СИСТЕМА КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ, МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ И СВЯЗИ ПАССАЖИРСКОГО ПОЕЗДА
SYSTEM TO MONITOR SAFETY, LOCATION AND COMMUNICATION OF PASSENGER TRAIN

Изобретение относится к области средств беспроводной связи, а именно радиосвязи между абонентами, по крайней мере, один из которых расположен в средстве передвижения, и может быть использовано для обеспечения пассажирского поезда беспроводной адресной аварийной сигнализацией и внутренней связью, а также связью с удаленными абонентами.
Настоящая разработка предназначена для использования в системах контроля безопасности, местонахождения и связи на пассажирских поездах пригородного и дальнего следования с целью организации каналов связи и передачи сигналов аварийной сигнализации, сообщений о создании внештатных ситуаций в пассажирском поезде, а также информации о местонахождении пассажирского поезда в текущий момент времени. Устройство разработано на базе DECT технологий и позволяет оснащать пассажирские поезда устройствами передачи данных и телефонии и может быть использовано в условиях системы гибкого формирования состава пассажирского поезда, состоящего из штабного и пассажирских вагонов.
В дальнейшем при характеристике заявленного технического решения будут использованы следующие термины и понятия:
- «адресная» аварийная сигнализация - сигнализация, передаваемая заранее определенному абоненту (или группе абонентов) в автоматическом режиме и заданной последовательности;
- центральная управляющая система - устройство, управляющее работой базовых станций, включенных в систему, выполненное на базе ПК;
- системный телефон - устройство, визуально отображающее состояние соединений в сети и позволяющее осуществлять прямое соединение с абонентами и выполнение настроечных операций;
- идентификатор местонахождения - пакет данных, который содержит в себе следующую информацию: глобальные координаты объекта (широта, долгота, высота) с определенной степенью точности, глобальное время создания пакета данных, текущая скорость объекта.
Известна (патент RU 2058670, 1996) система поездной диспетчерской связи, характеризуемая наличием диспетчерского пульта управления, соединенного со стационарными радиостанциями диспетчерского круга связи посредством основной или резервной линий проводной связи, при этом каждая радиостанция состоит из блока переключателей, последовательно соединенных блока избирательного соединения, линейного блока и приемопередатчика, соединенного с антенной, причем сигнальные входы блока переключателей являются выходами основной и резервной линий проводной связи, один из управляющих входов блока переключателей соединен через линейный блок с выходом приемопередатчика, второй выход первого селективного усилителя соединен со вторым входом блока избирательного соединения, при этом в каждую стационарную радиостанцию введены второй селективный усилитель, вход которого соединен с выходом приемопередатчика, первый и второй формирователи сигналов управления, входы которых соединены с выходами первого и второго селективных усилителей соответственно, а выходы - со вторым и третьим управляющими входами блока переключателей, при этом вход блока избирательного соединения через один из контактов блока переключателей соединен с выходом основной или резервной проводной линий связи. Блок переключателей может быть выполнен в виде последовательно соединенных ключей с раздельными цепями управления избирательного соединения.
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности автоматического дистанционного контроля состояния транспортного средства.
Известна также (патент RU 2206177, 2003) бортовая сеть связи подвижного состава, характеризуемая наличием пульта управления и диагностики (носимый пульт начальника поезда), в каждом вагоне подвижного состава оконечных устройств связи (в виде мобильных радиотелефонов для персонала и пассажиров, радиодатчиков и исполнительных устройств системы автоматики вагона, миниатюрных терминалов видеонаблюдения и других необходимых устройств) и унифицированного узла коммутации (в виде базовой станции), цифровой радиолинии, связывающей бортовую сеть связи подвижного состава с внешними системами связи, причем соединение между оконечными устройствами связи и унифицированным узлом коммуникации, а также между смежными унифицированными узлами коммутации осуществляют по радиоканалу, при этом частотный диапазон и уровень радиосигнала в радиоканале выбирают таким образом, что оконечные устройства связи связываются только с унифицированным узлом коммутации того вагона, в котором оконечные устройства связи находятся в данный момент, а пульт управления и диагностики выполнен мобильным и связывается по радиоканалу с унифицированным узлом коммутации того вагона, в котором пульт управления и диагностики находится в данный момент.
Известная бортовая сеть связи работает следующим образом. Пульт управления и диагностики (носимый терминал начальника поезда) передает и принимает радиосигнал в любой точке поезда через сеть унифицированных узлов коммутации как при получении начальником поезда радиосигнала от оконечного устройства, так и при передаче на оконечное устройство радиосигнала, в том числе и при разговоре пассажира по личному мобильному телефону с абонентом, удаленным от поезда.
