УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СОСТАВОВ
DEVICE TO READ OUT INFO FROM ROLLING STOCK UNITS

Предлагаемое устройство относится к области управления железнодорожным транспортом и может быть использовано для получения информации с подвижных объектов железнодорожного транспорта, не имеющих автономных источников питания.
Известны устройства считывания информации с подвижных объектов железнодорожных составов и контроля их местонахождения (авт. свид. СССР №536.996; патенты РФ №№2.003.544, 2.115.140, 2.191.127, 2.200.095, 2.238.208, 2.242.392, 2.284.938; патент США №3.771.119; патенты Великобритании №№1.024.735, 1.348.037, 2.047.933 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство считывания информации с подвижных объектов железнодорожных составов» (патент РФ №2.191.127, B61L 25/02, 2001), которое и выбрано в качестве прототипа.
На платформы вагонов состава и на каждой колесной паре установлены пассивный приемоответчик идентификации объекта с постоянным кодом. На открывающиеся части контейнеров установлены пассивные приемоответчики идентификации объекта с постоянным кодом, замыкающиеся запорным устройством. Приемоответчики, установленные на открывающиеся части контейнеров, платформы вагонов и колесные пары, попадая в электромагнитное поле с частотой от 700 КГц до 2,75 ГГц, создаваемое стационарным считывающим устройством, начинают работать, передавая на считывающее устройство информацию. Считывающее устройство приводится в действие от устройства включения, установленного по пути следования железнодорожного состава. При прохождении колесной тележки вдоль устройства включения с него на считывающее устройство подается сигнал включения, считывающее устройство запоминает время между прохождением первой и второй колесными тележками вдоль устройства включения и по типу вагона, полученному в виде кодовой информации, определяет расстояние между первой и второй колесными тележками, после чего определяет скорость его движения, определяя по типу каждого вагона его длину и скорость движения. Считывающее устройство отключается после его прохождения.
Недостатком известного устройства является низкая достоверность считывания информации из-за близости зон расположения радиочастотных меток, расположенных на подвижном составе, и радиочастотных меток, расположенных на колесных парах железнодорожного транспортного средства.
Технической задачей изобретения является повышение достоверности идентификации радиочастотных меток, расположенных на контейнерах, на открывающихся частях контейнеров и на колесных парах железнодорожных транспортных средствах путем использования четырех частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Поставленная задача решается тем, что устройство считывания информации с подвижных объектов железнодорожных составов, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, неподвижное считывающее устройство, соединенное с линией связи, и имеющее пассивные приемоответчики идентификации объекта с постоянным кодом, размещенные на локомотиве, платформе, вагоне, колесных парах, которые для съема информации разнесены в пространстве, пассивные кодовые датчики идентификации контейнеров и замыкающее запорное устройство на открывающихся частях контейнера, при этом пассивные кодовые датчики контейнеров выполнены с возможностью перепрограммирования кода, позволяющего считывающему устройству отличить его от кодов приемоответчиков локомотива, платформы, вагона, колесных пар, запорных устройств и других контейнеров данной платформы, а каждое запорное устройство снабжено приемоответчиком, который выдает при нарушении целостности запорного устройства код, регистрируемый считывающим устройством, которое имеет устройство включения-выключения, срабатывающее при прохождении состава, к выходу устройства включения-выключения подключен блок питания и управления, два выхода которого соединено с блоком приема и обработки информации и генератором соответственно, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено дуплексером, четырьмя полосовыми фильтрами, тремя фазовыми детекторами, линией задержки, генератором псевдослучайной последовательности, вторым сумматором, вторым усилителем мощности, фазовым манипулятором и диспетчерским пунктом, причем генератор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу блока питания и управления синтезатора частот, первого сумматора и первого усилителя мощности, выход которого подключен к первому входу дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, к выходу дуплексера подключены три канала приема, каждый из которых состоит из последовательно включенных полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с соответствующим выходом синтезатора частот, а выход подключен к блоку приема и обработки информации, к выходу которого последовательно подключены линия задержки, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора частот, четвертый полосовой фильтр и второй усилитель мощности, выход которого соединен с вторым входом дуплексера, каждый приемоответчик выполнен в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, состоящим из двух гребенчатых систем электродов, соединенных между собой шинами, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной, и набором отражателей, диспетчерский пункт выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фильтра нижних частот и компьютера.
