УСТРОЙСТВО РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Предлагаемое устройство относится к области организации и управления движением на железных дорогах и предназначены для идентификации радиочастотных меток, размещенных на пути следования железнодорожного транспорта.
Известны способы и системы радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта (авт. свид. СССР №№457.030, 498.197, 931.515, 977.251; патенты РФ №№2.054.694, 2.189.599, 2.191.127, 2.203.821, 2.222.030, 2.314.956,2.314.957, 2.346.840,2.408.026, 2.397.094; патенты США №№3.771.119, 4.551.725, 4.739.328, 6.903.656, 7.072.747; патенты Великобритании №№1.024.735, 2.093.593; патенты ЕР №№0.593.910, 1.112.207 и другие).
Прототипом заявляемой полезной модели является «Способ и система прицельной остановки железнодорожных транспортных средств» (патент РФ №2.397.094, B61L 25/00, 2009), которые и выбраны в качестве прототипа.
Действия прототипа основаны на использовании технологии радиочастотной идентификации, при которой осуществляется последовательное считывание и обработка информации, как минимум, с двух пассивных радиочастотных меток, расположенных на пути следования железнодорожного транспортного средства, при этом первая метка находится на подъезде, например, к платформе, а вторая располагается в конце участка пути в месте остановки, например, в конце платформы. Технический результат состоит в обеспечении точного (прицельного) торможения электропоездов.
Недостатком систем (устройств) по прототипу и аналогам является большая вероятность приема переотраженного сигнала вторым считывателем сигнала первого считывателя, что может вызвать ошибки в работе системы. Переотражение сигналов ПАВ-метки будет приводить к значительному возрастанию ошибки определения координаты, т.к. считывание при этом может происходить по паразитным путям связи между антенной считывателя и самой ПАВ-меткой. Переотражение сигнала происходит из-за того, что все окружающие ПАВ-метку металлические предметы: днище локомотива, колесные пары, рельсы, железобетонные шпалы и др. представляют собой полузамкнутое пространство волновода, с его возможностью переотражения, и, искажения полезного сигнала. Для устранения этого недостатка необходимо разносить антенны считывателя на большие расстояния между собой, что не всегда приемлемо.
Таким образом, недостатки прототипа и аналогов ставят задачу повышения достоверности и надежности идентификации радиочастотной метки, и, следовательно, повышения точности позиционирования железнодорожного транспорта.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта, во-первых используют высокую рабочую частоту радиочастотных меток, а во-вторых плоскости установки радиочастотных меток и соответствующим им антенн считывателей параллельны и находятся под определенным углом к горизонту.
Сущность полезной модели состоит в том, что в устройстве радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта, содержащем как минимум две радиочастотные метки, установленные на известных местах участка железнодорожного пути, и расположенный на железнодорожном транспортном средстве радиочастотный считыватель, радиочастотные метки выполнены по технологии устройств на поверхностных акустических волнах: ПАВ-меток, работающих на частоте 2,4 ГГц, радиочастотный считыватель выполнен как минимум двухканальным и с двумя приемо-передающими антеннами, расположенными на днище железнодорожного транспортного средства в промежутках между его колесных пар и разнесенными по длине железнодорожного транспортного средства, пары приемо-передающих антенн и соответствующие им ПАВ-метки, установленные на железнодорожном пути, расположенные в параллельных плоскостях, которые в поперечном направлении железнодорожного транспортного средства наклонены к горизонту соответственно под углом 0-65°. При этом пары приемо-передающих антенн и соответствующие им ПАВ-метки могут быть расположены в одних плоскостях, которые не симметричны друг другу (плоскости расположены под разными углами к горизонту). Две приемо-передающие антенны в поперечном направлении железнодорожного транспортного средства могут быть направлены в противоположные стороны. При этом ПАВ-метка может быть установлена на уголке, который закреплен своей свободной полкой на железнодорожном пути, в том числе на его рельсно-шпальной решетке, а уголок в свою очередь может быть установлен своей свободной полкой непосредственно под рельс. Уголок для установки ПАВ-метки может быть выполнен из толстой металлической пластины, и на полке крепления ПАВ-метки может содержать как минимум один упорный выступ. Уголки с закрепленными на них ПАВ-метками могут быть установлены как под разными рельсами так и, под одним рельсом, и при этом располагаться как с одной, так и с разных (противоположных) сторон рельса. ПАВ-метки дополнительно могут быть установлены на различных основных элементах железнодорожного пути, в том числе и на корпусе кожуха привода стрелочного перевода.
