CN102803045B - 用于检测沿任务路线的物理缺陷的系统、方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于动力系统的路线缺陷检测系统，路线缺陷检测系统包括：连接到动力系统的控制系统，用于施加牵引力；以及处理器，确定牵引力的施加的和/或其它与动力系统的牵引力关联的计划外变化。基于计划外变化，处理器确定沿任务路线所遇到的缺陷的类型。还公开了使动力系统检测沿任务路线的缺陷的、存储在计算机可读介质上并且是采用处理器可执行的方法。
Description
技术领域
本发明领域涉及动力系统，并且更具体来说，涉及检测动力系统和/或动力系统在其上行进的任务路线的物理缺陷。
背景技术
非限制性地诸如越野车、船舶、火车和其它轨道车辆系统、农用车辆以及大货车和大客车之类的动力系统通常由非限制性地诸如柴油发动机之类的动力单元供电。对于轨道车辆系统，动力系统是机车，它可以是还包括诸如运货车厢之类的多个轨道车的火车的一部分。通常作为火车的一部分来提供一个以上机车，其中机车的分组统称为机车“编组(consist)”。机车是具有许多子系统的复杂系统，其中每个子系统与其它子系统无关。
操作员通常在机车上以确保机车的正确操作，并且当存在机车编组时，操作员通常在本务机车上。如上所述，机车编组是共同操作以用于移动火车的一组机车。除了确保机车或机车编组的正确操作之外，操作员还负责确定火车的操作速度以及火车中的力。为了执行这些功能，操作员一般必须具有在指定地形上操作机车和多种火车的广泛经验。需要这种知识以便遵照可随着沿轨道的火车位置而改变的规定操作速度。此外，操作员还负责确保火车内的力保持在可接受限度之内。
但是，即使具有保证火车的安全操作的知识，操作员通常也无法操作火车以立即检测火车在穿过某个路线时遇到的缺陷。通常通过使用安装在火车的至少一个轮轴上和/或安装在作为火车的一部分的至少一个机车的驾驶室中的加速计，或者通过使用至少一个测力计测量装置来检测这类缺陷。测力计测量仪器用于测量火车操作期间所遇到的“推动或牵引”期间的力。更具体来说，测力计测量装置能够基于机车的至少一个是否为电动(其中机车正推动轨道车和/或非电动机车和/或正牵引轨道车和/或非电动机车)来测量轨道车和/或机车之间的车钩处的力。加速计是用于测量加速度和重力感应反作用力的装置。单轴模型和多轴模型可用于作为向量检测加速度的幅度和方向。加速计能够用于感测倾斜度、振动和冲击(shock)。
测力计测量仪器和加速计是可能因气候和/或正常磨损而失灵的机械装置。根据这些装置之一可能出故障的时间，火车操作员可能没有由这些装置所提供的、在任务期间是可用的信息。因此，火车拥有者和操作员会获益于具有在火车正执行任务的同时检测火车缺陷的另一种方式。
发明内容
本发明的实施例涉及用于检测沿动力系统行进的任务路线的缺陷的系统、方法和计算机软件代码。该系统包括：连接到动力系统的控制系统，用于施加牵引力；以及处理器，其确定牵引力的施加中的和/或其它与动力系统的牵引力关联的计划外变化。基于计划外变化，处理器确定沿任务路线遇到的缺陷的类型。
在另一个实施例中，该方法包括监测动力系统的牵引力，以及识别牵引力的计划外变化。使用处理器来确定所识别的牵引力的计划外变化的类型。基于所识别的牵引力的计划外变化的类型来确定沿任务路线的缺陷的类型。
在又一个实施例中，计算机软件代码存储在计算机可读介质上并且是采用处理器可执行的。计算机软件代码包括在由处理器执行时、用于采集与动力系统的牵引力有关的信息的计算机软件模块。还包括在由处理器执行时、用于识别牵引力的计划外变化的计算机软件模块。还包括的是在由处理器执行时、用于基于所识别的牵引力的计划外变化的类型来确定沿任务路线的缺陷的类型的计算机软件模块。
附图说明
将参照附图所示的本发明的具体实施例来提供以上简要描述的本发明的更具体描述。要理解，这些附图仅描绘本发明的典型实施例，因此不要被理解为对其范围的限制，将通过使用附图、以附加特点和细节来描述和说明本发明的实施例，在附图中：
