ITFI980063A1 - Dispositivo di radiocomunicazione per convogli ferrotramviari - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo di radiocomunicazione per convogli ferrotramviari. E' noto ai tecnici del ramo che le comunicazioni a bordo dei convogli ferroviari si svolgono prevalentemente via cavo, per mezzo di un sistema di connessioni che obbliga all'impiego di treni specializzati, a composizione o configurazione rigidamente fissa, come per esempio i treni metropolitani e gli "Eurostar" . Nel caso dei convogli a composizione o configurazione variabile, come i treni passeggeri espressi o locali ed i treni merci, non è previsto alcun mezzo o sistema di collegamento per lo scambio di comunicazioni, ovvero segnali elettrici veicolanti informazioni di natura e tipo prestabiliti, tra gli elementi dei convogli e atte, ad esempio, al controllo gestionale delle vetture trainate, ovvero al controllo dei dati di identificazione delle singole vetture, di diagnostica e di automazione dei sottosistemi,di bordo, tra i quali ad esempio, e non solo, quello frenante.

Si osserva, inoltre, che l'adozione di un sistema di questo tipo, che prevede la veicolazione dei segnali attraverso cavi dedicati, comporta la standardizzazione di materiali come cavi e connettori, per assicurare la perfetta continuità della linea trasmissiva in fase di composizione dei convogli, in particolare se trattasi di convogli destinati a viaggiare su tratte internazionali, con variazione della composizione, ovvero del numero e del tipo di vagoni e/o locomotori, lungo le tratte da percorrere. La standardizzazione del materiale trasmissivo comporta, peraltro, inconvenienti di natura economica, per il fatto di essere obbligati a provvedere tutti i vagoni e locomotori dello stesso tipo di materiale trasmissivo.

Per ovviare agli inconvenienti tipici delle trasmissioni via cavo, sono stati sperimentati collegamenti radio basati sull'impiego di radiotelefoni standard o di sistemi direttivi a microonde.

Nel primo caso, il collegamento tra il locomotore ed i carri o vagoni del convoglio comporta l'uso di ricetrasmet titori di notevole potenza, le cui antenne sono normalmente posizionate sul tetto. Questo sistema si basa essenzialmente sul cosiddetto principio della forza bruta, il quale prevede l'impiego di forti potenze per contrastare gli effetti di fading (drastica attenuazione dei segnali trasmessi) correlati al fenomeno del multipath (per cui le onde elettromagnetiche viaggiano su percorsi multipli per effetto delle riflessioni dovute agli ostacoli). Esso risulta unicamente adatto alle cosiddette trasmissioni "testa-coda" e "testa-intermedia-coda", cioè tra i locomotori di testa e di coda ed eventualmente intermedi e consente di trasmettere e ricevere correttamente i segnali radio solo in spazi aperti. Infatti, nelle gallerie e nelle tratte delimitate da pareti più alte del convoglio le trasmissioni sono inefficaci ed affette da lunghi periodi di silenzio radio, ovvero interruzioni del collegamento (fading).

Per ovviare a questi inconvenienti è stata proposta una soluzione che prevede l'impiego di una molteplicità di ricetrasmet titori a microonde associati ad antenne direttive poste su entrambi i lati di ciascun vagone per evitare interruzioni di collegamento nelle tratte in curva. I detti ricetrasmettitori costituiscono dei terminali ripetitori, allo stesso modo dei ponti radio terrestri, per consentire il passaggio sequenziale dei segnali da un vagone all'altro. A ciascun segnale è associato un codice che rappresenta l'indirizzo del vagone destinatario. Questo noto sistema di ricetrasmissione di segnali per convogli ferroviari comporta però lo stesso sforzo di standardizzazione richiesto dai sistemi cablati, in quanto tutti i vagoni devono essere attrezzati allo stesso modo. Inoltre, l'impiego delle microonde comporta una maggiore attenuazione dei segnali in trasmissione, in presenza di ostacoli come cumuli di neve ai lati dei binari.

