CN101738569B - 用于铁路车辆监测设施的检测异常的设备、相关的设施及方法 - Google Patents
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Abstract
一种检测沿着通信电缆(10)的异常的设备(12)，该通信电缆连接铁路车辆监测设施的地面设备的信标(5)和编码器(3)，包括：阻抗测量装置(14，16，34，32)，当由该编码器产生的通信电信号向该信标传输时，所述阻抗测量装置能够测量该电缆(10)在预定频率(F6)的阻抗的相位和模；和电缆状态确定装置，能够将测得的相位和模与电缆阻抗的相位参考值和模参考值进行比较，以便确定电缆的处于正常工作状态、短路状态和断路状态中的一个状态。
Description
技术领域
本发明涉及用于铁路车辆如列车或地铁的监测设施的地面设备的检测异常的设备的领域。
背景技术
欧洲铁路界的各位参与者已经制定了ERTMS/ETCS标准(在其规范036和085中)，ERTMS/ETCS是用于列车控制系统发展的“欧洲轨道交通管理/欧洲列车控制系统”的英文首字母缩写。ERTMS/ETCS用于监测列车沿其整个运行线路上的驾驶。为此，列车接收信号设备的信息和/或该车所行驶的路段的拓扑信息，以便优化在每一瞬间的速度。通过监测司机的动作并在某些情况下取代司机来自动调整该列车的速度。
为了实现这些目标，该ERTMS/ETCS标准规定了车载设备和地面设备。
车载设备包括天线，该天线能接收由地面设备发射的被承载的短无线电信号，还包括连接至该天线的计算及控制单元，能处理收到的该无线电信号，并以合适的方式致动该列车的不同机构，特别是它的制动系统。
地面设备包括编码器或LEU，LEU是Line Side Electronic Unit即“线路侧电子单元”的英文单词首字母缩写，能从一远距离的车站对其进行控制，且还包括设置在该道路上的至少一个信标，例如，垂直于信号装置或在某一路段开始处，并通过一通信线缆连接到该LEU的一输出端。一个特定的LEU可通过4根通信电缆连接到4个信标。
一个特定的LEU被根据道路段的拓扑参数编程，该道路段上应当设置与其相关联的信标。这些拓扑参数包括，例如，路段的坡度、弯道的存在、最大安全速度等。该LEU能产生一个包括这些拓扑参数的电报，并根据标准ERTMS/ETCS限定的一协议将其传输至相应的信标。被连接到该LEU的信标发射包括接收到的电报的无线电信号。
该LEU和一信标之间的通信电缆可达5000m。这样的电缆被设置在道路附近，常被埋入沿该道路延伸的封闭管道中。不正确的安装、重大的热变化、列车通过时的震动、例如当一些工人在道路上工作时的事故、犯罪以及两段电缆之间的不正确的连接等等会改变该通信电缆的正确工作。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种设备，它能够检测沿连接LEU和信标的通信电缆的异常，并且特别是断路或短路类的异常。
本发明提供一种检测沿着通信电缆的异常的设备，该通信电缆连接铁路车辆监测设施的地面设备的信标和编码器，所述设备包括阻抗测量装置，当向该信标传输由该编码器产生的通信电信号时，该阻抗测量装置能够测量该电缆在预定频率的阻抗的相位和模；和电缆状态确定装置，能够将测得的相位和模与电缆阻抗的相位参考值和模参考值进行比较，以便确定电缆的处于正常工作状态、短路状态和断路状态中的一个状态。
根据本发明的特定实施例，所述设备包括下述一个或多个特征，所述特征可以单独出现，也可以为技术上所有可能的组合：
-所述阻抗测量装置能够测量该电缆阻抗的相位瞬时值和模瞬时值，所述电缆状态确定装置能够确定该电缆的瞬时状态，以便实时检测异常的突然发生。
