CN104040298B - 传感器状态判断系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器状态判断系统，其能够准确地判断铁路车辆所使用的检测用传感器是否处于异常状态，传感器状态判断系统(50)具备能够检测作用于铁路车辆(1)的物理值的检测用传感器(51)和电子控制装置(60)。在与安装有检测用传感器(51)的部位等效的部位，安装有与检测用传感器等效的监视用传感器(52)。在电子控制装置设置有判断机构(相干性运算部(62)、状态判断部(63))，该判断机构基于由检测用传感器检测到的第一信号(X)和由监视用传感器检测到的第二信号(Y)运算表示两信号之间的相关关系的相干值(CXY)，并且在该相干值小于预先设定的异常判断值的情况下判断为检测用传感器处于异常状态。

Description

传感器状态判断系统

技术领域

本发明涉及对铁路车辆所使用的加速度传感器等在铁路车辆的行驶中是否处于异常状态进行判断的传感器状态判断系统。

背景技术

在铁路车辆中，在主动控制阻尼装置的阻尼控制系统、监视部件的状态或者乘坐感的状态监视系统等中使用加速度传感器等。例如，在阻尼控制系统中，加速度传感器检测作用于车体的振动加速度，并且控制机构基于检测到的振动加速度适当地决定阻尼装置所产生的阻尼力，从而执行主动阻尼控制。

上述阻尼控制系统例如在下述专利文献1中有所记载。在下述专利文献1所记载的阻尼控制系统中，控制机构构成为：在平常时如上述那样执行主动阻尼控制，而在检测到的振动加速度超过阈值的情况下，判断为控制系统处于异常状态而禁止主动阻尼控制。由此，防止在车体产生过度的振动时由于主动阻尼控制的执行反而使乘坐感变差的情况。

专利文献1：日本特开2001－271872号公报

然而，在上述专利文献1所记载的阻尼控制系统中，在加速度传感器处于正常状态这一前提下，基于检测到的振动加速度执行主动阻尼控制，而未考虑加速度传感器本身发生故障的情况。即，在加速度传感器本身发生故障的情况下，基于处于异常状态的加速度传感器的信号执行主动阻尼控制，所以没有适当地执行阻尼控制。因此，优选首先准确地判断加速度传感器是否处于异常状态。

发明内容

本发明用于解决上述课题，其目的在于提供一种能够准确地对铁路车辆所使用的加速度传感器等检测用传感器在铁路车辆的行驶中是否处于异常状态进行判断的传感器状态判断系统。

本发明的一个方式的传感器状态判断系统对能够检测作用于铁路车辆的物理值的检测用传感器在上述铁路车辆的行驶中是否处于异常状态进行判断，上述传感器状态判断系统的特征在于：在与安装有上述检测用传感器的部位等效的部位安装有与上述检测用传感器等效的监视用传感器，并且设置有判断机构，该判断机构基于由上述检测用传感器检测到的第一信号和由上述监视用传感器检测到的第二信号来运算表示两信号之间的相关关系的相干值，并在该相干值小于预先设定的异常判断值的情况下，判断为上述检测用传感器处于异常状态。

优选：上述传感器状态判断系统的判断机构在上述相干值小于上述异常判断值的情况连续出现多次时，判断为上述检测用传感器处于异常状态。

另外，优选：上述传感器状态判断系统的判断机构在上述铁路车辆开始行驶后的短时间内，在上述相干值总是小于预先设定的正常判断值的情况下，判断为上述检测用传感器处于异常状态。

由此，根据本发明，在与安装有检测用传感器的部位等效的部位安装有与检测用传感器等效的监视用传感器，并在表示第一信号与第二信号之间的相关关系的相干值小于异常判断值的情况下，判断为检测用传感器处于异常状态。即，基于相干值比较第一信号与第二信号的形状，判断检测用传感器是否处于异常状态。因此，能够实现第一信号与第二信号的精确比较，能够准确地判断检测用传感器是否处于异常状态。

