СИСТЕМА И СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЕЗДА
SYSTEM AND METHOD FOR EARLY DETECTION OF TRAIN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к системе и способу обнаружения удаленного поезда в движении по железнодорожному пути и последующего формирования сигналов для раннего предупреждения незащищенного железнодорожного переезда или других мест, где приближающиеся поезда могут вызвать опасность. Система согласно изобретению может также использоваться для формирования сигналов, представляющих характеристики обнаруженного поезда, такие как тип поезда и его скорость и направление.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Железнодорожные переезды часто являются местами трагических несчастных случаев, когда водители автомобилей, велосипедисты или пешеходы недооценивают опасность в этих пересечениях. По всему миру несчастные случаи на железнодорожных переездах приводят к тысячам жертв каждый год и больше всего на незащищенных переездах. Документ http://www.rail-reg.gov.uk/upload/pdf/railsafety0304.pdf от службы железнодорожного регулирования в Соединенном Королевстве (UK) показывает, что на одной железнодорожной сети Великобритании в 2004 году было 18 случаев гибели граждан, 17 из которых произошли на незащищенных наземных переездах.
Ручное определение и предупреждение является наиболее широко используемым способом, когда техническое обслуживание железнодорожных путей должно выполняться на путях, которые используются поездами. Обычно один или более работников технического обслуживания должны наблюдать за путем в удаленном местоположении относительно места технического обслуживания и звонить своим коллегам на работе, если должен появиться поезд.
Было разработано некоторое количество систем для обнаружения поезда в конкретном месте. В таких системах поезд обнаруживается, когда он проходит датчик, и выходной сигнал датчика используется, чтобы запустить систему предупреждения или автоматический переездный шлагбаум. Датчик может обмениваться информацией с системой предупреждения или автоматическим переездным шлагбаумом посредством кабеля или радиосигналов.
Патент США № 5,924,651 показывает систему предупреждения и способ предупреждения персонала вблизи железнодорожных путей о приближающемся поезде. Используется передатчик для передачи предупреждающего сигнала в ответ на обнаружение датчиком поезда прохождения поезда по железнодорожным путям в определенном месте.
Раннее обнаружение удаленных поездов посредством прослушивания на рельсах было известно американским индейцам. Посредством прислушивания в течение определенного периода времени индейцы могли определить, приближается поезд или удаляется.
Патент США № 5,265,831 описывает способ и устройство для определения звука удара посредством приемника звука удара, например звука, вызванного железнодорожным транспортным средством, приближающимся к конкретному местоположению, и если интенсивность выходного сигнала из звукоприемника выше определенного уровня, в течение минимального времени запускается предупреждающий сигнал.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Учитывая высокое количество трагических несчастных случаев, связанных с незащищенными железнодорожными переездами, несмотря на многочисленные попытки решить проблемы, как описано выше в уровне техники, очевидно, что автоматические решения для систем безопасности до сих пор не были успешными, и проблема, связанная с защитой людей на железнодорожных переездах, все еще должна быть решена.
Когда плановое или внеплановое техническое обслуживание путей должно выполняться в любом месте вдоль пути, обычной практикой являются системы ручного предупреждения для защиты рабочих на пути.
В некоторых местах железной дороги имеется большая вероятность встретить диких животных, и помимо страдания животных, такие несчастные случаи являются очень неприятными для охраны поезда, которой часто приходится уничтожать животное перед продолжением поездки. Настоящее изобретение может использоваться для отпугивания животных световыми и звуковыми сигналами, когда прибывающий поезд обнаруживается рядом с тропами животных, пересекающих железную дорогу.
Настоящее изобретение является системой и способом раннего предупреждения, который может использоваться во всех ситуациях, описанных выше, чтобы радикально снизить вероятность несчастных случаев на железнодорожных путях. Как известно, скорость поездов постепенно увеличивается, так как технология путей и поездов постоянно улучшается. Раннее обнаружение, т.е. обнаружение поезда на больших расстояниях от места предупреждения, следовательно, становится все более важным. Однако раннее обнаружение и соответствующее раннее предупреждение может не быть желательным во всех случаях, так как некоторые поезда могут быть, по существу, медленнее, чем другие поезда, и слишком ранние предупреждения могут привести к неэффективной системе со слишком длинными периодами предупреждения. Настоящее изобретение, следовательно, позволяет обнаруживать поезда на различной скорости и передавать сигналы на железнодорожный переезд для его закрывания за постоянное время перед тем как проходит поезд.