Введение в заявляемое техническое решение признаков: «радиочастотные метки выполнены по технологии устройств на поверхностных акустических волнах: ПАВ-меток, работающих на частоте 2,4 ГГц» позволяет существенно снизить размеры опасной зоны переотражения между соседними ПАВ-метками по ходу железнодорожного средства, а, следовательно, повысить точность его позиционирования.
Введение в заявляемое техническое решение признаков: «радиочастотный считыватель выполнен как минимум двухканальным и с двумя приемопередающими антеннами, расположенными на днище железнодорожного транспортного средства в промежутках между его колесных пар и разнесенными по длине железнодорожного транспортного средства» необходимо для повышения надежности и достоверности считывания отраженного сигнала, а также снижения вероятности приема перотраженного сигнала от его колесных пар. Расположение приемо-передающих антенн считывателя на днище железнодорожного транспортного средства дополнительно минимизирует на них воздействия окружающей среды (влияние атмосферных осадков, солнечного излучения), а также воздействия различных возможных механических воздействий при движении железнодорожного транспортного средства.
Уменьшение величины разнесения приемо-передающих антенн по ходу транспортного средства (при уменьшении опасной зоны переотражения сигнала) позволит не только повысить надежность считывания, но и более точно определять дополнительные полезные функции по определению направления движения железнодорожного транспортного средства, измерению его скорости и ускорения.
Введение в заявляемое техническое решение признаков: «пары приемопередающих антенн и соответствующие им ПАВ-метки, установленные на железнодорожном пути, расположенные в параллельных плоскостях, которые в поперечном направлении железнодорожного транспортного средства наклонены к горизонту соответственно под углом 0-65°» также необходимо для существенного повышения достоверности и надежности идентификации радиочастотной метки, и, следовательно, повышения точности позиционирования железнодорожного транспорта.
Так расположение антенны считывателя и метки в одной плоскости обеспечит максимальную чувствительность, а угол наклона этой плоскости к горизонту (плоскость расположения антенны считывателя и метки наклонена как к днищу железнодорожного транспортного средства, так и к его колесным парам) существенно снизит вероятность приема перотраженного сигнала от металлических поверхностей железнодорожного транспортного средства, его колесных пар и элементов рельсно-шпальной решетки железнодорожного пути.
Зависимые пункты формулы позволяют многовариантно реализовать сущность заявленного в настоящей полезной модели технического предложения, наиболее приемлемого в каждом конкретном случае.
На фиг.1 схематически представлено расположение антенн считывателя на транспортном средстве (электропоезде) и соответствующих пассивных ПАВ-меток на железнодорожном пути. На фиг.2 - представлена фотография считывателя с двумя приемно-передающими антеннами. На фиг.3 - фотография пассивной ПАВ-метки в открытом металлостеклянном корпусе. На фиг.4 - фотография пассивной ПАВ-метки в закрытом металлостеклянном корпусе с припаянной 8-образной антенной. На фиг.5 - фотография кожуха из композиционного материала для пассивной ПАВ-метки. На фиг.6 - фотография уголка с закрепленной на нем пассивной ПАВ-меткой с антенной под кожухом из композиционного материала (вид сбоку со стороны упорного выступа). На фиг.7 - фотография уголка по фиг.6 вид сзади.
