CN106537155B

CN106537155B - 用于确定轨道车辆的绝对速度的方法与装置

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Publication number: CN106537155B
Application number: CN201580040114.1A
Authority: CN
Inventors: G.萨兹格伯
Original assignee: Siemens Mobility GmbH Austria
Current assignee: Siemens Mobility Austria GmbH
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: RU2653767C1; WO2016012188A2; AT516086A1; WO2016012188A3; CN106537155A; EP3172577B1; US20170212142A1; EP3172577A2

Abstract

本发明涉及一种用于确定轨道车辆的绝对速度的方法，在车上设置传感器装置（11、12）和信号处理装置（14）。所述方法包括以下步骤：a.分别借助于第一传感器装置（11）检测在前轮副（16）上的轨道（1）中的不规则处，和借助于另一个传感器装置（12）检测至少在后续轮副（17）上的轨道（1）中的不规则处；b.由所述传感器装置（11、12）生成的传感器信号（18）被传输至信号处理装置（14），所述信号处理装置（14）被设计为通过分析所供应的传感器信号（18）确定绝对速度，其中，使用从传感器到另一传感器的传递函数（UTF）的估计。

Description

用于确定轨道车辆的绝对速度的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定轨道车辆的绝对速度的装置与方法，在车上设置了传感器装置和信号处理装置。

背景技术

在现今的轨道车辆中，通常通过用磁轮和磁轮传感器测量车轮旋转速率、将传感器信号馈送至信号处理装置，并且在该处乘以车轮周长来确定速度。

在这种已知的方法中，没有考虑到的是，车轮周长不是固定的量，而是在操作寿命期间由于磨损或者压型（profiling）而变化。也没有考虑到轨道与车轮之间的滑动，从而使结果进一步歪曲。总之，确定出的速度的结果因而是不精确的。

发明内容

在现有技术的背景下，本发明的目的在于具体说明一种用于以改进的准确性测量轨道车辆的绝对速度的装置与方法。

关于带有权利要求1所述的特征的方法和关于带有权利要求10所述的特征的装置实现了该目的。在相应的从属权利要求中公开了本发明的有利实施例。

本发明基于车轮行进过的轨头不是理想的光滑平坦表面的考虑，但是在滚转运动期间，每个车轮均经历由不平整性引起的振动激励。轮车架的在前的轮轴首先沿行进方向经历该激励，并且然后延迟一定时间间隔，后轮轴经历该激励。以此方式，会产生两种相似的信号模式，这两种相似的信号模式本质上通过时间偏移区分，所述时间偏移对应于轮盘经过轨道上的具体点所需要的时间差。当用现代处理器系统评估这些相似的信号时，能够非常精确地计算出时间偏移。针对将特性序列放置在彼此相关的相似信号中，已知信号处理的不同方法。由于铁路列车中的轮车架的两个轮轴之间或者连续轮车架之间的间距是已知的，因此其余部分是简单计算。总之，通过这种手段，能够容易且准确地计算轨道车辆的绝对速度。

为了通过测量技术检测轮副或者车轮的轮轴的激励，能够使用不同的物理变量，例如，位移、速度、加速度或者从其衍生的变量，诸如其微分或者积分。用于检测轨道车辆中的这些物理变量的合适的传感器装置是公知的。传感器装置应当被理解为带有由信号技术处理的传感器信号的相关联的信号处理的测量变换器。根据测量变换器的布置，产生取决于方向的传感器变量。在下文中，z方向将被理解为相对于轨道部段的竖直方向；y方向表示横向于轨道部段引导的横向方向。由于车轮-轨道接触点处的等效锥度，发生沿z方向（竖直）的轨道激励对沿y方向（横向）的轮副运动的串扰，使得测量方向能够沿z方向和/或y方向。虽然联合使用传感器以利用y方向来确定速度在经济上更加有利，但是由于Z方向更加准确地表示竖直轨道运动，因此z方向更加有利。适合于铁路使用的传感器装置是能够商业获得的。

为了确定轨道车辆的绝对速度，根据本发明的方法包括以下方法步骤：

• 在每一种情况下，借助于第一传感器装置确定前轮副附近的轨道中的不平整性，并且借助于另一个传感器装置确定至少在后轮副处的轨道中的不平整性；

• 将由传感器装置生成的传感器信号传输至信号处理装置，该信号处理装置被配置为借助于分析所供应的传感器信号确定绝对速率，其中，出于该目的，使用在传感器信号之间的估计的传递函数的滤波器系数中最大的值的时间位置（temporal position）。