Работа предлагаемого устройства реализуется с помощью схем, показанных на фигурах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.
На фиг.1 показан вагон 1, в котором установлены контейнеры 2. На контейнерах 2 установлены пассивные кодовые датчики 3 с возможностью перепрограммирования кодового сигнала, а на открывающихся частях контейнеров 2 установлены пассивные приемоответчики 4 идентификации объекта с постоянным кодом, замыкающиеся запорным устройством. На платформе и каждой колесной паре вагона 1 установлены пассивные приемоответчики 5 идентификации объекта с постоянным кодом.
На фиг.2 показана структурная схема пассивного кодового датчика 3 с возможностью перепрограммирования, содержащая преобразователь напряжения 6, блок 7 формирования и записи кода, передатчик 8, приемоответчик 9 с постоянным кодом, переключатель 10, приемопередающую антенну 11.
На фиг.3 показана структурная схема считывающего устройства 12, содержащая последовательно подключенные к выходу устройства 19 включения блок 15 питания и управления, синтезатор 17 частот, первый сумматор 18, первый усилитель 23 мощности, дуплексер 24, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 13 и три канала приема, каждый из которых состоит из последовательно включенных полосового фильтра 25 (26, 27) и фазового детектора 28 (29, 30), второй вход которого соединен с соответствующим выходом синтезатора 17 частот, а выход подключен к блоку 14 приема и обработки информации. К выходу блока 14 приема и обработки последовательно подключены линия 31 задержки, второй сумматор 33, второй вход которого соединен с выходом генератора 32 псевдослучайной последовательности (ПСП), фазовый манипулятор 34, второй вход которого соединен с четвертым выходом синтезатора 17 частот, полосовой фильтр 35 и второй усилитель 36 мощности, выход которого соединен с вторым входом дуплексера 24. Синтезатор 17 частот, первый сумматор 18 и первый усилитель 23 мощности образуют генератор 16.
На фиг.4 показана схема пассивного приемоответчика 4 идентификации объекта с постоянным кодом, замыкающегося запорным устройством, содержащего приемоответчик 20 с постоянным кодом, подсоединенные к нему гибкий стальной канат 21 и запорное устройство 22.
На фиг.5, 6 и 7 представлены функциональные схемы приемоответчиков 3, 4 и 5, каждый из которых представляет собой пьезокристалл 37.1 (37.2, 37.3) с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), состоящим из двух гребенчатых систем электродов 39.1 (39.2, 39.3), соединенных между собой шинами 40.1 (40.2, 40.3) и 41.1 (41.2, 41.3), связанными с микрополосковой приемопередающей антенной 38.1 (38.2, 38.3), и набором отражателей 42.1 (42.2, 42.3).
На фиг.8 представлена структурная схема диспетчерского пункта, который состоит из последовательно включенных приемной антенны 43, усилителя 44 высокой частоты, смесителя 46, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 45, усилителя 47 промежуточной частоты, второго перемножителя 50, второй вход которого соединен с выходом фильтра 51 нижних частот, узкополосного фильтра 52, первого перемножителя 49, второй вход которого соединен с выходом усилителя 47 промежуточной частоты, фильтра 51 нижних частот и компьютера 53. Перемножители 49 и 50, фильтр 51 нижних частот и узкополосный фильтр 52 образуют демодулятор 48 сложных фазоманипулированных (ФМн) сигналов.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При прохождении локомотива железнодорожного состава, состоящего из вагонов 1, вдоль устройства включения 19 подается сигнал на блок 15 питания и управления считывающего устройства 12. В качестве устройства 19 включения может быть использована катушка индуктивности, при прохождении над ней колесной тележки ее индуктивность резко изменяется.
