БОРТОВОЙ ПОВТОРИТЕЛЬ СООБЩЕНИЙ ДЛЯ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СОСТАВА
ON-BOARD MESSAGE REPEATER FOR TRAIN RADIO COMMUNICATION SYSTEM

По данной заявке на патент испрашивается приоритет на основании Предварительной заявки на патент США номер 60/565591, зарегистрированной 26 апреля 2004 года.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в общем относится к системам радиосвязи железнодорожного состава и в частности к бортовому повторителю сообщений для систем радиосвязи железнодорожного состава для использования в составе с распределенной энергией, содержащем ведущий локомотив и один или более удаленных локомотивов.
Уровень техники
Функционирование железнодорожного состава или поезда с распределенной энергией предоставляет движущую силу и торможение от ведущего локомотива (или ведущего блока) и одного или более удаленных локомотивов (или удаленных блоков), находящихся на расстоянии от ведущего блока в поезде. В одной конфигурации поезд с распределенной энергией содержит ведущий локомотив в голове поезда, удаленный локомотив в позиции хвоста поезда (EOT) и один или более локомотивов в середине поезда, размещенных между головой и хвостом поезда. Работа поезда с распределенной энергией может быть предпочтительна для длинносоставных поездов, чтобы улучшить вождение и ходовые качества поезда, и особенно для поездов, эксплуатируемых в горной местности.
В поезде с распределенной энергией каждый ведущий и удаленный локомотив обеспечивает движущую силу и торможение поезду. Сообщения команд движения и торможения выдаются оператором в ведущем локомотиве и подаются в удаленные локомотивы посредством системы радиочастотной связи (такой как система связи для распределения энергии, известная из предшествующего уровня техники как LOCOTROL, созданная General Electric Company из Скенектади, штат Нью-Йорк), содержащая линию (канал) радиочастотной связи и приемо-передающее оборудование в ведущем и удаленном блоках. Принимающий удаленный локомотив отвечает на эти команды, чтобы применять тяговое усилие или тормозное усилие к поезду и уведомлять ведущий блок о приеме и выполнении команды. Ведущий блок также отправляет другие сообщения удаленным блокам, в том числе сообщения запроса состояния. Удаленные блоки отвечают посредством отправки сообщения ответа о состоянии обратно ведущему блоку.
В поезде, имеющем два или более непосредственно сцепленных удаленных локомотива, сцепленные локомотивы функционируют в унисон посредством управляющих сигналов, передаваемых по связанным линиям MU (нескольких блоков). Один из локомотивов обозначается как управляющий удаленный блок в отношении систем связи для распределенной энергии. Только управляемый удаленный блок сконфигурирован, чтобы принимать команды, передаваемые ведущим блоком, и отвечать ведущему блоку с помощью соответствующих сообщений ответа.
Один из наиболее важнейших аспектов работы поезда - это прогнозируемая и успешная работа пневматической тормозной системы. Пневматическая тормозная система содержит локомотивные тормоза в каждом локомотиве (включая ведущий локомотив и все удаленные локомотивы) и вагонные тормоза в каждом железнодорожном вагоне. Локомотивные тормоза ведущего блока управляются посредством оператора локомотива в ответ на позицию рукоятки локомотивного тормозного рычага, а тормоза железнодорожных вагонов управляются в ответ на позицию рукоятки автоматического тормозного рычага. Локомотивные тормоза также могут управляться посредством рукоятки автоматического тормозного рычага.
Рукоятка или контроллер автоматического тормозного рычага управляет давлением в гидравлической тормозной магистрали, которая идет по всей длине поезда и поддерживает гидравлическую связь с системой вагонных тормозов для применения или отпускания вагонных тормозов в каждом железнодорожном вагоне в ответ на изменение давления в тормозной магистрали. Конкретно, регулирующий клапан (типично содержащий множество клапанов и соединительную систему трубопроводов) в каждом железнодорожном вагоне отвечает на изменения давления текучей среды в тормозной магистрали посредством применения тормозов (в ответ на снижение давления текучей среды в тормозной магистрали) или отпускания тормозов (в ответ на увеличение давления текучей среды в тормозной магистрали). Текучая среда в тормозной магистрали традиционно содержит герметизированный воздух. Управление рукояткой автоматического тормозного рычага в ведущем локомотиве инициирует падение давления в ведущем блоке, которое распространяется по тормозной магистрали до хвоста поезда. Регулирующий клапан в каждом железнодорожном вагоне измеряет падения давления и в ответ на это подает герметизированный воздух из локального резервуара вагона в колесные тормозные цилиндры, которые, в свою очередь, притягивают тормозные колодки к колесам вагона. Резервуар вагона пополняется воздухом, отводимым из тормозной магистрали в ходе рабочих интервалов без торможения.
Отпускание тормоза также инструктируется оператором ведущего блока посредством регулирования рукоятки автоматического тормозного рычага, чтобы осуществить увеличение давления в тормозной магистрали. Увеличение давления измеряется во всех вагонах, и в ответ тормозные колодки отпускаются от колес вагона.
В поезде с распределенной энергией помимо регулирования давления тормозной магистрали, чтобы осуществить применение и отпускание вагонных тормозов, ведущий блок подает команды применения и отпускания тормозов в удаленных блоках посредством отправки соответствующего сигнала удаленным блокам через канал связи. Как дополнительно описано ниже, применение и отпускание тормозов, таким образом, более быстро применяются по всей длине поезда благодаря участию ведущего блока и удаленных блоков. С некоторыми ограничениями, требуемыми, чтобы поддерживать управление поездом, в поезде с распределенной энергией команда торможения или отпускания тормоза также может быть инструктирована ведущим и удаленными локомотивами.
Вагонные тормоза могут применяться в двух режимах, т.е. служебное торможение и экстренное торможение. При служебном торможении тормозное усилие применяется к вагону, чтобы замедлить или остановить поезд в месте по ходу движения в колее. В ходе служебных торможений давление в тормозной магистрали медленно падает, и тормоза применяются постепенно в ответ на это. Оператор контролирует частоту, с которой снижается давление, посредством операций с рукояткой автоматического регулятора тормоза. Штрафное торможение - это одна форма служебного торможения, при которой тормозная магистраль уменьшается до нулевого давления, но вакуумирование происходит с заранее определенной скоростью, в отличие от экстренного торможения, описанного ниже, и вагоны не отводят воздух из тормозной магистрали в ходе штрафного торможения.
