СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ АВТОТРАНСПОРТА И ОПОВЕЩЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ПЕРЕЕЗДЕ
SYSTEM OF AUTOMOTIVE TRANSPORT IDENTIFICATION AND DRIVER INFORMATION TO PREVENT ACCIDENTS AT RAILWAY CROSSING

Предлагаемая система относится к средствам техники безопасности на железнодорожном транспорте, в частности к средствам обеспечения безопасности на железнодорожных путях в районе переездов.
Известно, что железнодорожный переезд является одним из наиболее опасных участков, а столкновение автотранспорта (АТС) с поездом является одним из наиболее серьезных видов дорожно-транспортных происшествий (ДТП), сопровождающихся многочисленными жертвами. Между тем, ДТП на железнодорожных переездах происходят регулярно и чаще всего по вине водителей автотранспорта. По данным ИТАР-ТАСС на московской магистрали в 2003 году произошло 55 ДТП и все по вине водителя, в которых 13 человек погибли, а 31 пострадал. Столкновения вызваны недисциплинированностью водителей, которые пытались проехать перед приближающимся составом, игнорируя запрещающий сигнал светофора, или вызваны неисправностью автотранспорта.
Известны системы для автомагистралей и автоматического ограждения железнодорожных переездов (авт. свид. №№1.342.796, 1.592.206, 1.796.521, 1.801.849; патенты РФ №№2.090.777, 2.170.187, 2.183.351, 2.282.897, 2.319.212, 2.352.490, 2.395.121; патенты США №№4.753.895, 4.816.893; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. СПб, 2007, с.78-140 и другие).
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система идентификации автотранспорта и оповещения водителя для предотвращения аварии на железнодорожном переезде» (патент РФ №2.352.490, B61L 29/00, 2007), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система работает в предписанном диапазоне частот и содержит размещенную в районе переезда аппаратуру обнаружения и контроля за движением автотранспортного средства. Эта аппаратура включает в себя стационарный модуль с передатчиком, излучающим радиосигнал на антенны приемников мобильных модулей, расположенных на автотранспортных средствах. Упомянутый передатчик расположен на светофоре. Система выполнена с возможностью излучения стационарным модулем сигнала о «запрещении проезда» на мобильные модули со сменой сигнала светофора на красный, сравнения данных, полученных со стационарного модуля, с данными, заложенными в памяти мобильного модуля, при появлении подъезжающего автотранспортного средства в зоне действия системы включения звуковой и световой сигнализации в кабине автотранспортного средства и в случае продолжения движения - блокировки двигателя и останова автотранспортного средства. Система позволяет машинисту оперативно реагировать на сложившуюся опасную ситуацию, что обеспечивает повышение безопасности на железнодорожных путях в районе переездов.
Однако известная система не позволяет идентифицировать автотранспортные средства, появившиеся после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, по их регистрационным знакам.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известной системы путем идентификации автотранспортных средств, появившихся после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, по их регистрационным знакам, а также повышение эффективности предотвращения столкновения поезда и автотранспортного средства на железнодорожном переезде.