Lo scopo principale della presente invenzione è di proporre un dispositivo di radiocomunicazione per convogli ferroviari ad elevata affidabilità operativa, applicabile al materiale rotabile esistente senza richiedere grossi sforzi di standardizzazione e senza necessità di equipaggiare ogni vagone o carro di una unità ricetrasmittente. A questo risultato si è pervenuti, in conformità dell'invenzione, adottando l'idea di realizzare un dispositivo avente le caratteristiche descritte nella parte caratterizzante della rivendicazione 1. Altre caratteristiche dell'invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

I vantaggi che derivano dalla presente invenzione consistono essenzialmente in ciò che è possibile assicurare la perfetta continuità dei collegamenti radio in qualsiasi condizione di marcia, per qualsiasi composizione e lunghezza del convoglio, anche in condizioni ambientali particolarmente avverse e nelle gallerie e negli spazi angusti; che il collegamento è assicurato anche quando non tutti i vagoni o carri del convoglio sono equipaggiati del dispositivo in conformità dell'invenzione; che è possibile stabilire un collegamento anche con una o più postazioni fisse disposte lungo la tratta percorsa dal convoglio, anche se il convoglio è in corsa,· che un dispositivo in conformità dell'invenzione è di fabbricazione relativamente semplice, affidabile, leggero e facilmente installabile sul materiale rotabile esistente, senza modificarne in alcun modo la struttura.

Questi ed ulteriori vantaggi e caratteristiche del presente trovato saranno più e meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e con l'aiuto degli annessi disegni, dati quale esemplificazione pratica del trovato, ma da non considerarsi in senso limitativo, nei quali:

- la Fig.l rappresenta una schematica vista in elevazione da tergo di un vagone ferroviario provvisto di un dispositivo in conformità dell'invenzione,·

- la Fig.2 rappresenta uno schema in sezione longitudinale raffigurante l'andamento delle linee di campo nello spazio sottostante ai vagoni di un convoglio ferroviario;

la Fig.3 rappresenta uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo in conformità dell'invenzione secondo una possibile forma di attuazione;

- la Fig.4 rappresenta uno schema semplificato dei collegamenti tra le antenne delle unità trasmittente e, rispettivamente, ricevente del dispositivo di cui alla Fig.3;

- la Fig.5 è un diagramma che rappresenta la suddivisione in bande a quattro canali dello spettro disponibile.

Ridotto alla sua struttura essenziale e con riferimento alle figure degli annessi disegni, un dispositivo per la ricetrasmissione di segnali radio per convogli ferroviari in conformità dell'invenzione comprende almeno una unità trasmittente (T) montata su di un corrispondente locomotore o carro o vagone ed almeno una unità ricevente (R) montata su di un corrispondente locomotore o carro o vagone, alle dette unità (T, R) essendo associata almeno una corrispondente antenna (l, 2) per consentirne il collegamento radio. Le dette antenne (1, 2) sono a sviluppo longitudinale, montate verticalmente in corrispondenza del pianale inferiore metallico o sottocassa (30) delle rispettive vetture (3) ed orientate verso il piano (4) dei binari, in maniera che le onde trasmesse dall'almeno una antenna (1) della detta almeno una unità di trasmissione (T) si propaghino in una guida d'onda delimata superiormente dai pianali sottocasse (30) delle vetture (3) che compongono il convoglio, inferiormente dal piano (4) dei binari e lateralmente dai carrelli e dalle ruote metalliche (31) delle stesse vetture (3). In pratica, il condotto delimitato in cooperazione dal piano dei binari e dalle vetture del convoglio è utilizzato come una guida d'onda per i segnali scambiati tra le dette unità trasmittenti e riceventi installate a bordo del convoglio, le antenne di dette unità essendo costantemente posizionate all'interno di questa guida. Come più e meglio descritto nel seguito, attraverso un'opportuna scelta di fattori come frequenza e polarizzazione dei segnali, modalità di trasmissione e ricezione, configurazione e posizionamento delle antenne ed elaborazione dei segnali ricevuti, è possibile ottenere di volta in volta la configurazione di sistema ottimale in relazione alla composizione del convoglio, senza che ciò costituisca una limitazione operativa. Grazie all'impiego della guida d'onda sopra definita, la lunghezza d'onda dei segnali scambiati tra le dette unità di trasmissione e di ricezione può essere compresa tra circa un decimo ed alcune volte l'altezza del pianale (30) delle vetture (3) dal piano (4) dei binari. In pratica, poiché il diametro delle ruote (31) delle vetture (3) è dell'ordine del metro, si ritiene che la lunghezza d'onda ottimale possa assumere un valore compreso tra cinquanta e cento centimetri. Tuttavia, date le caratteristiche geometriche del canale propagativo costituito da questa guida d'onda, è possibile ricorrere a lunghezze d'onda comprese tra cinque centimetri e dieci metri. La notevole ampiezza dell'intervallo di frequenze utilizzabili consente di evitare quelle già destinate ad altre applicazioni e/o servizi di telecomunicazione. Per quanto attiene alla polarizzazione dei segnali, si osserva che la guida d'onda impiegata sostiene di preferenza quella verticale, particolarmente nel caso in cui l'altezza del canale propagativo è inferiore a mezza lunghezza d'onda. Tuttavia, nell'utilizzo di lunghezze d'onda inferiori, è possibile ricorrere anche alla polarizzazione circolare.

