СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОЕЗДА
RAILWAY TRAIN MONITORING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе текущего контроля для железнодорожных поездов и, более конкретно, к системе, в которой используется колодка с измерительным прибором держателя роликового подшипника для обнаружения возникновения и причин неудовлетворительных характеристик на уровне комплекта колес, тележки, грузового вагона или поезда.
Предшествующий уровень техники
Более чем когда-либо владельцы железнодорожных вагонов и операторы нуждаются в лучшем понимании того, как работает их собственность. При эксплуатации более тяжелых вагонов есть насущная потребность идентифицировать "вредные факторы" (вагоны, которые могут повреждать инфраструктуру пути и могут привести к крушениям), как только их характеристики становятся недопустимыми. Также существует потребность увеличить среднюю скорость поезда, улучшая характеристику высокой скорости и уменьшая простои для незапланированного обслуживания из-за механических неисправностей. Владельцы вагонов все больше и больше стремятся осуществлять профилактические программы обслуживания для исключения механических неисправностей и планового ремонта на предприятии и выбирать время для его проведения. Наконец, с большей автоматизацией операций на железной дороге и увеличением регулирования для улучшения безопасности железнодорожная промышленность нуждается в новых способах текущего контроля характеристик поездов, вагонов и тележек железнодорожного вагона.
Некоторые из критериев эффективности, которые должны подвергаться мониторингу, включают состояние роликового подшипника и температуру, смещение держателя роликового подшипника, состояние колес, виляние/искривление/заедание тележки, состояние тормозов и характеристики, а также произошел ли частичный сход с рельсов и потенциально проблематичное состояние пути. Так как некоторые из этих характеристик могут очень быстро приводить к катастрофической неисправности поезда, желательно осуществлять мониторинг и сообщать об отклонениях от нормы локомотиву или на центральное устройство обработки данных настолько быстро, насколько это возможно. Кроме того, в любой окружающей среде, где работают железнодорожные поезда, любая система должна быть прочной, надежной и способной работать в течение продолжительного времени с незначительным обслуживанием или без него. Кроме того, чтобы система была экономически эффективной, она не должна добавлять существенных расходов на установку и обслуживание. Поскольку только в одной Северной Америке существует 1,5 миллиона грузовых вагонов и система текущего контроля всех используемых вагонов очень желательна, любая система должна иметь возможность работать с очень большим количеством потенциальных устройств.
Один подход, широко принятый в Северной Америке, состоит в использовании путевых детекторов дефектов в фиксированных местоположениях по всей сети железных дорог. Детекторы, измеряющие температуру подшипников (детекторы перегрева колесной буксы), широко распространены, при этом постепенно внедряются другие путевые детекторы для измерения ударных нагрузок на колеса, определения состояния подшипников (по акустическим кривым) и боковых сил. Однако если один детектор может контролировать много грузовых вагонов, когда они проходят мимо, он может обеспечивать только местный контроль во время движения. Вполне возможно, что дефекты только станут очевидными и будут возрастать до критического уровня между детекторами. Необходима система, которая осуществляет непрерывный мониторинг характеристик во время работы железнодорожного вагона.
Другой подход к текущему мониторингу характеристик железнодорожного вагона состоит в использовании бортовой аппаратуры. Одна такая система была разработана для Федерального управления железных дорог. В этой и других подобных системах используется множество приборов в различных точках грузового вагона для выполнения дискретных измерений перед передачей в центральный концентратор в грузовом вагоне. При обеспечении лучшего решения, по сравнению с используемыми путевыми мониторами, электропроводка, сложность и стоимость увеличивают затраты, требуемые для мониторинга вагонов.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание средства для непрерывного текущего мониторинга поведения и состояния тележек, колес и подшипников железнодорожного вагона и обеспечение регулярного подтверждения надлежащих работ и, когда необходимо, предупреждения о приближающейся или фактической неисправности операторов и владельцев поезда, частью которого он является.
Другой задачей изобретения является обеспечение возможности объединения характеристики железнодорожного вагона и его компонентов с рабочими данными локомотива для получения полной системы текущего контроля поезда.
Другой задачей изобретения является обеспечение таких функциональных возможностей при минимальной необходимости использования проводных электрических соединений как между компонентами, установленными на тележках железнодорожного вагона, так и между компонентами, установленными на тележках и компонентах, установленных на других частях вагона и других частях поезда, включая локомотив.
Другой задачей изобретения является обеспечение возможности размещения или извлечения компонентов для осмотра и ремонта или заменены в ходе планового технического обслуживания и ремонта на железнодорожных вагонах.
Другой задачей изобретения является создание средства для своевременного анализа измерений, сделанных в ходе работы поезда таким образом, что информация о характеристиках или неисправности может быть передана в краткой форме, чтобы не было необходимости в передаче детальных результатов измерений.
Другой задачей изобретения является обеспечение того, что посланные сообщения о характеристиках или неисправности содержали достаточную информацию о точном местоположении на поезде определенного элемента или элементов и что местоположение поезда или, конечно, грузового вагона может быть передано, если эта информация доступна.
Другой задачей изобретения является то, что при беспроводной передаче данных работа может быть расширена до использования имеющихся наборов рабочих частот (каналов) для удаления помех между последовательными (смежными) вагонами в поезде или от другого оборудования, работающего в той же полосе частот.
Хотя ниже следует описание транспортного средства как грузового вагона, будет понятно, что эти же способы применимы к любой железной дороге или, в некоторых случаях, к другим многоосным транспортным средствам. Кроме того, хотя нижеследующее описание указывает на грузовой вагон с двумя тележками (или корпусами), оно применимо почти с любой конфигурацией с большим или меньшим количеством тележек или осей.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых
фиг.1-3 изображают расположения компонентов на поезде согласно изобретению;
фиг.4 - общий вид с пространственным разделением деталей тележки железнодорожного вагона, иллюстрирующий положение инструментальной колодки с измерительным прибором относительно тележки железнодорожного вагона согласно изобретению;
фиг.5-7 - схемы альтернативных конфигураций элементов согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов
осуществления изобретения
Тележки 1 (фиг.1, 2 и 4) (показаны схематически), имеют две оси 2, каждая из которых имеет два колеса 3. Буксовые подшипники 2a и держатели 4 подшипника (фиг.4) конфигурированы таким образом, что каждый подшипник передает нагрузку, которую он несет, и тепло, которое он может выделять при движении, через колодки 16 тележке.
