УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ВОЛНОВОДА РАДИОСВЯЗИ В ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Полезная модель относится к средствам контроля и диагностики и может быть использовано в составе комплекса средств, обеспечивающих оперативную радиосвязь диспетчера метрополитена с машинистом электропоезда.
В настоящее время в метрополитене для оперативной связи диспетчера с машинистами электропоездов используется радиосвязь. Известно, что радиоволны быстро затухают в грунте и, следовательно, непосредственная радиосвязь диспетчера с машинистами не представляется возможной. По указанной причине для радиосвязи используются переизлучатели-волноводы. Волновод, представляет собой проводник, подвешенный на изоляторах, закрепленных на стенах тоннелей и станций метрополитена.
Практика показывает, что нарушения состояния волноводов, а именно обрывы и замыкания на «землю», обычно происходят во время технического обслуживания оборудования (вентиляция, путевая автоматика, рельсовое хозяйство и др.), размещенного в тоннелях метрополитена. В тоннелях метрополитена работы по техническому обслуживанию оборудования проводятся только в ночное время, когда нет движения поездов. В случае повреждения волновода во время выполнения указанных работ факт его аварийного состояния обнаруживается только после начала движения поездов, то есть тогда, когда оперативно устранить неисправность невозможно, поскольку нахождение людей в тоннеле во время движения поездов категорически запрещено. Таким образом, радиосвязь машинистов с диспетчером на аварийном перегоне отсутствует в течение длительного времени (в Московском метрополитене с 6 часов утра до часу ночи следующих суток), что значительно снижает уровень безопасности движения. Из сказанного следует, что обнаружение аварийного состояния волновода в момент его возникновения и немедленное информирование сотрудников соответствующих служб метрополитена о месте (перегоне) и характере неисправности волновода, крайне важно для оперативного устранения неисправности и восстановления радиосвязи на аварийном участке метрополитена.
Принцип организации радиосвязи диспетчера с машинистами электропоездов поясняет структурная схема, изображенная на фиг. 1.
В состав структурной схемы фиг. 1 входят: распорядительная станция 1 (аппаратура диспетчера); двухпроводная линия 2 связи; линия 3 управления; симплексные радиостанции 4 (РС1…PCn) с дистанционным управлением, территориально расположенные на станциях метрополитена; симплексные радиостанции 5 (РС1…PCm), размещенные в кабинах машинистов электропоездов; антенны 6, подключенные к радиостанциям 5; антенно-согласующие устройства 7 (АнСУ1…АнСУn); волноводы 8; согласующие резисторы 9; устройства заземления 10, 11, расположенные в непосредственной близости от мест размещения соответственно антенно-согласующих устройств 7 и согласующих резисторов 9. Для упрощения понимания процессов, протекающих в структурной схеме фиг. 1 на ней показаны резистор 12 и источник 13 напряжения, которые не являются элементами аппаратуры связи, а моделируют паразитные параметры устройств заземления (конечную величину сопротивления между устройствами заземления 10 и 11) и помехи, наводимые в контуре выход АнСУ - волновод - согласующий резистор - «земля».
В дежурном режиме (при отсутствии радиобмена) распорядительная станция 1 формирует сигнал, который по линии 3 управления поступает на радиостанции 4 РС1…PCn и устанавливает их в режим работы «ПРИЕМ». В дежурном режиме поездные радиостанции 5 РС1…PCm также находятся в режиме работы «ПРИЕМ». Передача сообщения диспетчером сопровождается формированием распорядительной станцией 1 сигнала управления, который по линии 3 управления поступает на радиостанции 4 РС1…PCn и переводит их в режим работы «ПЕРЕДАЧА». Сообщение диспетчера (сигнал звуковой частоты) по линии 2 связи поступает на радиостанции 4 РС1…PCn и преобразуется последними в высокочастотные частотно-модулированные радиосигналы. Выходные радиосигналы радиостанций 4 РС1…PCn через антенно-согласующие устройства 7 АнСУ1…АнСУn поступают на волноводы 8 и излучаются последними в окружающее пространство в виде радиоволн. Радиоволны принимаются антеннами 6 поездных радиостанций 5 РС1…PCm при условии нахождения электропоездов в зоне, перекрытой волноводами 8. Таким образом, сообщение диспетчера одновременно принимают машинисты всех электропоездов, находящихся в зоне действия волноводов 8.
