Повышение помехоустойчивости передачи информации по рельсовой цепи в системах железнодорожной автоматики и телемеханики

На сети железных дорог России широкое распространение получила числовая кодовая автоблокировка и система автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН). В этой системе используется один частотный канал, организованный по рельсовой линии. В зависимости от вида тяги частота несущего колебания выбирается равной 25 или 50 Гц. Передача информации осуществляется путём амплитудной манипуляции несущей и числовым кодированием. Система кодовой автоблокировки позволяет передавать три сообщения: КЖ, Ж и 3. В качестве элементной базы использованы электромагнитные реле [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

В силу ограниченности функциональных возможностей, высокой энергои материалоёмкости аппаратуры, низкой помехозащищенности и надёжности эта система не удовлетворяет возросшим требованиям, предъявляемым к современным устройствам интервального регулирования движения поездов. Число отказов и сбоев в работе системы АЛСН достаточно велико (порядка 300 тысяч в год). Анализ отказов АЛСН показывает, что более 46% из них приходится на рельсовую цепь (РЦ) [8, 9, 10, 11]. Почти половина из них вызвана её неустойчивой работой при флуктуациях сопротивления балласта и мешающим действием помех от тягового тока [12, 13].

Машинист при частых сбоях вынужден отключать систему и вмешиваться в ее работу. Неустойчивая работа АЛСН вызывает’задержки поездов и нарушение графика исполненного движения (например, экстренное торможение, которое влечет за собой экономические потери, вызванные увеличением времени хода, перерасходом электроэнергии, утомляемостью машиниста).

Для обеспечения устойчивой работы системы АЛСН на входном конце рельсовой цепи необходимо обеспечить величину тока полезного сигнала не менее 1,5 А. Протяженность железных дорог России составляет около 150,0 1ыс. км. При средней длине блок-участка в 2.0 км, потребляемая мощность одной рельсовой цепи составляет 250,0 ВА. Эксплуатационная длина сети 7 железных дорог России составляет 84 767,5 км. Мощность, потребляемая системой автоблокировки и АЛСН, составляет порядка 10,6 МВт, что соизмеримо с мощностью Саяно-Шушенской ГЭС.

Дальнейшее совершенствование систем АЛСН связано с переводом технических средств на современную, более надёжную микроэлектронную элементную базу. Это позволит расширить их функциональные возможности, снизить энергои материалоемкость аппаратуры [14]. Применение новых, более совершенных алгоритмов обработки сигналов, реализация которых на старой элементной базе была принципиально невозможной, обеспечивает повышение устойчивости функционирования системы АЛСН в условиях воздействия помех от тягового тока.

В данный момент активно развивается движение высокоскоростных поездов. Поэтому исследование каналов передачи информации на локомотив, обладающих более высоким по сравнению с АЛСН быстродействием и помехоустойчивостью, является актуальной задачей.

Задача повышения помехоустойчивости АЛСН и качественного сокращения количества сбоев в работе этой системы является одной из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «РЖД» до 2015 г., способствующих повышению безопасности, повышению скоростей движения. Поэтому работы по исследованию повышения помехозащищенности передачи информации по рельсовой цепи как канала связи не прекращены. Основным направлением является применение новых способов преобразования, приема и передачи сигналов по рельсовой линии и использование современной микроэлектронной элементной базы.

Целью данной диссертационной работы является повышение помехоустойчивости передачи информации по рельсовой линии в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:

1. Предложить способ преобразования, приема и передачи, а также принцип кодирования сигналов, передаваемых по РЦ, позволяющих достигнуть потенциально возможный уровень их помехоустойчивости.

2. Разработать структурные и принципиальные схемы микроэлектронных устройств, обеспечивающих кодирование информации, прием информации на релейном конце РЦ и на локомотиве.

3. Разработать имитационную модель для анализа работы предложенного принципа передачи сигналов.

4. Оценить помехоустойчивость предложенного способа передачи и приема информации по РЦ.

В ходе выполнения диссертационной работы применялись классические и современные методы исследований: теория вероятности, теория передачи сигналов, а также цифровая обработка сигналов, компьютерное имитационное и программное моделирование, корреляционный анализ.

Достоверность научных исследований подтверждается результатами теоретических исследований и результатами имитационного моделирования.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Предложен принцип кодирования сигналовпередаваемых по рельсовой цепи, и их согласованная фильтрация для обеспечения помехоустойчивости информации передаваемой по рельсовой цепи.

2. Разработан алгоритм получения двоичных сигналов для кодирования показаний путевых светофоров на базе 13-ти импульсного сигнала Баркера.

3. Определены критерии использования сигналов, полученных путем циклической перестановки 13-ти импульсного сигнала Баркера.

4. Разработан алгоритм, повышающий достоверность обнаружения полезного сигнала при использовании сигналов с сильной взаимной корреляцией, полученных при циклической перестановке 13-ти импульсного сигнала Баркера.

