СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МАНЕВРОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
AUTOMATIC SHUNTING LOCOMOTIVE SIGNALING DATA TRANSMISSION SYSTEM

Изобретение относится к системам передачи данных и может быть использовано для обмена служебной информацией между станционными и бортовыми устройствами в целях обеспечения управления движением локомотивов.
Наиболее близким аналогом является система маневровой автоматической локомотивной сигнализации, состоящая из бортовой аппаратуры, станционного устройства и сервисного оборудования, предназначенного для проверки работоспособности, диагностики и выявления дефектов в бортовой аппаратуре и станционном устройстве, характеризующаяся тем, что станционное устройство включает управляющий вычислительный комплекс, который обеспечивает контроль поездной ситуации на основе данных, получаемых от устройств электрической централизации посредством контроллера сбора данных, обеспечивает взаимодействие с бортовой аппаратурой и сервисным оборудованием по цифровому радиоканалу, обеспечивает контроль поддержки радиосвязи с локомотивами и осуществляет контроль передвижения подвижных единиц, кроме этого, станционное устройство включает контроллер сбора данных, обеспечивающий сбор данных о состоянии объектов контроля путем циклического опроса, и передачи этой информации на сервисное оборудование, при этом бортовая аппаратура включает бортовой контроллер, предназначенный для реализации всех функциональных возможностей бортовой аппаратуры, блок индикации, блок управления, блок переключателей, датчики импульсов и радиостанцию, принимающую информацию на процессорный модуль бортового контроллера и осуществляющую обмен информацией с радиостанцией, входящей в состав станционного устройства, и радиостанцией, входящей в состав сервисного оборудования, имеющего двухуровневую архитектуру, на верхнем из которых реализуются все функциональные возможности при проведении диагностики бортовой и станционной аппаратуры, а на нижнем располагаются пульт контроля бортовой аппаратуры и пульт контроля станционного устройства (RU 2369509 C1, B61L 27/04, 2007 г.).
Недостатками этой системы являются ограниченная зона радиопокрытия, обусловленная наличием одного приемопередатчика с одной антенной и низкая информационная емкость и скорость передачи в УКВ-диапазоне, ограничивающая число управляемых маневровых локомотивов до шести, не позволяющая применять точные методы спутникового позиционирования и передавать диагностические сообщения, содержащие значительные объемы информации.
Технический результат заключается в повышении эффективности контроля и управления работой маневровых локомотивов за счет расширения зоны радиопокрытия и увеличения объема передаваемой информации.
Технический результат достигается тем, что у системы передачи данных маневровой автоматической локомотивной сигнализации для крупных железнодорожных станций, содержащей размещенное на железнодорожной станции станционное устройство с управляющим вычислительным комплексом, соединенным через станционные комплекты радиооборудования по радиоканалам с бортовыми комплектами радиооборудования, подключенными к бортовой аппаратуре маневровой автоматической локомотивной сигнализации, согласно изобретению по всей зоне контроля системы маневровой автоматической локомотивной сигнализации установлены дополнительные станционные комплекты радиооборудования, подключенные к управляющему вычислительному комплексу и по радиоканалам связанные с бортовыми комплектами радиооборудования, при этом станционное устройство дополнительно снабжено последовательно соединенными модулем регистрации размещения локомотивов и модулем счетчика распределения локомотивов по частотным каналам, вход/выход которого подключен к выходу/входу управляющего вычислительного комплекса, соответствующий выход которого соединен с входом модуля регистрации размещения локомотивов.
Каждый станционный и бортовой комплект радиооборудования включает радиомодем, состоящий из микроконтроллера, передающего тракта с модулятором и высокочастотным передатчиком, приемного тракта с демодулятором и высокоточным приемником, управляемого выходного коммутатора, подключенного к антенно-фидерному тракту.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан состав многоканального аппаратно-программного комплекса системы передачи данных маневровой автоматической локомотивной сигнализации (АПК СПД МАЛС), на фиг.2 - процедура регистрации локомотива в частотном канале, на фиг.3 - состав радиомодема, на фиг.4 - структура мультикадра АПК СПД МАЛС в одном частотном канале, на фиг.5 - блок-схема алгоритма выбора частотного канала АПК СПД МАЛС и на фиг.6 - алгоритм регистрации в частотном канале.
