СИСТЕМА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИЗЛОМА РЕЛЬСА ИЛИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SYSTEM AND METHOD OF DETECTING RAIL FRACTURE OR VEHICLE

Настоящее изобретение относится, в общем, к системе обнаружения излома рельса или обнаружения транспортного средства, а более конкретно к системе обнаружения излома длинно-блочного многозонного рельса или обнаружения транспортного средства и к способу обнаружения излома рельса и/или транспортного средства с помощью такой системы.
Традиционная железнодорожная система использует рельсовый путь как часть пути передачи сигнала для обнаружения наличия или поезда, или излома рельса на блоке-участке. При таком способе рельсовый путь электрически делится на множество участков, каждый из которых имеет определенную длину. Каждый участок образует часть электрической цепи и называется рельсовой цепью. Устройство передатчика и устройство приемника располагаются соответственно на обоих концах рельсовой цепи. Устройство передатчика непрерывно или через изменяемые интервалы передает сигнал для обнаружения поезда или излома рельса, и устройство приемника принимает переданный сигнал.
Если поезд или излом рельса отсутствуют на участке, образованном рельсовой цепью, приемник принимает сигнал, переданный передатчиком. Если поезд или излом рельса присутствуют, то приемник принимает измененный сигнал, переданный передатчиком, из-за изменения в электрической цепи, образованной рельсовым путем и изломом или рельсовым путем и поездом. Обычно присутствие поезда изменяет рельсовую цепь добавлением шунтирующего сопротивления от рельса к рельсу. Присутствие излома изменяет цепь добавлением увеличенного сопротивления в рельсе. Обнаружение излома или поезда обычно выполняют с помощью сравнения принятого сигнала с пороговым значением.
Традиционные рельсовые цепи, в общем, применяют к блокам, длина которых составляет около 2,5 миль, для обнаружения поезда. В таком блоке поезд должен иметь шунтирующее сопротивление поезда, равное 0,06 Ом или меньше, а балластное сопротивление или сопротивление между независимыми рельсами обычно составляет больше 3 Ом/1000 футов. Если длина блока становится больше, общее сопротивление рельсовой цепи уменьшается вследствие параллельного добавления балластного сопротивления между рельсами. За счет этого добавления параллельных путей тока дополнительный ток течет через балласт и шпалы и пропорционально меньше через приемник. Таким образом, отношение сигнал-помеха рельсовых цепей в присутствии поезда становится ниже.
В одном примере для обнаружения поездов или изломов рельсов могут быть использованы рельсовые цепи на основе оптоволокна для более длинных блоков (например, больше 3 миль). Тем не менее стоимость внедрения рельсовых цепей на основе оптоволокна относительно высока, а срок службы может быть меньше. В другом примере увеличено балластное сопротивление, и соответственно может быть увеличена длина блока рельсовой цепи. Тем не менее, затраты на техническое обслуживание для поддержания относительно высокого балластного сопротивления нежелательно высоки.
Требуются улучшенные система и способ обнаружения излома длинно-блочного рельса или транспортного средства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения способ обнаружения излома рельса в блоке рельсового пути включает приложение напряжения через блок, имеющий множество зон, с помощью множества источников напряжения. Измеряют первый набор значений, показывающих ток. Каждое первое значение соответствует одной из множества зон. Переключают полярность каждого источника напряжения. Затем измеряют второй набор значений, показывающих ток. Каждое второе значение соответствует одной из множества зон. Контролируют изменение между первым набором значений и вторым набором значений для обнаружения присутствия излома рельса в блоке.
Согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения способ обнаружения присутствия рельсового транспортного средства на блоке рельсового пути включает в себя приложение напряжения через блок, имеющий множество зон, с помощью множества источников напряжения. Измеряют первый набор значений, показывающих ток. Каждое первое значение соответствует одной из множества зон. Переключают полярность каждого источника напряжения. Затем измеряют второй набор значений, показывающих ток. Каждое второе значение соответствует одной из множества зон. Разницу между вторым набором значений и первым набором значений сравнивают с предопределенным пороговым пределом для обнаружения присутствия рельсового транспортного средства на блоке.
Согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения предусматривается система для обнаружения излома рельса в блоке рельсового пути, имеющем множество зон. Система включает в себя множество источников напряжения, каждый из которых соединен с одной из множества зон. Предусматривается множество резисторов, каждый из которых последовательно соединен с одним из множества источников напряжения. Предусматривается множество датчиков тока, каждый из которых соединен с одним из множества резисторов и выполнен с возможностью измерения первого набора значений и второго набора значений, показывающих ток, протекающий через резистор. По меньшей мере, одно устройство управления выполнено с возможностью приема входящего сигнала от множества датчиков тока и контролирования изменения между первым набором значений и вторым набором значений для обнаружения присутствия излома рельса в блоке. Устройство управления дополнительно выполнено с возможностью переключения полярности каждого из источников напряжения.
Согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения предусматривается система для обнаружения присутствия рельсового транспортного средства на блоке рельсового пути, имеющем множество зон. Система включает в себя множество источников напряжения, каждый из которых соединен с одной из множества зон. Предусматривается множество резисторов, каждый из которых последовательно соединен с одним из множества источников напряжения. Предусматривается множество датчиков тока, каждый из которых соединен с одним из множества резисторов и выполнен с возможностью измерения первого набора значений и второго набора значений, показывающих ток, протекающий через резистор. По меньшей мере, одно устройство управления выполнено с возможностью приема входящего сигнала от множества датчиков тока и сравнения разницы между вторым набором значений и первым набором значений с определенным пороговым пределом для обнаружения присутствия рельсового транспортного средства на блоке. Устройство управления дополнительно выполнено с возможностью переключения полярности каждого из источников напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие признаки, особенности и преимущества настоящего изобретения могут быть лучше поняты после прочтения следующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых одинаковые ссылочные позиции представляют одинаковые части на чертежах, причем:
фиг.1 является блок-схемой системы обнаружения излома рельса или транспортного средства согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения;
фиг.2 является таблицей, представляющей последовательное переключение полярностей источников напряжения, расположенных через интервалы вдоль блок-участка, системы обнаружения транспортного средства согласно аспектам фиг.1;
фиг.3 является блок-схемой, иллюстрирующей примерные процессы обнаружения излома рельса или транспортного средства согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Система обнаружения излома рельса или транспортного средства согласно нескольким вариантам воплощения настоящего изобретения проиллюстрирована со ссылкой, в общем, на фиг.1 и представлена, в общем, ссылочной позицией 10. В проиллюстрированном варианте воплощения система 10 включает в себя рельсовый путь 12, имеющий левый рельс 14, правый рельс 16 и множество шпал 18, которые тянутся между рельсами 14, 16 и обычно перпендикулярны им. Шпалы 18 соединены с рельсами 14, 16 и обеспечивают боковую опору для рельсов 14, 16, выполненных с возможностью облегчения движения таких транспортных средств, как поезда, трамваи, испытательные транспортные средства и тому подобное.
В проиллюстрированном варианте воплощения множество источников 20 напряжения и резисторов 22 предусмотрено в положениях 11, 13, 15, 17 и 19 вдоль блок-участка 24, образованного между двумя изолированными стыками 26, 28 железнодорожного пути 10. Каждый источник 20 напряжения последовательно соединен с соответствующим резистором 22 и предусмотрен между рельсами 14, 16. В результате, блок-участок 24 делится на множество зон 30, 32, 34 и 36. В проиллюстрированном примере блок-участок 24 рельсового пути 12 имеет длину около 10 миль. Каждая зона блок-участка имеет длину 2,5 мили. Специалисты в данной области техники, тем не менее, оценят, что конкретная длина блок-участка 24 и зон 30, 32, 34 и 36 не является существенным признаком настоящего изобретения. Подобным образом, количество зон, резисторов и источников напряжения не является существенным признаком изобретения. Примеры источников напряжения могут включать в себя источник постоянного напряжения, источник переменного напряжения, источник статического напряжения и тому подобное. В проиллюстрированном варианте воплощения источники 20 напряжения сконфигурированы для приложения напряжения через блок-участок 24 рельсового пути 12. Каждый резистор 22 (например, резистор в 1 Ом) сконфигурирован для приема тока от напряжения, приложенного источниками 20 напряжения. Ток, протекающий через каждый резистор 22, представляет общий ток утечки через балласт, когда полярности источников 20 напряжения одинаковы.