-所述阻抗测量装置包括电缆的一个位置处的电流强度测量装置和电压测量装置；和滤波装置，该滤波装置能够滤除预定频率的、分别由电压测量装置和电流强度测量装置提供的电压测量信号和电流强度测量信号，以便产生被滤波的电压测量信号和被滤波的电流强度测量信号。
-所述电压测量装置包括高阻抗隔离变压器，其原边串联连接到该电缆的输入端；且所述电流强度测量装置包括低阻抗电流变换器，其原边串联连接到该电缆的输入端。
-该预定频率对应于根据ERTMS/ETCS标准在该编码器和该信标之间通信的电信号的信号“C6”的频率。
-该电缆阻抗的所述相位参考值和模参考值在该电缆阻抗的复平面中限定多个区域以便定义定标图，且特征在于所述电缆状态确定装置能够在所述图的一特定区域中确定测得的相位和模的位置，并向该电缆的状态指派与所述特定区域相关的状态。
-当所述电缆状态确定装置确定该电缆处于短路状态或断路状态时，所述电缆状态确定装置能够计算该相关异常沿着该电缆的位置。
-该定标图包括与该电缆的短路状态或断路状态相关联的曲线，在该曲线上的一个位置指明相关异常沿着该电缆的位置，当异常被检测时，电缆状态确定装置适于在该曲线上定位测得的相位和模并计算出所述异常沿着该电缆的位置
-所述设备包括断电装置，该断电装置响应于确定所述电缆处于短路状态或断路状态，使连接有该通信电缆的该编码器的输出端短路。
-所述设备包括该电缆状态的显示装置。
-所述设备包括存储装置，该存储装置能够存储与该电缆的相继状态相关的数据，和一输入/输出接口，该接口使得与一用户终端通信以传送数据。
本发明提拱一种铁路车辆监测设施的地面设备，包括编码器和设置于道路上的信标，以及连接该编码器和该信标的通信电缆。所述设备包括一如上文所述的检测异常的设备。
优选地，所述异常检测设备设置于该编码器和该通信电缆之间的接口处。
本发明还提供一种用于检测沿着通信电缆的断路或短路类型的异常的方法，所述通信电缆连接铁路车辆监测设施的地面设备的信标和编码器，该方法利用如上文所述的检测异常的设备。该方法包括下述步骤：当向该信标传送由该编码器产生的通信电信号时，测量在预定的频率该电缆的阻抗的相位和模；和将测得的相位和模与该电缆的阻抗的相位参考值和模参考值进行比较，以确定该电缆处于正常工作状态、短路状态和断路状态中的一个状态。
优选地，在已确定该电缆处于断路状态或短路状态之后，所述方法包括计算该异常沿着该电缆的位置的步骤。
附图说明
通过结合附图阅读作为一个实施例给出的描述，本发明及其优点将得到进一步理解：
-附图1是根据本发明的检测设备的以框图形式给出的一示意图；
-附图2为附图1所示设备的可在电缆输入端测量施加的电压的装置的电连接框图；
-附图3为附图1所示设备的可在电缆输入端测量施加的电流强度的装置的电连接框图；
-附图4为在通信电缆的阻抗复平面内限定不同区域的制图，每个区域对应于电缆的一个状态；和
-附图5为附图1所示设备的响应于检测到异常从该LEU断开电缆的装置的电连接框图。
具体实施方式
根据该ERTMS/ETCS标准的用于监测道路运行车辆的设施的地面设备1，包括编码器或LEU 3，设置于该道路的两轨道之间的至少一个信标5，以及连接该LEU 3和该信标5的通信电缆10。在附图1中，正如常用的情形，同一个LEU 3通过4个通信电缆10-13连接于4个信标5-8。
电缆10允许从LEU3向信标5下行通信。
该ERTMS/ETCS标准同时限定了在物理层的一通信协议和数据交换层的一通信协议。该物理层的通信协议尤其限定在所述ERTMS/ETCS标准的规范036和085中。
可以发现铁路车辆的某些监测设施采用该ERTMS/ETCS标准限定的该物理层的通信协议，但没有因此采用根据同一标准的数据交换协议。其采用了另一个数据交换协议。特别是在地铁监测设施的情形中，用于这些设施的协议还没有固定在标准中。因而，本领域的技术人员可以理解之后描述的涉及用于列车监测的该ERTMS/ETCS标准的物理层级协议同样可以用于类似设施中。
根据该ERTMS/ETCS标准，在下行通信中，LEU 3产生下述电信号：
