Радиотехнические жд устройства - Фиксация транспортных средств в локальной зоне

ФИКСАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ЛОКАЛЬНОЙ ЗОНЕ
Радиотехнический обнаружитель препятствий наряду с обнаружением препятствий, представляющих опасность для движения поездов, может решать задачи обнаружения или фиксации самих транспортных единиц (вагонов, поездов) в определенных точках пути.
В последние годы как в СССР, так и за рубежом в различных отраслях народного хозяйства стали появляться такие радиотехнические устройства, которые выполняют функции точечных датчиков, реализующих радиолокационные принципы [4]. Радиотехнические датчики (РД) по функциональному построению и кругу решаемых задач можно подразделить на три группы:

1. Напольные (путевые РДН), приемный и передающий комплекты которых располагают на пути в точке фиксации подвижного транспортного средства.  

Рис. 3.13 Профиль горизонтального полотна снятый способом плавающего стробирующего импульса

Эти датчики выполняют следующие функции: контроль занятости перегона или блок- участка, контроль занятости станционных путей, контроль занятости стрелочных участков, фиксацию и контроль подхода скатывающегося отцепа, включение сигнализации о приближении поезда, фиксацию вагона и подачу сигнала о его точной установке в заданном месте и др.

1. Мобильные, у которых приемное и передающее устройства или одно из них находится непосредственно на подвижной единице (локомотиве, хвостовом вагоне). Решаются следующие задачи: фиксация контроля проезда контрольной точки пути подвижной единицей, счисление пути между фиксированными точками пути и др.
2. Информационные - их приемно-передающие устройства устанавливают как на подвижной единице, так и в заданной точке пути. Обмен информацией между подвижной единицей и напольным комплектом оборудования происходит при проезде места расположения напольного комплекта. Использование СВЧ сигналов позволяет даже при скоростях движения поезда 200 - 300 км/ч передавать информацию, измеряемую сотнями тысяч килобит.

На рис. 3.14 показано несколько вариантов построения напольных радиотехнических датчиков фиксации транспортных средств в локальной зоне, отличающихся своими функциональными возможностями. 

