ES2662877T5 - Sistemas ferroviarios que utilizan monitorización acústica - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas ferroviarios que utilizan monitorización acústica

La presente invención se relaciona con un método para monitorizar y/o controlar componentes de un sistema ferroviario, un método para predecir el momento en que un tren llegará a un paso a nivel y un aparato para monitorizar y/o controlar componentes de un sistema ferroviario.

El documento WO 2004/071839 A1 muestra dicho sistema para predecir el tiempo de llegada de los trenes en los pasos a nivel de ferrocarril.

El reciente desarrollo de la tecnología de detección de fibra óptica ofrece la oportunidad de realizar un número de avances en el campo de la detección y el control ferroviarios.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar sistemas y metodologías mejorados para el control, operación y seguridad de trenes y ferrocarriles.

Este objetivo se logra al escuchar el entorno al lado de la vía férrea y permitir que se obtenga la información para una serie de usos. Esta escucha puede hacer uso de la hidrofonía de fibra óptica.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método de hidrofonía de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 1. La presente invención también proporciona un aparato de hidrofonía de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 2.

Como se entiende bien, las ondas acústicas emitidas a partir de una fuente actúan para hacer que objetos incidentes vibren. Las vibraciones en la superficie externa de un cable de fibra óptica provocan cambios en las propiedades refractivas experimentadas por la luz que pasa a través del cable, que puede analizarse utilizando algoritmos informáticos con el fin de determinar en qué parte del cable se está experimentando dicha vibración, y además la frecuencia y amplitud de dicha perturbación. Esto es análogo a convertir el cable en uno o una serie de micrófonos. Los sistemas que se describen a continuación usan el mismo principio básico de escuchar el entorno al lado de la vía férrea o vehículos de tren a medida que pasan por un transductor acústico, por ejemplo un cable de fibra óptica. En todos los casos, el análisis con base en ordenador de la vibración con respecto a la marca de tiempo (o una versión de dominio de frecuencia de la misma) se puede utilizar para identificar un caso particular.

Debe observarse que las vías férreas existentes a menudo ya están provistas con al menos un cable de fibra óptica ubicado adyacente a la vía férrea, de modo que las señales de comunicaciones puedan transmitirse a través de ellas. Típicamente, se proporciona un haz de fibras, algunas de las cuales serán oscuras, es decir, no se utilizarán en la operación normal. Ventajosamente, dichas fibras oscuras se pueden usar como transductores acústicos de acuerdo con la presente invención. Sin embargo, no es esencial utilizar fibras oscuras, por ejemplo, se pueden utilizar fibras claras que llevan comunicaciones, en cuyo caso es necesario por ejemplo distinguir entre las comunicaciones y señales acústicas, que se pueden lograr usando filtros electrónicos. Como una alternativa adicional, se puede tender nueva fibra óptica en o adyacente de la vía férrea para el propósito de la hidrofonía.

La invención se describirá ahora con referencia a las figuras adjuntas, de las cuales:

La Figura 1 muestra esquemáticamente una marca de tren teórica en el dominio de amplitud con respecto al tiempo; La Figura 2 muestra esquemáticamente una primera disposición posible de fibra óptica;

La Figura 3 muestra esquemáticamente una segunda disposición de fibra óptica posible;

La Figura 4 muestra esquemáticamente una tercera disposición posible de fibra óptica;

La Figura 5 muestra esquemáticamente una variable predictiva de cruce de nivel convencional; y

La Figura 6 muestra esquemáticamente una variable predictiva de cruce de nivel de acuerdo con una primera realización de la presente invención.

La marca de un tren se caracterizará por una serie de frecuencias a diversas amplitudes ocasionadas por el paso de la rueda a lo largo del riel, en particular habrá picos específicos cuando un eje pasa por un punto dado. Por lo tanto, es posible determinar no solo que un tren ha pasado por una ubicación particular en el ferrocarril, sino también determinar información adicional, como la longitud del tren, el número de ejes del tren, el estado del equipo en ese tren y la condición de equipos fijos, tal como la propia vía férrea o equipos ferroviarios.

