СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УКЛАДКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО БАЛЛАСТА
METHOD AND DEVICE TO LAY RAILROAD BALLAST

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к материально-техническому обеспечению и, более конкретно, к системе для распределения балласта вдоль железнодорожных путей при работах по техническому содержанию железнодорожных путей.
Предпосылки изобретения
Обычные железные дороги в Соединенных Штатах и в других странах, в типичном случае, сформированы из уплотненной основной площадки железнодорожного полотна, слоя гравийного балласта, деревянных поперечных шпал, расположенных на балласте и в нем, и параллельных стальных рельсов, прикрепленных к шпалам. Изменения конструкции встречаются на пересечениях с дорогами и мостами и в других ситуациях. Балласт под шпалами и между ними стабилизирует положение шпал, сохраняет уровень расположения рельсов и обеспечивает некоторую амортизацию композиционной структуры при нагрузках, создаваемых движением по рельсам. Вибрации от движения железнодорожных транспортных средств по рельсам и разрушение под влиянием атмосферных воздействий (от ветра, дождя, льда и мороза) и циклов оттепели могут способствовать со временем смещению части балласта. Таким образом, в дополнение к другим действиям по техническому обслуживанию необходимо периодически заменять балласт для поддержания целостности и безопасности железных дорог.
В прошлом балласт распределяли с использованием специальных балластных вагонов, включающих бункерную конструкцию, содержащую определенное количество балласта, балластный желоб, сообщающийся с бункером, и крышку люка сброса балласта с механическим приводом в желобе. Крышка люка может приводиться в действие для избирательного открывания или закрывания для управления сбросом балласта. В некоторых конструкциях крышка люка сброса может приводиться в действие для открывания за борт в направлении поверхности снаружи от рельсов, для закрывания или для открывания во внутреннюю сторону в направлении поверхности между рельсов. Типичные балластные вагоны имеют передний бункер и задний бункер, и каждый бункер имеет две разнесенные в поперечном направлении крышки люка: одна слева и одна справа. Таким образом, каждая крышка люка бункера может приводиться в действие для выпуска балласта наружу от рельсов влево или вправо или между рельсов. Типичная конфигурация балластного вагона описана более подробно в патенте США №5657700, включенном сюда в качестве ссылочного материала.
Распределением балласта наиболее часто управляли вручную во взаимодействии с наблюдателями, которые идут рядом с движущимися балластными вагонами для контроля открывания или закрывания крышек балластных люков как необходимо. Более поздняя технология распространения балласта предусматривает использование контроллера с радиорелейной связью, носимого оператором, который идет рядом с движущимися балластными вагонами. Оба обычных способа управления медлительны и, таким образом, срывают нормальное движение на обслуживаемом участке железной дороги, вызывая задержки поставок и потерю прибыли.
Патент США №6526339 в целом описывает способы распределения путевого балласта с контролем местоположения на основе данных, принимаемых от системы глобального позиционирования СГП. СГП представляет собой "созвездие" спутников, движущихся по орбитам, которые распределяют их вокруг земного шара, и передающих сигналы местоположения и времени. Специально разработанный приемник СГП, принимающий сигналы от, по меньшей мере, четырех спутников, был способен обрабатывать сигналы и триангулировать координаты местоположения с точностью около десяти-двадцати метров. Современные поколения доступных на рынке приемников СГП, выполненных с использованием различных технологий СГП, способны достигать точностей в пределах от одного до пяти метров. Такая точность адекватна для укладки балласта, где необходимо, и предотвращения укладки балласта, где это не требуется. Дополнительная информация, относящаяся к развитию технологий СГП, может быть получена в патенте США №4445118 и патенте США №5323322. Развитие указанной здесь СГП спонсировалось правительством США. Однако также известны спутниковые системы позиционирования, разработанные и эксплуатируемые другими странами.
