CN1812907A - 钢轨和列车监控系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定至少一个有关在铁路轨道(105)上经过的列车的参数的系统(110)和方法。该系统包括：感测器(110)，其耦接到检测位置(101)上并且被配置用于在铁路轨道上的检测位置处感测声学信号；和处理器(140)，其耦接到感测器上并且被配置用于分析对应于该声学信号的频谱的时间级数。
Description
技术领域
本发明一般涉及铁路状态，更具体涉及一种用于确定至少一个有关在铁路轨道上行驶的列车的参数和该轨道的状态的系统和方法。
背景技术
在许多应用中，期望监控列车的位置和状态以及铁路轨道的状态和安全。存在许多方法用来监控铁路轨道的安全并检测钢轨中的任何断裂。一种常见的方法是在轨道的预定段或块中使用电子轨道电路，其中电气连续性的缺乏用作铁路断裂的指示。
轨道电路的一个问题是它们在检测断裂的钢轨中不是完全准确和有效的。钢轨中的严重局部断裂仍然可能提供逃避检测的足够的电气路径。由于热膨胀或其它残余应力条件而导致钢轨的整体分离仍然可能处于电气接触中。此外，轨道电路不能提供钢轨断裂的定位达到比一般大约几英里的整个长度小的精度。
检测断裂的轨道的其它方法包括应变计和光纤光缆的安装。这种方法的一个问题是在这种系统的安装中所涉及的复杂性。而且，如果钢轨确实断裂，这些监控的修理很麻烦。
一般，单个缺陷检测器被用于监控列车状态。一般沿着轨道的侧面以大约15到50英里的间隔来安装检测器。这种检测器观测通过的列车并且检测反常的状态，例如过热的轴承和车轮，不圆或不平的车轮，或者拖曳列车的设备。缺陷检测器一般使用车轮换能器来识别列车的存在并且触发检测器处理。然而，缺陷检测器不包括监控钢轨的状态或完整性的功能。
因此期望设计这样一种系统，其除了确定经过铁路轨道的列车的各种特性之外，还准确地确定铁路轨道的安全性并定位钢轨断裂。
发明内容
简短地讲，根据本发明的一个实施例，提供一种用于确定至少一个有关在铁路轨道上经过的列车的参数的方法。该方法包括在铁路轨道上的检测位置处感测高频声学信号并且分析对应于该高频声学信号的高频频谱的时间级数(temporal progression)，以便检测朝向铁路轨道上的检测位置的列车的接近。
在另一实施例中，提供一种用于确定至少一个有关在铁路轨道上经过的列车的参数的系统。该系统包括：感测器，其耦接到检测位置上并且被配置用于在铁路轨道上的检测位置处感测高频声学信号；处理器，其耦接到感测器上并且被配置用于分析对应于该高频声学信号的高频频谱的时间级数，以便检测朝向铁路轨道上的检测位置的列车的接近。
在另一实施例中，提供一种确定至少一个有关列车特性的参数系统。该系统包括：感测器，其被配置用于当列车经过铁路轨道上的检测位置时检测在铁路轨道上的检测位置处的低频声学信号；和处理器，被配置用于分析对应于低频声学信号的低频频谱的时间级数，以便确定至少一个有关列车特性的参数。
在替换实施例中，提供一种用于确定钢轨断裂的位置的方法。该方法使用通过分析当列车通过铁路轨道时所传播的声学信号而确定的列车的速度和在检测到中断(discontinuity)的时间和列车通过检测位置的时间之间的差。
附图说明
当参照附图来阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。贯穿附图，相同的字符表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明实现的系统的实施例的方框图；和
图2是图示检测列车特性的一种方法的流程图。
具体实施方式
图1是为了确定至少一个有关在铁路轨道105上经过的列车的参数而实现的系统100的实施例的方框图。这里所使用的‘列车’指一列或多列具有或没有耦接的客车或货车的机车。该系统包括：感测器110，其耦接到检测位置并且被配置用于在铁路轨道上的检测位置处感测声学信号；和处理器140，其耦接到该感测器并且被配置用于分析对应于该声学信号的频谱的时间级数。在实施例中，检测位置在铁路轨道的一根钢轨上。在一个实施例中，该系统还包括模拟到数字转换器130。处理器140可以包括模拟处理器、数字处理器，或者它们的组合。以下进一步详细描述每个部件。
