Микропроцессорная система интервального регулирования движением поездов с позиционированием подвижных железнодорожных единиц

Полезная модель относится к области обеспечения безопасности движения поездов с использованием локомотивных устройств безопасности и может быть использована на железнодорожных единицах с целью увеличения количества информации в показаниях на блоках индикации локомотивных устройств безопасности, а также повышении достоверности информации, выдаваемой оператору подвижной единицы.

Целью разработки полезной модели является создание устройства, которое выдает информацию о скорости сближения и расстояния до впереди идущей подвижной единицы, представляет собой систему интервального регулирования без использование рельсовых цепей и имеет резервированную систему спутниковой навигации.

Сущность заявленной полезной модели состоит в выборе необходимых скоростных режимов работы, необходимых для безопасного движения поездов, чем обеспечивается интервальное регулирование движением поездов с минимальным расстоянием между поездами.

Техническим результатом микропроцессорной системы интервального регулирования движением поездов с позиционированием подвижных железнодорожных единиц является создание устройства вычисления скорости сближения двух следующих друг за другом подвижных единиц, обеспечения дополнительного резервирования систем определения координат местоположения подвижной железнодорожной единицы, повышения вероятности корректного определения координат местоположения подвижной единицы.

Полезная модель относится к области обеспечения безопасности движения поездов с использованием локомотивных устройств безопасности и может быть использована на железнодорожных единицах с целью увеличения количества информации в показаниях на блоках индикации локомотивных устройств безопасности, а также повышении достоверности информации, выдаваемой оператору подвижной единицы.

Из уровня техники известно комплексное локомотивное устройство безопасности КЛУБ-У [1]. Устройство обеспечивает безопасное движение поездов.

Недостатками этого устройства являются:

1) отсутствие информации о скорости сближения и расстояния до впереди идущей подвижной единицы;

2) применение системы только с использованием рельсовых цепей и блок-участка установленной длины;

3) зависимость точности определения координат подвижной единицы от геофизических условий при использовании спутниковых радионавигационных систем (СРНС);

4) Отсутствие системы подтверждения истинности координат СРНС

Эти недостатки:

а) снижают надежность и безопасность управления движением поездов;

б) не позволяет повысить интенсивность движения поездов.

Предлагаемая микропроцессорная система интервального регулирования движением поездов с позиционированием подвижных железнодорожных единиц устраняет вышеперечисленные недостатки прототипа. Это достигается за счет включения в конструкцию локомотивного устройства безопасности двух независимых подсистем, а именно подсистемы 1 и подсистемы 2, определяющих координаты, скорость сближение и расстояние до впереди идущей подвижной единицы, путем использования спутниковых радионавигационных системы, принципов беспроводной передачи информации на расстоянии, эффекта Доплера и мобильных сетей связи.

Сущность заявленной модели состоит в создании устройства, обеспечивающего вычисление скорости сближения двух следующих друг за другом подвижных единиц, обеспечении резервирования спутниковой навигационной системы определения координат местоположения подвижной железнодорожной единицы, и, как следствие, в повышении вероятности корректного определения координат местоположения подвижной единицы за счет работы двух независимых подсистем, которые, опираясь на различные алгоритмы, выдают информацию на локомотивное устройство безопасности, отвечающее за выдачу управляющих воздействий, необходимых для обеспечения безопасности движения поездов. Корректность определения координат получаем исходя из условия:

,

где x_A; y_A - координаты точки А, т.е. местоположения подвижной единицы;

В - область неопределенности определения координат, обусловленная погрешностью измерения координат системами сотовой связи;

С - область неопределенности определения координат, обусловленная погрешностью измерения координат системами спутниковой навигации;

Получение информации осуществляется путем анализа координат точки А, полученные путем внедрения подсистем 1 и 2.

Подсистема 1 предназначена для определения скорости сближения и расстояний до впереди идущей подвижной единицы.