附图说明

图1是示意性地表示应用了传感器状态判断系统的铁路车辆的主视图。

图2是表示图1所示的电子控制装置、阻尼装置以及报告机构的关系的图。

图3是表示铁路车辆开始行驶后的经过时间与由检测用传感器检测到的第一信号之间的关系的图表。

图4是表示铁路车辆开始行驶后的经过时间与由监视用传感器检测到的第二信号之间的关系的图表。

图5是表示铁路车辆开始行驶后的经过时间与相干值之间的关系的图表。

图6是表示铁路车辆开始行驶后的经过时间与铁路车辆的行驶速度之间的关系的图表。

图7是表示铁路车辆开始行驶后的经过时间与状态判断部输出的正常信号或者异常信号之间的关系的图表。

具体实施方式

接下来，参照附图对本发明的一个方式的传感器状态判断系统进行说明。图1是示意性地表示应用了传感器状态判断系统50的铁路车辆1的主视图。在该铁路车辆1中，在沿前后方向设置的两台台车10上经由空气弹簧20搭载有车体30，并且设置有使作用于车体30的左右振动衰减的阻尼装置40。阻尼装置40构成为：能够根据从电子控制装置60输入的阻尼控制指令值F，来调节未图示的电磁阀的打开量，从而调整产生的阻尼力。

传感器状态判断系统50是判断加速度传感器的状态的系统。如图1所示，该传感器状态判断系统50具有：作为能够检测作用于车体30的振动加速度的加速度传感器的检测用传感器51；作为能够输出与该检测用传感器51相同值那样的等效的加速度传感器的监视用传感器52；以及上述电子控制装置60。

检测用传感器51是为了执行主动阻尼控制而设置的、将作用于车体30的振动加速度作为第一信号X向电子控制装置60输出的传感器。监视用传感器52是为了监视检测用传感器51而设置的、将作用于车体30的振动加速度作为第二信号Y向电子控制装置60输出的传感器。

如图2所示，在电子控制装置60设置有用于运算阻尼控制指令值F的控制指令值运算部61。当在车体30产生左右振动时，控制指令值运算部61基于从检测用传感器51输入的第一信号X运算出最佳的阻尼控制指令值F，并向阻尼装置40输出该阻尼控制指令值F。由此，使阻尼装置40主动产生阻尼力，从而执行主动阻尼控制。

当检测用传感器51正常时，基于正常的第一信号X执行主动阻尼控制，所以能够适当地执行阻尼控制，实现乘坐感的提高。但是，假设当检测用传感器51异常(发生故障)时，基于异常的第一信号X执行主动阻尼控制，所以存在未适当地执行阻尼控制反而使乘坐感变差的可能性。因此，优选在检测用传感器51处于异常状态时，不执行主动阻尼控制。此外，检测用传感器51处于异常状态的情况是指例如检测用传感器51的连接器脱落了的情况、检测用传感器51的配线被切断了的情况等。

因此，在本实施方式中，为了判断检测用传感器51是否处于异常状态，而如上述那样在与检测用传感器51等效的部位安装有监视用传感器52，并在电子控制装置60设置有相干性运算部62以及状态判断部63来作为判断机构。相干性运算部62是基于第一信号X与第二信号Y来运算表示两信号之间的相关关系的相干值CXY的机构。

这里，对通常定义的相干值C(f)进行说明。相干值C(f)是表示在两个信号亦即x(t)与y(t)之间存在何种相关关系的值，用(式1)式定义。

[式1]

$C\left(f\right)=\frac{{\left|S_{\mathrm{xy}}\left(f\right)\right|}^2}{S_x\left(f\right)*S_y\left(f\right)}$

Sxy(f)是x(t)与y(t)的交叉谱，是对x(t)与y(t)的互相关函数进行傅立叶变换后得到的。Sx(f)是x(t)的功率谱，是对x(t)的自相关函数进行傅立叶变换后得到的。Sy(f)是y(t)的功率谱，是对y(t)的自相关函数进行傅立叶变换后得到的。T是时间，f是频率。

