CN109641604B - 用于列车中力监控的分布式光纤感测 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于监控在列车（202）沿着铁轨轨道（201）行进时所获得的数据，以检测任何显著列车中力的出现和/或严重性，所述显著列车中力诸如可由重的制动或过度加速引起。该方法涉及取得第一数据集，该第一数据集对应于来自至少一个光纤分布式声学传感器（202）的测量信号，该光纤分布式声学传感器具有被部署以监控铁轨轨道的至少部分的感测纤维（101）。第一数据集对应于在列车沿着铁轨轨道经过时所获取的测量信号。该方法涉及分析测量信号以检测第一特征标记（402），该第一特征标记包括似乎沿着列车向后传播的声学瞬态的序列。

Description

用于列车中力监控的分布式光纤感测

本申请涉及用于通过使用分布式光纤感测、尤其是分布式声学感测来进行铁轨监控的方法和装置，并且特别地涉及用于监控在网络上移动的铁轨载具的方法和装置。

光纤分布式声学感测（DAS）是已知类型的感测，其中光纤被部署为感测纤维，并且被利用电磁辐射被重复地质询以提供沿着其长度的声学活动的感测。典型地，一个或多个辐射输入脉冲被发射到光纤中。通过分析从纤维内背向散射的辐射，纤维可以实际上被划分成多个分立的感测部分，其可以是（但不必是）邻接的。在每个分立的感测部分内，纤维的机械扰动（例如，由于入射声波所致的应变）引起从该部分背向散射的辐射的属性中的变化。该变化可以被检测和分析并且被用来给出在该感测部分处的纤维的扰动的度量。因而，DAS传感器实际上充当光纤的声学感测部分的线性感测阵列。通过质询辐射的特征以及被应用到背向散射信号的处理来确定纤维的感测部分的长度，但是典型地，可以使用大约几米到几十米左右的感测部分。

DAS已经被使用在很多应用中，该很多应用诸如周界安全性以及监控诸如管道之类的线性资产。其中已经提议可以采用DAS传感器的一个特定应用处于对铁轨网络的监控中，例如监控在铁轨网络上移动的列车。

为了监控铁轨网络，感测纤维可以被部署成一般沿着铁轨网络的一个或多个铁轨轨道的路径延伸。列车在与DAS感测纤维相邻的这样的铁轨轨道上的移动将生成声学信号/振动，其可以被用来在载具移动时追踪载具，从而提供实时方位信息，其达到连续地沿着所监控的区段的整个长度的几十米的分辨率。

DAS具有用于这样的铁轨网络监控的若干个优点。DAS可以被应用以在纤维的很长长度之上提供许多感测信道，例如DAS可以被应用在高达40 km或更多的纤维长度上，其中具有大约10 m长的邻接感测信道。因而，可以通过使用单个DAS传感器来监控铁轨网络的长的伸展。对于多于40 km左右的长度，能够以各种间隔来部署若干个DAS传感器单元以提供对任何期望长度的交通网络的连续监控。

感测纤维可以是标准的电信纤维，并且因而相对便宜。纤维可以被简单地埋在交通网络旁边（例如，沿着侧边或在轨道或道路下面、在窄通道中），并且相对容易安装。光纤可以被包在保护性套管中（即，在线缆中），并且可以在没有任何维护的情况下长时间保持完好。因而安装和维护成本很低。在许多交通网络中，可已经存在沿着至少主要路线部署的光纤，并且这样的现存的通信基础设施可以包括能够被用于DAS的冗余光纤。

通过由质询器单元所生成的光学脉冲来质询光纤，并且因而仅质询器单元需要功率。

在铁轨网络中，设置DAS系统因而提供如下能力：实现所期望的空间分辨率和覆盖范围二者，这通过使用其它感测技术实现起来将会非常困难和高成本，并且其允许对交通网络的实时监控和/或控制。

本发明的实施例因而涉及用于分布式光纤感测以用于铁轨监控的方法和装置，并且特别地涉及用于监控通过移动的铁轨载具所产生的声学信号以提供关于铁轨载具的附加信息的方法和装置。

因而，根据本发明的一个方面，提供有一种检测列车中力（in-train force）的方法，其包括：

取得第一数据集，其对应于来自至少一个光纤分布式声学传感器的多个信道的测量信号，该光纤分布式声学传感器具有被部署以监控铁轨轨道的至少部分的感测纤维，其中第一数据集对应于在列车沿着铁轨轨道经过时所获取的测量信号；以及

分析测量信号以检测第一特征标记（characteristic signature），所述第一特征标记包括似乎沿着列车向后传播的声学瞬态的序列。

如将在下面更详细描述的，在相对重的制动或加速下，在列车车厢之间的联结器（coupling）中可以生成相对显著的力。在车厢之间的联结器通过加速或减速被延长或压缩时，可以生成声学瞬态。在列车加速或减速时，这些列车中力将贯穿列车的长度进行传播，从而导致第一特征标记。第一特征标记的出现因而可以被标识为显著列车中力的出现。检测到这样的特征标记可以被用作检测到已经经历了显著列车中力。