На фиг.4 показана часть тележки 1 железнодорожного вагона, показывающая расположение колодки 16 с измерительным прибором относительно других частей тележки и один конец боковой рамы 12 тележки. Каждая боковая рама имеет пару проходящих вниз буксовых вырезов 13. Параллельные боковые стенки 14 каждого буксового выреза наряду со сводовой секцией 15 формируют проем буксового выреза.
Тележка также содержит держатели 4 (фиг.4) подшипника. Держатели имеют в целом прямоугольную верхнюю поверхность с ветвями, отступающими вниз от углов верхней конструкции. Ветви имеют обращенные друг к другу изогнутые боковые поверхности, которые конфигурированы так, что они опираются на внешнюю поверхность подшипника 2a, установленного на конце опорной оси 2 колеса. Держатель обычно выполнен из литой стали. Колодка 16 держателя имеет прямоугольную форму на виде сверху и отступающие вниз ветви. Колодка 16 держателя, предпочтительно, выполнена из отлитого или отлитого под давлением эластомерного полимера. Колодка 16 держателя сформирована таким образом, чтобы она размещалась на верхней поверхности держателя 4, который, как указано выше, размещен на подшипнике.
Колодки 4 (фиг.2) размещены на верхней прямоугольной поверхности держателя подшипника. Каждый подшипник передает нагрузки, которые он несет, и тепло, которое он может выделять, через держатель колодке, которую он несет, и, таким образом, тележке железнодорожного вагона.
На фиг.3 схематично показана колодка 16 держателя, модифицированная согласно настоящему изобретению. Колодка содержит множество датчиков 5, которые, предпочтительно, заделаны в ее верхнюю, боковую и нижнюю поверхности или в торцевые поверхности, как может быть необходимо для целей изобретения и описано более подробно ниже. В предпочтительном варианте колодка 16 имеет выступающую крепежную часть 17, расположенную так, что она относительно изолирована от сил, передаваемых через держатель 16. Выступающая часть 17 содержит источник 18 энергии, аналого/сигнальное согласующее средство и средство аналого-цифрового преобразования и связанный с ними микропроцессорный блок 19 и блок 20 связи, который, предпочтительно, является маломощным радиопередатчиком/приемником, имеющим антенну 21. Датчики электрически связаны с блоком аналого-цифрового преобразования и микропроцессорным блоком, который, в свою очередь, соединен с блоком связи, посредством которого могут отправляться, и которым приниматься сообщения, и который управляет ими. Могут использоваться различные средства подачи энергии в колодку. Источник энергии может представлять собой батарею, выдающую достаточное напряжение и имеющую достаточную емкость, таким образом, что когда он включается периодически и кратковременно, как описано ниже, колодка может работать в течение нескольких лет, что совместимо с нормальным сроком службы несущих компонентов, используемых в тележках.
В альтернативном варианте источник энергии может представлять собой извлекающее энергию устройство, которое подает энергию в аккумулятор или конденсатор. Может использоваться источник электрической энергии на основе создаваемого напряжения. Хотя источник энергии может быть источником, установленным на корпусе вагона, предпочтительно, чтобы он находился на тележке и, наиболее предпочтительно, на выступе колодки для исключения необходимости в электропроводке между относительно подвижными частями вагона.
На фиг.1-3 дополнительно показан железнодорожный грузовой вагон 22, имеющий тележки 1 с колодками 16 с соединенными с ними датчиками и блоками 19 и 20 управления и связи. В описанном примере каждая тележка несет четыре колодки 16 (по одной для каждого подшипника), каждая из которых имеет источник 18 энергии, блок 19 управления и блок 20 связи, предпочтительно содержащий радиопередатчик/радиоприемник.
На корпусе железнодорожного вагона установлен, предпочтительно, в точке приблизительно посередине между двумя тележками железнодорожного вагона блок 23 управления данными, также имеющий радиоприемник, который может связываться с радиосредствами на колодках 4 на его вагоне, а также с микропроцессором, функции которого будут описаны ниже. Блок 23 управления данными соединен кабелем 23a с устройством 24 связи (здесь расположен на крыше железнодорожного вагона), хотя могут быть приемлемыми другие местоположения в зависимости от таких факторов, как тип вагона, с которым используется изобретение. В некоторых случаях и для некоторых типов вагонов блок управления данными и устройство связи могут быть совмещены.
Устройство 24 связи, предпочтительно, питается от солнечного элемента 24а, или от другого электрического средства, имеющего способность поддержания непрерывного функционирования. Устройство 24 связи служит для связывания железнодорожного вагона прямо с локомотивом, тянущим поезд, таким образом, что инженер или другой член бригады имеет немедленное уведомление о проблемных вагонах. В возможном варианте связь может осуществляться через средство автоматической идентификации тележки или сотовую или спутниковую систему радиосвязи или другое оборудование связи с контрольными станциями, как удобно для пользователя. В случае, когда проводная связь от локомотива возможна по всему поезду, например, если электронное торможение становится стандартным, устройство связи может быть соединено с этой линией связи. Источник питания для устройства 24 связи может также подавать энергию для блока 23a управления данными, и в этом случае электрическое соединение 23 может быть многоканальным соединением.
