ПОМЕХОУСТОЙЧИВАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛОКОМОТИВНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ (АЛСН)

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и может быть использована в качестве одного из блоков в составе автоматической локомотивной системы управления или как самостоятельное устройство обеспечивающего прием и дешифрирование специальных кодовых сигналов.
Реализуемые на железнодорожном транспорте системы автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), включают напольные и локомотивные устройства. Напольные устройства обеспечивают передачу по рельсовым цепям специальных кодовых сигналов, которые принимаются и декодируются локомотивным оборудованием. Результаты дешифрирования (декодирования) отображаются на локомотивном светофоре и используются либо машинистом, либо автоматизированной системой для принятия решений по управлению поездом.
В настоящее время наиболее широко используется устройство, реализующее способ дешифрирования сигналов АЛСН - дешифратор ДКСВ-1. Данный способ основан на фиксации кодовых сигналов АЛСН, различении их путем последовательного счета числа импульсов и пауз в кодовом цикле, например, при помощи реле-счетчиков и определении принятого из рельсов кодового сигнала по количеству возбужденных счетчиков к концу кодового цикла (М.И.Вахнин и др. «Путевая блокировка и авторегулировка», М., «Транспорт», 1974, с.333-344). Недостатком данного технического решения является невозможность дешифрирования сигнала при нарушении цикловой синхронизации кодовых комбинаций. Система недостаточно защищена от помех, наводимых в рельсовых цепях и в цепях локомотивных устройств такими источниками, как близко расположенные линии электропередачи, силовые кабели, цепи тяговых двигателей самого локомотива. Определенную роль в снижении надежности приема и распознавания сигналов АЛСН играет и ослабление сигнала передающих устройств - кодовых путевых трансмиттеров (КПТ) на отдельных участках пути.
Другой задачей, которую требуется решить при дешифрировании сигналов АЛСН, является необходимость определения, на какой именно несущей частоте из используемых в текущий момент (25; 50 и 75 Гц) и в какой кодировке ведется передача сигнала, например (например, КПТ-5 или КПТ-7). На некоторых локомотивных системах переключение на несущую частоту осуществляется вручную. На комплексном локомотивном устройстве безопасности унифицированном (КЛУБ-У) (RU 2248899, МПК 7: B61L 25/04) переключение на несущую частоту осуществляется на основе данных электронной карты местности, заложенной в память системы, что порождает проблемы точной привязки данных карты к конкретному участку пути.
В ряде известных систем АЛСН решение задачи повышения помехоустойчивости обеспечивается путем совершенствования их аппаратной части (US 5791602, 5501417, 5628478, MПK: B61L 3/24; B61L 3/00; US 5084699, МПК: B61L 25/04; G06K 7/00; G06K 7/08) и основано на применении дополнительных катушек, фильтров и другого дополнительного оборудования, улучшающего характеристики приема аналогового сигнала или позволяющего определить и отфильтровать помехи известного вида. Общим недостатком таких решений является необходимость установки на локомотив и последующей настройки различных дополнительных устройств, что затрудняет обслуживание систем и требует дополнительного времени и средств. Кроме того, в случае произвольных помех и искажений надежный прием сигналов такими системами не гарантирован.
Другим путем решения задачи повышения надежности приема сигнала является применение методов обработки сигналов, нашедших значительное применение в радиотехнике и современных числовых системах передачи данных. В таких системах сигнал преобразуется в цифровую форму, его обработка ведется цифровыми вычислительными устройствами по заданным математическим методам и алгоритмам.
Известен способ дешифрования сигналов АЛСН и устройство для его реализации (RU 2314223, МПК: B61L 25/06 (2006.01). Устройство содержит блок оцифровки сигналов, приемник и дешифратор сигналов, аналогичный конструкции дешифратора заявляемой полезной модели, однако в устройстве не предусмотрена ее автоматическая перестройка при изменении несущей частоты принимаемых сигналов АЛСН.