Получение информации в подсистеме 1 осуществляется путем комплексирования скоростей сближения поездов, следующих в одном направлении, вычисленных двумя независимыми способами, а именно:

а) по доплеровскому сдвигу частот двух радиосигналов: сигнала излучаемого передатчиком идущего впереди поезда («активный хвост»), и сигнала принимаемого приемником идущего сзади поезда;

б) путем вычисления производных координат переднего вагона сзади идущего поезда и последнего вагона впереди идущего поезда, определенные по данным спутниковой радионавигационной системы.

На рис.1 представлена структурная схема подсистемы 1. Поезд 1 является впереди идущим поездом. Положение его последнего вагона относительно идущего за ним поездом 2 контролируется совместной работой аппаратуры, установленной на поезде 1 и на идущем за ним поездом 2. Аппаратура контроля обнаружения опасного сближения поездов состоит из приемника спутниковой радионавигационной системы - 1 и передатчика - 2, установленных на поезде 1, а также приемника спутниковой навигационной системы - 3 и приемника - 4, установленных на поезде 2.

Приемник спутниковой радионавигационной системы - 1 состоит из антенны - 5 и блока приема и обработки информации - 6. Приемник спутниковой радионавигационной системы - 3, аналогичный по построению, и состоит из антенны - 7 и блоков обработки сигналов - 8.

Передатчик - 2 состоит из опорного генератора с фазовой автоматической подстройкой частоты - 9, предварительного усилителя - 10, фазового манипулятора - 11, усилителя мощности - 12, направленной передающей антенны - 13, посредством которой излучается радиосигнал - 14 и обеспечивается развязка по направлениям движения поездов. Конструкция выполнена в виде одного функционального блока и располагается в одном корпусе.

Приемник - 4 предназначен для приема сигнала - 14 и состоит из приемной антенны - 15, опорного генератора с фазовой автоматической подстройкой частоты - 16, преселектора - 17, усилителя промежуточной частоты - 18, ограничителя амплитуды - 19, синхронных детекторов - 20, 21, решающего устройства - 22. Конструкция выполнена в виде одного функционального блока и располагается в одном корпусе.

Информация о координатах поезда 1 передается на поезд 2 путем излучения через антенну - 13 фазоманипулированных высокочастотных колебаний - 14, предварительно сформированных из высокостабильных колебаний опорного генератора - 9, синхронизируемого колебаниями с синтезатора частот блока приема и обработки информации - 6, усиленных в предварительном усилителе - 10, подвергшихся фазовой манипуляции в фазовом манипуляторе - 11, на второй вход которого поступают видеосигналы с выхода блока приема и обработки информации - 6, представляющих собой псевдослучайную последовательность, соответствующую коду передаваемых координат, и усиленных до заданной мощности в усилителе мощности - 12.

Сигнал - 14 принимается приемной антенной - 15, установленной на поезде 2. В преселекторе - 17 происходит предварительное усиление сигнала, предварительная частотная селекция и преобразование частоты сигнала с использованием опорного генератора с фазовой автоматической подстройкой частоты - 16, который синхронизируется высокостабильными колебаниями с синтезатора частоты блока приема и обработки информации - 8. В усилителе промежуточной частоты - 18 происходит выделение спектра принятого сигнала фильтром с амплитудочастотной характеристикой квазипрямоугольного вида и усиление его до уровня, при котором возможна работа синхронных детекторов - 20, 21.

Колебания с ограничителя амплитуды - 19 поступают на синхронный детектор - 21. Одновременно на синхронный детектор - 21 поступают высокостабильные опорные колебания с синтезатора частот блока приема и обработки информации - 8. Выходным сигналом синхронного детектора - 21 является напряжение U:

,

где S - крутизна статической характеристики синхронного детектора - 20,

F - доплеровский сдвиг частоты сигнала - 14, принимаемого приемником - 4, возникающий вследствие взаимного радиального перемещения передатчика - 2 и приемника - 4

;

где - длина волны сигнала - 22, излучаемого передатчиком - 2 через направленную антенну - 13.

