Однополосный цифровой фильтр для автоматической локомотивной сигнализации

Заявляемое изобретение относится к смежным областям железнодорожной автоматики и телемеханики и локомотивного хозяйства и обеспечивает повышение устойчивости функционирования локомотивных устройств автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН) в условиях действия интенсивных случайных электромагнитных помех в рельсовой линии.

Система АЛСН служит для обеспечения условий безопасности движения поездов на перегонах и станциях при скоростях движения до 140 км/ч [1].

Все функции АЛСН выполняются локомотивными устройствами, которые действуют на основании результатов дешифрации импульсных сигналов числового кода, поступающих на локомотив из напольных устройств автоблокировки или электрической централизации по рельсовым линиям [2].

В процессе передачи сигналов числового кода через рельсовую линию эти сигналы могут подвергаться искажающему воздействию стационарных и случайных помех. Стационарные помехи образуются из гармоник обратного тягового тока и действуют на частотах, кратных промышленной частоте (50 Гц). Источником случайных помех являются импульсные помехи коммутационной природы и ЭДС грозовых разрядов, а также остаточная неравномерная намагниченность рельсов. Наиболее мощные случайные помехи имеют сплошной спектр в области частот от десятков Гц до единиц кГц [3,4].

Исключение действия стационарных помех и ограничение уровня случайных помех на входе локомотивного усилителя сигналов числового кода обеспечивает аналоговый локомотивный полосовой фильтр ФЛ-25/75М с центральной частотой настройки, равной частоте несущей сигнала числового кода (25 или 75 Гц) и шириной полосы пропускания, равной эффективной ширине спектра сигналов числового кода (14 Гц). Указанный локомотивный фильтр рассматривается здесь, как техническое решение-прототип.

Основным устройством, защищающим приемную аппаратуру от воздействия помех, является локомотивный фильтр ФЛ-25/75М. К нему предъявляются требования, согласно которым фильтр ФЛ-25/75М должен ослаблять сигнал 25 Гц не больше чем в 2,5 раза, а сигнал с частотой 50 Гц -не меньше, чем в 1000 раз.

Основными конструктивно-техническими недостатками существующего локомотивного фильтра ФЛ-25/75М, рассматриваемого как основной прототип, являются:

1) недостаточное подавление мощных стационарных помех в пределах полосы прозрачности фильтра;

2) низкий коэффициент прямоугольности и избыточная ширина АЧХ фильтра, что приводит к увеличению энергии случайных помех в полосе прозрачности фильтра.

Указанные недостатки часто приводят к тому, что локомотивный фильтр-прототип не обеспечивает эффективное подавление помех и устойчивую работу локомотивных устройств АЛСН. Так, по данным сводного анализа работы устройств АЛСН на ВСЖД за 2017 год установлено, что в локомотивах, оборудованных штатными устройствами АЛС, произошло 1018 сбоев принятых к учету, что составляет 66,32% от всех сбоев I-ой категории в локомотивах с оборудованием типа АЛСН.

Известно устройство приема сигналов автоматической локомотивной сигнализации [5], которое решает одну из частных задач - повышение помехоустойчивости приемного устройства автоматической локомотивной сигнализации при воздействии мощных помех от переменного тягового тока и от магнитного поля неравномерно намагниченных рельсов, то есть улучшает защиту от импульсных помех на отрезке времени от окончания импульса на входе устройства до момента отпускания контакта исполнительного элемента.

Известно устройство подавления импульсных помех на входе локомотивного приемника АЛС [6]. Технический результат при внедрении данного устройства заключается в повышении эффективности подавления импульсных помех на входе локомотивного приемника АЛС, которое достигается за счет плавающего порога амплитудного ограничителя сигналов АЛС при изменении их уровня, которое имеет место при движении локомотива по рельсовой цепи.

Известно также приемное устройство автоматической локомотивной сигнализации [7]. Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является повышение помехоустойчивости устройства АЛС за счет исключения бланкирования сигнала при обнаружении его искажения.

Представленные выше приемники позволяют повысить помехоустойчивость системы АЛС за счет подавления гармонических помех от обратного тягового тока и импульсных помех, однако не выполняется фильтрация низкочастотных импульсных помех, действующих на частотах полезного сигнала.

