RU2794600C1 - Monitoring system for rolling stock and railway transport infrastructure based on wireless technologies - Google Patents

Monitoring system for rolling stock and railway transport infrastructure based on wireless technologies Download PDF

Info

Publication number
RU2794600C1
RU2794600C1 RU2022111876A RU2022111876A RU2794600C1 RU 2794600 C1 RU2794600 C1 RU 2794600C1 RU 2022111876 A RU2022111876 A RU 2022111876A RU 2022111876 A RU2022111876 A RU 2022111876A RU 2794600 C1 RU2794600 C1 RU 2794600C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
network
train
monitoring
sensor
stationary
Prior art date
Application number
RU2022111876A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Любовь Михайловна Журавлева
Владислав Витальевич Левшунов
Михаил Алексеевич Нилов
Денис Александрович Рыжков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2794600C1 publication Critical patent/RU2794600C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: monitoring systems; railway infrastructure.
SUBSTANCE: technical monitoring systems for rolling stock and railway infrastructure.System consists of mobile and stationary parts, which allow tracking the location, direction and speed of movement, the performance of car parts and assemblies. Stationary sensors have Wi-Fi modules for connecting to access points of the train Wi-Fi network, which consists of a controller that manages access points to which sensor network sensor nodes are connected to collect data on the technical condition of cars, GPS navigation receivers, a train base station on based on a wireless infrared optical modem, connecting the local Wi-Fi train network with stationary base stations operating in the infrared range, installed along the railway track, having access to routers and multiplexers of the road network of the fibre-optic information transmission system for connecting to the switching centre of the monitoring system.
EFFECT: operational technical control over infrastructure objects, such as bridges and tunnels with a change in the operating modes of sensors.
4 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области систем технического мониторинга подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного (ж/д) транспорта и может быть использовано для проектирования интегрированных систем контроля за состоянием стационарных и подвижных объектов в других видах транспорта.The invention relates to the field of systems for technical monitoring of rolling stock and infrastructure of railway (railway) transport and can be used to design integrated systems for monitoring the status of stationary and moving objects in other modes of transport.

Задача изобретения состоит в создании надежной и широкополосной системы передачи данных о техническом состоянии поездов, линейных и станционных объектов в центры принятия решений с помощью локальных сетей связи стандарта IEEE 802.11n и 802.15.4 подвижного состава и базовых станций (БС) на основе беспроводных модемов атмосферой оптической системы передачи (АОСП), установленных вдоль ж/д пути, объединенных с коммутатором ядра с помощью волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСП).The objective of the invention is to create a reliable and broadband system for transmitting data on the technical condition of trains, line and station facilities to decision centers using local communication networks of the IEEE 802.11n and 802.15.4 standard of rolling stock and base stations (BS) based on wireless modems with an atmosphere optical transmission system (AOTS) installed along the railway track, combined with a core switch using a fiber optic information transmission system (FOTS).

Уровень техникиState of the art

Известны варианты систем мониторинга подвижного состава на основе беспроводных технологий, рассмотренные в литературе:Known variants of rolling stock monitoring systems based on wireless technologies, considered in the literature:

1) Пат. RU 104904 U1 Российская Федерация, МПК B61K 9/00 (2006.01) B61L 25/02 (2006.01). Система мониторинга состояния подвижной единицы железнодорожного состава [Текст] / Бороненко Ю.П., Цыганская Л.В.; Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны"(АО "НВЦ "Вагоны"). - 2017145947; заявл. 26.12.2017; опубл. 06.03.2019 Бюл. №7.1) Pat. RU 104904 U1 Russian Federation, IPC B61K 9/00 (2006.01) B61L 25/02 (2006.01). The system for monitoring the state of a rolling unit of a railway train [Text] / Boronenko Yu.P., Tsyganskaya L.V.; Joint-Stock Company "Scientific and Innovation Center "Vagony" (JSC "NEC "Vagony"). - 2017145947; dec. 12/26/2017; publ. 03/06/2019 Bull. No. 7.

2) R.W. Lewis, S. Maddison and Е. J. С.Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp. 2014.1008.2) R.W. Lewis, S. Maddison and E. J. C. Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp. 2014.1008.

3) Пат. RU 193435 U1 Российская федерация, МПК B61L 25/00. Устройство для мониторинга параметров движения и технического состояния подвижного состава метрополитена [Текст]/ Александровский Ф.М.; Закрытое акционерное общество "АйТи Десижн". - 2019125992; заявл. 17.08.2019; опубл. 29.10.2019.3) Pat. RU 193435 U1 Russian Federation, IPC B61L 25/00. A device for monitoring the parameters of movement and the technical condition of the rolling stock of the subway [Text] / Aleksandrovsky F.M.; Closed Joint Stock Company "IT Design". - 2019125992; dec. 08/17/2019; publ. 10/29/2019.

4) Пат.RU 2600420 С2 Российская Федерация, СПК G01G 19/04 (2020.02); B61D 49/00 (2020.02); В61K 9/00 (2020.02); B61K 9/06 (2020.02). Система мониторинга железнодорожного грузового вагона [Текст]/ Бороненко Ю.П., Даукша А.С; Общество с ограниченной ответственностью "Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий" (ООО "ВНИЦТТ"). - 2019114834; заявл. 14.05.2019; опубл. 11.03.2020 Бюл. №8.4) Pat.RU 2600420 C2 Russian Federation, SPK G01G 19/04 (2020.02); B61D 49/00(2020.02); B61K 9/00 (2020.02); B61K 9/06(2020.02). Railway Freight Car Monitoring System [Text]/ Boronenko Yu.P., Dauksha A.S.; Limited Liability Company "All-Union Research Center for Transport Technologies" (LLC "VNITsTT"). - 2019114834; dec. 05/14/2019; publ. 03/11/2020 Bull. No. 8.

5) Bouaziz M., Yan Y., Kassab M., Soler J., Berbineau M. (2018) Evaluating TCMS Train-to-Ground Communication Performances Based on the LTE Technology and Discreet Event Simulations. In: Moreno Garcia-Loygorri J., Perez-Yuste A., Briso C, Berbineau M., Pirovano A., Mendizabal J. (eds) Communication Technologies for Vehicles. Nets4Cars/Nets4Trains/Nets4Aircraft 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 10796. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90371-2 125) Bouaziz M., Yan Y., Kassab M., Soler J., Berbineau M. (2018) Evaluating TCMS Train-to-Ground Communication Performances Based on the LTE Technology and Discreet Event Simulations. In: Moreno Garcia-Loygorri J., Perez-Yuste A., Briso C, Berbineau M., Pirovano A., Mendizabal J. (eds) Communication Technologies for Vehicles. Nets4Cars/Nets4Trains/Nets4Aircraft 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 10796. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90371-2 12

6) Feng X.J. (2013). Wireless Backhaul Technology in Monitoring System for Subway OTN+WiMax. In Advanced Materials Research (Vols. 846-847, pp.680-683). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.846-847.6806) Feng X.J. (2013). Wireless Backhaul Technology in Monitoring System for Subway OTN+WiMax. In Advanced Materials Research (Vols. 846-847, pp.680-683). Trans Tech Publications Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.846-847.680

7) Jo JH, Jo B, Kim JH, Choi I. Implementation of IoT-Based Air Quality Monitoring System for Investigating Particulate Matter (PM10) in Subway Tunnels. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(15):5429. https://doi.org/10.3390/iierphl71554297) Jo JH, Jo B, Kim JH, Choi I. Implementation of IoT-Based Air Quality Monitoring System for Investigating Particulate Matter (PM10) in Subway Tunnels. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(15):5429. https://doi.org/10.3390/iierphl7155429

8) M. Gao, P. Wang, Y. Wang and L. Yao, "Self-Powered ZigBee Wireless Sensor Nodes for Railway Condition Monitoring," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 19, no. 3, pp.900-909, March 2018, doi: 10.1109/TITS.2017.2709346.8) M. Gao, P. Wang, Y. Wang and L. Yao, "Self-Powered ZigBee Wireless Sensor Nodes for Railway Condition Monitoring," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 19, no. 3, pp.900-909, March 2018, doi: 10.1109/TITS.2017.2709346.