该方法还可以涉及基于声学瞬态的强度来估计列车中力的量值。该方法可以涉及确定在列车中力传播通过列车时列车中力的量值的改变率。

可以分析声学瞬态的序列以确定与列车中力贯穿列车的传播有关的信息。例如，可以确定在沿着列车的至少一个位置处的列车车厢之间的撞击速度的估计。

分析测量信号可以包括为多个信道中的每一个来标识与列车相关联的声学信号。因而对于各种信道，可以确定与经过相关感测部分的列车相关联的时间窗中的信号。标识与列车相关联的声学信号可以包括在第一频带中处理信号。第一频带可以是与移动的列车所生成的一般噪声相关联的相对低的频带。然后可以分析与列车相关联的声学信号以检测瞬态。

在一些示例中，分析与列车相关联的声学信号以检测瞬态可以包括在至少一个限定频带中分析声学信号。该至少一个限定频带可以具有截止频率，该截止频率高于第一频带的频率。在一些示例中，分析与列车相关联的声学信号以检测瞬态可以包括在至少第二频带和第三频带中分析声学信号，其中第三频带具有高于第二频带的较低频率截止。该方法可以涉及在第二频带中标识瞬态，并且在第三频带中限定该瞬态。

检测第一特征标记可以包括确定存在与特征标记相对应的任何群集的瞬态。可以基于列车中力的模型、在预先确定的容差内、在空间和时间上将瞬态分组在集群中。该方法可以涉及将曲线拟合应用到集群。

在一些实例中，该方法可以被实行在第一数据集上，该第一数据集已经被可能地通过某方在先获取，并且被存储在一些可访问的位置中。因而，该方法可以涉及分析由另一实体所提供的历史数据或实况或新近数据。然而，在一些实例中，该方法还可以涉及当列车在铁轨轨道上行进时在感测纤维上实行分布式声学感测以生成第一数据集。该方法可以包括将对第一特征标记的任何检测传送到列车。因而，对于实时检测，显著列车中力的任何出现可以被传送到列车，例如以允许采取校正动作，从而降低正经历的列车中力的严重性。在检测到第一特征标记时，可以为列车驾驶员生成警报，和/或可以自动调节列车移动控制的一个方面。附加地或替换地，与列车中力有关的信息可以被中继到控制中心以修改铁轨网络控制的某个方面，例如，速度限制等等。

还提供的是一种用于检测列车中力的装置，其包括：

处理器，其被配置成：

取得第一数据集，其对应于来自至少一个光纤分布式声学传感器的多个信道的测量信号，该光纤分布式声学传感器具有被部署以监控铁轨轨道的至少部分的感测纤维，其中第一数据集对应于在列车沿着铁轨轨道经过时所获取的测量信号；以及

分析所述测量信号以检测第一特征标记，所述第一特征标记包括似乎沿着列车向后传播的声学瞬态的序列。

该装置可以被配置成实现在本文中所描述的变体中任一个中的方法。

还提供的是一种铁轨监控系统，其包括：

感测光纤，其被部署成至少部分地沿着铁轨轨道路径延伸；

质询器单元，其被配置成在感测光纤上实行分布式声学感测，以生成来自感测光纤的多个信道的测量信号；以及

用于检测如上所述的列车中力的装置，其被配置成在列车沿着铁轨轨道经过时由质询器单元所获取的测量信号的第一数据集上进行操作。

各方面还涉及非暂时性存储介质上的软件代码，所述代码包括计算机可读指令以用于指示合适的计算装置来实行本文中所描述的变体中任一个的方法。存储介质可以是任何合适的非易失性存储器，诸如CD-ROM、存储器棒、fals存储器或计算设备的存储器模块。

现在将参照附图、仅仅作为示例来描述本发明，在附图中：

图1图示了光纤分布式声学传感器；

图2图示了被应用以监控铁轨网络的分布式声学感测（DAS）；

图3a至3c图示了在列车减速时声学瞬态的序列的生成；

图4图示了展现列车中的列车力的特征标记的来自DAS传感器的示例数据；

图5图示了确实展现出特征标记的数据的计数器示例；

图6图示了展现特征标记的来自DAS传感器的数据的另一示例；以及

图7图示了根据实施例的方法的流程图。

本公开内容的实施例涉及通过使用分布式光纤感测、以及特别是光纤分布式声学感测（DAS）来监控在铁轨网络上移动的铁轨载具。特别地，本发明的实施例涉及监控例如由铁轨载具在使用中经历的很大的力，并且在一些实施例中，涉及估计这样的力的严重性。实施例分析来自DAS传感器的数据以检测显著列车中力的信号特征，其可以是似乎沿着列车向后传播的声学瞬态的序列，如将在下面更详细描述的。

如先前提到的，DAS是已知的技术，其中光纤——在本文中被称为感测纤维——被部署在关注区域中并且被利用光学辐射质询，以便确定与影响光纤的各种感测部分的环境扰动有关的信息。

图1图示了DAS传感器100的一个示例。DAS传感器包括光纤101，该光纤101被设置为感测纤维并且在一端处光学地耦合到质询器单元102，其通过某种合适的连接（其可以是可移除的连接）直接地或者在一些实例中例如经由中间纤维等等间接地耦合。感测纤维101在长度上可以是许多千米，并且在长度上可以例如是40 km或更长。感测纤维可以是标准的、未经修改的单模式光纤，诸如在电信应用中常规使用的，其无需诸如纤维布拉格光栅等等的有意引入的反射位点。使用标准光纤的未经修改的长度来提供感测的能力意味着可以使用低成本、容易可得的纤维。然而，在一些实施例中，感测纤维可以包括光纤，该光纤已经被制造或布置成对于入射振动特别灵敏。典型地，感测光纤将形成光纤线缆结构的部分，可能地作为线缆内的一束光纤之一，并且可选地具有其它组件，诸如强化或护卫元件，或被布置成剪裁（tailor）对横向应变的响应的元件。由于感测纤维通常相对不昂贵，所以感测纤维可以按相对持久的方式被部署在一位置中，因为将纤维留在原位的成本并不重要。例如，感测纤维的至少部分可以被埋在铁轨轨道旁边的地下。