Экстренное торможение - это немедленное применение вагонных тормозов посредством немедленного вакуумирования или отведения воздуха из тормозной магистрали в ведущем блоке (и удаленных блоках распределенного энергопоезда). Когда вагон измеряет заранее определенную скорость снижения давления для экстренного торможения, вагон также отводит воздух из тормозной магистрали, чтобы ускорить распространение вакуумирования тормозной магистрали по всему поезду. К сожалению, поскольку тормозная магистраль имеет протяженность несколько сотен ярдов по всему поезду, экстренное торможение не выполняется сразу по всей длине тормозной магистрали. Таким образом, тормозное усилие не применяется равномерно во всех вагонах, чтобы остановить поезд.
В поездах с распределенной энергией торможение осуществляется посредством отведения воздуха из тормозной магистрали в ведущем и удаленном локомотиве, тем самым ускоряя отведение воздуха в тормозной магистрали и применение тормозов в каждом вагоне, особенно для вагонов в хвосте поезда. Следует принимать во внимание, что отведение воздуха из тормозной магистрали только в ведущем блоке в традиционном поезде требует распространения снижения давления тормозной магистрали по всей длине поезда, тем самым замедляя применение тормозов в вагонах, удаленных от ведущего блока. Для поезда с распределенной энергией с оперативной линией связи между ведущим и удаленными блоками, когда оператор поезда инструктирует торможение (к примеру, служебное или экстренное торможение) посредством операций с рукояткой автоматического регулятора тормоза в ведущем блоке, отводится воздух из тормозной магистрали и команда торможения передается в каждый удаленный блок посредством канала радиочастотной связи. В ответ каждый удаленный блок также отводит воздух из тормозной магистрали. Таким образом, торможение в удаленных локомотивах следует после торможения в ведущем блоке в ответ на сигналы, передаваемые посредством системы связи.
Отпускание тормоза, инициированное в ведущем блоке, также передается по линии радиочастотной связи удаленным блокам, с тем чтобы тормозная магистраль пополнилась до номинального давления из всех локомотивов, снижая время пополнения тормозной магистрали.
Если экстренное торможение инициируется в ведущем локомотиве оператором поезда или в ответ на обнаруженное состояние отказа, система радиочастотной связи отправляет сигнал экстренного торможения каждому из удаленных локомотивов по каналу радиочастотной связи. В ответ удаленный локомотив вакуумирует тормозную магистраль. Эта методика дает возможность более быстрого выполнения экстренного торможения, поскольку тормозная магистраль вакуумируется во всех локомотивах, а не только в ведущем локомотиве, как в традиционном поезде.
Фиг.1 и 2 схематично иллюстрируют поезд 10 с распределенной энергией, движущийся в направлении, указанном размерной стрелкой 11, в котором один или более удаленных блоков 12A-12C управляются либо от ведущего блока 14 (фиг.1), либо с контрольно-диспетчерского пункта 16 (фиг.2). Локомотив 15 управляется ведущим блоком 14 посредством MU-линии 17, соединяющей два блока. Методики в соответствии с настоящим изобретением могут быть применены к поезду 10 с распределенной энергией и системе связи, функционирующей в нем, как описано ниже.
Следует понимать, что единственное различие между системами фиг.1 и 2 состоит в том, что выдача команд и сообщений от ведущего блока 14, фиг.1, заменена на контрольно-диспетчерский пункт 16, фиг.2, и определенные взаимные соединения системы, фиг.1, опущены. Типично, контрольно-диспетчерский пункт 16 обменивается данными с ведущим блоком 14, который, в свою очередь, соединен с удаленными блоками 12A-12C.
В одном варианте осуществления канал системы связи содержит один полудуплексный канал связи, имеющий полосу пропускания в три кГц, при этом сообщения и команды содержат поток последовательных двоичных данных, закодированных с помощью модуляции с частотной манипуляцией на одной из четырех доступных несущих частот. Различные двоичные разряды передают информацию, касающуюся типа передачи (к примеру, сообщения, команды, оповещения), независимого сообщения, команды или оповещения, адреса приемного блока, адреса отправляющего блока, традиционных стартовых и стоповых бит и бит обнаружения/коррекции ошибок. Подробные сведения сообщений и команд, предоставляемые системой, и формат передачи отдельных сообщений и команд подробно описывается в Патенте (США) номер 4582280, принадлежащем заявителю настоящего изобретения, который содержится в данном описании по ссылке.
Поезд 10 с распределенной энергией, фиг.1 и 2, также содержит множество железнодорожных вагонов 20, размещенных между удаленными блоками 12A/12B и между удаленным блоком 12C (фиг.1). Размещение локомотивов 14 и 12A-12C и вагонов 20, проиллюстрированное на фиг.1 и 2, приведено просто в качестве примера, поскольку настоящее изобретение может быть применено к поездам с другим расположением локомотивов/вагонов. Вагоны 20 оснащены пневматической тормозной системой (не показанной на фиг.1 и 2), которая применяет пневмотормоза вагонов в ответ на падение давления в тормозной магистрали 22 и отпускает пневмотормоза при увеличении давления в тормозной магистрали 22. Тормозная магистраль 22 идет по всей длине поезда для передачи изменений давления воздуха, задаваемых отдельными контроллерами 24 пневмотормозов в ведущем блоке 14 и удаленных блоках 12A, 12B и 12C.
В определенных приложениях внебортовой повторитель 26, также описанный ниже, размещен на расстоянии радиосвязи от поезда 10 для ретрансляции сигналов связи между ведущим блоком 14 и удаленными блоками 12A, 12B и 12C.