9) Alawad H, Kaewunruen S. Wireless Sensor Networks: Toward Smarter Railway Stations. Infrastructures. 2018; 3(3):24. https://doi.org/10.3390/infrastructures30300249) Alawad H, Kaewunruen S. Wireless Sensor Networks: Toward Smarter Railway Stations. Infrastructures. 2018; 3(3):24. https://doi.org/10.3390/infrastructures3030024

Для организации технического мониторинга поездов и стационарных объектов предлагается трехуровневая структура, состоящая из датчиков контроля технического состояния: а) подвижного состава (температуры букс вагона, давления тормозной магистрали, состояния автосцепки и т.д.), б) линейных сооружений (переездов, мостов, тоннелей, переходов, путепроводов и т.д.), в) станционных устройств (стрелочных переводов, ограждений пути, устройств автоматики и связи и т.д.), построенная на основе локальных сетей поездов и стационарных объектов по технологии Wi-Fi, объединенных с помощью БС и коммутатора ядра в единую систему мониторинга с центром принятия решений (диспетчерским центром управления ДЦУ). Верхний уровень соединяет БС, расположенные вдоль ж/д полотна, с коммутатором и ДЦУ с помощью системы ВОСП. Для повышения уровня защиты от преднамеренных мешающих электромагнитных воздействий предлагается для БС на основе беспроводных оптических модемов использовать инфракрасный диапазон длин волн. Средний уровень состоит из локальных сетей Wi-Fi (IEEE 802.11n) поездов, точки доступа (ТД) которых собирают данные мониторинга от узлов-датчиков сенсорных сетей (IEEE 802.15.4), организованных для технического контроля состояния вагонов, а также приемников спутниковой навигации для контроля целостности подвижного состава. Нижний уровень состоит из стационарных (линейных или станционных) узлов-датчиков сенсорных сетей для контроля объектов инфраструктуры ж/д транспорта, а также видеокамер с модулем Wi-Fi на переездах, которые передают данные контроля на точки доступа сети Wi-Fi поезда. Предусмотрены варианты установки видеокамер с доступом на верхний уровень системы мониторинга через ВОСП и коммутатор ядра в ДЦУ. С помощью локальных сетей поездов Wi-Fi данные мониторинга с нижнего уровня поступают в кабину машиниста и на верхний уровень в ДЦУ через базовые станции, ВОСП и коммутатор (маршрутизатор) ядра. Таким образом, локальные сети Wi-Fi поездов могут выполнять функции связующих звеньев между верхним и нижним уровнями.For the organization of technical monitoring of trains and stationary objects, a three-level structure is proposed, consisting of sensors for monitoring the technical condition of: tunnels, crossings, overpasses, etc.), c) station devices (turnouts, track barriers, automation and communication devices, etc.), built on the basis of local networks of trains and stationary objects using Wi-Fi technology, combined with the help of the BS and the core switch into a single monitoring system with a decision-making center (dispatching control center of the DCC). The upper level connects the BS located along the railway track with the switch and the DCC using the FOTS system. To increase the level of protection against intentional interfering electromagnetic influences, it is proposed to use the infrared wavelength range for BS based on wireless optical modems. The middle layer consists of local Wi-Fi networks (IEEE 802.11n) of trains, access points (APs) of which collect monitoring data from sensor network sensor nodes (IEEE 802.15.4) organized for technical control of the state of cars, as well as satellite navigation receivers to control the integrity of the rolling stock. The lower level consists of stationary (line or station) sensor network sensor nodes for monitoring railway transport infrastructure facilities, as well as video cameras with a Wi-Fi module at crossings that transmit monitoring data to access points of the train's Wi-Fi network. There are options for installing video cameras with access to the upper level of the monitoring system through the FOTS and the core switch in the DCC. With the help of Wi-Fi local networks of trains, monitoring data from the lower level enters the driver's cab and to the upper level in the DCC through base stations, FOTS and the core switch (router). Thus, local Wi-Fi networks of trains can serve as links between the upper and lower levels.

Изобретение относится к области технологий беспроводных технологий, на основе которых предлагается реализовать мониторинг технического состояния устройств на подвижных и стационарных объектах. Заявляемое изобретение может быть использовано для организации двусторонней системы связи между центрами принятия решений (ДЦУ, вагонные депо, центр радиоблокировки) и объектами управления (мониторинга) для реализации проекта «автомашинист». Необходимость создания единой системы мониторинга наиболее важных линейных и станционных сооружений (мостов, тоннелей, переездов, платформ, сортировочных горок и парков и т.д.), а также грузовых и пассажирских поездов обусловлена выбором стратегического направления развития железнодорожного транспорта, а именно развитие высокоскоростных магистралей с использованием беспилотных технологий. Постоянный контроль за техническим состоянием подвижного состава и обстановкой на станциях и перегонах возможен только с помощью беспроводных каналов связи.The invention relates to the field of wireless technologies, on the basis of which it is proposed to implement monitoring of the technical condition of devices on mobile and stationary objects. The claimed invention can be used to organize a two-way communication system between decision-making centers (DCS, car depots, radio blocking center) and control (monitoring) objects for the implementation of the "motor driver" project. The need to create a unified monitoring system for the most important linear and station structures (bridges, tunnels, crossings, platforms, marshalling yards and parks, etc.), as well as freight and passenger trains, is due to the choice of a strategic direction for the development of railway transport, namely the development of high-speed lines using unmanned technology. Permanent monitoring of the technical condition of the rolling stock and the situation at stations and hauls is possible only with the help of wireless communication channels.

Преимущества предлагаемой единой системы мониторинга:Advantages of the proposed unified monitoring system:

1. Достаточно простая реализация контроля за техническим состоянием вагонов с помощью технологий Wi-Fi и быстро развертываемых самоорганизующихся сенсорных сетей.1. A fairly simple implementation of monitoring the technical condition of wagons using Wi-Fi technologies and rapidly deployable self-organizing sensor networks.

2. Использование существующей инфраструктуры магистральных волоконно-оптических каналов ВОСП для соединения стационарных базовых станций (СБС).2. Use of the existing infrastructure of backbone fiber-optic channels of FOTS to connect fixed base stations (SBS).

3. Защищенность от преднамеренных электромагнитных помех каналов связи стационарных и поездных базовых станций, использующих инфракрасный диапазон длин волн.3. Protection against deliberate electromagnetic interference of communication channels of stationary and train base stations using the infrared wavelength range.

4. Отсутствие электромагнитного влияния на другие радиосредства от базовых станций, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн.4. The absence of electromagnetic influence on other radio equipment from base stations operating in the infrared wavelength range.

5. Оперативная доставка информации о техническом состоянии инфраструктуры и поездов диспетчерскому персоналу в ДЦУ, а также машинистам локомотивов для принятия решения в случае возникновения непредвиденных обстоятельств.5. Prompt delivery of information on the technical condition of the infrastructure and trains to the dispatching staff at the DCU, as well as locomotive drivers for decision-making in case of unforeseen circumstances.

6. Возможность осуществить технический контроль за объектами (мостами, тоннелями и т.д.) в труднодоступных местах за счет считывания показаний датчиков с помощью локальных сетей Wi-Fi поездов и передачи этой информации через сеть СБС в центр принятия решений.6. The ability to carry out technical control over objects (bridges, tunnels, etc.) in hard-to-reach places by reading sensor readings using local Wi-Fi networks of trains and transmitting this information via the SBS network to the decision-making center.

К недостаткам заявляемой системы мониторинга можно отнести следующее:The disadvantages of the proposed monitoring system include the following:

1. Дополнительные экономические затраты на сооружение сети СБС, размещение оборудования беспроводных сетей Wi-Fi и узлов-датчиков в грузовых и пассажирских вагонах, настройку беспроводных оптических модемов БС.1. Additional economic costs for the construction of the SBS network, placement of Wi-Fi wireless network equipment and sensor nodes in freight and passenger cars, setting up BS wireless optical modems.

2. Необходимость разработки алгоритма взаимодействия трех уровней мониторинга для принятия оперативных решений с учетом приоритетов в управлении движением поездов.2. The need to develop an algorithm for the interaction of three levels of monitoring to make operational decisions, taking into account the priorities in the management of train traffic.

3. Применение специальных видеокамер с модулем Wi-Fi, способных передавать изображение в кабину машиниста (или бортовой компьютер), дальностью действия не менее 2,5 км для своевременной остановки поезда.3. The use of special video cameras with a Wi-Fi module capable of transmitting an image to the driver's cab (or on-board computer), with a range of at least 2.5 km to stop the train in a timely manner.

