CN112424050B - 用于监控轨道段的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助监控装置(21)监控轨道段(1)的方法，该监控装置(21)与沿着轨道段(1)延伸的传感器(8)相连接，其中置于振动中的传感器(8)将测量数据提供给监控装置(21)。在此，轨道段(1)被有轨车辆(2)驶过，其中具有已知振动值(a、QA、QS)的振动(12)被引入轨道段(1)中并传递到传感器(8)上，其中采集有轨车辆(2)的位置数据(x)并且其中借助评估装置(27)由振动值(a、QA、QS)、位置数据(x)和用于轨道段(1)的测量数据推导出振动传递(13)的特性。以这种方式，通过单次被驶过轨道段(1)实现系统的校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助监控装置监控轨道段的方法，该监控装置与沿着轨道段延伸的传感器相连接，其中置于振动中的传感器将测量数据提供给监控装置。此外，本发明涉及一种用于实施该方法的系统。
背景技术
沿着轨道段安装了各种监控装置，以监控铁路交通、铁路基础设施和在轨道上的其他活动。这其中例如包括用作轨道空闲检测装置的车轴计数系统。其他已知的监控装置是视频系统、温度传感器等等。此外，沿着轨道段铺设的电缆或线路可以用作监控系统的组件。
例如，EP3275763A1公开了一种监控装置，该监控装置连接到铺设在轨道旁边的光波导上。该监控装置采集沿轨道段的振动或结构噪声。具体地说，检测在光波导的玻璃纤维中的激光脉冲的反射。当声波撞击到光波导上时，这些反射会变化。例如，相干的激光脉冲以先前限定的频率被发送到单模光纤中。在光纤中的天然杂质将该激光脉冲的一些部分反射回到源(反散射)。专门开发的算法可以基于反散射分量推断出沿轨道段的振动源的位置和特性。
在此存在的困难是，从振动源到光波导上的振动传递取决于许多未知影响。光波导通常被铺设在电缆槽中，该电缆槽并不总是与轨道平行地延伸。此外设置有电缆环，以在需要时能够进行长度补偿。因此，在被监控的轨道区段上，光波导的长度通常与轨道段的长度不同。土壤和道床的与位置相关的结构也会显著地影响振动传递。
为了克服这些困难，例如将布置在轨道上的位置传感器(例如车轴计数器)的输出信号与检测到的在玻璃纤维中的光反射一起进行评估。通过将这两个测量结果相结合，可以在整个轨道段上充分地确定有轨车辆的位置，其中在位置传感器之间的大致位置从检测到的玻璃纤维的光反射中推导出。在平行延伸的轨道情况下，位置传感器还提供被目前被行驶的轨道的可靠的分配。
从US 2016/0334543 A1已知一种解决方案，其中借助预定的基础信号来校准沿着轨道段铺设的光波导的反射信号。该基础信号通过布置在轨道段上的控制装置生成并且评估装置检测该基础信号。在基础信号的检测中发生的变化用于调整由评估装置检测到的所有信号。将经调整的信号与已知信号模式进行比较以识别和监控在轨道上的对象。因此，基础信号的连续检测对于信号评估是必需的。
WO 2014/019886 A2公开了一种用于轨道车辆的借助于沿着轨道段布置的波导的定位装置。使用位于已知位置的振动装置以在预定的激活时间引起振动。通过评估借助波导测量的反向散射图案来校准定位装置。
EP 3 339 819 A1公开了一种用于校准监控装置的方法和系统，包括沿着对象延伸的传感器。将监控装置的测量和参考测量装置相比较以调整校准参数。
发明内容
本发明基于的目的在于，对前述类型的方法和系统提出相对于现有技术的改进。
根据本发明，该目的通过第一方面的方法和第二方面的系统的特征来实现。
第一方面公开了一种用于借助监控装置监控轨道段的方法，所述监控装置与沿着所述轨道段延伸的传感器相连接，其中置于振动中的所述传感器将测量数据提供给所述监控装置。在此，轨道段被有轨车辆驶过，其中具有已知振动值的振动被引入该轨道段中并传递到传感器上。此外，采集有轨车辆的位置数据，其中借助评估装置由已知振动值、位置数据和测量数据为轨道段推导出振动传递的特性。已知振动值在此是指非常普遍地设置的参数或采集的测量值，其表征引入的振动。以这种方式，通过单次驶过轨道段实现对系统的校准。具体地说，借助已知振动辐射和用于轨道段的各个位置的位置数据来确定，局部存在的条件如何影响传感器测量数据。在此特别重要的是在振动源和传感器之间的尤其衰减的或反射声音的元件。对于后续的测量，这些结果将被包含到传感器测量数据的评估中。由此取消沿轨道布置的其他传感器，以在被监控的轨道区段上进行对声音或振动源的准确定位。