Система и способ согласно изобретению имеют несколько преимуществ:
Настоящая система и способ раннего обнаружения поезда способны обнаруживать поезда раньше, чем в уровне техники, благодаря новой технологии датчика низкого уровня шума и расположению датчиков вдоль пути в конкретных положениях профиля рельса, в которых отношение сигнал/шум оптимизировано.
Кроме того, настоящая система в варианте осуществления изобретения может рассчитывать один или более выходных сигналов, например предупреждающий сигнал, основанный на расстоянии поездов до места предупреждения, направлении, скорости поезда, времени до прибытия поезда в местоположение и т.д.
Согласно изобретению система является автономной, т.е. она не ухудшает существующие системы вдоль пути или железнодорожное движение, и необходимы лишь небольшие технические установки.
Система может быть постоянной или временной, т.е. система может быть установлена постоянно рядом с железнодорожным переездом или она может использоваться командой технического обслуживания, чтобы устанавливать системы временно для каждого проекта технического обслуживания.
Благодаря механическим и функциональным аспектам системы согласно изобретению она является легкой в установке и управлении, таким образом снижая издержки, связанные с постоянными или временными системами предупреждения. Преимущественная конструкция, следовательно, делает ее пригодной также для удаленных железнодорожных переездов, где отношение издержки/выгода не позволили установить системы предупреждения из уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение далее описано со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны варианты осуществления изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует вариант осуществления изобретения на схематическом чертеже, на котором сигналы (s1), т.е. волны, распространяющиеся в рельсах от поезда, обнаруживаются и анализируются.
Фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления изобретения на схематическом чертеже, на котором сигналы (s1) и сейсмически распространяющиеся сигналы (s2) от поезда обнаруживаются и анализируются.
Фиг. 3 иллюстрирует вариант осуществления сенсорного модуля согласно изобретению.
Фиг. 4 иллюстрирует в виде сечения вариант осуществления некоторых из механических частей сенсорного модуля и крепления сенсорного модуля к рельсу посредством использования зажима.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемая система и способ раннего обнаружения поезда основана на установках множества датчиков, способных определять различные характеристики поездов, движущихся по железнодорожным путям, и испускать предупреждающие сигналы или информационные сигналы в определенных местах вдоль железнодорожных путей в близости движущегося поезда. Главной целью изобретения является предоставление простой и безопасной системы для обнаружения поездов на незащищенных железнодорожных переездах. Однако изобретение может также использоваться в любом месте, в котором раннее обнаружение движущихся поездов является важным, таком как, например, местоположение технического обслуживания железнодорожных путей.
Волны, формируемые приближающимися поездами, перемещаются через оба рельса и под землей, и записываются датчиками, расположенными в защищенном месте, таком как железнодорожный переезд, который надо обезопасить. Раннее обнаружение этих поездов облегчается благодаря следующим принципам, со ссылкой на фиг. 1.
Скорости распространения первого сигнала (s1), т.е. звуковые волны, распространяющиеся в рельсах, быстрее, чем ходовая скорость движущихся поездов (6). Следовательно, вызванные поездом волновые фронты прибывают намного раньше в точку наблюдения, чем сам поезд (6).
Из-за огромной массы движущиеся поезда (6) формируют волны (10a, 10b) с высокими амплитудами. Длины перемещения этих волн очень большие благодаря низким эффектам затухания. Таким образом, конкретная картина этих последовательностей волн может быть обнаружена на больших расстояниях (что увеличивает время исполнения). Как правило, рельсы служат в качестве волноводов для волн, и эти волны, следовательно, имеют более высокие амплитуды, чем сейсмические волны.
Предполагается, что, когда граничные условия системы железнодорожной насыпи остаются стабильными, распространяющиеся волны сопоставимых поездов претерпевают лишь небольшие изменения в амплитуде, частотном спектре и характеристиках сигнала. Это делает возможным определение характеристических «волновых картин» или формы волны для различных типов поездов.