На фиг.1 показан ручной блок 23b, содержащий микропроцессор и радиосредство для связи с колодкой 16, с измерительным прибором при помощи ее радиосредства и также с блоком 23 управления данными. Блок 23b, далее называемый "регистратором", имеет ограниченную способность передачи сигналов так, что он должен быть расположен физически вблизи колодок 16 или блока 23 передачи данных для осуществления связи. Это обеспечивает то, что оператор будет связываться только с одним таким устройством без приема радиопередачи аналогичными устройствами на других вагонах этого же или находящегося поблизости поезда.
Хотя использование радиосвязи для осуществления связи регистратором предпочтительно, может использоваться прямой электрический контакт. Однако из-за жестких условий окружающей среды, которым подвергается железнодорожный вагон, прямой электрический контакт снижал бы надежность и был бы более трудоемким в осуществлении, особенно когда необходима связь с большим количеством вагонов. Использование регистратора для выполнения функций изобретения будет описано ниже.
Здесь следует отметить, что существенным признаком изобретения является облегчение установления адреса для радиосвязи во время установки колодки или при замене колодки или блока управления данными. С этой целью, как альтернатива радиосвязи, может использоваться ярлык радиочастотной идентификации, или соответствующий штриховой код, или другой считываемый вариант расширенного адреса, который может считываться и записываться регистратором.
Хотя антенны, показанные в фиг.1 и 3, схематически изображены в форме провода или стержня, на практике они могут быть микрополосковыми линиями или конформными антенными решетками и могут быть, например, металлическими проводниками на керамической подложке.
Аналогично, вместо энергии батареи для колодок с измерительными приборами может использоваться бортовое электрическое питание вагона, если оно доступно. Могут использоваться альтернативные устройства подачи энергии, которые получают энергию вращения колес для генерирования электрической энергии. В качестве практического варианта при выборе источника энергии высокий приоритет следует отдать источнику питания, наиболее вероятно функционирующему в течение нескольких лет без необходимости замены батареи или необходимости выполнять другое техническое обслуживание и ремонт.
Как отмечено выше, признаком изобретения является то, что средства радиосвязи в колодках 16 и блоки 23 управления данными требуют связи только на очень коротком расстоянии. Для этой цели предпочтительны средства радиосвязи, соответствующие стандарту 802.15.4 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике для беспроводных сетей датчиков. Это стандарт для малой дальности, для которого типичными являются системы сети датчиков ZigBee. Уровни мощности низкие, и дальность ограничена, но все, что требуется, это в целом способность связи между колодками на тележках определенного вагона и блоками управления данными этого вагона или с регистратором, переносимым оператором, стоящим рядом с вагоном. Существование стандартов для форматов данных и открытых программных средств для использования этих систем с функциональными микроконтроллерами делает это предпочтительным возможным вариантом. Особенным преимуществом радиопередачи является то, что электропроводка на тележках и электропроводка от тележек к железнодорожному вагону нежелательна, поскольку подвергается поломкам, и электропроводка по длине грузового поезда очень маловероятно приемлема, пока в промышленности не будут широко и универсально приняты электронные тормоза или подобные средства.
Средства беспроводной связи, основанные на стандарте Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, доступны и могут быть использованы для образования из колодок с измерительными приборами и блоков управления данными сети соединений без внешнего вмешательства. Они могут быть использованы для распознавания соотношения местоположения тележки и оси на вагоне или использованы так, чтобы цифровой блок связи был информирован относительно конфигурации, образующей, таким образом, многоинтервальное средство соединения сети. Средства радиосвязи, используемые в изобретении, предназначены для периодической работы с низкой мощностью. Несколько полос частот используются в различных частях света. Пригодная частота, с которой средства радиосвязи будут работать в Северной Америке, составляет около 2,4 ГГц. Хотя предпочтительно ожидается, что формат и кодирование сообщений будут соответствовать вышеупомянутому стандарту Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, возможны другие конфигурации.
В типичной системе колодки 4 с измерительным прибором содержат несколько датчиков для измерения динамических и статических вертикальных нагрузок и поперечных или боковых сил, прилагаемых тележкой железнодорожного вагона и, следовательно, грузовым вагоном через держатели подшипника. И наоборот, они являются силами, которые сами оси, жестко прикрепленные к колесам и подвергающиеся воздействию неровностей пути, передают тележке. Типичные колодки 16 с измерительным прибором также несут датчики температуры для определения температуры соответствующего им подшипника, так как это важно для безопасности, чтобы удостовериться в том, что подшипник не перегрелся.
Следует отметить, что при работе микропроцессор на колодке 16 с измерительным прибором (фиг.1-3) в нормальном положении находится в пассивном состоянии малого потребления мощности, но запрограммирован для кратковременного периодического включения. Он считывает данные от каждого из датчиков и выполняет предварительный анализ считываемых данных. Рациональный вариант выбора частот опроса и выбора датчиков для считывания данных базируется на типе характеристик, подвергаемых мониторингу, и конкретного варианта применения. Выборка должна осуществляться с частотой, в несколько раз превышающей самую высокую частоту, которая будет определена по данным. Более частое осуществление выборки не даст дополнительных сведений, но увеличит потребление энергии.
Периодичностью осуществления выборки и докладов управляет блок 23 управления данными. Однако если колодки обнаруживают указания на неисправность или приближающийся отказ, программа микропроцессора на колодке может предусматривать включение средства радиосвязи, которым он управляет, и посылку соответствующего сообщения средством радиосвязи блоку 23 управления данными. Примером может быть внезапное увеличение температуры. Большой скачок напряжения из устройства подачи энергии также может использоваться для активизации микропроцессора колодок, если он был в состоянии малого потребления мощности. При отсутствии такой проблемы микропроцессор колодки следует заданному ему графику, при котором он обычно поддерживается в состоянии малого потребления мощности большую часть времени.