Известны следующие аналоги технических решений мониторинга, рассмотренные в литературе [1-9].The following analogues of monitoring technical solutions are known, which are considered in the literature [1-9].

В них предложены локальные схемы мониторинга вагонов, расстановка датчиков, определяющих работоспособность деталей и узлов вагонов [1, 4]; рассмотрены особенности построения сенсорных сетей для мониторинга вагонов [2, 8, 9]: алгоритм взаимодействия датчиков-модемов в пределах вагона или одного подвижного состава на основе сенсорных (ячеистых) сетей [2], анализ возможностей таких сетей [9], представлены беспроводные сенсорные узлы с автономным питанием Zig Bee [8]. В источниках [3, 6, 7] рассматриваются вопросы мониторинга метрополитена: предлагаются алгоритмы контроля за работой машиниста [3], аппаратные решения мониторинга на основе специальных высокоскоростных чипов Insineon SMARTi [6], схемы реализации контроля за чистотой воздуха [7]. В источнике [5] изложены основные принципы имитационного моделирования проверки качества каналов на основе Wi-Fi и LTE для использования их в беспроводных технологиях мониторинга и управления движением поездов.They propose local monitoring schemes for cars, arrangement of sensors that determine the performance of parts and assemblies of cars [1, 4]; the features of building sensor networks for monitoring cars [2, 8, 9] are considered: an algorithm for the interaction of modem sensors within a car or one rolling stock based on sensor (mesh) networks [2], an analysis of the capabilities of such networks [9], wireless sensor self-powered Zig Bee nodes [8]. The sources [3, 6, 7] deal with the issues of monitoring the subway: algorithms for monitoring the work of the driver [3], hardware monitoring solutions based on special high-speed Insineon SMARTi chips [6], schemes for implementing air purity control [7] are proposed. The source [5] outlines the basic principles of simulation modeling for checking the quality of channels based on Wi-Fi and LTE for their use in wireless technologies for monitoring and controlling train traffic.

Основным недостатком материалов, перечисленных выше источников [1-9], является отсутствие сетевых решений для мониторинга поездов и стационарных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.The main drawback of the materials listed above sources [1-9] is the lack of network solutions for monitoring trains and stationary objects of the railway transport infrastructure.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Система мониторинга состояния подвижной единицы железнодорожного состава» [1]. В прототипе представлена комплексная система мониторинга подвижного состава, состоящая из мобильной и стационарной частей, позволяющих отслеживать местоположение, направление и скорость движения, работоспособность деталей и узлов вагонов, измерять вес груза, следить за процессами погрузки-выгрузки с учетом температуры окружающей среды и груза. В качестве характеристик каналов указаны названия технологий организации связи: Wi-Fi и GSM.The closest in technical essence to the claimed invention is the "System for monitoring the state of the rolling unit of the train" [1]. The prototype presents a comprehensive monitoring system for rolling stock, consisting of mobile and stationary parts, allowing you to track the location, direction and speed of movement, the performance of parts and assemblies of cars, measure the weight of the cargo, monitor the processes of loading and unloading, taking into account the temperature of the environment and cargo. As characteristics of the channels, the names of communication technologies are indicated: Wi-Fi and GSM.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Принципиальным отличием заявляемого изобретения от прототипа является отсутствие структуры системы связи, соединяющей центр принятия решений (ДЦУ, вагонное или локомотивное депо) с датчиками контроля за техническим состоянием поездов и объектов инфраструктуры ж/д транспорта. Основное внимание в прототипе уделено функциональным возможностям датчиков технического состояния вагонов. В заявляемом изобретении предложена структура системы технического мониторинга не только поездов, но и стационарных устройств, расположенных вдоль ж/д полотна. Каналы связи с подвижными объектами (поездами) построены по стандартам беспроводных технологий (IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, АОСП), позволяющим передавать в цифровой форме не только показания датчиков, но и широкополосные сигналы от видеокамер. Такая информация с ж/д переездов необходима для реализации беспилотных технологий управления движением поездов. Создание единой системы мониторинга технического состояния поездов и инфраструктуры в пределах дороги является необходимым условием для управления движением поездов и повышения пропускной способности ж/д транспорта.The fundamental difference between the claimed invention and the prototype is the lack of a communication system structure connecting the decision-making center (DCC, wagon or locomotive depot) with sensors for monitoring the technical condition of trains and railway transport infrastructure facilities. The main attention in the prototype is paid to the functionality of the sensors of the technical condition of the cars. The claimed invention proposes the structure of a technical monitoring system not only for trains, but also for stationary devices located along the railway track. Communication channels with moving objects (trains) are built according to wireless technology standards (IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, AOSP), which allow digital transmission of not only sensor readings, but also broadband signals from video cameras. Such information from railway crossings is necessary for the implementation of unmanned train traffic control technologies. The creation of a unified system for monitoring the technical condition of trains and infrastructure within the road is a prerequisite for managing train traffic and increasing the throughput of railway transport.

В заявляемом изобретении предлагается объединить в одну систему мониторинга из диспетчерского центра управления контроль за состоянием мостов, тоннелей, переездов и т.д., объектов станционной инфраструктуры (стрелочные переводы, пешеходные мосты, путепроводы и т.д.) и подвижными составами. Для реализации этой цели расширяются функции и возможности локальных сетей Wi-Fi поездов. Локальные сети Wi-Fi поездов собирают информацию технического мониторинга вагонов подвижного состава и инфраструктуры и передают ее в ДЦУ через сеть СБС. Данные мониторинга также поступают в кабину машиниста (бортовой компьютер) для принятия экстренных мер, например, торможения или остановки, а также формирования управляющих сигналов для корректировки работы датчиков, например, изменение угла поворота видеокамеры на переезде (перегоне). Стационарный датчик с Wi-Fi модулем в зоне действия сети поезда инициализируется и аутентифицируется в точке доступа, передает данные, которые сразу транслируются в ДЦУ через сеть СБС или хранятся в локальной сети Wi-Fi до момента вхождения поезда в зону действия СБС. Периодичность мониторинга объектов ж/д транспорта (мостов, тоннелей, виадуков, эстакад и т.д.) определяется графиком движения поездов, имеющих устройства локальной сети Wi-Fi. Наличие возможности взаимодействия стационарных датчиков, например видеокамер, с локальной сетью Wi-Fi поезда в случае обнаружения опасного объекта на переезде позволит передать видеоизображение машинисту, своевременно затормозить и предотвратить аварию. Таким образом, отличием заявляемой системы мониторинга от прототипа является трехуровневая архитектура системы мониторинга и расширенные функции локальной сети Wi-Fi поезда.In the claimed invention, it is proposed to combine into one monitoring system from the dispatching control center control over the condition of bridges, tunnels, crossings, etc., station infrastructure facilities (turnouts, pedestrian bridges, overpasses, etc.) and rolling stock. To achieve this goal, the functions and capabilities of local Wi-Fi networks of trains are being expanded. Local Wi-Fi networks of trains collect information on technical monitoring of rolling stock cars and infrastructure and transfer it to the DCS via the SBS network. Monitoring data is also sent to the driver's cab (on-board computer) to take emergency measures, such as braking or stopping, as well as generating control signals to correct the operation of sensors, for example, changing the angle of rotation of the video camera at the crossing (span). A stationary sensor with a Wi-Fi module in the coverage area of the train network is initialized and authenticated at the access point, transmits data that is immediately broadcast to the DCS via the SBS network or stored in the local Wi-Fi network until the train enters the SBS coverage area. The frequency of monitoring of railway transport facilities (bridges, tunnels, viaducts, flyovers, etc.) is determined by the schedule of trains with Wi-Fi local network devices. The possibility of interaction of stationary sensors, such as video cameras, with the local Wi-Fi network of the train in case of detection of a dangerous object at the crossing will allow transmitting a video image to the driver, slow down in time and prevent an accident. Thus, the difference between the claimed monitoring system and the prototype is the three-level architecture of the monitoring system and the extended functions of the local Wi-Fi network of the train.

Сущность изобретения заключается в следующем. Мониторинг подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта решает две основные задачи: контроль технического состояния поезда, линейных и станционных объектов и формирование данных для беспилотного управления поездов.The essence of the invention is as follows. Monitoring of the rolling stock and infrastructure of railway transport solves two main tasks: monitoring the technical condition of the train, linear and station facilities and generating data for unmanned control of trains.