这里使用的‘被适配’、‘被配置’等指允许元件配合以提供所描述的效果的元件之间的机械或结构连接；这些术语也指电子元件的操作能力，所述电子元件例如被编程为完成这样的结果——响应于给定输入信号来提供输出——的模拟或数字计算机或专用器件(例如专用集成电路(ASIC))。
感测器110耦接到检测位置101上。感测器110负责输入通过钢轨传送的声学信号并且能够将该输入声学信号转换成电输出信号。在一个实施例中，感测器110被配置用于在铁路轨道上的检测位置处感测高频声学信号。在另一个实施例(其可以可选地与高频声学信号实施例结合使用)中，感测器被配置用于检测由列车发送的、铁路轨道上的低频声学信号。在替换实施例中，感测器被配置用于检测由列车在铁路轨道上传播的中频声学信号。
在一个实施例中，高频信号包括频率范围从30kHz到50kHz的声学信号。在一个实施例中，中频信号包括频率范围从10kHz到30kHz的声学信号。在一个实施例中，低频信号包括频率范围从1kHz到10kHz的声学信号。
对于在其中高频和低频都将被分析的实施例而言，感测器不但对于高频信号具有高灵敏度使得可以从长距离检测到由列车产生的高频信号，而且对于低频信号具有低灵敏度使得来自通过感测器的列车的具有相当大能量级的低频信号不使该感测器饱和。在其中获得并且分析高频和低频信号的一个实施例中，感测器110包括高频感测器120和低频感测器125。高频感测器被配置用于感测高频声学信号而低频感测器被配置用于感测低频声学信号。在实施例中，感测器110包括至少一个被配置用于适当的频率带宽的加速计。在另一实施例中，感测器110具有分别覆盖高频和低频范围二者的宽带响应，且具有期望的高和低灵敏度。
模拟到数字转换器130被耦接到换能器，并且被配置用于将模拟电信号转换成其相应的数字表示。
处理器140被耦接到模拟到数字转换器，并且在一个实施例中被配置用于分析对应于该高频声学信号的高频频谱的时间级数，以便检测朝向铁路轨道的检测位置的列车的接近。
在另一实施例中，处理器140另外分析高频频谱以便确定铁路轨道上的列车的速度。通过观测来自正在接近的列车的信号的幅度包络来完成这样的确定，幅度增量的时间导数与列车速度相关联。在一个实施例中，利用回归技术来针对幅度包络数据点而拟合线性曲线或非线性曲线。回归参数反映时间级数和列车的速度。例如，针对幅度包络数据点而拟合的一阶线性多项式提供与正在接近或离去的列车的速度成比例的斜率。
在另一个更具体的实施例中处理器被进一步配置用于在检测到列车的接近之后，检测由列车发送的、铁路轨道上的中频声学信号并且分析对应于该中频声学信号的频谱的时间级数，以便确定在铁路轨道上的列车的速度。可以根据谱幅度的增加速率来确定列车的速度。使用不同频带的该方法提供改善的列车速度的估计。
在另一实施例中，处理器140被配置用于当列车经过感测器时分析对应于低频声学信号的低频频谱的时间级数，以便确定至少一个有关列车特性的参数。低频声学信号的幅度也用于确定有关列车特性的参数。所述参数包括列车长度、平缘轮(flat wheel)、列车中车厢的数目、车轴的数目、滑轮(锁住在钢轨上滑轮的闸)和车轴重量。例如，低频声学信号包络中的不同的峰是由列车的每个通过车轮产生的。相对于正常的圆形车轮，平缘轮将给出较高幅度的声能。因此，信号包络中急剧增加的峰指示平缘轮的存在。而且，平缘轮给出比正常车轮宽的频谱信号，当在多个频带中检测到峰时这有助于检测平缘轮。
在一个实施例中，处理器被配置用于检测高频信号的中断以便确定在铁路轨道的钢轨上的至少一根钢轨断裂。例如，在一个更具体的实施例中，处理器被配置用于使用自适应阈值来确定钢轨断裂，其中自适应阈值是基于对与低频范围相对应的频谱中的噪声电平的估计。
在替换实施例中，也如图1所示，第二感测器111被配置用于在检测位置102处从轨道的第二根钢轨接收声学信号。在所图示的实施例中，高频感测器121被配置用于检测高频信号而低频感测器126被配置用于检测低频信号。