根据本发明提供，振动传递的特性作为传递函数存储在监控装置中。因此，能够实施传感器测量数据的精确且快速的评估，其中能够针对不同的应用情况优化该传递函数。例如，当特定振动频率对于专门的评估没有重大意义时，则可以过滤该特定振动频率。
有利地，尤其借助在至少一根光导纤维上的分布式声波感测，从光波导的信号数据中推导出测量数据。借助所谓的分布式声波感测(Distributed Acoustic Sensing，DAS)，可以将光波导用作虚拟麦克风。为此必须在光导纤维的端部上进行最低限度的工作，其中也可以使用已经铺设在轨道系统中的光波导。通常在这样的光波导中始终有单独的纤维空闲着可供当前的应用支配。
对于数据的离线处理，有利的是，有轨车辆的计时器和监控装置的计时器被同步并且所采集的数据以与时间相关的方式存储。因此，有轨车辆的数据和监控装置的数据在时间上被关联起来，使得在轨道段被驶过之后可以借助评估装置来实施评估。
有轨车辆的位置以有利的方式借助GNSS接收器进行检测。用于卫星支持的位置确定的这种设备通常是已经存在的并且也可以一起地用于本方法。
此外有利的是，振动借助轨道施工机械的作业机组来引入。以这种方式辐射限定的振动，其中引入位置和相应的振动参数是精确已知的。监控装置的校准在此在轨道作业过程中借助轨道施工机械来进行。
在此，一种改进提供，轨道施工机械的控制数据和/或工作参数被传输到评估装置，并且该控制数据和/或工作参数与测量数据相配合。例如，通过将测量数据与控制数据或工作参数进行反复的比较，可以评估沿着轨道段的道床的状况。此外，由此可以监控轨道施工机械的投入工作的实施情况。
在第二方面中，根据本发明的用于实施所描述的方法之一的系统包括监控装置，沿着轨道段延伸的传感器为该监控装置提供测量数据。此外，该系统包括有轨车辆，该有轨车辆被设置用于检测借助该有轨车辆产生的振动以及位置数据，并且包括评估装置，该评估装置被设置用于将测量数据与有轨车辆的检测的数据进行配合，以为该轨道段推导出振动传递的特性，该振动传递的特性作为传递函数存储在监控装置中。借助该系统，可以将监控装置的测量与在轨道段上驶过期间引入的振动和有轨车辆的位置进行比较。
该系统的一种简单的实施形式提供，有轨车辆包括用于采集所产生的振动的加速度传感器。例如，安装在轮轴上的加速度传感器提供借助车轮引入到轨道中的振动的数据(加速度、频率、振幅等等)。
为了确定位置，有利的是，有轨车辆包括用于采集有轨车辆的位置的GNSS接收器。
为了能够离线地校正所采集的数据，有意义的是，有轨车辆包括计时器，监控装置包括计时器并且将两个计时器都设置为同步运行。
有轨车辆有利地是轨道施工机械，其被设置成产生特定的振动辐射。然后借助轨道施工机械对轨道段进行的作业可以用于确定到传感器上的振动传递的特性。
为了辐射特定的振动，有利的是，轨道施工机械包括作业机组，该作业机组具有振动发生器并且尤其构造为捣固机组或稳定机组。在此辐射振动的采集可以通过评估控制数据或工作参数来进行。
通常沿着轨道段铺设光波导以进行数据传递。因此，在系统的一种有利的实施形式中提供，传感器包括光波导。如此可以使用已经存在的基础设施。
根据另一个改进，有轨车辆包括用于采集轨道对象的测量装置。当轨道对象的位置或状况影响从振动源到传感器的振动传递时，这一点是尤其重要的。如果需要，所采集到的对象数据被包括到对传递特性的确定中。
附图说明
下面以示例性方式参考附图解释本发明。以示意图形式：
图1示出了轨道段和有轨车辆的横截面；
图2示出了轨道段和轨道施工机械的横截面；
图3示出了轨道施工机械的振动辐射；
图4示出了列车的振动辐射；
图5示出了传递函数的确定；
图6示出了时间-距离图和传递函数。
具体实施方式
图1示出了被有轨车辆2在其上驶过的轨道段1的横截面。轨道段1具有带轨道碎石道床3的铁路路堤的典型形状。在轨道碎石道床3中安装了轨道联组，该轨道联组由轨枕4和固定在轨枕上的钢轨5组成。该布置形成了轨道段1的上部结构。在轨道碎石道床3的下方通常设置有中间层6和排水层7作为下部结构。除了该道床之外，还有沿着轨道段1延伸的传感器8。在此涉及例如在电缆槽9中引导的光波导，该光波导被用作用于本发明的声学传感器。通常沿着轨道段1通常布置有其他的轨道对象10，如应答器、信号装置等等。