Изменение индуктивности служит сигналом включения блока 15 питания и управления. Блок 15 решает задачу включения и выключения генератора 16, состоящего из синтезатора 17 частот, сумматора 18 и усилителя 23 мощности. При этом синтезатор 17 частот формирует четыре гармонических колебания на разных частотах:
1
1
1
1
u(t)=U·Cos(wt+φ),
2
2
2
2
u(t)=U·Cos(wt+φ),
3
3
3
3
u(t)=U·Cos(wt+φ),
4
4
4
4
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
1
4
1
4
1
4
c
1
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
где U-U, w-w, φ-φ, T - амплитуды, несущие частоты, начальные фазы и длительность гармонических колебаний. Гармонические колебания u(t)-u(t) через сумматор 18, усилитель 23 мощности и дуплексер 24 поступают в приемопередающую антенну 13, излучаются ею в пространство, улавливаются соответственно микрополосковыми антеннами 38.1, 38.2 и 38.3 приемоответчиков 3, 4 и 5, настроенными соответственно на частоты w, w и w. Указанные частоты определяются расстояниями d, d и d между электродами 39.1, 39.2 и 39.3. Встречно-штыревыми преобразователями приемоответчиков 3, 4 и 5 гармонические колебания u(t), u(t) и u(t) преобразуются в акустические волны, которые распространяются по поверхности пьезокристаллов 37.1, 37.2 и 37.3, отражаются от набора отражателей 42.1, 42.2 и 42.3 и опять преобразуются в сложные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн):
5
5
1
к1
1
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ],
6
6
2
к2
2
u(t)=U·Cos[Wt+φ(t)+φ],
7
7
3
к3
3
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к1
к2
к3
1
2
3
к1
к2
к3
э
э
э
где φ(t)={0, π}, φ(t)={0, π}, φ(t)={0, π} - манипулируемые составляющие фазы, отображающие закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующими кодами M(t), M(t) и М(t), причем φ(t)=const, φ(t)=const и φ(t)=const при Кτ<t<(к+1)τ и изменяются скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2,…, N);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлены сигналы длительностью Т(Т=N·τ);
1
2
3
1
2
3
Несущие частоты w, w и w находятся в диапазоне от 700 КГц до 2,75 ГГц. Модулирующий код M(t) содержит информацию о заводском номере контейнера и о его принадлежности. Модулирующий код М(t) содержит информацию о состоянии открывающих частей контейнеров. Модулирующий код М(t) содержит информацию о заводском номере изделия, дате его изготовления и о принадлежности изделия. Приемоответчик 5, установленный на платформе вагона 1, содержит также информацию о типе вагона 1.
5
6
7
н1
н2
н3
н1
1
н2
2
н3
3
=
Указанные сложные ФМн-сигналы u(t), u(t) и u(t) излучаются микрополосковыми приемопередающими антеннами 38.1,38.2 и 38.3 в эфир, улавливаются приемопередающей антенной 13 и через дуплексер 24 поступают на входы трех каналов приема, каждый из которых состоит из последовательно включенных полосового фильтра 25 (26, 27) и фазового детектора 28 (29, 30), второй вход которого соединен с соответствующим выходом синтезатора 17 частот. При этом частоты настройки w, w и w полосовых фильтров 25, 26 и 27 выбираются следующим образом: w=w, w=w, ww.
На выходе фазовых детекторов 28, 29 и 30 образуются следующие низкочастотные напряжения:
н1
н1
к1
u(t)=U·Cosφ(t);
н2
н2
к2
u(t)=U·Cosφ(t);
н3
н3
к3
2
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T,
где
;
;
,
1
2
3
пропорциональные модулирующим кодам M(t), M(t) и M(t) соответственно, которые поступают на соответствующие входы блока 14 приема и обработки информации. Последний определяет скорость движения состава, зная расстояние между первой и второй колесными тележками локомотива, на котором установлен пассивный приемоответчик 5, содержащий информацию о заводском номере и типе локомотива, и временной интервал между их прохождением вдоль устройства 19 включения. Зная скорость движения состава и расстояние от устройства 19 включения до считывающего устройства 12, блок 14 определяет временной интервал, через который блок 15 должен включить генератор 16.
