СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЧАСТИЧНОГО ИЛИ ПОЛНОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЛЬСА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
RAILWAY MONITORING SYSTEM FOR DETECTING PARTIAL OR COMPLETE FAILURE OF RAILWAY ROADS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе наблюдения железнодорожного пути для обнаружения частичного или полного разрушения рельса железнодорожного пути, которая может помогать железнодорожным ведомствам или железнодорожным операторам непрерывно наблюдать за железнодорожными путями на предмет возможных разрывов в рельсах.
Уровень техники
Непрерывное развитие или внезапное возникновение трещин в профилях рельсов, используемых для железнодорожных путей, считается серьезной проблемой, поскольку она может вызывать, в большинстве экстремальных случаев, крушение поездов и железнодорожных транспортных средств и, следовательно, приводит к человеческим и финансовым потерям. Особенно во время зимних месяцев и экстремально низких температур, лопнувшие рельсы возникают чаще. Низкие температуры приводят к сжатию стальных профилей, что, в наиболее суровых случаях, заканчивается полным разрушением рельсов (например, http://www.aftenposten.no/nyheter/iriks/Kulden-stopper-togene-8306239.html). См. также: http://www.tu.no/samferdsel/2016/01/17/pa-disse-togstrekningene-er-det-storst-fare-for-skinnebrudd?utm_source=newsletter-2016-01-18&utm_medium=email&utm_campaign=news1etter.
Предложенная в данном документе процедура наблюдения нацелена на частичное или полное разрушение рельсов (т.е., более крупные трещины, которые проходят сквозь весь профиль и, следовательно, приводят к полному разделению рельса) в полунепрерывном (почти в реальном времени) режиме. Предложенная процедура не предназначается, чтобы идентифицировать небольшие разломы (трещины, микротрещины), которые медленно развиваются в рельсах и которые не представляют серьезной угрозы безопасности железной дороги. Причины небольших разломов в стальных профилях железнодорожных путей могут быть многообразными, например, механическая деградация (износ) вследствие эксплуатации, химическая эрозия. Однако, полное разделение рельсов (известное как эффект 'лопнувших рельсов') может быть не только долговременным результатом этих воздействий, но и внезапным эффектом, вызванным колебаниями температуры (термомеханическое сжатие/расширение материалов), дефектными сварными швами/соединениями, вандализмом, диверсией, другими ударами (например, камнепадами, авариями).
Предложенная в данном документе процедура не должна заменять существующие процедуры осмотра, а дополняет их и просто способствует дополнительной безопасности железнодорожного движения.
Известные решения и проблемы с ними
Согласно Norsk Jernbaneverkets Teknisk Regelverk (JBV-TR; https://trv.jbv.no/wiki/Forside), существуют процедуры для осмотра и исследования железнодорожных путей относительно наличия трещин и разломов. На практике, насколько это может быть получено из JBV-TR, существует два типа осмотра, главным образом:
визуальный осмотр (a),
ультразвуковой контроль (b).
Поскольку визуальные осмотры (a) обеспечивают лишь некоторый уровень точности, являются очень предвзятыми, субъективными, и, если проводятся регулярно для всей железнодорожной сети, будут очень неэффективными, а также затратными, может быть предпочтительной более техническая процедура, проводимая в более автоматизированном режиме работы. Однако, в JBV-TR не предоставляется информация об эффективности и надежности существующих процедур наблюдения на основе ультразвукового контроля (b). На основе личных контактов с Norway's Jernbaneverket (JBV), каждый участок железнодорожной сети Норвегии инспектируется один раз в год в среднем (некоторые участки более часто, другие участки менее часто) посредством ультразвуковой тележки (ultralydtralle).
Что становится ясным, однако, этот тот факт, что ни один из обоих способов осмотра не может применяться в непрерывном режиме, следовательно, уменьшая шанс идентифицировать трещины или лопнувшие участки немедленно после их возникновения. [Pers. Comm. with Frode Teigen (JBV): "viktig å få beskjed umiddelbart skinnebrudd har skjedd".]
Кроме того, лопнувший рельс может быть идентифицирован, если цепь электрического тока (stromkrets) в рельсах прерывается. Это, однако, уже не будет возможным, когда ERTMS (Европейская система управления железнодорожными перевозками) заменила традиционные стандарты для систем управления и командования поездами (https://en.wikipedia.org/wiki/European_Rail_Traffic_Management_System).
Также, только более важные участки железнодорожной сети оснащались/оснащены токовыми цепями.