Для этого в заявляемом изобретении предлагается система технического мониторинга подвижного состава (температуры букс вагонов, состояния автосцепки и осевых подшипников, давления в тормозной магистрали, координат последнего вагона поезда и т.д), а также линейных и станционных устройств (стрелочных переводов, пешеходных мостов, путепроводов, тоннелей, переездов и т.д.) на основе стационарных и поездных локальных сетей, построенных по технологиям IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, связанных с коммутатором ядра с помощью беспроводных оптических базовых станций (АОСП) и ВОСП.To do this, the claimed invention proposes a system for technical monitoring of rolling stock (the temperature of the axle boxes of cars, the state of the automatic coupler and axial bearings, the pressure in the brake line, the coordinates of the last car of the train, etc.), as well as linear and station devices (turnouts, pedestrian bridges, overpasses, tunnels, crossings, etc.) based on fixed and train local networks built using IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4 technologies, connected to the core switch using wireless optical base stations (AOFS) and FOTS.

Модемы беспроводных оптических каналов связи (БОКС) в качестве БС предлагается устанавливать на поездах и вдоль железнодорожного полотна [10]. Расстояние от места установки стационарной базовой станции СБС (опора контактной сети) до зоны действия подвижной базовой станции ПБС (крыша поезда) не превысит 30 м, что позволит гарантировать необходимый оптический баланс и высокую скорость передачи информации (свыше 600 Мб/с) [11].Modems of wireless optical communication channels (BOKS) as BS are proposed to be installed on trains and along the railway track [10]. The distance from the installation site of the fixed base station SBS (support of the contact network) to the coverage area of the mobile base station PBS (train roof) will not exceed 30 m, which will ensure the necessary optical balance and high data transfer rate (over 600 Mb/s) [11] .

Техническая реализация изобретения возможна за счет применения современных беспроводных технологий передачи данных IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, БОКС, позволяющих создать локальные сети мониторинга поездов и стационарных объектов, а также максимального использования существующей инфраструктуры: проложенных вдоль железнодорожного полотна волоконно-оптических линий связи ВОЛС и опор контактной сети, вышек поездной радиосвязи, базовых станций и аппаратуры сетей Wi-Fi пассажирских поездов.The technical implementation of the invention is possible through the use of modern wireless data transmission technologies IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, BOKS, which allow creating local networks for monitoring trains and stationary objects, as well as maximizing the use of the existing infrastructure: fiber-optic communication lines laid along the railway track FOCL and contact network supports, train radio communication towers, base stations and Wi-Fi network equipment for passenger trains.

Технический результат заявляемого изобретения достигается в результате использования научных исследований в области интервального регулирования движения поездов с помощью центра радиоблокировки (РБЦ). Сформулированные требования к результатам измерений межпоездного интервала и целостности поезда позволили разработать единую систему технического контроля. Предлагаемая система мониторинга на основе беспроводных технологий позволяет организовать обмен информацией между поездом, РБЦ и ДЦУ, а также между сдвоенными поездами. Для осуществления функций определения целостности подвижного состава и расчета межпоездного расстояния в локальную сеть Wi-Fi поездов включены приемники GPS-навигации, которые с помощью спутниковой навигации определяют координаты первого и последнего вагонов поезда. Целостность поезда и межпоездное расстояние вычисляется бортовыми устройствами поездов на основании координат, полученных от приемников GPS. Координаты поезда передаются по каналу «борт-борт» вслед идущему поезду. Эта же информацию передается в центр радиоблокировки РБЦ, в котором рассчитывается рекомендуемый скоростной режим для поездов. Обмен данными между поездом и РБЦ осуществляется по каналу «станция-борт». Каналы «борт-борт» и «станция-борт» предлагается реализовать с помощью заявляемой системы мониторинга на основе беспроводных технологий. Для передачи данных приемника GPS последнего вагона и вычисления бортовым компьютером целостности подвижного состава путем сравнения координат «головы и хвоста» поезда используется локальная сеть Wi-Fi.The technical result of the claimed invention is achieved as a result of the use of scientific research in the field of interval regulation of train traffic using a radio blocking center (RBC). The formulated requirements for the results of measurements of the inter-train interval and the integrity of the train made it possible to develop a unified system of technical control. The proposed monitoring system based on wireless technologies makes it possible to organize the exchange of information between the train, RBC and DCU, as well as between dual trains. To perform the functions of determining the integrity of the rolling stock and calculating the distance between trains, GPS navigation receivers are included in the local Wi-Fi network of trains, which, using satellite navigation, determine the coordinates of the first and last cars of the train. The train integrity and inter-train distance are calculated by the on-board devices of the trains based on the coordinates received from the GPS receivers. The train coordinates are transmitted over the board-to-board channel following the oncoming train. The same information is transmitted to the radio blocking center of the RBC, which calculates the recommended speed for trains. Data exchange between the train and the RBC is carried out via the station-board channel. Channels "board-board" and "station-board" are proposed to be implemented using the proposed monitoring system based on wireless technologies. A local Wi-Fi network is used to transmit data from the GPS receiver of the last car and calculate the integrity of the rolling stock by comparing the coordinates of the "head and tail" of the train by the on-board computer.

В случае расцепки вагонов информация передается в РБЦ для формирования команды торможения сдвоенным поездам и в устройство автоблокировки АБТЦ-МШ для переключения сигналов и трансляции их в кабину машиниста.In case of uncoupling of cars, the information is transmitted to the RBC to generate a braking command for dual trains and to the ABTC-MSh automatic blocking device to switch signals and transmit them to the driver's cab.

Возможность реализовать функции каналов «борт-борт» и «станция-борт» с помощью стационарных и локальных сетей поездов делает заявляемую систему универсальной, повышающей функциональную надежность существующих сетей связи оперативно-технологического назначения, в том числе поездной радиосвязи.The ability to implement the functions of the "board-to-board" and "station-to-board" channels using fixed and local networks of trains makes the proposed system universal, increasing the functional reliability of existing communication networks for operational and technological purposes, including train radio communications.

Для подтверждения возможности сбора данных мониторинга стационарных объектов с помощью локальной сети поезда необходимы следующие расчеты. Время нахождения датчика в зоне действия точки доступа сети Wi-Fi поезда (более 30 с) определяется как результат деления протяженности зоны (500 м) на скорость движения поезда в районе объекта мониторинга (моста или тоннеля) 60 км/ч (16,5 м/с). За это время радиомодем датчика осуществляет частотную и временную синхронизацию с сетью Wi-Fi поезда с помощью мультикадра управления, длительностью 235 мс, регистрацию в сети поезда за время 235×3=705 мс и получения канала управления для идентификации (235×2=470 мс). Затем происходит операция аутентификации, на которую уходит 6 мультикадров управления (235×6=1410 мс) [12, 13].To confirm the possibility of collecting monitoring data of stationary objects using the local network of the train, the following calculations are required. The time spent by the sensor in the coverage area of the train Wi-Fi access point (more than 30 s) is determined as the result of dividing the area length (500 m) by the speed of the train in the area of the monitoring object (bridge or tunnel) 60 km/h (16.5 m /With). During this time, the sensor's radio modem performs frequency and time synchronization with the train's Wi-Fi network using a control multiframe lasting 235 ms, registration in the train network for a time of 235×3=705 ms and obtaining a control channel for identification (235×2=470 ms ). Then the authentication operation takes place, which takes 6 control multiframes (235×6=1410 ms) [12, 13].

Таким образом, общее время установления соединения между стационарным датчиком и сетью поезда с учетом распространения радиосигнала не превысит 3 с. Отсюда, на передачу данных мониторинга отводится 27 с (вполне достаточно для передачи видеоизображения от видеокамеры с модулем Wi-Fi).Thus, the total connection establishment time between the stationary sensor and the train network, taking into account the propagation of the radio signal, will not exceed 3 s. Hence, 27 seconds are allotted for the transmission of monitoring data (quite enough to transmit a video image from a video camera with a Wi-Fi module).