Характеристические признаки в акустических и сейсмических записях делают возможным применение различных методик обработки сигналов (корреляции формы волны, анализа формы импульса и способов свертки сигнала), которые используются в алгоритмах обнаружения.
Как только обнаружение поезда подтверждено с помощью анализа в реальном времени, запускающий сигнал будет немедленно отправлен на имеющиеся сигнальные установки (мигающий свет, сигнальный звонок) или контроллер шлагбаума. Сигналы, полученные из обнаружения поезда, содержащие направление поезда, скорость, время до прибытия и т.д., могут также в одном из вариантов осуществления отправляться в центр управления для анализа и записи.
Далее изобретение и варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.
На фиг. 1 вариант осуществления изобретения проиллюстрирован на схематическом чертеже, на котором система (1) обнаружения поезда содержит один или более сенсорных модулей (2a, 2b, …), выполненных с возможностью крепления по меньшей мере на одном рельсе (10a, 10b) железнодорожного пути,
- причем каждый из сенсорных модулей (2a, 2b,…) выполнен с возможностью обнаружения первого сигнала (s1), вызванного движущимся поездом (6) и распространяющегося через рельсы (10a, 10b),
при этом каждый сенсорный модуль (2a, 2b, …) разделен по меньшей мере на первую камеру (21) и вторую камеру (22), причем первая и вторая камеры (21, 22) разделены электромагнитным экраном (23), причем первая камера (21) содержит:
- пьезоэлектрический элемент (24), закрепленный на внешней стенке (25) первой камеры (21),
- усилитель (26), выполненный с возможностью усиления выходного сигнала (s1eo) первого элемента, представляющего первый сигнал (s1), обнаруженный пьезоэлектрическим элементом (24), причем выходной сигнал (s1') первого датчика является усиленным выходным сигналом из усилителя (26), электромагнитный экран (23), содержащий одно или более средств (27) ввода, выполненных с возможностью передачи выходного сигнала (s1') первого датчика из первой камеры (21) во вторую камеру (22).
В варианте осуществления первая камера и/или вторая камера составлена одной или более металлическими коробками (21a, 22a, …) внутри сенсорных модулей (2a, 2b, …). Металлические коробки будут дополнительно экранировать усилитель (26) низкого уровня шума от внешнего шума вне сенсорных модулей (2a, 2b, …). Электромагнитный экран (23), разделяющий камеры, может в данном варианте осуществления быть составлен стенками металлических коробок (21a, 22a, …).
Положение и размещение пьезоэлектрического элемента (24) важно для достижения наилучшего возможного отношения сигнал/шум при обнаружении первого сигнала (s1). Расчеты и эксперименты показали, что может быть выгодно обнаруживать сигнал на стороне головки рельса. Таким образом, в одном из вариантов осуществления сенсорный модуль (2a, 2b, …) выполнен с возможностью установки на, по существу, вертикальную сторону головки (10h) рельса (10a, 10b), и в котором пьезоэлектрический элемент (24) внутри сенсорного модуля (2a, 2b, …) выполнен с возможностью быть обращенным к вертикальной стороне головки (10h) рельса (10a, 10b). В варианте осуществления сенсорный модуль (2a, 2b, …) дополнительно содержит второй пьезоэлектрический элемент (24a) (не показан на чертежах), выполненный с возможностью быть обращенным к нижней стороне головки (10h) рельса (10a, 10b).
Согласно альтернативному варианту осуществления сенсорный модуль (2a, 2b, …) содержит два или более пьезоэлектрических элемента, каждый из которых обращен к рельсу. Все пьезоэлектрические элементы могут быть обращены к стороне головки рельса, шейке рельса или сочетаниям головки, шейки и подошвы. В данном варианте осуществления сигналы от пьезоэлектрических элементов могут объединяться в сенсорном модуле или усиливаться отдельно перед обработкой.
Согласно варианту осуществления система (1) безопасности для обнаружения поезда содержит блок (3) управления, содержащий сигнальный процессор (31), выполненный с возможностью приема выходных сигналов (s1') первого датчика, представляющих первые сигналы (s1) от каждого из одного или более сенсорных модулей (2a, 2b, …), обработки выходных сигналов (s1') первого датчика и формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, представляющего характеристики движущегося поезда (6), на основании характеристик выходных сигналов (s1') первого датчика.