Фиг. 1 иллюстрирует решение для обнаружения поломки рельса предшествующего уровня техники, раскрытое в публикации с заголовком "Elastic Wave Analysis for Broken rail detection", при этом вибрация или акустический сигнал на рельсе, который формируется поездом, движущимся по рельсам, и распространяется от поезда по направлению к разрыву рельса, и сигнал, отражаемый обратно от разрыва рельса по направлению к поезду, обнаруживается датчиком в местоположении между поездом и разрывом рельса, обнаружение разрыва рельса выполняется на основе увеличенной амплитуды суммарного сигнала в местоположении датчика.
Другие технические решения, подразумевающие установленные на пути датчики для наблюдения или проверки железнодорожного пути, описываются в JP 2015034452 A, WO 2013050244 A1 и US 2015285927 A1. Другие технические решения для наблюдения или проверки железнодорожного пути описываются в US 2015033864 A1 и US 201412954 A1.
Проблемы, которые должны быть разрешены
В виду слабости существующих методологий осмотра новая система осмотра нацелена на решение, по меньшей мере, одной из следующих проблем:
автономная работа, возможно управляемая в автоматическом режиме (следовательно, экономически эффективная);
объективная оценка, т.е., не зависящая от субъективного мнения оператора(в) осмотра, но с эмпирически доказанной (т.е. посредством инструментальных/экспериментальных результатов) устойчивостью, как относительно процедуры анализа, так и физических компонентов (вследствие погодных влияний и т.д.);
избыточность, так что функциональность системы гарантируется, даже если некоторые компоненты системы (датчики, блоки анализа) работают неправильно;
неинвазивность, т.е., ни физические компоненты системы, ни их работа не должны оказывать какое-либо негативное влияние на само движение поездов, или на любое другое существующее оборудование;
добавление безопасности, т.е. система должна только обеспечивать дополнительную безопасность, даже в случаях, когда система является неисправной, риски, связанные с железнодорожной безопасностью, не повышаются.
Сущность решения изобретения.
Настоящее изобретение предоставляет систему наблюдения за состоянием железнодорожного пути для обнаружения частичного или полного разрушения рельса железнодорожного пути согласно пункту 1 сопровождающей формулы изобретения.
Отличительные признаки вариантов осуществления системы наблюдения за состоянием железнодорожного пути согласно пункту 1 сопровождающей формулы изобретения излагаются в сопровождающих пунктах 4-5 формулы изобретения.
Решение для наблюдения за железной дорогой, которое описывается в данном документе, в общей конфигурации содержит:
первую фазу, также называемую контрольно-измерительной фазой, на которой и рельсы, и поезда оснащаются компонентами системы наблюдения за рельсами, при этом блоки датчиков присоединяются к рельсам, преимущественно на равном или изменяющемся расстоянии друг от друга, в то время как приемник/блоки обработки перевозятся отдельным поездом, несколькими поездами или множеством поездов, и
waves
train
вторую фазу, также называемую фазой возбуждения и записи, на которой вибрации или акустические волны, которые формируются поездом и распространяются в рельсах со скоростью V распространения волны больше скорости V поезда, и какой-либо датчик, расположенный в направлении движения поезда, будет приспособлен регистрировать при этом поступающие "серии волн", и при этом постулируется, что среда распространения, типично стандартизированный стальной профиль рельса, между двумя датчиками, является единообразной, что окружающие условия остаются практически стабильными, и что серии волн, зарегистрированные в последовательных датчиках, будут очень коррелированными (независимо от временной задержки), и, в случае лопнувшего рельса, сигнал, зарегистрированный такими датчиками, расположенными позади участка лопнувшего рельса, будет значительно отличаться и, следовательно, будет некоррелированным по сравнению с сигналами, зарегистрированными в датчиках, находящихся впереди лопнувшего участка, и
третью фазу, также называемую сбором данных, обработкой данных и фазой тревожного оповещения, на которой тот же самый проходящий поезд, оснащенный блоком приемника, считывает зарегистрированный сигнал в каждом датчике, и приемник/блок обработки на борту поезда сравнивает/коррелирует данные от последовательных датчиков, и несоответствия, которые могут быть поняты как некоррелированные сигналы между двумя датчиками, помечаются флагом и сообщаются, или сигнализируются, в центр управления железнодорожного ведомства, TOCC.
В первом варианте осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного она содержит блоки датчиков для обнаружения ускорения для рельса пути, блоки датчиков присоединяются к рельсу, на расстоянии относительно друг друга. Преимущественно, блоки датчиков размещаются с одинаковыми интервалами вдоль пути. Расстояние между датчиками для разнесенных блоков датчиков может изменяться вдоль заданного рельса или от одной установки к другой, в зависимости от факторов, влияющих на регулярность пути. Такие факторы могут, например, быть изгибами, установками, мостами и стрелочными переключателями/стрелочными переводами. Оба рельса рельсовой пары типичного железнодорожного пути преимущественно оборудуются блоками датчиков. Каждый блок датчика преимущественно географически маркируется, предоставляя возможность легко локализовать потенциально поврежденный участок.