В случае, когда инициатором связи является машинист антенна 6 его радиостанции 5 PCi излучает радиосигнал, который принимается тем из волноводов 8, в зоне действия которого в данный момент находится движущийся электропоезд. Принятый одним из волноводов 8 радиосигнал через соответствующее антенно-согласующее устройство 7 АнСУj поступает на радиостанцию 4 Pcj и преобразуется последней в сигнал звуковой частоты, который по линии 2 связи поступает на распорядительную станцию 1. Из сказанного следует, что сообщение машиниста слышит диспетчер, но не слышат машинисты других электропоездов.
Максимальная эффективность работы волновода достигается при его согласовании с источником сигнала и нагрузкой, то есть в том случае, когда внутреннее сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки равны характеристическому (волновому) сопротивлению волновода. Выполнение указанного условия в схеме фиг. 1 достигается с помощью антенно-согласующих устройств 7 (АнСУ1…АнСУn) и согласующих резисторов 9.
Из уровня техники известны устройства для контроля состояния линий связи, представляющие собой стандартные измерительные приборы, позволяющие измерять омическое сопротивление цепи на постоянном токе, в частности, прибор электроизмерительный комбинированный типа Ц4342-М1 (Паспорт Р62.728.064 ПС). Данное техническое решение позволяет на основании сравнения результата измерения с предельно допустимыми величинами сопротивления линии сделать вывод о ее состоянии.
Недостатком известного технического решения является непредсказуемая (случайная) погрешность измерения сопротивления волновода, обусловленная падением напряжения между точками заземления антенно-согласующего устройства и согласующего резистора соответствующего волновода, образующегося за счет протекания части тока электрооборудования вагонов поезда метро по «земле».
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство контроля линии связи (Прибор контроля линии связи КП-100. Паспорт АТПН.425954.001 ПС, НПФ ПОЛИСЕРВИС, электронный ресурс http://www.npfpol.ru/). Данное решение позволяет определять факт наличия короткого замыкания или обрыва линии связи, а также модуль полного сопротивления и полную мощность нагрузки линии связи.
Недостатки известного технического решения заключаются в отсутствие возможностей работы в автоматическом режиме (без участия оператора) и передачи информации об аварийном состоянии линии по дополнительному каналу связи. Однако основной недостаток этого технического решения заключается в том, что контроль указанных выше параметров линии связи осуществляется только в «нерабочем режиме», то есть в линии связи, отключенной от источника сигнала. По указанным причинам использование известного технического решения для постоянного контроля состояния волновода без закрытия связи не представляется возможным.
Задача заявленной полезной модели состоит в обеспечении постоянного контроля состояния волноводов радиосвязи без ее закрытия в случае аварийной ситуации (без отключения линии связи от источника сигнала при повреждении волновода), что в целом повышает надежность радиосвязи диспетчера метрополитена с машинистом электропоезда.
Анализ схемы фиг. 1 показывает, что задача постоянного контроля состояния волноводов 8 без закрытия связи может быть решена включением устройств контроля (на фиг. 1 не показаны) в точки 14 разрывов волноводов в местах их подключения к антенно-согласующим устройствам 7.
