ПРИЕМНИК ДЛЯ РЕЛЬСОВОЙ ЦЕПИ Российский патент 1997 года по МПК B61L23/16 

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики, в частности к устройствам контроля состояния рельсовых линий.

Известен приемник для рельсовой цепи, содержащий последовательно соединенные детектор, интегратор и диспрежератор, выход которого подключен к одному из входов приемника сигналов контроля рельсовой линии (сигналов КРЛ).

В нем вычисляются оценки среднего уровня огибающей сигнала КРЛ в нормальном и шунтовом режимах и выносится решение о состоянии рельсовой линии на основе сравнения с порогом кумулятивной суммы.

Указанный приемник имеет недостаток. Среднее значение сигнала КРЛ оценивается только для одного из режимов, а соответствующий параметр для другого режима определяется по результатам предшествующего наблюдения и может отличаться от реального значения.

Предлагаемое устройство позволяет устранить указанный недостаток. Приемник рельсовой цепи содержит два канала обработки. В одном канале будут вычисляться: среднее значение огибающей сигнала КРЛ, коэффициент усиления и апостериорная вероятность нахождения рельсовой цепи для шунтового режима, а в другом канале эти же характеристики будут определяться для нормального режима. В предлагаемом устройстве на выходе каждого из двух каналов обработки будут одновременно определяться два параметра среднее значение сигнала КРЛ и апостериорная вероятность для соответствующего режима работы рельсовой цепи. Сумма произведений среднего и апостериорной вероятности на выходе каждого из двух каналов дает среднее значение входного сигнала для нормального и шунтового режимов:
,
где p(1/h) апостериорная вероятность и среднее значение входного сигнала для нормального режима; p(0/h) апостериорная вероятность и - среднее значение входного сигнала для шунтового режима, оценка среднего значения сигнала КРЛ.

Каналы обработки представлены в виде вычислителя параметров шунтового и вычислителя параметров нормального режимов, содержащих блоки, в которых вычисляются среднее значение амплитуды сигнала, апостериорная дисперсия ; коэффициент усиления фильтра и апостериорная вероятность шунтового режима p(0/h).

Вычисление параметров осуществляется по следующим соотношениям:


Указанные параметры для нормального режима с помощью уравнений:



где R дисперсия помехи на входе приемника сигнала КРЛ, α - коэффициент широкополосности сигнала.

Уравнения для вычисления средних значений являются рекуррентными. Каждое новое значение информационного параметра на h-м шаге получается суммированием экстраполированного значения, вычисленного на предыдущем (h-1)-м шаге и разницы входного сигнала и экстраполированной оценки с учетом весового коэффициента. Весовой коэффициент представляет собой коэффициент усиления фильтра и численно равен скорости изменения входной реализации на шаге квантования (h,h-1).

Уравнения расчета апостериорных дисперсий позволяют определить коэффициент усиления фильтра.

Уравнение апостериорной вероятности дает значение вероятности наличия во входной реализации полезного сигнала со средним уровнем, соответствующим указанному режиму.

Формулы расчета средних значений и апостериорных дисперсий для нормального и шунтового режимов совпадают с точностью до обозначений и реализуются одинаковыми устройствами. Блоки вычисления апостериорной вероятности различны для нормального и шунтового режимов.

На фиг. 1 представлена структурная схема приемника, на фиг. 2 и фиг. 3 - схемы вычислителей параметров нормального и шунтового режимов.

Приемник для рельсовой цепи содержит последовательно соединенные полосовой фильтр 1, детектор 2, интегратор 3, дискретизатор 4, выход которого подключен к первому входу блока 10 приема сигнала контроля рельсовой линии, отличающийся тем, что выход дискретизатора 4 связан с объединенными входами блока вычисления параметров нормального режима 5 и блока вычисления параметров шунтового режима 6. Первый и второй выходы блоков 5 и 6 соединены, соответственно, с входами первого и второго перемножителей 7 и 8, выходы которых подключены к входам первого сумматора 9, соединенного со вторым входом блока приема сигналов контроля рельсовой линии 10, выход которого переключает реле 11.