Система передачи данных маневровой автоматической локомотивной сигнализации для крупных железнодорожных станций содержит размещенное на железнодорожной станции станционное устройство 1 (фиг.1), соединенное по кабельным линиям 4 связи со станционным комплектом 5 радиооборудования (СКР 5), включающим станционный радиомодем 3, связанный по радиоканалу с бортовыми комплектами 6 радиооборудования (БКР 6), включающими бортовые радиомодемы 8, соединенные с бортовой аппаратурой 7 МАЛС (БА 7 МАЛС).
По всей зоне контроля системы маневровой автоматической локомотивной сигнализации установлены дополнительные станционные комплекты 9 радиооборудования (СКР 9), подключенные по кабельным линиям 4 связи к станционному устройству 1 и по радиоканалам к бортовым комплектам 6 радиооборудования.
При этом станционное устройство 1 включает управляющий вычислительный комплекс 2, а также модуль 10 регистрации размещения локомотивов и модуль 11 счетчика распределения локомотивов по частотным каналам. Выход модуля 11 счетчика распределения локомотивов по частотным каналам соединен с управляющим вычислительным комплексом 2, который соединен с входом модуля регистрации размещения локомотивов 10, к выходу которого подключен модуль счетчика распределения локомотивов по частотным каналам 11.
Каждый радиомодем 3 и 8, входящий в состав соответственно станционного и бортового комплекта, включает (см. фиг.3) микроконтроллер 12, передающий тракт с модулятором 13 и высокочастотным передатчиком 14, приемный тракт с демодулятором 15 и высокоточным приемником 16, управляемый выходной коммутатор 18, подключенный к антенно-фидерному тракту 17.
Система передачи данных маневровой автоматической сигнализации для крупных железнодорожных станций работает следующим образом.
Число бортовых комплектов 6 радиооборудования составляет N (b1, b2,…,bN) и соответствует числу комплектов бортовой аппаратуры 7 системы МАЛС (БА 7 МАЛС). Бортовые комплекты 6 включают бортовые радиомодемы 8.
Число комплектов БА 7 МАЛС (a1, a2,…,aN) составляет N и соответствует числу локомотивов, контролируемых системой МАЛС.
Информационное взаимодействие СУ 1 МАЛС (d1) с СКР 5 и 9 производится посредством двух информационных потоков:
- первый информационный поток (ИП1) представляет собой обмен данными контроля и управления локомотивами между СУ 1 МАЛС и БА 7 МАЛС;
- второй информационный поток (ИП2) представляет собой обмен служебной информацией (диагностические сообщения и сообщения управления каналом АПК СПД) между СУ 1 МАЛС, СКР 5 и 9, а также БКР 6.
Диагностические сообщения обеспечивают мониторинг состояния аппаратуры радиоканала. Сообщения управления каналом обеспечивают возможность регистрации БА 7 МАЛС при первичном включении аппаратуры или выборе частотных каналов, а также выделение интервалов в частотном канале. Данная информация является служебной и не предназначена для контроля и управления локомотива, оборудованного БА 7 МАЛС.
Каждый m-й из числа М СКР 5 и 9 для взаимодействия с СУ 1 МАЛС использует выделенную для него m-ную пару информационных потоков ИП1[m] и ИП2[m]. СУ 1 МАЛС накапливает телеметрическую информацию о состоянии СКР 5 9 и БКР 6, получаемую посредством ИП2 и посредством шлюза, входящего в состав СУ 1 МАЛС, направляет телеметрическую информацию в систему ЕСМА (Единая система мониторинга и администрирования железной дороги, на фиг. не показана).
Каждый n-ный из числа N БКР 6 взаимодействует с n-ным из числа N комплектом БА 7 МАЛС посредством n-ной пары информационных потоков: ИП3[n] и ИП4[n].
Информационный поток ИП3[n] предназначен для непосредственной передачи данных системы МАЛС между n-ным из числа N комплектом БА 7 МАЛС и СУ 1 МАЛС. При этом n-ной из числа N информационный поток ИП4[n] предназначен для передачи команд управления рабочей частотой n-ным из числа N БКР 6 от n-ного из числа N комплекта БА 7 МАЛС.