В преимущественном варианте осуществления первого варианта осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного, содержащей блоки датчиков, блоки датчиков присоединяются тугой прессовой посадкой к внешней подошве профиля рельса, так что не может возникнуть никаких помех для колес поезда. Крепление блока датчика к рельсам может быть выполнено посредством клея или эпоксидной смолы.
В преимущественном варианте осуществления первого варианта осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного, содержащей блоки датчиков, блок датчика может содержать, по меньшей мере, один из датчика, включающего в себя датчик ускорения или вибрации, приспособленный обнаруживать зависящее от времени ускорение или вибрацию рельса, создаваемую приближающимся поездом и распространяющуюся по рельсу, и выводить обнаруженный сигнал ускорения или вибрации, и средство регистрации сигналов, приспособленное выполнять регистрацию обнаруженного сигнала ускорения или вибрации, предоставленного датчиком ускорения или вибрации, и
первый процессор, содержащий процессорное средство, приспособленное обрабатывать обнаруженный сигнал ускорения или вибрации для регистрации, чтобы идентифицировать сегмент сигнала, соответствующий предварительно определенному характерному шаблону сигнала, и
первую память для данных для сохранения обнаруженных данных в файл данных, первые сигнальные данные представляют идентифицированный сегмент из сегментов сигнала, и
передатчик, включающий в себя первое средство беспроводной передачи данных, приспособленное беспроводным образом передавать сохраненные данные из упомянутых первых сигнальных данных удаленно расположенному соответствующему второму средству беспроводной передачи данных, и
аккумулятор для непрерывной подачи электропитания упомянутому датчику, первому процессору, первой памяти и передатчику.
В предпочтительном варианте осуществления датчик ускорения или вибрации содержит средство регулировки усиления датчика, выполненное с возможностью регулировать усиление или чувствительность датчика ускорения или вибрации, с тем, чтобы задействовать датчик в зашумленном ограниченном режиме обнаружения. В зашумленном ограниченном режиме обнаружения, в моменты времени, когда ускорение или вибрация от движущегося поезда присутствует в рельсе в позиции блока датчика, уровень обнаруженного сигнала ускорения или вибрации, выводимого из датчика, существует благодаря шуму и поддерживается в небольшой доле, предпочтительно в пределах 30%, более предпочтительно в пределах 15%, и даже более предпочтительно в пределах 5%, полного динамического диапазона сигнала ускорения или вибрации, выводимого из датчика. Средство регулировки усиления датчика в одном варианте осуществления приспосабливается, чтобы обеспечивать динамическое регулирование усиления или чувствительности датчика, тогда как в другом варианте осуществления оно приспосабливается, чтобы поддерживать усиление или чувствительность датчика на предварительно определенном уровне, который является либо фиксированным, либо регулируемым.
В предпочтительном варианте осуществления первого варианта осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного, содержащей приемник и процессор на борту поезда, приемник и процессор могут содержать, по меньшей мере, одно из устройства определения местоположения, приспособленного, чтобы определять местоположение поезда,
по меньшей мере, одно из второго средства беспроводной передачи данных, приспособленное, чтобы принимать беспроводным образом упомянутые сохраненные данные из упомянутых первых сигнальных данных от первого средства беспроводной передачи данных блока датчика,
устройство объединения, приспособленное ассоциировать определенное местоположение поезда с принятыми данными из упомянутых первых сигнальных данных от соответствующего блока датчика,
вторую память, приспособленную, чтобы хранить множество данных из упомянутых первых сигнальных данных, принятых от соответствующих датчиков из множества упомянутого блока датчиков, и ассоциированных местоположений из упомянутых определенных местоположений поезда, и
второй процессор, приспособленный, чтобы извлекать из второй памяти и обрабатывать множество данных из упомянутых первых сигнальных данных и получать указатель разрыва рельса в местоположении между местоположениями, по меньшей мере, двух из упомянутых блоков датчиков.
В предпочтительном варианте осуществления первого варианта осуществления общей конфигурации средства для наблюдения из вышесказанного, содержащей блоки сейсмических датчиков, представляется, что блоки датчиков проектируются настолько малыми, насколько возможно, с тем, чтобы избегать получения слишком большого внимания от людей, проходящих мимо путей (и, тем самым, порчи и вандализма) и избегать предложения открытой поверхности для повреждения механическими ударами (камнями и т.д.).
Во втором варианте осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного, или в дополнительном варианте осуществления для первого варианта осуществления из вышесказанного, она содержит один или более блоков приемников, перевозимых поездом, при этом один или более блоков приемников приспосабливается/приспосабливаются для приема данных от одного или более блоков данных, чтобы выполнять обработку данных и пересылать состояние/тревожные сообщения в центр управления движением поездов (TOCC).