Система 10 дополнительно включает в себя множество датчиков 38 тока, причем каждый датчик 38 тока последовательно соединен с соответствующим резистором 22. Датчики 38 тока сконфигурированы для обнаружения тока, текущего через резисторы 22. В другом примерном варианте воплощения система 10 может включать в себя множество датчиков напряжения, причем каждый датчик напряжения соединен через соответствующий резистор 22. Как известно специалистам в данной области техники, ток, протекающий через резистор, может быть определен на основе обнаруженного напряжения и сопротивления резистора. Устройство 42 управления соединено с возможностью взаимодействия с источниками 20 напряжения и датчиками 38 тока. В одном варианте воплощения устройство 42 управления выполнено с возможностью приема входящего сигнала от датчиков 38 тока и контролирования изменения тока, текущего через каждую зону, для обнаружения излома рельса или присутствия рельсового транспортного средства на блок-участке 24 рельсового пути 12. В альтернативных примерных вариантах воплощения может быть использовано множество устройств управления для приема входящего сигнала от датчиков 38 тока и контролирования изменения тока, текущего через каждую зону, для обнаружения излома рельса или присутствия рельсового транспортного средства на блок-участке 24 рельсового пути 12.
В проиллюстрированном варианте воплощения устройство 42 управления сконфигурировано для переключения полярности множества источников 20 напряжения последовательно от первого конца 44 по направлению ко второму концу 46 блок-участка 24. В другом примерном варианте воплощения устройство 42 управления сконфигурировано для переключения полярности множества источников 20 напряжения последовательно от второго конца 46 по направлению к первому концу 44 блок-участка 24. В еще одном другом варианте воплощения устройство 42 управления сконфигурировано для переключения полярности множества источников 20 напряжения в произвольном или в каком-либо определенном порядке. Когда блок-участок 24 рельсового пути 12 не занят рельсовым транспортным средством или излом рельса не обнаружен, значительное увеличение тока обнаруживается в конкретной зоне, имеющей источники напряжения взаимно противоположных полярностей, расположенные соответственно на обоих концах. Например, если зона 30 имеет источники напряжения взаимно противоположных полярностей на своих концах в конкретный момент времени, значительное увеличение тока обнаруживается в зоне 30, когда блок-участок 24 рельсового пути 12 не занят рельсовым транспортным средством или излом рельса не обнаружен. Когда блок-участок 24 рельсового пути 12 занят колесами рельсового транспортного средства или обнаружен излом рельса, пренебрежимо малое увеличение тока обнаруживается в конкретной зоне, имеющей источники напряжения взаимно противоположных полярностей, расположенные соответственно на обоих концах. Например, если зона 30 имеет источники напряжения взаимно противоположных полярностей на своих концах в конкретный момент времени, пренебрежимо малое увеличение тока обнаруживается в зоне 30, когда блок-участок 24 рельсового пути 12 занят рельсовым транспортным средством или обнаружен излом рельса.
В другом примерном варианте воплощения устройство 42 управления выполнено с возможностью обнаружения присутствия излома рельса или транспортного средства на блок-участке 24, когда увеличение тока конкретной зоны, имеющей взаимно противоположные полярности на своих концах в конкретный момент времени, меньше предопределенного порогового предела. Предопределенный пороговый предел зависит от изменения значения балластного сопротивления блока. Устройство 42 управления сконфигурировано для контролирования изменения значения балластного сопротивления блок-участка 24 и обновления затем предопределенного порогового предела на основе изменения значения балластного сопротивления. Для установления различия между изломом рельса или присутствием рельсового транспортного средства на блок-участке 24 рельсового пути 12 могут быть использованы нейронные сети, алгоритмы классификации или тому подобное. Установление различия между изломом рельсового пути и присутствием рельсового транспортного средства согласно особенностям настоящего изобретения описано с дополнительными подробностями в отношении последующих фигур.
Устройство 42 управления включает в себя процессор 48, имеющий схемы аппаратных средств и/или программные средства, которые облегчают обработку сигналов от датчиков 38 тока и источников 20 напряжения. Специалисты в данной области техники оценят, что процессор 48 может включать в себя микропроцессор, программируемый логический контроллер, логический модуль и тому подобное. Как обсуждалось ранее, в проиллюстрированном варианте воплощения устройство 42 управления выполнено с возможностью переключения полярности источников 20 напряжения последовательно от первого конца 44 по направлению ко второму концу 46 блок-участка 24 и наоборот (т.е. от второго конца 46 по направлению к первому концу 44) или в произвольном порядке. Измерения датчиков 38 тока могут быть усреднены для уменьшения систематических и гальванических погрешностей.