Поставленная задача решается тем, что система идентификации автотранспорта и оповещения водителя для предотвращения аварий на железнодорожном переезде, работающая в предписанном диапазоне частот, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, размещенную в районе переезда аппаратуру обнаружения и контроля за движением автотранспортного средства, включающую в себя стационарный модуль с передатчиком, излучающим радиосигнал на антенны приемников мобильных модулей, расположенных на автотранспортных средствах, при этом упомянутый передатчик расположен на светофоре, система выполнена с возможностью излучения стационарным модулем сигнала о «запрещении проезда» на мобильные модули со сменой сигнала светофора на красный, сравнения данных, полученных со стационарного модуля, с данными, заложенными в памяти мобильного модуля, при появлении подъезжающего автотранспортного средства в зоне действия системы включения звуковой и световой сигнализации в кабине автотранспортного средства и в случае продолжения движения - блокировки двигателя и останова автотранспортного средства, отличается от ближайшего аналога тем, что каждый мобильный модуль, расположенный на автотранспортном средстве, снабжен вторым ключом, двумя реле, герконом, блоком временной задержки и пассивной радиочастотной меткой, выполненной на пьезокристалле с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь выполнен в виде встречно-штыревой структуры и содержит две гребенчатые системы электродов, соединенных друг с другом шинами, которые связаны с микрополосковой антенной, также изготовленный на поверхности пьезокристалла приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, и блока регистрации, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к приемной антенне усилителя высокой частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя высокой частоты, порогового блока, первого ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, фазового детектора, второй вход которого через последовательно включенные первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр соединен с выходом удвоителя фазы, и блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, причем первое реле выполнено с замыкающим контактом, а второе реле - с размыкающим контактом, к плюсовой шине аккумуляторной батареи автотранспортного средства последовательно подключены выключатель зажигания, обмотка первого реле и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения кодов, а выход подключен к минусовой шине аккумуляторной батареи, которая соединена с корпусом автотранспортного средства, к плюсовой и минусовой шинам аккумуляторной батареи через замыкающий контакт первого реле параллельно подключены блок звуковой сигнализации, блок световой сигнализации и последовательно включенные блок временной задержки, геркон и обмотка второго реле, размыкающий контакт которого включен в цепь питания катушки зажигания автотранспортного средства, геркон установлен на цилиндрическом корпусе, внутри которого установлен вращающийся маховик, вал которого кинематически связан с гибким валом спидометра, причем на вращающемся маховике установлен постоянный магнит с возможностью при движении автотранспортного средства периодического взаимодействия с герконом и замыкания его контактов.
Структурная схема стационарного модуля представлена на фиг.1. Структурная схема радиочастотной метки изображена на фиг.2. Структурная схема мобильного модуля представлена на фиг.3. Взаимное расположение геркона и постоянного магнита показано на фиг.4.
Стационарный модуль содержит последовательно включенные светофор 1 и приемопередатчик 2 с приемопередающей антенной 3.
Приемопередатчик 2 содержит последовательно включенные генератор 8 псевдослучайной последовательности (ПСП), фазовый манипулятор 10, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 9, первый усилитель 11 мощности, дуплексер 12, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 3, второй усилитель 13 мощности, фазовый детектор 14, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 9, блок 15 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом генератора 8 псевдослучайной последовательности, и блок 16 регистрации.
Радиочастотная метка содержит пьезокристалл 17 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором 21 отражателей. При этом преобразователь выполнен в виде встречно-штыревой структуры и содержит две гребенчатые системы электродов 18', соединенных друг с другом шинами 19 и 20, которые связаны с микрополосковой антенной 18, также изготовленный на поверхности пьезокристалла 17.
Приемник 4 содержит последовательно включенные приемную антенну 22, усилитель 23 высокой частоты, удвоитель 26 фазы, второй анализатор спектра 27, блок 28 сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра 25 соединен с выходом усилителя 23 высокой частоты, пороговый блок 29, первый ключ 30, второй вход которого соединен с выходом усилителя 23 высокой частоты, фазовый детектор 34, второй вход которого через последовательно включенные первый узкополосный фильтр 31, делитель 32 фазы на два и второй узкополосный фильтр 33 соединен с выходом удвоителя 26 фазы, и блок 36 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока 35 памяти. Анализаторы спектра 25 и 27, удвоитель 26 фазы, блок 28 сравнения, пороговый блок 29 и первый ключ 30 образуют обнаружитель (селектор) 24 ФМн-сигналов.
Кроме того, мобильный модуль содержит последовательно подключенные к плюсовой шине аккумуляторной батареи 41 выключатель 40 зажигания, обмотку 38 первого реле и второй ключ 37, второй вход которого соединен с выходом блока 36 сравнения кодов, а выход подключен к минусовой шине аккумуляторной батареи 41, которая соединена с корпусом автотранспортного средства. К плюсовой и минусовой шинам аккумуляторной батареи 41 через замыкающий контакт 38.1 первого реле параллельно подключены блок 5 звуковой сигнализации, блок 6 световой сигнализации и последовательно включенные блок 42 временной задержки, геркон 43 и обмотка 44 второго реле, размыкающий контакт 44.1 которого включен в цепь питания катушки зажигания 39 автотранспортного средства. Геркон 43 установлен на цилиндрическом корпусе 48, внутри которого установлен вращающийся маховик 47, вал 45 которого кинематически связан с гибким валом спидометра (не показано). Причем на вращающемся маховике 47 установлен постоянный магнит 46 с возможностью при движении автотранспортного средства периодического взаимодействия с герконом 43 и замыкания его контактов.