Блок вычисления параметров нормального режима 5 содержит блок вычисления апостериорной вероятности нормального режима 12, первый блок вычисления коэффициента усиления 13, первый блок вычисления среднего 14 и элемент, задающий сигнал уровня R.

Первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима 12 подключены, соответственно, к выходу дискретизатора 4, к второму и третьему выходам первого блока вычисления коэффициента усиления 13 и элементу, задающему сигнал уровня R.

Первый, второй и третий входы первого блока вычисления среднего 14 подключены, соответственно, к выходу дискретизатора 4, к первому выходу первого блока вычисления коэффициента усиления 13 и к выходу блока вычисления апостериорных вероятностей нормального режима 12.

Первый, второй и третий входы первого блока вычисления коэффициента усиления 13 подключены, соответственно, к второму выходу первого блока вычисления среднего 14, выходу блока вычисления апостериорных вероятностей нормального режима 12 и элементу, задающему сигнал уровня R.

Первый выход блока вычисления среднего 14 и выход блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима 12 являются первым и вторым выходами блока вычисления параметров нормального режима и подключены к входам первого умножителя 7.

Блок вычисления параметров шунтового режима 6 содержит блок вычисления апостериорной вероятности шунтового режима 15, второй блок вычисления коэффициента усиления 16, второй блок вычисления среднего 17 и элемент, задающий сигнал уровня R.

Первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности шунтового режима 15 подключены, соответственно, к выходу дискретизатора 4, к второму и третьему выходам второго блока вычисления коэффициента усиления 16 и элементу, задающему сигнал уровня R.

Первый, второй и третий входы блока вычисления коэффициента усиления 16 подключены, соответственно, к второму выходу второго блока вычисления среднего 17, выходу блока вычисления апостериорных вероятностей нормального режима 15 и элементу, задающему сигнал уровня R.

Первый, второй и третий входы второго блока вычисления среднего 17 подключены, соответственно, к входу дискретизатора 4, к первому выходу второго блока вычисления коэффициента усиления 16 и к выходу блока вычисления апостериорных вероятностей шунтового режима 16.

Первый вход второго блока вычисления среднего 17 и выход блока вычисления параметров шунтового режима подключены к входам второго умножителя 8.

Блок вычисления среднего значения содержит (см. фиг. 2) первый вычислитель 18, третий, четвертый и пятый умножитель 19, 20, 23, второй сумматор 21, первый блок задержки 22 и элемент, задающий сигнал постоянного уровня α, причем первый вычитатель 18, третий 19, четвертый 20 умножители и второй сумматор 21 соединены последовательно по первым входам. Вход второго сумматора 21 через первый элемент задержки 22 и пятый умножитель 23 связан с объединенными вторыми входами второго сумматора 21 и первого вычитателя 18.

Второй вход третьего умножителя 19 соединен с первым выходом блока вычисления коэффициента усиления 13. Второй вход пятого умножителя 23 подключен к элементу, задающему сигнал уровня a.

Первый, второй и третий входы блока вычисления среднего образуются первым входом первого вычитателя 18 и вторыми входами третьего 19 и четвертого 20 умножителей, а выходом блока вычисления среднего служит выход второго сумматора 21.

Блок вычисления коэффициента усиления (см. фиг. 2) содержит первый 24 и второй 34 квадраты, шестой, седьмой, восьмой и девятый умножители 26, 27, 31, 35, второй и третий вычитатели 25 и 28, третий и четвертый сумматоры 29 и 32, второй элемент задержки 30, первый делитель 33, элемент, задающий сигнал уровня 1, элемент задания сигнала уровня α², причем первый квадратор 24, шестой 26 и седьмой 27 умножители, третий вычитатель 28, третий сумматор 29 соединены последовательно по первым входам, выход третьего сумматора 29 через второй элемент задержки 30 соединен с первым входом восьмого умножителя 31, к второму входу которого подключен элемент задания сигнала уровня α², а выход соединен с объединенными вторыми входами третьего 29, четвертого 32 сумматоров и первого делителя 33, выход которого через второй квадратор 34 соединен с вторым входом девятого умножителя 35, выход которого связан со объединенными вторыми входами седьмого умножителя 27 и третьего вычитателя 28.