Недостатком известной бортовой системы следует признать наличие только одного пульта управления и диагностики, выполненного в виде носимого варианта начальника поезда, большого количества узлов коммутации и отсутствие автоматического контроля за состоянием вагона.
Известна (патент RU 0026505, 2001) система навигации железнодорожного транспортного средства, характеризуемая наличием, по меньшей мере, одного идентификатора пути, размещенного на трассе прохождения указанного транспортного средства, расположенного на указанном транспортном средстве средства возбуждения отклика указанного идентификатора путей и средства регистрации отклика указанного идентификатора путей, бортового компьютера, причем указанный бортовой компьютер выполнен с возможностью анализа указанного отклика и передачи информации посредством бортового терминала наземному посту контроля местонахождения транспортного средства. В предпочтительном варианте реализации система содержит более одного идентификатора путей, каждый из которых настроен на генерирование излучения в заданном диапазоне частот. Обычно идентификаторы путей, расположенные по трассе следования железнодорожного транспортного средства, настроены на генерирование излучений, длины волн которых соответствуют заранее заданной зависимости, при этом, предпочтительно, идентификаторы путей, расположенные по трассе следования железнодорожного транспортного средства, настроены на генерирование излучений, длины волн которых монотонно возрастают или убывают. Преимущественно, идентификаторы путей размещены на заданном расстоянии друг от друга, причем расстояние между последовательно установленными идентификаторами путей введено в программу бортового компьютера. Обычно каждый идентификатор путей имеет свой идентификационный номер, введенный в программу бортового компьютера и передаваемый идентификатором на транспортное средство. Система может дополнительно содержать, по меньшей мере, один радиоканал и/или спутник-ретранслятор.
Недостатком известной системы следует признать ее локальный характер, поскольку при использовании ее в масштабах значительного региона информационный сигнал, генерируемый идентификатором, который, как правило, располагается у стрелок, а также на входе и выходе бесстрелочных перегонов, не может обеспечить указания точного места нахождения транспортного средства вне зоны установки идентификаторов.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения модно признать (патент RU 83228) систему контроля безопасности и связи пассажирского поезда, содержащую центральную управляющую систему и, по меньшей мере, один антенный модуль, установленный на крыше штабного вагона, причем каждый антенный модуль содержит, по меньшей мере, две базовые станции DECT, две кроссполяризованные антенны, расположенные внутри антенного модуля таким образом, чтобы радиосигнал охватывал все вагоны состава, при этом базовая станция DECT подключена двумя ВЧ кабелями к кроссполяризованной антенне, антенный модуль подключен к центральной управляющей системе с обеспечением работоспособности базовых станций DECT и обеспечения их подогрева для работы при отрицательных температурах, в каждом вагоне поезда установлено устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор для передачи аварийных сигналов от систем аварийной сигнализации железнодорожного вагона, причем в штабном вагоне устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор - подключено к внутренней антенне DECT, а в остальных вагонах оно подключено к внешней антенне DECT, представляющую собой штыревую антенну с подставкой, подключенную к устройству передачи аварийных сигналов - ретранслятору - фидером, к каждому устройству передачи аварийных сигналов - ретранслятору - подключены система контроля нагрева буксовых подшипников, система пожарной сигнализации, а также кнопка сигнализации опасности, устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор - содержит гнездо для зарядки и регистрации носимого терминала проводника и выполнено с возможностью формирования голосовых сообщений для передачи их проводнику вагона и начальнику поезда, при этом система дополнительно содержит, по меньшей мере, один носимый терминал для получения сигналов об авариях и двухсторонней автоматической телефонной связи проводника и начальника поезда.
Недостатком известной системы можно признать несовершенство конструкции блока центральной управляющей системы, представляющую собой микропроцессор, а также неоптимальное выполнение антенного модуля, приводящие суммарно к сбоям в передаче информации в разработанной системе.
Техническая задача, решаемая посредством предложенной разработанной системы, состоит в усовершенствовании системы контроля безопасности и связи пассажирского поезда.