图1示出本发明的教导能够适用的分布式动力火车；
图2公开了描绘动力系统的路线缺陷检测系统的一示范实施例的框图；以及
图3描绘了示出用于检测沿动力系统的任务路线的物理缺陷的方法的一示范实施例的流程图。
具体实施方式
下面将详细参照本发明的示范实施例，在附图中说明其示例。在可能的情况下，附图中通篇使用的相同参考标号表示相同或相似部件。如下面所公开，可公开同一元件的多个形式(multipleversion)。同样，对于其它元件，公开单数形式。所公开的多个形式和所公开的单数形式均不能被理解为进行限制。具体来说，虽然公开多个形式，但是也可使用单数形式。同样，在公开单数形式的情况下，也可使用多个形式。
虽然针对轨道车辆或铁路运输系统、具体为火车和机车来描述本发明的示范实施例，但是本发明的示范实施例也可适用于与其它动力系统配合使用，其它动力系统例如但不限于各可使用至少一个发动机的船舶、越野车、农用车辆、和/或运输车辆。为此，当论述指定的任务时，其包括将由动力系统所执行的工作或要求。因此，针对轨道车辆、船舶、农用车辆、大货车或大客车、或者越野车应用，这可表示集合动力系统(其中提供一个以上单独动力系统)从当前位置到远程位置的移动。
虽然在论述火车或机车时易于认识到柴油动力系统，但是，本领域技术人员易于知道，本发明的实施例也可与非柴油动力系统配合使用，例如但不限于天然气动力系统、生物柴油动力系统、电力系统、上述的组合等等。此外，单独动力系统可包括多个发动机、其它电源、和/或附加电源，例如但不限于电池源、电压源(例如但不限于电容器)、化学源、基于压力的源(例如但不限于弹簧和/或液压胀接)、电流源(例如但不限于电感器)、惯性源(例如但不限于飞轮装置)、基于重力的电源、和/或基于热的电源。另外，电源可以是外部的，例如但不限于诸如机车或火车之类的电力系统，其中电力源自外部高架悬链线、第三轨、和/或磁悬浮线圈。
通过提供用于当动力系统沿任务路线行进时检测任务路线上的缺陷的方法、系统以及诸如计算机软件代码或计算机可读介质之类的计算机实现方法，本发明的示范实施例解决本领域的问题。针对机车，本发明的示范实施例在机车编组处于分布式动力操作时也是可操作的。但是，分布式动力操作不是只可适用于机车或火车。本文所公开的其它动力系统也可工作在分布式动力配置中。
在本文档中，使用术语“机车编组”。本文所使用的“机车编组”可描述为具有连接在一起以便提供电动和/或制动能力的连续的一个或多个机车。机车连接在一起，其中机车之间没有火车车厢。火车在其组成中能够具有一个以上机车编组。具体来说，能够存在本务编组和一个或多个远程编组，例如在车厢列的中间以及在火车末端的另一个远程编组。各机车编组可具有第一机车和尾机车。虽然第一机车通常被看作是本务机车，但是本领域技术人员易于知道，多机车编组中的第一机车可在物理上位于物理尾部的位置。
虽然机车编组通常被看作涉及连续机车，但是本领域技术人员易于知道，甚至当一个或多个轨道车分离机车时，例如当机车编组配置用于分布式动力操作(其中节流和制动命令通过无线电链路或物理线缆从本务机车转发到远程火车)时，机车的编组分组也可识别为编组。为此，当论述同一火车中的多个机车时，术语“机车编组”不应当被理解为限制因素。
当表示包括但不限于船舶、越野车、农用车辆、和/或固定发电站等共同操作以便提供电动、发电和/或制动能力的其它类型的动力系统时，本文所公开的“编组”的思路也可适用。因此，即使在本文中针对某些说明性实施例来使用术语“机车编组”，但是这个术语也可适用于其它动力系统。类似地，子编组可存在。例如，动力系统可具有一个以上发电单元。例如，发电站可具有一个以上柴油电力单元，其中可在子编组级进行优化。同样，机车可具有一个以上柴油电力单元。此外，虽然针对轨道车辆来公开示范示例，但是这类公开不是要被理解为进行限制。示范实施例也可适用于本文所公开的其它动力系统。