Второй вычитатель 25 одним из входов соединен с элементом, задающим сигнал уровня 1, а его выход связан с вторым входом шестого умножителя 26.

Первый, второй и третий входы блока вычисления коэффициента усиления образованы, соответственно, первым входом второго вычитателя 25 и девятого умножителя 35 и первым входом четвертого сумматора 32, а первым, вторым и третьим выходами являются выходы первого делителя 33, четвертого сумматора 32 и первого квадратора 24.

Блок вычисления апостериорных вероятностей нормального режима 12 (см. фиг. 2) содержит: второй, третий, четвертый, пятый и шестой делители 36, 38, 42, 44, 48, десятый и одиннадцатый умножители 39 и 40, первый и второй блоки вычисления экспоненты 37 и 43; первый и второй блоки вычисления квадратного корня 45 и 46; пятый сумматор 47; третий квадратор 41, блок задания сигнала -2, причем выход второго делителя 36 подключен к входу первого блока вычисления экспоненты 37, выходом соединенного с третьим делителем 38, выход которого связан с объединенными вторыми входами пятого сумматора 47 и шестого делителя 48.

Третий квадратор 41 и четвертый делитель 42 соединены последовательно по своим первым входам, к выходу четвертого делителя подключен второй блок вычисления экспоненты 43, выход которого соединен с первым входом пятого делителя 44, выход которого связан с соединенными последовательно по первым входам пятым сумматором 47 и шестым делителем 48.

Элемент, задающий сигнал уровня -2, соединен с объединенными первыми входами десятого 42 делителей.

Первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима образованы, соответственно, первыми входами третьего квадратора 41, второго делителя 36, объединенными входами десятого умножителя 39 и первого блока вычисления квадратного корня 45, объединенными входами одиннадцатого умножителя 40 и второго блока вычисления квадратного корня 46.

Выходы первого и второго блоков вычисления квадратного корня 45 и 46 соединены с вторыми входами третьего 38 и пятого 44 делителей.

Выход шестого делителя 48 является выходом блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима.

Блок вычисления апостериорных вероятностей шунтового режима 15 (см. фиг. 3) содержит: седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый делители 67, 69, 73, 75, 77, двенадцатый и тринадцатый умножители 70 и 71, третий и четвертый блоки вычисления экспоненты 68 и 74, третий и четвертый блоки вычисления квадратного корня 78 и 79, шестой сумматор 76, четвертый квадратор 72, блок задания сигнала -2, причем выход седьмого делителя 67 подключен к входу третьего блока вычисления экспоненты 68, выход которого связан с первым входом восьмого делителя 69, выход которого соединен с вторым входом шестого сумматора 76.

Четвертый квадратор 72 и девятый делитель 73 соединены последовательно по своим первым входам. К выходу девятого делителя 73 подключен четвертый блок вычисления экспоненты 74, выход которого связан с вторым входом десятого делителя 75, выход которого подключен к объединенному входу одиннадцатого делителя 77 и шестого сумматора, которые соединены последовательно.

Элемент, задающий сигнал уровня -2, подключен к объединенным первым входам двенадцатого 39 и тринадцатого 40 умножителей, выходы которых подключены, соответственно, к вторым входам седьмого 67 и девятого 73 делителей.

Первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности шунтового режима образованы, соответственно, первыми входами четвертого квадратора 72, седьмого делителя 67, объединенными входами двенадцатого умножителя 70 и третьего блока вычисления квадратного корня 78, объединенными входами тринадцатого умножителя 71 и четвертого блока вычисления квадратного корня 79.

Выходы третьего и четвертого блока вычисления квадратного корня 78 и 79 соединены с вторыми входами восьмого 69 и десятого 75 делителей.

