Поездное устройство автоматической поездной сигнализации

Полезная модель относится к автоматике и телемеханике рельсового транспорта, включая железнодорожный, а именно к приемной аппаратуре автоматической поездной сигнализации (АПС) подвижного состава, предназначенной преимущественно для определения сигналов впереди стоящих светофоров, состояния стрелок и иных путевых устройств или указания расстояния между поездами.
АПС информирует машиниста о состоянии пути впереди поезда, задействует скоростную авторегулировку и автоконтроль, приводит при необходимости в действие поездной автостоп для принудительного торможения состава. Основными частями широко применяемых железнодорожных АПС являются: кодовый путевой трансмиттер, производящий периодические перерывы или модуляцию электрического тока, соответствующие сигналу светофора; взаимодействующие друг с другом через рельсовую цепь и индуктивную связь путевой передатчик и локомотивный приемник в виде катушек с железными сердечниками, укрепленных на локомотиве над рельсами; локомотивный усилитель; аналоговый фильтр с переключателем принятых в России частот сигнала путевых и иных устройств; локомотивный дешифратор, расшифровывающий передаваемые с пути сигналы; локомотивный светофор и устройства, автоматически снижающие скорость поезда до соответствующей показаниям путевого или локомотивного светофора величины, а также останавливающие поезд, если машинист самостоятельно не начинает торможение в случаях, требующих снижения скорости и остановки состава.
Из патентного документа RU 94944 U1 от 10.06.2010 известно поездное устройство АПС, содержащее локомотивные катушки, полосовые фильтры для пропускания сигналов с частотами 25 и 75 Гц, режекторный фильтр для подавления помех на частоте 50 Гц, интегратор, электронный ключ, автоматический переключатель, усилитель с авторегулировкой и дешифратор. При движении поезда по участку с несущей частотой тока АПС 25 Гц сигнал с выхода режекторного фильтра проходит к усилителю через полосовой фильтр 25 Гц. Если поезд находится в зоне с несущей частотой 75 Гц, то после срабатывания электронного ключа происходит коммутация автоматического переключателя, при которой на вход усилителя поступает сигнал с полосового фильтра 75 Гц. Известное устройство имеет сложную и громоздкую аналоговую схемотехнику конструкции, включающую в себя цепь коммутации и совокупность фильтров, что отрицательно влияет на надежность работы системы АПС, способно привести к возникновению аварийных ситуаций или к случайному включению автостопа.
Решаемой технической проблемой является повышение эксплуатационной надежности АПС. Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в упрощении конструкции поездного устройства АПС.
Технический результат достигается благодаря тому, что поездное устройство АПС содержит датчик магнитного поля, единственный аналоговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь и функциональный узел цифровой фильтрации, связанные между собой последовательно. При этом аналоговый фильтр является полосно-пропускаюшим фильтром, рабочая полоса пропускания которого превышает рабочий частотный диапазон АПС, а функциональный узел цифровой фильтрации выполнен с возможностью узкополосной полосовой фильтрации на рабочей частоте АПС.
В частном случае осуществления полезной модели аналоговый фильтр выполнен с возможностью активной фильтрации сигнала.
В другом частном случае аналоговый фильтр имеет линейную характеристику в области частот от 20 до 80 Гц включительно.
Сущность технического решения поясняется следующими графическими изображениями на примере предпочтительной конструкции поездного устройства для автоматической локомотивной сигнализации (АЛС).
Фиг. 1: схема локомотивного устройства АЛС со штатным дешифратором.
Фиг. 2: функциональная схема локомотивного устройства.
Система АПС подвижного состава включает в себя источник сообщений и поездное устройство. В качестве источника сообщений выступает, например, путевой передатчик или передающая аппаратура на другом поезде, посредством которых посылают информативные сигналы в закодированном виде, в частности, о состоянии светофоров, путевых стрелок и расстоянии между поездами. Поездное устройство установлено на единице подвижного состава, например на локомотиве или вагоне, и предназначено для приема кодовых сигналов через рельсовую цепь, образованную нитями рельсов и находящимся на данном пути составом. При размещении поездного устройства АПС на локомотиве данную систему называют АЛС.