在操作中，质询器单元102将相干质询电磁辐射发射到感测纤维中，该相干质询电磁辐射可以例如包括一系列具有所选择的频率模式的光学脉冲。光学脉冲可以具有如在专利公布GB2,442,745或WO2012/137022中所描述的频率模式，该专利公布的内容由此通过引用结合于其中，尽管使用其它形式的脉冲质询辐射或连续调制波的DAS传感器也是已知的并且可以被使用。注意的是，如本文中所使用的，术语“光学的”不被限制于可见光谱，并且光学辐射包括红外辐射和紫外辐射。质询器单元102因此包括至少一个激光器103和至少一个光学调制器104以用于产生质询辐射，其在一个实施例中可以包括被已知光学频率差分离的多个光学脉冲。

如在GB2,442,745或WO2012/137022中所描述的，瑞利（Rayleigh）背向散射的现象导致输入到纤维中的光的某个部分被往回散射到质询器单元，其中它被检测并且被处理以提供测量信号，该测量信号表示作用于纤维上的扰动。由于质询辐射是相干的，所以在任何时刻在质询器处往回接收到的瑞利背向散射是在纤维内从纤维中的特定方位生成的背向散射的干扰信号。将注意到，该瑞利背向散射是由质询辐射与光纤内存在的固有散射位点之间的相互作用所生成的。因而，感测功能可以实际上贯穿整个感测纤维而分布（尽管返回物在时间箱（time bin）中被处理以提供来自纤维的个体感测部分的结果）。这样的传感器因此被称为分布式传感器或本征传感器，因为感测贯穿纤维本身而分布并且对于纤维本身是本征的。这与如下传感器形成对照：该传感器使用具有纤维布拉格光栅（FBG）或类似的有意引入的非固有反射位点的纤维，其中感测功能被提供在限定区域中，典型地如点传感器。

散射位点贯穿光纤的分布实际上是随机的，并且因而背向散射干扰信号包括沿着感测纤维的长度随机变化的分量。然而一般而言，在缺乏作用于感测纤维上的任何环境激励的情况下，来自纤维的给定感测部分的背向散射的特征对于接连的质询将是相同的（假定质询辐射的特征不改变）。然而，诸如在纤维的区段上产生动态应变的入射声波之类的环境激励将导致针对该感测部分的有效光学路径长度中的改变，其具有在来自该区段的背向散射干扰信号的属性中的由此导致的变化。该变化可以被检测并且用来指示作用于感测纤维上的扰动的程度。

质询器单元102因而还包括至少一个光电检测器105，该光电检测器105被布置成检测从纤维101内的本征散射位点瑞利背向散射的辐射。然而，应当注意到，虽然在本发明的实施例中瑞利背向散射DAS传感器非常有用，但是基于布里渊（Brillouin）或拉曼（Raman）散射的系统也是已知的并且可以被用在本发明的一些实施例中。

来自光电检测器的信号由信号处理器106在时间箱中处理，该时间箱与对于感测纤维的限定感测部分的往返行程行进时间相对应。每一个时间箱中的信号被处理以检测背向散射属性中的变化并且为每个感测部分生成测量信号。

在一些示例中，信号处理器基于被发射到感测纤维中的质询辐射的光学脉冲之间的频率差来解调返回信号。质询器可以如例如在GB2,442,745或WO2012/137022中所描述的那样或者如在WO2012/137021中所描述的那样运作。在一些实施例中，信号处理器还可以应用相位展开算法。

测量信号的相位可以得自于来自光纤的各种区段的背向散射的光。纤维的给定区段内的有效光学路径长度中的任何改变（诸如将由于在纤维上引起应变的入射压力波所致的）将导致重复质询之间的所测量相位中的改变。因而，作用于纤维上的动态改变因此可以在光纤的多个感测部分中的每一个中被检测。相位中改变的量值与光学路径长度中的有效改变有关，并且因此指示在感测纤维的该感测部分上的应变。

光学输入的形式和检测方法允许单个连续的光纤在空间上被分解成分立的纵向感测部分。也就是说，可以大体上独立于在相邻部分处的所感测信号来提供在一个感测部分处所感测的声学信号。光纤的感测部分的空间分辨率可以例如是近似10 m，其对于大约40 km的连续长度的纤维比方说提供了沿着40 km的纤维所部署的4000个左右的独立声学信道。更多个信道可以被布置在具有不同的信道宽度的纤维上。

注意到，术语“声学的”应当意指任何类型的压力波或机械扰动，其可以导致光纤上的应变的改变，并且为了避免疑义，术语声学的被理解成包括超声和次声波，以及地震波或其它诱发型振动。如在本说明书中使用的，术语“分布式声学感测”或“DAS”将被理解成意指通过光学地质询光纤以提供沿着纤维纵向分布的多个分立声学感测部分来进行感测，并且术语“分布式声学传感器”应当被相应地解释。