Выход одиннадцатого делителя 77 является выходом блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима.

Устройство работает следующим образом. Входная реализация Y(t), представляющая собой сумму информационного сигнала X(t) и помехи N(t), поступает из рельсовой линии на вход полосового фильтра 1, подавляющего мешающие сигналы. С помощью блока детектирования 2 производится выпрямление сигнала. В интеграторе 3 производится сглаживание, а с помощью дискретизатора 4 осуществляется операция получения временных отсчетов.

Сигнал Y_h поступает с выхода дискретизатора 4 на входы блоков 5 и 6. На первом и втором выходах блока 5 формируются значения оценки среднего и апостериорной вероятности p(1/h) для нормального режима.

На первом и втором выходах блока 6 формируются значения оценки среднего апостериорной вероятности p(0/h) шунтового режима.

В момент включения устройства на выходах блоков 5 и 6 присутствуют сигналы нулевого уровня. Начальные значения адаптивных оценок на выходах блоков 12-14, входящих в состав блока 5, равны

на выходах блоков 15-17, входящих в состав блока 6, равны
.

При включении/выключении устройства происходит обнуление сигналов на выходах блоков 5 и 6. Нулевое значение оценки входного сигнала с выхода сумматора 9 поступает на один из входов блока приема сигналов контроля рельсовой линии 10, выходной сигнал которого вызывает обесточивание реле 11. На выходе приемника формируется сигнал логического нуля, что соответствует занятому состоянию рельсовой линии.

На очередном шаге алгоритма h сигнал Y_h с выхода дискретизатора поступает на входы блоков 5 и 6. В блоках 12-14, входящих в состав блока 5, определяются новые значения адаптивных оценок параметров нормального режима В блоках 15-17, входящих в состав блока 6, выполняется пересчет соответствующих значений для шунтового режима
Если рельсовая линия занята, то на первом выходе блока 6 формируется значение оценки среднего уровня сигнала КРЛ в шунтовом режиме Апостериорная вероятность шунтового режима p(0/h) на втором выходе указанного блока 5 апостериорная вероятность нормального режима p(1/h) будет близкой к нулю. Значение сигнала на выходе сумматора 9 будет равным оценке среднего уровня входного сигнала в шунтовом режиме θ₁.

В том случае если рельсовая линия свободна, запрещающий сигнал будет действовать на выходе приемника в течение времени, необходимого для настройки адаптивной оценки на фактический уровень среднего значения сигнала КРЛ в нормальном режиме.

В нормальном режиме действие входного сигнала Y_h на входе блока 5 вызовет накопление оценки среднего на его первом выходе. Значение апостериорной вероятности нормального режима p(1/h) на втором выходе указанного блока станет близким к единице. Апостериорная вероятность шунтового режима p(0/h) на втором выходе блока 6 будет близкой к нулю. На выходе сумматора 9 будет сформировано значение оценки среднего уровня сигнала КРЛ в нормальном режиме.

Оценка среднего уровня сигнала КРЛ 0 вычисляется на выходе сумматора 9, который соединен с первым из входов блока приема сигналов контроля рельсовой линии 10, второй вход которого соединен с выходом дискретизатора 4. В блоке приема сигналов контроля рельсовой линии вычисляется значение статистики S_h:
1 где
где θ₂ среднее значение огибающей сигнала КРЛ в нормальном, θ₁ в шунтовом режимах, σ² дисперсия помех.

Накопленная на выходе блока 10 сумма S_h поступает на вход реле 11, где сравнивается с порогом ограничения Н.

Если решающая статистика меньше порога, то принимается решение о занятом состоянии рельсовой линии, в противном случае считается, что рельсовая линия свободна.

Использование: в области железнодорожной автоматики для контроля состояний рельсовых линий, в которых параметры информационного сигнала на входе приемника зависят от состояния рельсовой линии и величин ее первичных параметров. Сущность изобретения: приемник для рельсовой цепи содержит два канала обработки для нормального и шунтового режимов, в каждом из которых определяются средние значения информационного параметра, апостериорные дисперсии и вероятности шунтового и нормального режимов рельсовой цепи. Наличие двух каналов обработки позволяет более эффективно определять меняющиеся параметры сигнала контроля рельсовой линии, что повышает безопасность и эффективность работы приемника. 3 ил.