Блок 23 управления данными предназначен для выполнения нескольких задач. Он координирует выбор времени циклического тестирования, выполняемого микропроцессором колодки с измерительным прибором и выбором времени получаемых от него сообщений. Как агрегатор информации он запрограммирован для сравнения информации от всех тележек на вагоне и делает на их основе выводы относительно состояния вагона, например, блок управления данными использует технологии механизма логического вывода для опознавания неудовлетворительного поведения, такого как раскачивание, подпрыгивание или даже частичный сход с рельсов. Он передает информацию от устройства 24 связи. Например, устройство 24 связи может содержать средство измерения, такое как средство глобальной системы местоположения, для получения информации о скорости транспортного средства, которая полезна для проверки поведения тележки, такого как виляние. Эта информация может также использоваться для предотвращения проверок датчиком, когда они не нужны, для сохранения энергии.
Подобным образом, если желательно, датчики таких параметров как температура окружающей среды и влажность (дождь, снег и обледенение), могут быть встроены в устройство 24 связи или блок 23 управления данными в распределенных функциях механизма логического вывода для использования, описанного ниже. Кроме того, блоки 23 управления данными или устройство 24 связи могут содержать трехмерный акселерометр или скоростной гироскоп для запуска определенных режимов анализа или подтверждения считанных данных, полученных колодкой, и получения информации относительно разнообразных движений корпуса вагона.
Как информационный канал блок 23 управления данными передает сообщения устройству 24 связи для дальнейшей передачи в локомотив или в другие удаленные приемники и принимает, в свою очередь, для собственного анализа и распределения на колодки, когда необходимо, информацию или команду, например от локомотива или от других удаленных источников.
Альтернативные конфигурации для системы текущего контроля, показанной на фиг.1-3, показаны на фиг.5-7. В варианте на фиг.5 каждая колодка 16 с измерительным прибором имеет собственный микропроцессор и средство радиосвязи. Эта конфигурация предназначена для использования протокола для организации сети, который позволяет передавать сообщения между колодками их средствами и в цифровой блок 23 связи и от него.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, все колодки 16 одной тележки связаны с одним блоком 24 микропроцессора и радиосвязи по многожильным кабелям 27. Это минимизирует количество электронных компонентов за счет создания большого количества проводных соединений на тележке. Вычислительные функции, выполняемые микропроцессорным блоком на тележке, могут несколько отличаться от функций микропроцессорного блока, показанного на фиг.5. В этом варианте осуществления изобретения все функции аналого-цифрового преобразования выполняются микропроцессором, и любые функции логического вывода, выполняемые им, делают оценки для всех датчиков для всех колодок на тележке.
Другой альтернативный вариант осуществления изобретения показан на фиг.7, где каждая колодка 16 с измерительным прибором имеет собственный блок аналого-цифрового преобразования, который может быть встроен в микропроцессор 28 на определенной колодке. Эти микропроцессоры в таком случае могут быть связаны с единым блоком 25 обработки данных на тележке и, следовательно, с блоком 23 управления данными. Как и в конфигурации на фиг.6, любые логические выводы или анализ данных, выполняемые блоком 25, принимают во внимание информацию от всех датчиков на всех колодках на тележке.
Другие возможные варианты включают схемы связи стандарта CANBus, где используются проводные соединения. Кроме того, CANBus или другие стандарты могут быть осуществлены в случае широкомасштабного внедрения пневматических тормозов с электронным управлением, потенциально дающих другие возможные варианты схем связи.
Средства связи по всему поезду могут обеспечиваться множеством разных вариантов воплощения. Стандарт WiFi (стандарт 802.15.11 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) может быть соответствующим для очень длинных грузовых поездов. Для связи в пассажирских поездах пригоден стандарт 1473-199 Rail Transit Vehicle Interface Standard Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике.
Кроме того, следует отметить, что в принципе можно предусматривать связь колодок с измерительным прибором по всему поезду с передачей сообщений от одного грузового вагона к следующему. Однако для длинных поездов это вызывает прохождение сообщением многих интервалов, что значительно менее надежно, чем одна, более мощная связь каждого вагона с локомотивом или другим удаленным местом. Другие проблемы включают вероятность того, что поезда будут переформировываться, при этом грузовые вагоны, возможно, будут удалены, или будут переставлены, или поезд будет тянуть локомотив на его противоположном конце. Любая такая сеть, зависящая от связи колодки с колодкой от вагона к вагону, может требовать переформирования поезда на сортировочных станциях.
Как указано выше, существенным признаком изобретения является наличие надлежащего средства адресации и идентификации каждой колодки с измерительным прибором в железнодорожных вагонах, используемых в системе. Кроме того, необходимо, чтобы колодки с измерительным прибором на тележках на смежных грузовых вагонах, находятся ли они в одном поезде или нет, продолжали функционировать, находясь в пределах радиодосягаемости друг друга без взаимных помех. Должно быть возможно формировать поезда из любых грузовых вагонов и замещать единственную колодку на тележке без необходимости замены всех других колодок на тележке или грузовом вагоне. Даже если нет проблем для доклада, важно, чтобы система обеспечивала подтверждение, что она продолжает функционировать должным образом. В описанной здесь предпочтительной системе используются сообщения, инициируемые колодками с измерительным прибором для этой цели. Альтернативный вариант использования последовательного опроса блоками управления данными для проверки состояния колодок с измерительным прибором требует включения колодок и действия как приемников в точно управляемые моменты времени и в течение периодов, которые требуют более продолжительного действия с полной мощностью, чем если бы допускалась возможность посылать ими сообщения на основе их собственного выбора времени с требованием, что блоки управления данными находились всегда в режиме приема.