来自质询器单元102的输出可以因而是针对相关感测纤维101的每个感测部分的测量信号，其指示声学信号或作用于该感测部分上的动态应变。个体感测部分还可以被称为DAS传感器的信道。质询器单元102的输出可以被传递到数据处理器107，该数据处理器107可以被配置成分析针对各种信道的测量信号。数据处理器107可以与质询器单元102协同定位或远离它。

为了监控铁轨网络，一个或多个感测纤维101可以被部署成沿着铁轨网络的部分的路径延伸。图2图示了用于监控铁轨网络的DAS传感器装置200。注意到，如本文中所使用的，对监控铁轨网络的引用应当被理解成意指监控铁轨网络的至少部分，即，铁轨网络的一个或多个铁轨轨道的至少部分。图2图示了列车202可以沿其行进的铁轨轨道201的区段。图2图示了感测纤维101a和101b被部署成使得一般在被监控的轨道旁边并且以与轨道的相对恒定的间隔而延伸，使得纤维局部地平行于轨道。这可以是方便的布置，因为感测纤维101的感测部分可以被直接映射到铁轨轨道201的对应部分。感测纤维可以按任何方便的方式沿着轨道部署，并且可以例如被埋在轨道旁边，要么直接在地下，要么在轨道道渣下面，或在某种合适的管道中。在其它实施例中，感测纤维的至少部分可以耦合到铁轨本身。然而，在一些实例中，尤其如果使用最初被安装用于除了DAS之外的目的的光纤，则光纤可以在某些位置处不平行于轨道而延伸，和/或在某个点处可存在光纤的环路，或者光纤的部分可以转换方向离开轨道。在这样的情况中，可能有必要校准纤维的与轨道相关的相关感测部分的方位。如对于DAS感测领域的技术人员将会已知的，存在可以这样做的各种方式。DAS传感器的个体信道可以因而被映射到可具有与彼此不同的长度的轨道区段，使得以恒定速度沿着轨道移动的列车将会似乎跨DAS传感器的信道而线性地移动。

在图2中图示的示例中，铁轨轨道201的部分由第一感测纤维101a的至少部分来监控，并且铁轨轨道201的另一部分由第二感测纤维101b的至少部分来监控。感测纤维101a和101b可以被布置成提供对轨道201的相对长的区段的相对连续的监控。感测纤维中的每一个被连接到相应的DAS质询器单元102a和102b，尽管在一些布置中，单个DAS质询器单元可以按时分方式在不同感测纤维之间复用。在图2中图示的示例中，质询器单元102a和102b被布置为传感器站202的部分，其中感测纤维101a和101b沿着轨道201以相反的方向延伸。这可以提供距单个传感器站的高达大约80 km的轨道或更长的感测覆盖。数据处理器107可以位于传感器站处以处理来自质询器单元102a和102b的数据。然而，将领会的是，图2仅仅图示了一个示例，并且可以实现各种不同的布置，这取决于被监控的特定铁轨网络。

在使用中，每个DAS传感器可以被操作以监控铁轨网络，例如，质询器单元102a质询相关感测纤维101a以提供DAS感测。列车220沿着轨道201的移动将生成各种动态应变，例如，声学信号，其将传播到感测纤维并且由DAS传感器检测。

由DAS传感器的任何给定信道所检测的声学信号将取决于引起声学信号的激励以及声学信号通过其行进到感测纤维的路径。为了监控在铁轨网络上移动的列车，在铁轨轨道上移动的列车充当移动的声学源，并且抵达任何给定感测部分的声学信号将取决于列车的特征、它正在其上移动的轨道以及相关感测部分周围的环境。

诸如列车之类的铁轨载具典型地包括许多不同车厢，该许多不同车厢被耦合在一起，例如经由缓冲器和链式车钩或转向节车钩（诸如詹式车钩）。在许多实例中，尤其是为了货物运输，可存在接合在一起的大量车厢。

当列车加速或减速时，力经由联结器沿着列车传递。在长列车中，当制动时，可能出现问题，因为来自列车头控制的制动控制信号可能花费一些时间来通过列车向后传播以便激活每个车厢的制动器。在一些实例中，对于长列车（例如在长度上为大约一千米或更大），制动控制信号可能花费大约几秒来抵达末端车厢。制动中的该延迟可导致更靠近列车前方的车厢在更靠近列车后方的车厢之前开始制动。这可导致在后方的车厢撞上前向车厢，其可在联结器（例如，车钩和/或缓冲器）中产生很大的力。

同样地，可以在列车的加速时产生很大的力。在过度加速的情况下，联结器中的松弛可激进地减小，从而在联结器达到其最满程度时导致相对大的力。这再次导致每个车厢的延迟的顿挫（jerking）加速，进而贯穿列车向后继续进行。

缓冲器和车钩中的过度的力可显著贡献于铁路上使用的全部车辆的劣化。该类型的重复的大力因而与以其它方式将会有的情况相比可以更快速地使联结器劣化，从而导致用于检查、修复和/或置换的增加的维护成本/停工期。还存在针对联结器的灾难性故障的可能性，从而引起车厢脱钩以及甚至脱轨。