相干性运算部62使用将(式1)式展开而得到的(式2)式来运算第一信号X与第二信号Y的相干值CXY。

[式2]

$C_{\mathrm{XY}}=\frac{\left|\right\{\mathrm{\Σ}(X-\mathrm{Xa})*(Y-\mathrm{Ya}))\}*|\mathrm{\Σ}(X-\mathrm{Xa})*(Y-\mathrm{Ya})\left|\right|}{\mathrm{\Σ}{(X-\mathrm{Xa})}^2*\mathrm{\Σ}{(Y-\mathrm{Ya})}^2}$

对(式2)式中所示的X输入每4毫秒由检测用传感器51检测到的第一信号X，对(式2)式中所示的Y输入每4毫秒由监视用传感器52检测到的第二信号Y。另外，(式2)式中所示的Xa是每0.1秒的第一信号X的平均值，(式2)式中所示的Ya是每0.1秒的第二信号Y的平均值。此外，输入第一信号X、第二信号Y的时间并不限定于每4毫秒，能够适当地变更。另外，用于运算平均值Xa、Ya的时间间隔并不限定于每0.1秒，能够根据频率的大小适当地变更。

由(式2)式运算出的相干值CXY是从0至1的范围的值，当第一信号X与第二信号Y完全一致时为1，当第一信号X与第二信号Y不相关时为0。换言之，相干值CXY是表示在每0.1秒第一信号X与第二信号Y的形状何种程度相似的值。

状态判断部63是监视按每0.1秒运算出的相干值CXY并判断相干值CXY是否小于作为异常判断值的0.6的机构。若相干值CXY在0.6以上，则该状态判断部63判断为第一信号X的形状与第二信号Y的形状相似，且判断为检测用传感器51处于正常状态。另一方面，若相干值CXY小于0.6，则状态判断部63判断为第一信号X的形状与第二信号的形状不相似，且判断为检测用传感器51处于异常状态。

这里，在本实施方式中，状态判断部63构成为：当相干值CXY小于0.6的情况连续出现多次N(例如10次)时，判断为检测用传感器51处于异常状态。这是为了防止如下情况：因杂音被输入至检测用传感器51、监视用传感器52的影响，而仅一次相干值CXY变得小于0.6，从而就判断为检测用传感器51处于异常状态。

另外，状态判断部63构成为：在铁路车辆1开始行驶后的短时间(例如10秒)内，判断相干值CXY是否总是小于作为预先设定的正常判断值的0.8。这是为了判断检测用传感器51在铁路车辆1刚开始行驶之后是否处于正常状态。并且，状态判断部63构成为：仅当铁路车辆1正行驶时，基于相干值CXY判断检测用传感器51是否处于异常状态。这是因为在铁路车辆1停止时，本来第一信号X以及第二信号Y的值就为“0”，从而不能运算相干值CXY。

而且，状态判断部63构成为：在判断为检测用传感器51处于正常状态时，向报告机构70输出正常信号α。报告机构70基于该正常信号α例如通过使蓝灯点亮来向驾驶员等报告检测用传感器51处于正常状态。另一方面，状态判断部63构成为：在判断为检测用传感器51处于异常状态时，向报告机构70输出异常信号β。报告机构70基于该异常信号β例如通过使红灯点亮来向驾驶员等报告检测用传感器51处于异常状态。

并且，状态判断部63构成为：仅在判断为检测用传感器51处于异常状态时，向控制指令值运算部61输出关闭信号γ。控制指令值运算部61基于该关闭信号γ，将阻尼控制指令值F设为“0”以禁止主动阻尼控制，从而阻尼装置40成为被动状态。

用图3～图7的实验结果对如上述那样构成的实施方式的作用效果进行说明。图3表示铁路车辆1开始行驶后的经过时间t与由检测用传感器51检测到的X信号之间的关系。图4表示经过时间t与由监视用传感器52检测到的Y信号之间的关系。图5表示经过时间t与相干值CXY之间的关系。图6表示经过时间t与铁路车辆1的行驶速度V之间的关系。图7表示经过时间t与状态判断部63输出的正常信号α或者异常信号β之间的关系。

