, leading to a change in its output signal, then the calculated indirect estimates of the variance of the forming noise are used

where k is the index of the observed time reference, and (k-1) is the index of the previous time reference of the measurements that are used as an information feature when generating a violation alert signal generated based on a comparison of the obtained estimates of the variance of the forming noise

with the selected thresholds, u ₁ , u ₂ and from where u ₃ is the threshold, below which the calculated values of the estimates of the variance of the shaping noise are considered as an interference background that is not associated with a violation of the protected boundaries of objects and boundaries, while finding the generated signal characterizing the change in the estimates shaping noise dispersion between thresholds u ₁ and u ₂ are considered as interferences that are associated with an increased influence of external influences on the sensitive element of the detectors, but do not indicate a violation of the protection zone, and only the fact that the formed signal exceeds the estimates of the shaping noise dispersion threshold u ₃ is used for generating an alarm signal, while to increase the probability of detecting an intruder according to the calculated estimates of the variance of the shaping noise, various algorithms are used to compensate for interference in the generated signal, which characterizes the change in time of the estimates of the variance of the shaping noise.

Недостаток способа [4] в том, что он ориентирован на задачи охраны рубежей объектов и границ. Для целей, связанных с обеспечением безопасности железнодорожного движения, он может быть использован без внесения существенных изменений для решения следующих задач (фиг. 1):The disadvantage of the method [4] is that it is focused on the tasks of protecting the boundaries of objects and boundaries. For purposes related to ensuring the safety of railway traffic, it can be used without significant changes to solve the following problems (Fig. 1):

- обеспечения охраны важных объектов и инженерных сооружения железнодорожной инфраструктуры;- ensuring the protection of important facilities and engineering structures of the railway infrastructure;

- контроля проведения и обеспечения безопасности выполнения ремонтных работ.- monitoring and ensuring the safety of repair work.

Он хорошо работает при сосредоточенных точечных воздействиях в виде импульсных откликов формируемого сигнала на шаги обслуживающего персонала и нарушителей, на работу различными инструментами (фиг. 1).It works well with concentrated point effects in the form of impulse responses of the generated signal to the steps of the attendants and violators, to the work of various tools (Fig. 1).

Способ [4] является наиболее близким к предлагаемому изобретению по используемым методам математической обработки сигналов, формируемых рефлектометрами. При их применении появляются новые возможности для повышения сигнализационной надежности распределенного датчика на основе ВОК, которые связаны с обеспечением привязки сигналов, формируемых рефлектометрами, к опорам электросети, которые с достаточной точностью привязаны к координатам местности и железнодорожного пути.The method [4] is the closest to the proposed invention in terms of the methods used for mathematical processing of signals generated by reflectometers. When they are used, new opportunities appear to improve the signaling reliability of a distributed sensor based on FOC, which are associated with ensuring the binding of signals generated by reflectometers to power grid supports, which are tied with sufficient accuracy to the coordinates of the terrain and the railway track.

Однако и у способа-аналога [4] также есть свои недостатки. Они проявляются в том, что выходные электрические сигналы, формируемые рефлектометром при прохождении подвижного состава (ПС), представленные на фиг. 3(A) в виде когнитивной (знаниепорождающей) графики, искажены помехами. В результате применения алгоритмов АНФ получают более четко выраженные границы верхней и нижней линий (фиг. 3(Б)), представленных в момент времени значениями

и

соответственно. Они определяют в каждый момент времени (t_i), соответствующий выдаче рефлектометром сигнала в виде рефлектограмм, начало

и окончание

поезда. При этом значения

и

восстановлены со случайными ошибками

и

However, the analog method [4] also has its drawbacks. They manifest themselves in the fact that the output electrical signals generated by the reflectometer during the passage of the rolling stock (RS), shown in Fig. 3(A) in the form of cognitive (knowledge generating) graphics, distorted by noise. As a result of applying ANF algorithms, more clearly defined boundaries of the upper and lower lines are obtained (Fig. 3(B)), represented at the moment of time by the values

And

respectively. They determine at each moment of time (t _i ) corresponding to the output of a signal in the form of reflectograms by the reflectometer, the beginning

and ending

trains. At the same time, the values

And

restored with random errors

And

В результате применения алгоритмов АНФ, как это следует из анализа графических изображений, приведенных на фиг. 3(Б), ошибки измерений не устраняются, а только уменьшаются по абсолютной величине

и

где

и

- ошибки, содержащиеся в сигнале, формируемом рефлектометром. Но они также являются случайными. Для уменьшения погрешностей определения длины поезда значения

аппроксимируют соответствующими прямыми, которые представлены на фиг. 3(B). В результате этого длину поезда определяют, как

где

и

- уточненные значения A_ti и B_ti, которые получили в результате аппроксимации экспериментальных данных соответствующими прямыми

As a result of applying the ANF algorithms, as follows from the analysis of the graphic images shown in Fig. 3(B), measurement errors are not eliminated, but only decrease in absolute value

And

Where

And

- errors contained in the signal generated by the reflectometer. But they are also random. To reduce the errors in determining the length of the train, the values

are approximated by the corresponding straight lines, which are shown in Fig. 3(B). As a result, the length of the train is determined as

Where

And

- refined values of A _ti and B _ti , which were obtained as a result of the approximation of experimental data by the corresponding straight lines

Очередная операция, направленная на повышение точности получаемых оценок длины поезда, связана с усреднением в каждый момент времени получаемых разностей

между уточненными значениями, определяющими начало

и хвост

ПС.The next operation, aimed at improving the accuracy of the obtained train length estimates, is associated with averaging the obtained differences at each time moment

between the refined values that define the start

and tail

PS.

Исходными данными для работы алгоритма являются оценки сигнала, полученные после обработки адаптивным фильтром. На фиг. 3(A) представлен когнитивный график исходного сигнала, а на фиг. 3(Б) обработанный адаптивным фильтром.The initial data for the operation of the algorithm are the signal estimates obtained after processing by the adaptive filter. In FIG. 3(A) is a cognitive plot of the original signal, and FIG. 3(B) processed by the adaptive filter.

На фиг. 3(B) приведены уточненные в результате аппроксимации графики изменения («перемещения») границ сигнала, которые появляются в результате воздействия электропоезда на распределенный датчик при прохождении выбранного отрезка пути, определяемого интервалом времени оценивания (Δt_o).In FIG. Figure 3(B) shows, as a result of the approximation of the graphs of change ("movement") of the signal boundaries, which appear as a result of the action of the electric train on the distributed sensor during the passage of the selected segment of the path, determined by the estimation time interval (Δt _o ).

Оценку длины состава осуществляют путем вычисления среднеарифметических величин, соответствующих значениям, определяющим собой границы сигнала. На фиг. 3(Б) они определены на заданном временном интервале измерений и обозначены стрелкой соответствия. Как следует из иллюстрации (фиг. 3(Б)) выбранный для измерений временной интервал оценивания (Δt_o) составлял 21,5 секунду (Δt_o=21,5 с).Estimation of the length of the composition is carried out by calculating the arithmetic mean values corresponding to the values that define the boundaries of the signal. In FIG. 3(B) they are determined at a given time interval of measurements and are indicated by a correspondence arrow. As follows from the illustration (Fig. 3(B)) selected for measurement evaluation time interval (Δt _o ) was 21.5 seconds (Δt _o =21.5 s).

Следующая операция предлагаемого способа связана с получением оценок длины (целостности) поезда, скорости и направления движения ПС, для чего используют алгоритм определения длины и целостности подвижного состава на основе получения средне арифметических значений оценок расстояния S_t=X_t2-X_t1, которые представляют, как результаты определения длины и целостности подвижного состава, которые затем используют для определения скорости движения поезда по формуле:The next operation of the proposed method is associated with obtaining estimates of the length (integrity) of the train, speed and direction of movement of the PS, for which they use an algorithm for determining the length and integrity of the rolling stock based on obtaining the arithmetic mean values of the distance estimates S _t =X _t2 -X _t1 , which represent, as the results of determining the length and integrity of the rolling stock, which are then used to determine the speed of the train according to the formula:

где X_t1 - положение границы сигнала в момент времени t₁;where X _t1 - the position of the signal boundary at time t ₁ ;

X_t2 - положение границы сигнала в момент времени t₂;X _t2 - position of the signal boundary at time t ₂ ;

Δt=t₂-t₁ - временной интервал между анализируемыми событиями.Δt=t ₂ -t ₁ - time interval between the analyzed events.