В предпочтительном варианте осуществления второго варианта осуществления решения для наблюдения из вышесказанного, или в дополнительном варианте осуществления первого варианта осуществления из вышесказанного, решение содержит один или более блоков приемников, перевозимых поездом, при этом один или более блоков приемников могут предпочтительно содержать, по меньшей мере, одно из:
мощного устройства для беспроводной передачи данных, такое как устройство Bluetooth-типа, которое будет считывать данные от каждого датчика во время проезда, например, в течение периода в несколько секунд, доступного, чтобы выполнять передачу файла данных, и
процессора, такого, который, например, реализован посредством процессора микросхемного типа, который содержит средство, по меньшей мере, для одного из: распаковки файла данных, сравнения/сопоставления данных с данными от предыдущих/последующих датчиков, идентификации коэффициента корреляции и отправки сообщения о состоянии в центр управления движением поездов, TOCC, например, с помощью GSM-системы поезда, или сохранения информации с геометкой в базе данных, причем эта информация с геометкой в базе данных предпочтительно приспособлена передаваться в TOCC, как только поезд достиг главной железнодорожной станции.
В дополнительном варианте осуществления для второго варианта осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного, или в дополнительном варианте осуществления для первого варианта осуществления из вышесказанного, по готовности решения идентифицировать лопнувший рельс, следовательно, уровень безопасности приспосабливается для оценки по количеству поездов, перевозящих блоки приемников, и тому, как часто эти поезда проезжают по некоторому железнодорожному пути, тем самым, предоставляя возможность считывания своих собственных создаваемых сигналов вибрации или движения, которые обнаруживаются в блоках датчиков.
В предпочтительном варианте осуществления для первого варианта осуществления общей конфигурации решения для наблюдения из вышесказанного, содержащей блоки сейсмических датчиков, сигналы от подгрупп датчиков собираются на локальном пути, откуда они передаются поезду, что будет отличаться от индивидуальной передачи датчика. Предполагается, что сигналы, собранные от подгрупп датчиков, сравниваются в локальном путевом блоке, откуда они передаются поезду, предоставляя возможность обработки на уровне пути. Дополнительно предполагается, что сигналы датчиков анализируются в центральном командном блоке после пересылки проходящим поездом, предоставляя возможность выполнения обработки в объекте, отличном от поезда.
Подробное описание изобретения
В последующем изобретение будет описано в качестве примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 2 является схематичным чертежом, иллюстрирующим подробности типичного рельсового датчика для установки на пути. Эскиз слева иллюстрирует поперечное сечение одного рельсового профиля (A-A), в то время как правый эскиз представляет вид сбоку рельсового пути.
Фиг. 3 показывает подробности типичной установки рельсового датчика на участке пути, где расстояние (520) между датчиками может изменяться.
Фиг. 4 является схематичным чертежом, иллюстрирующим акустические/сейсмические волны, формируемые движущимся поездом, типично колесами поезда, движущегося по рельсам, и обнаруживаемые посредством датчиков, как функцию времени, прежде чем поезд проезжает соответствующие датчики. В случае, когда среда распространения волны, которая будет типично самим рельсовым профилем, между движущимся поездом и заданной линией датчиков, является целой и практически непрерывной, каждый из этих датчиков будет обнаруживать сигнал с очень похожей сигнатурой по времени. Датчики, расположенные за участком лопнувшего рельса, будут воспринимать сильно возмущенный сигнал приближающегося поезда, поскольку среда распространения волны между движущимся поездом и датчиком является более или менее прерванной.
Фиг. 5 является схематичным чертежом, иллюстрирующим блок приема и обработки на борту движущегося поезда и прием сигналов от датчиков рельсового пути последовательно, когда поезд находится близко к датчику.
Фиг. 6A иллюстрирует регистрацию сигнала, обнаруженного посредством сейсмического датчика, непосредственно присоединенного к рельсу, и создаваемого приближающимся поездом. В настоящем примере схема зависимости сигнала от времени ясно указывает различные серии волн, достигающие соответствующего датчика с различными уровнями амплитуды.
Фиг. 6B, 6C и 6D представляют подробные графики трех маркированных окон на фиг. 6A.
Фиг. 6B показывает одну из первых обнаруженных серий волн с очень характерной и единообразной формой волны в зависимости от времени. Фиг. 6C показывает фазу повышения обнаруженного сигнала, который линейно увеличивается до тех пор, пока он не достигнет более высокого, более устойчивого уровня амплитуды.