Поскольку железнодорожные компании в типичном случае обслуживают сотни и тысячи миль пути с периодическим графиком, один компонент замены балласта в техническом содержании железнодорожных путей может быть главным предприятием в отношении оборудования, материалов, управления движением, трудозатрат и контроля. Выполнение системы на основе СГП типа, описанного в патенте США №6526339, может повысить точность и эффективность укладки балласта на железных дорогах, однако использование других технологий для управления укладкой балласта может быть столь же эффективным, как и использование технологий СГП, и в некоторых вариантах применения даже лучше в некоторых отношениях.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создан способ укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, содержащий следующие стадии: перемещение по железной дороге железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта; обеспечение контроллера для открывания и закрывания крышки балластного люка; установка множества контрольных знаков вдоль железной дороги в фиксированных местоположениях; визуальное определение достижения железнодорожным вагоном каждого из контрольных знаков; подача вручную сигнала контроллеру каждый раз при визуальном обнаружении достижения железнодорожным вагоном контрольного знака для снабжения контроллера новыми текущими данными местоположения; приведение в действие контроллера для открывания крышки балластного тока при достижении железнодорожным вагоном участка распределения и закрывания крышки балластного люка при достижении железнодорожным вагоном конца участка распределения, таким образом укладывая балласт на каждом участке распределения.
В другом варианте способ укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, содержит следующие стадии: перемещение по железной дороге железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта;
сохранение визуальных изображений известных местоположений, находящихся вдоль железной дороги; обеспечение устройства для создания визуального изображения для получения текущих визуальных изображений при движении железнодорожного вагона по железной дороге; сравнение текущих визуальных изображений с сохраненными визуальными изображениями для определения текущего местоположения железнодорожного вагона каждый раз при соответствии текущего визуального изображения сохраненному визуальному изображению; использование текущего местоположения железнодорожного вагона для открывания и закрывания крышки балластного люка для укладки балласта из железнодорожного вагона на каждом участке распределения балласта при его прохождении железнодорожным вагоном.
В еще одном варианте способ укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, содержит следующие стадии: перемещение вдоль полотна железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта; считывание известных тепловых характеристик вдоль железнодорожного полотна для определения текущего местоположения железнодорожного вагона на железнодорожном полотне; использование текущего местоположения железнодорожного вагона для осуществления открывания и закрывания крышки балластного люка для укладки балласта из железнодорожного вагона на каждый участок распределения балласта при его прохождении железнодорожным вагоном.
Согласно изобретению создано устройство для укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, с использованием железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта при движении железнодорожного вагона по железной дороге, причем устройство содержит средство для получения визуальных изображений на железнодорожном вагоне, предназначенное для получения визуальных изображений вдоль железной дороги при движении железнодорожного вагона по железной дороге, средство для сравнения визуальных изображений, полученных средством для получения визуальных изображений, с контрольными визуальными изображениями, представляющими избранные местоположения вдоль железной дороги, и средство для открывания крышки балластного люка при достижении одного из известных местоположений на основе сравнения полученных визуальных изображений с контрольными визуальными изображениями и, в противном случае, для закрывания крышки балластного люка.
Согласно другому варианту выполнения создано устройство для укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, с использованием железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта при движении железнодорожного вагона по железной дороге, причем указанное устройство содержит тепловой датчик, расположенный на железнодорожном вагоне, для считывания известных тепловых характеристик полотна с целью определения текущего местоположения железнодорожного вагона на железной дороге и средство для открывания крышки балластного люка при соответствии текущего местоположения железнодорожного вагона одному из известных местоположений и, в противном случае, для закрывания крышки балластного люка.
Согласно еще одному варианту выполнения создано устройство для укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, с использованием железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта при движении железнодорожного вагона по железной дороге, причем указанное устройство содержит кодирующее средство колеса, гироскоп, расположенный на железнодорожном вагоне, взаимодействующий с кодирующим средством колеса для определения текущего местоположения железнодорожного вагона на железной дороге, и средство для открывания крышки балластного люка при соответствии текущего местоположения железнодорожного вагона одному из известных местоположений и, в противном случае, для закрывания крышки балластного люка.