Для повышения точности оценивания, как уже было отмечено, используют предварительную линейную аппроксимацию положений левой и правой границы на заданном интервале времени. Получаемые при этом значения скоростей перемещения начала и конца поезда (левой и правой границ сигнала) равны тангенсам углов α₁ и α₂ (фиг. 3 (Г)). В зависимости от направления движения, скорости принимают положительные значения (при движении к рефлектометру) (фиг. 4), или отрицательные (при движении объекта от рефлектометра) (фиг. 3).To improve the estimation accuracy, as already noted, a preliminary linear approximation of the positions of the left and right boundaries is used for a given time interval. The resulting values of the speeds of movement of the beginning and end of the train (left and right signal boundaries) are equal to the tangents of the angles α ₁ and α ₂ (Fig. 3 (D)). Depending on the direction of movement, the velocities take positive values (when moving towards the reflectometer) (Fig. 4), or negative (when the object moves away from the reflectometer) (Fig. 3).

Для случая, иллюстративные материалы которого представлены на фиг. 3, вычисленная средняя скорость поезда была равна: V₁=- 57 км/ч (при этом знак «-» соответствует движению от рефлектометра). При противоположном движении поезда его скорость была равна: V₂=52 км/ч.For the case illustrated in FIG. 3, the calculated average speed of the train was equal to: V ₁ =- 57 km/h (in this case, the "-" sign corresponds to the movement from the reflectometer). With the opposite movement of the train, its speed was equal to: V ₂ =52 km/h.

Экспериментально установлено, что определяемые в результате операции аппроксимации значения тангенсов углов ai и аг, если быть точными, не совпадают.It has been experimentally established that the values of the tangents of the angles ai and α determined as a result of the approximation operation, to be exact, do not coincide.

Причина этого заключена в эффекте Доплера, существование которого в ВОК размещенном вдоль железнодорожного полотна не вызывает сомнений. Однако из-за больших искажений вибрационных измерений различного рода помехами не удавалось определить, как эффект Доплера может проявляться в результатах виброизмерений, полученных при рефлектометрии.The reason for this lies in the Doppler effect, the existence of which in the FOC located along the railway track is beyond doubt. However, due to large distortions of vibration measurements of various kinds, it was not possible to determine how the Doppler effect can manifest itself in the results of vibration measurements obtained by reflectometry.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы определить в каком виде он может проявиться. Без этого теоретические исследования, посвященные эффекту Доплера, могут еще долгое время восприниматься, как некая абстракция. Теория Дж. Максвелла, которую воспринимают, как пример невообразимого достижения человеческого разума, также долгое время оставалась бы математической абстракцией, если бы не появился изобретатель Г. Герц, который экспериментально доказал наличие электромагнитных волн при грозовых разрядах. Самые общие положения, относящиеся к проявлению эффекта Доплера, заключаются в том, что результаты измерений (в нашем случае виброакустических) меняют знак на противоположный при движении к измерительному средству и от него. В нашем случае это вычисляемые на основе полученных измерений тангенсы (tg α₁ и tg α₂) углов наклона α₁ и α₂ прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда, соответственно (фиг. 3(Б,В,Г)) и фиг. 4(А,Б,В)). Кроме того, он также проявляется в том, что прямые, аппроксимирующие значения движения головы и хвоста поезда не являются, строго говоря, параллельными (фиг. 3(Г,Д)) и фиг. 4(В,Г)).The essence of the proposed invention is to determine in what form it can manifest itself. Without this, theoretical studies on the Doppler effect can be perceived as some kind of abstraction for a long time. The theory of J. Maxwell, which is perceived as an example of an unimaginable achievement of the human mind, would also have remained a mathematical abstraction for a long time if the inventor G. Hertz had not appeared, who experimentally proved the presence of electromagnetic waves in lightning discharges. The most general provisions related to the manifestation of the Doppler effect are that the results of measurements (in our case, vibroacoustic ones) change sign to the opposite when moving towards and away from the measuring device. In our case, these are the tangents (tg α ₁ and tg α ₂ ) of the angles of inclination α ₁ and α ₂ of the straight lines calculated on the basis of the obtained measurements, approximating the movement of the head and tail of the train, respectively (Fig. 3(B, C, D)) and Fig. . 4(A, B, C)). In addition, it also manifests itself in the fact that the direct, approximating values of the movement of the head and tail of the train are not, strictly speaking, parallel (Fig. 3(D, E)) and Fig. 4(C,D)).

На приведенных графиках (фиг. 3(Г)) он обнаруживается в том, что прямые, аппроксимирующие значения движения головы и хвоста поезда незначительно расходятся. При движении в противоположном направлении (при движении по направлению к рефлектометру) они, наоборот, сходятся фиг. 4(В,Г)).On the graphs shown (Fig. 3(D)) it is found in the fact that the straight lines approximating the values of the movement of the head and tail of the train diverge slightly. When moving in the opposite direction (when moving towards the reflectometer), on the contrary, they converge fig. 4(C,D)).

Появление эффекта Доплера вызвано тем, что вибрационные воздействия от колесных пар через грунт при движении состава вызывают возмущение неоднородностей в параллельно уложенном ВОК. Теоретические основы появления эффекта Доплера состоят в следующем.The appearance of the Doppler effect is due to the fact that the vibration effects from the wheelsets through the ground during the movement of the train cause a perturbation of inhomogeneities in a parallel-laid FOC. The theoretical foundations for the appearance of the Doppler effect are as follows.

Скорость передвижения зон возмущенных неоднородностей по уложенному вдоль железнодорожного полотна ВОК равна скорости передвижения состава. При этом частоты прямого излучения и частоты излучения сигнала обратного рассеяния должны отличаться из-за эффекта Доплера. Поэтому считается теоретически возможным определение скорости передвижения зон возмущенных неоднородностей, которая совпадает со скоростью состава, на основе эффекта Доплера. Но как это должно было отразиться в сигнале? И можно ли выявить те незначительные его изменения, которые связаны с эффектом Доплера на фоне помех, которые его маскируют? Они настолько значительны по величине при традиционном вибрационном измерении, что достоверность полученных результатов обработки линий движения головы и хвоста поезда и их расхождения под влиянием эффекта Доплера может вызывать сомнения. Об этом свидетельствуют и полученные результаты обработки с использованием алгоритмов АНФ (фиг. 3(Б,В)) и (фиг. 4(А,Б)).The speed of movement of zones of perturbed inhomogeneities along the FOC laid along the railway track is equal to the speed of movement of the train. In this case, the frequencies of the direct radiation and the frequencies of the radiation of the backscattered signal should differ due to the Doppler effect. Therefore, it is considered theoretically possible to determine the speed of movement of zones of perturbed inhomogeneities, which coincides with the speed of the composition, based on the Doppler effect. But how should this be reflected in the signal? And is it possible to identify those minor changes that are associated with the Doppler effect against the background of noise that masks it? They are so significant in terms of traditional vibration measurement that the reliability of the results of processing the lines of movement of the head and tail of the train and their divergence under the influence of the Doppler effect can be questionable. This is also evidenced by the results of processing using the ANF algorithms (Fig. 3(B, C)) and (Fig. 4(A, B)).