本发明的实施例涉及用于针对这样的列车中力的出现进行监控的方法和装置，和/或涉及估计这样的力的程度或严重性。

本发明人已经领会到的是，由列车、或列车的部分的相对高的加速度或减速度所引起的列车中力可在列车沿着轨道行进时在由DAS系统所检测的声学信号中产生可标识的声学瞬态。

例如，考虑如在图3a-c中所图示的列车减速。图3a图示了以箭头301所图示的方向行进在轨道101上的列车202。图示了列车的四个车厢302，但是将领会的是，在实践中，可存在许多更多车厢，无论是任何类型的货运车厢还是旅客车厢等。车厢302通过联结器303而与彼此连接。如本领域技术人员将理解的，许多这样的联结器具有至少某种灵活性以允许车厢302之间的距离在某些限制内变化，其中提供缓冲器或其它吸震器来减小加速/减速的震动。

图3a图示了以大体上恒定的速度移动的列车。现在考虑的是，列车202相对猛烈地制动。如以上所讨论的，制动控制信号可以从列车前方处或其附近朝向列车后方传播，从而激活每个车厢的制动器。制动信号沿着列车的传播中的延迟可以导致后方车厢开始制动，并且因而比前向车厢更晚地减速。因而，在该示例中，（所示出的车厢的）前面的车厢302-1可在其它车厢302-2至302-4之前制动并且变慢，并且因而车厢302-2可以比它前面的车厢302-1更快地暂时结束行进。在这两个车厢之间的距离将靠近，其中在相关车厢之间的联结器303-1的吸震器（即，缓冲器等等）起作用以向车厢302-2提供某种变慢的力。然而，在相对猛烈的制动下，可存在通过联结器传输的相对大的力，并且一旦联结器303-1达到其最大程度，两个车厢就可以实际上通过联结器进行碰撞，如图3b中图示的。这可以产生声学瞬态信号304。

车厢302-2将因而变慢，并且将比它后面的车厢302-3与302-4更缓慢地行进。然而，车厢302-3将仍更快地行进，并且因而可能顺次与车厢302-2相撞，如图3c中图示的。该效应可沿着列车的长度重复。

类似的效应可发生在猛烈加速下。给定车厢可以通过来自它前面的车厢的牵引而向前加速。在该车厢加速时，在该车厢与它后面的车厢之间的联结器可延长直到联结器达到最大程度并且后面的车厢向前颠簸为止。这还将导致很可能的声学扰动。

然而在不太极端的减速或加速下，被施加到联结器的力将较低，并且因而被施加到联结器的任何震动的量以及任何声学扰动的量（如果有任何的话）也将较低。

已经领会的是，这可导致随时间推移的一系列声学瞬态，其位置贯穿列车向后行进。这样的声学瞬态序列可以因此被视为特征声学信号，其指示相对大的加速度或减速度以及因而相对大的列车中力。令人惊奇地，作为相对大的列车中力的指示的该特征信号可以在由列车在它移动时所生成的总体声学信号内被标识。

图4图示了在列车沿着轨道行进时从光纤分布式声学传感器生成的数据的瀑布图，该光纤分布式声学传感器具有沿着铁轨轨道的路径部署的感测光纤。瀑布图图示了随时间的推移的来自感测纤维的每个信道的声学强度，即，由每个感测部分所检测的测量信号指示声学扰动的强度。在实际系统中，通过颜色来表示所检测到的声学强度——其在图4的黑白表示中不能被清楚地示出。然而，一般而言，在图4中，声学强度中的差异由灰度强度中的差异来指示。

DAS传感器的信道被沿着感测纤维从第一信道C1到最后信道CN线性地间隔开。感测纤维被部署成一般沿着轨道的路径延伸，并且因而一般对应于沿着轨道的距离。如以上所提到的，可以实行信道向轨道的映射来调节在感测纤维的路径与轨道路径的方面中的任何偏离。在该实例中，轨道是长度上为若干千米的测试环轨道，并且感测纤维沿着整个环的长度来部署。

在图4中图示的时间窗的起始处，没有在信道C1处所检测到的任何显著声学活动——因为列车在轨道上的别处。在时间T1处，在列车抵达与信道C1对应的感测部分时，开始有在信道C1处所检测到的增加的声学活动。有在该信道处所检测到的显著增加的声学活动，直到在之后的时间T2处列车已经完全经过相关感测部分为止。可以看到的是，列车移动因而导致DAS数据中的声学活动分布，其具有相对清楚限定的起始和结束，该起始和结束以基于列车速度的速率沿着DAS传感器的信道传播。沿着感测纤维的该声学活动剖面的范围（即，尺寸401）对应于列车的长度，其针对该数据在长度上大约为2 km。这样的声学活动分布可以被用来追踪列车在铁轨网络上的移动。

把图4的瀑布图当做整体，存在各种个体声学特征，其可以在由于列车所致的一般声学活动分布内被标识。如所提到的，绘图中的连续声学活动的前导和拖尾边沿对应于列车的前和后，并且这些边沿的梯度与轨道上的列车速度有关。声学活动分布内的一些特征可以被标识，该一些特征似乎以与前导/拖尾边沿相同的梯度沿着传感器信道追踪，从而暗示了针对所检测到的信号的相关声学源关联于列车本身的特定部分（并且因而随着列车移动）。声学活动分布中的一些特征还可以被视为关联于给定信道（并且因而在该绘图中表现为水平特征）。这样的特征可以例如指示在该信道处与其它信道或在该位置处的轨道或固定环境的某个元件相比的灵敏度中的差异，该元件响应于以与在其它位置处的方式不同的特定方式经过的列车。