Каждый БКР 6 взаимодействует с СКР 5 и 9, в зоне радиопокрытия которого он находится, и зарегистрирован в его частотном канале посредством узкополосного радиоканала диапазона 160 МГц. Посредством алгоритма выбора частотного канала, выполняемого в СУ 1 МАЛС и БА 7 МАЛС, и управлением БКР 6 в информационном потоке ИП4 возможно использование других СКР 6 и соответственно других доступных зон радиопокрытия (см. фиг.5).
В многоканальном АПК СПД МАЛС применяется временной дуплекс с раздельным для каждого из каналов мультикадра передачи данных. Временная организация мультикадра для одной частоты приведена на фиг.4.
Мультикадр состоит из двух основных временных интервалов типов «DL» и «UL»:
- временной интервал в m-ном из числа М частотном канале типа «DL» предназначен для передачи данных от m-ного СКР 5 и 9 в направлении всех БКР 6, функционирующих с использованием m-ного частотного канала;
- временной интервал в m-ном из числа М частотном канале типа «UL» предназначен для последовательной передачи данных от БКР 6, функционирующих с использованием m-ного частотного канала в направлении m-го СКР 5 и 9.
Временной интервал типа «DL» делится на два основных временных интервала с индексами DL1 и DL2:
- временной интервал с индексом «DL1» предназначен для передачи служебной информации АПК СПД МАЛС и представляет собой физическое отображение информационного потока ИП2 в радиоканале;
- временной интервал с индексом «DL2» предназначен для передачи данных контроля и управления локомотивом от СУ 1 МАЛС в направлении БА 7 МАЛС и представляет собой физическое отображение информационного потока ИП1 в радиоканале.
В состав служебной информации АПК СПД МАЛС, передаваемой во временном интервале DL1, входят следующие типы данных:
- идентификатор частотного канала (номер СКР 5);
- число БА 7 МАЛС, зарегистрированных для обслуживания в данном частотном канале;
- очередность передачи данных в направлении от всех БА 7 МАЛС, зарегистрированных в системе. Данная очередность используется БА 7 МАЛС для определения временного интервала, предназначенного для передачи данных от данного БА 7 МАЛС в интервале UL2. Также при процедуре регистрации наличие интервала, выделенного для БА 7 МАЛС, производившего запрос на регистрацию, расценивается как факт успешного окончания процедуры регистрации.
В состав данных временного интервала DL2 входят данные контроля и управления локомотивами от СУ МАЛС 1 в направлении только к тем БА 7 МАЛС, которые зарегистрированы в данном частотном канале. Данные, предназначенные для каждого отдельного зарегистрированного в данном частотном канале БА 7 МАЛС, состоят из адреса БА 7 МАЛС и данных, предназначенных к передаче от СУ 1 МАЛС к БА 7 МАЛС.
Временной интервал с индексом UL делится на два основных интервала с индексами UL1 и UL2:
- временной интервал с индексом UL1 предназначен для передачи служебной информации АПК СПД МАЛС в направлении от БКР 6 к СКР 5 и 9 представляет собой физическое отображение информационного потока ИП4 в радиоканале;
- временной интервал с индексом UL2 предназначен для передачи данных контроля и управления локомотивами системы МАЛС в направлении от БА 7 МАЛС к СУ 1 МАЛС и представляет собой физическое отображение информационного потока ИПЗ в радиоканале.
Временной интервал UL1 предназначен для обеспечения возможности передачи запросов на регистрацию от БА 7 МАЛС. В каждом частотном канале для каждого БА 7 МАЛС выделен интервал, в котором он может передавать запрос на регистрацию. Выделение интервала для регистрации обеспечивает безколлизионный принцип процедуры регистрации.