-一个所谓C1的信号，相应于持续地传输数据电报。该信号C1的频率F1为654kbits/s且以曼彻斯特差动双相方式发送。
-一个所谓C6的信号，为信标5供给电力。该信号C6是幅值为22V且频率F6为8.82kHz的一正弦信号。
该地面设备1还包括一检测设备12，该检测设备能实时检测沿该通信电缆10的一异常的出现及其位置。当该检测设备12被连接到信标5上时，该检测设备12测量该电缆10的阻抗，然后根据测量的阻抗检测一异常。这样的异常为断路型或短路型的。
在如附图1所示的具体实施方式中，该设备12呈一电子卡形式。所述检测设备12被设置作为一侧为LEU 3和另一侧为通信电缆10及信标5之间的接口。该设备12的输入连接到该LEU 3的输出，并且该电缆10的输入连接到该设备12的输出。为了使该设备12能够与不同生产商制造的LEU 3共同工作，设备12的输入再连接例如该ERTMS/ETCS标准限定的通信电缆连接器，且该设备12的输出再连接例如该ERTMS/ETCS标准规定的LEU 3输出连接器。
该设备12包括阻抗测量装置和根据所述阻抗测量装置实现的阻抗测量结果确定电缆状态的装置。
该设备12能测量该电缆10的阻抗，不是通过在电缆的输入施加的非脉冲电信号反射，而是根据在该设备1正常运行状态下由LEU 3在电缆10的输入端施加的通信电信号进行的。因而，阻抗测量对于在LEU 3和信标5之间的通信完全是透明的，该测量对LEU 3和信标5之间的链路的特性几乎没有任何影响。
当相应于信号C1和C6的叠加的一电信号流经该电缆10时，阻抗测量装置能测量电缆10的瞬时阻抗。为此，阻抗测量装置在每一瞬间在频率F6测量该电缆10的阻抗的幅值和相位。
更精确地，所述阻抗测量装置包括电压测量装置14和电流强度测量装置16。为了测量电缆10中流动的电流的电压(图2)，采用了带高阻抗的隔离变压器20。只要选择设置在隔离变压器20的次边的负载电阻22以使其很高，该电压测量就不影响LEU3沿电缆10发射的信号。隔离变压器20原边与次边之比为1∶1。有利地，通过在该隔离变压器的次边设置一电容器24，测量该装置16输出电压的信号经受一第一滤波。所述电压测量装置14输出的电压测量信号具有5Vppmax的数量级。
为了测量流经电缆10的电流强度(图3)，采用了低输入阻抗的电流变换器30。该电流变换器30的原边由电缆10构成。该电流变换器30的原边和次边比例为1∶10，其具有65mΩ的等效输入阻抗。从LEU 3看相当于该电缆的长度简单地增加了几米，对LEU 3和信标5之间的通信没有任何妨碍。通过在该电流变换器32的次边设置大约为200Ω的阻抗，当提供附图3所示的电子元件的数值时，在装置30的输出端获得一电流强度测量信号，该信号是在原边的幅值例如是20mV/mA的一电压信号。
我们想要测量对于一预定频率该电缆10的阻抗，该预定频率与如在该ERTMS/ETCS标准中限定的信号C6的频率F6相应。信号C6的频率F6为8.82kHz、最小峰到峰电压基本上等于19Vppmin。
所述阻抗测量装置包括滤波装置34，该滤波装置34能过滤电压和电流强度测量信号以便滤除干扰与信号C6相关的分量的分量，特别是与信号C1相关的分量。信号C1的功率频谱在1/2×F1和2F1之间，所述滤波装置34的截止频率应当选定为低于1/2×F1，即低于282kHz。该截止频率被选定为低于1/2×F1三倍频程以便最好滤除与信号C1相关的分量。因而，该装置34的截止频率值为35kHz。
该电压测量信号的滤波对上述提到的隔离变压器20的第一滤波级起作用。然后，电压测量信号通过包括一第二阶滤波的第二滤波级，用于产生电压测量的滤波信号。
电流强度测量信号的滤波通过彼此串联的两个第二阶滤波实现。第一滤波使电流强度测量信号为5Vppmax级，第二滤波等效于该电压测量信号滤波装置的第二级。电流强度测量滤波信号在所述装置34的输出端产生。
