СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ АВТОТРАНСПОРТА И ОПОВЕЩЕНИЯ ВОДИТЕЛЯ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ПЕРЕЕЗДЕ Российский патент 2014 года по МПК B61L29/00 

Предлагаемая система относится к средствам техники безопасности на железнодорожном транспорте, в частности к средствам обеспечения безопасности на железнодорожных путях в районе переездов.

Известно, что железнодорожный переезд является одним из наиболее опасных участков, а столкновение автотранспорта (АТС) с поездом является одним из наиболее серьезных видов дорожно-транспортных происшествий (ДТП), сопровождающихся многочисленными жертвами. Между тем, ДТП на железнодорожных переездах происходят регулярно и чаще всего по вине водителей автотранспорта. По данным ИТАР-ТАСС на московской магистрали в 2003 году произошло 55 ДТП и все по вине водителя, в которых 13 человек погибли, а 31 пострадал. Столкновения вызваны недисциплинированностью водителей, которые пытались проехать перед приближающимся составом, игнорируя запрещающий сигнал светофора, или вызваны неисправностью автотранспорта.

Известны системы для автомагистралей и автоматического ограждения железнодорожных переездов (авт. свид. №№1.342.796, 1.592.206, 1.796.521, 1.801.849; патенты РФ №№2.090.777, 2.170.187, 2.183.351, 2.282.897, 2.319.212, 2.352.490, 2.395.121; патенты США №№4.753.895, 4.816.893; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. СПб, 2007, с.78-140 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система идентификации автотранспорта и оповещения водителя для предотвращения аварии на железнодорожном переезде» (патент РФ №2.352.490, B61L 29/00, 2007), которая и выбрана в качестве прототипа.

Известная система работает в предписанном диапазоне частот и содержит размещенную в районе переезда аппаратуру обнаружения и контроля за движением автотранспортного средства. Эта аппаратура включает в себя стационарный модуль с передатчиком, излучающим радиосигнал на антенны приемников мобильных модулей, расположенных на автотранспортных средствах. Упомянутый передатчик расположен на светофоре. Система выполнена с возможностью излучения стационарным модулем сигнала о «запрещении проезда» на мобильные модули со сменой сигнала светофора на красный, сравнения данных, полученных со стационарного модуля, с данными, заложенными в памяти мобильного модуля, при появлении подъезжающего автотранспортного средства в зоне действия системы включения звуковой и световой сигнализации в кабине автотранспортного средства и в случае продолжения движения - блокировки двигателя и останова автотранспортного средства. Система позволяет машинисту оперативно реагировать на сложившуюся опасную ситуацию, что обеспечивает повышение безопасности на железнодорожных путях в районе переездов.

Однако известная система не позволяет идентифицировать автотранспортные средства, появившиеся после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, по их регистрационным знакам.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известной системы путем идентификации автотранспортных средств, появившихся после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, по их регистрационным знакам, а также повышение эффективности предотвращения столкновения поезда и автотранспортного средства на железнодорожном переезде.