Но сомнения оказываются несостоятельными, когда анализу подвергают когнитивные графики, приведенные на фиг. 5(В,Г) и фиг. 7(B). А они получены при использовании предлагаемого изобретения, когда среднюю мощность сигнала, формируемого рефлектометром, существенно поднимают по величине, в результате чего под ним появляется подставка. При этом на фиг. 5(А,Б) представлены результаты вибрационных измерений, когда «маркер», искусственно вводимый при механическом соединении ВОК с железным прутом заземления опор токонесущей сети. В результате этого, получают новый тип реакции сигнала, формируемого рефлектометром, на появление поезда на контролируемом участке железнодорожного пути: он, как бы поднимается на «ножках» над помеховым фоном (фиг. 6(Б)) в отличие от аналогичного проявления без использования «маркера» (фиг. 6(A)). В результате этого, могут быть определены и требования, которые должны предъявляться к организационно-техническим мероприятиям, связанным, например, с прокладкой ВОК вдоль железнодорожного полотна, и к математическим методам обработки сигнала, формируемого рефлектометром.But doubts are untenable when the cognitive graphs shown in Fig. 1 are analyzed. 5(C,D) and FIG. 7(B). And they are obtained using the proposed invention, when the average power of the signal generated by the reflectometer is significantly increased in value, as a result of which a stand appears under it. Meanwhile, in FIG. 5(A,B) shows the results of vibration measurements when the "marker" is artificially introduced when the FOC is mechanically connected to the iron ground rod of the current-carrying network supports. As a result, a new type of response of the signal generated by the reflectometer to the appearance of the train on the controlled section of the railway track is obtained: it, as it were, rises on “legs” above the interference background (Fig. 6 (B)) in contrast to a similar manifestation without using “ marker" (Fig. 6(A)). As a result of this, the requirements that should be imposed on the organizational and technical measures associated, for example, with the laying of a fiber optic cable along the railway track, and on the mathematical methods for processing the signal generated by the reflectometer, can be determined.

Один из способов такого подъема, который можно отнести к организационно-техническим мероприятиям, связан с использованием элементов обеспечения непосредственного воздействия вибраций, вызываемых ПС, на ВОК [2]. Он наиболее простой в плане понимания предлагаемого способа повышения сигнализационной надежности датчика, сенсора или извещателя на основе ВОК, но не единственный. Кроме того, он требует реализации некоторых других условий, при которых данный эффект проявляется. Организационно введение «маркера» в сигнал, формируемый рефлектометром, может быть реализовано за счет повышенной чувствительности датчика, сенсора или извещателя на основе ВОК при наличии на пути следования поезда инженерных сооружений в виде мостов и тоннелей. Но их количество может быть недостаточным для повышения сигнализационной надежности датчика, сенсора или извещателя на основе ВОК.One of the methods of such a rise, which can be attributed to organizational and technical measures, is associated with the use of elements to ensure the direct impact of vibrations caused by the SS on the FOC [2]. It is the simplest in terms of understanding the proposed method for improving the signaling reliability of a sensor, sensor or detector based on a FOC, but not the only one. In addition, it requires the implementation of some other conditions under which this effect manifests itself. Organizationally, the introduction of a “marker” into the signal generated by the reflectometer can be implemented due to the increased sensitivity of the sensor, sensor or detector based on the FOC in the presence of engineering structures in the form of bridges and tunnels along the train route. But their number may not be sufficient to improve the signaling reliability of the sensor, sensor or detector based on the FOC.

В данном способе предлагаются математические методы обработки сигнала, формируемый рефлектометром, обеспечивающие его подъем над «нулевым» уровнем, идентифицируемым как помеховое воздействие. В результате этого он также, как и в случае, представленном на фиг. 6(Б), поднимается «на ножках» при непосредственном приближении поезда к контролируемому участку пути. При этом мощность сигнала, формируемый рефлектометром, после его предварительной обработки увеличивается на несколько порядков, о чем можно судить в результате сравнения графиков, приведенных на фиг. 6(A) и фиг. 6(Б), а также данных, представленных на фиг. 8.This method proposes mathematical methods for processing the signal generated by the reflectometer, providing its rise above the "zero" level, identified as interference. As a result of this, just as in the case shown in Fig. 6(B), rises "on legs" when the train directly approaches the controlled section of the track. In this case, the power of the signal generated by the reflectometer, after its preliminary processing, increases by several orders of magnitude, which can be judged by comparing the graphs shown in Fig. 6(A) and FIG. 6(B), as well as the data shown in FIG. 8.

Сущностные характеристики заявляемого изобретения заключаются также в том, что его использование, помимо уточнения местоположения ПС, обеспечивающего контроль его целостности, позволяет определять скорость движения поезда. При этом скорость движения ПС определяют, как на основе оценки тангенсов наклона аппроксимированных или восстановленных при обработке данных, определяющих начало и хвост поезда, так и путем оценивания их расхождения. В последнем случае на получаемых и регистрируемых сигналах наблюдается проявление эффекта Доплера, существование которого теоретически было обосновано. Однако значительные погрешности проводимых до настоящего времени вибрационных измерений не позволяли обнаружить его проявление в сигналах, формируемых рефлектометрами. Такая возможность появляется при использовании предлагаемого изобретения.The essential characteristics of the claimed invention also lie in the fact that its use, in addition to specifying the location of the PS, which provides control of its integrity, allows you to determine the speed of the train. At the same time, the speed of movement of the PS is determined both on the basis of estimating the slope tangents of the approximated or restored data during processing, which determine the beginning and tail of the train, and by estimating their discrepancy. In the latter case, the Doppler effect is observed on the received and recorded signals, the existence of which has been theoretically substantiated. However, significant errors in the vibration measurements carried out so far did not make it possible to detect its manifestation in the signals generated by reflectometers. This possibility appears when using the present invention.

Одна из отличительных особенностей использования распределенного датчика на основе ВОК и рефлектометров в качестве приборов измерений, заключается в высоком уровне неопределенности (ΔS_э) при оценивании длины поезда. Она оказывается значительной за счет того, что датчик на основе ВОК формирует сигналы с высоким энергетическим потенциалом впереди поезда и после того, как ПС окажется за пределами того участка, на котором проводят измерения. При использовании предлагаемого изобретения уровень неопределенности (ΔS_э) существенно уменьшается. Этот эффект показан на иллюстрациях, приведенных на фиг. 8.One of the distinguishing features of using a distributed sensor based on FOC and reflectometers as measuring instruments is the high level of uncertainty (ΔS _e ) when estimating the train length. It turns out to be significant due to the fact that the FOC-based sensor generates signals with a high energy potential ahead of the train and after the MS is outside the area where the measurements are taken. When using the proposed invention, the level of uncertainty (ΔS _e ) is significantly reduced. This effect is shown in the illustrations in Fig. 8.

Ко второму источнику повышения средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, относят в соответствии с операциями, составляющими основу предлагаемого способа, новые прикладные математические методы. К их числу относят методы адаптивной нелинейной фильтрации (АНФ) [4], о чем свидетельствуют иллюстрации, приведенные на фиг. 3 и фиг. 4. К ним также относят и методы конструктивной теории конечных полей (фиг. 9) [5].The second source of increasing the average power of the signal generated by the reflectometer, include in accordance with the operations that form the basis of the proposed method, new applied mathematical methods. Among them are the methods of adaptive nonlinear filtering (ANF) [4], as evidenced by the illustrations shown in Fig. 3 and FIG. 4. They also include methods of the constructive theory of finite fields (Fig. 9) [5].

Использование обработки сигнала, формируемого на основе алгоритмов АНФ, выгодно отличается помимо уменьшения уровня помех еще и тем, что при этом увеличивают мощность сигналов отклика на воздействия, оказываемые поездом. В результате появляется более остро выраженный на уровне формируемого сигнала контраст между помеховым фоном и самим воздействием. Особенность математического аппарата АНФ заключается в том, что полученные при его использовании обработанные сигналы рефлектометра откликаются только на импульсные воздействия, что сопровождается их существенным усилением. При наличии помехового фона они незначительные. При появлении поезда на контролируемом участке железной дороги они становятся наиболее выраженными (их амплитуда увеличивается на несколько порядков) (фиг. 5). В результате этого среднюю мощность сигнала, формируемого после рефлектометра адаптивным фильтром на основе алгоритма АНФ, также увеличивают. При этом сигнал, получаемый после обработки с использованием АНФ, поднимается над исходным «нулевым» уровнем (фиг. 6). Если допустимо такое сравнение, то он «поднимается на ножки». Этот эффект имеет определяющее значение для идентификации целостности ПС и подсчета количества его вагонов.The use of signal processing generated on the basis of ANF algorithms favorably differs, in addition to reducing the level of interference, in that it also increases the power of the response signals to the effects exerted by the train. As a result, a more pronounced contrast between the interference background and the impact itself appears at the level of the generated signal. A feature of the ANF mathematical apparatus is that the processed reflectometer signals obtained using it respond only to impulse actions, which is accompanied by their significant amplification. In the presence of interference background, they are insignificant. When a train appears on the controlled section of the railway, they become most pronounced (their amplitude increases by several orders of magnitude) (Fig. 5). As a result, the average power of the signal generated after the reflectometer by the adaptive filter based on the ANF algorithm is also increased. In this case, the signal obtained after processing using ANF rises above the initial "zero" level (Fig. 6). If such a comparison is permissible, then he "rises to his feet." This effect is of decisive importance for identifying the integrity of the substation and counting the number of its wagons.

