ЛИНИЯ СВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к новой линии связи для выполнения связей между вагонами многовагонного транспортного средства, такого как железнодорожный поезд или поезд метрополитена. Более конкретно изобретение относится к линии связи, которое включает радиопередачу через свободное пространство между соседними вагонами железнодорожного поезда или поезда метрополитена.

Для удовлетворения изменяющихся системных требований к объему пассажирских и грузоперевозок, маршрутам, техническому обслуживанию, поездной бригаде или подвижному составу и т.п. железнодорожные вагоны часто сцепляются и расцепляются. Такие изменения конфигурации поезда составляют значительную часть от всего процесса его работы, в каких бы терминах (часовая наработка подвижного состава, работа в человеко-часах, часы простоя и т.д.) это ни рассматривалось. Следовательно эти операции должны быть по возможности упрощены и автоматизированы.

Хотя известно, что поезда составляются из вагонов различных типов и в некоторых случаях отдельные группы вагонов расцепляются редко, не менее известно, что каждый день выполняется большое количество сцеплений и расцеплений. Пример современной системы рассмотрен в патенте США 5121410, в котором связи между вагонами (n-1, n и n+1-м вагонами) выполнены с помощью скрученных пар проводов.

Это изобретение направлено на решение проблемы обеспечения передачи адекватной информации между вагонами, не запрещая сцепление и расцепление вагонов поезда.

Это изобретение предлагает решение, обеспечивающее высоконадежную передачу больших объемов информации между вагонами. Передача информации между устройствами, установленными на различных вагонах, в виде электрических сигналов является общей характерной чертой на поездах в течение многих лет. Электрический канал, который передает эти сигналы, называется "поездной магистралью". Она выполняется в виде жгута проводов, каждый из которых соединен в электрически непрерывную магистраль, идущую по всей длине поезда.

Бортовые устройства, которые используют поездную магистраль, могут взаимодействовать друг с другом множеством различных способов. Например, такое устройство на вагоне, как переключатель, можно использовать для управления несколькими подобными устройствами, например светильниками, в каждом вагоне поезда. В другом случае датчик определенного типа может быть установлен на каждом вагоне. При превышении нормы конкретных параметров на одном вагоне датчик должен привести в действие аварийную сигнализацию, установленную в кабине головного вагона. Возможно и множество других конфигураций.

Изменяющиеся требования к передачи информации по поездной магистрали, обусловленные достижениями электронной технологии за последние два десятилетия, поставили новые проблемы перед разработчиками поездных магистралей. При этом следует рассмотреть два взаимосвязанных фактора: объем информации и информационную надежность.

В общем случае объем информации, передаваемой между железнодорожными вагонами, за рассматриваемый период времени увеличился. Эта тенденция обещает сохраняться в течение некоторого времени, так как поездные системы на борту каждого вагона используют все больше и больше электронного оборудования. Этот возросший информационный поток может быть адресован двумя способами. Его можно обрабатывать, увеличив количество проводов, или, в противном случае, каждый провод должен передавать больший объем информации.

Надежность передачи информации между вагонами всегда была существенным фактором с точки зрения безопасной и эффективной работы поезда. Для каждого вагона надежность обеспечивается применением известных, механически защищенных электрических разъемов, которые редко открываются. Однако из-за связей между соседними вагонами соединительные элементы на соседних вагонах должны автоматически и часто соединяться и разъединяться, что делает неэффективным использование известных электрических разъемов.

Использование подобных соединительных элементов вызывает много проблем, приводящих к большому проценту перерывов в работе метрополитена. Некоторые из этих проблем заключаются в следующем:
1. Отказ электрического соединения, вызванный окислением контактов.

2. Отказ электрического соединения, вызванный пылью, маслами и инородными частицами, которые оседают на контакты, когда они разъединены и, следовательно, подвержены воздействию.

3. Невозможность электрического соединения, когда контакт не дает пружине вернуться назад в ее нормальное положение из-за накопившейся на внутренних стенках контактной втулки пыли, смазки и инородных частиц.