Колодки с измерительным прибором, которые должны быть во взаимодействии с соответствующими блоками управления данными, все должны использовать соответствующие частоты. Вышеупомянутый стандарт 802.15.4 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике определяет частоты или каналы в каждой полосе частот. Например, в диапазоне ISM 2,4 ГГц существует 26 каналов. Существует также стандарт для модели сообщений, в котором каждое формирует пакет множества байтов из 8 битов данных, причем каждый байт имеет заданное значение. В этой модели один байт назначен для группового номера и два байта назначены для адреса в пределах группы. Другой байт назначен для типа сообщения, которое может интерпретироваться как команда. Связанные радиоприемники и их микропроцессоры управления устроены так, чтобы игнорировать сообщения, полученные от источника в другой группе. Они не обнаруживают сообщения на частотах, отличных от их выбранных рабочих частот. Однако они могут изменять рабочие каналы (частоту) под управлением программы. Они могут действовать надлежащим образом с сообщениями, которые принадлежат их собственной группе. Для использования на железных дорогах необходимо бóльшее количество устройств, чем то, которое может быть охвачено двухбайтовым адресом, и, кроме того, должно применяться такое средство, чтобы блок управления данными мог распознавать сообщения от колодок с измерительным прибором на его грузовом вагоне. Колодки с измерительным прибором должны быть способны распознавать сообщения от их собственного блока управления данными и также должны быть способны допускать потенциальные помехи от колодок с измерительным прибором и блоков управления данными на других ближайших грузовых вагонах как своего поезда, так и проходящего поезда. Они также должны быть способны допускать потенциальные помехи от других устройств, работающих в той же самой нелицензированной полосе.
Идентификационный номер или адрес может быть запрограммирован в электронном модуле производителем.
Присвоенный адрес для колодки с измерительным прибором может быть дополнительно или в альтернативном варианте сохранен в ярлыке радиочастотной идентификации (ярлык радиочастотной идентификации), расположенном на каждой колодке 4 или заделанном в нее. Физическое размещение колодки на тележке определяет ее нахождение вблизи обочины пути. В частности, она может находиться на внешней стороне боковой рамы тележки и, таким образом, близко к любому путевому контрольному оборудованию. Это дает возможность, по меньшей мере, распознавания проходящих устройств фиксированным оборудованием и, если используется технология активного ярлыка радиочастотной идентификации, предусматривать альтернативный маршрут связи от вагона к центральному репозиторию данных или владельцам.
Присвоенный адрес может быть удобно видим как считываемый номер, возможно со штриховым кодом для удобства пользователей, хотя требования условий эксплуатации могут ограничивать использование этого альтернативного варианта.
Очевидно, что может использоваться любая схема адресации, которая обеспечивает получение достаточных индивидуальных адресов или идентичностей. Адрес колодки может быть присвоен в соответствии с расширенной схемой адресации Протокола Интернет (IPv6) с использованием 6 байтов таким образом, что эти устройства могут иметь их собственные адреса протокола Интернет.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения, описанный ниже, может быть расширен до использования множества каналов (радиочастот), таким образом, с получением средства виртуального устранения помех между смежными вагонами в поезде.
Объектом изобретения является способность осуществлять мониторинг поведения всех тележек и подшипников и колес поезда. Сообщение предупреждения должно проходить от любого железнодорожного вагона к локомотиву или к удаленному средству обработки данных настолько быстро, насколько возможно, предпочтительно, в пределах нескольких секунд.
Однако нагрузка передачи всех данных, которые могли бы отобраны при выполнении такого текущего контроля, является чрезвычайно большой и, главным образом, детальные данные несущественны. Предпочтительно, распознаются только наблюдения, которые подразумевают некоторую неисправность или неправильное функционирование. Для снижения радиообмена до управляемых пропорций система приспособлена для обработки необработанных данных от датчиков, ведя поиск знаков неисправности и затем посылая только существенную показательную информацию. С этой целью используется распределенный механизм логического вывода, разделяющий существенные функции между микропроцессорами в колодках с измерительным прибором и в блоке 23 управления данными. Целью этого изобретения является сокращение радиообмена между колодками и блоком управления данными таким образом, что часть анализа данных осуществляется в колодках и только уместная информация передается блоку управления данными от колодок для дальнейшего анализа и распознавания неисправностей.
В описанной выше типичной системе микропроцессоры 19 в колодках 16 с измерительным прибором выполняют ряд измерений и обрабатывают их во временном ряду. Алгоритмы исследования, формирующие механизм логического вывода, могут опознавать, например, периодичности и перекрестные корреляции во временном ряду и между ними таким образом, что любое поведение, обнаружимое на уровне колодки, будет замечено. Например, возвратно-поступательное виляние тележки поперек линии рельсов имеет частоту, определенную геометрией тележки и скоростью вращения колес. Колебание и раскачивание вагона происходят с частотами, создаваемыми в основном системами масс-пружин подвески и грузом. До различных степеней, в зависимости от конструкции транспортного средства, эти неисправности в поведении будут очевидны при изменении нагрузки и распределении нагрузки в колодке с измерительным прибором, которая может представлять собой, например, вертикальную и поперечную и тормозную силы. Неисправности колеса создают периодически повторяющиеся модели сил по частоте вращения, которые могут быть вычислены по скорости транспортного средства. Дефекты пути могут производить большие и внезапные силы, воздействующие на колеса, подшипники и тележки и на вагон и его груз.
Если выведено такое поведение в колодке с измерительным прибором и величина достаточна для вызова предупреждения, уместные атрибуты и расчет времени (относительно времени передачи отчета) могут быть переданы в блок управления данными вагона.
В случае, когда больше чем одна колодка с измерительным прибором может сообщить о неправильном функционировании, компоненты механизма логического вывода в блоке управления данными отвечают за оценку всей тележки и, в конечном счете, грузового вагона. Когда сделан вывод о серьезной неисправности, сообщения посылаются через линию 23a, 24 связи в локомотив и т.д.
Примеры характеристик, которые система способна контролировать, включают следующие.
