СИСТЕМА МОНИТОРИНГА РЕЛЬСА И ПОЕЗДА И СПОСОБ
RAIL AND TRAIN MONITORING SYSTEM AND METHOD THEREOF

Область техники
Настоящее изобретение относится к мониторингу состояния путей железной дороги, а более конкретно - к системе и способу для определения по меньшей мере одного параметра, относящегося к поезду, проходящему по рельсовому пути, и к состоянию пути.
Предшествующий уровень техники
При решении многих прикладных задач желательно контролировать местоположение и состояние поезда и состояние и безопасность рельсовых путей. Существуют многочисленные способы для мониторинга безопасности рельсовых путей и для обнаружения трещин в рельсах. Один известный способ заключается в использовании электрических рельсовых цепей на заданном участке или на перегоне пути, при этом отсутствие электрической непрерывности служит указанием на разрыв рельсового пути.
Одна проблема, связанная с рельсовыми цепями, заключается в том, что они не являются абсолютно точными и эффективными при обнаружении лопнувших рельсов. При существенном частичном изломе рельса все же может обеспечиваться путь электрического тока, достаточный для того, чтобы сделать результат обнаружения недействительным. При полном разрыве рельса он все же может быть приведен в электрический контакт вследствие теплового расширения или других состояний остаточных напряжений. Кроме того, рельсовые цепи не пригодны для обеспечения определения местоположения излома рельса с лучшим разрешением по сравнению со всей длиной, которая обычно имеет порядок нескольких миль.
Другие подходы для обнаружения лопнувших рельсов включают в себя размещение измерителей деформации и волоконно-оптического кабеля. Одна проблема, связанная с такими способами, заключается в сложности, связанной с размещением этих систем. Кроме того, если рельс лопается, восстановление мониторинга является трудоемким.
Для мониторинга состояний поезда обычно используют отдельные детекторы дефектов. Обычно детекторы устанавливают вдоль пути с интервалами приблизительно от 15 до 50 миль. Посредством таких детекторов прослеживают проходящие поезда и обнаруживают аномальные состояния, такие как перегретые подшипники и колеса, некруглые колеса или колеса с выбоинами или оборудование, «буксируемое» поездом. Для идентификации наличия поезда и запуска процесса обнаружения в детекторах дефектов обычно используют преобразователи с контактом качения. Однако в детекторы дефектов не включена функциональная возможность мониторинга состояния или целостности рельса.
Краткое описание существа изобретения
Поэтому технической задачей настоящего изобретения является создание системы, которое обеспечивает точность при определении сохранности рельсового пути и положение места поломки дополнительно к определению различных характеристик поезда, проходящего по рельсовому пути.
Поставленная задача согласно одному варианту осуществления изобретения решена путем создания способа для определения по меньшей мере одного параметра, относящегося к поезду, проходящему по рельсовому пути. Способ содержит обнаружение высокочастотных акустических сигналов в месте обнаружения на рельсовом пути и анализ прогрессии во времени высокочастотного спектра, соответствующего высокочастотным акустическим сигналам, для обнаружения приближения поезда к месту обнаружения на рельсовом пути.
Согласно другому варианту осуществления предложена система для определения по меньшей мере одного параметра, относящегося к поезду, проходящему по рельсовому пути. Система содержит датчик, связанный с местом обнаружения и предназначенный для обнаружения высокочастотных акустических сигналов в месте обнаружения на рельсовом пути, и процессор, соединенный с датчиком и предназначенный для анализа прогрессии во времени высокочастотного спектра, соответствующего высокочастотным акустическим сигналам, чтобы обнаруживать приближение поезда к месту обнаружения на рельсовом пути.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложена система для определения по меньшей мере одного параметра, относящегося к характеристике поезда. Система содержит датчик, предназначенный для обнаружения низкочастотных акустических сигналов в месте обнаружения на рельсовом пути, когда поезд проходит над местом обнаружения на рельсовом пути, и процессор для анализа прогрессии во времени низкочастотного спектра, соответствующего низкочастотным акустическим сигналам, чтобы определять по меньшей мере один параметр, относящийся к характеристике поезда.
