УСТРОЙСТВО ПРИЕМА И ДЕШИФРИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ (АЛСН)

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и может использоваться в составе автоматической локомотивной системы управления как один из блоков такой системы или использоваться как отдельное устройство.
Как известно, существующие системы автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН) включают напольные и локомотивные устройства. Напольные устройства обеспечивают передачу в рельсовые цепи 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.
На сегодняшний день наиболее широкое распространение получил способ дешифрирования сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН) и устройство для его реализации - дешифратор ДКСВ-1 (М.И.Вахнин и др. «Путевая блокировка и авторегулировка», М., «Транспорт», 1974, с.333-344). 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. Недостатком данного способа и устройства для его реализации 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 электропередач (ЛЭП), 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 решать при дешифрировании сигналов АЛСН, является необходимость определения, на какой именно несущей частоте из используемых в настоящее время (25 Гц, 50 Гц и 75 Гц) и в какой кодировке (КПТ-5 и КПТ-7) ведется передача сигнала. Нельзя исключить появления в будущем и других вариантов кодирования. Некоторые существующие локомотивные системы должны переключаться на другую несущую частоту вручную либо как, например, КЛУБ-У (RU 2248899 C1, МПК 7 B61L 25/04) на основе данных карты местности, хранящейся в электронной форме в памяти системы, что порождает проблемы точной привязки такой карты к конкретному участку пути.
Известны запатентованные технические решения повышения помехоустойчивости систем АЛСН путем совершенствования их аппаратной части в целях подавления возникающих помех. В частности, в изобретениях по патентам: US 2003052233; US 5791602; US 5501417; US 5628478; US 5084699 решения основаны на применении дополнительных катушек, антенн и другого дополнительного оборудования, улучшающего характеристики приема аналогового сигнала или позволяющего определить и отфильтровать помехи от некоторых известных источников. Общим недостатком таких решений является необходимость установки на локомотив и последующей настройки различных дополнительных устройств, что затрудняет обслуживание таких систем и требует дополнительных расходов. Кроме того, предложенные решения не гарантируют надежный прием в случае произвольных помех и искажений.
Другим путем решения задачи повышения надежности приема сигнала является применение методов обработки сигнала, 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.
В изобретении на «Бортовой информационно управляющий комплекс высокоскоростного поезда» (RU 2238208 C1, МПК 7 B61L 3/00) также применена цифровая обработка сигнала АЛСН. Однако в нем применено сравнение самих кодовых посылок, что увеличивает объем вычислений. Устройство не позволяет принимать решение о сигнале в случае недостаточной коррелированности вычисленного спектра сигнала с образцовым спектром.
Прототипом заявляемой полезной модели является «Способ дешифрования сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия и устройство для его реализации» (заявка RU №2005123854 A, B61L 25/06, по которой принято решение о выдаче патента на изобретение 13.04.07). Устройство для реализации способа дешифрирования содержит приемник и дешифратор. Дешифратор выполнен в виде блока преобразования Фурье. Недостатком известного технического решения является то, что предлагаемая схема устройства обладает недостаточной помехоустойчивостью и не предусматривает автоматическую перестройку устройства при изменении несущей частоты принимаемых сигналов АЛСН.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является улучшение эксплуатационных характеристик устройства.
Технический результат полезной модели заключается в повышении помехоустойчивости, так как устройство позволяет производить дешифрирование сигналов АЛСН в условиях помех, приводящих к нарушению цикловой синхронизации, а также дешифрирование сигналов при нарушении фазы несущей частоты и девиации частоты. Кроме того, техническим результатом является осуществление автоматического выбора
значения несущей частоты, применяемой на различных участках железнодорожного пути.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве приема и дешифрирования сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия, содержащем приемник сигналов, связанный с локомотивными катушками, и блок дешифрирования, согласно полезной модели, 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, причем число каналов обработки сигнала соответствует числу обрабатываемых несущих частот.
Решение указанной задачи достигается также тем, что приемник сигналов состоит из трех каналов обработки сигнала, соответствующих значениям несущих частот 25 Гц, 50 Гц, 75 Гц.
На чертеже представлена функциональная схема устройства.
Устройство для приема и дешифрирования сигналов автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) снабжено приемником сигналов, содержащим подключенный к локомотивным катушкам через аналоговый (антиалиасинговый) фильтр 1 низкой частоты блок 2 оцифровки сигнала, связанный выходом с каналами обработки сигнала. Каналы обработки сигнала состоят из последовательно соединенных цифрового полосового фильтра 3 для выделения обрабатываемого в канале сигнала и подключенного к выходу блока 2 оцифровки сигнала, блока 4 выделения огибающей сигнала и блока 5 построения числоимпульсного кода, выход которого соединен с входом блока дешифрирования 6, подключенного
выходом к входу блока 7 машины состояний. Число каналов обработки сигнала соответствует числу обрабатываемых несущих частот.