В определенных вариантах воплощения устройство 42 управления может дополнительно включать в себя базу данных и алгоритм, реализованный как компьютерная программа, выполняемая компьютером устройства управления или процессором 48. База данных может быть сконфигурирована для хранения предопределенной информации о системе 10 обнаружения излома рельса или обнаружения транспортного средства и о рельсовых транспортных средствах. База данных может также включать в себя наборы команд, карты, справочные таблицы, переменные и тому подобное. Такие карты, справочные таблицы и наборы команд работают для корреляции характеристик тока, протекающего через множество зон, для обнаружения излома рельса или присутствия рельсового транспортного средства. База данных может быть также сконфигурирована для хранения действительных сигналов от датчиков или обнаруженной информации относительно тока, напряжения через блок-участок 24, полярностей источников 20 напряжения, значений балластного сопротивления блок-участка 24, предопределенного порогового предела для увеличения тока, транспортных средств и так далее. Алгоритм может облегчить обработку данных от датчиков относительно тока, напряжения и транспортного средства. Любые вышеупомянутые параметры могут быть выборочно и/или динамически адаптированы или изменены относительно времени. В одном примере устройство 42 управления сконфигурировано для обновления вышеупомянутого предопределенного порогового предела на основе значения балластного сопротивления блок-участка 24, так как значение балластного сопротивления изменяется вследствие изменений условий среды, таких как влажность, осадки или тому подобное. Процессор 48 передает индикационные сигналы на выходное устройство 50 посредством проводного соединительного порта или беспроводного соединения для ближней связи, такого как инфракрасный протокол, протокол Bluetooth, I.E.E.E. 802.11 беспроводная локальная сеть или тому подобное. Обычно индикационный сигнал может обеспечить простой выходной сигнал индикации состояния, или может быть использован для активации или установки флага, такого как сигнал тревоги, на основе обнаруженного тока во множестве зон блок-участка 24.
Таблица, представляющая последовательное переключение полярностей источников 20 напряжения, расположенных в положениях 11, 13, 15, 17 и 19 множества зон 30, 32, 34, 36, проиллюстрирована на фиг.2 согласно аспектам фиг.1. В проиллюстрированном примере были проведены 10 проверок для обнаружения излома рельса или присутствия транспортного средства на блок-участке 24 рельсового пути 12. Изначально, все источники 20 напряжения, которые прикладывают напряжение к блок-участку 24, имеют положительные полярности, как представлено в строке 52. Полярности источников 20 напряжения, расположенных в положениях 19, 17, 15, 13 и 11, переключают (т.е. на отрицательные полярности) последовательно от первого конца 44 ко второму концу 46, как представлено в строках 54, 56, 58, 60 и 62. Все источники напряжения имеют отрицательную полярность, как представлено в строке 62. Снова, полярности источников 20 напряжения переключают (т.е. на положительные полярности) последовательным переключением от первого конца 44 ко второму концу 46, как представлено в строках 64, 66, 68 и 70. Вышеописанный порядок переключения полярности является только примером, и в других примерных вариантах воплощения порядок переключения полярности может изменяться в предопределенном порядке в зависимости от требований.
В проиллюстрированном варианте воплощения при первой, например, проверке датчики 38 тока измеряют первый набор значений, показывающих ток, протекающий через резисторы 22. Все источники напряжения имеют положительные полярности. Затем во второй проверке полярность источника напряжения, расположенного в положении 19, переключают с положительной на отрицательную. Датчики 38 тока измеряют второй набор значений, показывающих ток, протекающий через резисторы 22. При вышеупомянутой второй проверке зона 36 имеет источники напряжения со взаимно противоположными полярностями, расположенные на обоих ее концах. Устройство 42 управления принимает входные сигналы от множества датчиков 38 тока и контролирует изменение между первым набором значений и вторым набором значений для обнаружения присутствия поезда или присутствия излома рельса на блок-участке 24. Если поезд или излом рельса отсутствует, в зоне 36 обнаруживается значительное увеличение тока. Если поезд или излом рельса присутствует, в зоне 36 обнаруживается пренебрежимо малое увеличение тока. В одном варианте воплощения, если увеличение тока (т.е. разница между первым набором значений и вторым набором значений) в зоне 36 меньше предопределенного порогового предела, обнаруживается присутствие поезда или излома рельса. Вышеупомянутый процесс повторяется для каждой зоны на блок-участке 24.