Варианты осуществления, описанные выше и ниже, могут объединяться в различных конфигурациях, например некоторые камеры состоят из металлической коробки, в то время как другие камеры - нет. Различные варианты осуществления датчиков и их конфигурации также могут объединяться с различными расчетами конфигураций системы управления, используемыми для формирования предупреждающего сигнала.
В варианте осуществления изобретения предложен способ раннего обнаружения движущегося поезда (6) на железнодорожном пути посредством использования системы (1) безопасности для обнаружения поезда, содержащей один или более сенсорных модулей (2a, 2b, …), выполненных с возможностью закрепления на по меньшей мере одном рельсе (10a, 10b), содержащий этапы, на которых:
- закрепляют один или более сенсорных модулей (2a, 2b, …) на по меньшей мере одном рельсе (10a, 10b),
- обнаруживают один или более первых сигналов (s1), акустически распространяющихся от поезда (6) через рельс (10a, 10b), посредством сенсорных модулей (2a, 2b, …),
- принимают выходные сигналы (s1') первого датчика, представляющие первые сигналы (s1) в сигнальном процессоре (31),
- обрабатывают выходной сигнал (s1') первого датчика в сигнальном процессоре (31) и формируют сигнал (s10) предупреждения о поезде, представляющий характеристики движущегося поезда (6), на основании характеристик выходного сигнала (s1') первого датчика.
Способ раннего обнаружения движущегося поезда (6) в варианте осуществления содержит этапы, на которых:
- обнаруживают один или более первых сигналов (s1) посредством двух или более пьезоэлектрических элементов (24), закрепленных на внешней стенке (25) первой камеры (21) каждого сенсорного модуля (2a, 2b, …),
- усиливают выходной сигнал (s1eo) первого элемента, представляющий первый сигнал (s1), обнаруженный пьезоэлектрическим элементом (25), в усилителе первой камеры (21),
- подают выходной сигнал (s1') первого датчика каждого сенсорного модуля (2a, 2b, …) через средство (27) ввода электромагнитного экрана каждого сенсорного модуля (2a, 2b, …) из первой камеры (21) во вторую камеру (22), и
- передают выходной сигнал (s1') первого датчика или измененный выходной сигнал (s1') первого датчика от сенсорных модулей (2a, 2b, …) на сигнальный процессор (31) упомянутой системы (3) управления. В варианте осуществления выходной сигнал (s1') первого датчика изменяется или преобразуется во второй камере (22) перед передачей системе управления в формат, более подходящий для передачи сигнала.
В альтернативном варианте осуществления изобретения система (1) обнаружения поезда содержит блок (3) управления и один или более сенсорных модулей (2a, 2b, …), выполненных с возможностью закрепления на по меньшей мере одном рельсе (10a, 10b) железнодорожного пути.
Каждый из сенсорных модулей (2a, 2b, …) выполнен с возможностью обнаружения первого сигнала (s1), вызванного движущимся поездом (6) и распространяющегося через рельс (10a, 10b). Блок (3) управления, содержащий сигнальный процессор (31), выполнен с возможностью приема выходных сигналов (s1') первого датчика, представляющих первые сигналы (s1) от каждого из одного или более сенсорных модулей (2a, 2b, …), непрерывной обработки выходных сигналов (s1') первого датчика и формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, представляющего характеристики движущегося поезда (6), на основании характеристик выходных сигналов (s1') первого датчика.
В варианте осуществления изобретения имеется способ раннего обнаружения движущегося поезда (6) на рельсах (10a, 10b) посредством использования системы (1) безопасности для обнаружения поезда, как описано выше, содержащий этапы, на которых:
- закрепляют один или более сенсорных модулей (2a, 2b, …) на по меньшей мере одном рельсе (10a, 10b) железнодорожного пути,
- обнаруживают один или более первых сигналов (s1), вызванных движущимся поездом (6) и распространяющихся через рельс (10a, 10b) посредством сенсорных модулей (2a, 2b, …),
- принимают выходные сигналы (s1') первого датчика, представляющие первые сигналы (s1) в реализуемом компьютером сигнальном процессоре (31),
- непрерывно обрабатывают выходной сигнал (s1') первого датчика в реализуемом компьютером сигнальном процессоре (31) и формируют сигнал (s10) предупреждения о поезде, представляющий характеристики движущегося поезда (6), на основании характеристик выходного сигнала (s1') первого датчика от по меньшей мере двух из сенсорных модулей (2a, 2b, …).