La Figura 1 muestra esquemáticamente una marca teórica en el dominio de amplitud con respecto al tiempo para un tren que funciona normalmente. Para simplificar, se supone que el tren es simple, por ejemplo, un vehículo ligero de dos vagones con un peso ligero distribuido de manera uniforme a lo largo de la longitud del tren. La marca que se muestra refleja la señal acústica medida por un transductor ubicado al lado de la vía férrea a lo largo del tiempo en una región determinada, ubicada lejos de, y fuera de la influencia del equipo ruidoso, y muestra el acercamiento, el paso y la salida de un tren. En una primera región A de la marca, la señal acústica corresponde solo al ruido ambiental o de fondo. En la región B, un tren se acerca al transductor y, a medida que se acerca, aumenta el nivel de ruido. La región C ocurre cuando el tren pasa el transductor. Dado que se supone que el tren es simple y con un peso distribuido de manera uniforme, esta región en general toma la forma de una meseta, por ejemplo hay un nivel de ruido similar experimentado durante el paso del tren. Sin embargo, hay puntos D de señal elevada, los cuales ocurren cuando las ruedas individuales del tren pasan por el transductor. La Región E ocurre después del paso del tren, y muestra un nivel de ruido que disminuye gradualmente a medida que el tren se aleja. Finalmente, la región F muestra un retorno al ruido ambiental o de fondo solamente.

Aunque no se muestra en la Figura 1, la marca tendrá una respuesta espectral característica en el dominio de frecuencia, que ventajosamente también se monitoriza.

Se puede ver a partir de la Figura 1 que se pueden cotejar diversos tipos de información a partir de la salida de los transductores. Estos incluyen:

i) La marca del tren es única para cada tren. Por lo tanto, la comparación de marcas detectadas se puede usar para identificar y diferenciar trenes. Además, los trenes pueden rastrearse mediante la marca, como se describe a continuación. Debe recordarse que la marca se comprimirá o se estirará a lo largo del eje de tiempo dependiendo de la velocidad del tren a medida que pasa por un transductor, por lo que la compensación es necesaria al identificar o rastrear trenes.

ii) El número de puntos D corresponde a la cantidad de ejes del tren. Por lo tanto, el transductor se puede usar como un contador de ejes.

iii) El perfil de los puntos D contiene información sobre el estado de las ruedas y el estado de la vía férrea por donde pasan las ruedas. Si todos esos puntos D comparten una característica inusual común, esto implica que la vía férrea tiene una característica determinada (por ejemplo, una falla). Si, por otro lado, sólo se muestra una característica en un punto D, entonces puede implicarse que una rueda particular tiene una característica (por ejemplo, una región de aplanamiento). Además, se puede determinar la rueda afectada.

iv) Se pueden identificar otras condiciones del tren. Por ejemplo, una marca que incluye una respuesta elevada en ciertas frecuencias puede implicar "chirridos" debido a una falla. Un perfil inusual en la región E puede implicar por ejemplo que un objeto se arrastra detrás del tren.

v) La señal fuera de la marca, es decir, el ruido ambiente en las regiones A, F, proporciona información sobre el equipo fijo cerca del transductor, como se describirá más adelante.

Debe observarse que una sola marca de este tipo no puede utilizarse sola para determinar la longitud del tren o su velocidad. Con el fin de permitir estas determinaciones, es necesario adquirir al menos una marca adicional, por ejemplo, a partir de la segunda región del transductor.

Hay diversas alternativas para proporcionar hidrofonía de fibra óptica cerca de una vía férrea. Estas incluyen:

i) proporcionar una fibra larga, por ejemplo, una la cual es más larga que la resolución deseada del sistema, junto con la vía férrea. La ubicación de la fuente de señales acústicas puede determinarse usando procesamiento de señal, como se conoce en la técnica. Este tipo de disposición se muestra esquemáticamente en la Figura 2, donde se proporciona una única longitud de fibra 1 óptica junto a una vía 2 férrea. La detección de señal se realiza mediante un receptor 3 ubicado en un extremo de la fibra 1. El receptor 3 está en conexión con un procesador 4 de señal. Este envía datos al sistema principal de control del tren (no se muestra). Alternativamente, el receptor 3 y el procesador 4 de señal pueden estar formados integralmente.

ii) Proporcionar una serie de fibras discretas a lo largo de la vía férrea, con cada fibra teniendo una longitud aproximadamente igual a la resolución deseada del sistema. Esta disposición se muestra esquemáticamente en la Figura 3, donde se proporcionan diversas fibras 1a junto a la vía 2 férrea, estando conectada cada fibra a un receptor 3. Esta disposición puede reducir la carga de procesamiento. Es posible aplicar el procesamiento de señal a la señal recibida de cada fibra 1a, con el fin de mejorar aún más la localización de la fuente de señal acústica.

iii) Proporcionar una medición puntual con una sección corta de fibra para proporcionar una determinación precisa de la ubicación de la fuente de la señal acústica sin requerir el procesamiento de la señal de i) anterior. Esta disposición se muestra en la Figura 4, con diversas secciones cortas de fibra 1b ubicadas cerca de una vía 2 férrea, estando conectada cada sección 1b a un receptor 3. Esta disposición puede ser de particular utilidad para monitorizar equipos fijos/ubicados al lado de la vía férrea tales como puntos, cruces, etc.