Температура подшипника
. Датчик температуры в колодке 16 с измерительным прибором осуществляет мониторинг изменения температуры относительно других подшипников и выдает аварийный порог или долговременные тенденции в связи с состоянием подшипника. Вывод о благополучном состоянии роликового подшипника может быть сделан с использованием или тенденций, или тревожных уровней для исключения потенциального сгорания подшипника и возможного схода с рельсов и обеспечения непосредственного измерения, которое может использоваться для исключения ложных тревог от придорожных детекторов перегрева колесной буксы. В качестве другой задачи этого изобретения данные от придорожных детекторов температуры и других эффектов могут сравниваться с полученными от бортовой системы для взаимной калибровки и проверки.
Состояние подшипника
. Используется датчик нагрузки на верхней поверхности колодки 16 с измерительным прибором для текущего контроля вибраций, исходящих от подшипника (передаваемых через держатель роликового подшипника). Выводы об определенных дефектах подшипника могут быть сделаны при помощи частотного спектрального анализа. Идентификация выходящего из строя подшипника на его ранних стадиях повреждения важна в программах профилактического обслуживания.
Состояние колеса.
Датчик нагрузки в колодке с измерительным прибором обнаруживает нагрузки высокой амплитуды (по сравнению с фоновым значением), которые повторяются периодически (как функция диаметра колеса и скорости), для выявления образования вмятин или раковин на поверхности качения обода колеса. Также можно опознавать раковины на поверхности качения обода колеса с использованием некоторых других датчиков в колодке с измерительным прибором. Контроль ударов колеса может позволить владельцу планировать замену колеса прежде, чем удары будут идентифицированы датчиком ударных нагрузок на колесо путевого оборудования, что приведет к внеплановому обслуживанию. Это может также помочь пониманию причин неисправности.
Сход колеса с рельса.
Используется то же оборудование, как и для определения состояния колеса, но обнаруживается более высокая частота и подобный сигнал от обоих колес в комплекте колес. Обнаружение схода комплекта колес с рельсов предотвращает возможный полный сход с рельсов и возможные катастрофические последствия.
Виляние тележки.
Используются датчики нагрузки, установленные в колодке с измерительным прибором, для обнаружения продольных, боковых и создающих рыскание сил для текущего контроля быстро изменяющихся нагрузок (и, следовательно, угла набегания комплекта колес), указывающих на ось или путь. Посредством анализа нагрузок, отслеживаемых на обоих комплектах колес на тележке и на обеих тележках на вагоне, могут быть идентифицированы виляние тележки и оси, а также деформация тележки. Дополнительно, посредством оценки угла набегания комплектов колес на каждой тележке, может быть идентифицировано высокое вращательное трение, вызванное заеданием боковых подшипников или сухими центральными подпятниками. Идентификация этих состояний помогает предотвращать повреждение тележки грузового вагона и груза, а также инфраструктуры пути.
Вес вагона.
Осуществляется суммирование груза, измеренного во всех восьми колодках с измерительным прибором на грузовом вагоне, для определения его веса. Даже грубое измерение (плюс-минус 10% от предельной нагрузки) даст полезную информацию для специалистов, заинтересованных в оценке характеристик грузовых вагонов и их компонентов. Дополнительное преимущество получено от обнаружения дисбалансов груза вследствие неправильной погрузки или смещения при перевозке.
Смещение держателя роликового подшипника
. Посредством контроля нагрузки на ветви колодки с измерительным прибором можно определять, когда опора роликового подшипника сместилась. Это дает информацию о том, что вызвало смещение, а также привлекает внимание к тому, что необходимо срочное обслуживание для избежания повреждения роликового подшипника.
Характеристики и состояние тормозов.
Контроль продольных сил в колодке с измерительным прибором дает информацию относительно силы, прилагаемой тормозными колодками к колесам. Она может обеспечивать понимание эффективности торможения (чрезмерно высокие тормозные нагрузки указывают, что тормоза могут вызывать заедание колес, а чрезмерно низкие тормозные нагрузки указывают, что тормоза не работают должным образом). Кроме того, проверка состояния тормозов может использоваться для посылки сигнала предупреждения, если поезд движется с включенными некоторыми из ручных тормозов.
Дефекты пути.
Контроль вертикальных нагрузок в колодках с измерительными приборами и сравнение их между комплектами колес указывает владельцам вагона дефекты пути, которые могут вызвать повреждение грузовых вагонов или их груза.
Хотя выше были определены несколько альтернативных вариантов конфигурации устройств и связи между ними, предпочтительный вариант осуществления изобретения описан далее.
Специалистам, знакомым с программированием микроконтроллеров и протоколами и возможностями как средств связи малой мощности, так и спутниковой или сотовой связи, будет понятно что функции, описанные здесь, выполнимы с существующей технологией и компонентами. Например, средства малой мощности Micaz, производимые Crossbow Corp., Palo Аlto, California, с их встроенным радиосредством ChipCon могут исполнять функции колодок и блока управления данными. Устройство 24 связи представляет собой модель DS300-RDT, производимую Stellar-Sat, Inc. Это устройство имеет существенную вычислительную мощность, благодаря чему некоторые из функций, приписанных здесь блоку 23 управления данными, могут быть выполнены DS300-RDT. Действительно, эти два устройства вполне могут быть скомбинированы или их функции могут быть распределены таким образом, что различие может стать ненужным.
Источник энергии состоит из устройства подачи энергии, такого как пьезоэлектрическая пленка, производимая Measurement Specialties, Inc, Hampton, Virginia, совместно с накапливающим заряд конденсатором или аккумулятором.
Колодки с измерительным прибором запрограммированы для производства кодом группы, идентификационным номером канала и уникальным расширенным адресом, который сохранен в энергонезависимой памяти и соответствует данным в ярлыке радиочастотной идентификации и штриховом коде, если он используется. С соответствующим программированием количество располагаемых адресов для индивидуальной колодки с измерительным прибором может быть увеличено настолько, насколько необходимо.
Код группы служит, как соответствующий стандарту 802.15.4 в системах Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, для отличия этого варианта применения от любых других, которые могли бы использовать такую же радиочастоту (канал).