Согласно альтернативному варианту осуществления предложен способ для определения местоположения излома рельса. В способе используют скорость поезда, определяемую путем анализа акустических сигналов, распространяемых поездом во время прохождения по рельсовому пути, и различие между временем обнаружения разрыва и временем прохождения поезда над местом обнаружения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему системы согласно изобретению;
фиг.2 - блок-схему последовательности операций способа определения характеристики поезда, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 представлена структурная схема системы 100 для определения по меньшей мере одного параметра, относящегося к поезду, проходящему по рельсовому пути 105. Использованный в настоящей заявке термин «поезд» относится к одному или нескольким локомотивам с прицепленными пассажирскими или товарными вагонами или без них. Система содержит датчик 110, связанный с местом обнаружения и предназначенный для обнаружения акустических сигналов в месте обнаружения на рельсовом пути, и процессор 140, соединенный с датчиком и предназначенный для анализа прогрессии во времени частотного спектра, соответствующего акустическим сигналам. В описываемом варианте осуществления место обнаружения находится на одном рельсе рельсового пути. В одном варианте осуществления система дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь 130. Процессор 140 может содержать аналоговый процессор, цифровой процессор или их сочетания. Каждый элемент описан более подробно ниже.
Использованные в настоящей заявке термины «приспособленный для», «предназначенный» и подобные относятся к механическим или структурным соединениям между элементами для обеспечения возможности взаимодействия элементов для получения описываемого эффекта. Эти термины также относятся к эксплуатационным возможностям электрических элементов, таких как аналоговые или цифровые вычислители или специализированные системы (например, специализированная интегральная схема (СИС)), которые программируются на получение результата с целью образования выходного сигнала в ответ на имеющиеся входные сигналы.
Датчик 110 связан с местом 101 обнаружения. Датчик 110 реагирует на входные акустические сигналы, передаваемые по рельсу, и может преобразовывать входные акустические сигналы в электрические выходные сигналы. В одном варианте осуществления датчик 110 предназначен для обнаружения высокочастотных акустических сигналов в месте обнаружения на рельсовом пути. В другом варианте осуществления, который при желании может быть использован в сочетании с вариантом осуществления с высокочастотными акустическими сигналами, датчик предназначен для обнаружения на рельсовом пути низкочастотных акустических сигналов, распространяемых поездом. В альтернативном варианте осуществления датчик предназначен для обнаружения среднечастотных акустических сигналов, распространяемых по рельсовому пути поездом.
Высокочастотные сигналы представляют собой акустические сигналы с частотой в диапазоне от 30 кГц до 50 кГц. Среднечастотные сигналы представляют собой акустические сигналы с частотой в диапазоне от 10 кГц до 30 кГц. Низкочастотные сигналы представляют собой акустические сигналы с частотой в диапазоне от 1 кГц до 10 кГц.
В случае, когда должны анализироваться как высокие, так и низкие частоты, датчик имеет высокую чувствительность для высокочастотных сигналов, так что высокочастотные сигналы, генерируемые поездом, могут быть обнаружены на большом расстоянии, при этом датчик имеет низкую чувствительность для низкочастотных сигналов, так что низкочастотные сигналы от поезда, проходящего над датчиком, со значительными уровнями энергии не будут насыщать датчик. В случае, когда получают и анализируют высокочастотные и низкочастотные сигналы, датчик 110 содержит высокочастотный датчик 120 и низкочастотный датчик 125. Высокочастотный датчик предназначен для обнаружения высокочастотных акустических сигналов, а низкочастотный датчик предназначен для обнаружения низкочастотных акустических сигналов. Датчик 110 содержит по меньшей мере один акселерометр, предназначенный для соответствующих диапазонов рабочих частот. В другом варианте осуществления датчик 110 имеет широкополосную характеристику, перекрывающую как высокочастотный, так и низкочастотный диапазоны с заданной высокой и низкой чувствительностью, соответственно.