在轨道段1被驶过期间，有轨车辆2经由其车轮11将不均匀的力Q传递到钢轨5上，其中这些力Q经由上部结构传递到下部结构上并最终传递到地基中。以这种方式，有轨车辆2辐射振动12，该振动作为传递元件3-7的变形以波的形式动态地传播。通过该振动传递13也将位于电缆槽9中的传感器8置于振动中。
引入的振动12例如借助在该有轨车辆2的采集装置15中的布置在车轴上的加速度传感器14来采集。在采集装置15中将振动值a、Q与位置数据x关联起来，该位置数据例如通过GNSS接收器16来确定。采集装置15有利地包括计时器17，以为采集到的数据配置时间戳。
在图2中示出了一个与构造为轨道施工机械的有轨车辆2类同的过程。具体地说，涉及一种轨道捣固机，该轨道捣固机包括可下降到轨道碎石道床3中的捣固机组作为作业机组18。借助该作业机组18辐射出有针对性地预定的振动12。在此情况下取消了经由轨道联组的振动传递13。振动值从轨道施工机械的控制数据和工作参数中推导出，或者借助加速度传感器14进行检测。尤其，在作业机组18中作用的振动发生器19的工作参数提供可用的振动值。因此，例如用于产生振动的偏心驱动器的旋转速度给出了被引入轨道中的振动12的频率。
轨道施工机械在图3中以侧视图示出。作为附加的作业机组18，在此在作业方向20上在捣固单元之后布置稳定机组。借助该稳定机组，限定的水平振动12经由钢轨5和轨枕4被引入到道床中。在轨道段1的容易达到的点处，传感器8与监控装置21相连接。如果传感器8是用于数据传递的光波导，则未使用的光导纤维足以建立与监控装置21的连接。
借助轨道施工机械传递到传感器8上的振动12由监控装置21记录。在此应该注意的是，光波导通常在电缆槽9中松散地铺设在其他导体旁边。因此，引入到道床中的振动12会不均匀地传递到光波导上。具体地说，传递元件3-7和电缆槽9的动态特性确定了在引入的振动12与光波导的记录的振动之间的传递函数T。
轨道施工机械的位置是已知的，因为轨道的作业是根据位置来进行的。例如，轨道的里程标被用于限定作业点。为了采集当前的位置，例如使用里程表或GNSS接收器16。借助采集到的轨道对象10来确定位置也是有意义的。为此，例如在轨道施工机械上布置激光扫描仪，以便以非接触的方式扫描轨道及其周围环境。
在图4中，构造为列车的有轨车辆2驶过轨道段1。例如列车头牵引一个未装载的和一个装载的车厢。列车头的至少一个车轴具有用于检测辐射到轨道中的振动12的加速度传感器14。局部的组装件22可以导致对所引入的振动12的屏蔽或反射。总的传递函数T在此通过在许多点(车轮支承点)上的轨道激励的复杂的三维叠加和相关的各个直至与振动测量(光波导)的位置之间的传递关系来确定。
在此情况下，每列列车都具有特定的辐射模型，该特定的辐射模型是由列车的行驶速度和组成产生的。在根据图4的示例中，辐射模型通过硬减震的列车头表征，低负载通过未装载的车厢表征，增加的负载通过装载的车厢以及必要时通过在车轮轮胎上的平坦点(Flachstellen)等等表征。在车轮支承点处，钢轨5以该辐射模式加载，其中该辐射模式与列车沿着轨道段1一起运动。
轨道的缺陷，例如钢轨头上形成的沟槽、钢轨断裂23、轨道的波度24、中空层、有缺陷的轨枕4或钢轨固定件等，都是位置固定的振动源。因此，当它们被列车驶过时，会激发振动。沿着轨道段1的上部结构构造(碎石轨道、板式轨道25)和建筑物26(桥梁、隧道等)的差异在这里也起作用。
车轮支承点的每个单独的振动都会传递到在光波导中的被观察的测量点上。产生的传递函数T取决于确定振动传递13的所有元件3-7、9、22-26。所以，光波导在测量点上不测量代表具体的振动的物理单位。取而代之的是，光波导向监控装置21输出信号，该信号描述了在观察的测量点处作用在光波导上的所有叠加的振动12。传递函数T映射了这种复杂的关系，并用于校准系统。
参照图5描述借助轨道施工机械确定传递函数T。沿钢轨5测量的距离x限定轨道施工机械在轨道上的位置。例如将监控装置21与传感器8连接的点规定为起点。从那里开始，传感器8以偏离距离y延伸直到观察的测量点。例如，电缆槽9并不总是平行于轨道延伸，或者设置有用于长度补偿的电缆环。
轨道施工机械包括两个作业机组18，该作业机组分别在轨道上施加随时间t变化的力QA(t，x)、QS(t，x)并且以这种方式产生振动12。稳定机组在此情况下在钢轨5上施加力QA(t，x)以及捣固机组直接在轨道碎石道床3上施加力QS(t，x)。
传递函数T由三个部分组成，即轨道联组传递函数S(x)、道床传递函数B(x)和传感器传递函数F(y)：