Приемник для рельсовой цепи, содержащий последовательно соединенные детектор, интегратор и дискретизатор, выход которого подключен к одному из входов блока приема сигналов контроля рельсовой линии, к входу которого подключено реле, отличающийся тем, что он снабжен вычислителем параметров нормального режима, вычислителем параметров шунтового режима, умножителями и сумматором, при этом выход дискретизатора подключен к входу вычислителя параметров нормального режима и входу вычислителя параметров шунтового режима, первый и второй выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго умножителей, выходы которых связаны с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого подключен к второму входу блока приема сигнала контроля рельсовой линии, причем вычислитель параметров нормального режима включает в себя блок вычисления апостериорной вероятности нормального режима, первый блок вычисления коэффициента усиления фильтра, блок вычисления среднего значения входного сигнала и элемент задания сигнала уровня R, соответствующего дисперсии помех, первыми входами блока вычисления апостериорной вероятности и блока вычисления среднего значения входного сигнала образован вход упомянутого вычислителя, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима подключены соответственно к первому и второму выходам первого блока вычисления коэффициента усиления фильтра и элемента задания сигнала уровня R, второй и третий входы первого блока вычисления среднего значения входного сигнала подключены соответственно к третьему выходу первого блока вычисления коэффициента усиления фильтра и к выходу блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима, первый, второй и третий входы первого блока вычисления коэффициента усиления фильтра подключены соответственно к первому выходу блока вычисления среднего значения входного сигнала, выходу блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима и элементу задания сигнала уровня R, вторым выходом блока вычисления среднего значения входного сигнала и выходом блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима образованы выходы вычислителя параметров нормального режима, вычислитель параметров шунтового режима содержит блок вычисления апостериорной вероятности шунтового режима, вторые блок вычисления коэффициента усиления фильтра, блок вычисления среднего значения входного сигнала и элемент задания сигнала уровня R, первыми входами блока вычисления апостериорной вероятности шунтового режима и блока вычисления среднего значения входного сигнала образован вход упомянутого вычислителя, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности шунтового режима подключены соответственно к первому и второму выходам второго блока вычисления коэффициента усиления фильтра и элементу задания сигнала уровня R, первый, второй и третий входы второго блока вычисления коэффициента усиления фильтра подключены соответственно к первому выходу второго блока вычисления среднего значения входного сигнала, выходу блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима и элементу задания сигнала уровня R, второй и третий входы второго блока вычисления среднего значения входного сигнала подключены соответственно к третьему выходу второго блока вычисления коэффициента усиления фильтра и к выходу блока вычисления апостериорной вероятности и шунтового режима, вторым выходом второго блока вычисления среднего значения входного сигнала и выходом блока вычисления апостериорной вероятности шунтового режима образованы выходы блока вычисления параметров шунтового режима, блок вычисления среднего значения входного сигнала включает в себя первый вычитатель, третий, четвертый и пятый умножители, второй сумматор, первый блок задержки и элемент задания сигнала постоянного уровня α, соответствующего коэффициенту широкополосности входного сигнала, причем первый вычитатель, третий, четвертый умножители и второй сумматор включены последовательно по первым входам, выход второго сумматора через первый элемент задержки и пятый умножитель связан с объединенными вторыми входами второго сумматора и первого вычитателя, второй вход пятого умножителя подключен к элементу задания сигнала уровня α, первый, второй и третий входы блока вычисления среднего значения входного сигнала образованы вторым входом первого вычитателя и вторыми входами третьего и четвертого умножителей, а выход - выходом второго сумматора, блок вычисления коэффициента усиления фильтра содержит первый и второй квадраторы, шестой, седьмой, восьмой и девятый умножители, второй и третий вычитатели, третий и четвертый сумматоры, второй элемент