Технический результат, получаемый при реализации предложенной системы, состоит в повышении безопасности эксплуатации пассажирского поезда в условиях гибкого формирования состава пассажирского поезда посредством оптимизации конструкции технологических узлов системы контроля безопасности и связи, а также использованием оборудования, обеспечивающего однозначное определение местонахождения пассажирского поезда.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную систему контроля безопасности и связи пассажирского поезда, содержащую центральную управляющую систему и базовые станции DECT, причем каждая базовая станция подключена к центральной управляющей системе, при этом к каждой базовой станции DECT через ВЧ разъемы кабелем подключена кроссполяризованная антенна, установленная на крыше вагона в антенном модуле; кроме того, система содержит, по меньшей мере, одно устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор от систем аварийной сигнализации железнодорожного вагона, выполненное с возможностью приема/передачи сообщений по системе DECT и с возможностью путем формирования голосовых сообщений передачи их проводнику вагона и начальнику поезда, подключенное к выходам систем аварийной и пожарной сигнализации вагона; по меньшей мере, один носимый терминал для получения сигналов об авариях и двухсторонней автоматической телефонной связи и не менее одной кнопки сигнализации опасности. При этом система дополнительно содержит, по меньшей мере, один приемник ГЛОНАСС/GPS, подключенный к центральной управляющей системе, причем указанная центральная управляющая система содержит блок питания, материнскую плату, выполненную с возможностью обеспечения взаимодействия всех устройств передачи аварийных сигналов - ретрансляторов, используемых в системе, посредством базовых станций DECT, и плату расширения, непосредственно присоединенную к материнской плате и выполненную с возможностью обеспечения работоспособности одновременно четырех базовых станций DECT, установленных в два антенных модуля, блок питания центральной управляющей системы выполнен с возможностью обогрева двух антенных модулей при наружной отрицательной температуре воздуха. Каждый антенный модуль содержит, по меньшей мере, две базовые станции DECT, две кроссполяризованные антенны, расположенные внутри антенного модуля таким образом, чтобы радиосигнал охватывал все вагоны состава, при этом базовая станция DECT подключена двумя ВЧ кабелями к кроссполяризованной антенне, антенный модуль подключен к центральной управляющей системе с обеспечением работоспособности базовых станций DECT, в каждом вагоне поезда установлено устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор для передачи аварийных сигналов от систем аварийной сигнализации железнодорожного вагона, выполненное с возможностью приема/передачи сигналов в системе DECT, причем в штабном вагоне устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор - подключено к внутренней антенне DECT, а в остальных вагонах оно подключено к внешней антенне DECT, представляющей собой штыревую антенну с подставкой, подключенную к устройству передачи аварийных сигналов - ретранслятору - фидером. К каждому устройству передачи аварийных сигналов - ретранслятору - подключены система контроля нагрева буксовых подшипников, система пожарной сигнализации, а также кнопка сигнализации опасности, при этом устройство передачи аварийных сигналов - ретранслятор - содержит гнездо для зарядки и регистрации носимого терминала проводника и выполнено с возможностью формирования голосовых сообщений для передачи их проводнику вагона и начальнику поезда. Кроме того, система дополнительно содержит, по меньшей мере, один носимый терминал для получения сигналов об авариях и двухсторонней автоматической телефонной связи проводника и начальника поезда. В предпочтительном варианте реализации носимый терминал представляет собой микросборку, выполненную на печатной плате, на которой установлены модуль центрального процессора, схемы питания, интерфейса микрофона, интерфейса динамика, цепей внутренней синхронизации, постоянного запоминающего устройства и радиомодуля, при этом указанные схемы подключены к центральному процессору. Кроме того, система может дополнительно содержать станцию спутниковой связи, подключенную к центральной управляющей системе. Причем обычно антенну спутниковой связи размещают в антенном модуле. Система может также дополнительно содержать портативный компьютер начальника поезда, подключенный к центральной управляющей системе, по меньшей мере, один таксофон, подключенный к системе связи пассажирского поезда. Максимально в системе может быть использовано до 16 базовых станций DECT, 12 из которых могут быть размещены на локомотиве и остальных пассажирских и сервисных вагонах (вагон-ресторан, почтовый вагон, багажный вагон). Клавиатура носимого терминала предпочтительно содержит клавиши экстренного вызова начальника поезда, сотрудника милиции и поездного электромеханика.
Работа разработанной системы контроля безопасности, местонахождения и связи пассажирского поезда (СКБиСПП) основана на нижеприведенных принципах.
Центральная управляющая система (ЦУС), управляя базовыми станциями DECT, посредством кроссполяризованных антенн излучает по всей длине состава сигнал DECT несущей частоты. Это поддерживает работоспособность всех устройств передачи аварийных сигналов - ретрансляторов (УПАС-ретрансляторов) и носимых терминалов данного поезда.