由于共同使用传感器和/或更简单的组件和/或更简单的电缆布设，如果在不同位置处将所使用的传感器放置在轨道车辆上，则能够是有利的。基本上合适的测量位置是在轴箱上或者直接在一系弹簧（primary spring）上（成对地在相同轨道上）或者直接在轮车架的二系弹簧（secondary spring）上的那些位置。优选地，沿z方向检测由振动引起的加速度。

一般地，传感器设备从轴箱位置（激励位置）被移走得越远，加速度越小，使得在更近的区域中，能够使用更经济的传感器。然而，移走后的位置距离轴箱位置越远，取决于速度的相似性越不明显。为了补偿这种效应，能够使用强有力的信号处理方法。

如果在成对地安置在相同轨道上的不同轮副的轴箱上使用两个传感器装置，则能够是有利的。被观测的轮副也能够属于不同的轮车架。仅沿轨道的方向观察到的传感器之间的间距是已知的是非常重要的。

如果借助于轴箱传感器同时在两个轨道上检测激励，则也能够是有利的。在此，右轨道和左轨道两者的激励均被用于确定时间延迟，使得准确性和相对故障的鲁棒性得以提高。

如果将传感器中的每一个均放置在一系弹簧阶段（stage）上，也能够是有利的。通过这种手段，特别是在将传感器与其它系统一起使用的情况下，能够继而产生设计和/或经济优势。关于传感器在轮车架上的分布，与针对“轴箱”测量位置相同的变量选项是可能的。

也可能将传感器放置在两个或者更多个不同的轮车架的框架上。而且在此，能够根据激励信号确定取决于速度的时间差。于是在此将考虑的间距“A”是在相应的对中考虑的轮车架中的一个轮车架的轮车架中心距离另一个轮车架的轮车架中心之间的间距。

能够实现另一改进，因为对于确定绝对速度而言，使用了多个轮车架对的组合，使得作为平均作用的结果，能够进一步改进速度测量的准确性。

在另一个优选实施例中，能够设置的是，将传感器放置在两个或者更多个轮车架上方的车体（wagon body）中。这种放置的优势在于简化的电缆布设和对传感器的更低的机械要求，使得能够更经济地实现该系统。关于在轮车架上方的车体中传感器的分布，与“框架中心”测量位置相同的变量选项是可能的。

一种用于确定时间偏移的方法能够是借助于互相关进行评估。然而，用系统识别的方法，例如，有非常适合于评估现有激励信号的自适应滤波器的辅助的系统识别，能够实现显著的改进。借助于自适应滤波器，在一个传感器信号的辅助下估计另一个传感器的信号。在运动传感器（例如，放置在相同轨道上的传感器对）的共同激励中，能够根据一个传感器的信号估计另一个传感器的信号。在这种情况下，用于这种估计的自适应滤波器供应具有明确的最大值的传递函数（ÜTF）。于是，传递函数（ÜTF）中的最大值的时间位置对应于两个信号之间的延迟Δt。根据该延迟，能够确定行进的速度（沿行进的方向的传感器间距除以延迟Δt）和行进方向（延迟的符号）。在此，能够在频域以及时域两者中进行传递函数的计算。适合于铁路使用的计算机系统，例如，专用信号处理器、微控制器和微处理器是能够商业地获得的。

在本发明的背景中，表述“传递函数”（ÜTF）应当被理解为意指滤波函数，例如，有限冲激响应（FIR）滤波器的本身公知的非递归滤波器的滤波函数，该FIR滤波器借助于一个传感器的信号来尽可能好地重现（就最小误差和的意义而言）另一个传感器的信号。在传感器信号的分析中，使用传感器信号之间的滤波器系数中的最大的值的时间位置。

通过确定遍及多个传感器对的共同传递函数，能够实现另一个改进。能够执行这种确定，因为例如在带有4个轴箱传感器的轮车架中，因为检测到以下4条传递路线，计算共同的最佳传递函数（ÜTF）：轮轴1、轮轴2右侧、右侧（前向ÜTF）；轮轴2、轮轴1右侧、右侧（后向ÜTF）；轮轴1、轮轴2左侧、左侧（前向ÜTF）；轮轴2、轮轴1左侧、左侧（后向ÜTF）。在后向ÜTF中，时间序列是倒置的，使得这4个传递函数建设性地叠加。根据需要，能够使该方法延伸至许多传递路径，使得确定速率和准确性两者均增加。以此方式，在将本发明试用在机车上时，以1 s的确定速率和0.2 m/s的精度实现可靠的速度确定。