Алгоритм выбора частотного канала (АВЧК) (фиг.5) выполняется вычислительными средствами СУ 1 МАЛС и БА 7 МАЛС. АВЧК использует следующую априорную информацию:
- геометрические параметры зон радиопокрытия, создаваемые М СКР 5 и 9, существующих на станции;
- набор всех числом М значений рабочих частот СКР 5 и 9, используемых на станции;
- местоположение локомотива на плане зоны контроля и управления;
- максимально допустимое число обслуживаемых в одном частотном канале локомотивов;
- допустимый уровень вероятности битовой ошибки;
- допустимый уровень пакетной ошибки.
Геометрические параметры зон радиопокрытия представляют собой координатно-зависимую функцию, определяющую положение границ зон радиопокрытия на плане зоны контроля и управления системы МАЛС в пределах станции и на подъездных путях.
Набор всех значений рабочих частот представляет собой матрицу соответствия значений рабочих частот и номеров зон радиопокрытия в пределах зоны контроля и управления системы МАЛС.
Алгоритм выбора частоты основан на следующих основных критериях:
- позиция локомотива в зоне контроля и управления системы МАЛС;
- наличие свободного ресурса в частотном канале;
- качественные показатели канала.
Критерий выбора частотного канала по позиции локомотива в зоне контроля и управления системы МАЛС основан на использовании приемников сигналов спутниковой навигации, устанавливаемых на локомотиве, и априорной информации о геометрических параметрах зон радиопокрытия от всех СКР 5 и 9.
Критерий наличия свободного ресурса в канале основан на анализе служебной информации АПК СПД МАЛС, передаваемой во временных интервалах типа DL1.
Критерий качественных показателей канала основан на определении и сравнении с допустимыми значениями уровней вероятности битовой и пакетной ошибок в канале. Уровень битовой ошибки определяется посредством диагностических сообщений от БКР 6, передаваемых в информационном потоке ИП3. Уровень битовой ошибки определяется посредством использования помехоустойчивого кода, который кроме исправления ошибок обеспечивает и вычисление числа ошибок в пакете. Уровень пакетной ошибки определяется посредством анализа числа утраченных или поврежденных до степени невозможности восстановления пакетов. Для определения числа утраченных пакетов используется анализ служебной информации. Критериями утраты пакета являются следующие события:
- отсутствие ответа на запрос регистрации в системе;
- отсутствие в данных от СУ 1 МАЛС, предназначенных для БА 7 МАЛС, квитанции о приеме предыдущего пакета.
Алгоритм безколлизионной регистрации в системе предназначен для выделения временных интервалов в интервалах DL2 и UL2, предназначенных для запросившего регистрацию БА 7 МАЛС. Безколлизионный принцип регистрации в частотном канале подразумевает гарантирование передачи запроса на регистрацию при одновременном начале процедуры регистрации несколькими БА 7 МАЛС в одном частотном канале. Данный принцип обеспечивает гарантию успешности процедуры регистрации БА 7 МАЛС в частотном канале в пределах двух мультикадров. В первом мультикадре передается запрос на регистрацию в интервале UL1. В следующем мультикадре производится выделение временного интервала для передачи данных от БА 7 МАЛС в интервале UL2 и начало передачи данных от СУ 1 МАЛС к БА 7 МАЛС в интервале DL2. Назначение очередности интервала UL2 производится в интервале DL1 посредством включения в перечень служебной информации таблицы, определяющей порядок очереди. Выделение интервала для БА 7 МАЛС, отправившего запрос на регистрацию, является критерием успешности процедуры регистрации для данного БА 7 МАЛС. При невыполнении данного критерия производится повторный запрос на регистрацию.
Алгоритм регистрации в системе входит в алгоритм выбора частотного канала, представленный на фиг.6. Процедура регистрации выполняется в следующих случаях:
- начальная регистрация после включения БА 7 МАЛС;
- регистрация, начало которой предусмотрено алгоритмом выбора частотного канала, описанного выше.
В предлагаемой системе СПД МАЛС СУ 1 МАЛС дополнительно снабжено модулем 10 регистрации размещения локомотивов и модулем 11 счетчика распределения локомотивов по частотным каналам.