Согласно варианту осуществления изобретения сигнальный процессор (31) является реализуемым компьютером. Сигнальный процессор (31) может использовать один или более физических процессоров на компьютере, чтобы выполнять вычисления, как описано выше. В варианте осуществления сигнальный процессор (31) частично встроен в аппаратное обеспечение, специально сконструированное для задач, описанных выше.
Согласно варианту осуществления изобретения система (1) обнаружения поезда содержит два или более сенсорных модуля (2a, 2b, …).
Одним из преимуществ системы является ее возможность определять различные характеристики движущегося поезда (6), такие как направление, скорость и т.д., посредством приема и сравнения сигналов от множества сенсорных модулей (2a, 2b, …). Однако из-за небольшой разнородности сигнала вдоль рельса системы и между двумя датчиками может быть сложно определить некоторые из характеристик, таких как, например, направление поезда, из принятых сигналов. Согласно варианту осуществления, чтобы улучшить разнородность сигнала между датчиками, расположенными на одном рельсе, акустический демпфер (7), выполненный с возможностью демпфирования первого сигнала (s1), расположен в физическом контакте с рельсом (10a, 10b) между двумя из сенсорных модулей (2a, 2b, …), закрепленных на том же рельсе (10a, 10b). Демпфер может являться подкладкой под колею, обычно используемой для железнодорожных резиновых пересечений на одном уровне, или любым другим подходящим акустическим демпфером. Демпфер может быть изготовлен, например, из резины, дерева, комбинации из резины и дерева, или любого другого материала с хорошими акустическими демпфирующими свойствами.
В варианте осуществления изобретения сигнальный процессор (31) содержит детектор (32) огибающей, выполненный с возможностью непрерывного обнаружения сигнала (sl'e) огибающей выходного сигнала (s1') первого датчика от каждого из сенсорных модулей (2a, 2b, …) и компаратора (33) сигналов огибающих, приспособленного для непрерывного сравнения временного отрезка (T) сигналов (s1'e) огибающих, обнаруженных из выходного сигнала (s1') первого датчика из по меньшей мере одного из сенсорных модулей (2a, 2b, …), с заданным сигналом (s1'p) огибающей, при этом реализуемый компьютером сигнальный процессор (31) выполнен с возможностью формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, указывающего на приближающийся поезд (6), когда сигнал (s1'e) огибающей имеет все более и более высокую амплитуду, чем заданный сигнал (pl'e) огибающей в течение временного отрезка (T). Сигналы (s1') и (s2') и сигналы (s1'e) огибающих, проиллюстрированные на фиг. 1 и 2, приведены лишь для целей иллюстрации; и сигналы и огибающие могут иметь различные формы. Сигналы (s1') и (s2') будут, в целом, состоять из множества частотных компонентов и их амплитуда будет изменяться согласно, например, скорости поезда, расстояния и типа поезда.
Заданные сигналы (p1'e) огибающих, которые используются для сравнения, могут быть конкретными для каждого типа поезда, функционирующего в железнодорожной сети. Однако чтобы улучшить чувствительность системы (1) обнаружения поездов, более конкретный заданный сигнал огибающей может быть получен посредством записи таких сигналов для конкретного места, в котором устанавливаются сенсорные модули (2a, 2b, …). Эти записанные сигналы могут затем быть проанализированы, чтобы получить характеристическую огибающую, используемую в качестве заданных сигналов огибающих.
Согласно изобретению также возможно обучать систему (1) обнаружения поездов посредством, например, непрерывного добавления измеренных сигналов (s1'e) огибающих всякий раз, когда поезд проходит сенсорные модули (2a, 2b, …), в коллекцию заданных сигналов (p1'e) огибающих. Согласно варианту осуществления изобретения можно также улучшать существующие заданные сигналы (p1'e) огибающих посредством применения статистического анализа или методик свертки, таких как, например, расчет среднего значения, медианы, для непрерывно измеряемых сигналов (s1'e) огибающих. Обучение может выполняться до или во время функционирования системы (1) обнаружения поезда.