本发明还涉及一种用于确定轨道车辆的绝对速度的装置，其包括：

-与轨道车辆的前轮副相关联的第一传感器装置和与轨道车辆的后轮副相关联的至少另一个传感器装置，并且这些传感器装置中的每一个均被配置为检测轨道的不平整性；

-信号处理装置，各个传感器装置的信号被发送至该信号处理装置，该信号处理装置被配置为执行传感器信号的分析，并且根据其确定绝对速度，其中，为此目的，使用在传感器信号之间的估计的传递函数的滤波器系数中的最大的值的时间位置。

附图说明

为了进一步解释本发明，将在本说明书的以下章节中参照附图，其中所述附图使用非限制性示例性实施例图示了本发明的其它有利实施例、细节和发展。

附图中：

图1是从侧面观察的带有前轮副和后轮副的轮车架的示意图示，其中，在示出的示例性实施例中，传感器装置被布置在轴箱上；

图2是在图1的前轮副处测得的随时间而变的第一激励信号；

图3是在图1的后轮副处测得的随时间而变的第二激励信号；

图4是本发明的示例性实施例，其中，在轮车架上，传感器装置布置在轮副的轴箱的一系弹簧上方的轮车架框架上；

图5是本发明的另一个示例性实施例，其中，在每一种情况下，将测量位置设置在轮车架中心上方的车体中，其中，考虑多个这样的测量装置以便确定绝对速度。

具体实施方式

图1以简化的图示示出了轨道车辆（未详细示出）的轮车架2。车轮9、10成对地设置在定位在沿行进方向前方的轮副16和后轮副17上。该轮副彼此具有轮轴间距“a”。如图1中夸大地示出的，轨道1的行驶表面是不平整的。在图1中示出的视图中，行进方向是从右到左。因此，如果前车轮9行进越过不平整处，则后车轮跟随前车轮产生时间偏移。不平整性引起振动激励，其通过测量技术来评估。如图1所表明的，传感器装置与每一个轴箱相关联：传感器装置11与前轮轴相关联，传感器装置12与后轮轴相关联。根据实施例，取决于方向，这些传感器装置11、12能够表现出不同的物理参数，例如：位移、速度、加速度或者从其衍生的变量，诸如其微分或者积分。相对于轨道部段，z方向应当被理解为竖直方向，同时y方向表示横向方向。每个传感器装置均生成相应的传感器信号18，其被馈送至信号处理与评估装置14。所述评估装置本质上由适合轨道使用的处理器系统组成。能够在该处理器系统中运行的算法确定两个时间上顺序的传感器信号18的相似性。在本示例中，这是用于借助于自适应滤波器计算传递函数（ÜTF）的算法，其中，既能够在时域中也能够在频域中进行该计算。FIR滤波器借助于一个传感器的信号来尽可能好地重现另一个传感器的信号（因为形成最小误差和）。比较结果是所寻求的时间延迟Δt（见图2和图3）。

图2和图3通过示例的方式示出随时间而变的由轨道的不平整性产生的测量信号：在前车轮3处的激励信号6（图2中的信号模式“sa1(t)”）和在后车轮4处的激励信号7（图3中的信号模式“sa2(t)”）。信号6、7两者就其时间序列而言是相似的，基本上位移了时间间隔Δt。如果在评估相似性之后该时间延迟Δt是已知的，则采用车轮9、10的轮轴3、4之间的已知间距“a”，通过评估关系式v=a/Δt（其中，v是绝对速度；a是轮轴间距；Δt是延迟）能够非常容易地确定轨道车辆的实际速度。

图4示出本发明的实施例，其中，在轮车架2上，传感器11、12被放置在一系弹簧阶段15上。该原理如上文所述。由两个传感器11、12确定的激励信号（在图2和图3中，信号模式“sa1(t)”和“sa2(t)”）中的每一个均作为信号18被馈送至信号检测与评估装置14，然后该信号检测与评估装置14确定延迟Δt并且使用上文给出的关系式计算出轨道车辆的实际速度。

图5示出本发明的另一个示例性实施例。在此，两个传感器装置11和12中的每一个均被布置在车体13中，其中，这些车体13中的每一个均位于前轮车架2和后轮车架2’上。其它轮车架能够被布置在这两个轮车架2、2’之间的铁路列车中。由测量装置11和12生成的信号18中的每一个均被传送至信号捕获与评估单元14。该单元通过使用前述用于信号分析的算法确定信号6、7之间的延迟Δt。与图1和图4中的示意图不同，在本示例中，两个轮车架2、2’之间的间距“A”被用于确定绝对速度V。