Согласно еще одному варианту выполнения создано устройство для укладки балласта на полотно железной дороги, имеющей участки распределения балласта с недостатком балласта в известных местоположениях, с использованием железнодорожного вагона, содержащего балласт и имеющего крышку балластного люка, способную открываться для выпуска балласта на полотно и закрываться для предотвращения выпуска балласта при движении железнодорожного вагона по железной дороге, причем указанное устройство содержит приемник системы глобального позиционирования, расположенный на железнодорожном вагоне и определяющий местоположение железнодорожного вагона в системе глобального позиционирования, инерциальную систему, включающую гироскоп, расположенный на железнодорожном вагоне, и действующую в качестве дублирующей системы для приемника системы глобального позиционирования, для определения текущего местоположения железнодорожного вагона на железной дороге при неспособности приемника системы глобального позиционирования определять местоположение железнодорожного вагона в системе глобального позиционирования, и средство для открывания крышки балластного люка при соответствии текущего местоположения железнодорожного вагона одному из известных местоположений и, в противном случае, для закрывания крышки балластного люка.
Настоящее изобретение обеспечивает получение способов и устройств для управляемого распределения балласта на железной дороге в большом масштабе с использованием множества балластных бункерных вагонов одновременно и периодически. В системе, соответствующей настоящему изобретению, используются различные технологии для определения, где необходимо уложить балласт, и для управления крышками балластных люков для распределения контролируемых количеств балласта на участках, где необходим балласт, и для предотвращения распределения балласта, где он нежелателен или не нужен. Система позволяет балластному поезду распределять балласт большей частью с достаточно высокой скоростью для того, чтобы нормальное движение по железной дороге, на которой он работает, подвергалось минимальному влиянию от его присутствия.
При осуществлении настоящего изобретения балластный поезд может включать один или несколько локомотивов, вагон управления (не требуется) и один или несколько балластных бункерных вагонов, например пятьдесят бункерных вагонов. Каждый бункерный вагон может иметь два бункера, левый и правый балластные желоба для каждого бункера, крышку балластного люка для каждого желоба и гидравлический привод для каждой крышки. Приводом может осуществляться управление для открывания связанной с ним крышки по направлению внутрь, между рельсов, или по направлению наружу, снаружи от рельсов. Каждый бункер может содержать известный груз балласта определенного типа, и средний расход балласта данного типа через балластный люк также известен. Каждый бункерный вагон имеет логические схемы вагона, называемые блоком управления вагона CCU, а также микропроцессорную систему управления, которая управляет работой гидравлических приводов и которая осуществляет текущий контроль некоторых функций в вагоне.
Блоки управления вагонов связаны с устройством управления сетью или контроллером головы поезда при помощи сети, включающей шину, называемую здесь местами "проводной линией связи". Шина проходит от контроллера головы поезда через блок управления вагона каждого вагона. Контроллером головы поезда может быть компьютер общего типа, такой как переносной компьютер, и он может иметь дифференциальный приемник СГП, сопряженный с ним для получения географических координат. Относительное местоположение каждой крышки балластного люка на каждом бункерном вагоне поезда будет определяться относительно известного контрольного местоположения. Обычно в балластном поезде будет использоваться множество практически идентичных бункерных вагонов с известными расстояниями между крышками балластных люков на данном вагоне и между крышкой балластного люка одного вагона и следующего соседнего вагона.
Для управления распределением балласта по длине пути необходимо определить географическое местоположение пути. Это наиболее часто осуществляют при помощи разведочного пробега по железнодорожному пути с использованием дорожного транспортного средства, снабженного колесами с ребордами для движения по рельсам, такого как транспортное средство Hy-Rail (торговая марка Harsco Technologies Corporation). Транспортное средство для разведки железнодорожного пути может быть оснащено пригодным инструментом для определения местоположения и компьютером, которым может быть контроллер головы поезда с программным обеспечением разведки железнодорожного пути. Когда разведочное транспортное средство движется по железнодорожному пути, разведочная бригада, которую может представлять или в которую может входить "дорожный мастер", отмечает участки распределения, в которых должен быть распределен балласт, и участки, где он не должен быть распределен, такие как мосты, дорожные переезды и т.п., где балласт не должен распределяться. Местоположения участков распределения и нераспределения записываются инструментом, который может иметь множество различных форм.