Приведенные выше цифры свидетельствуют о технической реализуемости системы мониторинга технического состояния инфраструктуры ж.д. транспорта с помощью беспроводных технологий.The above figures indicate the technical feasibility of the system for monitoring the technical condition of the railway infrastructure. transport using wireless technologies.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение прототипа из перечня выявленных аналогов, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the prior art carried out by the applicant made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention, and the definition of a prototype from the list of identified analogues as the analogue closest in terms of the totality of characteristics made it possible to identify a set of essential distinguishing features set forth in the formula inventions.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «новизны» по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under the current legislation.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует из известного уровня техники, поскольку не выявлена система технического мониторинга, включающая контроль подвижного состава и инфраструктуры на основе беспроводных технологий.To verify the compliance of the claimed invention with the requirement of inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions, the results of which show that the claimed invention does not follow from the prior art, since a technical monitoring system was not identified, including control of rolling stock and infrastructure based on wireless technologies.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «Изобретательский уровень» по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "Inventive step" under the current legislation.

Система работает следующим образом:The system works like this:

Для реализации постоянного контроля за техническим состоянием подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта предлагается система мониторинга (Фиг. 1). Трехуровневая структура системы (Фиг. 1, 2) состоит из верхнего уровня 12 с центром принятия решений 17, коммутатора ядра 13, объединяющего стационарные базовые станции СБС 3 с помощью мультиплексоров 1 и маршрутизаторов 2 ВОСП; среднего уровня с локальными Wi-Fi и сенсорными 14 сетями поездов 10; нижнего уровня со стационарными сенсорными сетями (11) и отдельными датчиками 9, 15, которые могут выполнять функции точек доступа для мониторинга станционных устройств. Локальная сеть Wi-Fi поезда 10 состоит из поездной базовой станции ПБС 4 (Фиг. 1); контроллера/маршрутизатора 5; точек доступа 6, к которым подключаются самоорганизующиеся сенсорные сети 14 с узлами-датчиками 7 технического контроля вагона, а также приемниками GPS навигации 16, установленными в «голове» и «хвосте» поезда для определения целостности подвижного состава.To implement continuous monitoring of the technical condition of the rolling stock and infrastructure of railway transport, a monitoring system is proposed (Fig. 1). The three-level structure of the system (Fig. 1, 2) consists of the upper level 12 with the decision center 17, the core switch 13, which combines fixed base stations SBS 3 using multiplexers 1 and routers 2 FOTS; mid-range with local Wi-Fi and 14 sensor networks of 10 trains; lower level with stationary sensor networks (11) and individual sensors 9, 15, which can act as access points for monitoring station devices. The local Wi-Fi network of the train 10 consists of the train base station PBS 4 (Fig. 1); controller/router 5; access points 6, to which self-organizing sensor networks 14 are connected with sensor nodes 7 for technical control of the car, as well as GPS navigation receivers 16 installed in the "head" and "tail" of the train to determine the integrity of the rolling stock.

Стационарные сенсорные сети 11, состоящие из узлов-датчиков 8, предусмотренных для технического мониторинга объектов инфраструктуры ж/д транспорта (например, опор моста или верхнего строения пути), периодически передают данные через сеть поезда 10, СБС 3, ВОСП (1,2) и коммутатор 13 в центр принятия решений 17.Stationary sensor networks 11, consisting of sensor nodes 8, provided for the technical monitoring of infrastructure objects of railway transport (for example, bridge supports or the superstructure of the track), periodically transmit data through the train network 10, SBS 3, FOTS (1,2) and switch 13 to decision center 17.

Двусторонние каналы связи позволяют управлять объектами (изменять режимы работы датчиков). Процесс установления связи между датчиком 9 (например, видеокамерой с модулем Wi-Fi) или 8 сети 11 с локальной сетью поезда 10 включает следующие этапы:Two-way communication channels allow you to control objects (change the operating modes of sensors). The process of establishing a connection between the sensor 9 (for example, a video camera with a Wi-Fi module) or 8 of the network 11 with the local network of the train 10 includes the following steps:

1) нахождение приемного устройства датчика 9 (главного узла-датчика 8 сенсорной сети 11) в режиме дежурного приема (Фиг. 1);1) finding the receiving device of the sensor 9 (the main node-sensor 8 of the sensor network 11) in the standby reception mode (Fig. 1);

2) активизация приемо-передатчика 9 (главного узла 8 сети 11) при попадании в зону действия локальной сети Wi-Fi поезда 10 (передатчик точки доступа 6 транслирует сигнал-вызов) и переход приемника 9 (8) в основной режим;2) activation of the transceiver 9 (the main node 8 of the network 11) when it enters the coverage area of the local Wi-Fi network of the train 10 (the transmitter of the access point 6 broadcasts a signal-call) and the transition of the receiver 9 (8) into the main mode;

3) посылка сигнала от передатчика 9 (8) в приемник точки доступа 6 для установления связи с локальной сетью Wi-Fi 10;3) sending a signal from the transmitter 9 (8) to the access point receiver 6 to establish communication with the local Wi-Fi network 10;

4) передача данных мониторинга от датчика 9 (8) в локальную сеть 10, в которой информация мониторинга может быть сохранена до момента передачи ее в центр принятия решений 17;4) transmission of monitoring data from the sensor 9 (8) to the local network 10, in which monitoring information can be stored until it is transmitted to the decision center 17;

Предусматривается также передача координат последнего вагона поезда от приемника спутниковой навигации 16 через точку доступа 6 на бортовой компьютер для определения целостности подвижного состава, а также в центр принятия решений 17 и далее в локальную сеть Wi-Fi позади идущего поезда.It is also envisaged to transmit the coordinates of the last car of the train from the satellite navigation receiver 16 through the access point 6 to the on-board computer to determine the integrity of the rolling stock, as well as to the decision center 17 and further to the Wi-Fi local network behind the moving train.

На территории ж/д станции через коммутатор 13 могут быть организованы каналы связи с вагонным депо, центром радиоблокировки (РБЦ) и другими техническими службами с помощью беспроводных модемов атмосферной оптической системы передачи БОКС, установленных на крышах помещений, что актуально в случае, когда прокладка кабеля через станционные сооружения и пути затруднительна или невозможна.On the territory of the railway station, through the switch 13, communication channels with the car depot, the radio blocking center (RBC) and other technical services can be organized using wireless modems of the atmospheric optical transmission system BOKS installed on the roofs of the premises, which is important in the case when cable laying through station facilities and tracks is difficult or impossible.

Мониторинг технического состояния вагонов предлагается реализовать с помощью сенсорных сетей 14 (11) с архитектурой multi-hop (Фиг. 3). Сенсорная сеть состоит из «датчиков-маячков» 7 (8) с автономным питанием по технологии Zig Bee [8], работающих по принципу ретрансляторов. Порядок работы сенсорной сети представлен на Фиг. 4. Данные мониторинга передаются в режиме ретрансляции от одного узла-датчика (маячка) 7 (8) к другому узлу до момента передачи в центральный (главный) узел сети и далее в точку доступа 6 и центр 17. Расстояние между узлами-датчиками выбрано таким образом, что чем ближе главный узел, тем меньше расстояние между соседними узлами. Это условие позволит направить процесс переприема к центральному узлу сенсорной сети, который примыкает к точке доступа локальной сети Wi-Fi поезда. Работоспособность сенсорной сети мониторинга вагона можно подтвердить, подсчитав среднее число датчиков-узлов М[r], ожидающих передачи данных мониторинга. Сенсорную сеть можно представить в виде одноканальной (одночастотной сети, работающей в симплексном режиме) системы массового обслуживания (СМО) с неограниченной очередью с простейшим потоком заявок на входе системы и произвольным законом распределения выходного потока. На основании формулы Полячика-Хинчина [14] математическое ожидание числа заявок в очереди М[r] для наихудшего случая, когда все датчики-узлы построены в линейку и ретранслируют по принципу «домино», вычисляется следующим образом:It is proposed to implement monitoring of the technical condition of wagons using sensor networks 14 (11) with multi-hop architecture (Fig. 3). The sensor network consists of "sensor-beacons" 7 (8) with self-powered Zig Bee technology [8], operating on the principle of repeaters. The operation of the sensor network is shown in Fig. 4. Monitoring data is transmitted in the relay mode from one sensor node (beacon) 7 (8) to another node until it is transmitted to the central (main) node of the network and then to the access point 6 and center 17. The distance between the sensor nodes is chosen as so that the closer the main node, the smaller the distance between neighboring nodes. This condition will direct the hopping process to the central node of the sensor network, which is adjacent to the access point of the local Wi-Fi network of the train. The operability of the wagon monitoring sensor network can be confirmed by calculating the average number of sensor nodes M[r] waiting to transmit monitoring data. The sensor network can be represented as a single-channel (single-frequency network operating in simplex mode) queuing system (QS) with an unlimited queue with the simplest flow of requests at the input of the system and an arbitrary law of distribution of the output flow. Based on the Polyachik-Khinchin formula [14], the mathematical expectation of the number of applications in the queue M[r] for the worst case, when all sensor nodes are lined up and retransmit according to the domino principle, is calculated as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
;Where
Figure 00000002
;