Per ciò che concerne la modalità di trasmissione e ricezione dei segnali, per assicurare una maggiore affidabilità ed un minor costo dei collegamenti, è possibile fare ricorso alle trasmissioni a spettro allargato, ovvero del tipo cosiddetto "wide band", le quali consentono di migliorare la qualità del segnale ricevuto e presentano una marcata caratteristica di immunità alle interferenze e di compatibilità con apparati ricetrasmittenti vicini. Ad esempio, in conformità dell'invenzione, la banda disponibile si può suddividere in due o più sottobande a ciascuna delle quali corrisponde un complesso rice-trasmittente, come illustrato nel diagramma di Fig.5, nel quale è rappresentato il caso della rice-trasmissione dei segnali su quattro canali (Ci, C2, C3, C4).

Le antenne (l, 2) utilizzabili per un dispositivo in conformità dell'invenzione, sia per la parte trasmittente che per quella ricevente, possono essere, nella forma realizzativa più semplice, stili in quarto d'onda, monopoli. Si possono comunque impiegare antenne piatte su circuiti stampati o "stripline antenna". Per ogni unità trasmittente (T) e per ogni unità ricevente (R), è vantaggiosamente previsto di utilizzare, secondo l'esempio di cui alle figure degli annessi disegni, quattro antenne (1; 2) uguali, disposte allineate ed equidistanti secondo un asse (r-r; r'-r') trasversale rispetto alla direzione di sviluppo delle vetture (3) che le supportano, in maniera da costituire delle cortine (CT; CR) interne alla predetta guida d'onda ed ortogonali alla direzione di avanzamento del convoglio. Le antenne (1, 2) di ciascuna unità trasmittente (T) e ricevente (R) possono essere spaziate tra loro di almeno una mezza lunghezza d'onda. Nell'esempio delle Figg. 3 e 4, le antenne (1) dell'unità trasmittente (T) sono alimentate in parallelo ed in fase, per ottenere l'effetto di una singola antenna con massima direttività verso l'unità ricevente (R). I segnali da trasmettere sono inviati ad un modem (5) e da questo a quattro radiotrasmettitori (6) asserviti ad un duplexer (7) il quale, a sua volta, è collegato ad un sommatore di potenza (8) cui fanno capo le antenne (1). Le antenne (2) dell'unità ricevente (R) alimentano ciascuna un corrispondente ricevitore (60) attraverso un diplexer (80). L'uscita dei ricevitori (60) è collegata ad un sommatore logico (70) asservito ad un corrispondente modem (50) alla cui uscita corrispondono i segnali trasmessi attraverso il modem (5) dell'unità trasmittente (T).

Ciascuna cortina di antenne (CT, CR) è facilmente riconfigurabile a mezzo di commutatori elettronici per funzionare sia da mezzo trasmittente che ricevente.

In conformità dell'invenzione, è vantaggiosamente prevista una opportuna elaborazione dei segnali scambiati tra le dette unità (T, R) per ovviare ad eventuali fenomeni di fading. Più particolarmente, è previsto di ricorrere ad una codificazione ridondante dei messaggi, con ripetizione degli stessi in intervalli di tempo prestabiliti, ed all'inpiego di tecniche di correlazione, per cui i messaggi prioritari sono già noti al terminale ricevente e pertanto estraibili e ricostruibili dal medesimo anche in presenza di disturbi.