还可以看到存在特征402，该特征402在该特定绘图中看起来类似于增加的声学强度的曲线。该特征可以被视为在大约T3的时间处、在某个信道处开始，并且然后随着时间的推移、以与列车运动方向相反的方向沿着信道表观地传播。该特征对应于声学源或系列声学事件，其开始于沿着列车的某个定位处，并且然后以相对恒定的前进速率朝向列车的该后方移动。

该特征402对应于一系列声学瞬态，其开始于列车的一位置处并且向后继续进行，如将在如上所述的猛烈制动下所预期的那样。

还可以看到的是，类似的特征403出现在从列车绕着测试环的较早经过的、来自感测纤维的相同信道的声学分布中。与列车绕着测试环的另外的经过相对应的DAS数据全部展现类似的特征。在针对该测试的数据中，列车是远程控制的无人测试列车。因此可以看到的是，在每次经过测试环时，列车在轨道的该点处经历相对高的减速。这指示了沿着轨道存在特定特征，其导致在该行进方向（例如倾斜、锐角等等）中制动应用的必要性。作为结果的声学瞬态序列在DAS数据中是一致且可靠地可检测的。

图5图示了通过使用相同DAS传感器以及因而相同的感测纤维布置而从相同测试轨道所获得的DAS的瀑布图，同时相同的列车在相反方向上行进。在当列车以该方向行进时所获得的数据中不存在任何对应的特征，从而确认了信号不是由于在那些感测信道处轨道本身的某个方面而是由于列车的移动。当列车在相反方向上行进的时候，没有需要在轨道的该点处进行猛烈制动。

图6图示了从具有沿着铁轨轨道所部署的感测纤维的DAS传感器中获得的声学数据的另一瀑布图，在该实例中，其从沿着形成实际铁轨网络的部分的铁轨轨道所部署的DAS传感器获得。所图示的数据对应于长货运列车沿着轨道的所监控的区段的移动。注意到，在图6中，与图4和图5的绘图相比，轴线被交换，并且因而在x轴上表示DAS传感器的信道。在该绘图中，可以观察到强声学特征601，其接近列车前方开始，并且沿着列车的整个长度向后传播。

在本发明的实施例中，处理器（例如，数据处理器107）可以因而被配置成分析来自DAS传感器的测量信号，以标识与列车的经过相对应的声学信号，并且检测特征标记，该特征标记是一系列声学瞬态，其开始于列车内的某个位置处并且沿着列车向后传播。

对这样的特征标记的标识可以被使用成对显著列车中力（例如由于过度加速或减速所致的相对大的力的指示。在一些实例中，特征标记的强度可以指示列车中力的量值，并且处理器可以生成对列车中力的量值的估计。在一些实施例中，处理器可以分析特征标记以确定与列车中力通过列车的传播有关的信息。

数据处理器可以因此分析来自DAS传感器的测量信号以标识与列车相关联的声学信号。从与列车相关联的声学信号内，可以检测上述类型的瞬态声学信号，例如以用于在一个或多个限定频带内查找短持续时间声学信号。可以通过如下方式来检测特征标记：分析来自不同信道的信号中所检测到的瞬态是否及时以与列车中力一致的方式被群集，例如使用列车中力的前进之适当的一个或多个模型。

可以例如通过使用多项式回归来实行拟合过程以将瞬态拟合到适当的序列，例如，信道-时间绘图中的曲线。如果标识了适当的群集序列，则这可以被理解为检测到特征标记。在序列通过列车前进时随时间的推移的瞬态量值可以被确定，和/或沿着列车的传播速度也可以被检测。

图7图示了根据实施例的处理方法的一个示例。

首先，上述类型的DAS感测可以被用来监控由沿着所监控的轨道区段行进的铁轨载具所生成的声学信号，该所监控的轨道区段即DAS感测纤维沿其部署的轨道区段。优选地，可以监控相对长的轨道长度，例如在大约若干千米或更多之上。如以上所提及的，在一些实例中，DAS传感器可以被提供以允许列车追踪和其它监控目的，并且因而DAS传感器可以被使用在铁轨网络的某些关键区域或所考虑的大体上全部铁轨网络处。然而，在一些应用中，DAS传感器可以主要被提供用于标识过度的列车中力，并且因而感测纤维可以仅仅被提供在其中可预期猛烈制动或过度加速的轨道区域中。

应当注意的是，当该方法涵盖在DAS中实行感测以获取相关数据时，该方法还应用于处理由合适的DAS传感器所获取的数据。因而，铁轨网络操作者例如可以使用DAS传感器来获取相关数据以用于后续分析。

在步骤702处，DAS数据被分析以检测与列车经过相对应的声学信号。在一个示例中，来自每个信道的测量信号可以在其中预期列车信号的一个或多个频带中被处理。例如，检测与列车相对应的声学信号可以包括在第一频带中处理声学数据来为每个信道在时间上标识列车的起始和结束，该第一频带可以例如是大约200到400 Hz，这取决于特定的安装。可以用多种方式来标识列车信号的起始和结束，诸如通过使用恒虚警率（CFAR）处理，如本领域技术人员将理解的那样。还可以为了一致性跨邻近或差不多的信道来比较针对每个信道的列车起始和结束。这为来自每个信道的测量信号提供时间窗，该测量信号对应于由经过相关感测部分的列车所生成的声学信号。