Ведущий блок 14, удаленные блоки 12A, 12B и 12C, внебортовой повторитель 26 и контрольно-диспетчерский пункт 16 оснащены приемо-передающим устройством 28, работающим с антенной 29, для приема и передачи сигналов по каналу связи. Приемо-передающее устройство 28 ведущего блока ассоциативно связано с ведущей станцией 30 для генерирования и выдачи команд и сообщений от ведущего блока 14 удаленным блокам 12A-12C и приема ответных сообщений от них.
Команды генерируются в ведущей станции 30 в ответ на управление оператором движущей силы и контроллеров торможения в ведущем блоке 14, как описано выше, или, при необходимости, автоматически. Каждый удаленный блок 12A-12C и внебортовой повторитель 26 содержит удаленную станцию 32 для обработки и ответа на передачи от ведущего блока 14 и для выдачи сообщений ответа и команд.
Четыре основных типа радиопередачи, выполняемой системой связи, включают в себя: (1) сообщения связывания от ведущего блока 14 в каждый из удаленных блоков 12A-12C, которые "связывают" ведущий блок 14 и удаленные блоки 12A-12C, т.е. конфигурируют или настраивают систему связи для использования ведущим блоком 14 и удаленными блоками 12A-12C, (2) сообщения ответа на связывание, которые указывают прием и выполнение сообщения связывания, (3) команды от ведущего блока 14, которые управляют одной или более функциями (к примеру, применением движущей силы или торможением) одного или более удаленных блоков 12A-12C, и (4) сообщения состояния и оповещения, передаваемые одним или более удаленными блоками 12A-12C, которые обновляют или предоставляют ведущему блоку 14 необходимую оперативную информацию, касающуюся одного или более удаленных блоков 12A-12C.
Каждое сообщение и команда, отправленные из ведущего блока 14, передаются всем удаленным блокам 12A-12C и включают в себя идентификатор ведущего блока для использования удаленными блоками 12A-12C для определения того, что отправляющий ведущий блок - это ведущий блок того же поезда. Альтернативное определение инструктирует удаленному блоку 12A-12C выполнить принятую команду.
Сообщения и оповещения, отправляемые от одного из удаленных блоков 12A-12C, также включают в себя адрес отправляющего блока. Как результат ранее завершенного процесса соединения приемный блок, т.е. ведущий или другой удаленный локомотив, может определять, был ли он заданным получателем принятого сообщения, посредством проверки идентификации отправляющего блока в сообщении и может отвечать соответствующим образом.
Эти четыре типа сообщений, включающие в себя информацию адреса, включенную в каждое из них, обеспечивают защищенную линию передачи данных, которая имеет низкую вероятность сбоя вследствие помех на расстоянии радиопередачи поезда 10. Сообщения обеспечивают возможность контроля удаленных блоков 12A-12C из ведущего блока 14 и предоставляют оперативную информацию об удаленном блоке в ведущий блок 14.
Хотя большинство команд выдается ведущим блоком 14 и передается в удаленные блоки 12A-12C для выполнения, как описано выше, существует один случай, когда удаленный блок 12A-12C выдает команды другим удаленным блокам и ведущему блоку 14. Если удаленный блок 12A-12C обнаруживает состояние, которое служит основанием для экстренного торможения, удаленный блок передает команду экстренного торможения всем остальным блокам поезда. Команда включает в себя идентификацию ведущего локомотива поезда и, следовательно, выполняется в каждом удаленном блоке, как если бы команда была выдана ведущим блоком.
В данном описании настоящего изобретения термины "линия радиосвязи", "линия RF-связи" и "система RF-связи" и аналогичные термины описывают способ обмена данными между двумя линиями связи в сети. Следует понимать, что линия связи между узлами (локомотивами) в системе в соответствии с настоящим изобретением не ограничена радио- или RF-системами и т.п. и предназначена для того, чтобы охватывать все методы, посредством которых сообщения могут передаваться от одного узла к другому или множеству других, в том числе, без ограничения, магнитные системы, акустические системы и оптические системы. Аналогично система в соответствии с настоящим изобретением описывается в связи с вариантом осуществления, в котором линии радио- (RF-связи) используются между узлами и в котором различные компоненты совместимы с этими линиями связи; тем не менее, описание предпочтительного варианта осуществления не предназначено для того, чтобы ограничивать изобретение этим конкретным вариантом осуществления.
В поезде с распределенной энергией в ответ на инициированную оператором команду система связи в ведущем блоке передает каждому удаленному блоку радиочастотное сообщение, представляющее команду. Эти команды могут включать в себя команды тяги или контроллера локомотива, команды пневматического торможения, динамического торможения и электрического торможения. В случае команды пневматического торможения после приема сообщения команда торможения выполняется во всех удаленных блоках, чтобы ускорить реакцию на команду в вагонах, поскольку удаленные блоки принимают радиочастотное сообщение до того, как они измеряют изменения давления в тормозной магистрали. Например, если оператор инструктирует применение тормоза, отводится воздух из тормозной магистрали в ведущем блоке и снижение давления распространяется по всей длине поезда до достижения последнего вагона. В зависимости от длины поезда несколько секунд может пройти до того, как снижение давления достигает последнего вагона. Откачка воздуха из тормозной магистрали в ведущем и удаленном локомотивах, последнее в ответ на RF-сообщение, ускоряет откачку воздуха из тормозных магистралей и применение тормозов во всех вагонах, особенно в вагонах ближе к концу поезда. Таким образом, действия по торможению в удаленных локомотивах следуют после действий по торможению в ведущем блоке в ответ на RF-сигналы, передаваемые посредством системы связи.
Отпускание тормоза, инициированное в ведущем блоке, также передается по линии радиочастотной связи удаленным блокам, с тем чтобы тормозная магистраль пополнилась до номинального давления из всех локомотивов, снижая время пополнения тормозной магистрали.
Если оператор поезда инициирует экстренное торможение в ведущем локомотиве, система связи отправляет сигнал экстренного торможения каждому из удаленных локомотивов по линии радиочастотной связи. Удаленные локомотивы вакуумируют тормозную магистраль, чтобы обеспечить более быстрое выполнение экстренного торможения, поскольку тормозная магистраль вакуумируется во всех локомотивах, а не только в ведущем локомотиве, как в традиционном поезде.