На синхронный детектор - 20 одновременно поступают фазоманипулированные сигналы с ограничителя амплитуды - 19 и опорные колебания с синтезатора частот блока приема и обработки информации - 8. На выходе синхронного детектора - 20 в результате демодуляции фазоманипулированного сигнала образуется псевдослучайная последовательность видеоимпульсов П(₁,₁), где ₁,₁ - соответственно географические долгота и широта поезда 1, которые сохраняют информацию о координатах поезда 1. Данные с синхронных детекторов - 20, 21 подаются на решающее устройство - 22. В решающем устройстве производится расчет скорости сближения двух железнодорожных единиц согласно формулам (2) и (3)

,

а также определение расстояния D между последним вагоном поезда 1 и первым вагоном поезда 2 по формуле (5):

,

где х₁ и х₂ координаты вдоль направления участка пути движения соответственно поездов 1 и 2 в момент времени t_m, где m>0 - целое число.

В подсистеме 2 используется принцип вычисления координат основанный на дальномерном методе определения координат абонентов мобильной связи исходя из известного расстояния до двух ближайших базовых станций мобильной связи (далее - CMC).

Подсистема 2 представляет собой аппарат радиосвязи, адаптированный для работы в действующих сетях сотовой связи, а также комплекс базовых стаций, зона покрытий которых расположена в пределах территории движения подвижной железнодорожной единицы.

Подсистема 2 состоит из локомотивного оборудования (рис.2) и базовой станции мобильной связи (рис.3). Локомотивное оборудование в свою очередь состоит из контроллера - 25, ко входу которого подключаются оперативное запоминающее устройство - 23, постоянное запоминающее устройство - 24, канальный кодек - 26, гетеродин - 29, к выходу которого подключается смеситель - 28, который также производит операции с колебаниями, полученными с опорного генератора - 31, и выдает сигнал на модем - 27, соединенный с канальным кодеком - 26. Манипулированный сигнал с модема - 27 излучается через антенну - 30 по направлению к базовой станции мобильной связи. Базовая станция мобильной связи состоит из приемной антенны - 32, выдающей сигнал на делитель - 33, который передает сигнал на N приемников - 34, которые выдают информацию на контроллер - 35, который, имеет выходы на К передатчиков - 36, соединенных с сумматором - 37, который выдает сигнал на передающую антенну - 38.

Сущность подсистемы 2 состоит в том, чтобы получить координаты приемопередатчика, и, как следствие, локомотива поезда за счет реализации дальномерного метода, при котором рассчитываются псевдодальности R_i (i=1; 2) до двух ближайших базовых станций базовых станции при решении системы:

,

где x_A=X_0A±x; y_A=Y_0A±y - координаты местоположения аппарата радиосвязи,

X_0A, Y_0A - истинные значения координат местоположения аппарата радиосвязи,

х, y - погрешности измерения соответствующих координат местоположения аппарата радиосвязи, обусловленные погрешностями измерения времени распространения радиоволн при существующих технологических возможностях мобильной сети,

x_i, y_i - координаты i-ой базовой станции мобильной связи.

Контроллер - 25 управляет частотой колебаний гетеродина - 29 f_Г путем формирования напряжения для его подстройки по значению разностной частоты f_p=f_Г-f _ОГ, полученной в смесителе - 6, где f_ОГ - частота колебаний опорного генератора - 31. Благодаря этому тракт радиочастоты (ТРЧ) аппарата радиосвязи настраивается на канал управления базовой станцией. После настройки ТРЧ аппарата радиосвязи контроллер - 25 передает информацию с запросом на получение координат на базовую станцию. Сигнал принимается в приемной антенне - 32 базовой станции, и передается на делитель, с целью выделения требуемого сигнала из группового сигнала, и передачу выделенного сигнала на приемник, который обрабатывает полученный манипулированный сигнал и выдает на контроллер - 35 последовательность импульсов для дальнейшей обработки.