Фиг. 6D иллюстрирует обнаруженный сигнал, после того как поезд длительно проезжал регистрирующий датчик, который, в основном, представляет случайный шум и который также наблюдается, до того как первые вызванные поездом вибрации достигают первого датчика.
Фиг. 7 предоставляет примерную иллюстрацию сигнала, обнаруженного посредством датчика, используемого в варианте осуществления изобретения, при этом верхний график (фиг. 7A) изображает весь сигнал, а нижний график (фиг. 7B) изображает выбранный фрагмент сигнала на увеличенной шкале времени. Выбранный фрагмент сигнала представляет прямоугольник, показанный на верхнем графике (обозначен как B на фиг. 7A), охватывающий интервал времени, в котором сигнал повышается от уровня шума, через неустойчивую часть сигнала, до установившегося уровня сигнала.
Фиг. 8 предоставляет примерную иллюстрацию пяти сдвинутых по времени сигналов, которые появляются, когда обнаружены, в неповрежденном рельсе без разрыва в какой-либо точке между датчиками, посредством пяти соответствующих датчиков, применяемых в варианте осуществления изобретения, и, для каждого из пяти иллюстрированных сигналов, прямоугольников для указания окон сигнала, выбранных для сопоставлений сигналов датчиков.
Фиг. 9 предоставляет примерную иллюстрацию корреляций сигнала датчика согласно изобретению для сигналов в выбранных окнах пяти сдвинутых по времени сигналов, иллюстрированных на фиг. 8.
Фиг. 10 предоставляет примерную иллюстрацию пяти сдвинутых по времени сигналов, которые появляются, когда обнаружены, в рельсе с одним разрывом в одной точке между датчиками (т.е., между датчиком S3 и датчиком S4), посредством пяти соответствующих датчиков, применяемых в варианте осуществления изобретения, и, для каждого из пяти иллюстрированных сигналов, прямоугольников для указания окон сигнала, выбранных для сопоставлений сигналов датчиков.
Фиг. 11 предоставляет примерную иллюстрацию корреляций сигнала датчика согласно изобретению для сигналов в выбранных окнах пяти сдвинутых по времени сигналов, иллюстрированных на фиг. 10.
Фиг. 12 предоставляет примерную иллюстрацию в виде блок-схемы последовательности операций для процедуры действия на основе пороговых значений для действия, определенного различными коэффициентами взаимной корреляции, получающихся в результате корреляции сигналов от рельсовых датчиков.
Далее, описывается способ инициирования регистрации сигнала ускорения или вибрации, обнаруженного посредством датчика ускорения или вибрации, причем этот способ также называется в данном документе алгоритмом обнаружения сигнала для управления тем, когда необходимо инициировать запись данных.
После того как вызванные поездом ускорения или вибрации в рельсе достигают блока датчика и обнаруживаются посредством датчика ускорения или вибрации, фрагмент обнаруженного сигнала, который считается характеристикой полезного сигнала, регистрируется, предпочтительно посредством данных, представляющих обнаруженный сигнал, сохраненных в отдельный файл данных в хранилище данных. Данные, представляющие обнаруженный сигнал, сохраненные в отдельный файл данных, позже устанавливают основу для сопоставления с данными от смежных блоков датчиков. Решение инициировать регистрацию, в данном документе также называется триггером регистрации данных сигнала, выполняется на основе одного или более из следующего:
a) Использование измеренного соотношения сигнал-шум (SNR) в подвижном коротком временном окне:
Средний уровень амплитуды всех точек данных в подвижном временном окне непрерывно наблюдается. В моменты времени, когда вызываемые поездом колебательные сигналы не поступают в датчик, обнаруженный сигнал, выводимый от датчика ускорения или вибрации блока датчиков, считается сигналом шума. Детектор сигнала шума определяет и сохраняет средний уровень амплитуды для сигнала шума. Когда вызываемые поездом колебательные сигналы достигают датчика, средний уровень амплитуды для обнаруженных ускорений или вибраций увеличивается и растет выше уровня шума, как иллюстрировано на фиг. 7. Соотношение сигнал-шум вычисляется как отношение среднего уровня амплитуды обнаруженных ускорений или вибраций к среднему уровню амплитуды сигнала шума. Некоторое отношение сигнал-шум устанавливается в качестве порогового значения, и регистрация обнаруженного сигнала будет инициирована (запущена), как только заданное пороговое значение отношения сигнал-шум превышается вызываемыми поездом вибрациями. Используемое временное окно не является слишком коротким для того, чтобы избегать ложных регистраций, инициируемых возмущениями рядом с соответствующими блоками датчиков (например, вызванными движением или другим окружающим шумом).