5. Определены пороги срабатывания решающего устройства в зависимости от отношения сигнал/шум в рельсовой цепи, обеспечивающие достоверный прием информации.

Результаты исследований позволяют решить вопросы повышения помехоустойчивости передачи данных в системах управления движением поездов на линиях магистрального и промышленного железнодорожного транспорта, использующих рельсовые цепи для передачи информации, которые справедливы и для других каналов передачи данных в системах автоматики и телеуправления.

Технические решения, предложенные в диссертации, являются основой для инженерных разработок в данной области.

На защиту выносятся:

1. Способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовой цепи, за счет применения согласованной фильтрации.

2. Алгоритм получения двоичных сигналов на базе сигнала Баркера.

3. Алгоритм, повышающий достоверность обнаружения полезного сигнала.

4. Результаты имитационного моделирования способа помехоустойчивой передачи сигналов по рельсовой цепи.

5.4. Выводы по главе.

1. В результате моделирования доказано, что предложенный способ использования кодовых комбинаций с преамбулой для анализа 13 импульса с выхода СФ позволяет достичь требуемых показателей безопасности работы системы и дает возможность использовать для кодирования показаний путевого светофора сигналы, полученные путем циклической перестановки основного сигнала Баркера (4 и 9 перестановки).

2. Близкая структура сигналов с «хорошей» АКФ, полученных путем циклической перестановки основного сигнала Баркера, вызывает ошибки первого рода, которые могут быть устранены, если решающее устройство будет анализировать не все лепестки корреляционной функции, а только область АКФ около 13 импульса, а также применением системы ШОУ на входе приемника.

3. Доказано, что полезный сигнал обнаруживается с вероятностью минимум 0,998 и выше при установлении порога решающего устройства в диапазоне:

— от 5 до 10 при отношении сигнал /шум 3 -н 6 дБ;

— от 10 до 11 при отношении сигнал /шум 7 дБ и выше.

4. При отношении сигнал/шум в рельсовой цепи ниже 3 дБ порог решающего устройства должен быть не выше 5.

5. По сравнению с традиционной АЛСН с Рлт от 1 0,01 предложенный способ позволяет защитить сигналы и обеспечить при самых плохих условиях влияния ВКФ Р, 1 Т от 0,0045 (при сигнал / шум меньше ЗдБ) и меньше для порога срабатывания 6, что в десятки раз повышает помехозащищенность предложенного способа передачи по сравнению с АЛСН.

6. Ошибки, вызываемые трансформацией символов, не ухудшают параметры безопасности системы. При условии, что вероятность таких трансформаций мала, общая вероятность возникновения такого события является малой величиной порядка 10″ 4 и меньше.

7. Дополнительная помехозащищенность системы помимо принципа согласованной фильтрации обеспечивается за счет периодической последовательности кодирующих сигналов с «хорошей» АКФ. При этом загорание огня локомотивного светофора обеспечивается стабильной периодической последовательностью импульсов с выхода решающего устройства, что, в свою очередь, позволяет не реагировать системе на отдельные единичные ошибки типа «ложная тревога» по каждому каналу.

8. Фазовая манипуляция двоичных последовательностей, как наиболее помехоустойчивая, также обеспечивает дополнительную защиту кодовых комбинаций от воздействия помех в канале связи.

Заключение

.

1. Предложен способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовой цепи, за счет применения согласованной фильтрации сигналов с заранее известной структурой и характерной автокорреляционной функцией, в которой амплитуда главного пика намного превышает амплитуду боковых лепестков.

2. Предложен и обоснован алгоритм получения сигналов для кодирования показаний путевого светофора на основе циклической перестановки основного 13-ти импульсного сигнала Баркера.

3. Обосновано использование фазовой манипуляции для повышения помехоустойчивости передаваемой информации с выбором несущей в диапазоне свободном от гармоник тягового тока. Использование полосовых фильтров, пропускающих основной лепесток спектра фазоманипулированно-го сигнала, обеспечивает дополнительную защиту от гармоник тягового тока, а применение системы ШОУ на входе приемника защищает его от воздействия импульсных помех.

5. Разработаны структурные и принципиальные схемы основных функциональных узлов аппаратуры, реализующей предложенный способ.

6. Разработана имитационная модель для оценки помехоустойчивости предложенного способа. В результате моделирования установлены зависимости вероятности достоверного обнаружения сигнала от порога срабатывания решающего устройства. Показана эффективность предложенного способа по сравнению с АЛСН.

7. Предложен и разработан алгоритм повышения достоверности принятия решения, основанный на выделении главного лепестка АКФ в момент окончания действия сигнала на входе решающего устройства и определены величины порога решающего устройства при различных уровнях сигнал/шум в рельсовой линии, обеспечивающие требуемые показатели безопасности.