本领域技术人员将会知道，诸如数据处理系统之类的包括CPU、存储器、I/O、程序存储、连接总线和其它适当组件的设备可编程为或者设计成便于本发明的方法的实施。这种系统包括用于执行本发明的方法的适当程序部件。
另外，与数据处理系统配合使用的诸如预先记录盘、计算机可读介质或者其它相似计算机程序产品之类的制造产品可包括存储介质以及其上记录的程序部件，用于指导数据处理系统来便于本发明的方法的实施。这类设备和制造产品也落入本发明的精神和范围之内。
广义来说，技术效果是当动力系统沿任务路线行进时检测任务路线上的缺陷。为了便于理解本发明的示范实施例，以下参照本发明的具体实现进行描述。可在由设计成通常高速接收数据并执行规定数学和/或逻辑运算(其中这类运算的结果可以显示也可以不显示)的非限制性地诸如计算机之类的任何装置运行的、诸如程序模块之类的、计算机可执行指令的一般上下文中来描述本发明的示范实施例。一般来说，程序模块包括执行特定工作或者实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。例如，作为本发明的示范实施例的基础的软件程序能够通过不同编程语言来编码，供与不同装置或平台配合使用。在以下描述中，本发明的示例可在采用万维网浏览器的万维网入口的上下文中来描述。但是大家将会意识到，作为本发明的示范实施例的基础的原理也能够采用其它类型的计算机软件技术来实现。
此外，本领域技术人员将会意识到，本发明的示范实施例可采用其它计算机系统配置来实施，其中包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器或者可编程的消费电子产品、小型计算机、大型计算机等等。本发明的示范实施例还可在分布式计算环境中实施，其中工作由通过至少一个通信网络链接的远程处理装置来执行。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储器存储装置的本地计算机存储介质和远程计算机存储介质两者中。
现在将参照附图来描述本发明的实施例。本发明的示范实施例能够按照许多方式来实现，其中包括实现为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机化方法)、设备、计算机可读介质、计算机程序产品、包括万维网入口的图形用户界面或者有形地固定在计算机可读存储器中的数据结构。下面论述本发明的若干实施例。
图1示意示出按照本发明的一实施例的分布式动力火车10。沿箭头11所示方向行进的火车10包括本务单元机车14和一个或多个远程单元机车12。所示示范火车10包括从本务单元14所控制的远程单元12。分布式动力火车10还包括本务单元14与远程单元12之间的多个轨道车20。图1所示的本务机车14、远程机车12和轨道车20的布置只是示范性的，因为本发明的实施例能够适用于其它机车/轨道车布置。例如，在远程单元12、轨道车20和本务单元14之间可存在其它远程单元，例如图1所示的远程单元15，或者火车可以不包括轨道车20。各轨道车20包括空气制动系统(未示出)，空气制动系统响应制动管道22中的压力下降而施加轨道车空气制动，并且响应制动管道22中的压力上升而释放空气制动。制动管道22延伸于火车的长度，用于传送本务单元14和远程单元12中的单独制动控制器(未示出)所指定的空气压力变化。
本务单元14包括本务控制器30和射频模块28或者远程通信模块，用于生成并且从本务单元14向远程单元12发出命令和消息，以及用于从其中接收应答消息。在本务控制器30处响应牵引控制器(节流阀)的操作员控制并且响应本务单元14中的本务制动控制器的操作员控制而生成命令。虽然将通信公开为使用射频模块来执行，但是其它形式的通信也是可适用的，例如但不限于有线通信、串行通信、光、多个数据通路等等。