Устройство радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта, содержит как минимум две радиочастотные метки (1) и (2), установленные на известных местах участка железнодорожного пути (3). На железнодорожном транспортном средстве, например на днище электровоза (4) установлены две приемо-передающими антенны (5) и (6) двухканального радиочастотного считывателя (7). Радиочастотные метки (1) и (2) закреплены в промежутках между колесных пар железнодорожного транспортного средства и разнесены по его длине. Радиочастотные метки (1) и (2) выполнены по технологии устройств на поверхностных акустических волнах: ПАВ-меток, работающих на частоте 2,4 ГГц. Пары приемо-передающих антенн (5) и (6) и соответствующие им ПАВ-метки (1) и (2), установленные на железнодорожном пути, расположены в параллельных плоскостях, которые в поперечном направлении железнодорожного транспортного средства наклонены к горизонту соответственно под углом 0-65°. Пары приемо-передающих антенн (5) и (6) и соответствующие им ПАВ-метки (1) и (2) могут быть расположены в одних плоскостях, которые не симметричны друг другу (плоскости расположены под разными углами к горизонту). Две приемо-передающие антенны (5) и (6), установленные в поперечном направлении железнодорожного транспортного средства (4), могут быть направлены в противоположные стороны. ПАВ-метка (1) (или (2)) может быть расположена в металло-стеклянном корпусе (8), иметь, например 8-образную антенну (9) и быть закрыта кожухом (10) из композиционного материала. При этом ПАВ-метка (1) (или (2)) с антенной (9) и кожухом (10) может быть установлена на уголке (11), который закреплен своей свободной полкой (12) на железнодорожном пути (3). В свою очередь уголок (11) может быть выполнен из толстой металлической пластины и установлен своей свободной полкой (12) непосредственно под рельс. Уголок (11) для установки ПАВ-метки на полке ее крепления может содержать как минимум один упорный выступ (13). Уголки (11) с закрепленными на них ПАВ-метками (1) (или (2)) могут быть установлены: под разными рельсами, или с разных сторон рельса, или на корпус кожуха привода стрелочного перевода.
7
1
6
7
Основные возможности элементов разработанного и испытанного заявляемого устройства радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта следующие: ПАВ-метки абсолютно пассивные, могут работать в диапазоне температур: (-60…+125)°С. ПАВ-метки имеют уникальный код, однократно записываемый при производстве, при этом количество кодов до 10, при этом они имеют возможность работать в случае, когда под ними находится металлическая поверхность. Класс защиты ПАВ-меток IP68. ПАВ-метки устойчивы к воздействию специальных факторов (радиационная устойчивость) со значениями характеристик 7И, 7И и 7И, соответствующим группе унифицированного исполнения 3Ус по ГОСТ РВ 20.39.414.2.
Средняя мощность излучения считывателя, не более 100 мВт (максимальная мощность излучения <20 dBm), а диапазон частот излучения считывателя: 2,4…2,483 ГГц (ISM Band). Максимальное время считывания 300 мс. Количество каналов в считывателе: от 2 до 4, напряжение его питания: 48 В. Диапазон рабочих температур считывателя: (-40…+60)°С, при влажности менее 80%. При этом считыватель работает с интерфейсами: RS-232/RS-485/CAN. Дальность передачи кода, при использовании антенн считывателя 1×9 dBi - до 1,0 м. (максимальная дальность считывания ПАВ меток 1,5 м.).
Состав устройства радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта содержит набор ПАВ-меток, установленных на железнодорожном пути (закрепленных например, на железобетонной шпальной решетке), установленный железнодорожном транспортном средстве (например, локомотиве) считыватель с антенной, а также набор СВЧ кабелей с разъемами и программное обеспечение. Устройство управляется компьютером или пульт управления (например, локомотива).