Date le dimensioni tipiche di una guida d'onda delimitata da un convoglio ferroviario in cooperazione con il piano dei binari, la frequenza di lavoro può essere convenientemente compresa tra i 30 e i 3000 MHz e più vantaggiosamente tra 100 e 1000 MHz. Per evitare l'impiego di frequenze già assegnate ad altre applicazioni e, dunque, nel rispetto della normativa vigente, sono state condotte prove sperimentali con segnali a 433.92 MHz. Con questo valore di frequenza è possibile irradiare potenze fino a 10 mW ERP (Equivalent Radiated Power) senza licenze. Poiché la normativa consente la fabbricazione illimitata senza restrizioni degli apparati LPD (Low Power Device), il fatto di poter utilizzare un apparato irradiante segnali a bassa potenza risulta particolarmente vantaggioso per poter attrezzare liberamente, cioè senza restrizioni normative, un buon numero di vetture. Il presente dispositivo permette di soddisfare egregiamente questo requisito anche se applicato a convogli, come i treni merci, di lunghezza complessiva superiore al chilometro, grazie alla bassa attenuazione dei segnali nel canale propagativo prescelto il quale determina un'attenuazione dei segnali alla stessa stregua dello spazio libero. Nei sistemi di ricetrasmissione radio convenzionali l'attenuazione dei segnali è molto più marcata, data la presenza di ostacoli multipli come le gallerie.

Le antenne (l, 2) utilizzabili per questa applicazione possono essere stiliformi, di lunghezza pari a circa diciotto centimetri, ovvero di dimensioni trascurabili rispetto a quelle delle vetture cui sono ancorate. L'ancoraggio delle antenne (1, 2) al pianale o sottocassa delle vetture è realizzabile come per le comuni antenne veicolari e la loro alimentazione è assicurabile a mezzo di comuni cavi coassiali. Date le basse perdite dei cavi e le frequenze di lavoro prescelte, le unità (T, R) di trasmissione e ricezione del dispositivo sono alloggiabili all'interno delle rispettive vetture (3), beneficiando di condizioni ambientali più favorevoli.

Come anticipato, in ricezione le antenne (2) sono associate a corrispondenti ricevitori (60), i ricevitori (60) essendo in numero pari a quello dei trasmettitori (6) dell'unità trasmittente (T). I segnali in uscita dalla cortina ricevente (CR) sono inviati ad un elaboratore in grado di discriminare il miglior segnale e ricostruire il messaggio originario, trasmesso dall'unità (T), derivandolo anche dai segnali parallelamente trasmessi sugli altri canali. Per esempio, supponendo di operare su una banda di 1.74 Mhz, si può suddividere questa banda in quattro canali (Cl, C2, C3, C4) di ampiezza (A) pari a 400 KHz, lasciando un canale di guardia di circa 40 KHz per ogni coppia di canali operativi adiacenti. In queste condizioni, è possibile trasmettere segnali con velocità fino a 100 Kbit/sec, per cui un messaggio digitale di 100 bit può essere trasmesso in un millesimo di secondo. L'esempio fornito è indicativo delle disponibilità offerte dal presente dispositivo, tenendo conto che per le applicazioni ferroviarie non è richiesta una tale larghezza di banda. Se, infatti, la banda di segnalazione si riduce di un decimo, in un millesimo di secondo è possibile trasmettere lo stesso segnale per ben dieci volte, con una ridondanza tale da assicurare la corretta ricezione del medesimo. D'altra parte, con la velocità di invio dei segnali sopra indicata, ricorrendo alla tecnica di trasmissione "spread spectrum" , per cui si ottiene un guadagno in potenza direttamente proporzionale al rapporto tra la banda di segnale e quella del canale a radio frequenza disponibile, disponendo di quattro canali di 400 KHz ed una banda di segnale di 10 KHz, il guadagno equivalente risulta pari a 40, il che corrisponde al risultato ottenuto impiegando un trasmettitore da 400 mw anziché 10 mw ERP. L'uso contemporaneo di più canali assicura una notevole affidabilità operativa del sistema di ricetrasmissione . Sebbene il numero dei canali utilizzabili non sia un fattore limitativo per il corretto funzionamento del dispositivo in conformità dell'invenzione, si ritiene che il numero di canali ottimale sia conpreso tra due e quattro.