Базовая станция, обработав запрос, формирует групповой сигнал в сумматоре - 37 из сигналов, получаемых на выходах передатчиков - 36, и через передающую антенну - 38, отсылает аппарату мобильной связи временную и частотную область работы мобильного телефона. Контроллер - 25, по данным о временной и частотной информации, настраивается на рабочий канал и отсылает пакет данных на базовую станцию. Одновременно включается таймер, который начинает счет тактовых импульсов. Базовая станция, получив и обработав пакет данных, дополняет его информацией о своем местоположении и отсылает его обратно на аппарат радиосвязи. Контроллер - 25, получив информацию, останавливает работу таймера, и по известной длительности тактового импульса, и скорости распространения радиоволн в воздушной среде рассчитывает псевдодальность R₁ до базовой станции. Аналогично производится измерение псевдодальности R₂. Далее согласно (6) рассчитываются координаты местоположения приемопередатчика.

Координаты, полученные подсистемой 2, и координаты, полученные с системы спутниковой навигации, отсылаются на схему сопряжения.

На рис.3 изображена структура схемы сопряжения, состоящей из дешифратора 1-39 подключенного к блоку установления значения погрешности 1-40, соединенного со схемой сравнения - 41, к которому также подключается блок установления погрешности 2-44, сигналы на который подаются из дешифратора 2-43. Схема сравнения выдает результат своей работы на аналого-цифровой преобразователь - 42.

На вход дешифратора 1-39 поступает псевдослучайная последовательность П(₁,₁) с информацией о местоположении подвижной единицы, получаемая от блока обработки информации СРНС-8, входящего в состав подсистемы 1. Дешифратором 1-39 осуществляется декодирование и определение географических координат широты ₁ и долготы ₁, которые передаются в блок установления значения погрешности 1-40. В нем производятся арифметические операции с целью получения на информационных выходах блока установления погрешности 1-40 К₁, L₁, M₁, N ₁ следующих информационных показаний:

K ₁=₁+a; L₁=₁-a; M₁=₁+a; N₁=₁-a.

где a - максимально-допустимая погрешность определения координат СРНС.

На вход дешифратора 2-43 с контроллера - 25 поступает двоичная последовательность (₂,₂), с информацией о местоположении подвижной единицы, получаемая от системы определения координат средствами сетей мобильной связи. Дешифратором 2-43 осуществляется декодирование и определение географических координат широты ₂ и долготы ₂, которые передаются в блок установления значения погрешности 2-44. В нем происходят арифметические операции с полученной информацией с целью выдачи на информационных выходах блока установления значения погрешности 2-44 К₂, L₂, М₂, N ₂ следующих информационных показаний:

К ₂=₂+b; L₂=₂-b; М₂=₂+b; N₂=₂-b;

где b - максимально-допустимая погрешность определения координат системы определения координат средствами сетей мобильной связи.

Информация с информационных выходов К₁, L₁, M₁ , N₁, К₂, L₂, М₂, N₂ поступает на схему сравнения - 41, выполняющий функцию проверки условия:

.

Выходным сигналом схемы сравнения является напряжение обратнопропорциональное наименьшей разности величин согласно условию:

.

Напряжение с блока сравнения оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя - 42 и передает в модуль центрального обработчика локомотивного устройства безопасности для дальнейшей обработки. Если одно из выражений условия (8) окажется меньше нуля, то на модуль центрального обработчика - 43 локомотивного устройства безопасности, предназначенный для обработки всей принимаемой информацией, задания ограниченной скорости, выдачи управляющих воздействий на все узлы локомотивного устройства безопасности, выдается информация о некорректной работе системы навигации. После выполнения операции определения координат модуль центрального обработчика выдает команду контроллеру - 25 на передачу навигационной информации на ближайшую станцию мобильной связи, которая, в свою очередь, передает ее в общую информационную сеть, с целью доставки до диспетчерского центра, в зоне работы которого находится подвижная единица, а также на все подвижные единицы, находящиеся в непосредственной близости от источника передаваемой информации, используя мобильные сети связи.

Локомотивные устройства безопасности, по известным данным поездной впереди и позади себя, выбирают необходимые скоростные режимы работы, необходимые для безопасного движения поездов, чем обеспечивается интервальное регулирование движением поездов с минимальным расстоянием между поездами.