В общем, сообщения, отправляемые посредством системы связи, обеспечивают применение более ровной тяговой силы к вагонам и повышают эффективность торможения, поскольку каждый локомотив может осуществлять торможение на скорости RF-сигнала, а не на меньшей скорости, на которой сигнал торможения пневматической тормозной магистрали распространяется в поезде.
Когда поезд работает в среде, где, как ожидается, каждый удаленный блок принимает командные сообщения, отправляемые ведущим блоком, например когда поезд перемещается по относительно прямой колее без непосредственных помех для радиочастотного сигнала, система связи работает в обычном режиме. В этом режиме не ожидается потерь, прерывания связи или повторяющихся сообщений (поскольку сообщение не достигло заданного назначения при первой передаче). Большинство сообщений, выдаваемых в обычном режиме, управляются согласно протоколу сообщений с фиксированным приоритетом, согласно которому каждый удаленный блок передает сообщение о состоянии, отвечающее на выданное ведущим блоком командное сообщение через заранее определенный интервал с передачи команды. Таким образом, каждому удаленному блоку назначается временной интервал, измеряемый от передачи командного сообщения ведущего блока, в ходе которого каждый удаленный блок передает свое сообщение.
Временная схема на фиг.3, на которой описывается система для железнодорожного поезда, содержащего ведущий блок и четыре удаленных блока, иллюстрирует идею, ассоциативно связанную с протоколом сообщений с фиксированным приоритетом для стандартного обмена данными. Вариант, описанный в связи с фиг.3, может быть применен к поезду, содержащему больше или меньше четырех удаленных локомотивов.
Согласно этой схеме в момент времени t=650 мс ведущий блок передает командное сообщение (например, команду торможения, команду тягового усилия, команду динамического торможения и т.д.), которая ожидается к приему всеми удаленными локомотивами в поезде с распределенной энергией. Как можно видеть на фиг.3, каждому приемо-передающему устройству (радио) выделяется интервал в 30 мс, чтобы включиться, и длина примерного командного сообщения составляет 193 мс. По истечении заранее заданного интервала с передачи ведущего блока, например, 50 мс, как показано на фиг.3, первый удаленный локомотив ретранслирует командное сообщение и сообщение о своем состоянии (например, первый удаленный локомотив покрывает тормозную магистраль в ответ на команду торможения). Сообщение о состоянии предназначается ведущему локомотиву, с тем чтобы оператору поезда сообщался ответ на команду первого удаленного блока. Кроме того, следует заметить, что каждый удаленный блок ретранслирует командное сообщение вместе со своим сообщением о состоянии, чтобы максимизировать вероятность того, что команда принята всеми удаленными локомотивами. Время включения, длительность сообщения и т.д., проиллюстрированные на фиг.3, приведены просто для примера и могут варьироваться в зависимости от варианта применения и спецификаций компонентов, которые содержат систему связи.
Второй удаленный локомотив повторяет командное сообщение и передает свое сообщение состояния после заранее определенной задержки, например 50 мс с окончания передачи первого удаленного блока. Процесс повторения команд и передачи состояния продолжается до тех пор, пока все удаленные локомотивы не повторят командное сообщение и не передадут соответствующее сообщение о состоянии. Окончание состояния сообщений наступает, когда последний удаленный блок передал о своем состоянии, после чего ведущий блок свободен, чтобы передавать другое командное сообщение удаленным локомотивам. В варианте осуществления, фиг.3, окончания сообщения возникает в t=2896 мс или 2271 мс после начальной передачи ведущего устройства.
Когда ведущий блок передает командное сообщение, ведущий блок не знает, принято ли сообщение всеми удаленными блоками поезда, до тех пор, пока сообщение состояния удаленного блока не будет принято от всех удаленных блоков (при этом сообщение состояния указывает прием и выполнение командного сообщения) или сообщение состояния будет не принято от одного или более удаленных блоков (отсутствие сообщения состояния указывает то, что командное сообщение не принято). Таким образом, согласно одному варианту осуществления системы связи, чтобы обеспечить прием каждым удаленным блоком командных сообщений, они повторяются каждым удаленным блоком.
Заметим, что существует возможность того, что одно или более сообщений состояния удаленных блоков могут быть не приняты ведущим блоком. Когда это имеет место, ведущий блок ретранслирует командное сообщение и ждет сообщение ответа по состоянию от каждого удаленного блока в поезде. Одно отличие настоящего изобретения, которое будет описано ниже, повышает вероятность того, что все сообщения состояния принимаются в ведущем блоке, тем самым уменьшая вероятность ретрансляции, без серьезного влияния общее время передачи сообщений команд и состояния.
Помимо протокола фиксированного приоритета, описанного выше, определенные команды, к примеру экстренное торможение, классифицируются как командные сообщения с высоким приоритетом и передаются согласно протоколу приоритета, отличному от протокола фиксированного приоритета. Другие командные сообщения, к примеру проверка системы связи, работают согласно другим протоколам приоритета, которые управляют передачей этих команд и ответами удаленных блоков.
По мере того как поезд пересекает конкретные территории или сегменты колеи с непосредственными естественными или искусственными помехами, линия связи в пределах прямой видимости между отправляющим и приемным блоками может быть разорвана. Таким образом, командные сообщения и сообщения состояния могут ненадежно приниматься приемным устройством, т.е. ведущим локомотивом для сообщений, отправляемых от удаленного устройства, или удаленным локомотивом для сообщений, отправляемых от ведущего блока. Хотя высокопроизводительные и надежные приемо-передающие устройства могут допускать успешную передачу сигнала в приемный блок при определенных рабочих условиях, это оборудование может быть относительно дорого. Дополнительно в некоторых рабочих сценариях даже высокопроизводительное приемо-передающее устройство не может успешно осуществлять связь, например, когда длинный поезд перемещается по изогнутому сегменту колеи, к примеру, в горах, где канал связи между ведущим блоком и одним или более удаленных блоков забивается помехами от гор. Кроме того, по мере того как поезд проезжает через туннель, определенные приемо-передающие устройства могут не иметь возможности обмениваться данными с другими приемо-передающими устройствами на борту локомотивов.