Используемый УПАС-ретранслятор служит для:
- приема сигнала DECT посредством штыревой антенны, подключенной к нему и установленной на крыше вагона, усиления и излучения его внутри вагона;
- осуществления мониторинга за кнопкой сигнализации опасности и существующих систем сигнализации вагона и в случае срабатывания формирования речевых сообщений с их последующей отправкой сотрудникам поездной бригады по определенному алгоритму;
- регистрации носимого терминала проводника в системе СКБиСПП.
Каждый УПАС-ретранслятор имеет динамическую регистрацию (привязку) в ЦУС. Указанная функция осуществлена за счет возможности устанавливать в УПАС-ретранслятор различные магнитные ключи. Магнитные ключи имеют постоянную регистрацию в ЦУС. Таким образом, в зависимости от того, какой комплект магнитных ключей будет использован, в такой ЦУС, а значит, и в такой штабной вагон будут зарегистрированы конкретные УПАС-ретранслятор и носимый терминал проводника. Ключи являются принадлежностью ЦУС и хранятся в штабном вагоне. При сцепке обычного вагона к составу на этот вагон передаются магнитные ключи.
Пассажирские поезда, оборудованные системой контроля безопасности, идентификации и связи пассажирского поезда, обладают функцией отображения идентификатора местонахождения пассажирского поезда в реальном масштабе времени. Данная функция реализована следующим образом: СКБиСПП имеет в своем составе приемник ГЛОНАСС/GPS, который подключен к входящему в состав СКБиСПП АССН (Аппаратура спутниковой связи и навигации). АССН отображает данные приемника ГЛОНАСС/GPS на мониторе в следующем формате:
- отображение местоположения пассажирского поезда на карте в масштабе от 1:100000 до 1:1000000,
- отображение местоположения пассажирского поезда на железнодорожной картосхеме (по аналогии с картосхемой метрополитена) с теми же масштабами,
- отображение текущей широты, долготы, скорости, пройденного пути, текущего времени и даты.
Вышеописанные данные, являющиеся идентификатором местонахождения пассажирского поезда, обновляются на АССН с предпочтительной периодичностью каждые 30 секунд. Каждое обновление данных помимо функции отображения на мониторе АССН записывают в архив, расположенный непосредственно в АССН.
Кроме того, АССН может быть выполнена с возможностью передачи идентификаторов местонахождения пассажирского поезда по закрытым каналам передачи данных на сервер в реальном масштабе времени. К данному серверу могут обращаться диспетчеры и получать информацию о местонахождении пассажирского поезда в реальном масштабе времени. В качестве закрытых каналов передачи данных могут быть использованы каналы спутниковой системы Инмарсат и каналы сотовых сетей GSM. Данные каналы помимо независимой и не пересекающейся с сетью Интернет архитектуры закрываются сертифицированными кодами и шифрами.
Разработанная система при реализации ее в полном варианте обеспечивает:
1. Автоматическую передачу речевых сигналов об аварийных ситуациях в вагонах должностным лицам поездной бригады, находящимся в любой точке движущегося состава или на перроне на расстоянии до 500 метров от вагона в зоне прямой видимости.
2. Двухстороннюю автоматическую телефонную связь между абонентами, находящимися в пассажирском поезде, как на стоянке, так и в движении.
3. Передачу сообщений об аварийных ситуациях начальником поезда с носимого терминала или системного телефона.
4. Телефонную связь начальника поезда с абонентами телефонной сети общего пользования.
5. Передачу данных по каналу спутниковой связи при использовании портативного компьютера начальника поезда.
6. Предоставление услуг телефонной связи пассажирам.
7. Определение, запись и передачу информации о реальном местонахождении пассажирского поезда.