滤波的测量信号通过下文中将描述的一适配装置42施加在一微控制器40的输入端。所述微控制器40计算该电缆10的阻抗的相位和模。
电压测量滤波信号的最大值与电流强度测量滤波信号的最大值的比例可以确定通信电缆10的阻抗的模。
电压测量滤波信号和电流强度测量滤波信号之间时间差距比较使得可以测量该通信电缆10阻抗的相位。更精确的，微控制器的每一个输入都被连接至一时钟循环计数器。当电压测量滤波信号消失时，相关的电压计数器被重置。然后，当电流强度测量信号测量值消失时，重置电流强度计数器，电压计数器的值给出两个测量信号之间相位差的测量结果，并且因此给出该电缆10的阻抗相位。
为了进一步改善所述电流强度和电压测量滤波信号在过零值时所述阻抗测量装置的灵敏度，这些信号被适配装置42放大。优选地，它们被放大到饱和以获得陡斜率的信号。该适配步骤通过将测量滤波信号输入比较器中来实现。这些比较器的输出被施加到该微控制器40的不同输入端。
所述阻抗的相位和模的测量在多个连续周期内被平均以获得复阻抗的最准确的测量结果。这可以显示该电缆10和信标5的一些突然而可逆转的变化，例如，当一列车在该信标5上方通过时。事实上，当一列车在该信标5上方通过时，在很短时间150-350μs内该阻抗急降。该设备12将检测到阻抗的这种变化，但是因为它持续的时间不够长，所以确定该电缆10的状态时不能对此加以考虑。
现在描述可以确定该电缆10的状态的装置。
该微控制器40包括一只读存储器，在所述只读存储器中存有在电缆10的阻抗值的复平面内限定了不同的区域的定标(校准)图(cartographie decalibration)50。
这样的定标图50在图4中示出。在与通信电缆10同样类型的一参考通信电缆的定标步骤完成后，可以获得该图。
在定标时，测量参考电缆10处于正常工作状态的阻抗值。被测的阻抗值转写在该图50上。
然后，测量参考电缆处于短路状态的阻抗值。阻抗值沿参考电缆的短路的不同位置被测量，例如，这些不同位置以500m的间隔彼此分开。相继的被测量的阻抗值转写在图50上。通过对穿过短路状态的不同定标点的曲线的外推(外插)，得到一曲线A。
以类似的方式，测量参考电缆处于断路状态的阻抗值。阻抗值沿参考电缆的断路的不同位置被测量，例如，这些不同位置以500m的间隔彼此分开。相继的被测量的阻抗值转写在图50上。通过对穿过断路状态的不同定标点的曲线的外推(外插)，得到一曲线B。
要注意的是曲线A和B没有相交。它们以及在正常工作状态下连接到信标的电缆的阻抗值彼此间隔。
根据这些不同的定标点，将该复平面细分为不同区域。每一区域对应一个电缆状态：正常工作状态、短路状态、断路状态。
不仅如此，一阻抗值在曲线A或曲线B上的位置使得能够确定沿该电缆的相关异常的位置。
在运行中，微控制器40通过与该图50相比较，表现出在为测量的阻抗指派一个特定区域，该区域与对应于该区域的电缆的既时状态相关。在实践中，当电缆状态是短路时，微控制器40为注明日期的状态参数指派值+1，当电缆状态为正常工作时，该值为0，当电缆状态为断路时，该值为-1。
按照优选方式，当检测到异常时，微控制器40确定沿该电缆异常的位置。为此，它在曲线A或曲线B上标出测得的阻抗值，且通过例如在最接近的定标点之间的重心法，计算异常沿电缆10的位置。该位置能被计算得相当精确，大约250m。计算出的异常的位置被保存在与状态参数相关的一距离参数中。
该设备12还包括一断电装置60。参照附图5，断电装置60包括连接至微控制器40的一输出端并由状态参数值控制的一LED 62。响应于不同于零值的状态参数值，LED 62闭合MOSFET的转换开关64，造成LEU 3的相应输出短路。该LEU 3被保护防止其输出之一短路，在被短路的输出端停止该通信电信号的传输，并同时向远距离控制站发送一报告，表明与连接到所涉及的输出端的信标的链路中断。同时，信标5不再连接到该LEU 3，其发射由该ERTMS/ETCS标准限定的、包括一缺省电报(télégramme par défaut)的一无线电信号。在该信标上方通过并接收到这一缺省电报的列车将具有被减小的优化速度。
