Устройства и способы определения местоположения рельсового транспорта и обеспечения безопасности движения с помощью беспроводной цепочечной сети
DEVICES AND METHODS FOR DETERMINING THE LOCATION OF RAIL TRANSPORT AND ENSURING TRAFFIC SAFETY USING A WIRELESS CHAIN NETWORK

Область техники
Изобретение относится к системам железнодорожной автоматики, телемеханики, обеспечения безопасности движения и организации беспроводной связи.
Уровень техники
В Европе принят комплекс стандартов ERTMS (European Rail Traffic Management System), состоящих из систем APT (Automatic train protection system) и  ETSC (European Train Control System), разделенных на несколько уровней, обеспечивающих плавную модификацию национальных систем для создания единой сети железных дорог (URL: https://www.ertms.net). Для передачи голоса и данных между путевым оборудованием и поездом предлагается использовать радиосеть на основе стандартной технологии сотовой сети GSM, работающей на специально выделенных частотах для железной дороги - GSM-R.
В настоящее время наиболее распространен второй уровень ERTMS, использующий евробализы для определения местоположения поездов и GSM-R для обмена сообщениями между поездами и центром радиоблокировки. Контроль целостности поездов осуществляется либо рельсовыми цепями, либо системами счета осей.
Так же развиваются системы CBTC (Communication Based Train Control) - управление движением основанное на использовании радиоканала, соответствующие третьему уровню ERTMS. (WIT Transactions on State of the Art in Science and Engineering, Vol 46, © 2010 WIT Press www.witpress.com, ISSN 1755-8336 (on-line), doi:10.2495/978-1-84564- 494 - 9 / 07). При наличии постоянной связи придорожной инфраструктуры с бортовым оборудованием поездов их местоположение определяется непрерывно и используется для построения перемещающихся вместе с поездами блок-участков (moving block), или для систем интервального регулирования, использующих координату «хвоста» впереди идущего состава. Для связи инфраструктуры с поездом находят применение системы  GSM, DMR, TETRA, Wi-Fi. Для организации устойчивого радиопокрытия часто используются излучающие кабельные системы.
В России для определения местоположения поезда в большинстве случаев используются рельсовые цепи. Положение состава определяется по шунтированию рельсовых цепей колесными парами. Точность позиционирования состава задается длинной рельсовой цепи. Возможна передача сигналов от напольных устройств бортовому оборудованию поезда различными типами модуляции тока в рельсовых цепях. В России в настоящее время нет общепринятого подхода на использование цифрового радиоканала для управления движением. Большинство систем основано на различных модификациях ERTMS с использованием GSM, TETRA, DMR,  с учетом российского распределения радиочастотного спектра и систем сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ), например обзор (URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sistemy-intervalnogo-regulirovaniya-dvizheniya-poezdov-s-tsifrovymi-radiokanalami/viewer). Существуют так же реализации систем интервального регулирования движения поездов ориентирующиеся на координаты «хвоста» идущего в впереди состава (УДК 656.256.3 (088.8), Шаманов В.И. СИСТЕМЫ ИНТЕРВАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ С ЦИФРОВЫМИ РАДИОКАНАЛАМИ Автоматика на транспорте No 2, том 4, июнь 2018, стр. 223-238).
Раскрытие сущности изобретения
В данном патенте для определения местоположения транспорта, организации безопасного движения и технологической радиосвязи между напольным и бортовым оборудованием предлагается использовать цепочки радиоустройств малого радиуса действия, создающих сплошное радиопокрытие дорожного полотна. Расположение антенн выбирается так, чтобы при нахождении поезда или иных достаточно больших объектов на участке пути, на соответствующих звеньях между радиоцепочечными узлами (РЦУ) затенялась значительная часть зон Френеля и, вследствие этого, существенно увеличивалось затухание электромагнитных сигналов, вплоть до разрыва связи между РЦУ. Мощности передатчиков устанавливается исходя из ограничения радиовидимости только соседними узлами по цепочке.