Аналого-цифровой преобразователь 130 соединен с преобразователем и предназначен для преобразования аналоговых электрических сигналов в их соответствующие цифровые сигналы.
Процессор 140 соединен с аналого-цифровым преобразователем и в одном варианте осуществления предназначен для анализа прогрессии во времени высокочастотного спектра, соответствующего высокочастотным акустическим сигналам, чтобы обнаруживать приближение поезда к месту обнаружения на рельсовом пути.
В другом варианте осуществления процессор 140 дополнительно анализирует высокочастотный спектр для определения скорости поезда на рельсовом пути. Такое определение осуществляется путем наблюдения за огибающей амплитуды сигналов от приближающегося поезда, при этом производная по времени от амплитуды, будучи связанной со скоростью поезда, возрастает. В одном варианте осуществления регрессионные методы используются для подгонки линейной или нелинейной кривой к экспериментальным точкам на диаграмме огибающей амплитуды. Параметры регрессии отражают прогрессию во времени и скорость поезда. Например, подбор линейного многочлена первого порядка к экспериментальным точкам на диаграмме огибающей амплитуды обеспечивает получение наклона, пропорционального скорости приближающегося или удаляющегося поезда.
В другом, более конкретном варианте осуществления после обнаружения приближения поезда, процессор дополнительно предназначен для обнаружения в рельсовом пути среднечастотных акустических сигналов, распространяемых поездом, и анализа прогрессии во времени частотного спектра, соответствующего среднечастотным акустическим сигналам, чтобы определять скорость поезда на рельсовом пути. Скорость поезда может быть определена по скорости возрастания спектральных амплитуд. Этот подход с использованием различных диапазонов частот обеспечивает получение уточненной оценки скорости поезда.
В другом варианте осуществления процессор 140 предназначен для анализа прогрессии во времени низкочастотного спектра, соответствующего низкочастотным акустическим сигналам, чтобы определять по меньшей мере один параметр, относящийся к характеристике поезда, когда поезд проходит над датчиком. Амплитуда низкочастотных акустических сигналов также используется для определения параметров, относящихся к характеристикам поезда. Эти параметры включают в себя длину поезда, колеса с выбоинами, число вагонов в поезде, число осей, проскальзывающие колеса (тормоз, сцепленный с колесами, скользящими по рельсу) и нагрузку на ось. Например, различимые пики в огибающей низкочастотного акустического сигнала являются следствием прохождения каждого колеса поезда. Колесо с выбоинами будет давать более высокую амплитуду акустической энергии по сравнению с обычным круглым колесом. Поэтому существенно возросшие пики в огибающей сигнала указывают на наличие колес с выбоинами. Кроме того, колеса с выбоинами дают сигнал с более широкими частотными спектрами, чем нормальные колеса, что способствует обнаружению колес с выбоинами, когда пики обнаруживаются во многих частотных полосах.
Процессор предназначен для обнаружения разрыва в высокочастотных сигналах для определения излома рельса на по меньшей мере одном рельсе рельсового пути. Например, в более конкретном варианте осуществления процессор, предназначен для определения излома рельса путем использования адаптивного порога, при этом адаптивный порог основан на оценке уровня шума в частотном спектре, соответствующем низкочастотному диапазону.
В альтернативном варианте осуществления (фиг.1) второй датчик 111 предназначен для приема акустических сигналов со второго рельса пути в месте 102 обнаружения. В описываемом варианте осуществления высокочастотный датчик 121 предназначен для обнаружения высокочастотных сигналов, а низкочастотный датчик 126 предназначен для обнаружения низкочастотных сигналов.