Figure 00000003
- интенсивность входного потока;
Figure 00000003
- the intensity of the input stream;

Δt - среднее время между поступлениями заявок на обслуживание (занятие частоты) от датчиков;Δt is the average time between receipts of requests for service (occupation of frequency) from sensors;

Figure 00000004
- интенсивность выходного потока обслуженных заявок (датчиков);
Figure 00000004
- intensity of the output stream of serviced requests (sensors);

М[Т] - mT - среднее время обслуживания заявки (от момента поступления в СМО до окончания процесса ретрансляции узлами 7 сети 14 в точке доступа 6 локальной сети Wi-Fi поезда 10);M[T] - m T - average service time of the application (from the moment of receipt in the QS until the end of the relaying process by the nodes 7 of the network 14 at the access point 6 of the local Wi-Fi network of the train 10);

Figure 00000005
Figure 00000005

- коэффициент вариации (отношение среднеквадратичного отклонения σT к среднему значению длительности занятия частоты mT, зависящей от количества переприемов узлами 7);- coefficient of variation (the ratio of the root-mean-square deviation σ T to the average value of the frequency occupation duration m T , depending on the number of hops by nodes 7);

Figure 00000006
Figure 00000006

Т1 - среднее время одного переприема узлом (датчиком) сенсорной сети;T 1 - the average time of one re-acceptance by the node (sensor) of the sensor network;

N - количество узлов переприема в сенсорной сети;N is the number of hop nodes in the sensor network;

Figure 00000007
Figure 00000007

- дисперсия времени обслуживания заявки;- variance of the request service time;

Figure 00000008
Figure 00000008

- среднее значение квадрата времени обслуживания заявки.- the average value of the square of the time of service of the application.

После подстановки в формулу (3) выражений (4) и (5) получим:

Figure 00000009
для
Figure 00000010
что выполняется для сенсорных сетей.After substituting expressions (4) and (5) into formula (3), we obtain:
Figure 00000009
For
Figure 00000010
which is true for sensor networks.

Отсюда, на основании (2) имеем:

Figure 00000011
Hence, on the basis of (2) we have:
Figure 00000011

Для N=20 коэффициент вариации равен νT=4,48 Значение νT (2) соответствует гиперэкспоненциальному распределению выходного потока обслуженных заявок от узлов-датчиков.For N=20, the coefficient of variation is equal to ν T =4.48 The value of ν T (2) corresponds to the hyperexponential distribution of the output stream of serviced requests from sensor nodes.

Время одного переприема равно Т1=5с. Эта цифра соответствует числу шагов, равному 7 (Фиг. 4), необходимых сделать для осуществления переприема. Продолжительность каждого шага равна длительности трем мультикадров (705 мс).The time of one reception is equal to T 1 =5s. This figure corresponds to the number of steps, equal to 7 (Fig. 4), necessary to make for the implementation of the retransmission. The duration of each step is equal to the duration of three multiframes (705 ms).

После подстановки значений μ=0,02(1/с), λ=2,8⋅10-4(1/c) что соответствует одному вызову в час),

Figure 00000012
согласно формуле (1) рассчитаем величину средней длины очереди М[r] ≈0,003.After substituting the values μ=0.02(1/s), λ=2.8⋅10 -4 (1/s) which corresponds to one call per hour),
Figure 00000012
according to formula (1), we calculate the value of the average queue length М[r] ≈0.003.

Полученный результат означает, что очередь на обслуживание практически отсутствует. В случае возникновения очереди данные мониторинга, переданные соседнему узлу, хранятся в буфере узла и после освобождения канала (частоты) передаются по сети.The result obtained means that there is practically no queue for service. In the event of a queue, the monitoring data transmitted to the neighboring node is stored in the node's buffer and, after the channel (frequency) is released, is transmitted over the network.

Время передачи данных от «хвостового» вагона в «головной», где находится центральный (главный) узел 7, соединенный с точкой доступа 6 локальной сети Wi-Fi поезда 10, для N=20 переприемов составляет 1,67 мин. Это время не является критичным для данных мониторинга технического состояния вагонов, предназначенных для профилактического деповского ремонта (осмотра). Однако это время критично для передачи информации от приемника GPS, определяющего координаты последнего вагона. Поэтому приемник спутниковой навигации 16 подключен к точке доступа 6 отдельно (с помощью витой пары или выделенной частоты).The time of data transfer from the “tail” car to the “head” car, where the central (main) node 7 is located, connected to the access point 6 of the local Wi-Fi network of the train 10, for N=20 hops is 1.67 min. This time is not critical for the monitoring data of the technical condition of cars intended for preventive depot repairs (inspection). However, this time is critical for the transmission of information from the GPS receiver, which determines the coordinates of the last car. Therefore, the satellite navigation receiver 16 is connected to the access point 6 separately (using twisted pair or dedicated frequency).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что современный уровень техники позволяет реализовать мониторинг вагонов с помощью сенсорных сетей.The results obtained indicate that the current state of the art allows for the monitoring of railcars using sensor networks.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На Фиг. 1 приведена блок-схема системы мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта на основе беспроводных технологий.On FIG. 1 shows a block diagram of a monitoring system for rolling stock and infrastructure of railway transport based on wireless technologies.

На Фиг. 2 изображена трехуровневая структура мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта.On FIG. 2 shows a three-level structure for monitoring the rolling stock and infrastructure of railway transport.

На Фиг. 3 представлена схема размещения узлов-датчиков сенсорной сети технического мониторинга вагона.On FIG. 3 shows the layout of the sensor nodes of the sensor network for the technical monitoring of the car.

На Фиг. 4 показан алгоритм процесса ретрансляции данных в сенсорной сети вагона.On FIG. 4 shows the algorithm of the process of data retransmission in the sensor network of the car.

На Фиг. 1 изображена система мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта на основе беспроводных технологий, состоящая из:On FIG. 1 shows a system for monitoring rolling stock and infrastructure of railway transport based on wireless technologies, consisting of:

1- мультиплексор волоконно-оптической системы передачи (MUX ВОСП);1- fiber optic transmission system multiplexer (MUX FOTS);

2 - маршрутизатор;2 - router;

3 - стационарная базовая станция СБС;3 - stationary base station SBS;

4 - поездная базовая станция ПБС;4 - train base station PBS;

5 - контроллер (коммутатор/маршрутизатор);5 - controller (switch / router);

6 - точка доступа локальной сети Wi-Fi поезда;6 - access point of the local Wi-Fi network of the train;

7 - узел-датчик сенсорной сети поезда;7 - node-sensor of the sensor network of the train;

8 - узел-датчик стационарной сенсорной сети;8 - node-sensor of a stationary sensor network;

9 - стационарная точка доступа или видеокамера с модулем Wi-Fi;9 - fixed access point or video camera with Wi-Fi module;

10 - локальная сеть Wi-Fi поезда;10 - local Wi-Fi network of the train;

11 - стационарная сенсорная сеть;11 - stationary sensor network;

12 - сеть стационарных базовых станций СБС;12 - network of fixed base stations SBS;

13 - коммутатор ядра системы мониторинга;13 - switch of the core of the monitoring system;

14 - сенсорная сеть вагона;14 - sensor network of the car;

15 - точка доступа или видеокамера с выходом на маршрутизатор ВОСП;15 - access point or video camera with access to the VOSP router;

16 - приемник GPS;16 - GPS receiver;

17 - центр принятия решений;17 - decision-making center;

18 - сеть стационарных датчиков мониторинга инфраструктуры ж/д транспорта.18 - a network of stationary sensors for monitoring the infrastructure of railway transport.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На Фиг. 2 представлена трехуровневая схема мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта, состоящая из верхнего уровня 12 (базовых станций 3, объединенных коммутатором ядра 13 с центром принятия решений 17); среднего уровня 10 (локальных сетей Wi-Fi поездов с ПБС 4, контроллером 5, точками доступа 6, узлами-датчиками 7 сети 14, приемниками GPS 16) и нижнего уровня стационарных сетей Wi-Fi 18 (точками доступа 9, узлами-датчиками 8 сенсорных сетей 11).On FIG. 2 shows a three-level scheme for monitoring the rolling stock and infrastructure of railway transport, consisting of the upper level 12 (base stations 3, united by a core switch 13 with a decision center 17); middle level 10 (local Wi-Fi networks of trains with PBS 4, controller 5, access points 6, sensor nodes 7 networks 14, GPS receivers 16) and the lower level of stationary Wi-Fi networks 18 (access points 9, sensor nodes 8 sensor networks 11).