Рис. 3.14. Структурные схемы устройств фиксации препятствий

Так, радиотехнический напольный датчик с непрерывным контролем излучаемого (прямого) сигнала РДН-П (рис. 3.14, а) по принципу действия аналогичен фотоэлектрическим датчикам. Передающий комплект, включающий антенну А1, генератор сверхвысокочастотного сигнала ГСВЧ и генератор модулирующего сигнала ГМС, устанавливают по одну сторону железнодорожного пути. Приемное устройство, включающее приемную антенну с детектором сигнала А2, усилитель-ограничитель УО и устройство фиксации УФ, располагают на противоположной стороне железнодорожного полотна. Причем антенны А1 и А2 устанавливают в зоне прямой видимости.
При отсутствии транспортного средства (например, вагона) приемное устройство напольного датчика непрерывно принимает сигнал излучаемый антенной А1. Устройство фиксации при этом фиксирует свободность контролируемого пути.
С появлением транспортного средства в зоне фиксации происходит экранирование сигнала, излучаемого передающим комплектом. В приемную антенну А2 сигнал передатчика не попадает, и УФ фиксирует занятость контролируемого участка.
Существенным преимуществом данной схемы построения является непрерывный контроль излучаемого сигнала. Пропадание сигнала в любом случае фиксируется как занятость контролируемого участка пути.
Второй вариант (рис. 3.14,б) отличается тем, что передающее и приемное устройства радиотехнического датчика расположены с одной стороны контролируемого участка. При отсутствии транспортной единицы в зоне действия устройства в приемную антенну А2 сигнал, излучаемый антенной А1, не поступает. Устройство фиксации регистрирует свободность пути. Появление транспортного средства в зоне действия передающей антенны А1 приводит к появлению отраженного сигнала и попаданию его в приемную антенну А2. В этом случае устройство фиксации регистрирует занятость контролируемой зоны.
Преимуществом этого варианта является отсутствие ложных фиксаций занятости участка пути при появлении человека и других предметов, не относящихся к транспортным средствам, ввиду их малой отражательной способности СВЧ сигналов. Недостатком следует считать отсутствие непрерывного контроля излучаемого сигнала (работоспособности устройства).
На рис. 3.14,в показан комбинированный вариант построения радиотехнического устройства фиксации транспортных средств. 
Устройство регистрирует в исходном состоянии свободность участка пути при наличии сигнала в прямом канале (в антенне А2) и отсутствии отраженного сигнала в обратном канале (в антенне А3). В этом случае исполнительное устройство ИУ выдает сигнал свободности.
Появление вагона или другого транспортного средства в зоне действия датчика приводит к пропаданию сигнала в антенне А2 и появлению отраженного сигнала в антенне А3. При такой комбинации сигналов на выходах устройств фиксации УФ1 и УФ2 исполнительное устройство регистрирует занятость участка пути.
Данный принцип построения схемы позволяет получить датчик с высокой надежностью контроля занятости участка.
Возможны и другие варианты построения путевых радиотехнических датчиков, обладающих высокой надежностью работы, уверенной фиксацией транспортных средств в локальной зоне и контролем собственной работоспособности.
Радиотехнический напольный датчик с прямым каналом РДН-П (см. рис. 3.14, а) регистрирует свободность участка пути при наличии сигнала в антенне А2. На выходе устройства фиксации УФ вырабатывается сигнал 1 или 0 (x1, x1) в зависимости от состояния контролируемой зоны. Занятость или свободность может регистрироваться по любому из двух значений x1 и x1. Каждое из возможных состояний характеризуется вероятностью правильной фиксации занятости участка Вместе с тем существует вероятность ложной фиксации свободности участка, когда в антенну А2 сигнал не поступает, а выходная функция принимает значение x1 (свободно), и вероятность ложной фиксации занятости участка, когда в антенне А2 есть сигнал, а выходная функция принимает значение x1 (занято).
Радиотехнический напольный датчик с каналом отраженного сигнала (см. рис. 3.14, б) также может формировать на выходе УФ сигнал логической 1 при появлении препятствия, т. е. при этом в приемную антенну А2 попадает отраженный от транспортного средства сигнал, излучаемый антенной А1. Появление нуля на выходе УФ соответствует значению x1 и характеризуется отсутствием сигнала на входе антенны А2, т. е. отсутствием контролируемого объекта. Так же, как и у датчика с прямым каналом, выходной эффект работы данного обнаружителя препятствий характеризуется вероятностью правильной фиксации свободности путипри отсутствии сигнала в приемной антенне на выходе УФ (формируется х2); при наличии препятствия

Приоритет в выборе одного из алгоритмов принятия решения в разных ситуациях (свободности занятость) определяется эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к устройству. Тем не менее, очевидно, что комбинированный обнаружитель препятствий РДН-К имеет при равных условиях работы большую вероятность правильного принятия решения, чем РДН-П и РДН-О.
Еще более широкими функциональными возможностями характеризуется радиотехнический датчик универсального типа РДН-У (рис. 3.14, г). Отличительной особенностью данного обнаружителя является то, что по одну сторону контролируемого участка устанавливают одну пару приемно-передающих антенн (А1 и А3 соответственно), а на противоположной —  другую пару приемно-передающих антенн (А2, А4).
Такое построение РДН-У дает возможность контролировать состояние участка по следующим алгоритмам.
Свободность характеризуется: 1) наличием прямого сигнала в приемной антенне А2, излучаемого антенной А1, т. е. наличием единичной функции х1 на выходе исполнительного устройства ИУ1; 2) наличием прямого сигнала в приемной антенне А3, излучаемого передающей антенной А4, т. е. наличием единичной функции х3 на выходе исполнительного устройства ИУ2; 3) отсутствием отраженного сигнала в приемной антенне А3, излучаемого передающей антенной А1, т. е. наличием нулевой функции х2 на выходе ИУ2; 4) отсутствием отраженного сигнала в приемной антенне А2, излучаемого передающей антенной А4, т. е. наличие нулевой функции х4 на выходе ИУ1.
Таким образом в решающем устройстве РУ свободность контролируемого участка реализуется в виде функции

Значения вероятностей Рij и Рji в общем случае не равны и определяются в основном мощностными характеристиками передатчика и структурой приемного устройства.