Поездное устройство АЛС выполнено в виде приемной головки 1. При выполнении приемной головки 1 с функцией дешифрации кода информативного сигнала данную головку соединяют непосредственно с локомотивным светофором 2 и автостопом 3, а при наличии в локомотиве штатного дешифратора 4 обеспечивается возможность для связи приемной головки 1 со светофором 2 и автостопом 3 через локомотивный дешифратор 4 (фиг. 1).
Приемная головка 1 представляет собой устройство в виде активного блока с аналоговой и цифровой обработкой сигнала от кодовых токов, содержит входной каскад приемного тракта 5, аналоговый фильтр 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, функциональный узел 8 для цифровой фильтрации, кольцевой буфер 9, анализатор сигналов 10, устройство управления 11, управляемый генератор аналоговых или цифровых сигналов 12 и выходной усилитель 13 (фиг. 2).
Входной каскад приемного тракта 5, аналоговый фильтр 6, АЦП 7, функциональный узел 8 для цифровой фильтрации, кольцевой буфер 9, анализатор сигналов 10 и устройство управления 11 электрически связаны между собой последовательно через свои сигнальные входы и соответствующие выходы. Первый выход устройства управления 11 связан с управляющим входом функционального узла 8 для цифровой фильтрации, второй выход устройства управления 11 связан с управляющим входом анализатора сигналов 10, а третий выход устройства управления 11 связан с управляющим входом генератора 12, сигнальный выход которого в свою очередь связан со входом усилителя 13.
Все элементы приемной головки 1 закреплены в общем корпусе этого устройства, который подвешивают под локомотивом на месте установки штатной приемной катушки.
Входной каскад приемного тракта 5 приемной головки 1 включает в себя датчик магнитного поля и предварительный усилитель.
Приемный датчик магнитного поля содержит первичный преобразователь магнитного поля для диапазона от 1 мкТл до 100 мТл. В качестве чувствительного элемента датчика используют твердотельный полупроводниковый сенсор напряженности или индукции магнитного поля, работающий, например, на основе эффекта Холла или на магниторезистивном эффекте квантовомеханической природы, в частности на эффекте гигантского магнетосопротивления. Датчик устойчив по своим рабочим параметрам в диапазонах от 20 до 80 Гц принятого сигнала и от -60 до +60°C температуры окружающей среды.
Предварительный усилитель выполнен мал опту мящим, характеризуется высоким входным и низким выходным сопротивлениями.
Каскад аналоговой фильтрации состоит из одного фильтра 6, представляющего собой активный полосно-пропускаюший фильтр с полосой пропускания 20-80 Гц, превышающей рабочий частотный диапазон АЛС 25-75 Гц. Фильтр 6 выполнен с линейной характеристикой в полосе пропускания. Данный фильтр имеет простую конструкцию, т.к. обеспечивает возможность пропускания только одной широкой полосы частот, которая охватывает все возможные частоты стандарта АЛС.
АЦП 7 имеет эффективную разрядность не менее 18 бит при частоте оцифровки 10-50 кГц.
Для цифровой обработки сигнала приемная головка 1 содержит элементы цифровой микроэлектроники, на основе которых построены функциональный узел 8 для цифровой фильтрации, кольцевой буфер 9, анализатор сигналов 10 и устройство управления 11.
Функциональный узел 8 для цифровой фильтрации выполнен с возможностью обработки сигналов по алгоритмам одного или более цифровых фильтров для подавления импульсных, флуктуационных и синусоидальных помех. Данный узел позволяет выбрать тип фильтра и провести его настройку, в том числе с целью адаптации к качеству принятого сигнала. Например, узел 8 обеспечивает возможность узкополосной (0,5-2 Гц) полосовой фильтрации для выделения устойчивого сигнала на рабочей частоте АЛС, линейную и нелинейную фильтрацию, в частности с конечной импульсной характеристикой для уменьшения уровня шума типа медианного фильтра, калмановскую фильтрацию или фильтрацию с экспоненциальным сглаживанием.
Кольцевой буфер 9 служит для временного хранения цифровых данных ряда последовательных отсчетов дискретизации принятого сигнала. Разрядность буфера 9 равна разрядности АЦП 7.