首先，在图5中，若观察铁路车辆1开始行驶后的短时间A(10秒)，则能够确认相干值CXY大于0.8。由此，如图7所示，状态判断部63判断为检测用传感器51处于正常状态，而向报告机构70输出正常信号α。因此，能够向驾驶员等报告在铁路车辆1刚开始行驶后检测用传感器51无初始不良。

接下来，在图5中，若观察时间B以及时间C，则能够确认相干值CXY小于0.6。但是，在时间B以及时间C，相干值CXY小于0.6的情况未连续出现多次N(10次)，所以不判断为检测用传感器51处于异常状态，而判断为处于正常状态(参照图7)。因此，能够防止由于杂音被输入至检测用传感器51、监视用传感器52的影响而判断为检测用传感器51处于异常状态的情况。

并且，在图5中，若观察车辆的行驶速度V为“0”的时间D(参照图6)，则能够确认相干值CXY小于0.6。但是，在时间D，由于时间D是铁路车辆1停止的时间段，所以状态判断部63不进行像上述那样基于相干值CXY判断检测用传感器51是否处于异常状态的判断。因此，在时间D，维持检测用传感器51处于正常状态的判断结果。此外，在时间D，相干值CXY产生较大变动是因为输入至检测用传感器51、监视用传感器52的杂音的影响。

接着，在图5中，若观察时间E，则相干值CXY小于0.6的情况连续出现多次N(10次)。此时，如图7所示，状态判断部63判断为检测用传感器51处于异常状态，并向报告机构70输出异常信号β。其结果是，能够向驾驶员等报告检测用传感器51的异常状态。另外，此时，状态判断部63向控制指令值运算部61输出关闭信号γ，阻尼装置40成为被动状态。其结果是，在检测用传感器51处于异常状态的情况下不执行主动阻尼控制，而能够防止乘坐感变差。

假设作为电子控制装置的结构，也考虑如下结构：不使用相干值CXY，而当第一信号X与第二信号Y之间的振幅差或者功率差在规定值以上时，判断为检测用传感器51处于异常状态。但是，在为该结构的情况下，由于比较第一信号X与第二信号Y的每一某个瞬间的振幅或者功率，所以当随机的杂音被输入至检测用传感器51、监视用传感器52时，难以准确地判断检测用传感器51是否处于异常状态。

另一方面，本实施方式的电子控制装置60是在表示第一信号X与第二信号Y之间的相关程度的相干值CXY小于异常判断值时判断为检测用传感器51处于异常状态的装置，其比较第一信号X与第二信号Y的每一规定时间(每0.1秒)的形状。因此，与比较第一信号X与第二信号Y的每一某个瞬间的振幅或者功率的情况相比，即使在随机的杂音被输入至检测用传感器51、监视用传感器52的情况下，也能够实现第一信号X与第二信号Y的精确比较，能够准确地判断检测用传感器51是否处于异常状态。

以上，对本发明所涉及的传感器状态判断系统50进行了说明，但是本发明并不限定于此，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更。

例如，在上述实施方式中，用上述(式2)式对相干值CXY进行了运算，但是用于运算相干值CXY的式子并不限定于(式2)式。因此，例如也可以用以下所示的(式3)式来运算相干值CXY。

[式3]

$C_{\mathrm{XY}}=\frac{\{\mathrm{\Σ}(X-\mathrm{Xa})*(Y-\mathrm{Ya})\}*|\mathrm{\Σ}(X-\mathrm{Xa})*(Y-\mathrm{Ya})|}{\mathrm{\Σ}{(X-\mathrm{Xa})}^2*\mathrm{\Σ}{(Y-\mathrm{Ya})}^2}$

上述(式3)式是从上述(式2)式的公式去掉绝对值后而得到的式子。在使用该(式3)式的情况下，相干值CXY成为从－1至1的范围的值，并且在相位错开180度时相干值CXY为正的规定值和负的规定值(例如1和－1)。与此相对，在使用公式带绝对值的(式2)式的情况下，相干值CXY为从0至1的范围的值，并且在相位错开180度时相干值CXY均是正的规定值(例如1)。因此，在使用(式3)式的情况下，能够也考虑基于相位错开的相干值CXY的负的值，能够实现第一信号X与第二信号Y的精确比较。