Техническим результатом микропроцессорной системы интервального регулирования движением поездов с позиционированием подвижных железнодорожных единиц является создание устройства вычисления скорости сближения двух следующих друг за другом подвижных единиц, обеспечения дополнительного резервирования систем определения координат местоположения подвижной железнодорожной единицы, повышения вероятности корректного определения координат местоположения подвижной единицы

Использованные источники:

1. Комплексное локомотивное устройство безопасности унифицированное - КЛУБ-У http://www.irz.ru/products/20/70.htm

Микропроцессорная система интервального регулирования движением поездов с позиционированием подвижных железнодорожных единиц, представляющая собой комплекс устройств, предназначенный для интервального регулирования движением поездов, обеспечивающая выбор требуемого скоростного режима движения, необходимого для соблюдения требований безопасности движения поездов в зависимости от поездной обстановки впереди и позади поезда с применением многократного резервирования систем безопасности, отличающаяся тем, что состоит из подсистемы 1, включающей в себя приемник спутниковой радионавигационной системы, состоящий из антенны, которая соединена с блоком приема и обработки информации, и передатчик, состоящий из опорного генератора с фазовой автоматической подстройкой частоты, синхронизирующегося с блоком приема и обработки информации, соединенного с предварительным усилителем, имеющий выход на фазовый манипулятор, соединенный с блоком приема и обработки информации, имеющий выход на усилитель мощности, соединенный с направленной передающей антенной, причем приемник и передатчик установлены на поезде 1 и представляют собой конструкцию в виде одного функционального блока передающего высокочастотные фазоманипулированные колебания на поезд 2, на котором установлены приемник спутниковой навигационной системы, который аналогичен приемнику спутниковой навигации, установленному на поезде 1, и приемник, включающий в себя приемную антенну, к которой подключается преселлектор, который синхронизируется от колебаний опорного генератора с фазовой автоматической подстройкой частоты, который, в свою очередь, синхронизируется от блока приема и обработки информации, включенного в приемник спутниковой навигации поезда 2, а также имеет выход на усилитель промежуточной частоты, подключенный к ограничителю амплитуды, имеющему выходы на синхронные детекторы, которые синхронизируются от блока приема и обработки информации и имеют выходы на решающее устройство, выдающее результаты вычислений на модуль центрального обработчика локомотивного устройства безопасности, и представляющие собой конструкцию в виде одного функционального блока, а также подсистемы 2, связанной с модулем центрального обработчика локомотивных устройств безопасности и включающей в себя локомотивное оборудование, состоящее из контроллера, к которому подключено оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, канальный кодек, гетеродин, имеющий выход на смеситель, который также производит операции с колебаниями, полученными с опорного генератора, и выдает сигнал на модем, выдающий сигнал на приемопередающую антенну, а также базовую станцию мобильной связи, состоящую из приемной антенны, выдающей сигнал на делитель, передающий сигнал на N приемников, выдающих информацию на контроллер, имеющий выходы на К передатчиков, соединенных с сумматором, выдающим сигнал на передающую антенну, и схемы сопряжения, на которую поступают сигналы от подсистемы 2 и подсистемы 1, а именно от контроллера аппарата радиосвязи, и приемника спутниковой навигационной системы, установленной на поезде 2, состоящей из дешифратора 1, подключенного к блоку установления значения погрешности 1, соединенного со схемой сравнения, к которой подключен блок установления погрешности 2, подключающий сигнал из дешифратора 2, которая затем выдает результат своей работы на аналого-цифровой преобразователь, связанный с модулем центрального обработчика локомотивного устройства безопасности, и обеспечивающая вычисление скорости сближения двух следующих друг за другом подвижных единиц, резервирование спутниковой навигационной системы определения координат местоположения подвижной единицы, повышение вероятности правильного определения координат за счет работы двух независимых подсистем, работающих на основе различных алгоритмов и выдающих информацию на локомотивные устройства безопасности, и позволяющая повысить надежность и безопасность управления движением поездов и интенсивность движения поездов.