在另一实施例中，感测器110和111被配置用于在铁路轨道的两根钢轨上连续监控声学信号。当列车接近感测器时，将首先在较高频率处检测到列车，然后在较低频率处检测到列车。处理器140被配置用于确定特定频率分量的增加速率以便确定列车的速度。只在一根钢轨上检测到列车指示存在中断，并且指示断裂的钢轨。当列车经过该中断时，观测到那根钢轨上的声学噪声的突然增加并且记录对应的时间。此外确定列车经过该感测器(感测器经过(sensor pass))的时间。中断的时间、感测器经过的时间和列车速度用来计算中断的位置并且由此计算断裂钢轨的位置。可以理解所检测的中断可以指示部分断裂。
在另一实施例中，通过比较对面钢轨中存在的高频信号来检测钢轨中的一根的断裂。如果没有在两根钢轨中观测到高频信号幅度的相似的时间级数，那么表明在没有给出这样的信号的钢轨中存在断裂。双轨方法提供断裂钢轨的较旱的检测。
在另一实施例中，处理器被进一步配置用于根据列车的速度和在中断的检测的时间和列车通过检测位置的时间之间的差来确定钢轨断裂的位置。在一个实施例中，处理器被配置用于通过比较在两条铁路轨道上检测的高频信号来检测轨道的一根钢轨上的钢轨断裂。
在另一实施例中，处理器被配置用于检测钢轨断裂并且进一步用于通过使用声学信号的二维时间频率表示来确定钢轨断裂的位置。本领域的技术人员将明白，当声学信号在结构中传播时，具有较高速度的频率分量的信号将在具有较低速度的频率分量之前到达检测位置。频散(dispersion)导致在检测位置上的声学信号脉冲的明显的时间展宽。通常传播距离与频率分量之间的时间间隔成比例。相对的时间延迟一般由频散曲线来表示。所接收的声学信号的时间-频率分析实现频散特性的识别。通过在特定时间窗口上对声学信号进行频率分析并且以预定时间间隔重复该分析来定义二维时间-频率信号表示。声学信号的频散性质在时间-频率分析表示中表现为“啁啾(chirp)”。通过估计声学信号的时间-频率分量的斜率或其它形状参数并且应用频散曲线的知识，可以确定信号已经传播的距离。换言之，通过观测时间-频率分析表示中的频率分量的相对时间间隔，可以获得对信号已经传播的距离的估计。因此，可以计算从检测位置到发送声学信号的声源的距离。进而该距离可以用于确定声源以及钢轨断裂的位置。
在更具体的实施例中，感测器110被配置用于在铁路轨道105上的检测位置101处检测宽带声学信号。处理器140被配置用于分析对应于该宽带声学信号的宽带频谱的时间级数，以便确定至少一个有关列车特性的参数。此外，处理器被进一步配置用于通过分析该宽带频谱来确定钢轨断裂。在一个实施例中，宽带频率信号的范围是从1Hz到50KHz。
图2是图示用于确定至少一个有关在铁路轨道上经过的列车的参数的方法的流程图。该方法在步骤201处开始。以下描述每个步骤。
在步骤210中，在铁路轨道上的检测位置处感测声学信号。在实施例中，感测高频声学信号。高频声学信号的范围是从30kHz到50kHz。在实施例中，当列车经过检测位置时，铁路轨道上的低频声学信号也被单独或者与高频声学信号相结合地检测。低频声学信号的范围是从1kHz到10kHz。在一个实施例中，感测中频声学信号。中频声学信号的范围是从10kHz到30kHz。
在步骤220中，通过分析对应于高频声学信号的高频频谱的时间级数来检测列车的接近。在一个实施例中，通过辨别时间-频率谱中的特性模式来检测诸如列车那样的声学信号源的距离。该模式表示传播声波的理论频散方式的特性。模式的识别和它们的形状参数的估计，例如频率改变对时间的速率，使列车的位置能够被确定。例如，当在不同范围内检查到对铁路轨道的锤打冲击时，频谱上的两个斜坡的长度直接地与锤打冲击的范围成比例。而且，从列车噪声中接收的准周期较低幅度展示出与锤击冲击相似的斜坡。通过估计列车噪声的谱分量的斜坡，可以确定到列车的距离。
在步骤230中，通过分析对应于高频信号的高频频谱来确定列车的速度。在另一实施例中，通过分析对应于中频声学信号的中频频谱来确定列车的速度。
在实施例中，分析高频频谱以便确定铁路轨道上的钢轨断裂。在更具体的实施例中，分析高频频谱以便通过使用列车的速度和在中断检测的时间和列车通过检测位置的时间之间的差来确定钢轨断裂的位置。