Предлагаемая система работает следующим образом.
При включении красного сигнала светофора 1 включается передатчик 2 стационарного модуля. После включения передатчика 2 высокочастотное колебание
c
c
c
с
c
u(t)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
c
c
c
c
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания; с выхода задающего генератора 9 поступает на первый вход фазового манипулятора 10, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 8 псевдослучайной последовательности (ПСП). На выходе фазового манипулятора 10 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
1
c
c
к1
c
c
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к1
к1
э
э
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при K·τ<t<(K+1)·τ и может изменяться скачком при t=K·τ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2,…, N-1);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=N·τ), который после усиления в усилителе 11 мощности через дуплексер 12 поступает в приемопередающую антенну 3 и излучается ею в эфир в качестве сигнала о «запрещении проезда» перед приближающимся поездом. При этом питание приемопередатчика 2 осуществляется либо непосредственно от светофора 1, либо имеет собственное электропитание.
Указанный сигнал улавливается приемной антенной 22 автотранспортного средства, появившегося после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, и через усилитель 23 высокой частоты поступает на вход обнаружителя (селектора) 24 ФМн-сигнала, состоящего из анализаторов 25 и 27 спектра, удвоителя 26 фазы, блока 28 сравнения, порогового блока 29 и ключа 30.
На выходе удвоителя 26 фазы образуется гармоническое напряжение.
2
2
c
с
u(t)=U·Cos(2ωt+2φ), 0≤t≤Тс,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
где
.
к
2
c
Так как 2φ(t)={0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует. Ширина спектра Δf второй гармоники определяется длительностью T сигнала
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
c
э
тогда как ширина спектра Δf ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
2
c
т.е. ширина спектра Δf второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf входного сигнала.
Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить (отселектировать) ФМн-сигнал среди шумов и помех (других сигналов) даже тогда, когда его мощность на входе приемника 4 меньше мощности шумов и помех.
c
2
I
II
c
2
I
II
пор
пор
пор
2
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 25 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 27 спектра. Напряжения U и U, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 25 и 27 спектра поступают на два входа блока 28 сравнения. Так как U U, то на выходе блока 28 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень напряжения U в пороговом блоке 29. Пороговое напряжение U выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 29 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 30, открывая его. Ключ 30 в исходном состоянии всегда закрыт. При этом ФМн-сигнал с выхода усилителя 23 высокой частоты через открытый ключ 30 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 34. Гармоническое напряжение u(t) выделяется узкополосным фильтром 31 и поступает на вход делителя 32 фазы на два, на выходе которого образуется напряжение
3
3
3
с
c
u(t)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T.
Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 33, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 34. На выходе последнего формируется низкочастотное напряжение
н
н
к1
c
u(t)=U-Cosφ(t),0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
где
;
пропорциональное модулирующему коду M(t).
Указанное напряжение поступает на первый вход блока 36 сравнения кодов, на второй вход которого подаются коды, заложенные в блоке 35 памяти. Если модулирующий код M(t) совпадает с одним из кодов, поступающих из блока 35 памяти, то на выходе блока 36 сравнения кодов формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 37, открывая его. Ключ 37 в исходном состоянии всегда закрыт.
При этом постоянное напряжение аккумуляторной батареи 41 через замкнутый выключатель 40 зажигания и открытый ключ 37 подается на обмотку 38 реле, которое срабатывает. При срабатывании реле замыкается контакт 38.1 и включается звуковая 5 и световая 6 сигнализации, предупреждая водителя о необходимости остановить автотранспортное средство и пропустить приближающийся поезд.
Одновременно постоянное напряжение аккумуляторной батареи 41 через замкнутый контакт 38.1 первого реле поступает на последовательно включенные блок 42 временной задержки, геркон 43 и обмотку второго реле 44. Блок 42 временной задержки обеспечивает задержку подачи питания на обмотку второго реле в течение нескольких секунд (3-5). Это обеспечивается временем зарядки конденсатора через регулируемый переменный резистор (не показано).