轨道联组传递函数S(x)描述了钢轨5和轨枕4的振动传递取决于距离x的特性：
S(x)＝(s1(x) s2(x)...)。
借助在各个观察的测量点处的值ss进行参数化，其中尤其对钢轨表面、道岔组件或钢轨断裂的影响进行识别和参数化。
道床传递函数B(x)描述了从轨枕下边缘直到传感器8的振动传递的特性：
利用该矩阵的行数k使道床从轨枕下边缘直到传感器8离散化。在这些行中，影响振动传递的那些参数(传播速度、衰减、反射……)被识别并被参数化。
传感器传递函数F(y)描述了例如光波导的特性：
F(y)＝(f1(y) f2(y)...)。
参数化借助在各个观察的测量点处的值ff进行，其中各个参数值例如给出光导纤维与道床传递函数B(x)的固有纤维信号衰减、位置关系(y→x)、接触特性以及电缆特性(电枢等等)。
各个作业机组18用向量A来描述：
值aa描述了辐射的振动12的参数。这同样适用于列车的车轴，其中在此处给出了静态车轮载荷作为力Q。参数值aa给出例如多边形化、平坦点、车轮轮廓等。矩阵Z(t)描述了整个列车在时间点t对轨道的影响：
通过相应的作业机组18或通过具有振动采集的车轴对轨道的激励被用于确定传递函数T。在此，分别给出随时间t或随沿着钢轨5的相应的点变化的作用力Q：
Q(t)或Q(x)。
借助监控装置21对沿着传感器8的观察的测量点的测量得出矩阵M(t，y)：
在此，沿着位置或距离y测量相应的值mm并将与引入的振动12的相应参数相关联。相应参数例如是振幅、频率、应变等等。
传递函数T的实际确定在评估装置27中进行，该评估装置例如被设置在监控装置21、系统中心或可连接到监控装置21上的计算机中。借助该评估装置27，所辐射的振动12的采集的数据与传感器8的测量值相配合。例如，在由列车在时间点t驶过轨道段1的情况下，使用相应的列车矩阵Z(t)。重叠的、辐射的振动12(辐射模型)利用传递函数T传递到钢轨5上并作为矩阵M(t，y)进行测量：
在没有限定的系统激励的情况下，只能不精确地通过模型匹配来确定传递函数T。在此情况下，只能根据经验地使列车激励以列车矩阵Z(t)的形式与在测量期间获得的矩阵M(t)相一致。
相反，在限定的激励的情况下(轨道施工机械或具有测得的车轴加速度的列车)，可以足够精确地确定传递函数T的特性：
通过对传递函数T的相应的参数化来进行监控装置21的校准。
在具有限定的和非限定的激励的重复的测量的情况下，可以借助统计学方法来提高传递函数T的精度。具体地说，可以通过统计学评估来建立对传递函数T的参数的置信度。当在随后的测量中观察到偏差时，可以得出系统变化的相应结论(车轮轮胎上的平坦点、多边形形成、钢轨断裂等等)。
在没有这样的系统变化的情况下，传递函数T在短时间上(列车行驶的持续时间或几天)可被看作是不变的。相应列车的辐射模型至少在行驶期间也被假设是不变的。在使用统计学方法的情况下通过分析在铁路行车中的众多行程导致明确的解决方案，这些解决方案远超出单个测量的精度。以这种方式使轨道段的位置固定的特性变得越来越精确地为人所知。列车的辐射模型也可以在整个观察的轨道段1被追踪并且可以通过统计方法相对精确地被确定。在评估列车特性时，可以立即检测到异常测值。
特性只会在较长的时间上发生变化，因此重新校准系统是有意义的。这种变化的起因可能是土壤特性的季节性波动、建筑工程、大的天气事件以及轨道的磨损现象(钢轨5上的沟槽形成、敲击道岔心、碎石磨损等等)。借助时间序列和重复的校准来进行对这些长期变化的监控。以这种方式可以追踪缓慢的变化。相反，轨道特性的突然的变化(例如钢轨断裂)会立即引起注意。
利用传递函数T，从传感器8的测量信号得出明确的监控结果。同样可以识别行驶中的列车的特征性的辐射模型，如轨道段1的状态变化或位置固定的振动源。
图6在左侧以时间-距离图示出了最初借助在监控装置21中的传感器8采集到的那些测量信号。相应的轨道区段1是双轨的铁路线。在横坐标上绘制了时间t，并且纵坐标给出了沿传感器9的测量点的位置y。
通过借助传递函数T描述的数学变换，补偿了局部的传递关系。由此在右侧上得到具有校准的测量信号的时间-距离图，借助该校准的测量信号可以采集沿轨道段1的列车的未被歪曲的辐射模型。通过统计学评估也可以确定位置固定的振动源的特性。
例如，第一模型曲线28示出了一个快速列车的辐射模型的运动，该快速列车在第一车站(水平曲线)处从一个慢速列车(第二模型曲线29)旁边行驶通过。在两个模型曲线28、29中的水平中心带30显示了所涉及的轨道的局部缺陷(例如钢轨断裂)。一个迎面而来的列车在相邻轨道上行驶，该列车不在任何车站停留(第三模型曲线31)。