Поэтому одна из задач изобретения заключена в определении и реализации дополнительных условий, которые позволили бы избирательно поднять среднюю мощность сигнала, формируемого при использовании АНФ, еще выше.Therefore, one of the objectives of the invention lies in the definition and implementation of additional conditions that would selectively increase the average power of the signal generated when using the ANF, even higher.

Как уже было отмечено ранее, один из организационно-технических способов, позволяющий дополнительно повысить среднюю мощность сигнала, формируемого при использовании АНФ, заключается в применении операции, обеспечивающей непосредственную передачу вибраций в заранее определенных местах от стыков рельс к волоконно-оптическому датчику. В изобретении [2] осуществляют передачу вибраций через часть элементов, которые расположены рядом с проводниками заземления опор линии продольного энергоснабжения на рельсы или рядом с рельсовым стыковым соединением. Однако эту операцию проводят для уточнения местоположения ПС за счет предварительного обеспечения географической привязки опор линии продольного энергоснабжения.As noted earlier, one of the organizational and technical methods that makes it possible to further increase the average power of the signal generated when using ANF is to use an operation that ensures the direct transmission of vibrations in predetermined places from the rail joints to the fiber optic sensor. In the invention [2], vibrations are transmitted through a part of the elements that are located next to the grounding conductors of the supports of the longitudinal power supply line to the rails or next to the rail butt joint. However, this operation is carried out to clarify the location of the substation due to the preliminary provision of georeferencing of the supports of the longitudinal power supply line.

Проведенные исследования показывают, что этому также способствует повышение уровня воздействий проходящего поезда на ЧЭ распределенного датчика при использовании устройств и способов непосредственного воздействия в определенных местах на оболочку ВОК. Одно из таких решений составляет основу патента-прототипа [2], когда «определенное место оболочки ВОК, координаты которого известны, механически соединяют с рельсом железнодорожного посредством элемента, обеспечивающего непосредственную передачу вибраций». Однако его используют для повышения точности привязки сигнала, формируемого рефлектометром, к месту событий, на которые он откликается формированием информационного сигнала.The conducted studies show that this is also facilitated by an increase in the level of influence of a passing train on the SE of a distributed sensor when using devices and methods of direct impact in certain places on the FOC shell. One of these solutions forms the basis of the prototype patent [2], when “a certain place of the FOC shell, the coordinates of which are known, is mechanically connected to the railway rail by means of an element that provides direct transmission of vibrations.” However, it is used to improve the accuracy of binding the signal generated by the reflectometer to the place of events to which it responds with the formation of an information signal.

В предлагаемом изобретении непосредственную передачу вибраций в заранее определенных местах от рельса к волоконно-оптическому датчику (ВОД) проводят для достижения дополнительной цели, заключающейся в повышении средней мощности сигнала, формируемого при использовании алгоритмов АНФ. Результаты проведенных натурных экспериментов приведены на фиг. 7. На фиг. 7(A) представлен когнитивный график последовательности сигналов, формируемых рефлектометром с частотой 1250 Гц, который получен после использования алгоритмов АНФ, без непосредственной передачи вибраций от рельс к волоконно-оптическому датчику, механически соединенным с прутом заземления, соединяющих опору линии продольного энергоснабжения с рельсом. На нем видны, как и на фиг. 3 и фиг. 4, видны искажения, которые приводят к погрешностям определения длины ПС и его целостности. На фиг. 7(Б) представлен сигнал рефлектометра после его обработки с использованием алгоритмов АНФ. При этом по сравнению с существующей практикой использования ВОД по аналогичному назначению значительно обострен контраст между помеховым фоном (шумом) и сигналами, которые определяют длину ПС.In the present invention, the direct transmission of vibrations at predetermined locations from the rail to the fiber optic sensor (FOS) is carried out to achieve the additional goal of increasing the average signal power generated using ANF algorithms. The results of the field experiments are shown in Fig. 7. In FIG. 7(A) is a cognitive graph of the signal sequence generated by a reflectometer with a frequency of 1250 Hz, which is obtained after using ANF algorithms, without direct transmission of vibrations from the rail to the fiber optic sensor, mechanically connected to the ground rod, connecting the longitudinal power line support to the rail. It shows, as in Fig. 3 and FIG. 4, distortions are visible, which lead to errors in determining the length of the PS and its integrity. In FIG. 7(B) shows the reflectometer signal after its processing using ANF algorithms. At the same time, compared with the existing practice of using FOS for a similar purpose, the contrast between the interference background (noise) and the signals that determine the length of the PS is significantly sharpened.

Далее на фиг. 7(B) представлен случай проведения вибрационных измерений при использовании предлагаемого изобретения. Из сравнительного анализа полученных результатов обработки сигнала рефлектометра при использовании алгоритмов АНФ следует, что точность определения длины ПС стала существенно выше, и отличительная особенность измерений при использовании предлагаемого изобретения стала несравнимо больше проявляться в подъеме среднего уровня сигнала над помеховым фоном, что показано при численном представлении на фиг. 7(Г).Further in FIG. 7(B) shows a case where vibration measurements were taken using the present invention. From a comparative analysis of the results of reflectometer signal processing using ANF algorithms, it follows that the accuracy of determining the PS length has become significantly higher, and a distinctive feature of measurements using the proposed invention has become incomparably more manifest in the rise in the average signal level above the noise background, which is shown in the numerical representation in Fig. fig. 7(D).

В результате этого существенно уменьшается неопределенность идентификации длины ПС, что показано на основе реальных сигналов на фиг. 8. На фиг. 8 внизу показано, как изменился сам сигнал, формируемых рефлектометром при применении алгоритмов АНФ при использовании операций, обеспечивающих дополнительное повышение среднего уровня сигнала над помеховым фоном.As a result, the uncertainty in identifying the length of the PS is significantly reduced, as shown in FIG. 8. In FIG. Figure 8 below shows how the signal itself, generated by the reflectometer, has changed when using ANF algorithms when using operations that provide an additional increase in the average signal level above the noise background.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что способ, реализованный в патенте [2], относится к числу достаточно простых в плане реализации и наиболее показательных в части демонстрации появляющегося при этом дополнительного положительного технического эффекта, но он не единственный. Подобный эффект также дополнительно может быть повышен за счет применения прикладной математики более высокого уровня по сравнению, в том числе, и по сравнению с тем, что дает использование алгоритмов АНФ [4] и алгоритмов конструктивной теории конечных полей [5]. Также к числу такого нового направления использования дополнительного математического аппарата при решении актуальных задач обеспечения безопасности железнодорожного движения следует, например, отнести:The conducted experimental studies have shown that the method implemented in the patent [2] is one of the rather simple in terms of implementation and the most indicative in terms of demonstrating the additional positive technical effect that appears in this case, but it is not the only one. Such an effect can also be additionally increased by applying applied mathematics of a higher level compared to, among other things, compared to what the use of ANF algorithms [4] and constructive finite field theory algorithms [5] gives. Also among such a new direction of using an additional mathematical apparatus in solving urgent problems of ensuring the safety of railway traffic should, for example, include:

1) использование волновой теории вибрационных воздействия, позволяющей более точно представить результат рефракции и интерференции волн, источниками которых является множество колесных пар, наезжающих на стыки рельсовых соединений;1) the use of the wave theory of vibrational effects, which makes it possible to more accurately represent the result of refraction and interference of waves, the sources of which are a plurality of wheel sets that run into the joints of rail joints;

2) сокращение неопределенности идентификации длины и повышения точности определения местоположения (AS₃) (фиг. 8) за счет дополнительного обострения переходных процессов импульсных сигналов [5,6] и уточнения количества вагонов на основе появляющегося нового соответствия между минимумами импульсных откликов сигнала, сформированного после использования алгоритмов АНФ и числом вагонных пар (фиг. 8).2) reducing the length identification uncertainty and increasing the location accuracy (AS ₃ ) (Fig. 8) due to the additional sharpening of the transients of impulse signals [5,6] and the refinement of the number of cars based on the emerging new correspondence between the minima of the impulse responses of the signal formed after the use of ANF algorithms and the number of car pairs (Fig. 8).