Como se menciona anteriormente, la presente invención proporciona diversas mejoras sobre los sistemas convencionales. Algunos de estos se describen ahora con fines ilustrativos.

1. Predictor de cruce de nivel inmune de tracción

En una primera realización, los cables de fibra óptica, ya sean nuevos o ya colocados junto a la línea de vía férrea, se usan para determinar la posición de los trenes que se aproximan a un cruce carretera/ferrocarril (paso a nivel).

La Figura 5 muestra esquemáticamente un predictor convencional de cruce de nivel bidireccional. Aquí, las vías 2 férreas están provistas de diversos pedales 5, que se activan mediante el paso físico de un tren (no se muestra) cuando se acerca o sale de un paso 6 a nivel. La activación de un pedal 5 por un tren que se aproxima al paso 6 a nivel ocasiona que las barreras en el cruce sean más bajas, por ejemplo, que bloqueen el cruce a los usuarios de la carretera.

La activación de un pedal 5 por un tren cuando abandona el paso a nivel ocasiona que las barreras vuelvan a elevarse, de modo que los usuarios de la carretera puedan cruzar. Con este sistema, las barreras se controlan en función de la posición de un tren, por ejemplo, si un tren ha alcanzado la ubicación de un pedal 5. Una desventaja de dicho sistema es que el tiempo entre el tren que activa un pedal 5 en el acercamiento al paso 6 a nivel y el tren que alcanza el paso 6 a nivel, depende de la velocidad del tren. Esto significa que a los usuarios de la carretera no se les advierte de forma constante acerca de los trenes que se aproximan.

Una forma de impedir este problema sería controlar la activación de barrera dependiendo de un tiempo determinado para que un tren alcance el paso a nivel. Esta realización proporciona dicho método mediante el uso de hidrofonía de fibra óptica.

El análisis de las vibraciones de sonido detectadas por la tecnología de hidrofonía de fibra óptica se usa para determinar cuando un tren entra en una sección de interés, y para rastrear su paso a lo largo de la sección de la línea. Dado que se realiza un seguimiento de la ubicación del tren, la velocidad v del tren puede determinarse comparando la ubicación del tren en diferentes momentos.

El seguimiento del movimiento se usa entonces para determinar el tiempo al que el tren llegará al cruce, por ejemplo, usando un simple cálculo t = s / v, donde v es la velocidad del tren, t es el tiempo estimado de llegada y s es la distancia del tren al paso a nivel. La maquinaria ubicada al lado de la vía férrea como las luces y/o barreras se operan entonces en un tiempo fijo antes de la llegada del tren. El uso de esta tecnología es análogo al uso de los predictores de cruce de nivel con base en circuitos de vía férrea existentes, pero es completamente inmune al tipo de tracción y unión por tracción que se utilizan, por ejemplo diesel, eléctrico a C, eléctrico DC, etc. Los circuitos de vía férrea convencionales pueden no funcionar correctamente con trenes eléctricos, por ejemplo.

Cuando un tren pasa por un punto particular de una línea de ferrocarril, se crea una cantidad significativa de ruido y vibración, que se detecta mediante el cable de fibra óptica de detección. Un tren tiene una marca clara, por ejemplo, una característica de amplitud de vibración y/o frecuencia con respecto al tiempo que depende de, por ejemplo el tipo de tren, la infraestructura ubicada al lado de la vía férrea y la velocidad del tren. En particular, los picos se determinan cuando los ejes pasan un punto en la vía férrea, o una anomalía ubicada al lado de la vía férrea como una unión de riel aislada, unión de riel, conjunto de puntos o, incluso, objetivos u objetivos colocados específicamente (anomalías colocadas en el riel) que resultan en una vibración característica cuando una rueda del tren pasa sobre ella.

Debido a la naturaleza de la construcción del tren, y en particular a la naturaleza de la interfaz de acero a rueda de acero a riel, la marca de un tren es muy diferente a la de un automóvil u otro vehículo de carretera. Una vez que se determina que un tren está pasando por una posición particular de la vía férrea, es posible rastrear el tren a medida que avanza hacia un cruce de carretera. Al determinar el tiempo necesario para recorrer una distancia conocida entre los puntos de la fibra, es posible predecir la hora a la que el tren llegará al paso a nivel y así proporcionar una advertencia de tiempo constante a los usuarios de la carretera.