В состав предлагаемой системы входят следующие узлы и элементы:
а) центральная управляющая система объединяет в себе функции коммутационного оборудования и устройства управления соединениями в системе. Центральная управляющая система управляет базовыми станциями DECT в количестве до 16 шт., которые смонтированы на крыше штабного вагона в антенных модулях. Антенный модуль представляет собой кофр, в котором расположены 2 базовые станции DECT, система подогрева, 2 кроссполяризованные антенны. В антенном модуле каждая базовая станция подключена двумя ВЧ разъемами с волновым сопротивлением 50 Ом кабелями малой длины (не более 0,15 м) для уменьшения искажений сигнала DECT к кроссполяризованной антенне. Каждый антенный модуль подключен к ЦУС экранированной витой парой, по которой осуществляют управление и питание базовых станций DECT постоянным напряжением 48 В, потребляемая мощность не более 50 Вт, а также кабелем питания системы подогрева антенного модуля. Размеры антенного модуля не более 182×623×180 мм, масса не более 4,7 кг;
б) устройство передачи аварийных сигналов (УПАС-ретранслятор) предназначено для передачи по радиоканалу в центральную управляющую систему сигналов аварийной сигнализации от существующих систем аварийной и пожарной сигнализации вагона на носимый терминал должностным лицам поездной бригады, находящимся в любой точке движущегося поезда, и в штабной вагон на рабочее место начальника поезда. УПАС-ретранслятор также предназначен для усиления (ретрансляции) сигналов, передаваемых от центральной управляющей системы к носимым терминалам и обратно. УПАС-ретранслятор может быть подключен через разъем типа TNC ВЧ кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом к антенне, расположенной предпочтительно на крыше вагона для корректной работы в стандарте DECT с антенными модулями, расположенными на крыше штабного вагона (вагона с радиокупе). УПАС-ретранслятор имеет гнездо для зарядки носимого терминала постоянным напряжением 6 В, а также гнездо для зарядки дополнительного аккумулятора носимого терминала тем же напряжением. Это же гнездо служит для регистрации носимого терминала в СКБиСПП. На лицевой панели УПАС-ретранслятора расположены микрофон, динамик, клавиши быстрого вызова начальника поезда, депо, сотрудника милиции, поездного электромеханика и проводника текущего вагона, а также клавиша запуска процедуры регистрации носимого терминала в СКБиСПП, а также индикатор начала/окончания процедуры регистрации носимого терминала, а также индикатор готовности УПАС-ретранслятора к работе. УПАС-ретранслятора одновременно подключен также к существующим системам аварийной и пожарной сигнализации вагона. Питание УПАС-ретранслятора осуществляется постоянным напряжением 55-110 В. Потребляемая мощность не более 10 Вт;
в) носимый терминал выполнен по технологии DECT и предназначен для соединения абонента по радиоканалу с центральной управляющей системой. На носимом терминале также есть тревожная кнопка ярко-красного цвета, которую персонал поездной бригады может использовать в случае угрозы со стороны нарушителей общественного порядка или других происшествий. При ее нажатии УПАС-ретранслятор автоматически набирает номер сотрудника милиции, проговаривает пятизначный номер вагона, а затем «Тревога». Также на клавиатуре носимого терминала присутствуют клавиши быстрого вызова сотрудника милиции, начальника поезда и поездного электромеханика;
г) приемник ГЛОНАСС/GPS.
В носимом терминале объединены дисплей, клавиатура и встроенная телефонная трубка для совершения голосовых вызовов. Терминал может быть подключен к центральной управляющей системе для организации голосовых вызовов с носимого терминала или системного телефона.
При реализации предложенной системы в служебном купе начальника поезда размещают следующее оборудование: ЦУС, блок ЗУ для трех носимых терминалов, системный телефон, устройство электропитания, носимые терминалы. При этом центральная управляющая система имеет настенное крепление и может быть закреплена на боковой стенке купе. Системный телефон устанавливают на стол. Зарядное устройство для носимых терминалов имеет посадочные отверстия для настенного крепления.
В служебном купе проводника вагона размещают следующее оборудование: УПАС-ретранслятор, выход антенны, носимый терминал, кнопка сигнализации опасности.
Все антенны и антенные модули устанавливают на крыше вагона, а УПАС-ретрансляторы - внутри вагона. УПАС-ретранслятор имеет посадочные отверстия для настенного крепления. Приемник ГЛОНАСС/GPS располагают в месте, обеспечивающем его бесперебойную работу.
Для организации дуплексной радиосвязи между абонентами в системе DECT используют полосу радиочастот 1880-1900 МГц, в которой располагаются 10 физических радиоканалов (несущих) с шириной полосы 1,728 МГц. Для организации разговорных каналов на каждой несущей частоте во временной области произведена разбивка на кадры длительностью 10 мс, содержащие 12 пар временных интервалов (используется метод множественного доступа с временным разделением каналов - TDMA). Дуплексный режим передачи обеспечивается за счет использования метода временного разделения (TDD), при котором в течение первой половины TDMA-кадра осуществляется поочередная передача информации по 12 разговорным каналам от базовой станции к носимым терминалам, а в течение следующей половины - в обратном направлении.
Система работает в режиме непрерывного динамического перераспределения каналов, т.е. базовая станция может автоматически выбирать несущие частоты, находя имеющуюся в наличии свободную несущую частоту и выбирая наилучший (с точки зрения качества) свободный канал связи. Если свободная несущая частота отсутствует, система автоматически обеспечивает повторные запросы на установку соединения. Таким образом, частоты используются повторно автоматически, а схема повторного использования изменяется от соединения к соединению.