Поставленная задача решается тем, что система идентификации автотранспорта и оповещения водителя для предотвращения аварий на железнодорожном переезде, работающая в предписанном диапазоне частот, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, размещенную в районе переезда аппаратуру обнаружения и контроля за движением автотранспортного средства, включающую в себя стационарный модуль с передатчиком, излучающим радиосигнал на антенны приемников мобильных модулей, расположенных на автотранспортных средствах, при этом упомянутый передатчик расположен на светофоре, система выполнена с возможностью излучения стационарным модулем сигнала о «запрещении проезда» на мобильные модули со сменой сигнала светофора на красный, сравнения данных, полученных со стационарного модуля, с данными, заложенными в памяти мобильного модуля, при появлении подъезжающего автотранспортного средства в зоне действия системы включения звуковой и световой сигнализации в кабине автотранспортного средства и в случае продолжения движения - блокировки двигателя и останова автотранспортного средства, отличается от ближайшего аналога тем, что каждый мобильный модуль, расположенный на автотранспортном средстве, снабжен вторым ключом, двумя реле, герконом, блоком временной задержки и пассивной радиочастотной меткой, выполненной на пьезокристалле с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь выполнен в виде встречно-штыревой структуры и содержит две гребенчатые системы электродов, соединенных друг с другом шинами, которые связаны с микрополосковой антенной, также изготовленный на поверхности пьезокристалла приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, и блока регистрации, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к приемной антенне усилителя высокой частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя высокой частоты, порогового блока, первого ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, фазового детектора, второй вход которого через последовательно включенные первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр соединен с выходом удвоителя фазы, и блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, причем первое реле выполнено с замыкающим контактом, а второе реле - с размыкающим контактом, к плюсовой шине аккумуляторной батареи автотранспортного средства последовательно подключены выключатель зажигания, обмотка первого реле и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения кодов, а выход подключен к минусовой шине аккумуляторной батареи, которая соединена с корпусом автотранспортного средства, к плюсовой и минусовой шинам аккумуляторной батареи через замыкающий контакт первого реле параллельно подключены блок звуковой сигнализации, блок световой сигнализации и последовательно включенные блок временной задержки, геркон и обмотка второго реле, размыкающий контакт которого включен в цепь питания катушки зажигания автотранспортного средства, геркон установлен на цилиндрическом корпусе, внутри которого установлен вращающийся маховик, вал которого кинематически связан с гибким валом спидометра, причем на вращающемся маховике установлен постоянный магнит с возможностью при движении автотранспортного средства периодического взаимодействия с герконом и замыкания его контактов.

Структурная схема стационарного модуля представлена на фиг.1. Структурная схема радиочастотной метки изображена на фиг.2. Структурная схема мобильного модуля представлена на фиг.3. Взаимное расположение геркона и постоянного магнита показано на фиг.4.

Стационарный модуль содержит последовательно включенные светофор 1 и приемопередатчик 2 с приемопередающей антенной 3.

Приемопередатчик 2 содержит последовательно включенные генератор 8 псевдослучайной последовательности (ПСП), фазовый манипулятор 10, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 9, первый усилитель 11 мощности, дуплексер 12, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 3, второй усилитель 13 мощности, фазовый детектор 14, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 9, блок 15 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом генератора 8 псевдослучайной последовательности, и блок 16 регистрации.

Радиочастотная метка содержит пьезокристалл 17 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором 21 отражателей. При этом преобразователь выполнен в виде встречно-штыревой структуры и содержит две гребенчатые системы электродов 18', соединенных друг с другом шинами 19 и 20, которые связаны с микрополосковой антенной 18, также изготовленный на поверхности пьезокристалла 17.

Приемник 4 содержит последовательно включенные приемную антенну 22, усилитель 23 высокой частоты, удвоитель 26 фазы, второй анализатор спектра 27, блок 28 сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра 25 соединен с выходом усилителя 23 высокой частоты, пороговый блок 29, первый ключ 30, второй вход которого соединен с выходом усилителя 23 высокой частоты, фазовый детектор 34, второй вход которого через последовательно включенные первый узкополосный фильтр 31, делитель 32 фазы на два и второй узкополосный фильтр 33 соединен с выходом удвоителя 26 фазы, и блок 36 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока 35 памяти. Анализаторы спектра 25 и 27, удвоитель 26 фазы, блок 28 сравнения, пороговый блок 29 и первый ключ 30 образуют обнаружитель (селектор) 24 ФМн-сигналов.

Кроме того, мобильный модуль содержит последовательно подключенные к плюсовой шине аккумуляторной батареи 41 выключатель 40 зажигания, обмотку 38 первого реле и второй ключ 37, второй вход которого соединен с выходом блока 36 сравнения кодов, а выход подключен к минусовой шине аккумуляторной батареи 41, которая соединена с корпусом автотранспортного средства. К плюсовой и минусовой шинам аккумуляторной батареи 41 через замыкающий контакт 38.1 первого реле параллельно подключены блок 5 звуковой сигнализации, блок 6 световой сигнализации и последовательно включенные блок 42 временной задержки, геркон 43 и обмотка 44 второго реле, размыкающий контакт 44.1 которого включен в цепь питания катушки зажигания 39 автотранспортного средства. Геркон 43 установлен на цилиндрическом корпусе 48, внутри которого установлен вращающийся маховик 47, вал 45 которого кинематически связан с гибким валом спидометра (не показано). Причем на вращающемся маховике 47 установлен постоянный магнит 46 с возможностью при движении автотранспортного средства периодического взаимодействия с герконом 43 и замыкания его контактов.