Пороговое значение триггера, использующее отношение сигнал-шум, может быть задано как фиксированное пороговое значение на основе уровня шума, т.е., пороговое значение триггера (SNR)=3 х уровень шума.
b) Триггер на основе кратковременного среднего/долговременного среднего (STA/LTA):
noise
Средние амплитуды всех точек данных, обнаруженные в коротком и длинном временном окне, называемые кратковременным средним (STA) и долговременным средним (LTA), соответственно, наблюдаются и сравниваются друг с другом; после того как вызванные поездом серии волн достигают блока датчика, STA будет испытывать резкий рост, в то время как LTA будет подвергаться лишь минимальному влиянию; отклонение между STA и LTA (резкий рост отношения STA/LTA) используется для инициирования регистрации обнаруженного сигнала. Пороговое значение триггера, использующего отношение STA/LTA, может быть задано как: пороговое значение триггера (STA/LTA) > 1,2 x (STA/LTA); т.е., 20%-увеличение предыдущего (STA/LTA) для шума.
c) Коэффициент эксцесса неустановившегося сигнала:
Форма (замкнутость) огибающей стабильно повышающегося обнаруженного неустановившегося сигнала при поступлении вызванной поездом серии волн и, таким образом, увеличивающихся амплитуд обнаруженного неустановившегося сигнала, идентифицируется и применяется для инициирования регистрации обнаруженного сигнала.
d) Автокорреляция неустановившегося/стационарного сигнала:
Данные измерений сигнала, обнаруженные в каждом датчике, непрерывно автокоррелируются (т.е., взаимно коррелируются сами с собой в различные моменты времени). В случае случайного шума и отсутствия вызванных поездом серий волн, достигающих блока датчика, максимальный коэффициент автокорреляции (autocorr=1) возникает только при нулевой задержке, иначе он равен нулю. После того как вызванные поездом серии волн достигают блока датчика, в течение неустановившейся части сигнала, которая характеризуется устойчиво увеличивающимися амплитудами (см. фиг. 7A), увеличивающееся число выбросов автокорреляционной функции будет возникать далеко от нулевой задержки. Когда сигнал становится стационарным, выбросы автокорреляционной функции (более или менее) постоянных амплитуд будут появляться периодически (в зависимости от доминирующего периода стационарного обнаруженного сигнала). e) Изменения амплитуды стационарного сигнала ниже фиксированного порогового значения:
Средние максимальные амплитуды последовательных точек данных в некотором временном окне наблюдаются и сравниваются друг с другом; после того как вызванные поездом группы волн достигают блока датчика, изменение максимальных амплитуд (пиков) стационарной части обнаруженного сигнала (в сравнении с фиг. 7) становится минимальным, что будет инициировать регистрацию обнаруженного сигнала.
Триггер, использующий изменения амплитуды стационарной части обнаруженного сигнала, может быть задан в варианте осуществления изобретения как:
пороговое значение триггера (изменения амплитуды стационарной части) < 0,05 x средняя амплитуда обнаруженного сигнала; т.е., изменение меньше 5% средних амплитуд обнаруженного сигнала.
Фиг. 7 иллюстрирует сигнал времени, обнаруженный блоком датчика, который указывает прибытие первой серии волн, вызванной приближающимся поездом на расстоянии. Случайный сейсмический шум может наблюдаться до и после вызванного поездом сигнала.
В качестве примера элемента датчика, считающегося применимым для варианта осуществления настоящего изобретения, ссылка будет выполнена на модели акселерометров 4020 с двухосной конфигурацией и 4030 с трехосной конфигурацией от Measurement Specialties Inc., участника группы компаний TE Connecivity Ltd., которые представляют собой MEMS кремниевого типа, предоставляющими DC-характеристику и двух- и трехосные варианты вывода, соответственно, в соответствующих диапазонах измерения ±2g и ±6g в номинальной полосе частот 0-200 Гц. Для модели 4020 чувствительность равна 1000 мВ/г, а остаточный шум сверх полосы пропускания равен 600 мкВ среднеквадратичного значения. Для модели 4030 чувствительность равна 333 мВ/г, а остаточный шум сверх полосы пропускания равен 240 мкВ среднеквадратичного значения. Соответственно, датчик согласно изобретению, применяющий модель 4020 с двухосной конфигурацией или модель 4030 акселерометра с трехосной конфигурацией, приспособлен для полезного динамического диапазона сигнала около 35 дБ, который считается подходящим для реализации изобретения.
В последующем описывается проверка исправности участка железнодорожного пути между двумя последовательными датчиками.
n
n+m
Имея число N датчиков, распределенных вдоль пути, матрица коэффициентов корреляции между сигналами, обнаруживаемыми в первом датчике s, и во втором датчике s, при этом n и m являются целыми числами, n может принимать любое значение, а m может принимать любое значение, отличное от нуля, определяется следующим образом:
и
где являются стандартными отклонениями сигналов в соответствующих парах датчиков, а является их ковариантностью. Коэффициент корреляции определяется в интервале [-1 1].