优选地，该断电装置60包括与MOSFET转换开关64并联的过压抑制装置66以便保护LEU 3预防可能出现的过电压。
该设备12还包括可以显示不同电缆10-13的状态的显示装置70。例如一个表包括4个绿LED的一列和四个红LED的一列。不同LED的状态可使操作者根据下表1区分4根电缆10-13的状态：
| 状态 | 红LED | 绿LED |
| 不供电 | 全熄灭 | 全熄灭 |
| 被连接至第i个信标 | 第i个LED亮 | 第i个LED亮 |
| 第i个电缆断路 | 第i个LED亮 | 第i个LED灭 |
| 第i个电缆短路 | 第i个LED灭 | 第i个LED亮 |
| 第i个输入未连接至LEU | 第i个LED闪烁 | 第i个LED同相闪烁 |
| LEU的第i个输出被禁止 | 第i个LED闪烁 | 第i个LED反相闪烁 |
| 检测设备第i个输出被禁止 | 第i个LED快速闪烁 | 第i个LED快速闪烁 |
(表1)
本领域技术人员知道如何利用电流和电压测量值确定表1示出的其它可能的状态。
此外，微控制器40能存储对应于该电缆10状态的数据和对应于与每次检测到一异常相关的距离参数的数据。该设备12包括一输入/输出接口80，例如RS232型的，该接口可使在用户终端82和微控制器40之间通信以便传输用于离线分析的历史数据或实时数据以远距离管理预警。这些数据的实时逻辑分析可避开该断电装置60。
最后，该设备12包括一供电装置90，该供电装置可向该电子卡提供5V的直流电压。
通过阅读以功能术语描述的该装置的附图1的说明，本领域的技术人员将会知道如何使用该检测异常的设备12检测沿将编码器3连接到信标5的电缆10的断路或短路类异常的方法的步骤。
本领域的技术人员知道本发明的检测的异常设备可在异常发生的几乎同时检测到异常，精确判断性质且给出沿着被指派的电缆的异常的定位。因而，沿着道路在列车轨道上这种异常的影响可立刻被考虑到，且一个设备可能迅速介入所标示的场所以恢复编码器/信标链路的正常工作。
当布置ERTMS/ETCS设施及特别是在该设施的测试阶段中，这种设备同样可以被使用。
最后，这种设备不仅可以用于该ERTMS/ETCS标准的第一级还可用于该标准的第二级，而且在GPS通信中断的情况下，设置在道路上的信标可作为救援装置使用。
Claims (15)
1.一种检测沿着通信电缆(10)的异常的设备(12)，该通信电缆连接铁路车辆监测设施的地面设备的信标(5)和编码器(3)，所述设备的特征在于包括：
阻抗测量装置(14，16，34，32)，当向该信标传输由该编码器产生的通信电信号(C1，C6)时，所述阻抗测量装置能够测量在预定频率(F6)该电缆(10)的阻抗的相位和模；和
电缆状态确定装置，能够将测得的相位和模与电缆阻抗的相位参考值和模参考值进行比较，以便确定电缆处于正常工作状态、短路状态和断路状态中的一个状态。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置能够测量该电缆(10)阻抗的相位瞬时值和模瞬时值，且特征在于所述电缆状态确定装置能够确定该电缆(10)的瞬时状态，以便实时检测异常的突然发生。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置包括：电缆的一个位置处的电流强度测量装置(16)和电压测量装置(14)；和滤波装置(34)，所述滤波装置能够滤除预定频率(F6)的、分别由电压测量装置和电流强度测量装置提供的电压测量信号和电流强度测量信号，以便产生被滤波的电压测量信号和被滤波的电流强度测量信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电压测量装置(14)包括高阻抗隔离变压器(20)，其原边串联连接到该电缆(10)的输入端，且特征在于所述电流强度测量装置(16)包括低阻抗电流变换器(30)，其原边串联连接到该电缆(10)的输入端。