Проведенный анализ показал, что проблема разработки и внедрения локомотивного фильтра, обеспечивающего эффективное подавление стационарных и случайных помех из рельсовой линии и качественное улучшение помехозащищенности АЛСН указанными техническими решениями-прототипами, решена не полностью.

Целью настоящего изобретения является повышение устойчивости работы локомотивных устройств АЛСН, которые эксплуатируются на участках железных дорог, оборудованных электротягой переменного тока и имеющих высокий уровень интенсивности стационарных и случайных помех.

Это достигается за счет применения следующих новых технических решений:

1) Использование локомотивного фильтра верхней или нижней боковой полосы амплитудно-манипулированного сигнала числового кода. Это позволяет сузить полосу пропускания фильтра с 14 Гц до 8 Гц и соответственно снизить интегральную интенсивность случайных помех;

2) Замена аналогового полосового фильтра цифровым локомотивным фильтром с бесконечной импульсной характеристикой. Это позволяет, во-первых, обеспечить высокий коэффициент прямоугольности АЧХ фильтра и, во-вторых, добиться высокого коэффициента затухания стационарных и мощных случайных помех за пределами полосы пропускания фильтра.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого однополосного цифрового фильтра для автоматической локомотивной сигнализации. В состав разрабатываемого устройства входят амплитудный ограничитель (2), аналого-цифровой преобразователь (3), цифровой фильтр (4), реализованный на микроконтроллере, цифро-аналоговый преобразователь (5) и преобразователь напряжения (6).

Однополосный цифровой фильтр для автоматической локомотивной сигнализации работает следующим образом. На вход устройства с приемных катушек 1 поступает смесь полезного сигнала АЛС и аддитивных помех x(t). Смесь сигнал + шум x(t) проходит через амплитудный ограничитель (2), предназначенный для исключения действия импульсов перенапряжения на остальные каскады цифрового фильтра. Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (3), где происходит его дискретизация и квантование. Следующим этапом является однополосная фильтрация полученного цифрового сигнала в цифровом фильтре (4) с заранее заданной передаточной характеристикой. Последним этапом производится обратное цифро-аналоговое преобразование сигнала числового кода в цифро-аналоговом преобразователе (5), выделение его огибающей и передача на исполнительное импульсное реле на входе локомотивного дешифратора (7). Преобразователь напряжения DC/DC (6) предназначен для питания устройств однополосного цифрового фильтра постоянным напряжением.

Как можно видеть, использование предлагаемого устройства обеспечивает лучшее подавление помех, и, за счет, использования цифровой обработки сигнала, с использованием микроконтроллера, которая не применяется в технических решениях-прототипах, повышается универсальность использования разрабатываемого устройства.

Список использованных источников

1. Брылеев A.M., Поупе О., Дмитриев B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М.: Автоматическая локомотивная сигнализация и авторегулировка. М.: Транспорт, 1981. - 320 с.

2. Венцевич Л.Е. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения поездов и расшифровка информационных данных их работы. - М.: Маршрут, 2006. - 328 с.

3. Шаманов В.И.: Электромагнитная совместимость систем железнодорожной автоматики и телемеханики: учеб. пособие. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - 244 с.

4. Пультяков, А.В., Скоробогатов, М.Э. Системный анализ устойчивости работы систем автоматической локомотивной сигнализации / А.В. Пультяков, М.Э. Скоробогатов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. / Иркутский государственный университет путей сообщения. - 2018. - №1. - С. 79-89. - Библиогр.: с. 5.

5. Локомотивный приемник сигналов автоматической локомотивной сигнализации для участков с электротягой переменного тока: пат. 94944 Российская Федерация: МПК⁷ B61L 25/06 / Шаманов В.И.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ). - №2009143604/22; заявл. 26.11.2009; опубл. 10.06.2010, Бюл. №16.

6. Устройство подавления импульсных помех на входе локомотивного приемника АЛС: пат. 2618616 Российская Федерация: МПК⁷ B61L 25/06 / Аргунов И.А., Вихрова Н.Ю., Розенберг Е.Н., Табунщиков А.К.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте". - №2015154775; заявл. 21.12.2015, опубл. 04.05.2017, Бюл. №13.

7. Приемное устройство автоматической локомотивной сигнализации: пат. 165420 Российская Федерация: МПК⁷ B61L 23/00 / Леушин В.Б., Юсупов P.P., Блачев К.Э.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС). - №2015155567/11; заявл. 23.12.2015, опубл. 20.10.2016, Бюл. №29.