Чтобы повысить надежность системы, один вариант осуществления системы связи для поезда с распределенной энергией содержит внебортовой повторитель 26 (см. фиг.1) для приема сообщений, отправляемых от ведущего блока 14, и повторения (ретрансляции) сообщения для приема удаленными блоками 12A-12C. Этот вариант осуществления может быть использован на практике по всей протяженности колеи, которая проходит, к примеру, через туннель. В этом варианте осуществления внебортовой повторитель 26 содержит антенну 29 (к примеру, негерметичный коаксиальный кабель, уложенный вдоль туннеля) и удаленную станцию 32 для приема и ретрансляции сообщений ведущего устройства, которые принимаются всеми удаленными устройствами 12A-12C в диапазоне радиочастотной связи антенны 29 повторителя.
Раскрытие изобретения
Согласно одному варианту осуществления настоящее изобретение относится к способу связи для железнодорожного поезда, содержащего ведущий локомотив и удаленные локомотивы. Способ также содержит этапы, на которых передают исходящее сообщение от ведущего локомотива для каждого удаленного локомотива, принимают исходящее сообщение от ведущего локомотива или от другого удаленного локомотива и передают исходящее сообщение до тех пор, пока исходящее сообщение не будет принято последним удаленным локомотивом, в последнем удаленном локомотиве, передают входящее сообщение, отвечающее на исходящее сообщение, и для каждого удаленного локомотива за исключением последнего удаленного локомотива принимают входящее сообщение от другого удаленного локомотива, сообщение локального состояния и передают модифицированное входящее сообщение до тех пор, пока модифицированное входящее сообщение не будет принято ведущим локомотивом.
Согласно другому варианту осуществления настоящее изобретение раскрывает систему связи для железнодорожного поезда, имеющего ведущий локомотив и удаленные локомотивы. Система связи также содержит канал связи, радио в ведущем локомотиве для передачи исходящего сообщения по каналу связи для приема удаленными локомотивами, радио в каждом удаленном локомотиве для приема исходящего сообщения и передачи исходящего сообщения по каналу связи для приема удаленными локомотивами, более удаленными от ведущего локомотива, при этом радио в каждом удаленном локомотиве может не принимать исходящее сообщение, радио в последнем удаленном локомотиве для приема исходящего сообщения от ведущего локомотива или другого удаленного локомотива и для передачи входящего сообщения в ответ на исходящее сообщение по каналу связи для приема удаленными локомотивами, более близко расположенными к ведущему локомотиву, и для приема ведущим локомотивом, при этом радио в ведущем локомотиве и радио в каждом удаленном локомотиве может не принимать входящее сообщение, и при этом радио в каждом удаленном локомотиве, принимающем входящее сообщение, прикладывает сообщение локального состояния к нему, чтобы сформировать модифицированное входящее сообщение, и передает модифицированное входящее сообщение по каналу связи для приема другим удаленным локомотивом или ведущим локомотивом.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более понятно и его дополнительные преимущества и варианты применения станут более очевидными при рассмотрении его в связи с нижеследующим подробным описанием совместно со следующими прилагаемыми чертежами, из которых:
Фиг.1 и 2 - это схематичные иллюстрации поезда с распределенной энергией, к которому может быть применено настоящее изобретение.
Фиг.3 - это временная схема протокола приоритета обычных сообщений предшествующего уровня техники для системы связи.
Фиг.4 - это временная схема протокола приоритета бортовых сообщений согласно настоящему изобретению для использования в поезде, содержащем четыре удаленных блока.
Фиг.5 - это таблица, иллюстрирующая временные параметры для протокола приоритета бортовых сообщений согласно настоящему изобретению.
Фиг.6 - это временная схема другого варианта осуществления протокола приоритета бортовых сообщений согласно настоящему изобретению для использования в поезде, содержащем четыре удаленных блока.
Фиг.7 - это временная схема протокола приоритета бортовых сообщений согласно настоящему изобретению для использования в поезде, содержащем три удаленных блока.
Фиг.8 - это временная схема системы внебортовых повторителей сообщений согласно настоящему изобретению.
Фиг.9 - это таблица, иллюстрирующая сравнения временных параметров для протокола приоритета обычных сообщений, протокола приоритета сообщений бортовых повторителей и протокола приоритета сообщений внебортовых повторителей.
Фиг.10 - это схематичная иллюстрация поезда с распределенной энергией согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.11 и 12 - это блок-схемы последовательности операций способа, иллюстрирующие этапы обработки согласно двум вариантам осуществления настоящего изобретения.
В соответствии с общей практикой различные признаки изображаются не для того, чтобы масштабировать, а для того, чтобы подчеркнуть конкретные признаки, существенные для изобретения. Ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы по всем чертежам и тексту.
Подробное описание осуществления изобретения
Перед подробным описанием конкретного способа и устройства для протокола сообщений приоритета в системе внебортовых повторителей сообщений в соответствии с настоящим изобретением следует отметить, что настоящее изобретение главным образом базируется на новом сочетании элементов аппаратных средств и программного обеспечения, связанных с упомянутым способом и устройством. Следовательно, элементы аппаратных средств и программного обеспечения представлены посредством традиционных элементов на чертежах, показывая только те конкретные детали, которые относятся к настоящему изобретению, с тем чтобы не затруднять понимание сущности структурными подробностями, которые должны быть очевидными для специалистов в данной области техники, в чем состоит преимущество данного описания.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения, содержащему протокол сообщений приоритета для системы внебортовых повторителей сообщений в поезде с распределенной энергией, таком как поезд 10, фиг.1, сообщения, передаваемые от ведущего блока 14, скачкообразно идут по поезду от головы к хвосту поезда по мере того, как каждый последовательный удаленный блок 12A-12C принимает и ретранслирует сообщение.