4
5
5
3
м
5
3
м
Приемоответчик 20 содержит информацию о целостности цепи, а при повреждении приемоответчика 20, стального каната 21 или запорного устройства 22 выдает сигнал аварии. Пассивный кодовый датчик 3 принимает сигнал от считывающего устройства 12 при помощи антенны 11. Через переключатель 10 сигнал попадает на преобразователь напряжения 6, к которому подключены передатчик 8 и блок 7 формирования и записи кода. Блок 7 содержит сменную информацию об отправителе и получателе груза, о пунктах отправления и назначения, о характере перевозимого груза. Приемоответчик 9 с постоянным кодом содержит информацию о заводском номере контейнера 2 и о его принадлежности. Блок 14, получая информацию о типе вагона 1, определяет его длину и, зная скорость его движения, вычисляет время его прохождения вдоль считывающего устройства 12. В блоке 14 кодовые сигналы обрабатываются, и формируется информационный пакет в виде модулирующего кода M(t), который через линию 31 задержки поступает на первый вход сумматора 33, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 32 псевдослучайной последовательности (ПСП). Модулирующий код М(t) является идентификационным номером железнодорожного состава. Время задержки τ линии 31 задержки выбирается равным длительности Т модулирующего кода M(t)(τ=Т). На выходе сумматора 33 образуется суммарный код
Σ
4
5
M(t)=М(t)+М(t),
который поступает на первый вход фазового манипулятора 34, на второй вход которого подается гармоническое колебание с четвертого выхода синтезатора 17 частот
4
4
4
4
c
u(t)=U·Cos(Wt+φ), 0≤t≤T.
На выходе фазового манипулятора 34 образуется сложный ФМн-сигнал
8
8
4
к4
4
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к4
Σ
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t),
который выделяется полосовым фильтром 35, усиливается усилителем 36 мощности и через дуплексер 24 поступает в приемопередающую антенну 13, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 43 диспетчерского пункта и через усилитель 44 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 46, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 45
г
г
г
г
u(t)=U·Cos(wt+φ).
На выходе смесителя 46 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 47 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
up
up
up
к4
up
c
T
U(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤,
где
;
up
4
г
w=w-w - промежуточная (разностная) частота;
up
4
г
φ=φ-φ,
которое поступает на первые входы перемножителей 49 и 50. На второй вход перемножителя 49 подается гармоническое напряжение
0
0
up
up
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T.
На выходе перемножителя 49 образуется низкочастотное напряжение
н4
н4
к4
c
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T,
где
,
пропорциональное суммарному модулирующему коду MΣ(t),
которое поступает на вход компьютера 53 и на второй вход перемножителя 50. На выходе перемножителя 50 образуется гармоническое колебание
0
9
up
up
9
up
к4
up
0
up4
up
u(t)=U·Cos(wt+φ)+U·Cos[wt+2φ(t)+φ]=U·Cos(wt+φ),
0
9
к4
где
, U=2U, 2φ(t)={0,π},
которое выделяется узкополосным фильтром 52 и поступает на второй вход перемножителя 49.
Перемножители 49 и 50, фильтр 51 нижних частот и узкополосный фильтр 52 образуют демодулятор 48 сложных ФМн-сигналов.
После прохождения вагона 1 вдоль считывающего устройства 12 блок 15 выключает генератор 16. Зная расстояние между вагонами 1 и скорость их движения, блок 14 вычисляет время прохождения междувагонного пространства через зону распространения электромагнитных волн, после истечения этого времени блок 15 включает генератор 16. После прохождения последнего вагона 1 вдоль устройства 19 включения блок 15 отключается. За счет отключения считывающего устройства 12 во время прохождения мимо него междувагонного пространства устраняется возможность считывания информации со встречных составов. За счет установки пассивных приемоответчиков идентификации объекта с постоянным кодом на платформы и колесные пары вагонов возникает возможность определения, на каком из участков пути могла произойти перекомплектация подвижного состава. А за счет установки на открывающиеся части контейнеров пассивных приемоответчиков идентификации объекта с постоянным кодом, замыкающихся запорным устройством, появляется возможность определения участка пути, на котором был вскрыт контейнер с грузом.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности идентификации радиочастотных меток, расположенных на контейнерах, на открывающихся частях контейнеров и на колесных парах железнодорожных транспортных средствах. Это достигается использованием четырех частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией, что обеспечивает развязку по частоте между указанными радиочастотными метками.
Характерными особенностями радиочастотных меток на ПАВ являются малые размеры и отсутствие источников питания.
Сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Предлагаемый демодулятор сложных ФМн-сигналов обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования сложных ФМн-сигналов, непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала и лишен явления «обратной работы», присущей известным демодуляторам сложных ФМн-сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А.).