远程单元12包括远程控制器32和远程通信模块28，用于处理和响应从本务单元14通过通信链路所传送的传输(例如，通过在接收远程单元处施加牵引力或制动)，并且用于向本务单元14回送应答消息(例如，确认本务单元命令的接收和实现)和状态消息。(术语“控制器”包含单一控制器或独立控制器两者，例如微控制器或计算机以及可共同操作的控制器的系统。)来自测力计测量仪器和/或加速计的信息可在远程单元12处收集，并且传递给本务单元14。这种信息可用于确定或测量牵引力。牵引力可包括通过电动、动态制动和/或空气/摩擦制动所产生的力。牵引力信息可如以上所公开方式和/或采用任何其它测量装置来收集，和/或牵引力可使用指示力的现成信息(例如但不限于电动机电流、马力、与速度结合的马力等)来确定/测量。
各机车14和12还包括动态制动控制器38。本务机车14中的动态制动的施加生成通过通信链路传递给远程单元12的信号。对此进行响应，远程控制器32控制远程单元12的动态制动器38，以便激活动态制动。一般来说，动态制动的施加在火车的整个长度生成较均匀的制动力。提供一种收发器，例如但不限于全球定位卫星(“GPS”)收发器。
图2公开了描绘示出动力系统10、如图1所示的火车10的路线缺陷检测系统的一示范实施例的框图。该系统包括连接到动力系统10的控制系统40，用于施加牵引力。在火车10的情况下，控制系统40可包括本务控制器30和/或图1所示的其它子系统/组件或者作为其组成部分或者与其连接。包含处理器42，以便确定牵引力的施加的和/或其它与动力系统10的牵引力关联的计划外变化。当作为控制系统40的一部分、具有极少或没有操作员输入的自动控制器43正操作火车10时，牵引力的施加的计划外变化可能发生。自动控制器43的示例在转让给本发明的受让人的旅程/任务优化器专利申请中公开，例如美国专利申请号11/765,443、11/669,364和11/385,354(参见例如日期为2007年9月20日的美国专利公开No.US2007-0219680-A1)，通过引用将其全部结合到本文中。可将信息提供给自动控制器43，这将产生与先前计划的牵引力的施加的偏差。计划外变化可基于多个事件，包括但不限于产生于非预计外部状况(即，车轮状况、轨道状况)的牵引力的变化和/或产生于控制器所接收的新信息的牵引力的变化(即，不是在它不受控制的意义上，而是在它不是先前计划的一部分的意义上，牵引力的变化是计划外的)。
基于所确定的计划外变化，处理器42确定沿任务路线的缺陷的类型。为了确定牵引力的施加的和/或其它与动力系统的牵引力关联的计划外变化，例如，处理器42可使用确定旅程优化器加速度值和减速度值对电力和火力特性的算法。另外，处理器42能够识别动力系统10的多个轮轴的牵引力的重复计划外降低和/或增加、施加牵引力的计划外增加以满足任务目标、牵引力的循环计划外增加和/或降低、和/或与牵引力关联的阻力的短期变化。
该系统还包括通知装置44，以便通知操作员和/或路线保持器(保持动力车辆的任务路线的实体)关于牵引力的计划外变化和/或所确定缺陷的类型。还包含的是位置检测装置46，以便识别其中检测到计划外变化的沿任务路线的位置。还包含滤波装置48或功能，它可与处理器42配合操作以确定计划外变化和/或缺陷的类型。滤波装置48可包括低通滤波器、神经网络滤波器、无限时间序列泰勒级数展开滤波器、有限时间序列泰勒级数展开滤波器、和/或卡尔曼滤波器。控制系统40可响应所检测缺陷的类型而调整动力系统的牵引力和/或速度。可向操作员报告该调整以进行调整，或者该调整在闭环配置中自发实现。本领域技术人员易于知道，闭环配置是对闭环控制系统和/或过程的引用，其中操作基于来自系统中的元件的输入和反馈自发执行。因此，基于提供给处理器42的信息，系统可命令控制系统。