在替换实施例中，通过使用自适应阈值来确定钢轨断裂，其中自适应阈值基于对与低频声学信号相对应的低频频谱中的噪声电平的估计。在另一实施例中，通过比较铁路轨道的两根钢轨上的高频信号来检测钢轨断裂。
在另一实施例中，通过分析所接收的信号的二维时间-频率表示来确定钢轨断裂。使用二维时间频率表示可以确定声学信号源和检测位置之间的距离。此外，通过分析二维时间频率表示也可以确定钢轨断裂的位置。
在步骤240中，当列车经过检测位置时确定至少一个有关列车特性的参数。在实施例中，有关列车特性的参数包括列车长度、平缘轮、列车中车厢的数目、车轴的数目、滑轮和车轴重量。可以根据分别对应于低频信号和中频信号的低频频谱和中频频谱中的模式来识别参数。当列车经过检测位置时也可以确定列车的速度。例如，如果已知列车经过感测器的时间，并且如果列车以恒定速度行驶，那么通过检查特定频率分量的衰减(或增加)的速率，可以估计列车的速度。
先前描述的本发明的实施例具有许多优点，包括通过监控铁路轨道所传导的声能来精确检测钢轨断裂。处理检测断裂的铁路轨道之外，该系统也可以检测列车的速度、车厢的数目并且检测平缘轮。
尽管这里只图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域的那些技术人员将想到许多修改和改变。因此，可以理解所附权利要求意欲覆盖所有落在本发明的实际精神中的修改和改变。
Claims (10)
1.一种用于确定至少一个有关在铁路轨道(105)上经过的列车的参数的方法，该方法包括：
(a)在铁路轨道上的检测位置(101)处感测高频声学信号；并且
(b)分析对应于该高频声学信号的高频频谱的时间级数，以便检测朝向铁路轨道上的检测位置的列车的接近。
2.一种用于确定至少一个有关在铁路轨道(105)上经过的列车的参数的系统(100)，该系统包括：
(a)感测器(110)，其耦接到检测位置并且被配置用于在铁路轨道上的检测位置(101)处感测高频声学信号；和
(b)处理器(140)，其耦接到感测器并且被配置用于分析对应于该高频声学信号的高频频谱的时间级数，以便检测朝向铁路轨道上的检测位置的列车的接近。
3.根据权利要求2所述的系统，其中处理器被进一步配置用于在检测到列车的接近之后，检测由列车发送的、铁路轨道上的中频声学信号，并且分析对应于该中频声学信号的频谱的时间级数，以便确定在铁路轨道上的列车的速度。
4.根据权利要求2所述的系统，其中感测器被进一步配置用于：
检测由列车发出的、铁路轨道上的低频声学信号，并且
处理器被进一步配置用于当列车经过感测器时，分析对应于低频声学信号的低频频谱的时间级数，以便确定至少一个有关列车特性的参数。
5.根据权利要求2所述的系统，其中处理器被进一步配置用于：
检测在铁路轨道的至少一根钢轨处的钢轨断裂；并且
定位钢轨断裂的位置。
6.根据权利要求2所述的系统，其中感测器包括：
高频感测器(120)，其被配置用于感测高频声学信号；和
低频感测器(125)，其被配置用于感测低频声学信号。
7.一种确定至少一个有关列车特性的参数系统，该系统包括：
感测器，其被配置用于当列车经过铁路轨道上的检测位置时检测在铁路轨道上的检测位置处的低频声学信号；和
处理器，被配置用于分析对应于低频声学信号的低频频谱的时间级数，以便确定至少一个有关列车特性的参数。
8.一种用于确定钢轨断裂的位置的方法，该方法通过使用通过分析当列车经过铁路轨道时所传播的声学信号而确定的列车的速度和在检测到中断的时间和列车通过检测位置的时间之间的差来确定所述钢轨断裂的位置。
9.一种用于确定至少一个有关在铁路轨道上行驶的列车的参数的系统，该系统包括：
感测器，其被配置用于在铁路轨道上的检测位置处检测宽带声学信号；和
处理器，其被配置用于分析对应于该宽带声学信号的宽带频谱的时间级数，以便确定至少一个有关列车特性的参数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中处理器被进一步配置用于检测在铁路轨道的至少一根钢轨上的钢轨断裂，并且定位钢轨断裂的位置。
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