На Фиг. 3 показана схема размещения узлов-датчиков 7 сенсорной сети 14 технического мониторинга вагона.On FIG. 3 shows the layout of the sensor nodes 7 of the sensor network 14 of technical monitoring of the car.

На Фиг. 4 представлен алгоритм процесса ретрансляции данных узлами-датчиками 7 в сенсорной сети вагона 14, который включает для каждого узла следующие операции: переход из исходного состояния в режим передачи данных мониторинга, посылка вызывного сигнала и выбор наилучшего узла ретрансляции по наибольшему уровню ответного сигнала, передачи данных и возвращение в состояние «дежурного приема». Промежуточные узлы 7, задействованные в передаче информации, после приема вызывного сигнала, ответа на вызов, приема и ретрансляции данных мониторинга переходят в режим «дежурного приема». Узлы-датчики сенсорной сети, не участвовавшие в ретрансляции данных мониторинга, после активизации (перехода из режима дежурного приема в основной и посылки ответного сигнала) опять возвращаются в исходное состояние.On FIG. 4 shows an algorithm for the process of relaying data by sensor nodes 7 in the sensor network of car 14, which includes the following operations for each node: transition from the initial state to the monitoring data transmission mode, sending a ringing signal and selecting the best relay node according to the highest level of response signal, data transmission and returning to the standby state. Intermediate nodes 7 involved in the transmission of information, after receiving the ringing signal, answering the call, receiving and retransmitting the monitoring data, go into the "standby reception" mode. The sensor nodes of the sensor network that did not participate in the retransmission of monitoring data, after activation (transition from the standby reception mode to the main one and sending a response signal), return to their original state again.

ЛитератураLiterature

1) Пат. RU 104904 U1 Российская Федерация, МПК B61K 9/00 (2006.01) B61L 25/02 (2006.01). Система мониторинга состояния подвижной единицы железнодорожного состава [Текст] / Бороненко Ю.П., Цыганская Л.В.; Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны"(АО "НВЦ "Вагоны"). - 2017145947; заявл. 26.12.2017; опубл. 06.03.2019 Бюл. №7.1) Pat. RU 104904 U1 Russian Federation, IPC B61K 9/00 (2006.01) B61L 25/02 (2006.01). The system for monitoring the state of a rolling unit of a railway train [Text] / Boronenko Yu.P., Tsyganskaya L.V.; Joint-Stock Company "Scientific and Innovation Center "Vagony" (JSC "NEC "Vagony"). - 2017145947; dec. 12/26/2017; publ. 03/06/2019 Bull. No. 7.

2) R. W. Lewis, S. Maddison and E. J. C. Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp.2014.1008.2) R. W. Lewis, S. Maddison and E. J. C. Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp.2014.1008.

3) Пат.RU 193435 U1 Российская федерация, МПК B61L 25/00. Устройство для мониторинга параметров движения и технического состояния подвижного состава метрополитена [Текст]/ Александровский Ф.М.; Закрытое акционерное общество "АйТи Десижн". - 2019125992; заявл. 17.08.2019; опубл. 29.10.2019.3) Pat.RU 193435 U1 Russian Federation, IPC B61L 25/00. A device for monitoring the parameters of movement and the technical condition of the rolling stock of the subway [Text] / Aleksandrovsky F.M.; Closed Joint Stock Company "IT Design". - 2019125992; dec. 08/17/2019; publ. 10/29/2019.

4) Пат.RU 2600420 С2 Российская Федерация, СПК G01G 19/04 (2020.02); B61D 49/00 (2020.02); B61K 9/00 (2020.02); B61K 9/06 (2020.02). Система мониторинга железнодорожного грузового вагона [Текст]/ Бороненко Ю.П., Даукша А.С.; Общество с ограниченной ответственностью "Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий" (ООО "ВНИЦТТ"). - 2019114834; заявл. 14.05.2019; опубл. 11.03.2020 Бюл. №8.4) Pat.RU 2600420 C2 Russian Federation, SPK G01G 19/04 (2020.02); B61D 49/00(2020.02); B61K 9/00(2020.02); B61K 9/06(2020.02). Railway Freight Car Monitoring System [Text]/ Boronenko Yu.P., Dauksha A.S.; Limited Liability Company "All-Union Research Center for Transport Technologies" (LLC "VNITsTT"). - 2019114834; dec. 05/14/2019; publ. 03/11/2020 Bull. No. 8.

5) Bouaziz М., Yan Y., Kassab М., Soler J., Berbineau M. (2018) Evaluating TCMS Train-to-Ground Communication Performances Based on the LTE Technology and Discreet Event Simulations. In: Moreno Garcia-Loygorri J., Perez-Yuste A., Briso C, Berbineau M., Pirovano A., Mendizabal J. (eds) Communication Technologies for Vehicles. Nets4Cars/Nets4Trains/Nets4Aircraft 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 10796. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90371-2 125) Bouaziz M., Yan Y., Kassab M., Soler J., Berbineau M. (2018) Evaluating TCMS Train-to-Ground Communication Performances Based on the LTE Technology and Discreet Event Simulations. In: Moreno Garcia-Loygorri J., Perez-Yuste A., Briso C, Berbineau M., Pirovano A., Mendizabal J. (eds) Communication Technologies for Vehicles. Nets4Cars/Nets4Trains/Nets4Aircraft 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 10796. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90371-2 12

6) Feng X.J. (2013). Wireless Backhaul Technology in Monitoring System for Subway OTN+WiMax. In Advanced Materials Research (Vols. 846-847, pp. 680-683). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.846-847.6806) Feng X.J. (2013). Wireless Backhaul Technology in Monitoring System for Subway OTN+WiMax. In Advanced Materials Research (Vols. 846-847, pp. 680-683). Trans Tech Publications Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.846-847.680

7) Jo JH, Jo B, Kim JH, Choi I. Implementation of IoT-Based Air Quality Monitoring System for Investigating Particulate Matter (PM10) in Subway Tunnels. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(15):5429. https://doi.Org/l0.3390/iierphl71554297) Jo JH, Jo B, Kim JH, Choi I. Implementation of IoT-Based Air Quality Monitoring System for Investigating Particulate Matter (PM10) in Subway Tunnels. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(15):5429. https://doi.org/l0.3390/iierphl7155429

8) M. Gao, P. Wang, Y. Wang and L. Yao, "Self-Powered ZigBee Wireless Sensor Nodes for Railway Condition Monitoring," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 19, no. 3, pp.900-909, March 2018, doi: 10.1109/TITS.2017.2709346.8) M. Gao, P. Wang, Y. Wang and L. Yao, "Self-Powered ZigBee Wireless Sensor Nodes for Railway Condition Monitoring," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 19, no. 3, pp.900-909, March 2018, doi: 10.1109/TITS.2017.2709346.