Занятость контролируемого участка контролируется по следующему состоянию выходных функций исполнительных устройств:

По любому из рассмотренных алгоритмов работы РДН-У может приниматься решение как о свободности, так и о занятости контролируемого участка. Выбор одного из алгоритмов определяется требованиями, предъявляемыми к устройствам РТОП, используемым для контроля локальных участков. С точки зрения предупреждения опасных ситуаций предпочтительным оказывается реализация функции f(x1) для контроля свободности и функции f(x3) для контроля занятости контролируемого участка.

Для количественной оценки вероятностей необнаружения (пропуска) препятствия Рпр и ложной фиксации Рлф радиотехническими датчиками воспользуемся нормальным распределением сигнала и помехи. Запишем плотность распределения вероятностей случайной величины х:
при наличии полезного сигнала и помехи

Ложная фиксация характеризуется принятием решения о наличии объекта в контролируемой зоне при фактической ее свободности. Вероятность ложной фиксации

На рис. 3.15 представлены расчетные характеристики вероятностей пропуска и ложной фиксации обнаруживаемого объекта в контролируемой зоне при различных алгоритмах принятия решения радиотехническими датчиками.
Кривые: 1 и 2 соответствуют одноканальному радиотехническому датчику; 3, 4 и 5 - двухканальному; 6, 7 и 8 - трехканальному; 9 и 10 - четырехканальному. Характеристики построены при напряжении сигнала Uc=1,2 В, напряжении срабатывания Uпор=0,6 В и математическом ожидании помехи а=0,1.

Двухканальный вариант построения радиотехнического датчика (кривые 4 и 5) позволяет обеспечить вероятность пропуска Рпр и равную ей вероятность ложной фиксации Рлф 10-10 при дисперсии сигнала 0,15. Четырехканальный вариант построения датчиков позволяет снизить значения вероятностей пропуска до 10-12 - 10-14.
Для сравнительной оценки датчиков обнаружения препятствий в ограниченной зоне (в частности в системах горочной автоматической централизации) для контроля свободности стрелочных участков в качестве основных критериев следует считать быстродействие; вероятность пропуска отцепа; вероятность ложной фиксации; длину зоны контроля К3.
Быстродействие характеризует инерционные свойства датчиков и включает время: принятия решения tр; фиксации tφ, удержания исполнительного элементапосле освобождения препятствием контролируемой зоны.
Инерционные свойства датчиков оценивают коэффициентом быстродействия принятия решения


В табл. 3.1 приведены расчетные формулы оценочных критериев датчиков ГАЦ.
Особенностью радиотехнических обнаружителей, выгодно отличающих их от фотоэлектрических датчиков, является то, что на их работу (на малых расстояниях) практически не оказывают влияние такие факторы, как освещенность, запыленность, метеорологические условия (дождь, туман, снег). Хотя на распространение СВЧ волн оказывают влияние погодные условия, однако на малых расстояниях разноса антенн приемника и передатчика, что имеет место для путевых, мобильных и информационных радиотехнических датчиков, это влияние очень мало.
В табл. 3.2 и на рис. 3.16 приведены данные затухания СВЧ сигналов различной частоты, вносимого дождем разной интенсивности [29]. Как видно, затухание радиоволн, вносимое дождем в диапазоне частот около 10 ГГц (3 см), даже при интенсивности дождя 150 мм/ч несущественно.  

Рис. 3.16. Затухание СВЧ сигналов на различных частотах в зависимости от интенсивности дождя

Таблица 3.1
Оценочные критерии датчиков ГАЦ

Учитывая, что расстояние обнаружения РТД составляют единицы метров, затухание радиоволн используемого диапазона (λ≈3,2 см) составляет десятые доли децибел.
Обратное рассеяние зондирующего сигнала снегом значительно меньше обратного рассеяния каплями дождя. Таким образом, на работу РД снег и туман практически не оказывают влияние. Такие качества РД, как простота конструкции, отсутствие механических контактов, практическое отсутствие влияния метеоусловий (в локальной, контролируемой зоне) и освещенности на работу, обосновывают целесообразность использования их в устройствах автоматики железнодорожного транспорта в качестве первичного информационного датчика.