在已经标识了与列车相对应的信号的情况下，在针对每个信道的该时间窗中的测量信号可以被分析以检测任何瞬态。在一些实施例中，在至少第二频带中的信号可以被分析以检测瞬态，该第二频带可以不同于第一频带并且其可以高于第一频带。在一些实例中，瞬态检测可以被应用于比第一频带更高的多个不同频带。所使用的特定频带可以是可配置的，其取决于特定的安装属性和条件。

一般而言，可以优选较高频带以用于检测相对高幅度瞬态。较高幅度和较短持续时间脉冲变成更宽带的，并且因而更多能量达到较高频率。在这样的频率下，存在对瞬态的较少掩蔽，该掩蔽由来自一般列车信号的脉冲事件所致。

然而，在相对高频带中进行操作可能不允许检测较低幅度瞬态，该较低幅度瞬态对应于仍关注的较低列车中力。因而，可以在多个频带中应用处理。可以使用中间频带，其具有较低截止频率，该较低截止频率足够高以使得关注的瞬态不完全被一般列车噪声所掩蔽，但是在频率方面足够低以使检测到关注的最小列车中力的可能性最大化。还可以在较高频带中实行处理，该较高频带具有比中间频带更高的截止频率，使得对在中间频带中所做出的瞬态检测进行限定和/或减小针对较高幅度瞬态进行掩蔽的效应。

一般而言，预期的是：在瞬态序列沿着列车往下传播时，随着传播速度增加，力的量值将增加。中间带对于检测如下初始瞬态可以是有用的，该初始瞬态具有被用来检测和/或限定之后的较大幅度瞬态的较高频带。

然而，将领会的是，仍可以在较低频带中检测瞬态。例如，图4中所示的瀑布图示出了在大约20-60 Hz的相对低频带中的数据，并且可以观察到特征声学标记。因而，虽然较高频带可以是有用的，但是一些实施例可以将瞬态检测应用于较低频带和/或多个不同的频带，其可以与被用于检测列车信号的第一频带至少部分地重叠。

可以标识瞬态，其例如通过使用CFAR处理，该CFAR处理具有短时间信号窗口和长时间背景窗口，其具有适当的防护使得短脉冲可以被标识。

信道中任何所标识的瞬态然后可以被分析以确定与特征标记相对应的任何瞬态群集。因此可以基于列车中力的传播的物理模型、在具有关于可以被群集的内容的容差的情况下在空间和时间上将瞬态分组在集群中。

在一些实施例中，对与第一特征信号相对应的合适的瞬态集群的标识可以被理解为对特征标记的标识，并且因此指示显著列车中力的出现。在一些实施例中，可以生成某个种类的标志或警报。

在一些实施例中，一旦被群集，在步骤705中就可以将曲线拟合应用到瞬态以确定列车中力的各种特征。例如，在一个示例中，多项式回归可以被应用到瞬态，并且然后被拟合到模型以推断列车中力的物理特征。该拟合可以确定空间-时间绘图中的特征标记的形状。根据该拟合，可以确定各种信息。例如，在步骤706中可以确定与力通过列车的传播有关的信息。这可以包括列车中力沿着列车往下的传播速率和/或列车中力沿着列车往下的传播的改变速率。附加地或替换地，可以确定与列车中力的量值有关的信息，例如对在列车的各种部分处的力的量值和/或瞬态的量值中的增加的速率的估计。

列车中力的传播速率与列车的碰撞车厢之间的速度差异有关。可以通过列车中力的传播速率（即，声学瞬态以其沿着列车前进的速率）来推断撞击速度的估计。对于长列车，列车中力沿着列车往下的传播速率可沿着列车的长度而变化，并且因而可以在沿着列车长度的若干个不同位置处确定撞击速度的指示或估计。这样的指示可以本身被用作列车中力的严重性的度量。

可以用各种各样不同的方式来使用与列车中力有关的信息。

对显著列车中力的出现的检测可以是关注的。这可以被用来确定何时可能需要对列车联结器的维护或检查。例如，在检测到某个阈值的列车中力（例如，在贯穿列车的传播速率和/或量值的阈值之上）的任何情况之后可以安排检查。

对大列车中力出现的检测可以被用来设置适当的控制或对于驾驶员的指导以避免未来的显著的力。例如，如果某个数量或类型的列车在轨道的某个部分处一致地经历大列车中力（例如，由于制动力所致），则靠近该区段的速度限制可以被减小或者给予驾驶员关于更早并且以更平缓的方式制动的指导，以便于避免对列车的潜在损坏。

在一些实例中，可以在列车行进时实时地确定对显著列车中力出现的检测，并且与显著列车中力检测有关的信息经由某种合适的手段被传送到列车以用于中继到驾驶员。这于是可以被用来使驾驶员留心列车中力的严重性以及它们是否超过针对特定列车配置所推荐的容差，从而允许驾驶员相应地调整载具的操作。