Фиг. 8 иллюстрирует регистрацию сигнала, сформированного нестационарным источником, движущимся в направлении датчиков, и, таким образом, имитирующего поезд, движущийся по направлению к датчикам. Скорость распространения волны сигнала устанавливается в 6000 м/с, в то время как расстояние (520) между датчиками устанавливается в 1 км.
Фиг. 9 показывает матрицу корреляции между интервалами корреляции всех пяти датчиков. Интервал корреляции располагается в стационарных частях сигналов (st.s.). Матрица корреляции демонстрирует высокие коэффициенты взаимной корреляции даже между сигналами, записанными в датчиках с расстояниями между датчиками, равными 4 км.
3
3+i
Фиг. 10 иллюстрирует регистрации синтетического сигнала в восьми датчиках, но с лопнувшим участком между датчиками №3 (s) и №4 (s). Вследствие разрыва в среде распространения, волны, формируемые вызываемым сигналом, не распространяются за точку разрыва (в зависимости от ширины разрыва), и коэффициенты взаимной корреляции между датчиками S3 и S3+1, расположенными до и после точки разрыва, соответственно, резко падают, как указано в соответствующей матрице взаимной корреляции, которая иллюстрируется на фиг. 11.
n
n+m
Обнаруженные сигналы, которые регистрируются в последовательно расположенных блоках s, s… датчиков и преимущественно сохраняются в отдельных файлах данных, которые считываются поездом во время проезда мимо соответствующих блоков датчиков, будут взаимно скоррелированы друг с другом, предпочтительно с помощью описанного в данном документе алгоритма взаимной корреляции.
n
n+m
n
n+m
n
n+m
n
n+m
Проверка исправности железнодорожного пути между двумя блоками s, s датчиков будет основана на коэффициенте взаимной корреляции между обнаруженными сигналами в двух блоках s и s датчиков.В случае, когда коэффициент взаимной корреляции ниже некоторого порогового значения, которое в варианте осуществления изобретения предлагается задать для Corr (s, s)=0,99, тревожное сообщение отправляется в TOCC, чтобы указывать соответствующий участок железнодорожного пути между блоками s и s датчиков для потенциально лопнувшего рельса.
n
n+m
n-1
n+m
n
n+m+1
n+m
n+m+2
Проверка исправности железнодорожного пути между блоками s, s датчиков может быть удостоверена/подтверждена посредством взаимной корреляции обнаруженных сигналов блоков датчиков, которые не находятся непосредственно рядом друг с другом, т.е., блоков s и s датчиков, блоков s и s датчиков, блоков s и s датчиков и т.д.
n
n+m
n
n+m
Проверка исправности железнодорожного пути между блоками s, s датчиков может быть удостоверена/подтверждена посредством взаимной корреляции сигналов, сформированных последовательными поездами и обнаруженных в тех же самых блоках s, s датчиков.
В последующем, различные реализации, которые все охватываются изобретением, будут приведены в качестве примера.
Используя статистическую терминологию, коэффициенты взаимной корреляции, получающиеся в результате корреляции сигналов от рельсовых датчиков, преимущественно различаются в:
1) "точную" корреляцию (значение корреляции = 1),
2) "сильную" корреляцию (значение корреляции > 0,8 и < 1),
3) "среднюю" корреляцию (значение корреляции = в диапазоне 0,5-0,8),
4) "слабую" корреляцию (значение корреляции < 0,5 и > 0), и
5) "отсутствие" корреляции (значение корреляции = 0),
хотя значения для этих пороговых значений для действия могут показывать некоторые изменения от одной ссылки к другой ссылке.
В первом примере, сейчас называемом решением 1, преимущественно применяются следующие пороговые значения:
a) "точная" и "сильная" корреляция => тревожное сообщение не отправляется
n
n+2
b) "средняя" корреляция => установка флага ("предупреждение") и выполнение двойной проверки с соседними датчиками (например, датчиками s и s), прежде чем тревожное сообщение отправляется
c) "слабая" и "отсутствие" корреляции => тревожное сообщение отправляется
Во втором примере, теперь называемом решением 2: логика инициирования тревожного сообщения, содержащаяся в устройстве или способе согласно изобретению, реализуется, по меньшей мере, частично в процедуре, описанной на фиг. 12.