В качестве математического аппарата, применение которого приводит к дополнительному, помимо алгоритмов АНФ, повышению среднего уровня сигнала в данном изобретении используют нетрадиционное представление значений исходных цифровых сигналов, формируемых рефлектометрами, образами-остатками [5]. Пример такого преобразования приведен на фиг. 9, где на фиг. 9(a) представлен исходный сигнал, формируемых рефлектометром в момент времени t_i, а на фиг. 9(6) результаты, получаемые при нетрадиционном представлении значений N=2n - разрядных исходных цифровых сигналов образами-остатками. В результате увеличения при таком структурно-алгоритмическом преобразовании (САП) минимального кодового расстояния d_min в 2ⁿ+1 раз, формируемый сигнал усиливают по амплитуде в соответствующее число раз (фиг. 9(6)). При этом повышается частота появления быстроменяющихся значений преобразованного сигнала рефлектометра, а на их изменение реагирует адаптивный нелинейный фильтр, реализующий алгоритмы АНФ, из-за чего уровень средней мощности сигнала на выходе системы обработки существенно увеличивают. В итоге, увеличивают значение подставки под сигнал, соответствующий появлению ПС на контролируемом участке железной дороги (фиг. 8), а неопределенность измерения длины поезда уменьшают.As a mathematical apparatus, the use of which leads to an additional, in addition to ANF algorithms, increase in the average signal level, this invention uses an unconventional representation of the values of the original digital signals generated by reflectometers, residual images [5]. An example of such a transformation is shown in Fig. 9, where in FIG. 9(a) shows the original signal generated by the reflectometer at time t _i , and FIG. 9(6) the results obtained with an unconventional representation of the values of N=2n - bit original digital signals by residual images. As a result of an increase in the minimum code distance d _min by 2 ⁿ +1 times with such a structural-algorithmic transformation (SAP), the generated signal is amplified in amplitude by the corresponding number of times (Fig. 9(6)). In this case, the frequency of occurrence of rapidly changing values of the converted reflectometer signal increases, and an adaptive nonlinear filter that implements ANF algorithms reacts to their change, due to which the level of the average signal power at the output of the processing system is significantly increased. As a result, the value of the support for the signal corresponding to the appearance of the PS on the controlled section of the railway is increased (Fig. 8), and the measurement uncertainty of the train length is reduced.

Также может быть использован и модернизированный математический аппарат, описанный в [3]. Но в том виде, в котором он представлен в [3], его применение не может дать ожидаемого преимущества при расширенном прикладном использовании. Он ориентирован на какие-то частные случаи, примером которых может служить иллюстрация, приведенная на фиг. 2(Г). Нужно повышать, как показано в предлагаемом изобретении, уровень средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, а математический аппарат, приведенный в [3], эту задачу не решает.The modernized mathematical apparatus described in [3] can also be used. But in the form in which it is presented in [3], its use cannot give the expected advantage in extended applications. It focuses on some special cases, an example of which is the illustration shown in Fig. 2(D). It is necessary to increase, as shown in the proposed invention, the level of the average power of the signal generated by the reflectometer, and the mathematical apparatus given in [3] does not solve this problem.

Предлагаемый способ определяет новые требования, которые предъявляются к разработке и применению нетрадиционных прикладных математических методов.The proposed method defines new requirements for the development and application of non-traditional applied mathematical methods.

В результате отмеченных особенностей появляются дополнительные возможности для устранения недостатков изобретений [1] и [2]. В [1] для обеспечения привязки сигналов рефлектометра были использованы специальные датчики, определяющие пересечение поездом определенной черты, координаты которой были бы точно определены. Однако местоположение датчиков необходимо было бы как-то охранять от случайного или злоумышленного перемещения. Столбы и рельсовые стыковые соединения специальной охране не подлежат. В то же время рельсовые стыковые соединения представляют собой наиболее мощный источник вибрационных воздействий на ЧЭ, в качестве которого используют ВОК. Увеличение силы ударного воздействия колесных пар на рельсовые стыковые соединения сопровождается значительным повышением уровня средней мощности сигнала при использовании маркера. Поэтому при его сравнении с установленными пределами появляется дополнительная возможность использования распределенного волоконно-оптического датчика по дополнительному назначению - для дефектоскопии железнодорожного пути.As a result of the noted features, additional opportunities appear to eliminate the shortcomings of the inventions [1] and [2]. In [1], to ensure the binding of the reflectometer signals, special sensors were used to determine the intersection of a certain line by the train, the coordinates of which would be precisely determined. However, the location of the sensors would need to be somehow guarded against accidental or malicious movement. Poles and rail butt joints are not subject to special protection. At the same time, rail butt joints are the most powerful source of vibration effects on the SE, which is used as a FOC. An increase in the impact force of wheelsets on rail butt joints is accompanied by a significant increase in the level of average signal power when using a marker. Therefore, when it is compared with the established limits, there is an additional possibility of using a distributed fiber-optic sensor for an additional purpose - for flaw detection of a railway track.

На фиг. 5 представлены когнитивный график и рефлектограмма (фиг. 5(A) и фиг. 5(Б)), которые были получены без использования маркера, появление которого связано с обеспечением непосредственного вибрационного воздействия на волоконно-оптический датчик. Пример формирования такого воздействия описан в патенте [2]. На фиг. 5(B) и фиг. 5(Г) приведены когнитивный график и рефлектограмма для случая, когда он используется. Из сравнения значений амплитуд, приведенных на фиг. 5(Б) и фиг. 5(Б), следует, что при отсутствии маркера максимальное значение амплитуд импульсного отклика, формируемого после применения алгоритмов АНФ приближается к условному значению 5×10³. В то же время при использовании маркера оно становится равным: 1,8×10⁷. В результате этого сигнал рефлектометра, сформированный после использования алгоритмов АНФ, при наличии вибрационных воздействия, вызванных движением поезда, значительно поднимается по среднему уровню и становится на подставку, которую называют «ножками» сигнала (фиг. 6).In FIG. Figure 5 shows a cognitive graph and a reflectogram (Figure 5(A) and Figure 5(B)), which were obtained without the use of a marker, the appearance of which is associated with providing a direct vibration effect on the fiber optic sensor. An example of the formation of such an impact is described in the patent [2]. In FIG. 5(B) and FIG. 5(D) shows the cognitive graph and reflectogram for the case when it is used. From a comparison of the amplitude values shown in FIG. 5(B) and FIG. 5(B), it follows that in the absence of a marker, the maximum value of the amplitudes of the impulse response formed after applying the ANF algorithms approaches the conditional value of 5×10 ³ . At the same time, when using a marker, it becomes equal to: 1.8×10 ⁷ . As a result, the reflectometer signal generated after using the ANF algorithms, in the presence of vibrational effects caused by the movement of the train, rises significantly along the average level and stands on a stand, which is called the "legs" of the signal (Fig. 6).

Этот подъем становится еще более выраженным при наличии маркера, примером которого появляется при использовании патента [2]. Но идея, составляющая основу появления патента [2], заключалась в том, чтобы обеспечить более точную привязку формируемого сигнала к географическим координатам того места железнодорожного пути, на котором сигнал, формируемый рефлектометром, был получен.This rise becomes even more pronounced in the presence of a marker, an example of which appears when using a patent [2]. But the idea that formed the basis for the appearance of the patent [2] was to provide a more accurate binding of the generated signal to the geographical coordinates of the place on the railway track where the signal generated by the reflectometer was received.