В другом варианте осуществления датчики 110 и 111 предназначены для непрерывного контроля акустических сигналов на обоих рельсах рельсового пути. Когда поезд приближается к датчикам, то сначала поезд будет обнаруживаться на более высоких частотах, а затем на более низких частотах. Процессор 140 предназначен для определения скорости возрастания отдельной частотной составляющей для определения скорости поезда. Обнаружение поезда только на одном рельсе указывает на наличие разрыва и указывает на лопнувший рельс. Когда поезд проходит разрыв, наблюдается неожиданное возрастание акустического шума на этом рельсе и регистрируется соответствующий ему момент времени. Кроме того, фиксируется момент прохода поезда над датчиком (мимо датчика). Момент времени разрыва, момент прохода датчика и скорость поезда используются для вычисления места разрыва и, следовательно, места лопнувшего рельса. Можно понять, что обнаруженный разрыв может указывать на частичное разрушение.
В другом варианте осуществления излом одного из рельсов обнаруживают путем сравнения высокочастотных сигналов, имеющихся на противоположном рельсе. Если подобная прогрессия во времени амплитуды высокочастотных сигналов не наблюдается на обоих рельсах, то декларируют излом в рельсе, с которого не наблюдается такой сигнал. Способ двух рельсов обеспечивает более раннее обнаружение лопнувшего рельса.
В другом варианте осуществления процессор дополнительно предназначен для определения местоположения излома рельса по скорости поезда и разности между временем обнаружения разрыва и временем прохождения поезда над местом обнаружения. В одном варианте осуществления процессор предназначен для обнаружения излома рельса на одном рельсе пути путем сравнения высокочастотных сигналов, обнаруживаемых на обоих рельсовых путях.
В другом варианте осуществления процессор предназначен для обнаружения излома рельса и дополнительно для определения местоположения излома рельса путем использования двумерного частотно-временного представления акустических сигналов. Специалисту в данной области техники понятно, что когда акустические сигналы распространяются в структуре, то сигналы, имеющие частотные составляющие с более высокой скоростью, будут приходить к месту обнаружения до частотных составляющих с более низкой скоростью. Дисперсия приводит к очевидному растягиванию во времени импульса акустического сигнала в месте обнаружения. В общем случае дальность распространения пропорциональна разделению по времени между частотными составляющими. Относительную временную задержку обычно представляют дисперсионной кривой. Частотно-временной анализ принимаемых акустических сигналов обеспечивает возможность идентификации дисперсионных характеристик. Путем выполнения частотного анализа акустических сигналов в пределах определенного временного окна и повторения анализа на заранее заданных интервалах времени определяют двумерное частотно-временное представление сигналов. Дисперсивный характер акустических сигналов проявляется в представлении частотно-временного анализа в виде «импульса с частотной модуляцией». Путем оценки наклона или других параметров формы частотно-временных составляющих акустического сигнала и использования данных дисперсионной кривой может быть определено расстояние, на которое распространяется сигнал. Иначе говоря, путем наблюдения относительного разделения во времени частотных составляющих в представлении частотно-временного анализа может быть получена оценка расстояния, на которое распространяется сигнал. Таким образом может быть вычислено расстояние от места обнаружения до акустического источника, посылающего акустические сигналы. В свою очередь расстояние может быть использовано для определения местоположения акустического источника, а также излома рельса.
В более конкретном варианте осуществления датчик 110 предназначен для обнаружения широкополосных акустических сигналов в месте 101 обнаружения на рельсовом пути 105. Процессор 140 предназначен для анализа прогрессии во времени широкополосного частотного спектра, соответствующего широкополосным акустическим сигналам, чтобы определить по меньшей мере один параметр, относящийся к характеристике поезда. Кроме того, процессор дополнительно предназначен для определения излома рельса путем анализа широкополосного частотного спектра. В одном варианте осуществления широкополосные частотные сигналы находятся в диапазоне от 1 Гц до 50 кГц.
На фиг.2 представлена блок-схема последовательности операций способа, предназначенного для определения по меньшей мере одного параметра, относящегося к поезду, проходящему по рельсовому пути. Способ начинают с этапа 201. Каждый этап описан ниже.