一般而言，与导致列车经历显著列车中力的轨道区段有关的信息对于未来的轨道设计或重新设计可以是有用的。

本发明的实施例因而提供如下能力：检测由于列车加速或减速而出现的显著列车中力的出现，这通过检测在这样的条件下、在列车车厢之间的联结器处所生成的声学瞬态。这利用分布式光纤感测（诸如DAS）是可能的，照此传感器具有追踪在列车信号内行进的声学特征的能力，该传感器需要空间分布式系统，该系统能够测量在沿着列车的所有点（在该情况中，是沿着列车的所有联结器）处的信号。将注意的是，这利用路边点传感器不能被实现。使用DAS避免了在其上期望列车中力监控的所有列车上的每个联结器处对仪器的需要，并且因而本方法提供可适用于在所监控的轨道区段上行进的任何列车的非侵入式方法。

应当注意的是，以上提及的实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替换的实施例而不偏离所附权利要求的范围。来自各种实施例的特征可以一起组合和使用，除了在其中另行明确指示的情况之外。词语“包括”不排除除了在权利要求中所列出的那些之外的元素或步骤的存在，“一”或“一个”并不排除多个，并且单个特征或其它单元可以履行在权利要求中记载的若干个单元的功能。权利要求中的任何参考数字或标记不应当被解释成为了限制它们的范围。

Claims (22)

1.一种用于检测列车中的力的方法，其包括：

取得第一数据集，其对应于来自至少一个光纤分布式声学传感器的多个信道的测量信号，所述光纤分布式声学传感器具有被部署以监控铁轨轨道的至少部分的感测纤维，其中所述第一数据集对应于在列车沿着铁轨轨道经过时所获取的测量信号；以及

分析所述测量信号以检测第一特征标记，所述第一特征标记包括似乎沿着列车向后传播的声学瞬态的序列。

2.如在权利要求1中所要求保护的方法，其中所述第一特征标记的出现被标识为显著列车中的力的出现。

3.如在权利要求1或权利要求2中所要求保护的方法，其包括基于声学瞬态的强度来估计所述列车中的力的量值。

4.如在权利要求3中所要求保护的方法，其包括确定在所述列车中的力传播通过列车时所述列车中的力的量值的改变率。

5.如在权利要求3中所要求保护的方法，其包括分析声学瞬态的序列以确定与列车中的力贯穿所述列车的传播有关的信息。

6.如在权利要求5中所要求保护的方法，其包括确定在沿着所述列车的至少一个位置处的列车车厢之间的撞击速度的估计。

7.如在权利要求3中所要求保护的方法，其中分析所述测量信号包括为多个信道中的每一个来标识与所述列车相关联的声学信号。

8.如在权利要求7中所要求保护的方法，其中标识与所述列车相关联的声学信号包括在第一频带中处理信号。

9.如在权利要求8中所要求保护的方法，其中所述方法包括分析与所述列车相关联的声学信号以检测瞬态。

10.如在权利要求9中所要求保护的方法，其中分析与所述列车相关联的声学信号以检测瞬态包括在至少一个限定频带中分析声学信号。

11.如在权利要求10中所要求保护的方法，其中所述至少一个限定频带具有比所述第一频带的频率更高的截止频率。

12.如在权利要求11中所要求保护的方法，其中分析与所述列车相关联的声学信号以检测瞬态包括分析在至少第二频带和第三频带中的声学信号，其中所述第三频带具有高于所述第二频带的较低频率截止。

13.如在权利要求12中所要求保护的方法，其中所述方法包括在所述第二频带中标识瞬态，并且在所述第三频带中限定所述瞬态。

14.如在权利要求9至13中任一项中所要求保护的方法，其中检测所述第一特征标记包括确定存在与所述特征标记相对应的任何群集的瞬态。

15.如在权利要求14中所要求保护的方法，其中基于列车中的力的模型、在预先确定的容差内、在空间和时间上将所述瞬态分组在集群中。

16.如在权利要求15中所要求保护的方法，其包括将曲线拟合应用到所述集群。

17.如在权利要求3中所要求保护的方法，其包括当列车在铁轨轨道上行进时在所述感测纤维上实行分布式声学感测，以生成所述第一数据集。

18.如在权利要求17中所要求保护的方法，其包括将对所述第一特征标记的任何检测传送到所述列车。

19.如在权利要求17或权利要求18中所要求保护的方法，其包括在检测到所述第一特征标记时实行以下各项中的至少一个：为列车驾驶员生成警报并且自动调节列车移动控制的一个方面。

20.一种用于检测列车中的力的装置，其包括：

处理器，其被配置成：

取得第一数据集，其对应于来自至少一个光纤分布式声学传感器的多个信道的测量信号，所述光纤分布式声学传感器具有被部署以监控铁轨轨道的至少部分的感测纤维，其中所述第一数据集对应于在列车沿着铁轨轨道经过时所获取的测量信号；以及

分析所述测量信号以检测第一特征标记，所述第一特征标记包括似乎沿着列车向后传播的声学瞬态的序列。

21.一种铁轨监控系统，其包括：

感测光纤，其被部署成至少部分地沿着铁轨轨道路径延伸；

质询器单元，其被配置成在所述感测光纤上实行分布式声学感测，以生成来自所述感测光纤的多个信道的测量信号；以及

如权利要求20中所要求保护的用于检测列车中的力的装置，其被配置成在列车沿着所述铁轨轨道经过时由所述质询器单元所获取的测量信号的第一数据集上进行操作。

22.一种非暂时性存储介质，包括计算机可读指令以用于指示合适的计算装置来实行权利要求1至19中任一项的方法。

Images