А при использовании предлагаемого изобретения обеспечивают еще и одновременное определение уточненной длины ПС, а также его скорости. При этом оценку скорости можно также производить и на основе эффекта Доплера. В результате этого появляется возможности оценивания скорости движения поезда не только на основе аппроксимации линий, определяющих начало и хвост ПС, как это показано на фиг. 3 и фиг. 4, но и на основе учета эффекта Доплера.And when using the proposed invention, they also provide the simultaneous determination of the specified length of the PS, as well as its speed. In this case, the velocity can also be estimated based on the Doppler effect. As a result, it becomes possible to estimate the speed of the train not only on the basis of the approximation of the lines that determine the beginning and tail of the SS, as shown in Fig. 3 and FIG. 4, but also based on the Doppler effect.

Следовательно, существенные характеристики заявляемого изобретения проявляются еще и в том, что на сигнале, формируемом при определенных условиях организации непосредственного воздействия через соответствующие элементы, а также после специальной обработки, способствующих повышению уровня различий между помеховым фоном и полезным сигналом, проявление эффекта Доплера наблюдают в схождении и расхождении прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда.Therefore, the essential characteristics of the claimed invention are also manifested in the fact that on a signal generated under certain conditions for organizing a direct impact through the corresponding elements, as well as after special processing, which contribute to an increase in the level of differences between the interference background and the useful signal, the manifestation of the Doppler effect is observed in convergence and the divergence of straight lines approximating the movement of the head and tail of the train.

На фиг. 10 представлена иллюстрация, поясняющая основополагающие принципы вибрационных измерений, которые используют для определения местоположения, направления движения, скорости и целостности поезда.In FIG. 10 is an illustration explaining the fundamental principles of vibration measurements that are used to determine the location, direction, speed, and integrity of a train.

Кроме того, предлагаемое изобретение составляет основу для решения и других актуальных задач виброакустических измерений, предназначенных для повышения безопасности железнодорожного движения и охраны труда работников ремонтных бригад.In addition, the proposed invention forms the basis for solving other urgent problems of vibroacoustic measurements designed to improve the safety of railway traffic and labor protection of workers in repair teams.

Проведенный анализ и многочисленные экспериментальные исследования позволили сформулировать следующую формулу изобретения.The analysis and numerous experimental studies made it possible to formulate the following claims.

1. Способ оперативного контроля местоположения железнодорожного подвижного состава, его скорости и целостности, при котором используют для определения местоположения подвижного железнодорожного состава и его скорости движения информацию спутниковой радионавигационной навигационной системы, которую поле ее обработки, получения географических координат и формирования соответствующих сообщений передают в центр управления безопасностью железнодорожного движения, обеспечивают привязку формируемых приемником данных к координатам местности, при этом в качестве источника дополнительной информации о местоположении поезда используют проложенный вдоль железнодорожного пути на заданном расстоянии от него волоконно-оптический кабель с подключенным к нему рефлектометром, используемым в качестве измерительного прибора отраженных оптических сигналов, вызванных вибрационным воздействием подвижного состава на распределенный датчик с чувствительным элементом в виде волоконно-оптического кабеля, отличающийся тем, что используют дополнительные операции, которые связаны, как с совершенствованием технологического процесса получения вибрационных измерений на основе Рэлеевского рассеяния в виде размещения волоконно-оптического кабеля вдоль железнодорожного полотна посредством воздушного монтажа и/или его закапывания на различной глубине залегания, в том числе с обеспечением возможности непосредственного вибрационного воздействия через различные элементы, обеспечивающие передачу вибраций, в также прокладку в самом рельсе, путем размещения волоконно-оптического кабеля в карманах, в том числе, и при его жесткой фиксации с допустимым натяжением в местах рельсовых соединений, при котором исключается разрыв волоконно-оптического кабеля, для формирования дополнительного эффекта Бриллюена, позволяющего определять место прохождения колесной парой стыка рельс, контролируя степень растяжения волоконно-оптического кабеля на основе изменения частоты оптического сигнала, так и с математической обработкой сигналов, сформированных оптическими измерительными приборами, в том числе используют алгоритм определения длины и целостности подвижного состава на основе получения среднеарифметических значений оценок расстояния S_t=X_t2-X_t1, которые представляют, как результаты определения длины и целостности подвижного состава, которые затем используют для определения скорости движения поезда по формуле:1. The method of operational control of the location of the railway rolling stock, its speed and integrity, in which the information of the satellite radio navigation navigation system is used to determine the location of the rolling stock and its speed, which is transmitted to the control center in the field of its processing, obtaining geographic coordinates and generating appropriate messages the safety of railway traffic, provide binding of the data generated by the receiver to the coordinates of the area, while as a source of additional information about the location of the train, a fiber-optic cable laid along the railway track at a given distance from it is used with a reflectometer connected to it, used as a measuring device of reflected optical signals caused by the vibrational impact of the rolling stock on a distributed sensor with a sensitive element in the form of a fiber optic cable, characterized in that they use additional operations that are associated both with the improvement of the technological process for obtaining vibration measurements based on Rayleigh scattering in the form of placing a fiber optic cable along the railroad track by means of aerial mounting and/or its burying at different depths, including providing the possibility of direct vibration exposure through various elements that ensure the transmission of vibrations, as well as laying in the rail itself, by placing a fiber-optic cable in pockets, in including, and with its rigid fixation with allowable tension in the places of rail connections, which eliminates the rupture of the fiber-optic cable, to form an additional Brillouin effect, which allows determining the place where the wheelset passes the rail joint, controlling the degree of stretching of the fiber-optic cable based on the change frequency of the optical signal, and with mathematical processing of signals generated by optical measuring instruments, including using an algorithm for determining the length and integrity of the rolling stock based on obtaining the arithmetic mean values of the distance estimates S _t =X _t2 -X _t1 , which are presented as the results of determining the length and the integrity of the rolling stock, which are then used to determine the speed of the train according to the formula:

где X_t1 - положение границы сигнала в момент времени t₁;where X _t1 - the position of the signal boundary at time t ₁ ;

X_t2 - положение границы сигнала в момент времени t₂;X _t2 - position of the signal boundary at time t ₂ ;