По отклонению затуханий радиосигналов от средних значений открытого участка или отсутствию радиосвязи можно судить о наличии препятствий на звеньях цепочки даже при отсутствии соответствующих радиоустройств (РУ) на рельсовом транспорте (РТ). При наличии РУ и систем исчисления пути на борту, РТ дополнительно сообщает координаты головы и хвоста состава и пройденный путь от последней точки калибровки, для точного определения динамических границ занимаемого им участка.
К РЦУ могут дополнительно подключаться напольные устройства (НУ) для калибровки систем счисления пути, или для интеграции с существующим оборудованием СЦБ.
Для радиосвязи с поездами в головах и хвостах составов устанавливаются РУ с направленными антеннами. Направление антенн - вдоль и от состава. РУ в головах составов принимают сообщения и данные от инфраструктуры, необходимые для безопасного движения на данном участке пути, РУ в хвостах составов передают данные инфраструктуре, для подготовки данных, необходимых для безопасного движения следующего за ним состава.
Данные в радиоканале используется аналогично системам CBTC, но их подготовка осуществляется не в центре радиоблокировки, а непосредственно в РЦУ нарастающим итогом во время прохождения дейтаграмм против движения с использованием данных характеристик пути, хранящихся в энергонезависимой памяти и вычислительных возможностей микроконтроллеров , что значительно сокращает время доставки сообщений поезду и позволяет уменьшить интервал попутного следования поездов.
Система управления на основе цепочечной сети предполагает использование концепции PTC (Positive Train Control), которая заключается в том, что поезд постоянно получает информацию о своем местоположении и об условиях безопасного движения, а бортовое оборудование обеспечивает движение не нарушающее эти условия. Отсутствие информации от инфраструктуры подразумевает торможение и остановку поезда.
Предлагаемое изобретение можно использовать для реализации фиксированных или движущихся блок-участков в соответствии с ERTMS Level 2/3, или для систем интервального регулирования, использующий координату «хвоста» впереди идущего состава.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан фрагмент беспроводной цепочечной сети в качестве примера возможной конфигурации системы определения местоположения РТ с фиксированными блок-участками.
На фиг.2 показан фрагмент беспроводной цепочечной сети в качестве примера возможной конфигурации системы определения местоположения РТ с динамическими блок-участками.
На фиг.3 фиксированные линии связи замкнуты в дополнительное внутреннее кольцо по типу шины ETHERCAT. Стрелками обозначены направления прохождения дейтаграмм по внутреннему кольцу.
Осуществление изобретения
Радиообмен в цепочке с фиксированными блок-участками осуществляется дейтаграммами, циркулирующими из начала в конец цепочки и обратно. При прохождении дейтаграмм против движения, РЦУ формируют нарастающим итогом информацию, необходимую для безопасного движения транспорта, включающую: координаты и расстояние до ближайшего препятствия, его тип, статус, направление и скорость движения, ограничения скорости на звеньях цепочки, план и профиль пути, координаты реперных точек, мощности передатчиков, направление ретрансляции и сообщения, которую передают по радио встречным поездам. В обратном направлении, от хвоста цепочки, дейтаграммы содержат часть полной информации, необходимой для определения занятого звена и координат хвоста поезда. Поезда в ответных дейтаграммах передают свои данные, включающие собственный идентификатор, тип, статус оборудования, координаты, направление и скорость движения.