Работает пассивная ПАВ-метка следующим образом: Пассивная ПАВ-метка представляет собой приемо-передающую линию задержки с отражающими электродами. Эти отражающие электроды являются основными элементами, формирующими кодовую последовательность сигнала отклика, заключающего в себе информацию о идентификационном коде. При опросе метки считыватель формирует зондирующий радиосигнал и облучает им антенну ПАВ-метки, на которой припаян чип метки. За счет электромагнитной энергии сигнала считывателя, встречно-штыревой преобразователь (ВШП) возбуждает бегущую ПАВ на поверхности пьезоэлектрической подложки. Этот акустический сигнал распространяется вдоль линии задержки и при встрече с отражающими электродами часть акустической энергии отражается в виде таких же импульсов ПАВ. Отраженные импульсы ПАВ последовательно возвращаются к ВШП и за счет прямого пьезоэффекта возбуждают в антенне ПАВ метки соответствующие идентификационные радиоимпульсы отклика, которые принимаются считывателем.
Полученная считывателем последовательность радиоимпульсов от ПАВ метки декодируется и на его выходе формируется конкретный числовой код метки в цифровом формате передачи данных. Далее этот идентификационный код поступает в блок управления для выработки управляющих сигналов компьютера или пульта управления (например, локомотива).
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями полезной модели, так как:
- устройство радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию «новизна»;
- конструктивная реализация устройство радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №457030, от 15.01.1975, МПК G01P 3/42.
2. Авторское свидетельство СССР №498197, от 05.01.1976, МПК B61L 25/06.
3. Авторское свидетельство СССР №931515, от 30.05.1982, МПК B60L 15/20.
4. Авторское свидетельство СССР №977251, от 30.11.1982, МПК B61L 3/12.
5. Патент РФ №2054694, от 20.02.1996, МПК G01S 13/78.
6. Патент РФ №2189599, от 20.09.2002, МПК G01P 3/64.
7. Патент РФ №2191127. от 20.10.2002, МПК B61L 25/02.
8. Патент РФ №2203821, от 10.05.2003, МПК B61L 25/02.
9. Патент РФ №2222030, от 20.01.2004, МПК G01S 13/82.
10. Патент РФ №2314956, от 20.01.2008, МПК B61L 25/02.
11. Патент РФ №2314957, от 20.01.2008, МПК B61L 25/06.
12. Патент РФ №2346840, от 20.02.2009, МПК B61L 23/14, B61L 3/00.
13. Патент РФ №2408026, от 27.12.2010, МПК G01S 13/00.
14. Патент США №3771119, от 06.11.1973, МПК B61L 25/02, B61L 3/22, G08G 1/01, G08G 1/127.
15. Патент США №4551725, от 05.11.1985, МПК G07C 1/24, G07C 9/00, G08G 1/017.
16. Патент США №4739328, от 19.04.1988. МПК B61L 25/04, G01S 13/74, G01S 13/75, G01S 13/76, G06K 7/00, G06Q 10/00, G07C 9/00, H04L 27/26.
17. Патент США №6903656, от 07.06.2005, МПК G06K 7/00, G08B 13/14.
18. Патент США №7072747, от 04.07.2006, МПК B61L 15/00, B61L 23/04, B61L 3/12.
19. Патент Великобритании №1024735, от 06.04.1966, МПК B61L 25/04.
20. Патент Великобритании №2093593, от 02.09.1982, МПК G01P 3/66, G01P 3/68.
21. Патент ЕР №0593910, от 27.04.1994, МПК B61L 25/02; B61L 3/22.
22. Патент ЕР №1112207, от 04.07.2001, МПК B61L 3/12, B61L 3/22.
23. Патент РФ №2397094, от 20.08.2010, МПК B61L 25/00 - прототип.
Авторы: Рабинович М.Д., Шубарев В.А., Никифоров Б.Д., Ефимов В.В., Гаврилов Л.Б, Кислицын В.О., Саркисян П.С., Калинин В.А.