Предлагаемая система работает следующим образом.

При включении красного сигнала светофора 1 включается передатчик 2 стационарного модуля. После включения передатчика 2 высокочастотное колебание

u_c(t)=U_c·Cos(ω_ct+φ_с), 0≤t≤T_c,

где U_c, ω_c, φ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания; с выхода задающего генератора 9 поступает на первый вход фазового манипулятора 10, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 8 псевдослучайной последовательности (ПСП). На выходе фазового манипулятора 10 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₁(t)=U_c·Cos[ω_ct+φ_к1(t)+φ_c], 0≤t≤T_c,

где φ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ_к1(t)=const при K·τ_э<t<(K+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=K·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2,…, N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c=N·τ_э), который после усиления в усилителе 11 мощности через дуплексер 12 поступает в приемопередающую антенну 3 и излучается ею в эфир в качестве сигнала о «запрещении проезда» перед приближающимся поездом. При этом питание приемопередатчика 2 осуществляется либо непосредственно от светофора 1, либо имеет собственное электропитание.

Указанный сигнал улавливается приемной антенной 22 автотранспортного средства, появившегося после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, и через усилитель 23 высокой частоты поступает на вход обнаружителя (селектора) 24 ФМн-сигнала, состоящего из анализаторов 25 и 27 спектра, удвоителя 26 фазы, блока 28 сравнения, порогового блока 29 и ключа 30.

На выходе удвоителя 26 фазы образуется гармоническое напряжение.

u₂(t)=U₂·Cos(2ω_ct+2φ_с), 0≤t≤Тс,

где $$U_2=\frac{1}{2}{U}_c^2$$ .

Так как 2φ_к(t)={0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует. Ширина спектра Δf₂ второй гармоники определяется длительностью T_c сигнала

$$\Delta f_2=\frac{1}{T_c}$$ ,

тогда как ширина спектра Δf_c ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок

$$\Delta f_2=\frac{1}{{\tau }_c}$$ ,

т.е. ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_c входного сигнала.

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить (отселектировать) ФМн-сигнал среди шумов и помех (других сигналов) даже тогда, когда его мощность на входе приемника 4 меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δf_c входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 25 спектра, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 27 спектра. Напряжения U_I и U_II, пропорциональные Δf_c и Δf₂ соответственно, с выходов анализаторов 25 и 27 спектра поступают на два входа блока 28 сравнения. Так как U_I U_II, то на выходе блока 28 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень напряжения U_пор в пороговом блоке 29. Пороговое напряжение U_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 29 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 30, открывая его. Ключ 30 в исходном состоянии всегда закрыт. При этом ФМн-сигнал с выхода усилителя 23 высокой частоты через открытый ключ 30 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 34. Гармоническое напряжение u₂(t) выделяется узкополосным фильтром 31 и поступает на вход делителя 32 фазы на два, на выходе которого образуется напряжение

u₃(t)=U₃·Cos(ω₃t+φ_с), 0≤t≤T_c.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 33, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 34. На выходе последнего формируется низкочастотное напряжение

u_н(t)=U_н-Cosφ_к1(t),0≤t≤T_c,

где $$U_{н}=\frac{1}{2}{U}_c\cdot U_3$$ ;

пропорциональное модулирующему коду M(t).

Указанное напряжение поступает на первый вход блока 36 сравнения кодов, на второй вход которого подаются коды, заложенные в блоке 35 памяти. Если модулирующий код M(t) совпадает с одним из кодов, поступающих из блока 35 памяти, то на выходе блока 36 сравнения кодов формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 37, открывая его. Ключ 37 в исходном состоянии всегда закрыт.