Согласно варианту осуществления изобретения, компаратор (33) огибающих сигналов выполнен с возможностью непрерывного сравнения сигнала (s1'e) огибающей для выходного сигнала (s1') первого датчика из по меньшей мере двух из сенсорных модулей (2a, 2b, …), закрепленных на одном рельсе (10a, 10b), и дополнительно выполнен с возможностью обнаружения направления (s11) движущегося поезда (6), причем сигнал (s10) предупреждения о поезде содержит направление (s11) поезда (6).
Направление предпочтительно должно быть относительно рельса (10a, 10b) или относительно сторон света.
В варианте осуществления система (1) безопасности для обнаружения поезда согласно изобретению приспособлена для обнаружения типа движущегося поезда посредством сравнения сигнала (s1'e) огибающей с заданными сигналами (p1'e) огибающих для различных типов поездов. Длина огибающей для заданных сигналов (p1'e) огибающих для различных типов поездов должна быть достаточной для различения конкретного типа поезда от остальных, но не обязана содержать огибающую для всего поездного состава или поездных составов. В данном варианте осуществления реализуемый компьютером сигнальный процессор (31) выполнен с возможностью формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, представляющего тип (s12) движущегося поезда (6), когда компаратор (33) сигналов огибающих обнаруживает, что сигнал (s1'e) огибающей эквивалентен заданному сигналу (p1'e) огибающей в течение временного отрезка (T).
В варианте осуществления изобретения реализуемый компьютером сигнальный процессор (31) выполнен с возможностью формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, представляющего расстояние (s13) до приближающегося поезда посредством сравнения увеличения или уменьшения амплитуды сигнала (s1'e) огибающей с заданным сигналом (p1'e) огибающей в компараторе (33) сигналов огибающих.
Согласно варианту осуществления реализуемый компьютером сигнальный процессор (31) выполнен с возможностью формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, представляющего время до того как движущийся поезд (6) прибудет в местоположение, в котором расположены датчики (2a, 2b, …), или в другое место вдоль рельс (10a, 10b) в известном положении относительно местоположения датчиков.
Согласно варианту осуществления изобретения система (1) обнаружения поезда используется для защиты железнодорожного переезда. В данном варианте осуществления по меньшей мере два из упомянутых сенсорных модулей (2a, 2b, …) расположены на одном рельсе (10a, 10b) на противоположных сторонах железнодорожного переезда. Однако сенсорные модули (2a, 2b, …) могут также располагаться на одной стороне железнодорожного переезда, если считается, что это более удобно в конкретной установке.
Согласно варианту осуществления изобретения реализуемый компьютером сигнальный процессор (31) выполнен с возможностью формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, содержащего время ожидания, для представления транспортному средству, ожидающему возможности переехать через железнодорожный переезд. Время ожидания может быть оставшимся временем до того как поезд пройдет запас безопасности. Время ожидания может являться полезной информацией для водителя и может предотвращать рискованные ситуации, когда водитель предпринимает попытку переезда через путь, так как в поле зрения нет поезда. Индикатор времени ожидания является индикацией того, что система функционирует, и побуждением для водителя подождать, пока поезд не пройдет.
Согласно варианту осуществления изобретения система (1) безопасности для обнаружения поезда содержит компаратор (34) звуковых сигналов, выполненный с возможностью сравнения частотных компонент вплоть до 50 кГц выходного сигнала (s1') первого датчика из по меньшей мере двух из сенсорных модулей (2a, 2b, …).
Согласно варианту осуществления изобретения чувствительность системы обнаружения поезда может быть улучшена посредством объединения выходных сигналов (s1') первого датчика или сигналов (s1'e) огибающих от двух или более сенсорных модулей (2a, 2b,…) перед сравнением результирующего сигнала с заданными сигналами (p1'e) огибающих.