Анализатор сигналов 10 микропроцессорный, выполнен комплексным и включает в себя анализатор амплитуды аналогового сигнала в виде пикового детектора, анализатор фазы сигнала и анализатор длительности фронта импульсного сигнала.
Устройство управления 11 предназначено для логического управления элементами приемной головки 1.
Генератор аналоговых или цифровых сигналов 12 выполнен с возможностью формирования выходного кодового сигнала стандарта АЛС.
Усилитель 13 предназначен для усиления сигнала генератора 12 и согласования этого генератора с дешифратором 4 или со светофором 2 и автостопом 3.
Все перечисленные части поездного устройства АЛС соединены между собой сборочными операциями, включая пайку, обеспечивающими конструктивное единство и реализацию данным устройством общего функционального назначения.
Настоящее техническое решение работает в автоматическом режиме следующим образом.
Источник сообщений, находящийся на удаленном расстоянии от поезда, создает в рельсовой цепи электрический кодовый ток стандарта АЛС, например, модулированный по амплитуде или частотно-кодированный, следствием чего является информативное электромагнитное поле вокруг рельсовых нитей, достигающее приемной головки 1 локомотивного устройства.
Приемный датчик преобразует энергию магнитного поля в электрический измерительный сигнал, а именно переводит величину индукции магнитного поля в соответствующее электрическое напряжение. Рабочая полоса частот датчика лежит в диапазоне 0-10 кГц.
Использование для датчика полупроводникового рабочего элемента позволяет улучшить массагабаритные характеристики локомотивного устройства АЛС. Размер приемной головки 1 по настоящему техническому решению в 3-5 раз меньше соответствующей характеристики используемых в настоящее время на рельсовом транспорте штатных головок. Масса датчика с электронной платой составляет 20 г при примерно 25 кг массы штатной головки.
Датчик выдает аналоговый выходной сигнал, который поступает на вход усилителя без какой-либо обработки, что позволяет избежать снижения чувствительности устройства к слабым магнитным полям. Малое расстояние от датчика до входа усилителя, его высокое входное сопротивление и низкий уровень собственных шумов позволяют получить высокий коэффициент передачи полезного сигнала в приемный электронный тракт головки 1. Таким образом, входной усилитель согласует характеристики датчика с параметрами приемного тракта устройства. Выбор коэффициента усиления приемного тракта зависит от конкретного типа полупроводникового магниточувствительного элемента и подобран из условия не превышения амплитудой от самой сильной допустимой магнитной помехи разрядной сетки АЦП 7.
Затем принятый широкополосный сигнал подвергают аналоговой фильтрации с целью подавления частот вне стандарта АЛС. При этом сигнал вне полосы пропускания фильтра 6 затухает. Отсечка ниже частоты 20 Гц хорошо защищает от помех при движении над намагниченными участками рельса и рельсовыми стыками, а выше 80 Гц отсекаются мощные ударные помехи. Активная фильтрация сигнала позволяет приблизить амплитудно-частотную характристику фильтра 6 к идеальной характеристике полосового фильтра, в частности избежать появления нелинейных искажений в области частот 20-80 Гц, способных негативно повлиять на качество работы системы связи.
В предпочтительном варианте осуществления технического решения частоты измерительного сигнала вне расширенной на 10% с каждой стороны рабочей полосы частот АЛС подавляют полностью. Выбор данных границ связан с необходимостью обеспечения надежного приема кодовых сигналов даже при дрейфе характеристик фильтра 6 или в условиях присутствия в канале связи АЛС мультипликативных помех. Каскад аналоговой фильтрации позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха в полном сигнале на уровне приемного тракта локомотивного устройства АЛС и разгружает АЦП 7 от работы по оцифровке сигнала вне рабочего диапазона системы связи.