При этом постоянное напряжение аккумуляторной батареи 41 через замкнутый выключатель 40 зажигания и открытый ключ 37 подается на обмотку 38 реле, которое срабатывает. При срабатывании реле замыкается контакт 38.1 и включается звуковая 5 и световая 6 сигнализации, предупреждая водителя о необходимости остановить автотранспортное средство и пропустить приближающийся поезд.

Одновременно постоянное напряжение аккумуляторной батареи 41 через замкнутый контакт 38.1 первого реле поступает на последовательно включенные блок 42 временной задержки, геркон 43 и обмотку второго реле 44. Блок 42 временной задержки обеспечивает задержку подачи питания на обмотку второго реле в течение нескольких секунд (3-5). Это обеспечивается временем зарядки конденсатора через регулируемый переменный резистор (не показано).

Если автомобиль продолжает движение после включения сигнализации или после остановки начинает новое движение в течение 3-5 секунд, то гибкий вал спидометра начинает вращаться, заставляя при этом вращаться и вал 45 маховика 47 (фиг.4), они кинематически связаны друг с другом (не показано).

Постоянный магнит 46, закрепленный на маховике 47, взаимодействует с герконом 43, что приводит к периодическому замыканию его контактов. Первое замыкание контактов геркона 43 обеспечивает подачу постоянного напряжения аккумуляторной батареи 41 на обмотку второго реле 44. Реле 44 срабатывает и разрывает контакт 44.1. Разомкнутый контакт 44.1 обесточивает катушку 39 зажигания и выключает двигатель, что приводит к остановке автотранспортного средства. Размыкающий контакт 44.1 второго реле выполняет роль устройства 7 блокировки двигателя автотранспортного средства.

Дальнейшее движение возможно лишь при смене красного сигнала светофора на зеленый. Это происходит после прохождения поезда через железнодорожный переезд.

Одновременно зондирующий сложный ФМн-сигнал u₁(t) облучает радиочастотную метку, которая установлена на автотранспортном средстве. Указанный сигнал улавливается микрополосковой антенной 18, преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну. Последняя распространяется по поверхности пьезокристалла 17 и через некоторое время достигает отражающих пластин 21, которые отражают акустическую волну назад с фазой, определяемой положением отражающих пластин 21, и амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения. Встречно-штыревой преобразователь преобразуют отраженную акустическую волну обратно в радиоимпульс с фазовой манипуляцией

u₄(t)=U₄·Cos[ω_ct+φ_к(t)+φ_c], 0≤t≤T_c,

где φ_кΣ(t)= φ_к1(t)+ φ_к2(t),

φ_к2(t)={0,π} - определяется внутренней структурой встречно-штыревого преобразователя и отражает регистрационный знак автотранспортного средства.

Сформированный радиоимпульс u₄(t) излучается микрополосковой антенной 18 в эфир, принимается антенной 3 стационарного приемопередатчика 2 и через дуплексер 12 и усилитель 13 мощности поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 14, на второй (опорный) вход которого подается гармоническое колебание u_c(t) с выхода задающего генератора 9. На выходе фазового детектора 14 образуется низкочастотное напряжение

u_н1(t)=U_н1·Cosφ_кΣ(t), 0≤t≤T_c,

где $$U_{н1}=\frac{1}{2}{U}_4\cdot U_c$$ ,

которое поступает на первый вход блока 15 сравнения кодов. На второй вход последнего подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 8 псевдослучайной последовательности. На выходе блока 15 сравнения кодов формируется модулирующий код M₁(t), пропорциональный регистрационному знаку автотранспортного средства, который регистрируется блоком 16 регистрации. Зарегистрированные знаки могут быть потом проанализированы сотрудниками службы безопасности на предмет выявления нарушителей правил дорожного движения, а при наступлении ДТП - доказательством при судебном разбирательстве, а также сотрудниками службы ГИБДД на предмет выявления угнанных автотранспортных средств.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями обеспечивает идентификацию автотранспортных средств, появившихся после опускания шлагбаумов в опасной зоне железнодорожного переезда, по их регистрационным знакам. При этом регистрационные знаки содержатся в радиочастотных метках, которыми снабжаются все автотранспортные средства.