задержки, первый делитель, элемент задания сигнала, соответствующего числу 1, и элемент задания сигнала уровня α², причем первый квадратор, шестой и седьмой умножители, третий вычитатель, третий сумматор включены последовательно по первым входам, выход третьего сумматора через второй элемент задержки соединен с первым входом восьмого умножителя, к второму входу которого подключен элемент задания сигнала уровня α², а выход соединен с объединенными вторыми входами третьего, четвертого сумматоров и первого делителя, выход которого через второй квадратор соединен с вторым входом девятого умножителя, выход которого связан с объединенными вторыми входами седьмого умножителя и третьего вычитателя, второй вычитатель одним из входов - с элементом задания сигнала, соответствующего числу 1, а его выход связан с вторым входом шестого умножителя, первый, второй и третий входы блока вычисления коэффициента усиления фильтра образованы соответственно первым входом первого квадратора, объединенными первыми входами второго вычитателя и девятого умножителя и первым входом четвертого сумматора, а первый, второй и третий выходы выходами первого делителя, четвертого сумматора и первого квадратора, блок вычисления апостериорной вероятности нормального режима включает в себя второй, третий, четвертый, пятый и шестой делители, десятый и одиннадцатый умножители, первый и второй блоки вычисления экспоненты, первый и второй блоки вычисления квадратного корня, пятый сумматор, третий квадратор, элемент задания сигнала, соответствующего числу -2, причем выход второго делителя подключен к входу первого блока вычисления экспоненты, выходом соединенного с третьим делителем, выход которого связан с объединенными вторыми входами пятого сумматора и шестого делителя, третий квадратор и четвертый делитель соединены последовательно по своим первым входам, к выходу четвертого делителя подключен второй блок вычисления экспоненты, выход которого соединен с первым входом пятого делителя, выход которого связан с соединенными последовательно по первым входам пятым сумматором и шестым делителем, элемент задания сигнала, соответствующего числу -2, связан с объединенными первыми входами десятого и одиннадцатого умножителей, выходы которых подключены соответственно к вторым входам второго и четвертого делителей, первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима образованы соответственно первыми входами третьего квадратора, второго делителя, объединенными вторыми входами десятого умножителя и первого блока вычисления квадратного корня, объединенными входами одиннадцатого умножителя и второго блока вычисления квадратного корня, выходы первого и второго блоков вычисления квадратного корня соединены с вторыми входами третьего и пятого делителей, выходом шестого делителя образован выход блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима, блок вычисления апостериорных вероятностей шунтового режима содержит седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый делители, двенадцатый и тринадцатый умножители, третий и четвертый блоки вычисления экспоненты, третий и четвертый блоки вычисления квадратного корня, шестой сумматор, четвертый квадратор, элемент задания сигнала, соответствующего числу -2, причем выход седьмого делителя подключен к входу третьего блока вычисления экспоненты, выход которого связан с первым входом восьмого делителя, выход которого соединен с вторым входом шестого сумматора, четвертый квадратор и девятый делитель соединены последовательно по своим первым входам, к выходу девятого делителя подключен четвертый блок вычисления экспоненты, выход которого связан с вторым входом десятого делителя, выход которого подключен к объединенному входу одиннадцатого делителя и шестого сумматора, которые соединены последовательно, элемент задания сигнала, соответствующего числу -2, подключен к объединенным первым входам двенадцатого и тринадцатого умножителей, выходы которых подключены соответственно к вторым входам седьмого и девятого делителей, первый, второй, третий и четвертый входы блока вычисления апостериорной вероятности шунтового режима образованы соответственно первыми входами четвертого квадратора, седьмого делителя, объединенными входами двенадцатого умножителя и третьего блока вычисления квадратного корня, объединенными входами тринадцатого умножителя и четвертого блока вычисления квадратного корня, выходы третьего и четвертого блоков вычисления квадратного корня соединены с вторыми входами восьмого и десятого делителей, а выходом одиннадцатого делителя образован выход блока вычисления апостериорной вероятности нормального режима.