4. Невозможность электрического соединения, когда возвратные пружины отказывают из-за потери упругости, что в свою очередь вызывается размягчением пружинной стали, когда ненормально большой электрический ток протекает в основном через пружину, а не через электрическое соединение.

Все вышеуказанные проблемы вызывают перерывы в эксплуатации и требуют объемного технического обслуживания. Периодически контакты необходимо проверять и чистить, чтобы обеспечить нормальное функционирование.

Специалистам также известно использование оптических устройств для создания линий связи между вагонами внутри группы и между группами вагонов поезда, как показано в патенте США N 4682144, Ochiai и др., от 21 июля 1987 года на фиг. 4.

Проблема использования оптических систем во внешних условиях работы поездов метрополитена или железной дороги состоит в том, что эти системы работают в сильно запыленной среде, так что оптические элементы связи быстро запыляются. Из-за пыли, которая будет аккумулироваться на оптических элементах, оптическая передача ухудшается, а возможно и полностью исключается. Соответственно система, рассмотренная в патенте N 4682144, не дает практического решения задачи обеспечения линий связи между крайними вагонами в группах вагонов поезда.

В патенте США N 3994459, Miller и др., от 30 ноября 1976 года используется радиосистема для обеспечения связи между вагоном, который сошел с рельсов и оставшейся частью поезда. Однако в этом патенте не указаны какие-либо другие варианты связи между вагонами поезда с использованием радиосигналов.

Другим фактором, влияющим на надежность, является увеличение объема информации, о чем упоминалось выше. При прочих равных условиях при возрастании объема информации надежность в целом имеет тенденцию к уменьшению.

Таким образом в современных поездных системах токовой связи повысить надежность пытаются двумя способами: контактными разъемами и кабельными соединителями. Хотя использование кабельных соединителей между вагонами и обеспечивает высокую надежность, оно превращает сцепление и расцепление вагонов в весьма трудоемкий процесс. С другой стороны, хотя контактные разъемы и обеспечивают весьма легкую операцию разъединения, для поддержания должного уровня их надежности требуется трудоемкое техническое обслуживание. Контактные разъемы чувствительны к параметрам окружающей среды и другим факторам. Из-за проблем, связанных с разъемами, возникает очень высокий уровень отказов, особенно перемежающихся.

Увеличение количества проводов может решить проблему, но этот путь ограничен из-за ряда факторов. Среди самых важных из них - проблема большого количества электрических соединений между вагонами, что приводит к частным сцеплениям и расцеплениям. Такие соединения в лучшем случае являются сделкой между надежностью и уровнем автоматизации: чем больше таких соединений, тем меньше надежность и/или уровень автоматизации.

Увеличение объема информации, проходящего через каждый провод, исключает необходимость большого количества электрических соединений между вагонами. Однако большой объем информации, переносимый каждым проводом, делает такие соединения уязвимыми как с точки зрения потери данных, так и увеличения объема обслуживания из-за проблем с надежностью, связанных с современным уровнем технологии прохождения информационных потоков большого объема через контактные разъемы.

Таким образом, целью изобретения является создание линии связи для обмена информацией между вагонами поезда, которая свободна от недостатков предшествующих разработок.

Конкретнее, целью изобретения является обеспечение новой линии связи, включающей радиосвязь, через свободное пространство.

Еще более конкретной целью изобретения является обеспечение новой линии связи, которая содержит мультиплексор и демультиплексор на выбранных вагонах поезда.