Согласно первому аспекту изобретения, предлагается электронный блок датчика наблюдения рельса для системы наблюдения за состоянием железнодорожного рельса, рельсовый датчик содержит
средство сейсмического датчика, приспособленное, чтобы обнаруживать энергию в рельсе, соединительное средство для поддержания блока датчика присоединенным к рельсу и средства сейсмического датчика акустически присоединенным к рельсу,
средство регистрации данных сигнала, имеющее тактовый генератор и находящееся на связи со средством сейсмического датчика и приспособленное, чтобы выполнять регистрацию данных сигнала, представляющих акустическую энергию, обнаруженную средством сейсмического датчика, как функцию времени,
средство беспроводной передачи данных малого радиуса действия на связи со средством регистрации данных сигнала и приспособленное, чтобы устанавливать беспроводную линию передачи данных с другим средством беспроводной передачи данных малого радиуса действия, находящимся на борту поезда для выполнения передачи регистрации данных сигнала другому второму средству беспроводной передачи данных, средство контроллера на связи со средством сейсмического датчика, средством регистрации данных сигнала и первым средством беспроводной передачи данных и приспособленное чтобы идентифицировать из акустической энергии, обнаруженной средством сейсмического датчика, сигнатуру акустической энергии отдаленного поезда, движущегося по рельсам, и, в ответ на это, активировать средство регистрации данных сигнала, чтобы выполнять регистрацию данных сигнала и активировать первое средство беспроводной передачи данных, чтобы устанавливать беспроводную линию передачи данных со вторым средством беспроводной передачи данных, когда находится в диапазоне связи, и выполнять передачу регистрации данных сигнала второму средству беспроводной передачи данных.
Вариант осуществления электронного блока датчика наблюдения за рельсом согласно первому аспекту выше также предлагается, при этом тактовый генератор является тактовым генератором реального времени, и при этом средство регистрации данных сигнала приспособлено выполнять регистрацию данных сигнала, представляющих акустическую энергию, обнаруженную средством сейсмического датчика, как функцию реального времени.
Согласно второму аспекту изобретения, предлагается узел электронного приемника и обработки данных сигнала наблюдения за рельсом для системы наблюдения за состоянием железнодорожного рельса, узел приемника и обработки приспосабливается для установки и работы на борту движущегося поезда и содержит средство хранения данных, приспособленное, чтобы хранить множество записей сигнальных данных, представляющих акустическую энергию в рельсе как функцию времени, средство беспроводной передачи данных малого радиуса действия на связи со средством хранения данных и приспособленное, чтобы устанавливать, когда находится в диапазоне беспроводной связи другого средства беспроводной передачи данных малого радиуса действия, линию передачи данных для приема передачи регистрации сигнальных данных от другого средства беспроводной передачи данных малого радиуса действия и пересылки принятой передачи зарегистрированных данных для хранения в средстве хранения данных с информацией для определения местоположения соответствующего блока датчика наблюдения рельса, и средство обработки данных, приспособленное принимать множество записей сигнальных данных, представляющих акустическую энергию в рельсе как функцию времени в соответствующих датчиках блока датчиков наблюдения рельса, анализировать, непосредственно после каждого приема передачи записи сигнальных данных, сигнальные данные, чтобы определять данные сигнала, представляющие акустическую энергию в рельсе, сформированного поездом, движущимся по рельсу на расстоянии от соответствующего блока датчика и распространяющегося к нему, но не к рядом находящемуся блоку датчика, и выводить указание различия распространения в качестве указания разрыва рельса.
Также предлагается вариант осуществления узла электронного приемника и обработки данных сигнала наблюдения рельса согласно второму аспекту выше, содержащий тактовый генератор, и при этом средство обработки данных приспособлено анализировать принятую передачу записи данных сигнала с помощью времени в качестве параметра для анализа.
Согласно третьему аспекту изобретения, предлагается электронная система наблюдения за состоянием железнодорожного рельса для предоставления указания нарушения непрерывности рельса, такого как разрыв рельса, содержащая множество электронных блоков датчиков наблюдения рельса согласно первому аспекту, упомянутому выше, присоединенных к рельсу в разнесенном соотношении, и, по меньшей мере, один из узла электронного приемника и обработки данных сигнала наблюдения рельса согласно второму аспекту, упомянутому выше, установленного для работы на борту поезда, предназначенного для эксплуатации на железной дороге.
Преимущества
Настоящее изобретение легко приспосабливается для применения на различных железнодорожных путях, исходя из того факта, что железнодорожные пути, как правило, состоят из стандартизированных компонентов и стандартизированного оборудования. Это, в частности, применяется к рельсам, которые являются стандартизированными стальными профилями, поддерживаемыми стандартизированными поперечинами/шпалами, которые типично являются сборными усиленными бетонными поперечинами/шпалами. Относительно настоящего изобретения, вся рельсошпальная система может рассматриваться как устойчивая система, которая не подвергается значительным изменениям, например, с точки зрения изменений жесткости или массы, в течение периода времени разумной продолжительности.