Дополнительно, когда поезд входит в пространство, где блок ведущего локомотива не может успешно обмениваться данными напрямую с каждым удаленным блоком (например, когда поезд входит в туннель), система связи может автоматически переключиться на протокол приоритета для бортового повторения сообщений (OBMR)
согласно настоящему изобретению. Это переключение выполняется, например, когда система связи сталкивается с прерыванием связи на более чем заранее определенный фиксированный промежуток времени, например одну минуту. После активации в одном варианте осуществления протокол OBMR активен в течение пятнадцати минут, после чего система связи возвращается к работе по протоколу приоритета обычных сообщений, т.е. как описано в связи с фиг.3. В другом варианте осуществления система связи может быть сконфигурирована на непрерывную OBMR-работу или OBMR-работа может быть вручную активирована оператором ведущего локомотива.
Фиг.4 иллюстрирует примерный OBMR-протокол для поезда, содержащего ведущий блок и четыре удаленных блока. В этом режиме ведущий блок передает командное сообщение (т.е. сообщение, которое инструктирует новую функцию в удаленных блоках, или сообщение обновления состояния, которое запрашивает информацию о состоянии удаленных блоков и также включает в себя самую последнюю ранее переданную команду). Первый удаленный блок принимает исходящее командное сообщение и повторяет сообщение для приема другими удаленными блоками в поезде.
Как проиллюстрировано на фиг.4, передача ведущем блоком начинается через 625 мс после момента времени t=0. Этот интервал приведен просто для примера и представляет минимальный интервал между приемом сообщения в ведущем блоке и передачей последующей команды от ведущего блока. Обратите внимание на примерный интервал задержки в 50 мс между окончанием передачи сообщения и ретрансляцией сообщения, а также выделенное примерное время включения радио (приемо-передающего устройства) в 30 мс. В общем, командные сообщения, отправляемые ведущим блоком, сообщения, отправляемые удаленными блоками, и интервал между передачами сообщений являются фиксированными по продолжительности. Тем не менее, эта продолжительность может варьироваться при необходимости для конкретного варианта применения настоящего изобретения и может отличаться для разных операторов железной дороги.
В отличие от вышеописанного обычного режима связи первый удаленный узел не передает сообщение состояния возврата после приема исходящего сообщения. Вместо этого первый удаленный узел (и каждый последующий удаленный узел) повторяет исходящее сообщение, тем самым давая возможность исходящему сообщению распространяться по всей протяженности поезда без возникновения штрафного времени передач сообщений состояния из каждого удаленного блока. Как можно видеть на фиг.4, каждый удаленный блок ретранслирует исходящее сообщение в рамках соответствующего заранее заданного временного интервала. Таким образом, сообщение скачкообразно передается по поезду для приема каждым удаленным блоком. В этой точке сообщения состояния не возвращаются ведущему локомотиву.
Когда последний удаленный блок (n-й удаленный блок) принимает командное сообщение, последний удаленный блок отправляет сообщение о своем состоянии (т.е. входящее сообщение) обратно предыдущему (n-1)-му удаленному блоку. В соответствии со стандартной практикой, когда система связи сконфигурирована или ведущий и удаленные блоки соединены, удаленный блок, наиболее дальний от ведущего блока, конфигурируется как последний удаленный блок, т.е. последний удаленный блок "знает", что он является последним удаленным блоком в поезде. Таким образом, когда последний удаленный блок принимает исходящее сообщение, он отвечает сообщением о своем состоянии. Удаленный блок три (в случае, когда n=4) принимает сообщение состояния от удаленного блока четыре и сохраняет принятое сообщение состояние в течение заданного интервала времени, и в этот момент удаленный блок три повторяет сообщение состояния удаленного блока четыре и присоединяет собственное сообщение состояния, передавая оба сообщения состояния в направлении ведущего блока, т.е. второму удаленному блоку. Удаленный блок два принимает сообщение состояния от удаленных блоков четыре и три и передает эти сообщения состояния плюс собственное сообщение состояния в направлении ведущего блока. Процесс повторяется до тех пор, пока сообщение состояния каждого удаленного блока не достигнет ведущего блока как сцепленное сообщение, содержащее сообщение состояния от каждого удаленного блока.
Как можно видеть из фиг.4, это происходит в момент времени t=4377 мс или через общее истекшее время в 3752 мс с начала передачи исходящего командного сообщения для приема всех сообщений состояния в ведущем блоке.
Согласно стандартной процедуре работы системы связи поезда с распределенной энергией в случае, когда удаленный блок не принял исходящее сообщение после того, как оно было первоначально передано от ведущего блока, или после того, как сообщение было успешно повторено удаленными блоками, не принявший удаленный блок не имеет состояния сообщения, чтобы отправить обратно ведущему блоку. Ведущий блок ожидает сообщения состояния от каждого из удаленных блоков и может определить из принятых сообщений состояния (каждое сообщение состояния удаленного блока включает в себя идентификатор удаленного блока), какой (если имеется) из удаленных блоков не принял командное сообщение. Таким образом, если ведущий блок не принимает сообщение состояния от одного или более удаленных блоков, команда ретранслируется ведущим блоком. Согласно одному варианту осуществления оператор ведущего блока информируется об отсутствии этого удаленного блока посредством надлежащей индикации на дисплее ведущего блока.
Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание, что сообщение состояния, передаваемое удаленным блоком, может быть принято удаленными блоками помимо заданного удаленного блока-получателя, т.е. когда заданный удаленный блок-получатель является удаленным блоком, соседним передающим удаленным блоком в направлении ведущего блока поезда. Например, в поезде по фиг.4, имеющем четыре удаленных блока, удаленные блоки два и три могут принимать сообщение состояния, переданное удаленным блоком четыре. Удаленный блок сохраняет сообщение состояния удаленного блока четыре в течение заданного интервала времени и может принять сообщение состояния удаленного блока четыре второй раз, когда ретранслировано удаленным блоком три. Возможность нескольких приемов сообщения состояния повышает вероятность того, что ведущий блок принимает сообщение состояния от каждого удаленного блока, который принял командное сообщение.