Если автомобиль продолжает движение после включения сигнализации или после остановки начинает новое движение в течение 3-5 секунд, то гибкий вал спидометра начинает вращаться, заставляя при этом вращаться и вал 45 маховика 47 (фиг.4), они кинематически связаны друг с другом (не показано).
Постоянный магнит 46, закрепленный на маховике 47, взаимодействует с герконом 43, что приводит к периодическому замыканию его контактов. Первое замыкание контактов геркона 43 обеспечивает подачу постоянного напряжения аккумуляторной батареи 41 на обмотку второго реле 44. Реле 44 срабатывает и разрывает контакт 44.1. Разомкнутый контакт 44.1 обесточивает катушку 39 зажигания и выключает двигатель, что приводит к остановке автотранспортного средства. Размыкающий контакт 44.1 второго реле выполняет роль устройства 7 блокировки двигателя автотранспортного средства.
Дальнейшее движение возможно лишь при смене красного сигнала светофора на зеленый. Это происходит после прохождения поезда через железнодорожный переезд.
1
Одновременно зондирующий сложный ФМн-сигнал u(t) облучает радиочастотную метку, которая установлена на автотранспортном средстве. Указанный сигнал улавливается микрополосковой антенной 18, преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну. Последняя распространяется по поверхности пьезокристалла 17 и через некоторое время достигает отражающих пластин 21, которые отражают акустическую волну назад с фазой, определяемой положением отражающих пластин 21, и амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения. Встречно-штыревой преобразователь преобразуют отраженную акустическую волну обратно в радиоимпульс с фазовой манипуляцией
4
4
c
к
c
c
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
кΣ
к1
к2
где φ(t)= φ(t)+ φ(t),
к2
φ(t)={0,π} - определяется внутренней структурой встречно-штыревого преобразователя и отражает регистрационный знак автотранспортного средства.
4
c
Сформированный радиоимпульс u(t) излучается микрополосковой антенной 18 в эфир, принимается антенной 3 стационарного приемопередатчика 2 и через дуплексер 12 и усилитель 13 мощности поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 14, на второй (опорный) вход которого подается гармоническое колебание u(t) с выхода задающего генератора 9. На выходе фазового детектора 14 образуется низкочастотное напряжение
н1
н1
кΣ
c
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>н</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
где
,
1
которое поступает на первый вход блока 15 сравнения кодов. На второй вход последнего подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 8 псевдослучайной последовательности. На выходе блока 15 сравнения кодов формируется модулирующий код M(t), пропорциональный регистрационному знаку автотранспортного средства, который регистрируется блоком 16 регистрации. Зарегистрированные знаки могут быть потом проанализированы сотрудниками службы безопасности на предмет выявления нарушителей правил дорожного движения, а при наступлении ДТП - доказательством при судебном разбирательстве, а также сотрудниками службы ГИБДД на предмет выявления угнанных автотранспортных средств.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями обеспечивает идентификацию автотранспортных средств, появившихся после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, по их регистрационным знакам. При этом регистрационные знаки содержатся в радиочастотных метках, которыми снабжаются все автотранспортные средства.
Основной особенностью радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются малые габариты и отсутствие источников питания.
Зарегистрированные регистрационные знаки автотранспортных средств могут быть использованы для решения многих задач, связанных с выявлением угнанных автотранспортных средств, нарушением правил дорожного движения и т.п.
Предлагаемая система обеспечивает повышение эффективности предотвращения столкновения на железнодорожном переезде, которая выражается в том, что из двух несопоставимых по массе и скорости участников движения - поезда и автомобиля - система выдает команду на остановку автомобиля, обладающего кинетической энергией во много раз меньшей, чем поезд, и который гораздо легче остановить.
При этом для остановки автомобиля используются блок временной задержки, геркон и обмотка второго реле, которые обладают повышенной скрытностью, не приводят к нарушению работы автотранспортного средства, легко изготавливаются и устанавливаются без значительных монтажных работ.
Тем самым функциональные возможности известной системы расширены.