В модуль 10 регистрации размещения локомотивов занесена априорная информация в виде матрицы соответствия значения рабочих частот и номеров зон радиопокрытия в пределах зоны контроля и управления системы МАЛС. Модуль 10 регистрации размещения локомотивов посредством данных спутниковой навигации, поступающих от управляющего вычислительного комплекса 2 (УВК2) СУ 1 МАЛС, отслеживает положение всех локомотивов, находящихся в зоне контроля СУ 1 МАЛС. При переходе локомотива из одной зоны радиопокрытия в другую модуль регистрации размещения локомотивов передает в модуль 11 счетчика распределения локомотивов по частотным каналам информацию о возможном изменении рабочего частотного канала с указанием номиналов частот, взятых из матрицы соответствия.
Модуль 11 счетчика распределения локомотивов по частотным каналам проверяет загруженность частотных каналов, подбирает оптимальный по загрузке частотный канал и передает в УВК 2 информацию о необходимости изменения рабочего частотного канала локомотива. УВК 2 формирует и передает задание на смену частотного канала на используемом в данный момент локомотивом рабочем частотном канале.
При получении задания на смену частотного канала БА 7 МАЛС формирует и передает запрос о регистрации на частотном канале, указанном в полученном задании. При получении запроса СУ 1 МАЛС регистрирует локомотив в выделенном частотном канале.
Возможна ситуация, при которой по причине ухудшения качества текущего частотного радиоканала БА 7 МАЛС не имеет возможности получить задание на смену частотного канала. Соответственно, в этом случае БА 7 МАЛС не передает запрос на регистрацию в альтернативном частотном канале. В случае если СУ 1 МАЛС не получает от БА 7 МАЛС запрос на регистрацию в альтернативном частотном канале, СУ 1 МАЛС продолжает передавать задание на смену частотного канала вместе с маршрутным заданием до тех пор, пока не придет запрос о регистрации от БА 7 МАЛС.
При этом БА 7 МАЛС посредством помехоустойчивого кода непрерывно анализирует качество принимаемых в текущем частотном канале данных и в случае ухудшения показателей качества канала передает запрос о регистрации на альтернативном частотном канале. СУ 1 МАЛС при получении запроса о регистрации производит анализ следующих условий:
- в модуле 10 размещения локомотивов анализирует соответствие альтернативного частотного канала зоне радиопокрытия и местоположению локомотива,
- в модуле 11 счетчика распределения локомотивов по частотным каналам альтернативный частотный канал проверяется на загруженность и соответственно на возможность обслуживания запросившего регистрацию БА 7 МАЛС.
В случае выполнения условий производится регистрация локомотива в указанном частотном канале. Если одно из условий не выполняется, БА 7 МАЛС посылает запрос на регистрацию на другой частоте. СУ 1 МАЛС при этом продолжает передавать задание на смену частотного канала с маршрутным заданием на текущем частотном канале.
На фиг.3 представлена структурная схема радиомодемов 3 и 8. Использование такого радиомодема позволяет увеличить скорость передачи информации 19200 бит, обеспечить возможность дистанционного управления радиомодемом. При этом диагностика радиомодема может быть осуществлена как локально, так и удаленно по радиоканалу, а передача данных может быть осуществлена с исправляющим кодированием (помехоустойчивое кодирование).
СОМ порт RS-232 (фиг.3) предназначен для приема и передачи данных по радиоканалу и обеспечивает подачу питания. СОМ порт RS 485-422 также предназначен для приема и передачи данных. Если прием и передача данных осуществляется через СОМ порт RS 485-422, то через СОМ порт RS 232 С подается только питание.
Setup порт RS-232 предназначен для конфигурирования и диагностики радиомодема локально. Ethernet порт обеспечивает доступ для дистанционного управления и передачи диагностических данных.
Микроконтроллер 12 обеспечивает:
- помехоустойчивое кодирование;
- добавление контрольной суммы;
- выгрузку дистанционных сообщений;
- осуществляет анализ качества радиоканала;
- выполняет функции синхронизации в сети;
- управляет выходным коммутатором, переключая тракт в режим приема или передачи информации и т.д.
Модулятор 13 осуществляет GMSK модуляцию сформированного на передачу сигнала. ВЧ-передатчик 14 усиливает модулированный сигнал и передает в коммутатор 18. Коммутатор 18 при этом переключен в режим передачи микроконтроллером 12. Далее сигнал поступает в антенно-фидерный тракт 17.