9) Alawad H, Kaewunruen S. Wireless Sensor Networks: Toward Smarter Railway Stations. Infrastructures. 2018; 3(3):24. https://doi.org/10.33 90/infrastructures3 0300249) Alawad H, Kaewunruen S. Wireless Sensor Networks: Toward Smarter Railway Stations. Infrastructures. 2018; 3(3):24. https://doi.org/10.3390/infrastructures3 030024

10) Пат. RU 2750237 C1 Российская Федерация, МПК H04B 10/00 (2013.01). Система двусторонней беспроводной оптической связи [Текст]/ Журавлева Л.М., Лошкарев В.Л., Ивашевский М.Р, Левшунов В.В., Нилов М.А.; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ) (RU). - 2020130839; заявл. 18.09.2020; опубл. 24.06.2021.10) Pat. RU 2750237 C1 Russian Federation, IPC H04B 10/00 (2013.01). Two-way wireless optical communication system [Text] / Zhuravleva L.M., Loshkarev V.L., Ivashevsky M.R., Levshunov V.V., Nilov M.A.; Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Russian University of Transport" (FGAOU VO RUT (MIIT), RUT (MIIT) (RU). - 2020130839; application 09/18/2020; publ. 06/24/2021.

11) Пителин Н., Горячев А. Технология беспроводной оптической связи и ее применение в вооруженных силах / Н. Пителин, А. Горячев // Системы и Средства Связи. - 2021. - №1 (66). С.36-41.11) Pitelin N., Goryachev A. Technology of wireless optical communication and its application in the armed forces / N. Pitelin, A. Goryachev // Systems and Communications. - 2021. - No. 1 (66). pp.36-41.

12) Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи [Текст] / Ю.А. Громаков. - М.: Эко-трендз, 2000. - 239 с.12) Gromakov Yu.A. Standards and systems of mobile radio communication [Text] / Yu.A. Gromakov. - M.: Eco-trends, 2000. - 239 p.

13) Технологии современных беспроводных сетей Wi-Fi: учебное пособие / [Е.В. Смирнова, А.В. Пролетарский и др.]; под общ. ред. А.В. Пролетарского. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 446 с.13) Technologies of modern Wi-Fi wireless networks: textbook / [E.V. Smirnova, A.V. Proletarsky and others]; under total ed. A.V. Proletarian. - Moscow: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2017. - 446 p.

14) Вентцель Е.С, Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей / Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. - М.: Радио и связь, 1983. - 414 с.14) Wentzel E.S., Ovcharov L.A. Applied problems of probability theory / Venttsel E.S., Ovcharov L.A. - M.: Radio and communication, 1983. - 414 p.

Claims (4)

1. Система мониторинга подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного транспорта на основе беспроводных технологий, состоящая из мобильной и стационарной частей, позволяющих отслеживать местоположение, направление и скорость движения, работоспособность деталей и узлов вагонов, отличающаяся тем, что стационарные датчики имеют модули Wi-Fi для соединения с точками доступа сети Wi-Fi поезда, состоящей из контроллера, управляющего точками доступа, к которым подключены узлы-датчики сенсорных сетей для сбора данных технического состояния вагонов, приемники GPS-навигации, поездная базовая станция на основе беспроводного оптического модема инфракрасного диапазона, связывающая локальную сеть поезда Wi-Fi со стационарными базовыми станциями, работающими в инфракрасном диапазоне, установленными вдоль железнодорожного полотна, имеющими выход на маршрутизаторы и мультиплексоры дорожной сети волоконно-оптической системы передачи информации для соединения с центром коммутации системы мониторинга.1. A system for monitoring rolling stock and infrastructure of railway transport based on wireless technologies, consisting of mobile and stationary parts that allow you to track the location, direction and speed of movement, the performance of parts and assemblies of cars, characterized in that stationary sensors have Wi-Fi modules for connection with access points of the Wi-Fi network of the train, consisting of a controller that manages access points, to which sensor nodes of sensor networks are connected to collect data on the technical condition of cars, GPS navigation receivers, a train base station based on a wireless infrared optical modem, connecting the local a Wi-Fi train network with stationary base stations operating in the infrared range, installed along the railway track, with access to routers and multiplexers of the road network of the fiber-optic information transmission system for connection to the switching center of the monitoring system. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что предложена структура сети передачи данных мониторинга на базе технологий Wi-Fi дециметрового диапазона для связи точек доступа локальной сети Wi-Fi поезда со стационарными датчиками мониторинга линейных и станционных объектов ж/д транспорта.2. The system according to claim 1, characterized in that the structure of the monitoring data transmission network based on decimeter Wi-Fi technologies is proposed for connecting access points of the local Wi-Fi network of the train with stationary sensors for monitoring linear and station objects of railway transport. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что для связи поездных и стационарных базовых станций предложена технология беспроводных оптических каналов связи в инфракрасном диапазоне, позволяющая защитить передаваемую информации от преднамеренных электромагнитных помех.3. The system according to claim 1, characterized in that for the connection of train and stationary base stations, the technology of wireless optical communication channels in the infrared range is proposed, which makes it possible to protect the transmitted information from intentional electromagnetic interference. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что для сбора данных о техническом состоянии вагонов предложена самоорганизующаяся сенсорная сеть датчиков-узлов, позволяющая организовать эффективную сеть мониторинга внутри подвижного состава, данные которого с помощью локальной сети Wi-Fi поезда передаются в центр принятия решений и вагонное депо.4. The system according to claim 1, characterized in that for collecting data on the technical condition of the cars, a self-organizing sensor network of sensor nodes is proposed, which allows organizing an effective monitoring network inside the rolling stock, the data of which is transmitted to the acceptance center using the local Wi-Fi network of the train solutions and wagon depot.
RU2022111876A 2022-04-29 Monitoring system for rolling stock and railway transport infrastructure based on wireless technologies RU2794600C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794600C1 true RU2794600C1 (en) 2023-04-24

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU104904U8 (en) * 2011-02-01 2012-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Мостовое бюро" DIAGNOSTIC AND REMOTE RAILWAY MONITORING SYSTEM
RU2681472C1 (en) * 2017-12-26 2019-03-06 Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны" (АО "НВЦ "Вагоны") Railway train mobile unit condition monitoring system
RU2750237C1 (en) * 2020-09-18 2021-06-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ) Two-way wireless optical communication system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU104904U8 (en) * 2011-02-01 2012-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Мостовое бюро" DIAGNOSTIC AND REMOTE RAILWAY MONITORING SYSTEM
RU2681472C1 (en) * 2017-12-26 2019-03-06 Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны" (АО "НВЦ "Вагоны") Railway train mobile unit condition monitoring system
RU2750237C1 (en) * 2020-09-18 2021-06-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ) Two-way wireless optical communication system

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ИВАШЕВСКИЙ МИХАИЛ РОМАНОВИЧ. "СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ." Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва (2020). R. W. Lewis, S. Maddison and E. J. C. Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp.2014.1008. *
Лавренов, Сергей Сергеевич. "Исследование и усовершенствование системы автоматической идентификации подвижного состава". Украинский государственный университет науки и технологий, Днепр, 2021. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2686262C1 (en) System and method of train formation and control
Shafiullah et al. Survey of wireless communications applications in the railway industry
US12005943B2 (en) System and apparatus for determining the position of railbound vehicles on a railway system
JP2007516121A (en) Apparatus and method for detecting and controlling the position of an orbital vehicle in a super-frequency wide area
US20160046306A1 (en) On-board device, signaling system and control method of moving vehicle
US9849897B2 (en) Signaling system and control method of moving vehicle
MX2011012781A (en) Short headway communications based train control system.
JP5023685B2 (en) Signal security system
RU2556133C1 (en) System of train separation at spans built around radio channel
US20200017133A1 (en) Network connection of vehicles
KR101606646B1 (en) Tram priority signal control system working in association with road traffic system
WO2015160283A1 (en) Method for controlling train traffic on a section of track with centralized traffic control
CN114194259A (en) Control system for flexible marshalling
CN103249088A (en) LTE (long term evolution)-WLAN (wireless local area network) compound networking method for vehicle-ground wireless communication system
ES2918579T3 (en) Exchange of information on a train
Masson et al. Broadband wireless communications for railway applications
ES2918150T3 (en) Method for car-to-car communication, method for checking the integrity of a train and train car
RU2794600C1 (en) Monitoring system for rolling stock and railway transport infrastructure based on wireless technologies
RU2511760C1 (en) Method of determining the track section non-occupancy at spans
KR101289725B1 (en) Wireless communication system on mono-rail, control method thereof, and wireless communication system data processing method on mono-rail
RU2678915C1 (en) System for exchange of data of locomotive systems with control and management control centers
JP2004122900A (en) Operation management system
Palumbo Railway Signaling since the Birth to ERTMS
Masson et al. Railway applications requiring broadband wireless communications
Alberdi et al. Technologies Evaluation for Freight Train’s