Δt=t₂-t₁ - временной интервал между анализируемыми событиями, также осуществляют предварительную линейную аппроксимацию положений левой и правой границ сигнала, формируемого на выходе рефлектометра, воспринимаемых, как границы начала и конца поезда, на заданном интервале времени, получаемые при этом значения тангенсов углов α₁ и α₂ наклона аппроксимирующих прямых, определяющих движение начала и конца поезда, соответственно, используют для уточнения точности оценивания скорости подвижного состава и дополнительного подтверждения данных о направлении движения поезда, получаемые значения скорости движения принимают положительные или отрицательные значения, соответствующие направлению движения объекта контроля к рефлектометру или от него, при этом расхождения значений тангенсов углов α₁ и α₂ аппроксимирующих прямых появляются под влиянием эффекта Доплера, возможность выявления которого свидетельствует о получении полного набора данных измерений, который должен быть при навигационных определениях местоположения, направления и скорости движения контролируемого объекта. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве способов математической обработки сигналов, сформированных оптическими измерительными приборами, используют адаптивную нелинейную фильтрацию,прикладную математическую теорию конечных полей для дополнительного повышения уровня средней мощности сигнала, формируемого оптическими измерительными приборами, за счет повышения его эквивалентной энергетики при представлении цифровых сигналов, формируемых оптическими измерительными приборами, их образами-остатками и операциями, позволяющими уменьшить неопределенности идентификации длины подвижного состава.Δt=t ₂ -t ₁ - the time interval between the analyzed events, also carry out a preliminary linear approximation of the positions of the left and right boundaries of the signal generated at the output of the reflectometer, perceived as the boundaries of the beginning and end of the train, at a given time interval, the resulting values of tangents slope angles α ₁ and α ₂ of the inclination of the approximating straight lines that determine the movement of the beginning and end of the train, respectively, are used to refine the accuracy of estimating the speed of the rolling stock and additional confirmation of data on the direction of the train, the resulting values of the speed of movement take positive or negative values corresponding to the direction of movement of the object control to the reflectometer or from it, while the discrepancies in the values of the tangents of the angles α ₁ and α ₂ of the approximating straight lines appear under the influence of the Doppler effect, the possibility of detecting which indicates the receipt of a complete set of measurement data, which should be in the navigation determination of the location, direction and speed of the controlled object. 2. The method according to claim 1, characterized in that, as methods for mathematical processing of signals generated by optical measuring instruments, adaptive nonlinear filtering, applied mathematical theory of finite fields are used to further increase the average power level of the signal generated by optical measuring instruments, by increasing its equivalent energy in the representation of digital signals generated by optical measuring instruments, their residual images and operations, allowing to reduce the uncertainties in the identification of the length of the rolling stock.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнализационную надежность распределенных сенсоров на основе волоконно-оптических кабелей повышают также путем жесткого соединения с металлическим прутом заземления, соединяющим рельс железнодорожного пути с металлической опорой электросети или столба, в результате чего вибрационные и ударные на стыках рельс воздействия проходящего подвижного железнодорожного состава передают на волоконно-оптический кабель, используемый в качестве распределенного чувствительного элемента при волоконно-оптических измерениях непосредственно, а не через демпфирующую среду грунта или насыпи, обеспечивая при этом существенное, определяемое тысячами раз, превышение амплитуд формируемых волоконно-оптическим кабелем сигналов при одновременной привязке сигналов распределенного извещателя к опорным точкам, связанным с установкой опор и столбов, появляющийся при этом рост средней мощности сигнала, формируемого в результате математической его обработки, используют в качестве дополнительного критерия идентификации длины поезда и целостности его состава.3. The method according to claim 1, characterized in that the signaling reliability of distributed sensors based on fiber optic cables is also increased by a rigid connection to a metal ground rod connecting the rail of the railway track to the metal support of the power grid or pole, resulting in vibration and shock on at the rail junctions, the impact of a passing rolling stock is transmitted to a fiber-optic cable used as a distributed sensitive element in fiber-optic measurements directly, and not through the damping medium of the soil or embankment, while providing a significant, determined by thousands of times, excess of the amplitudes of the formed fiber-optic an optical cable of signals while simultaneously linking the signals of a distributed detector to the reference points associated with the installation of supports and poles, the resulting increase in the average power of the signal generated as a result of its mathematical processing is used as an additional criterion for identifying the length of the train and the integrity of its composition.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения длины ПС и скорости его движения также используют эффект Доплера, который становится наблюдаемым при выполнении следующих условий вибрационных измерений: изменения знака результатов определения направления и скорости движения поезда, получаемых на основе вибрационных измерений с использованием волоконно-оптического датчика в качестве распределенного чувствительного элемента и измерительного прибора - рефлектометра; при увеличении средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, дополнительно проявляющимся в виде схождения и расхождения прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда, а также в существенном повышении отношения сигнал/помеха.4. The method according to claim 1, characterized in that the Doppler effect is also used to determine the length of the SS and its speed, which becomes observable when the following vibration measurement conditions are met: a change in the sign of the results of determining the direction and speed of the train, obtained on the basis of vibration measurements using a fiber-optic sensor as a distributed sensing element and a measuring device - a reflectometer; with an increase in the average power of the signal generated by the reflectometer, which additionally manifests itself in the form of convergence and divergence of straight lines approximating the movement of the head and tail of the train, as well as in a significant increase in the signal-to-noise ratio.

Сущностные характеристики предлагаемого изобретения также проявляются в том, что использование разработанных операций, которые производят над физическими объектами в виде распределенного ВОК и сигналами, формируемыми рефлектометрами, позволяет значительно дополнить возможности спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Использование изобретения позволяет контролировать местоположение, скорость и целостность ПС в тоннелях, а такая возможность отсутствует при использовании СРНС. Кроме того, использование ВОК в качестве распределенного ЧЭ, позволяет восполнить многие из существующих недостатков СРНС. В их числе определение длины поезда и целостности ПС, дефектоскопия, предупреждение аварий и катастроф, вызванных причинами, которые скрыты от наблюдения на больших расстояниях.The essential characteristics of the invention are also manifested in the fact that the use of the developed operations that are performed on physical objects in the form of a distributed FOC and signals generated by reflectometers can significantly complement the capabilities of satellite radio navigation systems (SRNS). The use of the invention makes it possible to control the location, speed and integrity of the substation in tunnels, and this possibility is not available when using the SRNS. In addition, the use of FOC as a distributed SE makes it possible to compensate for many of the existing shortcomings of the SRNS. Among them are the determination of the train length and the integrity of the substation, flaw detection, prevention of accidents and disasters caused by causes that are hidden from observation at long distances.

Использованные источники информацииInformation sources used

1. Волоконно-оптическая система регистрации виброакустических сигналов (патент №2485454, опубл. 20.06.2013 г.1. Fiber-optic system for recording vibroacoustic signals (patent No. 2485454, publ. 06/20/2013

2. Система контроля местоположения поездов, патент RU №2727438, заявка №2019138981, опубл. 21.07.20 г., бюл. №21.2. Train location control system, patent RU No. 2727438, application No. 2019138981, publ. 07/21/20, bul. No. 21.

3. А.В. Тимофеев, Д.И. Грознов «Метод оперативного контроля целостности поездного состава на основе данных оптической когерентной рефлектометрии», Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, том 17, №6.3. A.V. Timofeev, D.I. Groznov "Method of operational control of the integrity of a train set based on optical coherent reflectometry data", Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, volume 17, no. 6.

4. Способ оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ, патент RU №2705770, опубл. 11.11.2019 г., бюл. №32.4. The method of operational and technical protection of the boundaries of objects and borders, patent RU No. 2705770, publ. November 11, 2019, bul. No. 32.

5. Способ оперативно-технической охраны рубежей объектов и границ, патент RU №2674809, опубл. 13.12.2018 г., бюл. №34.5. The method of operational and technical protection of the boundaries of objects and borders, patent RU No. 2674809, publ. December 13, 2018, bul. No. 34.

6. Способ первичной обработки информации с использованием адаптивной нелинейной фильтрации, патент №2672392, опубл. 14.11.2018 г., бюл. №23.6. Method for primary information processing using adaptive nonlinear filtering, publ. November 14, 2018, bul. No. 23.

7. Способ первичной обработки информации с обнаружением и исправлением ошибок передачи, патент №2658795, опубл. 22.06.2018 г., бюл. №13.7. The method of primary processing of information with the detection and correction of transmission errors, patent No. 2658795, publ. 06/22/2018, bul. No. 13.