Согласно варианту осуществления изобретения комбинированный сигнал является средним значением сигналов (s1'e) огибающих. Выходные сигналы (s1') первого датчика могут быть подвергнуты преобразованию Фурье перед тем как различные частотные компоненты объединяются. В данном варианте осуществления некоторые из частотных компонентов могут быть взвешены отлично от остальных. Полосовой фильтр, фильтр верхних частот или фильтр нижних частот может также использоваться, чтобы уменьшить вклад от частотных компонентов, которые представляют в основном шум. Объединение сигналов, как описано выше, улучшит отношение сигнал/шум сигнала и сделает возможным более раннее обнаружение поездов. Это также делает расчет выходных предупреждающих сигналов, представляющих, например, расстояние, скорость, направление и время прибытия и т.д., более точным.
В варианте осуществления изобретения система (1) обнаружения поезда содержит четыре сенсорных модуля (2a, 2b, …), по два с каждой стороны акустического демпфера (7) в направлении рельса (10b, 10b). В данном варианте осуществления два датчика на одной стороне могут функционировать как пара, чтобы улучшить результирующее отношение сигнал/шум посредством применения методик свертки или других подходящих методик обработки сигнала, как описано выше. Когда результирующий сигнал из каждой пары сравнивается с результирующим сигналом из другой пары сенсорных модулей (2a, 2b, …), движущийся поезд (6) и его направление и т.д., может быть получен из доступных сигналов посредством непрерывного сравнения их сигналов огибающих друг с другом и с заданными сигналами огибающих для известных типов поездов.
Характеристики сенсорного модуля (2a, 2b, …) важны для способности системы (1) безопасности для обнаружения поезда обнаруживать поезда заранее. Согласно изобретению, каждый сенсорный модуль (2a, 2b, …) разделен на по меньшей мере первую камеру (21) и вторую камеру (22), причем первая и вторая камеры (21, 22) разделены электромагнитным экраном (23), или EMC, экраном (23) электромагнитной совместимости, причем первая камера (21) содержит:
- пьезоэлектрический элемент (24), закрепленный на внешней стенке (25) первой камеры (21),
- усилитель (26), выполненный с возможностью усиления выходного сигнала (s1eo) первого элемента, представляющего первый сигнал (s1), обнаруженный пьезоэлектрическим элементом (25), причем выходной сигнал (s1') первого датчика является усиленным выходным сигналом из усилителя (26), причем электромагнитный экран (23) содержит один или более конденсаторов (27) ввода, выполненных с возможностью передачи выходного сигнала (s1') первого датчика из первой камеры (21) во вторую камеру (22), причем вторая камера (22) содержит один или более проходных изоляторов (28) в одной из своих внешних стенок (29), причем проходные изоляторы приспособлены для электрических проводов, передающих выходной сигнал (s1') первого датчика. Сенсорный модуль (2a, 2b, …) согласно изобретению способен обнаруживать и усиливать первые сигналы (s1) от движущегося поезда (6), причем выходные сигналы (s1') первого датчика имеют невысокое отношение сигнал/шум благодаря устройству чувствительного элемента, закрепленного прямо на внешней стенке сенсорного модуля. В варианте осуществления внешняя стенка (25) сенсорного модуля (2a, 2b, …) приклеивается напрямую на рельс (10a, 10b). Тип клея зависит от применения системы. Долговечный клей или винты могут использоваться для постоянных установок. Для системы (1) обнаружения поезда, используемой в месте технического обслуживания, может использоваться непостоянный клей для обеспечения легкого удаления после использования. Сенсорный модуль с двойной камерой с конденсаторами (27) ввода уменьшает шум, попадающий в первую камеру (21), и тем самым улучшает отношение сигнал/шум системы. Чувствительный элемент может в варианте осуществления изобретения являться пьезоэлектрическим элементом (24), приклеенным или привинченным напрямую к внешней стенке (25).
В качестве альтернативы клею или винту в варианте осуществления может быть выгодно зажимать сенсорный модуль (2a, 2b, …) на рельсе (10b, 10b), как показано на фиг. 4, причем зажим (50) выполнен с возможностью прижатия сенсорных модулей (2a, 2b, …) к рельсу (10a, 10b).
Из-за ограничений на размер установок на пути физические размеры датчиков должны быть небольшими.