Устройство приема и дешифрирования сигналов АЛСН (RU 72670, МПК: B61L 25/06 (2006.01) - прототип) обеспечивает повышение помехоустойчивости и возможность автоматического выбора значения несущей частоты, применяемой на различных участках железнодорожного пути. Устройство содержит приемник сигналов, связанный с локомотивными катушками, и блок дешифрирования. Приемник сигналов содержит подключенный к локомотивным катушкам через аналоговый фильтр низкой частоты блок оцифровки сигнала, связанный выходом с каналами обработки сигнала, состоящими из последовательно соединенных цифрового полосового фильтра для выделения обрабатываемого в канале сигнала и подключенного к выходу блока оцифровки сигнала, блока выделения огибающей сигнала и блока построения числоимпульсного кода, выход которого соединен с входом блока дешифрирования, подключенного выходом к входу блока машины состояний. Число каналов обработки сигнала соответствует числу обрабатываемых несущих частот.
С помощью устройства амплитудные спектры принятых сигналов сравнивают с амплитудными спектрами эталонных сигналов с последующим вычислением коэффициентов корреляции между ними. В блок машины состояний из каждого канала поступает матрица из коэффициентов корреляции. По максимальному коэффициенту корреляции в блоке машины состояний принимается решение о том, из какого канала и какой именно сигнал был принят локомотивными катушками. В буферной памяти блока машины состояний осуществляется суммирование полученных оценок за заданный временной интервал, на этой основе принимается решение о том, какой входной сигнал был принят.
Наряду с решением задачи повышения устойчивости к воздействию импульсных помех и к различным видам искажений кодовых комбинаций, не исключена возможность принятия ошибочного решения о виде выходного сигнала в случаях, когда в силу тех или иных причин виды сигналов, отвечающие максимальным значениям коэффициента корреляции, на выходе различных каналов различаются. Например, в случаях специфики помех принимаемого сигнала, различия в настройке каналов обработки или неправильной работы канала. В таких случаях работа устройства по способным к дешифрированию входным сигналам дает сбой, так как дешифрирование в каналах обработки производится по-разному, и происходит переход устройства в «защитный отказ», то есть защита от возможности выдачи ложного показания сигнала. Таким образом, с увеличением числа каналов обработки возрастает вероятность отказа или сбоя в работе каждого из них, и, следовательно, отказа или сбоя в работе всей системы, что понижает уровень ее эксплуатационной надежности.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение уровня помехоустойчивости и эксплуатационной надежности АЛСН.
Помехоустойчивая автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного действия (АЛСН), содержащая последовательно соединенные входное приемное устройство и блок внешних изолирующих интерфейсов, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим входом модулей цифровой обработки сигналов, число которых соответствует числу обрабатываемых частот, соединенных с входами соответствующих блоков автомата состояний, входящих в состав модуля дешифрирования, выходы которых соединены с блоком сравнения, в отличие от прототипа каждый модуль цифровой обработки сигнала содержит соединенный с двумя выходам блока внешних изолирующих интерфейсов блок вычисления уровня сигнала, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим входом двух блоков реконструкции сигнала и блока определения максимального уровня сигнала, при этом выходы блоков реконструкции сигнала и блока определения максимального уровня сигнала соединены с входом соответствующего блока автомата состояний.
Решение указанной задачи достигается также тем, что:
- помехоустойчивая АЛСН содержит три модуля цифровой обработки сигналов по числу обрабатываемых частот 25; 50 и 75 Гц;
- каждый блок реконструкции сигнала функционирует в соответствии кодовой комбинацией числового кода от соответствующего кодового путевого трансмиттера;
- первый блок реконструкции сигнала функционирует в соответствии кодовой комбинацией числового кода от кодового путевого трансмиттера КПТ-5;
- что второй блок реконструкции сигнала функционирует в соответствии кодовой комбинацией числового кода от кодового путевого трансмиттера КПТ-7.
На фиг.1 представлена структурная схема помехоустойчивой АЛСН. На фиг.2 - функциональная схема модуля цифровой обработки сигналов. Помехоустойчивая АЛСН содержит последовательно соединенные входное приемное устройство 1, в качестве которого используются, например, приемные локомотивные катушки АЛСН, блок внешних изолирующих интерфейсов 2, модули цифровой обработки сигналов 3 по числу обрабатываемых несущих частот. Например, три модуля, соответственно, для обработки несущих частот 25; 50 и 75 Гц. Каждый модуль цифровой обработки сигнала 3 содержит подсоединенный к двум выходам блока внешних изолирующих интерфейсов 2 блок вычисления уровня сигнала 4, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим входом двух блоков реконструкции сигнала 5 и блока определения максимального уровня сигнала 6. Выходы блоков реконструкции сигнала и блока определения максимального уровня сигнала соединены с входами соответствующего блока автомата состояний 8, входящих в состав модуля дешифрирования 7. В состав модуля дешифрирования входит также блок сравнения 9, входы которого соединены с соответствующими выходами блоков автомата состояний 8.