В альтернативном варианте, можно предвидеть другие процедуры определения координат распределения и нераспределения. Например, если доступен файл данных полученных ранее координат железнодорожному пути, предполагается, что их можно обрабатывать для обозначения участков распределения и нераспределения. Кроме того, в некоторых обстоятельствах разведку железнодорожного пути можно вести даже на балластном поезде спереди от одновременного распределения балласта. В нормальных обстоятельствах разведки перед распределением создается файл данных разведки железнодорожного пути, который передается в контроллер головы поезда для обработки в ходе прогона с распределением балласта.
В дополнение к разведке железнодорожного пути относительно его координат для определения, таким образом, участков, требующих балласта, и участков, на которых балласт не требуется, необходимо обследовать балластный поезд на предмет идентичности вагонов, порядка расположения вагонов и ориентации вагонов. Каждый блок управления вагона включает назначенное переднее реле дискретной автодекларации и назначенное заднее реле дискретной автодекларации, которые в нормальном состоянии неактивны. Эти дискретные линии являются независимыми линиями управления, находящимися в соединительном кабеле проводной линии связи, который соединяет каждый вагон с сетью. Бункерные вагоны могут быть сцеплены в балластный поезд в любом произвольном порядке и с ориентацией некоторых вагонов передней стороной назад, тогда как остальные ориентированы задней стороной вперед. Экономически неоправданно составлять балластный поезд в каком-либо определенном порядке или изменять ориентацию какого-либо определенного вагона. Однако контроллер головы поезда должен определять порядок и ориентацию вагонов для получения возможности передачи команд для крышки балластного люка надлежащего вагона в ходе распределения балласта.
В процессе обзора блоков управления бункерных вагонов контроллер головы поезда может запрашивать отчет блоков управления вагонов об их идентичности или нейронных идентификационных номерах. Затем посредством итерационной процедуры подачи вагонам команд на размыкание их передних и затем задних реле дискретной самодекларации и отчета об их идентичности, контроллер головы поезда может определить порядок расположения вагонов и их ориентации. В частности, после определения идентичности контроллер головы поезда может передавать команду для избранного вагона на активизацию его переднего реле дискретной самодекларации. Затем контроллер головы поезда может вызывать любые вагоны, линия дискретной самодекларации которых активизирована, для самоидентификации. Этому же вагону затем подается команда на активизацию его заднего реле дискретной самодекларации, и опрос повторяется. Этот процесс повторяется с использованием вагонов, которые ответили на предшествующие опросы, пока все вагоны не будут связаны друг с другом. Файл данных идентифицированных, имеющих определенный порядок и ориентацию бункерных вагонов сохраняется как файл данных декларации.
Распределение балласта может контролироваться в отношении количества или веса балласта, распределенного на единицу длины железнодорожного пути. На основе исторического опыта и с целью учета требуемое количество балласта может определяться в тоннах на милю. Хотя такая шкала более удобна для определения стоимости операции, она слишком груба для динамического регулирования распределения балласта при относительно высокой скорости движения. Длина железнодорожного пути может быть подразделена на "ковши", которые "наполнены" для достижения необходимого общего количества тонн балласта на милю. Длина ковшей может составлять любую удобную длину и может быть задана как отрезки железнодорожного пути длиной, например, в один фут. Каждая крышка балластного люка может распределять или на внутреннюю сторону, или на внешнюю сторону, и оба распределения могут осуществляться одновременно. Каждый ковш имеет обозначенные координаты, которые могут включать координаты системы СГП набора ковшей наряду с последовательным элементом такого набора. Координаты ковша выводят посредством обработки ранее созданного файла разведки железнодорожного пути.