В соответствии с конкретным вариантом реализации изобретения обеспечивается линия связи для осуществления связи между соседними вагонами многовагонного транспортного средства, причем линия связи включает:
- на по крайней мере одном из вагонов - первое средство мультиплексирования/демультиплексирования для:
(A) (I) мультиплексирования первых цифровых сигналов, представляющих состояние или сигналы управления различных систем на первом из вагонов, для преобразования первых цифровых сигналов в первый цифровой сигнал поездной магистрали;
(II) первое средство для преобразования первого цифрового сигнала поездной магистрали в первый радиосигнал;
(III) первую антенну, смонтированную на одном конце первого из вагонов, для передачи первого радиосигнала;
(IV) указанное первое средство мультиплексирования/демультиплексирования, преобразующее второй радиосигнал во второй цифровой сигнал поездной магистрали для получения вторых цифровых сигналов, представляющих состояние или сигналы управления различных систем на втором из вагонов;
(V) первую антенну, принимающую второй радиосигнал;
- второй из вагонов, включающий второй мультиплексор/демультиплексор для:
(B) (I) мультиплексирования вторых цифровых сигналов и для преобразования вторых цифровых сигналов во второй цифровой сигнал поездной магистрали;
(II) второе средство для преобразования второго цифрового сигнала поездной магистрали во второй радиосигнал;
(III) вторую антенну, смонтированную на втором из вагонов на конце, смежном с концом первого вагона, на котором смонтирована первая антенна, причем вторая антенна передает второй радиосигнал;
(IV) указанное второе средство мультиплексирования/демультиплелксирования, преобразующее первый радиосигнал в первый цифровой сигнал поездной магистрали для получения первых цифровых сигналов, представляющих состояние или сигналы управления различных систем на первом из вагонов;
(V) вторую антенну, принимающую первые радиосигналы;
- посредством чего могут передаваться сообщения от первого из вагонов ко второму из вагонов и от второго из вагонов к первому из вагонов посредством первой и второй антенн путем радиосвязи через свободное пространство;
- первый кожух, смонтированный на первом из вагонов для размещения первой антенны;
- второй кожух, смонтированный на втором из вагонов для размещения второй антенны;
- первый кожух, включающий первое экранирующее средство вокруг первой антенны;
- второй кожух, включающий второе экранирующее средство вокруг второй антенны;
- первый кожух и второй кожух, имеющий каждый открытый конец;
- первый и второй кожухи, смонтированные так, что открытый конец первого кожуха направлен на открытый конец второго кожуха.

На фиг. 1 изображена схема, на которой показаны два смежных вагона поезда, радиосвязь между вагонами и устройства, связанные радиосигналами; на фиг. 2 показана основная часть мультиплексора поездной магистрали (ТМХ); на фиг. 3 и 4 показаны два способа модуляции для передатчиков приемопередатчика сигналов радиосвязи (PLT); на фиг. 5 показан конкретный вариант приемника RLT; на фиг. 6 показано дуплексное устройство, являющееся составной частью RLT; на фиг. 7 показана основная часть устройства радиосвязи между концами вагонов.

Как показано на фиг. 1, линия связи через свободное пространство 15 осуществляет связь между вагонами 3 и 5. Каждый вагон имеет мультиплексор (ТМХ) 17'и 17'' и приемопередатчик радиосвязи (RLT) 19' и 19''.

Как видно из фиг. 2, мультиплексор 17 принимает цифровые сигналы от различных систем поезда, например системы контроля 21, тормозной системы 23, системы тяги 25, системы вентиляции 27 и системы внутренней связи 29. Эти сигналы выстраиваются в определенном порядке для образования фрейма (цикла), который может, например, иметь длину 125 мкс. Как можно видеть, каждый фрейм в своем начале включает синхросигнал фрейма.

Эти сигналы затем поступают к передатчику, который передает их через линию связи к другому, обычно соседнему вагону поезда.

На приемном конце демультиплексор обеспечивает подачу цифровых сигналов к различным системам поезда, таким как система контроля 21, тормозная система 23, система тяги 25, система вентиляции 27 и система внутренней связи 29. Системы мультиплексирования и демультиплексирования хорошо известны специалистам, так что их дальнейшее описание не требуется.