La Figura 6 muestra esquemáticamente un detector de paso de nivel de acuerdo con esta realización, donde se han retenido los números de referencia para componentes similares de la Figura 5. Aquí, se coloca una fibra 1 óptica cerca de cada riel 2. Se reciben señales acústicas de dos lugares 7 y 8 espaciados especificados en la aproximación al cruce 6. Los medios de procesamiento (no se muestran) se usan para analizar las señales recibidas de las ubicaciones 7 y 8, en particular las marcas de tren recibidas de este. Estas se comparan, por ejemplo, por coincidencia de patrones, para garantizar que las marcas recibidas correspondan al mismo tren. Entonces, se puede determinar la velocidad del tren y, por lo tanto, la hora de llegada al cruce 6. Las barreras del cruce 6 pueden entonces operarse a un tiempo definido antes de ese tiempo de llegada estimado.

La integridad puede aumentarse aún más determinando que la marca en diversos puntos es la misma a medida que el vehículo se desplaza, asegurando así que se está siguiendo el mismo tren, y que no se está realizando una lectura anómala. Esto se puede lograr usando un algoritmo de coincidencia de patrones para comparar las marcas recibidas. Como se señaló anteriormente, es preferible compensar las marcas por la velocidad del tren.

Al rastrear las marcas de trenes individuales, también es posible determinar cuando un tren o vehículo ferroviario ha cambiado de dirección, permitiendo así el seguimiento seguro de la posición del tren independientemente de la dirección. Esto es particularmente relevante cuando se utilizan vehículos de obras en una sección de ferrocarril.

Se puede proporcionar mayor seguridad utilizando una tecnología similar en el propio cruce de carreteras para rastrear la posición de los vehículos de carretera cuando cruzan la vía férrea. Nuevamente, las marcas de vehículos de carretera dependen de, por ejemplo su motor y la interfaz rueda/carretera, particularmente cuando se golpean estructuras tales como rieles. Por lo tanto, es posible determinar que los vehículos que han ingresado al cruce también hayan pasado por alto de manera segura. Si este no es el caso, el equipo de control de cruce puede entonces tomar una acción apropiada, por ejemplo, advirtiendo al conductor que se detenga. Se puede ubicar un transductor de fibra óptica adicional cerca de la carretera para ayudar en esta monitorización, alternativamente, la fibra ubicada al lado de la vía férrea puede ser suficiente.

En caso de que surja alguna duda mediante el mecanismo de seguimiento, ocasiona que el equipo de paso a nivel funcione como una condición de fallo de retorno.

Claims (2)

REIVINDICACIONES

1. Un método de hidrofonía de fibra óptica para predecir el momento en cual un tren llegará a un paso a nivel, que comprende los pasos de:

a) proporcionar al menos dos transductores acústicos de cable de fibra óptica espaciados situados a lo largo de una vía del tren para captar señales acústicas, en donde que cada transductor acústico comprende una fibra óptica; b) recibir señales acústicas de los transductores desde dos ubicaciones separadas especificadas ubicadas en la aproximación al cruce;

c) identificar una marca asociada con el tren a partir de las señales recibidas y comparar las marcas recibidas para asegurarse de que pertenecen al mismo tren;

d) determinar la velocidad del tren a partir de la marca identificada; y

e) estimar el tiempo de llegada del tren en el paso a nivel utilizando la velocidad determinada.

2. Aparato de hidrofonía de fibra óptica para monitorizar y/o controlar componentes de un sistema ferroviario que incluye una vía ferrea y al menos un tren que puede funcionar en dicha vía, que comprende

- al menos dos transductores acústicos de cable de fibra óptica separados situados a lo largo de la vía férrea para captar señales acústicas, en donde cada transductor acústico comprende una fibra óptica;

- un receptor para recibir señales acústicas de los transductores desde dos ubicaciones separadas especificadas situadas en la aproximación al cruce;

- medios de procesamiento para identificar una marca del tren a partir de las señales recibidas y comparar las señales recibidas para asegurar que ellas pertrenecen al mismo tren, para determinar la velocidad del tren a partir de las marcas identificadas y para determinar un tiempo estimado de llegada del tren a un paso a nivel utilizando la velocidad determinada.