В процессе приема сигнала коммутатор 18 переключается микроконтроллером 12 в режим приема. Принимаемый сигнал поступает на вход ВЧ-приемника 16, где осуществляется усиление и двойной перенос сигнала на промежуточные частоты. Демодулятор 15 осуществляет выделение импульсного сигнала из входного модулированного GMSK сигнала. Далее сигнал поступает в микроконтроллер 12, где осуществляется его декодирование и исправление ошибок, сверка контрольной суммы. Полученный информационный сигнал через СОМ порт RS-232, СОМ порт RS 485-422 или Ethernet порт передается в СУ 1 МАЛС.
Требуемый объем передачи данных с заданным временем восприятия в СПД МАЛС обеспечивается изменением способа организации обмена между станционными и бортовыми устройствами СПД МАЛС. СУ 1 МАЛС (d1) и станционные комплекты радиооборудования СКР 5 и 9 (c1…cМ) работают циклически и параллельно, но каждый станционный СКР 5 и 9 передает телеграмму и принимает ответ только тех бортовых комплектов радиооборудования БКР 6, которые зарегистрированы в данном радиоканале (на данной частоте), а также принимает заявки от БА 7 МАЛС на регистрацию в данном канале.
Таким образом, происходит процесс перераспределения потоков команд от СКР 5 и 9 и потока ответов от БКР 6 между частотными каналами, что позволяет получить следующие преимущества при использовании диапазона 160 МГц:
- сокращение временного цикла обмена между постовыми и бортовыми устройствами МАЛС и СПД МАЛС;
- увеличение пропускной способности для каждого БА 7 МАЛС, что позволяет применять точные методы спутникового позиционирования, передавать в СУ 1 МАЛС диагностическую информацию;
- повышение помехоустойчивости СПД МАЛС за счет возможности перехода на альтернативный частотный канал с меньшей загрузкой и лучшей помеховой обстановкой;
- расширение числа абонентов сети СПД МАЛС, в том числе для дистанционного управления локомотивами с пультов составителей.
Алгоритм выбора частотного диапазона в СПД МАЛС учитывает три критерия:
- местоположение локомотива определяет первоначальный перечень частотных каналов, на которых данному локомотиву целесообразно регистрироваться;
- загрузка данного частотного канала (не более 6 БКР 6);
- качество связи в данном частотном канале.
Таким образом, каждый СКР 5 и 9 в служебной части телеграммы выделяет короткие временные интервалы (слоты) для адресов, зарегистрированных в канале БКР 6, и запроса на регистрацию новых БКР 6. Каждый БКР 6 настраивается на определенный канал, указанный в задании на смену частотного канала в телеграмме СУ 1 МАЛС, сформированной по результатам позиционирования локомотива. После приема и анализа телеграммы от СУ 1 МАЛС БА 7 МАЛС посылает в выделенном ему слоте заявку на регистрацию в данном канале. Если в следующем цикле обмена его адрес в служебной части телеграммы СУ 1 МАЛС находится в перечне зарегистрированных БКР 6, то выполняется процедура приема телеграммы с маршрутным заданием и передачи контрольной информации. В последующем процессе радиообмена БА 7 МАЛС анализирует качественные показатели текущего частотного канала, что обеспечивает своевременный выбор альтернативного частотного канала согласно описанным выше критериям.
Эффективность системы передачи данных маневровой автоматической сигнализации для крупных железнодорожных станций обеспечивается посредством следующих функций:
- увеличение суммарной пропускной способности системы передачи данных посредством распределения информационных потоков между СУ 1 МАЛС и БА 7 МАЛС в нескольких частотных каналах;
- уменьшение времени выбора альтернативного частотного канала посредством использования информации о местоположении локомотива;
- повышение целостности передаваемых данных посредством внедрения помехоустойчивого кодирования, анализа местоположения локомотива и качественных показателей текущего частотного канала, что обеспечивает своевременный выбор альтернативного частотного канала;
- повышение эффективности использования пропускной способности системы посредством передачи маршрутных заданий только для зарегистрированных в данном частотном канале БА 7 МАЛС.