На этапе 210 акустические сигналы обнаруживают в месте обнаружения на рельсовом пути. В описываемом варианте обнаруживают высокочастотные акустические сигналы. Высокочастотные сигналы находятся в диапазоне от 30 кГц до 50 кГц. При прохождении поезда над местом обнаружения также обнаруживают низкочастотные акустические сигналы в рельсовом пути, только их или в сочетании с высокочастотными акустическими сигналами. Низкочастотные сигналы находятся в диапазоне от 1 кГц до 10 кГц. В альтернативном варианте осуществления обнаруживают среднечастотные сигналы. Среднечастотные сигналы находятся в диапазоне от 10 кГц до 30 кГц.
На этапе 220 обнаруживают приближение поезда путем анализа прогрессии во времени высокочастотного спектра, соответствующего высокочастотным акустическим сигналам. В одном варианте осуществления расстояние до источника акустических сигналов, такого как поезд, находят путем распознавания образов характеристик в частотно-временном спектре. Образы являются характеристикой теоретических дисперсионных мод распространяющихся акустических волн. Идентификация образов и оценка их параметров формы, таких как скорость изменения частоты в зависимости от времени, обеспечивает возможность определения местоположения поезда. Например, в исследованных ударах молота по рельсовому пути на различных расстояниях длина обоих наклонных участков частотного спектра прямо пропорциональна расстоянию до удара молота. Кроме того, при квазипериодической более низкой амплитуде, получаемой от шума поезда, обнаруживается такой же наклон, аналогичный наклону от ударов молота. Путем оценки наклона спектральных составляющих шума поезда может быть найдено расстояние до поезда.
На этапе 230 определяют скорость поезда путем анализа высокочастотного спектра, соответствующего высокочастотным сигналам. В другом варианте осуществления скорость поезда определяют путем анализа среднечастотного спектра, соответствующего среднечастотным акустическим сигналам.
Высокочастотный спектр анализируют для определения излома рельса на рельсовом пути. В более конкретном варианте осуществления высокочастотный спектр анализируют, чтобы определить местоположение излома рельса, используя скорость поезда и разность между временем обнаружения разрыва и временем прохождения поезда над местом обнаружения.
В альтернативном варианте осуществления излом рельса определяют, используя адаптивный порог, при этом адаптивный порог основан на оценке уровня шума в низкочастотном спектре, соответствующем низкочастотным акустическим сигналам. В другом варианте осуществления излом рельса обнаруживают путем сравнения высокочастотных сигналов на обоих рельсах рельсового пути.
В другом варианте осуществления излом рельса определяют путем анализа двумерного частотно-временного представления принимаемого сигнала. Расстояние между источником акустического сигнала и местом обнаружения может быть определено путем использования двумерного частотно-временного представления. В дополнение к этому местоположение излома рельса может быть определено также путем анализа двумерного частотно-временного представления.
На этапе 240 определяют по меньшей мере один параметр, относящийся к характеристике поезда, когда поезд проходит над местом обнаружения. Параметры, относящиеся к характеристике поезда, включают в себя длину поезда, колеса с выбоинами, число вагонов в поезде, число осей, проскальзывающие колеса и нагрузку на ось. Параметры могут быть идентифицированы по образам в низкочастотном спектре и в среднечастотном спектре, низкочастотным сигналам и среднечастотным сигналам, соответственно. Скорость поезда также может быть определена, когда поезд проходит над местом обнаружения. Например, если момент времени прохождения поездом над датчиком известен и если поезд проходит с постоянной скоростью, то скорость поезда может быть оценена путем исследования скорости спада (или возрастания) отдельных частотных составляющих.
Описанные варианты осуществления изобретения обладают многими преимуществами, включая точное обнаружение изломов рельсов путем контроля акустической энергии, проводимой рельсовым путем. В дополнение к обнаружению поврежденных рельсовых путей система может также определять скорость поезда, число вагонов и обнаруживать колеса с выбоинами.
Хотя в настоящей заявке были показаны и описаны только некоторые признаки изобретения, специалистам в данной области техники понятны многочисленные модификации и изменения. Поэтому должно быть понятно, что прилагаемая формула изобретения предполагается охватывающей все такие модификации и изменения как попадающие в рамки сущности изобретения.