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该预定频率对应于根据ERTMS/ETCS标准在该编码器(3)和该信标(5)之间通信的电信号的信号“C6”的频率。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该电缆(10)阻抗的所述相位参考值和模参考值在该电缆阻抗的复平面中限定多个区域以便定义定标图(50)，且特征在于所述电缆状态确定装置适于在所述定标图的一特定区域中确定测得的相位和模的位置，并向该电缆的状态指派与所述特定区域相关的状态。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，当所述电缆状态确定装置确定该电缆处于短路状态或断路状态时，所述电缆状态确定装置适于计算相关异常沿着该电缆的位置。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该定标图(50)包括与该电缆的短路状态或断路状态相关联的曲线(A，B)，在该曲线上的一个位置指明相关异常沿着该电缆的位置，且其特征在于当异常被检测时，电缆状态确定装置适于在该曲线上定位测得的相位和模并计算出所述异常沿着该电缆(10)的位置。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括断电装置(60)，该断电装置响应于确定所述电缆处于短路状态或断路状态，使连接有该通信电缆(10)的该编码器(3)的输出端短路。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括该电缆(10)状态的显示装置(70)。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括存储装置，该存储装置能够存储与该电缆(10)的相继状态相关的数据，和一输入/输出接口(80)，该接口使得与一用户终端(82)通信以传送数据。
12.一种铁路车辆监测设施的地面设备(1)，包括编码器(3)和设置于道路上的信标(5)，以及连接该编码器和该信标的通信电缆(10)，其特征在于：所述地面设备包括根据权利要求1-11中任一项所述的检测沿着通信电缆(10)的异常的设备(12)。
13.根据权利要求12所述的地面设备，其特征在于，所述检测沿着通信电缆(10)的异常的设备(12)设置于该编码器(3)和该通信电缆(10)之间的接口处。
14.一种用于检测沿着通信电缆(10)的断路或短路类型的异常的方法，所述通信电缆连接铁路车辆监测设施的地面设备(1)的信标(5)和编码器(3)，该方法利用根据权利要求1-10中任一项所述的检测沿着通信电缆(10)的异常的设备(12)，所述方法的特征在于包括下述步骤：
当向该信标传送由该编码器产生的通信电信号(C6，C1)时，测量在预定的频率(F6)该电缆的阻抗的相位和模；和
将测得的相位和模与该电缆的阻抗的相位参考值和模参考值进行比较，以确定该电缆处于正常工作状态、短路状态和断路状态中的一个状态。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在已确定该电缆(10)处于短路状态或断路状态之后，还包括计算该异常沿着该电缆的位置的步骤。
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