Когда колодки установлены, их расширенные адреса считываются регистратором 23b, который предназначен для сбора данных радиочастотной идентификации или штрихового кода. Пользователь выдает команды регистратору при помощи клавиатуры и экрана относительно расположения на тележке и, следовательно, на грузовом вагоне каждой колодки. Регистратор, в этом случае, размещен вблизи блока 23 управления данными и при помощи радиоканала передает адрес и данные расположения колодок на грузовом вагоне, относящемся к блоку управления данными, в блок управления данными.
Для исключения использования средства радиочастотной идентификации или штрихового кода регистратор может, в альтернативном варианте, использовать функциональные возможности колодки и электроники, которая запрограммирована для постоянной посылки сообщений всякий раз, когда доступна энергия. Эти сообщения, как указано далее, всегда содержат расширенный адрес колодки, благодаря чему регистратор может собирать их, когда он находится вблизи колодки. Этот режим работы имеет недостаток, заключающийся в том, что колодка должна иметь электрическое подключение для осуществления обмена, что неудобно, если колодка должна быть включена для нормальной работы при помощи извлекающего энергию средства. Если используются дополнительные средства получения электрической энергии, например при помощи индукции, то использование радиосвязи становится предпочтительным.
Регистрация данных от колодки может, в альтернативном варианте, передаваться в блок управления данными другим способом, например с использованием канала 24 передачи данных. В любом случае данные регистрируются в блоке управления данными в долговременной памяти таким образом, что временная потеря мощности не вызывает повторной регистрации. Процесс регистрации позволяет отслеживать устройства по всей системе железной дороги.
Когда идентичности колодок записаны в блоке управления данными, последующие передачи от колодок с измерительным прибором будут распознаны блоком управления данными, если они исходят от зарегистрированной колодки с измерительным прибором. Подобным образом, последующие передачи блока управления данными могут быть направлены надлежащим колодкам с измерительным прибором.
Несоответствующие сообщения, которые приходят от близлежащих колодок с измерительным прибором и блоков управления данными, не составляют проблему, если они не сталкиваются по времени с желательными сообщениями. Они могут просто игнорироваться. Если они сталкиваются, то сообщения будут разрушены. Однако благодаря использованию нормальных стандартов 802.15.4 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике для циклической проверки достоверности сообщения они не будут признаны и будут поэтому пропущены. Для минимизации этой проблемы блок управления данными управляет выбором времени сообщений к его колодкам с измерительным прибором и от них.
Первоначально колодки с измерительным прибором будут начинать посылать сообщения по одному в минуту или с подобным темпом сразу после того, как они запитаны. Это сообщение, передаваемое как будто для любого приемника, но с надлежащим кодом группы и на соответствующем канале, несет адрес колодки как адрес передатчика. Он является единственным типом сообщения, которое посылается как радиопередача в этой схеме. Колодка, в таком случае, в течение короткого времени ждет ответа. Блок управления данными, когда он получает питание, действует как приемник таким образом, что он принимает сообщение. Поскольку он может распознать адрес передатчика как принадлежащий одной из колодок, за которую он отвечает, он отвечает немедленно сообщением, которое дает команду колодке относительно того, какую задачу по сбору данных требуется выполнить и когда (насколько позже) требуется обратное сообщение. Колодка запрограммирована таким образом, что любое принимаемое ей сообщение, в котором используется ее собственный полный адрес, принимается как поступившее прямо или косвенно от ее блока управления данными, и она автоматически посылает ответы этому отправителю. В результате, колодки не будут нуждаться в дополнительной команде адресации в течение оставшегося срока службы, так как они будут автоматически получать команду любого устройства, которое обращается непосредственно к ним и расположено достаточно близко, и отвечать ему. Получив сообщение от блока управления данными, колодка может возвращаться к режиму малого потребления мощности (режиму ожидания), пока она не должна будет выполнить следующую задачу.
Эта схема позволяет колодкам прекращать функционирование вследствие потери извлекаемой энергии и все же возобновлять действие и связываться с соответствующими блоками управления данными, когда подача энергии восстановлена.
Схема позволяет менять блок управления данными в сети посредством выдачи ему адресов колодок, за которые он ответственен. Одна колодка может быть заменена в сети посредством выдачи ее идентификатора соответствующему блоку управления данными.
Схема также позволяет работать в сети другим устройствам, если они имеют связанный, приближенный блок управления данными.
К тому времени, когда все колодки с измерительным прибором, относящиеся к блоку управления данными, совершили цикл связи, они находятся в режиме графика, который устанавливает их в очередь по времени, которое ожидает блок управления данными. Колодки с измерительным прибором по существу лишены связи в промежуточный период для экономии энергии.
Схема планирования сообщений в системе преднамеренно хранит сообщения от колодок на одном грузовом вагоне отдельно по времени, благодаря чему конфликты радиосигналов исключаются. Поскольку сами колодки действуют только как приемники очень кратко, риск того, что они получат ложные сообщения, также мал. Поскольку намеченные радиопередачи от колодок с измерительными приборами очень коротки, например несколько миллисекунд, по сравнению с прошедшим периодом молчания, возможности конфликтов радиосигналов от смежных грузовых вагонов или других полностью независимых устройств также низки. Однако они в конечном счете произойдут. Стандартный подход для схемы Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике состоит в том, что средство радиосвязи перед посылкой сигнала сначала входит в режим приемника для проверки, передает ли любое другое средство на канале. Если это так, оно задерживает посылку на случайный промежуток времени, связанный с длительностью сообщения. Эта процедура устраняет большинство конфликтов.
Если ожидаемое намеченное сообщение от колодки с измерительным прибором не поступает в пределах разумного интервала времени, блок управления данными может предпринимать ряд различных действий. Он может иногда обнаруживать, что сообщение было получено, но было разрушено. Зная, что посылающая колодка с измерительным прибором будет ожидать ответа в течение некоторого времени, он может послать сообщение, информирующее о небольшом произвольном сдвиге в выборе времени таким образом, что если проблема исходит от смежного грузового вагона, то следующее сообщение очень вероятно дойдет.