因此，借助传递函数T进行校准的优点在于，对所识别的局部的传递关系进行补偿，以使列车的辐射模型和位置固定的振动源的特性可解释并且可追踪。
Claims (15)
1.一种用于借助监控装置(21)监控轨道段(1)的方法，所述监控装置(21)与沿着所述轨道段(1)延伸的传感器(8)相连接，其中置于振动中的所述传感器(8)将测量数据提供给所述监控装置(21)，其特征在于，所述轨道段(1)被有轨车辆(2)驶过，并且在此具有已知振动值a、QA、QS的振动(12)被引入所述轨道段(1)中并传递到所述传感器(8)上，采集所述有轨车辆(2)的位置数据x并且借助评估装置(27)由所述已知振动值a、QA、QS、由所述传感器传输的所述测量数据和所述位置数据x为所述轨道段(1)推导出振动传递(13)的特性，并且
所述振动传递(13)的特性作为传递函数T存储在所述监控装置(21)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助在至少一根光导纤维上的分布式声波感测，从光波导的信号中推导出所述测量数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述有轨车辆(2)的计时器和所述监控装置(21)的计时器被同步，并且所采集的数据以与时间相关的方式存储。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述有轨车辆(2)的位置借助GNSS接收器(16)来采集。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述振动(12)借助轨道施工机械的作业机组(18)引入。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轨道施工机械的控制数据和/或工作参数被传递到所述评估装置(27)，并且所述控制数据和/或工作参数与所述测量数据相配合。
7.一种用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法的系统，所述系统具有监控装置(21)，沿着轨道段(1)延伸的传感器(8)为所述监控装置提供测量数据，其特征在于，设置有轨车辆(2)以检测借助所述有轨车辆(2)产生的振动(12)以及位置数据，并且设置评估装置(27)以将所述测量数据与所述有轨车辆(2)的采集的数据进行配合，以针对所述轨道段(1)推导出振动传递(13)的特性，所述振动传递(13)的特性作为传递函数T存储在所述监控装置(21)中。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述有轨车辆(2)包括用于采集所产生的振动(12)的加速度传感器(14)。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述有轨车辆(2)包括用于采集所述有轨车辆(2)的位置的GNSS接收器(16)。
10.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述有轨车辆(2)包括计时器，所述监控装置(21)包括计时器并且两个计时器被设置用于同步运行。
11.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述有轨车辆(2)是轨道施工机械，所述轨道施工机械设置用于产生特定的振动辐射。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述轨道施工机械包括具有振动发生器(19)的作业机组(18)。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述作业机组(18)为捣固机组或稳定机组。
14.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述传感器(8)包括光波导。
15.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述有轨车辆(2)包括用于检测轨道对象(10)的测量装置。
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