Для повышения надежности, возможности обхода затененных участков с целью определения местоположения нескольких поездов в зоне действия одной цепочки и  реализации подвижных блок-участков (moving block) или систем интервального регулирования, радиоканал в узлах цепочки дублируется проводной или оптической линией связи, замкнутой УКРЦ в кольцо по типу ETHERCAT, с возможностью маршрутизации пакетов между радио и фиксированными каналами. Здесь дейтаграммы являются циркулирующими по кольцу контейнерами для адресованных узлам пакетов. Узлы могут извлекать пакеты, выполнять команды, модифицировать, формировать и инкапсулировать пакеты в дейтаграммы. При инкапсуляции выбирается ближайший контейнер, следующий в нужном направлении. Большая скорость обмена по фиксированным каналам по сравнению с радио позволяет организовать дополнительный трафик по вложенным кольцам для прямого обмена данными между элементами инфраструктуры по кратчайшим маршрутам, без участия радиоканала и необходимости обходить все звенья цепочки. Все ответные дейтаграммы, полученные по радио, возвращаются источнику и ретранслируются дальше через фиксированные линии связи; радиоканал частично освобождается и можно уменьшить интервал посылки дейтаграмм по радио использованием территориально-временного разделения, не ожидая прохождения дейтаграммами всей цепочки в прямом и обратном направлении.
РУ включают в себя трансиверы радио и фиксированной связи, управляемые микроконтроллерами, содержащими необходимые интерфейсы и обеспечивающие функции хранения, обработки и передачи данных. Для реализации радиоустройств имеется широкая номенклатура микросхем программируемых радиотрансиверов нелицензируемых ISM диапазонов, позволяющих регулировать ширину полосы радиоканала, тип модуляции, скорость передачи, излучаемую мощность и имеющих встроенные средства для пакетирования, шифрования, измерений мощности и качества принимаемого сигнала. Данные возможности позволяют дополнительно организовать средства мониторинга радиоканала.
В России целесообразно использовать радиосеть на основе программируемых трансиверов субгигагерцового диапазона 868,7-869,2 МГц, являющихся компромиссом между пропускной способностью, дальностью связи, размерами антенн и загруженностью спектра.
Согласно приложению No 12 к решению ГКРЧ от 11 сентября 2018 г. No 18-46-03-1 допускается мощность передатчиков до 100 мВт при условии использования режима LBT (прослушивание занятости канала перед началом передачи), что достаточно для установления связи в геометрической видимости радиоустройств с учетом препятствий, затеняющих зону Френеля.
Необходимая функциональность РУ и поддержка протоколов связи реализуется загрузкой соответствующих программ во флеш память микроконтроллеров.
Реализация РУ с применением систем на чипе (SoC) от Texas Instruments СС430F537I с мощностью радиотрансивера до 10 мВт показала возможность использования до трех каналов в ISM диапазоне 968.7-969.2 МГц со следующими параметрами:
Скорость передачи данных:
175 кбит/с
Время доставки пакета 64 байта между двумя РУ:
до 6 мс
Проведенные эксперименты в туннеле метрополитена, где поезд гарантированно затеняет узлы цепочки, показали возможность осуществления устойчивой связи УКРЦ с головой поезда на цепочке из 12 звеньев и точность определения затенения узлов сравнимую с тональными  рельсовыми цепями, имеющими зону дополнительного шунтирования.
Преимуществом использования радиоцепочек по сравнению с сотовыми или Wi-Fi технологиями является существенное упрощение архитектуры сети, более низкая стоимость и возможность организации передачи данных в системах реального времени с прогнозируемыми задержками; по сравнению с радиоизлучающими кабельными системами или радиосистемами большого радиуса действия - более низкая стоимость  и более эффективное использование электромагнитного спектра за счет дополнительного использования территориального разделения доступа к радиоканалу.
Ниже представлено описание принципов осуществления изобретения соответствующее пунктам формулы, подробности реализации которых понятны специалисту в данной области.