Соответственно, колодка с измерительным прибором может повторять сообщение вне графика, если она не получает ответа, таким образом, что блок управления данными, всегда снабжаемый энергией и обычно действующий как приемник, скоро создаст соединение и сможет, как в первоначальном процессе пуска, назначить новое время по расписанию для передачи. Блок управления данными может ожидать другого цикла для определения, было ли это случайное событие, и он может перевести в режим молчания другие колодки с измерительным прибором на некоторое время, когда они вызывают, чтобы они не создавали помех передачам от пропущенного устройства. Благодаря этим и другим подобным приемам колодки с измерительным прибором и данные могут предпринимать шаги для восстановления связи. В конечном счете, если все эти меры безуспешны, блок управления данными сообщит о потере связи по линии 23а сообщений.
Существенным признаком изобретения является то, что колодки никогда не прекращают попытки вступить в контакт с блоком управления данными, пока они имеют достаточно энергии, и никакое внешнее сообщение колодке не способно остановить этот процесс, хотя естественно допускается длительная, но не неопределенная задержка до следующего доклада.
При установленной связи блок управления данными инструктирует колодки относительно того, какую задачу по сбору данных необходимо выполнить и когда дать ответный доклад для получения информации, необходимой для того, чтобы сделать указанные выше выводы. Такие задачи включают, но не ограничены следующими: измерение температур, определение средних сил, выдача спектральных данных относительно боковых или вертикальных или продольных сил, измерение вертикальных сил за циклы по частоте вращения колеса. Каждая из этих последовательностей измерения соответствует конкретному выводу, который может быть сделан, если данные это подтверждают.
Для каждой задачи назначается время ожидания ответного доклада. Для каждой задачи назначается время, в которое должно быть сделано измерение, или назначается периодичность.
Задачи могут требовать от колодок выполнения промежуточных измерений и временного сохранения их результатов между интервалами радиодоклада. Эти промежуточные, рассчитанные по времени действия могут быть предприняты без вмешательства блока управления данными. Между такими действиями колодки возвращаются к режиму ожидания с малым потреблением энергии при условии, что есть достаточно времени для перезапуска, и процесс обеспечивает экономию энергии.
Каждый доклад, посланный обратно колодкой, распознает задачу, которую надо было решить, и истекшее время после сбора данных в комплекте.
Каждый доклад включает информацию о состоянии (байт состояния) функциональных возможностей компонентов колодки, особенно датчиков.
Набор запросов включает возможность запроса о докладе, о силе полученного сигнала в качестве проверки связи.
Блок управления данными планирует моменты времени докладов таким образом, чтобы радиопередачи не входили в конфликт друг с другом.
Блок управления данными может параметризовать запросы данных с уместной информацией, такой как информация о температуре окружающей среды или скорости транспортного средства. Команды, которые выбирают задачу измерения, могут зависеть от местоположения с использованием информации Глобальной системы позиционирования. На команды могут влиять ускорения, измеренные блоком управления данными, когда такое аппаратное обеспечение существует.
Блок управления данными имеет программу по умолчанию просмотра измерений с использованием его колодок как средств сбора данных, благодаря чему регулярные оценки поведения грузового вагона выполняются своевременно. Однако эта регулярная модель может быть заменена командами, посылаемыми блоку управления данными из центрального репозитория, данных или командой владельцев или операторов.
Блок управления данными в роли агрегатора информации объединяет данные от колодок и вносит изменения по мере необходимости в течение различных периодов времени, за которые данные были доложены и собраны. Блок управления данными выполняет оценки, описанные выше, для механизма логического вывода для проверки того, если это грузовой вагон, что его тележки, или колеса, или оси ведут себя достаточно плохо и требуется доклад в центральный пункт обработки данных, или владельцу, или оператору, или локомотиву. Если это так, то может быть послан доклад. Важно минимизировать посылаемые данные, поскольку передача данных может быть оценена по количеству, и может быть много железнодорожных вагонов, посылающих данные. Однако блок управления данными будет планировать посылку сообщения "все в порядке" с соответствующими интервалами, если нет никаких неполадок.
Правила оценки характеристик грузового вагона разработаны как терпимые к отсутствию данных, так как очевидно из приведенного выше описания системы, что или вследствие трудностей связи, или суровости окружающей среды, компоненты могут быть не в состоянии обеспечить все требуемые данные.
Поскольку этот предпочтительный вариант осуществления изобретения делегирует инициирование обмена данными колодками, другое преимущество состоит в том, что в случае возникновения некоторого экстремального условия колодка может посылать незапрашиваемое сообщение в любое время между намеченными интервалами докладов. Для минимизации потока данных такой же подход принят при посылке данных от блока управления данными в центральную базу данных.
Для варианта осуществления изобретения, который может дать преимущество выбора нескольких (например, 26 в полосе 2,4 ГГц) доступных рабочих частот, добавлены следующие дополнительные признаки. Центральное средство управления данными может извлекать данные Глобальной системы позиционирования, посланные вагонами, о том, какие пары вагонов являются фактически смежными. Если вагоны сообщают о проблемах связи, то одному из такой пары может быть выдана по связи команда от центра вагону на переключение на другой канал. Сети устройств стандарта 802.15.4 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике могут быть запрограммированы для скачкообразной перестройки частоты в соответствии с взаимным соглашением для избежания помех. Когда связь потеряна, такие устройства будут передавать по радио сообщения о последовательности разностных частот, пока реакция не создаст основу для восстановления связи. Ограничение выбора и предопределение последовательности частот, которые будут испытаны, ускоряет процесс восстановления. Система также может быть запрограммирована для обеспечения преднамеренных изменений частоты посредством посылки ей инструкций как части регулярного обмена между колодками и блоком управления данными.