Работа помехоустойчивой АЛСН осуществляется следующим образом. Каждый модуль цифровой обработки сигналов 3 предварительно настраивают на соответствующие несущие частоты кодовых комбинаций числового кода. Блок внешних изолирующих интерфейсов 2 сочетает в себе функции согласования с входным приемным устройством 1, предварительной фильтрации сигнала и его оцифровки. Модуль цифровой обработки сигнала 3 выполняет функции приемника, осуществляя квадратурный прием в блоке вычисления уровня сигнала 4, то есть выделение квадратурных компонент сигнала с локомотивных катушек посредством его умножения на синусоиды соответствующих частот и фаз. Квадратурные компоненты сигнала локомотивных катушек с выхода блока вычисления уровня сигнала 4 поступают в блок определения максимального уровня сигнала 6, где выделяется и запоминается на такт работы помехоустойчивой АЛСН максимальная амплитуда физической огибающей принимаемого сигнала. Под физической огибающей понимается сумма квадратов квадратурных компонент сигнала. На два блока реконструкции сигнала 5 подаются квадратурные составляющие сигнала с приемных локомотивных катушек из блока вычисления уровня сигнала 4 и максимальная амплитуда физической огибающей с блока определения максимального уровня сигнала 6. Каждый из двух блоков реконструкции сигнала 5 функционирует в соответствии кодовой комбинацией числового кода от соответствующего кодового путевого трансмиттера. Например, эталонные образы 1-го блока соответствуют кодовым комбинациям числового кода от трансмиттера КПТ-5, а эталонные образы 2-го блока соответствуют кодовым комбинациям числового кода от трансмиттера КПТ-7. В блоках реконструкции сигнала 5 по поступившим данным осуществляется интегрирование произведений соответствующих квадратурных компонент сигнала локомотивных катушек с весовыми функциями и производится сравнение суммы квадратов интегралов произведений от каждой квадратурной компоненты и определенной весовой функции с динамически изменяющимся порогом, получаемым от умножения текущей максимальной амплитуды физической огибающей на коэффициент, связанный с длительностью весовой функции и ее значением. Если каждая указанная сумма квадратурных компонент, умноженных на весовую функцию, находится в определенном логическом соотношении с соответствующим динамически изменяющимся порогом, на соответствующем выходе блока 5 вырабатывается импульс, подтверждающий, что входное приемное устройство 1 обнаружило кодовую комбинацию числового кода. Далее на входы модуля дешифрирования 7 поступают импульсные сигналы от соответствующего модуля цифровой обработки сигналов 3, которые передаются в соответствующий блок автомата состояний 8. Логика работы блока автомата состояний 8 аналогична логике работы дешифратора ДКСВ-1. Поскольку кодовые комбинации числового кода имеют различный приоритет, например, кодовая комбинация КЖ («красный - желтый») имеет наивысший приоритет, кодовая комбинация З («зеленый») - наименьший, то при одновременном поступлении от модулей цифровой обработки сигналов 3 импульсов, означающих прием различных кодовых комбинаций, блок автомата состояний 8 засчитает тот импульс, приоритет кодовой комбинации которого выше. Алгоритмически удержание сигнала, соответствующего показанию локомотивного светофора, осуществляется с учетом того, чтобы две искаженные комбинации числового кода не приводили к проблеску ложного огня локомотивного светофора. Окончательно решение о передачи сигнала управления на локомотивный светофор, с соответствующего блока автомата состояний 8 осуществляется в блоке сравнения 9, который сравнивает текущие значения за такт максимальной амплитуды физической огибающей принимаемого сигнала от модулей цифровой обработки сигналов 3 и выходные сигналы блоков автомата состояний 8. Такая схема помехоустойчивой АЛСН при необходимости расширения диапазона несущих частот реализуется без дополнительных аппаратных средств и только за счет программного обеспечения.
Таким образом, за счет полученного технического результата, заключающегося в возможности дешифрирования сигнала и автоматического распознавания частоты передачи сигнала при наличии разного рода помех обеспечено повышение устойчивости к воздействию импульсных помех и к различным видам искажений кодовых комбинаций, что успешно решает поставленную задачу повышения уровня помехоустойчивости и эксплуатационной надежности АЛСН.