使用的附图标记总结

1 轨道

2、2’ 轮车架

3 前轮轴

4 后轮轴

5 速度

6 前车轮处的激励信号

7 后车轮处的激励信号

8 轨道的不平整性

9 （前）车轮

10 （后）车轮

11 传感器装置

12 传感器装置

13、13’ 车体

14 信号处理装置

15 一系弹簧

16 前轮副

17 后轮副

18 传感器信号

a 轮轴间距

A 连续轮车架之间的间距

Δt 时间间隔、延迟

v 绝对速度

z 竖直方向

y 横向方向

ÜTF 传递函数

Claims

1.一种用于确定轨道车辆的绝对速度的方法，在车上设置传感器装置（11、12）和信号处理装置（14），其特征在于以下方法步骤：

a. 在每一种情况下，借助于第一传感器装置（11）检测在前轮副（16）处的轨道（1）的不平整性，并且借助于另一个传感器装置（12）检测至少在后轮副处的轨道（1）的不平整性；

b. 将由所述传感器装置（11、12）生成的传感器信号（18）传输至信号处理装置（14），所述信号处理装置（14）被配置为借助于分析所供应的所述传感器信号（18）确定所述绝对速度，其中，为此目的，使用所述传感器信号之间的估计的传递函数（ÜTF）的滤波器系数中的最大值的时间位置；

其中，所述传递函数（ÜTF）是自适应滤波器的滤波函数，所述自适应滤波器根据一个传感器的信号估计另一个传感器的信号；所述最大值的时间位置对应于两个信号之间的延迟Δt，并且通过沿行进方向的传感器间距除以所述延迟Δt来确定所述绝对速度，其中所述行进方向由延迟的符号表示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用传感器装置（11、12），其被构造成检测沿z（竖直）方向或者y（横向）方向的位移、速度或者加速度，或者其相应的微分或者积分。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，至少两个所述传感器装置（11、12）分别被布置在不同轮副的连续轴箱上。

4.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述传感器装置被配置为借助于轴箱传感器检测一条轨道和另一条轨道（1）的不平整性或者同时检测两条轨道上的不平整性。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用每一个均布置在相关联的一系弹簧（15）上的所述传感器装置（11、12）。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传感器装置（11）被布置在一个接一个行进的多个轮车架上，其中，为了确定所述绝对速度，使用前轮副（16）和后轮副（17）的传感器信号（18）。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器装置（11、12）被布置在轨道车辆的多个轮车架（2、2’）上；并且，为了确定所述绝对速度，使用多个轮车架对（13、13’）（图5）的组合。

8.根据权利要求1至2和5至7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述信号处理装置（14）是数字计算机系统，所述数字计算机系统借助于自适应滤波器计算所述传递函数（ÜTF），并且根据馈入的所述传感器信号（18）和所述滤波器系数的形状中的最大值的时间位置确定所述绝对速度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在确定所述传递函数（ÜTF）期间，所述信号处理装置（14）考虑多个传感器对的传感器信号（18）。

10.一种用于确定轨道车辆的绝对速度的装置，其包括：

a. 与所述轨道车辆的前轮副（16）相关联的第一传感器装置（11），和与所述轨道车辆的后轮副（17）相关联的至少另一个传感器装置（12），并且所述传感器装置（11、12）中的每一个均被配置为检测轨道（1）的不平整性；

b. 信号处理装置（14），各个所述传感器装置（11、12）的传感器信号（18）被馈送至所述信号处理装置（14），所述信号处理装置（14）被配置为执行所述传感器信号（18）的分析并且根据所述传感器信号（18）确定所述绝对速度，其中，为此目的，使用所述传感器信号之间的估计的传递函数（ÜTF）的滤波器系数中的最大值的时间位置；

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述传感器装置（11、12）被配置为检测沿z（竖直）方向或者y（横向）方向的位移、速度或者加速度，或者其相应的微分或者积分。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，至少两个所述传感器装置（11、12）中的每一个均由布置在不同轮副（16、17）上的轴箱传感器形成。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，至少两个传感器装置（11、12）分别布置在不同轮副（16、17）的顺序轴箱上。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述轨道车辆包括多个轮车架（2、2’），所述传感器装置（11、12）布置在这些轮车架（2、2’）中的多个轮车架上，并且每一个传感器信号（18）均被馈送至所述信号处理装置（14）。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的装置，其特征在于，所述信号处理装置（14）是数字计算机系统，所述数字计算机系统借助于自适应滤波器根据被馈入其的所述传感器信号计算所述传递函数，并且根据所述传递函数确定所述绝对速度。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，为了确定所述传递函数，所述信号处理装置（14）考虑多个传感器对的传感器信号（18）。