另外，用于运算相干值CXY的式子也可以是比(式3)式简单的如下所示的(式4)式。

[式4]

$C_{\mathrm{XY}}=\frac{\mathrm{\Σ}(X*Y)*\left|\mathrm{\Σ}(X*Y)\right|}{\mathrm{\Σ}{X}^2*\mathrm{\Σ}{Y}^2}$

另外，在本实施方式中，铁路车辆1开始行驶后的短时间A(10秒)、异常判断值(0.6)、正常判断值(0.8)、上述多次N(10次)是预先通过实验决定的数据，能够适当地进行变更。另外，异常判断值与正常判断值也可以一致。

另外，在本实施方式中，传感器状态判断系统50也可以在相干值CXY小于异常判断值(0.6)的情况出现一次的情况下，即在图5所示的时间B时，判断为检测用传感器51处于异常状态。

另外，在本实施方式中，传感器状态判断系统50在相干值CXY小于异常判断值的情况连续出现10次的情况下，判断为检测用传感器51处于异常状态，但是传感器状态判断系统50也可以例如在相干值CXY小于异常判断值的情况连续出现10次以上且小于20次的情况下判断为处于由轻度故障引起的异常状态，并在相干值CXY小于异常判断值的情况连续出现20次以上的情况下判断为处于由重度故障引起的异常状态。

另外，在本实施方式中，传感器状态判断系统50构成为判断阻尼控制系统所使用的加速度传感器(检测用传感器51)是否处于异常状态，但是传感器状态判断系统也可以构成为判断对铁路车辆的部件的状态或者乘坐感进行监视的状态监视系统所使用的加速度传感器等是否处于异常状态，或者构成为判断车辆控制所使用的各种传感器是否处于异常状态。

另外，在本实施方式中，检测用传感器51以及监视用传感器52是检测左右方向的振动加速度的加速度传感器，但是也可以是检测上下方向或者前后方向的加速度传感器、两轴或三轴加速度传感器。并且，检测用传感器51以及监视用传感器52也可以是速度传感器、角度传感器、角速度传感器、位移传感器、压力传感器等。另外，检测用传感器51以及监视用传感器52安装于车体30，但是也可以安装于铁路车辆1中的任何部位。

附图标记说明：1…铁路车辆；10…台车；20…空气弹簧；30…车体；40…阻尼装置；50…传感器状态判断系统；51…检测用传感器；52…监视用传感器；60…电子控制装置；61…控制指令值运算部；62…相干性运算部；63…状态判断部；70…报告机构。

Claims (3)

1.一种传感器状态判断系统，其对能够检测作用于铁路车辆的物理值的检测用传感器在所述铁路车辆的行驶中是否处于异常状态进行判断，其特征在于，

在与安装有所述检测用传感器的部位等效的部位，安装有与所述检测用传感器等效的监视用传感器，

设置有判断机构，该判断机构基于由所述检测用传感器检测到的第一信号和由所述监视用传感器检测到的第二信号运算表示两信号之间的相关关系的相干值，并在该相干值小于预先设定的异常判断值的情况下判断为所述检测用传感器处于异常状态，

所述相干值是基于所述第一信号和所述第二信号并根据相干函数而运算出的从﹣1至1的范围的值，所述相干值表示：作为所述第一信号和所述第二信号的相关关系，所述相干值越接近1，两信号越一致。

2.根据权利要求1所述的传感器状态判断系统，其特征在于，

当所述相干值小于所述异常判断值的情况连续出现多次时，所述判断机构判断为所述检测用传感器处于异常状态。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器状态判断系统，其特征在于，

在所述铁路车辆开始行驶后的短时间内，当所述相干值总是小于预先设定的正常判断值时，所述判断机构判断为所述检测用传感器处于异常状态。