В варианте осуществления изобретения датчики основаны на технологии датчика вибраций, в которой сенсорные модули (2) содержат пьезоэлектрический элемент (24) и бесшумный усилитель. Пьезоэлектрический элемент (24) может быть зафиксирован на дне корпуса сенсорных модуля (2), чтобы гарантировать хороший акустический контакт между пьезоэлектрическим элементом (24) и корпусом.
Другие датчики также могут использоваться в системе и способе согласно изобретению. Важными параметрами являются устойчивость и чувствительность, поэтому возможными датчиками могли бы являться сейсмоприемники или датчики микроэлектромеханических систем (MEMS), основанные на полупроводниковой технологии. Небольшие датчики могут прикрепляться напрямую к рельсам посредством, например, использования для этой цели клея, дающего желаемую акустическую связность, или отверстия могут быть просверлены через профиль рельса, чтобы закрепить датчик посредством винтов на внешней части рельса, или может использоваться сконструированная система зажима. Альтернативный вариант крепления состоит в креплении датчиков к бетонным шпалам рядом с рельсами или между ними.
Чтобы иметь возможность применять способы корреляции и свертки для анализа данных, несколько датчиков могут быть установлены на обоих рельсах согласно варианту осуществления изобретения. Датчики могут располагаться на равноудаленных интервалах вдоль пути или на изменяющихся интервалах в зависимости от используемого алгоритма обработки сигнала.
В варианте осуществления изобретения сейсмические сигналы используются в комбинации с акустическими сигналами для обнаружения поезда, как видно на фиг. 2. Один или более сенсорных модулей (2a, 2b, …) приспособлены для обнаружения второго сигнала (s2), распространяющегося от поезда (t) через землю, причем реализуемый компьютером сигнальный процессор (31) выполнен с возможностью приема выходного сигнала (s2') второго датчика, представляющего второй сигнал (s2) от одного или более сенсорных модулей (2a, 2b, …), непрерывной обработки выходного сигнала (s2') второго датчика и формирования сигнала (s10) предупреждения о поезде, представляющего характеристики движущегося поезда (6) на основании характеристик выходных сигналов (s1') первого датчика и выходных сигналов (s2') второго датчика.
В варианте осуществления изобретения отдельные сенсорные модули (2a, 2b, …) используются для обнаружения акустических и сейсмических сигналов. Дополнительно, кабели датчиков от каждого из сенсорных модулей (2a, 2b, …) могут быть отдельными на всем пути от каждого из датчиков до блока (3) управления. В данном варианте блок (3) управления может использовать различные алгоритмы для обработки сигналов (s1') и (s2') от соответственно сейсмических и акустических датчиков.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения датчики находятся рядом с системой управления или центральной системой сбора данных, и кабели датчиков довольно короткие. Однако в варианте осуществления изобретения кабели датчиков вплоть до ста метров используются для передачи сигналов от датчиков центральной системе сбора данных. Даже хотя эти кабели довольно устойчивы, они могут покрываться защитными трубками в случае постоянной установки на несколько месяцев, чтобы предотвратить повреждение кабелей. В варианте осуществления изобретения манипулирование, цифровое преобразование и хранение акустических и/или сейсмических данных выполняется системой сбора данных, способной обрабатывать данные с множества каналов в непрерывном режиме. Обычное оборудование для традиционных акустических и/или сейсмических применений, как понятно специалисту в данной области техники, пригодно для этих требований.
Согласно варианту осуществления изобретения сигнал (s10) предупреждения о поезде, содержащий сигнал (s14) аномалии пути, формируется, когда аномалия обнаруживается в рельсах (10a, 10b). Сигнал (s14) аномалии пути может быть сформирован, когда на железнодорожном пути нет поезда, и шумовые характеристики отличаются от нормальных условий. Это может происходить из-за неожиданного отличия в принятом сигнале от поезда на двух рельсах железнодорожного пути, несущего такой же поезд, например, отличие сигнала огибающей или отличие частотного компонента. В похожем варианте осуществления сигнал аномалии поезда может также формироваться, когда принятые сигналы указывают на аномалию поезда, такую как, например, проблемы с поврежденными колесами.