Все блоки устройства могут быть аппаратно реализованы на программируемых логических микросхемах, микропроцессорных устройствах или иными цифровыми устройствами обработки информации.
Устройство работает следующим образом.
Входной аналоговый сигнал, снимаемый с приемных катушек локомотива (ЛК), преобразуется в числовую форму при помощи блока 2 оцифровки сигнала, выполненного в виде общего для всех каналов входного блока. Для предварительной обработки сигнала, принятого непосредственно с ЛК, применен низкочастотный аналоговый (антиалиасинговый) фильтр 1 с частотой среза, превышающей максимально возможное значение для несущей частоты в целях устранения стробоскопического эффекта при оцифровке сигнала и с целью недопущения формирования низкочастотного сигнала из высокочастотного.
Особенностью предлагаемой полезной модели, в отличие от прототипа, является то, что обработка сигнала ведется одновременно по нескольким каналам. По преимуществу обработку сигнала проводят по трем каналам, соответствующим значениям несущих частот 25 Гц, 50 Гц и 75 Гц. Все эти каналы выполнены аналогично и отличаются друг от друга только характеристиками полосы пропускания цифровых полосовых фильтров 3.
Принцип работы канала следующий.
Оцифрованный с помощью блока 2 оцифровки сигнал с локомотивных катушек поступает на вход канала. Цифровой полосовой фильтр 3 обладает полосой пропускания, соответствующей одному из возможных вариантов несущей частоты (для существующих систем АЛСН это 25 Гц, 50 Гц и 75 Гц). Используется цифровой полосовой фильтр, вносящий минимальные искажения в амплитудно-частотную характеристику сигнала в полосе пропускания фильтра. Точное значение вида и порядка фильтра, а также
полосы пропускания устанавливается в зависимости от режимов работы устройства.
В блоке 4, который выполнен в виде квадратурного приемника, происходит выделение огибающей сигнала.
В блоке 5 построения числоимпульсного кода происходит окончательное построение кодовой последовательности, аналогичной той, которая передается КПТ. То есть амплитуда сигнала после прохождения данного блока принимает только два значения 1 или 0.
Числоимпульсный код со всех трех каналов поступает на вход блока дешифрирования 6.
Над поступившим сигналом проводится преобразование Фурье, с целью получения амплитудного спектра сигнала. Полученный спектр сравнивают с набором эталонных образцов спектров, хранящихся в памяти блока 6 дешифрирования и соответствующих вариантам кодирования сигнала (КПТ-5 и КПТ-7) и видов самих сигналов («зеленый», «желтый», «красно-желтый»). После этого производят вычисление коэффициентов корреляции между амплитудным спектром принятого сигнала и амплитудными спектрами эталонных образцов сигналов.
После блока дешифрирования 6 в блок 7 машины состояний из каждого канала поступает матрица из коэффициентов корреляции.
По максимальному коэффициенту корреляции в блоке 7 машины состояний определяется, из какого канала и какой именно сигнал был принят локомотивными катушками. В связи с тем, что получаемые коэффициенты корреляции могут отличаться незначительно, для более четкого выбора применена система весовых коэффициентов (оценок). При значении коэффициента корреляции меньше заданного порогового значения устройство переходит в режим накопления статистики дешифрирования, при этом в качестве дешифрированного сигнала выдаются сигналы «Белый» или «Красный», в зависимости от предыдущего состояния светофора. В буферной памяти блока 7 машины состояний осуществляется суммирование
полученных оценок за заданный временной интервал, на этой основе и принимается решение о том, какой входной сигнал был принят. Пороговое значение для оценок может быть различным для разных огней светофора.
Преимущества предложенной полезной модели состоят в повышенной устойчивости к воздействию импульсных помех и к различным видам искажений кодовых комбинаций. Предложенная схема позволяет дешифрировать сигнал и при наличии помех, что должно повысить безопасность эксплуатации железнодорожного транспорта. Возможность автоматического распознавания того, на какой частоте ведется передача сигнала КПТ, также повышает надежность систем управления локомотивом, исключает необходимость ручного управления приемником АЛСН или привязки работы систем АЛСН к таким дополнительно усложняющим работу и снижающим надежность системам, как базы данных с электронными картами местности. При появлении новых способов кодирования сигналов АЛСН, изменении или добавлении несущей частоты не требуется переоборудование локомотива новыми аппаратными средствами. Для этого остаточно изменения в памяти программируемых цифровых устройств соответствующих коэффициентов и алгоритмов работы.
Реализация заявленной совокупности признаков формулы полезной модели обеспечивает ряд технических результатов, таким образом, решается поставленная перед полезной моделью задача улучшения эксплуатационных характеристик устройства.