Напомним, что этот режим работы для обеспечения надежной работы системы предполагает, что удаленные блоки могут эффективно обмениваться данными только с соседним удаленным блоком. Тем не менее, это ограничение не является необходимым условием работы поезда с распределенной энергией в этом режиме.
Фиг.5 - это таблица, указывающая относительное время передачи и содержимое сообщений для протокола приоритета сообщения при внебортовом повторении сообщений для поезда, содержащего один ведущий локомотив и четыре удаленных локомотива, как проиллюстрировано на фиг.4.
Столбец задержки времени на фиг.5 указывает задержку времени между окончанием одной передачи и началом другой передачи, к примеру 50 мс, в проиллюстрированном варианте осуществления между окончанием передачи первого удаленного блока и началом передачи второго удаленного блока. Тем не менее, интервал в 50 мс - это скользящий интервал, т.е. в любой момент, когда удаленный блок передает сигнал, следующий удаленный блок ждет 50 мс с окончания передачи перед инициированием своей передачи. Если удаленный блок не передает сигнал, то каждый последующий удаленный блок вычитает 50 мс из своего времени передачи. Столбец задержки времени - это величина задержки времени, которой придерживается каждый блок до передачи, если все предыдущие удаленные блоки не выполняли передачу. Например, если удаленный блок один не передал в свой заданный интервал времени, то удаленный блок два передает через 100 мс после окончания передачи ведущим блоком. Удаленный блок три передает через 50 мс после окончания передачи удаленным блоком два.
Согласно варианту OBMR-протокола, описанного в связи с фиг.4 и 5, в течение периода, когда сообщения состояния передаются удаленными блоками в направлении ведущего блока, исходящее командное сообщение также передается удаленными блоками, чтобы максимизировать возможность каждому удаленному блоку принимать командное сообщение. Этот сценарий, который проиллюстрирован на фиг.6, увеличивает время между передачей командного сообщения ведущего блока и приемом сообщений состояния удаленных блоков в ведущем блоке с преимуществом увеличения вероятности того, что каждый удаленный блок принимает исходящее сообщение.
Фиг.7 - это временная схема протокола приоритета сообщений для бортового повторителя сообщений в поезде, содержащем ведущий локомотив и три удаленных локомотива. Принципы реализации поезда, содержащего три удаленных блока, идентичны реализации для поезда с четырьмя удаленными блоками, как описано выше в связи с фиг.4. Специалисты в данной области техники должны принимать во внимание, что вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг.6, в котором удаленные блоки ретранслируют командное сообщение, также может быть применен к поезду, содержащему ведущий блок и три удаленных локомотива (или поезду, содержащему любое число удаленных блоков).
Фиг.8 - это временная схема протокола синхронизации обычной связи, работающего с внебортовым повторителем 26 сообщений, описанным выше в связи с фиг.1. Ведущий блок передает командное сообщение в ходе интервала 200 времени о том, которое он принял и ретранслировал повторителем 26 сообщений в ходе интервала 202 времени. Каждый из четырех удаленных блоков принимает повторяемое командное сообщение и отвечает сообщением о своем состоянии в течение назначенного временного интервала. Повторитель 26 принимает все сообщения состояния удаленных блоков и ретранслирует их для приема ведущим блоком 14 в течение интервала 206 времени, после чего интервал сообщений истекает.
Служебное сообщение 210, указанное ссылкой на фиг.8, - это сообщение, отправляемое повторителем 26 всем ведущим блокам в диапазоне радиопередачи повторителя 26, инструктирующее все ведущие блоки задержать передачу. Например, служебное сообщение не допускает одновременной передачи ведущим блоком, которые находится вне туннеля, с удаленным блоком, который находится внутри туннеля. Фиг.9 сравнивает время задержки сообщений протокола обычных сообщений предшествующего уровня техники, OBMR-протокола настоящего изобретения и протокола синхронизации обычных сообщений при работе с внебортовым повторителем сообщений.
В других вариантах осуществления система связи настоящего изобретения также содержит признак, характеризующий разнесение антенн/радио, и/или признак, характеризующий выбор сигнала, которые позволяют преодолеть проблемы в канале передачи сигналов, такие как вызываемые многолучевым распространением сигналом, отражением сигналов и помехами сигналов (к примеру, вследствие установленного на локомотиве пантографа для подачи электроэнергии в локомотив из воздушных кабелей питания).
Каждый состав из двух локомотивов содержит локомотив 250A/250B/250C прямого хода и локомотив 252A/252B/252C обратного хода (см. фиг.10), причем каждый локомотив также содержит прямое радио 260A/260B/260C и обратное радио 262A/262B/262C, при этом каждое прямое радио работает вместе с антенной 266A/266B/266C и каждое обратное радио работает вместе с антенной 268A/268B/268C соответственно для приема сообщений, отправленных из других локомотивов поезда 270. Локомотивы состава соединены кабелем 253A/253B/253C MU (несколько блоков). В соответствии с традиционным языком, используемым в железнодорожной отрасли, локомотив 250A/250B/250C прямого хода - это выделенный блок "A", управляющий локомотивом 252A/252B/252C, или блок "B" посредством управляющих сигналов, инициируемых оператором поезда в блоке "A" и предоставляемых в блок "B" по MU-кабелю 253A/253B/253C.
Когда система связи активируется, прямое радио 260A/260B/260C и обратное радио 262A/262B/262C в составе локомотивов активируются. Таким образом, оба радио в каждом составе принимают сообщения, передаваемые другими блоками в поезде 270. И прямое радио 260A/260B/260C, и обратное радио 262A/262B/262C определяют показатель качества сигнала (к примеру, интенсивность сигнала, частоту ошибок по битам или прием допустимых данных) для каждого принимаемого сообщения. Показатели качества сигнала сравниваются в блоке сравнения/процессоре 276A/276B/276C, и сообщение, имеющее лучшее качество сигнала, выбирается в качестве рабочего сообщения для использования составом локомотивов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления показатель качества сигнала определяется для всех сообщений, принимаемых в прямом радио 260A/260B/260C и обратном радио 262A/262B/262C, чтобы выбрать рабочее сообщение для этого состава. Например, каждая цепочка принятых радиосообщений может быть проверена на корректность посредством подвергания сообщения алгоритму обнаружения и коррекции ошибок, за которым следует обработка согласно настоящему изобретению, чтобы определить показатель качества сигнала, принятого в каждом радио состава, из чего выбирается рабочее сообщение для состава.