Однако, при практической реализации указанного подхода организации контроля состояния волноводов необходимо учитывать специфику эксплуатации устройств контроля в метрополитене, а, именно - высокий уровень электромагнитных промышленных помех, основным источником которых является энергетическое оборудование подвижного состава. Ток энергетического оборудования поезда метрополитена протекает по контуру: шина тяговой подстанции +825 В, контактный рельс, токосъемники вагонов, двигатели вагонов, ходовые рельсы, дроссель-трасформаторы и шина тяговой подстанции -825 В. В спектральный состав этого тока входят: медленно изменяющееся компонента, уровень которой зависит от мощности, потребляемой поездом, гармонические составляющие с частотами Ν×300 Гц, где N=1, 2, 3, …, а также нестационарная составляющая тока, обусловленная непостоянством контактного сопротивления и искрением пары токосъемник-контактный рельс. Выходы антенно-согласующих устройств 7 (АнСУ1…АнСУn), волноводы 8, согласующие резисторы 9, устройства заземления 10 и 11 также образуют замкнутые электрические контуры, которые посредством магнитного поля взаимодействуют с рассмотренным выше контуром протекания силового тока. В результате указанного взаимодействия в контурах выход АнСУ - волновод - согласующий резистор- «земля» индуцируются напряжения помех, которые прикладываются к разрывам волноводов 8 в точках 14 и, соответственно, к входам устройств контроля состояния волноводов. Ходовые рельсы имеют конечное электрическое сопротивление и, поэтому, часть возвратного тока электрооборудования поезда протекает в обход рельсов по «земле» и создает падение напряжения помехи на резисторе 12, моделирующем конечную величину сопротивления между устройствами заземления 10 и 11. Эта составляющая помехи также прикладывается к входам устройств контроля состояния волноводов.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в обеспечении постоянного (непрерывного) контроля состояния волновода без закрытия связи и оперативном информировании обслуживающего персонала метрополитена о месте и характере обнаруженной неисправности волновода.
Поставленная задача может быть реализована, а ее технический результат может быть достигнут посредством заявленного устройства непрерывного контроля состояния волновода радиосвязи в тоннеле метрополитена, включающего автогенератор звуковой частоты и дополнительно содержащего последовательно соединенные разделительный конденсатор, режекторный фильтр, полосовой фильтр, выпрямитель, фильтр низкой частоты и зонный компаратор, а также GSM модуль (или модуль сопряжения с локальной сетью) и световой индикатор состояния волновода, входы которых подключены к выходам зонного компаратора, и балластный резистор, подключенный между выходами режекторного фильтра и автогенератора звуковой частоты.
Сущность предлагаемого устройства, его структурная схема и принцип действия поясняются рисунками, где изображено:
- на фиг. 1 - структурная схема принципа организации радиосвязи диспетчера метрополитена с машинистами электропоездов;
- на фиг. 2 - структурная схема предлагаемого устройства непрерывного контроля состояния волновода;
- на фиг. 3 - структурная схема, поясняющая работу устройства контроля состояния волновода;
- на фиг. 4 - функциональная схема варианта устройства контроля состояния волновода, обеспечивающая передачу информации о состоянии волновода по локальной сети;
В состав устройства (фиг. 2) входят:
- клемма 15, с помощью которой устройство подключается к выходу антенно-согласующего устройства;
- клемма 16, с помощью которой устройство подключается к контролируемому волноводу;
- клемма 17, с помощью которой устройство подключается к устройству заземления;
- разделительный конденсатор 18;
- режекторный фильтр (фильтр-пробка) 19, центральная частота полосы задерживания которого равна несущей частоте выходного радиосигнала антенно-согласующего устройства;
- автогенератор 20 гармонического сигнала звуковой частоты;
- балластный резистор 21;
- полосовой фильтр 22 центральная частота полосы пропускания которого равна частоте выходного сигнала автогенератора 20;
- выпрямитель 23;
- фильтр 24 низкой частоты;
- зонный компаратор 25;
- световой индикатор 26 состояния волновода «ОБРЫВ-НОРМА-ЗАМЫКАНИЕ»;
- GSM модуль 27.
Устройство контроля состояния волновода работает следующим образом (фиг. 3).
Емкость конденсатора 18 в схеме фиг. 3 выбрана такой величины, при которой одновременно выполняются два следующих условия:
В (1) обозначено:
С - емкость конденсатора 18;
BЧ
F - несущая частота выходного радиосигнала антенно-согласующего устройства 7;
HЧ
F - частота выходного сигнала автогенератора 20;
ρ - волновое сопротивление волновода 8;
B
R - омическое сопротивление (сопротивление на постоянном токе) волновода 8;
C
R - сопротивление согласующего резистора 9.