Устройство 42 управления дополнительно сконфигурировано для усреднения первого набора значений и второго набора значений каждой зоны, имеющей взаимно противоположные полярности на своих концах, для уменьшения систематических и гальванических погрешностей. В одном примере значения тока датчиков 38 при проверке 1, представленные в строке 52 (т.е. все полярности положительные), и при проверке 6, представленные в строке 62 (т.е. все полярности отрицательные), усредняются для уменьшения систематических и гальванических погрешностей. В другом примере значения тока датчиков 38 при проверке 2, представленные в строке 54, и при проверке 7, представленные в строке 64, усредняются для уменьшения систематических и гальванических погрешностей. Подобным образом предусматривается любое количество примеров.
Согласно особенностям настоящего изобретения длину зоны каждой зоны блок-участка определяют на основе разрешения датчиков 38 тока. Как обсуждалось выше, когда блок-участок рельсового пути 12 занят колесами рельсового транспортного средства или обнаружен излом рельса, пренебрежимо малое увеличение тока обнаруживается в конкретной зоне, имеющей источники напряжения взаимно противоположных полярностей, расположенные соответственно на обоих концах. Датчик тока согласно особенностям настоящего изобретения выполнен с возможностью разрешения изменений в измерениях тока, когда в блок-участке обнаружен излом рельса или присутствие поезда. Чем больше длина зоны, тем меньше становятся изменения в измерениях тока.
Фиг.3 является блок-схемой, иллюстрирующей способ обнаружения излома рельса или обнаружения транспортного средства согласно примерному варианту воплощения настоящего изобретения. Способ включает в себя приложение напряжения через блок-участок 24 рельсового пути 12 с помощью множества источников 20 напряжения, как представлено на этапе 76. Каждый резистор 22, последовательно соединенный с соответствующим источником 20 напряжения, принимает ток от напряжения, приложенного источниками 20 напряжения. Ток, протекающий через каждый резистор 22, представляет общий ток утечки через балласт, когда полярности источников 20 напряжения одинаковы. Датчики 38 тока обнаруживают ток, протекающий через резисторы 22. Изначально, датчики 38 тока измеряют первый набор значений, показывающих ток, протекающий через каждую зону, как представлено на этапе 78.
Устройство 42 управления принимает входной сигнал от датчиков 38 тока и контролирует изменение тока, текущего через каждую зону, для обнаружения излома рельса или присутствия рельсового транспортного средства на блок-участке 24 рельсового пути 12. В проиллюстрированном варианте воплощения устройство 42 управления переключает полярность множества источников 20 напряжения. В одном варианте воплощения устройство 42 управления переключает полярность множества источников напряжения последовательно от первого конца 44 по направлению ко второму концу 46 блок-участка 24, как представлено на этапе 80. В другом примерном варианте воплощения устройство 42 управления переключает полярность множества источников 20 напряжения последовательно от второго конца 46 по направлению к первому концу 44 блок-участка 24. В еще одном другом варианте воплощения устройство 42 управления сконфигурировано для переключения полярности множества источников 20 напряжения в произвольном или предопределенном порядке на блок-участке 24. Затем датчики тока измеряют второй набор значений, показывающих ток, протекающий через резисторы 22, как представлено на этапе 82.
Устройство 42 управления принимает входные сигналы от множества датчиков 38 тока и контролирует изменение между первым набором значений и вторым набором значений для обнаружения присутствия поезда или присутствия излома рельса на блок-участке, как представлено на этапе 84. Если поезд или излом рельса отсутствует, обнаруживают значительное увеличение тока в зоне, имеющей источники напряжения со взаимно противоположными полярностями на своих концах. Если поезд или излом рельса присутствует, обнаруживают пренебрежимо малое увеличение тока в зоне, имеющей источники напряжения со взаимно противоположными полярностями на своих концах. В одном варианте воплощения, если увеличение тока (т.е. разница между первым набором значений и вторым набором значений) в зоне меньше предопределенного порогового предела, обнаруживают присутствие поезда или излом рельса. Вышеупомянутый процесс повторяют для каждой зоны на блок-участке. Измерения датчиков 38 тока усредняют для уменьшения систематических и гальванических погрешностей.
Хотя здесь проиллюстрированы и описаны только определенные признаки изобретения, специалистам в данной области техники придут на ум многие модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что приложенная формула изобретения направлена на охват всех таких модификаций и изменений, которые относятся к действительной сущности изобретения.