1. На фиг.1 представлен фрагмент для иллюстрации способа определения занятости рельсовых путей фиксированными блок-участками характеризующегося тем, что определение занятости происходит на основе анализа затуханий радиосигналов, определяемых при прохождении дейтаграмм в беспроводной цепочечной сети, состоящей из РУ 1 малого радиуса действия, установленных в узлах цепочки и располагающихся вдоль пути так, что на свободных участках между РЦУ наблюдается устойчивое прохождение радиосигналов, а находящийся на пути рельсовый транспорт, или иное сравнимое по размерам препятствие, существенно уменьшает мощность принимаемых радиосигналов в затененных узлах, вплоть до потери связи; узел, принявший дейтаграмму, подтверждает прием источнику, ретранслируя ее в следующий узел, а узел, не получивший подтверждения, возвращает дейтаграмму источнику с признаком занятости следующего звена; для образования цепочками блок-участков и обнаружения их занятости, на границах устанавливаются устройства контроля радиоцепочек (КЦ) 2, которые передают навстречу друг другу дейтаграммы последовательно через все узлы цепочки; КЦ 2 нескольких последовательных цепочек через порты фиксированных линий связи образуют кольцо с устройством контроля радиолинии (УКРЛ) 3, которое осуществляет функции мастера кольца, обеспечивающего общую синхронизацию часов, разделение доступа к радиоканалу и пересылку сообщений между абонентами цепочечной сети и диспетчерским центром 5.
2. На фиг.2 представлен фрагмент беспроводной цепочечной сети для иллюстрации способа определения занятости рельсовых путей движущимися блок-участками. Способ аналогичный предыдущему, но здесь все РЦУ дополнительно соединены фиксированными проводными или оптическими каналами связи; каждый РЦУ включает в себя КЦ 2 к портам которого могут подключаться звенья цепочки фиксированных каналов, РУ 1, УКРЛ 3 и/или любое оборудование, имеющие согласованный интерфейс; дейтаграммы, передаваемые по радиоканалу, дублируются в каналах фиксированной связи; участки с отсутствующей радиосвязью дейтаграмма проходит по фиксированным каналам, после обнаружения свободного звена фиксируется конец занятого участка и начинается определение длины следующего свободного участка.
3. На РТ предлагается использовать аналогичные РУ с направленными антеннами, установленными в голове и хвосте РТ и ориентированными от состава, которые подключаются к бортовому оборудованию; после получения дейтаграммы по беспроводной связи РУ передает часть данных и сообщение бортовому оборудованию, в ответ получает идентификатор состава, длину состава, данные телеметрии и, возможно, ответное сообщение, вставляет данные и сообщение в дейтаграмму,  устанавливает признак занятости звена и возвращают ее по радио источнику.
4. В цепочечной сети с движущимися блок-участками для обмена сообщениями между элементами инфраструктуры предлагается способ доставки сообщений, иллюстрированный на фиг. 3, в котором в беспроводной цепочке образуется дополнительное внутреннее кольцо по двух-портовой схеме: выход порта КЦ 2 текущего узла на вход следующего…, с заворотом в конце цепочки выхода первого порта на вход второго и с возвратом через все узлы вторым портом, аналогично шине ETHERCAT, отличающийся тем, что может использоваться отличная от ethernet технология; дейтаграммы, циркулирующие по кольцу, являются контейнерами для пакетов с данными; пакеты содержат заголовки, в каждом из которых задается приоритет доставки, адреса отправления и назначения, при этом адреса включают номер цепочки и номер узла; для отправки сообщения КЦ 2 формирует и помещает пакет с данными в ближайший контейнер, следующий в нужном направлении и имеющий достаточно свободного места, при недостатке места из контейнера вытесняются пакеты с меньшим приоритетом и переносятся в следующий контейнер с возможным сбросом накопившихся пакетов с низким приоритетом при определенных условиях; при доставке пакета по назначению, занимаемое им место в контейнере высвобождается.
5. Способ обеспечения безопасности движения характеризующийся тем, что к некоторым узлам цепочечной сети подключаются напольные устройства, включающие датчики для калибровки систем счисления пути и фиксации прохождения реперных точек, светофоры, стрелки, а информация, необходимая для осуществления безопасного движения, накапливается в дейтаграммах, проходящих через узлы цепочки навстречу движению и передается по радио бортовому оборудованию встречного рельсового транспорта, которое обеспечивает безопасное движение; информация включает: координату начала свободного участка пути, его план, профиль, суммарную длину, максимально допустимую скорость; тип и статус препятствия и его скорость движения.