Основной особенностью радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются малые габариты и отсутствие источников питания.

Зарегистрированные регистрационные знаки автотранспортных средств могут быть использованы для решения многих задач, связанных с выявлением угнанных автотранспортных средств, нарушением правил дорожного движения и т.п.

Предлагаемая система обеспечивает повышение эффективности предотвращения столкновения на железнодорожном переезде, которая выражается в том, что из двух несопоставимых по массе и скорости участников движения - поезда и автомобиля - система выдает команду на остановку автомобиля, обладающего кинетической энергией во много раз меньшей, чем поезд, и который гораздо легче остановить.

При этом для остановки автомобиля используются блок временной задержки, геркон и обмотка второго реле, которые обладают повышенной скрытностью, не приводят к нарушению работы автотранспортного средства, легко изготавливаются и устанавливаются без значительных монтажных работ.

Тем самым функциональные возможности известной системы расширены.

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности на железнодорожных переездах. Система идентификации автотранспорта и оповещения водителя для предотвращения аварий на железнодорожном переезде содержит размещенную в районе переезда аппаратуру обнаружения и контроля за движением автотранспортного средства, включающую в себя стационарный модуль с передатчиком, излучающим радиосигнал на приемники мобильных модулей автотранспортных средств. Каждый мобильный модуль содержит выключатель зажигания, реле, ключ, блок сравнения кодов, блок сигнализации и блок временной задержки. Достигается расширение функциональных возможностей. 4 ил.

Система идентификации автотранспорта и оповещения водителя для предотвращения аварий на железнодорожном переезде, работающая в предписанном диапазоне частот, содержащая размещенную в районе переезда аппаратуру обнаружения и контроля за движением автотранспортного средства, включающую в себя стационарный модуль с передатчиком, излучающим радиосигнал на антенны приемников мобильных модулей, расположенных на автотранспортных средствах, при этом упомянутый передатчик расположен на светофоре, система выполнена с возможностью излучения стационарным модулем сигнала о «запрещении проезда» на мобильные модули со сменой сигнала светофора на красный, сравнения данных, полученных со стационарного модуля, с данными, заложенными в памяти мобильного модуля, при появлении подъезжающего автотранспортного средства в зоне действия системы включения звуковой и световой сигнализации в кабине автотранспортного средства и в случае продолжения движения - блокировки двигателя и останова автотранспортного средства, отличающаяся тем, что каждый мобильный модуль, расположенный на автотранспортном средстве, снабжен вторым ключом, двумя реле, герконом, блоком временной задержки и пассивной радиочастотной меткой, выполненной на пьезокристалле с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь выполнен в виде встречно-штыревой структуры и содержит две гребенчатые системы электродов, соединенных друг с другом шинами, которые связаны с микрополосковой антенной, также изготовленной на поверхности пьезокристалла, приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, и блока регистрации, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к приемной антенне усилителя высокой частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя высокой частоты, порогового блока, первого ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, фазового детектора, второй вход которого через последовательно включенные первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр соединен с выходом удвоителя фазы, и блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, причем первое реле выполнено с замыкающим контактом, а второе реле - с размыкающим контактом, к плюсовой шине аккумуляторной батареи автотранспортного средства последовательно подключены выключатель зажигания, обмотка первого реле и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения кодов, а выход подключен к минусовой шине аккумуляторной батареи, которая соединена с корпусом автотранспортного средства, к плюсовой и минусовой шинам аккумуляторной батареи через замыкающий контакт первого реле параллельно подключены блок звуковой сигнализации, блок световой сигнализации и последовательно включенные блок временной задержки, геркон и обмотка второго реле, размыкающий контакт которого включен в цепь питания катушки зажигания автотранспортного средства, геркон установлен на цилиндрическом корпусе, внутри которого установлен вращающийся маховик, вал которого кинематически связан с гибким валом спидометра, причем на вращающемся маховике установлен постоянный магнит с возможностью при движении автотранспортного средства периодического взаимодействия с герконом и замыкания его контактов.