缺陷可以是对路线的表面状况的变化和/或对与路线表面接触的动力系统的一部分的变化的结果。因此，根据测量结果，可确定缺陷的类型。例如，在动力系统是具有机车(例如，具有6个牵引电动机)的火车的情况下，可识别因邻接轨道之间的间隙引起的轨道缺陷。当机车经过间隙时，机车的部分或全部6个牵引电动机可遇到车轮滑动(wheelslip)事故，因为较小附着力在轨道上的那个点是可用的。本领域技术人员将会知道，当机车是电动时，全部6个牵引电动机可提供动力，或者更少牵引电动机、如四个轮轴可提供动力。使用以上公开的系统，可识别表示对遇到滑动的轮轴重复的牵引力的降低的、可使用滤波器功能来检测的重复特征(signature)，其中考虑动力牵引电动机的数量。车轮滑动事故可以并不局限于单个机车。可对同一火车中的机车检测车轮滑动。因此，以上公开的系统可用于同一火车中的机车遇到车轮滑动事故时。重复特征将与遇到轨道上的浮油或碎片的轨道车辆不同，因为前几个车轮将清洁轨道，以使得最后的轮轴/车轮会正常运行。
可通过系统感测或检测动力系统中的牵引电动机(或者与其关联)的电信号，或者通过检测或测量动力系统中的一个或多个牵引相关组件的机械运动并且分析或比较所检测或所测量值与预计或趋势值，来确定牵引力的施加的计划外变化。然后，例如，可通过与车辆的配置和所述的任务路线相比较，分析牵引力的计划外变化的性质或特性，来确定所述的缺陷的类型。
在另一个示例中，可检测轨道车上的锁定轮轴事故。如果要求/检测到牵引力的突然步长增加，并且没有对应降低发生，则这可能识别为与轨道车上的锁定轮轴关联。在另一个示例中，可检测车轮上的平点或磨损区。可检测这个缺陷，因为识别牵引力的周期转速变化。以上公开的系统监测与车轮的转速对应的频率响应以监测异常频率。如果异常频率通过机车与轨道车之间的车钩和/或互相通信系统来传送，则还可识别遇到平点的车辆。
图3描绘了示出用于检测沿动力系统的任务路线的物理缺陷的方法的一示范实施例的流程图60。在62，监测动力系统的牵引力。在64，识别牵引力的计划外变化。在66，使用处理器确定牵引力的计划外变化的类型。(除非另加说明，否则计划外变化的“类型”包括牵引力的计划外变化的类别和/或计划外变化的一个或多个特性或方面。)本领域技术人员易于知道，处理器不一定是通用处理器或计算机。如以上所公开，处理器可以是用于以极少或没有操作员输入来操作火车的系统的一部分。在68，沿任务路线的缺陷的类型基于所识别的牵引力的计划外变化的类型来确定。如以上所公开，缺陷可以是对路线的表面状况的变化和/或对与路线表面接触的动力系统的一部分的变化的结果。确定牵引力的计划外变化的类型可包括识别动力系统的多个轮轴的牵引力的重复计划外降低和/或增加、施加牵引力的计划外增加以满足任务目标、牵引力的循环计划外增加和/或降低、和/或与牵引力关联的阻力的短期变化。
如进一步所示，在70，通知操作员和/或路线保持器关于牵引力的计划外变化和/或所确定缺陷的类型。在72，如果牵引力的变化识别为与轨道上的状况相关，则识别位置。了解位置将允许维护人员更迅速地定位有意义的区域。在74，当检测到缺陷时，调整动力系统的牵引力和/或速度以确保安全操作。调整可在闭环配置中自发实现。更具体来说，可伴随最少或者没有操作员输入来进行调整。在一个实施例中，当调整在闭环配置中自发实现时，调整牵引力以确保安全操作。当处于开环配置时，更具体来说当操作员具有控制权时，调整速度或者调整速度和牵引力的组合，以便确保安全操作。
本领域技术人员将易于知道，流程图40中公开的方法将有关牵引力的信息变换为识别动力系统的操作条件已经改变的时间(这可能影响动力系统的操作)。该变换可向操作员显示，和/或使对牵引力的变化自发进行。
流程图60所示的方法可采用具有计算机软件模块的计算机软件代码来执行，其中计算机软件代码存储在计算机介质上，并且采用处理器来运行。因此，流程图60中的各过程流通过特定过程中包含的过程特定的计算机软件模块来执行。例如，在64当由处理器执行时识别牵引力的计划外变化通过在由处理器执行时用于识别牵引力变化的计划外变化的计算机软件模块来执行。本领域技术人员还将会知道，用于实现该方法的处理器12不是通用计算机。