После аналоговой фильтрации принятый сигнал оцифровывают посредством АЦП 7. Большая разрядность АЦП 7 и широкий динамический диапазон приемного тракта устройства позволяют одновременно зафиксировать минимально возможный сигнал АЛС и максимально допустимую помеху. Уровень минимально возможного сигнала АЛС, так же как и уровень максимально допустимой помехи известны из проектной документации АЛС. Так как кодовый сигнал АЛС имеет величину не менее 1 мВ, а АЦП 7 различает 50 мкВ, то для минимального полезного сигнала будет 20 градаций по амплитуде, что означает устойчивую регистрацию и обработку цифровыми каскадами устройства. При частотном кодировании информации АЛС частоту оцифровки выбирают из условия обеспечения определения фазы сигнала с отклонением не более 1%. Частота оцифровки 10 кГц достаточна для работы с амплитудой и фазой кодового сигнала частотой до 1 кГц.
Оцифрованный сигнал затем проходит этап цифровой фильтрации на рабочей частоте АЛС в 25, 75 или 50 Гц.
Для этого при помощи устройства управления 11 настраивают фильтры узла 8 и выбирают конкретные фильтры для текущей помеховой обстановки на линии связи АЛС и алгоритмов обработки данных в следующем каскаде устройства. Настройку и выбор фильтров осуществляют из условия получения наиболее чистого и четкого сигнала на выходе функционального узла 8 для цифровой фильтрации, наиболее близкого к идеальному сигналу по стандарту АЛС. Коэффициенты для цифровых фильтров, например, среднеквадратическое ожидание, подбирают эмпирически с учетом заводских характеристик датчика магнитного поля.
Кроме того, цифровые фильтры очищают и сглаживают сигнал. Для достижения наибольшей эффективности их целесообразно использовать во взаимодополняющей совокупности. Например, после медианной фильтрации, которая хорошо подавляет шумовые выбросы отсчетов случайного характера и помехи в виде одиночных импульсов, следует применить калмановскую фильтрацию флуктуационного шума.
Устройство управления 11 периодически проверяет качество цифровой фильтрации, после чего, при необходимости, производит подстройку и/или выбор цифровых фильтров для адаптации фильтрации к качеству принимаемого сигнала АЛС.
По завершению цифровой фильтрации измерительный сигнал анализируют с целью нахождения амплитудного пика на рабочей частоте АЛС. Для этого сначала вычисляют мгновенные значения амплитуды сигнала на интересующей частоте при помощи функционального узла узкополостного расчета амплитуды/фазы сигнала, работающего, например, по алгоритму Герцеля, и реализующего собой техническое средство для узкочастотного вычисления величин амплитуды и фазы сигнала. В частном случае выполнения устройства функциональные узлы для цифровой фильтрации и для узкополостного расчета амплитуды/фазы сигнала конструктивно совмещены. Таким образом осуществляют выбор частоты сигнала путевого или иного передающего устройства без использования сложных аналоговых схем. Затем задействуют пиковый детектор, настроенный на частоту АЛС и не реагирующий на частоты помех. Если амплитудный пик распознан, то устройство управления 11 подает сигнал разрешения на вход генератора 12. В качестве альтернативы возможен расчет амплитуд по методу быстрого преобразования Фурье в узкополосном диапазоне, выделенном узлом 8. При этом в качестве технического средства для узкочастотного вычисления величин амплитуды и фазы сигнала выступает совокупность узла 8 и функционального узла узкополостного расчета амплитуды/фазы сигнала.
Большой динамический диапазон приемной головки 1 в совокупности с цифровой фильтрацией позволяют отстроить кодовый сигнал АЛС даже от превосходящих детерминированный сигнал в 10 раз аддитивных помех на частотах, близких к рабочей частоте АЛС.
После выдачи сигнала разрешения устройством управления 11 генератор 12 формирует выходной кодовый сигнал с образцовыми характеристиками стандарта АЛС.
Амплитуду вторичного кодового сигнала задают усилителем 13, она не зависит от амплитуды принятого сигнала АЛС и уровня помех.
При размещении поездного устройства АПС не на локомотиве, а на другой единице подвижного состава, настоящее техническое решение функционирует аналогичным образом.
Благодаря сочетанию предварительной широкополосной аналоговой фильтрации сигнала АПС и его последующей узкополосной цифровой фильтрации не требуется включение в состав каскада аналоговой фильтрации более чем одного фильтра и коммутирующих элементов, также нет необходимости в АЦП с чрезмерно высокой разрядностью. В результате достигается упрощение конструкции поездного устройства АПС, что ведет к повышению эксплуатационной надежности сигнализации.