6. Устройство определения занятости участков рельсовых путей, содержащее трансиверы для радио и фиксированных линий связи, управляемое программируемым микроконтроллером с необходимыми интерфейсами, энергонезависимой памятью и программным обеспечением, обеспечивающее функционирование и ретрансляцию дейтаграмм беспроводной цепочечной сети фиг. 1 с предварительным анализом и модификацией полей по определенных ниже правилам:
значения полей, содержащих счетчик дейтаграмм, номер линии и сообщения, которыми обмениваются абоненты сети не модифицируются;
значения полей, содержащих фиксированные данные узлов, заменяются значениями, хранящимися в энергонезависимой памяти, включая: мощность передатчика; номер узла, альтернативно для рельсового транспорта - признак головы или хвоста; план и профиль пути свободного участка, альтернативно для рельсового транспорта - его идентификатор и тип; максимально допустимая скорость движения свободного участка, альтернативно для рельсового транспорта - длина состава;
признак занятости текущего звена цепочки устанавливается или сбрасывается по результатам вычисления программируемой логической функции, зависящей от текущего скользящего среднего и статистик затухания радиосигналов для свободного текущего звена, параметры функции зависят от конкретного окружения и уточняются во время развертывания сети по результатам испытаний;
значения полей, содержащих координаты, тип и статус препятствий, модифицируются узлом, обнаружившим препятствие движению - в случае отсутствия координаты препятствия в качестве таковой устанавливается координата узла, альтернативно для рельсового транспорта - для головы состава устанавливаются координаты начала поезда, для хвоста состава устанавливаются координаты конца поезда;
длина свободного пути обнуляется при обнаружении узлом занятого звена и отсутствии координаты препятствия, иначе суммируется нарастающим итогом от координаты ближайшего препятствия движению, альтернативно для рельсового транспорта - всегда обнуляется.
7. Устройство определения занятости участков рельсовых путей, содержащее трансиверы для радио и фиксированных линий связи, управляемое программируемым микроконтроллером с необходимыми интерфейсами, энергонезависимой памятью и программным обеспечением, обеспечивающее маршрутизацию и ретрансляцию дейтаграмм беспроводной цепочечной сети фиг. 2, при этом дейтаграмма в фиксированном канале включает в себя как часть данные радио канала, ретрансляция и подтверждение дейтаграмм осуществляется параллельно по обоим каналам модифицированными дейтаграммами; при отсутствии дейтаграммы в радио, соответствующей дейтаграмме в фиксированном канале, входящее звено считается затененным, а ретрансляция осуществляется по обоим каналам после анализа и модификации полей; модификация дейтаграмм осуществляется по определенных ниже правилам:
значения полей, содержащих счетчик дейтаграмм, номер линии и сообщения, которыми обмениваются абоненты сети не модифицируются;
если узел не содержит РУ, признак занятости входящего звена цепочки устанавливается по предыдущему звену, иначе признак занятости устанавливается или сбрасывается по результатам вычисления программируемой логической функции, зависящей от текущего скользящего среднего и статистик затухания радиосигналов для свободного текущего звена, параметры функции зависят от конкретного окружения и уточняются во время развертывания сети по результатам испытаний;
значения полей, содержащих фиксированные данные заменяются значениями, хранящимися в энергонезависимой памяти, включая: мощность передатчика; номер узла, альтернативно для рельсового транспорта - признак головы или хвоста; план и профиль пути свободного участка, альтернативно для рельсового транспорта - его идентификатор и тип; максимально допустимая скорость движения свободного участка, альтернативно для рельсового транспорта - длина состава;
значения полей, содержащих координаты, тип и статус препятствий, модифицируются узлом, обнаружившим препятствие движению - в случае отсутствия координаты препятствия в качестве таковой устанавливается координата узла, альтернативно для рельсового транспорта - собственные координаты головы или хвоста поезда;
длина свободного пути обнуляется при обнаружении узлом занятого звена и отсутствии координаты препятствия, иначе суммируется нарастающим итогом от координаты ближайшего препятствия движению, альтернативно для рельсового транспорта - всегда обнуляется.