虽然参照多个示范实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，可进行多种变更、省略和/或添加，并且等效方案可代替其中的元件，而没有背离本发明的精神和范围。另外，可对本发明的教导进行多种修改以适合具体情况或材料，而没有背离其范围。因此，预计本发明并不局限于作为考虑用于执行本发明的最佳模式而公开的具体实施例，本发明将包括落入所附权利要求范围之内的所有实施例。此外，除非另加说明，否则术语“第一”、“第二”等的任何使用并不表示任何顺序或重要性，术语“第一”、“第二”等而是用来区分各个元件。
Claims (18)
1.一种动力系统，所述动力系统包括：
控制系统，其配置成控制通过车辆系统进行施加的牵引力；以及
处理器，其配置成确定所述牵引力的所述施加中的计划外变化，其中所述计划外变化是由于所述车辆系统中的缺陷和/或由于来自所述控制系统的计划外的命令，所述计划外的命令不是先前计划的一部分，其中所述处理器配置成基于对所述动力系统的多个轮轴的牵引力的重复计划外降低和/或增加的识别而确定所述计划外变化；
其中，基于所述计划外变化，所述处理器配置成确定在所述车辆系统执行任务期间遇到的缺陷的类型。
2.如权利要求1所述的动力系统，还包括通知装置，其配置成通知操作员和/或路线保持器关于所述计划外变化和/或所确定缺陷的类型。
3.如权利要求1所述的动力系统，还包括位置检测装置，其配置成识别在其处确定所述计划外变化的位置。
4.如权利要求1所述的动力系统，其中所述处理器配置为使用滤波功能以确定所述计划外变化。
5.如权利要求4所述的动力系统，其中，所述滤波功能包括：低通滤波器、神经网络滤波器、无限时间序列泰勒级数展开滤波器、有限时间序列泰勒级数展开滤波器、和/或卡尔曼滤波器。
6.如权利要求1所述的动力系统，其中，所述计划外变化通过所述处理器识别以下情况来确定：所述动力系统的多个轮轴的牵引力的重复计划外降低和/或增加。
7.如权利要求1所述的动力系统，其中，所述控制系统配置成响应所确定缺陷的类型来调整所述动力系统的牵引力和/或速度。
8.如权利要求7所述的动力系统，其中，所述控制系统配置成自发调整在闭环配置中的牵引力和/或速度。
9.如权利要求1所述的动力系统，其中，所述缺陷是对与任务路线表面接触的所述车辆系统的一部分的变化的结果。
10.如权利要求1所述的动力系统，其中，所述动力系统包括越野车、农用车辆、大货车或大客车、船舶和/或轨道车辆。
11.一种动力系统的检测方法，所述方法包括：
监测所述动力系统的牵引力；
识别所述牵引力的计划外变化；
使用处理器来确定所识别的所述牵引力的计划外变化的类型，其中所述计划外变化是由于所述动力系统中的缺陷和/或由于来自控制系统的计划外的命令，所述计划外的命令不是先前计划的一部分，其中确定所识别的所述牵引力的计划外变化的类型包括识别所述动力系统的多个轮轴的牵引力的重复计划外降低和/或增加；以及
基于所识别的牵引力的计划外变化的所述类型来确定在所述动力系统执行任务期间遇到的缺陷的类型。
12.如权利要求11所述的方法，还包括通知操作员和/或路线保持器关于所述牵引力的所述计划外变化和/或所确定的缺陷的类型。
13.如权利要求11所述的方法，还包括识别在其处发生所述牵引力的所述计划外变化的位置。
14.如权利要求11所述的方法，其中，确定所述牵引力的所述计划外变化的所述类型包括：识别所述动力系统的多个轮轴的牵引力的重复计划外降低和/或增加。
15.如权利要求11所述的方法，还包括响应所确定的缺陷的类型来调整所述动力系统的牵引力和/或速度。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述调整在闭环配置中自发实现。
17.如权利要求11所述的方法，其中，所述缺陷是对与任务路线表面接触的所述动力系统的一部分的变化的结果。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述动力系统包括越野车、农用车辆、大货车或大客车、船舶和/或轨道车辆。
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