Альтернативно вместо обработки всего сигнала для определения показателя качества сигнала только первая группа бит сообщения анализируется, чтобы определить показатель качества сигнала сообщения. Сообщение с лучшим показателем качества сигнала выбирается в качестве рабочего сообщения для состава.
Типично исходящие сообщения передаются из антенны/радио 268A/262A ведущего состава, а сообщения состояния передаются из антенн/радио 266B/260B и 266C/260C удаленных составов. В еще одном варианте осуществления, чтобы минимизировать интерференцию, которая может нарушить точный прием принимаемых сигналов, одна из антенн 266A/266B/266C (и соответствующего радио 260A/20B/260C) или одна из антенн 268A/268B/268C (и соответствующего радио 262A/262B/262C) выбирается в качестве передающей антенны в ответ на требуемое направление передаваемого сигнала. Обратите внимание, что антенны 266A/266B/266C расположены близко к прямому концу ассоциативно связанного состава локомотивов (с учетом направления движения, показанного размерной стрелкой 11), а антенны 268A/268B/268C расположены у обратного конца ассоциативно связанного состава локомотивов.
Радио 260A/20B/260C/262A/262B/262C определяет требуемое направление передаваемого сигнала (к примеру, входящий или исходящий на основе типа сигнала и/или информации, содержащейся в сигнале) и выбирает передающую антенну/радио, которая размещена ближе всего к указанной приемной антенне/радио. Например, если состав локомотивов, содержащий локомотивы 250A и 252A, - это ведущий состав и он предназначен для того, чтобы передавать исходящее сообщение составу локомотивов, содержащему локомотивы 250B и 252B, то антенна/радио 268A/262A выбирается как рабочая антенна. Этот признак может быть особенно выгоден, когда каждый локомотив содержит пантограф 280 для подачи тока в локомотивы из воздушного источника тока (не показан на фиг.10). Согласно этому варианту осуществления антенна (и соответствующее радио) выбираются таким образом, чтобы требуемое направление сигнала было от пантографа. В качестве дополнительного приема, если состав удаленных локомотивов, содержащий локомотивы 250B и 252B, должен отправить сигнал составу локомотивов, содержащему локомотивы 250A и 252A, то антенна/радио 266B/260B выбирается в качестве рабочей антенны/радио. Фиг.11 - это блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способа реализации функции выбора сигнала в соответствии с методиками настоящего изобретения. В одном варианте осуществления способ по фиг.11 реализуется в микропроцессоре и ассоциативно связанных элементах запоминающих устройств в локомотивах железнодорожного поезда, например в локомотивах 260A/260B/260C/262A/262B/262C. В этом варианте осуществления этапы на фиг.11 представляют программу, сохраненную в элементе запоминающего устройства и работающую в микропроцессоре. Когда реализован в микропроцессоре, программный код конфигурирует микропроцессор, чтобы создавать логические и арифметические операции, чтобы обрабатывать этапы блок-схемы последовательности операций способа. Изобретение также может быть осуществлено в форме вычислительного программного кода, написанного на любом из известных вычислительных языков, содержащего инструкции, заключенного в материальные носители, такие как гибкие диски, CD-ROM, жесткие диски, DVD, сменные носители и другие машиночитаемые носители. Когда программный код загружается и выполняется посредством вычислительной машины общего назначения или специального назначения, управляемой микропроцессором, вычислительная машина становится устройством для практического применения изобретения. Изобретение также может быть осуществлено в форме вычислительного программного кода, например либо сохраненного в носителе, загруженном в/или выполняемом посредством вычислительной машины, или передаваемого посредством среды передачи, например посредством электропроводки или кабелей, с помощью оптоволокна или посредством электромагнитного излучения, причем, когда вычислительный программный код загружается и выполняется посредством вычислительной машины, вычислительная машина становится устройством для практического применения изобретения.
Блок-схема последовательности операций способа по фиг.11 начинается на этапе 300, где активируется система связи, таким образом, прямое радио (260A/260B/260C на фиг.10) и обратное радио (262A/262B/262C на фиг.10) в каждом составе локомотивов активируются. Как указано в этапе 302, оба радио в каждом составе принимают сообщения, передаваемые другими блоками в поезде 270. Как указано в этапе 304, и прямое радио, и обратное радио определяют показатель качества сигнала (к примеру, интенсивность сигнала, частоту ошибок по битам или прием допустимых данных) для каждого принимаемого сообщения. Показатели качества сигнала сравниваются на этапе 306, и сообщение, имеющее лучшее качество сигнала, выбирается (см. этап 310) в качестве рабочего сообщения для использования составом локомотивов. Блок-схема последовательности операций способа на фиг.12 иллюстрирует разнесение антенн/радио одного варианта осуществления настоящего изобретения. На этапе 330 сигнал генерируется для передачи другому локомотиву в поезде. На этапе 332 определяется требуемое направление передаваемого сигнала (к примеру, входящий или исходящий на основе типа сигнала и/или информации, содержащейся в сигнале). На этапе 334 выбирается передающая антенна/радио как антенна/радио, которое является ближайшим к требуемой приемной антенне/радио.
Хотя изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что различные изменения могут быть выполнены и эквивалентные элементы могут быть использованы вместо его элементов, не выходя за рамки объема предлагаемого изобретения. Объем настоящего изобретения также включает в себя все комбинации элементов из различных вариантов осуществления, изложенных в данном описании. Помимо этого модификации могут быть выполнены, чтобы применить настоящее изобретение в конкретной ситуации без отступления от его основного объема. Поэтому изобретение не будет ограничено конкретными вариантами осуществления, раскрытыми как оптимальный вариант, предлагаемый для осуществления данного изобретения, а изобретение включает в себя все варианты осуществления, подпадающие под объем, определенный прилагаемой формулой изобретения.