Il presente dispositivo è particolarmente destinato ad applicazioni di tipo ferrotramviario, laddove si ha necessità di collegare via radio un numero comunque cospicuo di vetture appartenenti al medesimo convoglio. Dato che il campo elettromagnetico (schematicamente rappresentato con una pluralità di frecce verticali orientate verso l'alto in Fig.2) non è completamente confinato all'interno della guida d'onda sopra definita ma risulta in parte disperso all'esterno, per il fatto che le pareti laterali della guida d'onda delimitate dai carrelli e dalle ruote delle vetture sono discontinue, i segnali risultano ricevibili anche da stazioni fisse poste in punti prestabiliti della linea ferroviaria. E, viceversa, una o più stazioni fisse possono inviare segnali per interrogazioni e richieste di dati ad una o più delle unità riceventi (R) del presente dispositivo. Grazie all'ampia banda disponibile, ovvero alla possibilità di scambiare i dati in forma digitale a grande velocità, il collegamento tra il convoglio e le stazioni fisse sulla linea è realizzabile in tutta sicurezza anche se la velocità di marcia del convoglio è molto elevata. Per esempio, supponendo che un passaggio a livello sia sorvegliato da una telecamera, i segnali corrispondenti all'immagine ripresa dalla medesima possono essere inviati, via cavo o via radio, ad una postazione collocata ad una prestabilita distanza a monte del passaggio a livello per trasmetterli al convoglio in occasione del passaggio di questo in corrispondenza della detta postazione. In tal modo, la detta immagine è resa disponibile al macchinista a grande distanza dal luogo monitorato. Sempre a titolo di esempio, la possibilità di stabilire un collegamento con una postazione fissa consente di trasmettere, dal convoglio, dati relativi all'identificazione e composizione del convoglio. Inoltre, la banda di trasmissione disponibile è ampiamente sufficiente per trasmettere anche messaggi vocali in forma digitale, il che permette di ovviare ad eventuali fenomeni di fading e distorsioni del canale propagativo.

In pratica i particolari di esecuzione possono comunque variare in maniera equivalente nella forma, dimensioni, disposizione degli elementi, natura dei materiali impiegati, senza peraltro uscire dall'ambito dell'idea di soluzione adottata e perciò restando nei limiti della tutela accordata dal presente brevetto per invenzione industriale.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo di radiocomunicazione per convogli ferrotramviari comprendente almeno una unità di trasmissione {T) ed almeno una unità di ricezione (R) montate su corrispondenti vetture (3) di un convoglio comprendente una pluralità di vetture (3), a ciascuna di dette unità di trasmissione (T) e di ricezione (R) essendo associata almeno una corrispondente antenna (l; 2) atte alla trasmissione e rispettivamente ricezione dei segnali radio scambiati tra le dette unità (T, R) nello spazio propagativo dei detti segnali, caratterizzato dal fatto che lo spazio propagativo dei detti segnali è costituito da una guida d'onda delimitata superiormente dal pianale o sottocassa (30) delle vetture (3) che formano il convoglio, inferiormente dal piano (4) dei binari e, lateralmente, dai carrelli e dalle ruote (31) delle vetture (3).
2. 2) Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le antenne (1, 2) delle dette unità trasmittente (T) e ricevente (R) sono supportate dal pianale o sottocassa (30) delle rispettive vetture (3).
3. 3) Dispositivo secondo la rivendicazione l caratterizzato dal fatto che a ciascuna unità di trasmissione (T) ed a ciascuna unità di ricezione (R) è associata una corrispondente pluralità di antenne (l; 2) equidistanti, allineate trasversalmente al piano di sviluppo longitudinale delle rispettive vetture (3).
4. 4) Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la lunghezza d'onda dei segnali scambiati tra detta almeno una unità di trasmissione (T) e detta almeno una unità di ricezione (R) è compresa tra un decimo ed alcune volte la distanza tra il pianale o sottocassa (30) delle vetture (3) dal piano (4) dei binari.
5. 5) Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 e 4 caratterizzato dal fatto che la lunghezza d'onda dei detti segnali è compresa tra cinquanta e cento centimetri.
6. 6) Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la trasmissione dei detti segnali è ad ampia banda, su più canali.
7. 7) Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i detti segnali sono segnali digitali.
8. 8) Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che le dette antenne (1, 2) sono riconfigurabili a mezzo di commutatori elettronici per essere adatte sia alla trasmissione che alla ricezione dei detti segnali.