Выходной сигнал ТМХ, как видно из фиг. 3 и 4 поступает в блок модуляции RLT. На фиг. 3 показан блок прямой модуляции, а на фиг. 4 - блок обратной модуляции. Каждый блок включает линейный интерфейс (31 или 41) и сигнальный процессор (33 или 43). Эти блоки обрабатывают сигналы, для того чтобы привести их к виду, подходящему для использования в модуляторе. Так, если в сигналах имеется длинная цепочка нулей, то их необходимо модифицировать, чтобы включить единицы и нули, и такая модификация происходит в блоках 31, 41 и 33, 43.

Обратимся теперь к фиг. 3, где выходной сигнал процессора 33 подается на модулятор 37, имеющий второй вход, на которой поступает сигнал от генератора радиочастоты (RF) 35. Выходной сигнал модулятора подается на полосовой фильтр 39, а выходной сигнал фильтра поступает на схему антенного переключателя, показанную на фиг. 6.

Обратимся к фиг. 4, где выходной сигнал процессора 43 опять же подается к модулятору 47. Однако в этом случае второй вход модулятора 47 питается от источника IF (промежуточной частоты) 45. Выходной сигнал модулятора 47 опять же проходит через полосовой фильтр 49, а выходной сигнал фильтра 49 подается к смесителю 53. Второй вход смесителя 53 питается от генератора 51, а выходной сигнал смесителя 53 подается на полосовой фильтр 55. Выходной сигнал полосового фильтра 55 опять же подается в схему антенного переключателя.

На фиг. 5 показан вариант реализации блока приемника в RLT. Выходной сигнал схемы антенного переключателя подается на полосовой фильтр 57, чей выход подается к смесителю 59. Принятый сигнал затем смешивается с RF сигналом от RF генератора 61, подсоединенного ко второму входу 59. Выход смесителя подсоединен к полосовому фильтру 63, чей выходной сигнал подается к демодулятору 65. Сигнал синхронизации поступает от демодулятора 65 в схему восстановления символьной и битовой синхронизации, а выходные сигналы блоков 65 и 67 подаются к сигнальному процессору 69. Выходной сигнал блока 69 подается на линейный интерфейс 71, чей выходной сигнал поступает затем в ТМХ.

Фиг. 6, на которой показаны антенный переключатель 77, передатчик 73 и приемник 75, не требует пояснений.

Обратимся теперь к фиг. 7, где электромагнитная линия связи через свободное пространство 15 между вагоном 7' и вагоном 7'' осуществляется с помощью RF антенн 83' и 83'' соответственно. В конкретном варианте реализации антенны монтируются в кожухах 79' и 79'' соответственно, корпуса которых выполнены из диэлектрического материала, например поликарбоната. Каждый кожух содержит уплотнительную оболочку, которая защищает антенну от влажности и попадания воды.

Вокруг кожухов 79' и 79'' находятся металлические экраны 81' и 81''. Как можно видеть экраны не пересекают переднюю часть кожухов 79' и 79'' (то есть те части кожухов, которые направлены друг на друга), но окружают антенны так, чтобы предотвратить ложное рассеяние RF сигналов от антенн 83' и 83'' в любом направлении от вагона к другому вагону и не дать возможность антеннам улавливать любые ложные электромагнитные сигналы, кроме тех, которые порождаются другим крайним вагоном.

Экраны включют также проводящие элементы 85' и 85'' для предотвращения обратной передачи и приема с задней стороны. Соединительные кабели 87' и 87'' подсоединяют антенны к блокам RLT соответствующих вагонов.

Элементы связи монтируются снаружи вагона и, когда вагоны сцеплены друг с другом, находятся физически близко друг к другу. Они изолированы от воздействия воды и влажности и защищены от летящих камней кожухами 79' и 79'' и экранами 81' и 81''.

Хотя кожухи и необходимы для конкретного типа антенны, если антенны достаточно малы, их можно и не защищать таким кожухом. В действительности, в некоторых случаях антенны можно монтировать и внутри вагона. Соответственно кожух используется по ситуации.