Claims (8)

1. Способ оперативного контроля местоположения железнодорожного подвижного состава (ПС), его скорости и целостности, при котором используют для определения местоположения подвижного железнодорожного состава и его скорости движения информацию спутниковой радионавигационной навигационной системы, которую после ее обработки, получения географических координат и формирования соответствующих сообщений передают в центр управления безопасностью железнодорожного движения, обеспечивают привязку формируемых приемником данных к координатам местности, при этом в качестве источника дополнительной информации о местоположении поезда используют проложенный вдоль железнодорожного пути на заданном расстоянии от него волоконно-оптический кабель с подключенным к нему рефлектометром, используемым в качестве измерительного прибора отраженных оптических сигналов, вызванных вибрационным воздействием подвижного состава на распределенный датчик с чувствительным элементом в виде волоконно-оптического кабеля, отличающийся тем, что используют дополнительные операции, которые связаны как с совершенствованием технологического процесса получения вибрационных измерений на основе Рэлеевского рассеяния в виде размещения волоконно-оптического кабеля вдоль железнодорожного полотна посредством воздушного монтажа и/или его закапывания на различной глубине залегания, в том числе с обеспечением возможности непосредственного вибрационного воздействия через различные элементы, обеспечивающие передачу вибраций, в также прокладку в самом рельсе, путем размещения волоконно-оптического кабеля в карманах, в том числе, и при его жесткой фиксации с допустимым натяжением в местах рельсовых соединений, при котором исключается разрыв волоконно-оптического кабеля, для формирования дополнительного эффекта Бриллюена, позволяющего определять место прохождения колесной парой стыка рельс, контролируя степень растяжения волоконно-оптического кабеля на основе изменения частоты оптического сигнала, так и с математической обработкой сигналов, сформированных оптическими измерительными приборами, в том числе используют алгоритм определения длины и целостности подвижного состава на основе получения среднеарифметических значений оценок расстояния S_t=X_t2-X_t1, которые представляют как результаты определения длины и целостности подвижного состава, которые затем используют для определения скорости движения поезда по формуле1. The method of operational control of the location of the railway rolling stock (RS), its speed and integrity, in which the information of the satellite radio navigation navigation system is used to determine the location of the rolling stock and its speed, which, after processing it, obtaining geographic coordinates and generating the corresponding messages, is transmitted to the railway safety control center, provide binding of the data generated by the receiver to the local coordinates, while as a source of additional information about the location of the train, a fiber-optic cable laid along the railway track at a given distance from it is used with a reflectometer connected to it, used as a measuring device of reflected optical signals caused by the vibrational action of the rolling stock on a distributed sensor with a sensitive element in the form of a fiber optic cable, characterized in that it uses additional operations that are associated with both the improvement of the technological process for obtaining vibration measurements based on Rayleigh scattering in the form of a fiber optic cable optical cable along the railroad track by means of aerial installation and/or its burial at different depths, including providing the possibility of direct vibration exposure through various elements that ensure the transmission of vibrations, as well as laying in the rail itself, by placing the fiber optic cable in pockets , including when it is rigidly fixed with allowable tension in the places of rail connections, which excludes the rupture of the fiber optic cable, to form an additional Brillouin effect, which makes it possible to determine the place where the wheelset passes the rail junction, controlling the degree of stretching of the fiber optic cable on based on changing the frequency of the optical signal, and with mathematical processing of signals generated by optical measuring instruments, including using an algorithm for determining the length and integrity of the rolling stock based on obtaining the arithmetic mean values of the distance estimates S _t =X _t2 -X _t1 , which are presented as the results of determining the length and integrity of the rolling stock, which are then used to determine the speed of the train according to the formula

где X_t1 - положение границы сигнала в момент времени t₁;where X _t1 - the position of the signal boundary at time t ₁ ; X_t2 - положение границы сигнала в момент времени t₂;X _t2 - position of the signal boundary at time t ₂ ; Δt=t₂-t₁ - временной интервал между анализируемыми событиями, также осуществляют предварительную линейную аппроксимацию положений левой и правой границ сигнала, формируемого на выходе рефлектометра, воспринимаемых как границы начала и конца поезда, на заданном интервале времени, получаемые при этом значения тангенсов углов α₁ и α₂ наклона аппроксимирующих прямых, определяющих движение начала и конца поезда, соответственно, используют для уточнения точности оценивания скорости подвижного состава и дополнительного подтверждения данных о направлении движения поезда, получаемые значения скорости движения принимают положительные или отрицательные значения, соответствующие направлению движения объекта контроля к рефлектометру или от него, при этом расхождения значений тангенсов углов α₁ и α₂ аппроксимирующих прямых появляются под влиянием эффекта Доплера, возможность выявления которого свидетельствует о получении полного набора данных измерений, который должен быть при навигационных определениях местоположения, направления и скорости движения контролируемого объекта.Δt=t ₂ -t ₁ - the time interval between the analyzed events, also carry out a preliminary linear approximation of the positions of the left and right boundaries of the signal generated at the output of the reflectometer, perceived as the boundaries of the beginning and end of the train, at a given time interval, the resulting values of the tangents of the angles α ₁ and α ₂ slopes of the approximating straight lines that determine the movement of the beginning and end of the train, respectively, are used to refine the accuracy of estimating the speed of the rolling stock and additional confirmation of data on the direction of the train, the resulting speed values take positive or negative values corresponding to the direction of movement of the control object to the reflectometer or from it, while the discrepancies in the values of the tangents of the angles α ₁ and α ₂ of the approximating lines appear under the influence of the Doppler effect, the possibility of detecting which indicates the receipt of a complete set of measurement data, which should be in navigation determinations of the location, direction and speed of the controlled object . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве способов математической обработки сигналов, сформированных оптическими измерительными приборами, используют адаптивную нелинейную фильтрацию, прикладную математическую теорию конечных полей для дополнительного повышения уровня средней мощности сигнала, формируемого оптическими измерительными приборами, за счет повышения его эквивалентной энергетики при представлении цифровых сигналов, формируемых оптическими измерительными приборами, их образами-остатками и операциями, позволяющими уменьшить неопределенности идентификации длины подвижного состава.2. The method according to claim 1, characterized in that, as methods for mathematical processing of signals generated by optical measuring instruments, adaptive nonlinear filtering, applied mathematical theory of finite fields are used to further increase the average power level of the signal generated by optical measuring instruments, by increasing its equivalent energy in the representation of digital signals generated by optical measuring instruments, their residual images and operations, allowing to reduce the uncertainties in the identification of the length of the rolling stock. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнализационную надежность распределенных сенсоров на основе волоконно-оптических кабелей повышают также путем жесткого соединения с металлическим прутом заземления, соединяющим рельс железнодорожного пути с металлической опорой электросети или столба, в результате чего вибрационные и ударные на стыках рельс воздействия проходящего подвижного железнодорожного состава передают на волоконно-оптический кабель, используемый в качестве распределенного чувствительного элемента при волоконно-оптических измерениях непосредственно, а не через демпфирующую среду грунта или насыпи, обеспечивая при этом существенное, определяемое тысячами раз, превышение амплитуд формируемых волоконно-оптическим кабелем сигналов при одновременной привязке сигналов распределенного извещателя к опорным точкам, связанным с установкой опор и столбов, появляющийся при этом рост средней мощности сигнала, формируемого в результате математической его обработки, используют в качестве дополнительного критерия идентификации длины поезда и целостности его состава.3. The method according to claim 1, characterized in that the signaling reliability of distributed sensors based on fiber optic cables is also increased by a rigid connection to a metal ground rod connecting the rail of the railway track to the metal support of the power grid or pole, resulting in vibration and shock on at the rail junctions, the impact of a passing rolling stock is transmitted to a fiber-optic cable used as a distributed sensitive element in fiber-optic measurements directly, and not through the damping medium of the soil or embankment, while providing a significant, determined by thousands of times, excess of the amplitudes of the formed fiber-optic an optical cable of signals while simultaneously linking the signals of a distributed detector to the reference points associated with the installation of supports and poles, the resulting increase in the average power of the signal generated as a result of its mathematical processing is used as an additional criterion for identifying the length of the train and the integrity of its composition. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения длины ПС и скорости его движения также используют эффект Доплера, который становится наблюдаемым при выполнении следующих условий вибрационных измерений: изменения знака результатов определения направления и скорости движения поезда, получаемых на основе вибрационных измерений с использованием волоконно-оптического датчика в качестве распределенного чувствительного элемента и измерительного прибора - рефлектометра; при увеличении средней мощности сигнала, формируемого рефлектометром, дополнительно проявляющегося в виде схождения и расхождения прямых, аппроксимирующих движение головы и хвоста поезда, а также при существенном повышении отношения сигнал/помеха.4. The method according to claim 1, characterized in that the Doppler effect is also used to determine the length of the SS and its speed, which becomes observable when the following vibration measurement conditions are met: a change in the sign of the results of determining the direction and speed of the train, obtained on the basis of vibration measurements using a fiber-optic sensor as a distributed sensing element and a measuring device - a reflectometer; with an increase in the average power of the signal generated by the reflectometer, which additionally manifests itself in the form of convergence and divergence of straight lines approximating the movement of the head and tail of the train, as well as with a significant increase in the signal-to-noise ratio.

Images