ΡΦ
ВЧ
НЧ
Режекторный фильтр 19 имеет большое проходное сопротивление Ζ на частоте F и малое сопротивление на частоте F. Из этого следует, что в схеме фиг. 3 выполняются условия:
BX ПФ
При выполнении условий (1) и (2) радиочастотный выходной сигнал антенно-согласующего устройства 7 практически без ослабления через разделительный конденсатор 18 поступает на волновод 8. На частоте радиосигнала проходное сопротивление режекторного фильтра 19 велико и, следовательно, устройства контроля состояния волновода практически не влияет на режим работы антенно-согласующего устройства 7 и его согласование с волноводом 8. Выходной низкочастотный гармонический сигнал автогенератора 20 через балластный резистор 21 и режекторный фильтр 19 поступает на волновод 8, а прохождение этого сигнала на выход антенно-согласующего устройства 7 блокируется разделительным конденсатором 18. При выполнении условий (1) и (2) напряжение V на входе полосового фильтра рассчитывается по следующей приближенной формуле:
В (3) обозначено:
Г
R - сопротивление резистора 21;
Г НЧ
V - выходное напряжение автогенератора 20;
П
V - напряжение помех.
HЧ
Полосовой фильтр 22 выделяет гармоническую составляющую с частотой F выходного сигнала автогенератора 20 и ослабляет спектральные составляющие помех до пренебрежимо малых величин. Таким образом, напряжение на выходе полосового фильтра:
ПФ
НЧ
ВЫХ ФНЧ
B
где Н - коэффициент передачи полосового фильтра 22 на центральной частоте F полосы пропускания. Выпрямитель 23 преобразует выходной сигнал полосового фильтра 22 в однополярное пульсирующее напряжение. Фильтр 24 низкой частоты подавляет пульсации выпрямленного напряжения. Таким образом, на выходе фильтра 24 низкой частоты формируется постоянное напряжение V, величина которого связана с величиной омического сопротивления R волновода соотношением:
В (5) обозначено:
ВЫПР
К - коэффициент преобразования переменного напряжения в постоянное выпрямителем 23;
ФНЧ
Н - коэффициент передачи фильтра 24 низкой частоты на нулевой частоте (на постоянном токе).
ВЫХ
ФНЧ
П МИН
П МАХ
Нахождение волновода 8 в одном из трех возможных состояний «ЗАМЫКАНИЕ», «НОРМА», «ОБРЫВ» определяется текущей величиной его омического сопротивления, которая соотношением (5) однозначно связана с уровнем выходного напряжения фильтра 24 низкой частоты. Таким образом, состояние волновода может быть идентифицировано по результатам сравнения выходного напряжения V фильтра 24 низкой частоты с пороговыми напряжениями V и V, которые соответствуют предельным величинам омического сопротивления волновода 8, находящегося в состоянии «НОРМА».
ВЫХ ФНЧ
П ми
П МАХ
Соответствие между результатами сравнения напряжений V, V, V и состоянием волновода указано в табл. 1.
Таблица 1
Результат сравнения
Состояние волновода
V<sub>ВЫХ ФНЧ</sub><V<sub>П МИН</sub>
«ЗАМЫКАНИЕ»
V<sub>П МИН</sub>≤V<sub>ВЫХ ФНЧ</sub>≤V<sub>П MAX</sub>
«НОРМА»
V<sub>ВЫХ ФНЧ</sub>>V<sub>П MAX</sub>
«ОБРЫВ»
ВЫХ ФНЧ
П МИН
П МАХ
Сравнение напряжений V, V, V осуществляет зонный компаратор 25, выходные сигналы которого управляют работой светового индикатора 26 и GSM модуля 27.
В случае возникновения аварийной ситуации (обрыв или замыкание волновода 8) GSM модуль 27 отправляет на заранее определенные номера мобильных телефонов SMS сообщения, в которых указывается характер неисправности волновода и его местонахождение.
В настоящее время в метрополитенах России и ближнего зарубежья для передачи телеметрической информации широко используются ведомственные локальные сети, в частности, сеть Ethernet. Функциональная схема варианта устройства контроля состояния волновода, обеспечивающая передачу информации о состоянии волновода по локальной сети, изображена на фиг. 4.
Данный вариант реализации устройства отличается от описанного выше тем, что в нем вместо GSM модуля (см. фиг. 3) применен модуль 27 сопряжения с локальной сетью 28.
Устройство, реализующее заявленную полезную модель является недорогим, работает в автоматическом режиме и не требует постоянного обслуживания.