Устройство настоящего изобретения не подвержено физическим недостаткам, присущим устройствам с контактами и пружинами, которые являются неэффективными из-за того, что работают в запыленной среде.

Хотя здесь был описан конкретный вариант реализации, это было сделано с целью иллюстрации, но не ограничения изобретения. Различные модификации находятся в границах области изобретения, определенных в прилагаемой формуле.

Линия связи обеспечивает связь между железнодорожными вагонами или вагонами метрополитена. На, по крайней мере, одном из вагонов мультиплексор мультиплексирует цифровые сигналы, представляющие состояние различных систем вагона, и преобразует их в первый цифровой сигнал поездной магистрали. Передатчик включает модулятор, который преобразует цифровой сигнал поездной магистрали в радиосигнал, а радиосигнал передается антенной через свободное пространство от первого ко второму вагону. Второй вагон включает антенну для приема радиосигнала и приемник для демодуляции сигнала и преобразования его во второй цифровой сигнал поездной магистрали. Демультиплексор демультиплексирует второй цифровой сигнал поездной магистрали в форматы, пригодные для считывания поездными системами на борту второго вагона. Как первый, так и второй вагоны включают мультиплексоры, передатчики и приемники, так что возможно осуществление связи как между первым и вторым вагонами, так и между вторым и первым вагонами. 7 ил.

Линия связи для обеспечения связи между соседними вагонами многовагонного транспортного средства, в которой первый из вагонов включает средство для приема, а второй из вагонов включает средство для передачи, отличающаяся тем, что содержит на первом из упомянутых вагонов первое мультиплексирующее-демультиплексирующее средство для мультиплексирования первых цифровых сигналов, представляющих параметры, связанные с различными системами на первом из упомянутых вагонов, и для переработки первых цифровых сигналов в первый цифровой сигнал поездной линии, первое преобразующее средство для преобразования первого цифрового сигнала поездной линии в первый высокочастотный сигнал, первую антенну, установленную на одном конце первого из упомянутых вагонов для передачи первого высокочастотного сигнала, на втором, соседнем из упомянутых вагонов, - второе мультиплексирующее-демультиплексирующее средство для мультиплексирования вторых цифровых сигналов, представляющих параметры, связанные с различными системами на втором из упомянутых вагонов, и для переработки вторых цифровых сигналов во второй цифровой сигнал поездной линии, второе преобразующее средство для преобразования упомянутого второго цифрового сигнала поездной линии во второй высокочастотный сигнал, вторую антенну, установленную на конце второго из упомянутых вагонов, смежном с одним концом первого из упомянутых вагонов, для передачи второго высокочастотного сигнала; причем вторая антенна выполнена с возможностью приема первого высокочастотного сигнала, а второе мультиплексирующее-демультиплексирующее средство выполнено с возможностью преобразования первого высокочастотного сигнала в третий цифровой сигнал поездной линии, который эквивалентен первому цифровому сигналу поездной линии, при этом первая антенна выполнена с возможностью приема второго высокочастотного сигнала, а первое мультиплексирующее-демультиплексирующее средство выполнено с возможностью преобразования второго высокочастотного сигнала в четвертый цифровой сигнал поездной линии, который эквивалентен второму цифровому сигналу поездной линии, первый кожух, установленный на первом из вагонов, включающий в себя первое экранирующее средство для окружения и экранирования первой антенны, второй кожух, установленный на втором из упомянутых вагонов, включающий в себя второго экранирующее средство, для окружения и экранировки второй антенны, и каждый из упомянутого первого кожуха и упомянутого второго кожуха содержит открытый конец и каждый установлен так, что открытый конец первого кожуха смотрит на открытый конец второго кожуха, причем сообщения могут посылаться от первого из упомянутых вагонов на второй из упомянутых вагонов и с второго из упомянутых вагонов на первый из упомянутых вагонов через первую и вторую антенны посредством высокочастотной связи через свободное пространство.