Процесс распределения отслеживает текущее местоположение контрольной точки балластного поезда в отношении местоположения его "ковша", текущего груза балласта в каждом вагоне, процентного отношения заполнения каждого ковша, закрытого или открытого состояния каждой крышки и в каком направлении и скорости поезда. Из-за задержки реакции приводов крышек балластных люков и движения балласта и из-за движения поезда процесс распределения может работать с "опережением" для эффективной корреляции состояния крышки и данного ковша. Процесс распределения может приводиться в действие таймером и начинает выполнять серию действий через каждый интервал таймера или по "импульсу сигнала времени". Интервал таймера может составлять около 100 миллисекунд или одной десятой секунды. На действия по распределению влияет скорость и местоположение поезда и, таким образом, все вычисления осуществляются с учетом фактора скорости и местоположения. В отличие от этого, расход балласта через балластный люк может в целом рассматриваться как постоянный. Предпочтительно, крышки балластных люков работают таким образом, что они могут рассматриваться как полностью закрытые или полностью открытые, однако настоящее изобретение предусматривает способность работы с частично открытыми крышками балластных люков и использование датчиков расхода.
При каждом такте таймера может проверяться состояние каждой крышки балластных люков наряду с "намеченным с опережением" набором ковшей и, если крышка в данный момент открыта, процентным отношением наполнения текущего ковша или набора ковшей, которые примут балласт из люка за текущий интервал времени. Если крышка закрыта, проверяется состояние намеченного с опережением набора ковшей для определения того, будет ли превышено целевое заполнение этих ковшей при открывании текущей крышки. Если нет, текущая крышка открывается. Если текущая крышка уже открыта, процентные отношения заполнения текущего набора ковшей обновляются, и проверяется намеченный с опережением набор ковшей для определения, превышает ли текущее заполнение целевое заполнение. Если нет, крышка остается открытой.
В целом, пороговое значение для поддержания открытого состояния крышки не такое строгое, как пороговое значение для открывания закрытой крышки. На участках, где необходимо распределение, предпочтительно распределять несколько больше целевого заполнения, чем меньше. Последующие действия по техническому обслуживанию предусматривают действия бригад, которые будут правильно располагать балласт и подбивать его на месте. Таким образом, наличие небольшого избыточного количества балласта предпочтительнее, чем недостаточное количество. Однако в случае с участком нераспределения, любой укладываемый балласт может составлять опасность, например, на дорожном переезде, и может требовать очистки. В целях обработки ковши на участках нераспределения инициализируются как заполненные, в результате чего программы упреждения, которые с ними сталкиваются, всегда требуют закрывания текущей крышки, если она открыта, или сохранения закрытого состояния.
Процесс распределения может продолжаться, пока все ковши при прогоне распределения не будут заполнены, пока весь балласт в бункерных вагонах не будет израсходован, пока процесс не будет прерван из-за выявленного отказа в системе или пока оператор не прекратит процесс по любой причине. Балласт может подаваться сначала из самых передних бункерных вагонов с продвижением подачи назад по мере расходования балласта в передних вагонах. Если функции бункерного вагона не выполняются, вагон просто обходится при обработке, хотя может быть необходимо замыкать компьютерную сеть через "бездействующий" вагон. Возможно некоторые ковши, особенно вблизи конца прогона распределения, не будут полностью заполнены. Таким образом, желательно сохранять данные, представляющие конечное состояние любых незаполненных ковшей для будущего прогона распределения. Может быть также желательно сохранять данные конечного состояния всех ковшей и бункерных вагонов для ведения учета и отчетности.
Настоящее изобретение предполагает множество способов и устройство для определения местоположения, где необходимо распределять балласт вдоль железнодорожного полотна, и для укладки балласта, где необходимо. Например, может использоваться внутренняя измерительная система с использованием гироскопа для стабилизации и одного или более акселерометров для определения прямого и углового моментов. Инерциальная система может быть дополнена использованием различных технологий позиционирования для повышения общей точности и надежности.
Вследствие погрешности позиционирование должно время от времени восстанавливаться. Можно использовать различные способы и технологии.
Один вариант выполнения предусматривает использование фиксированных путевых знаков расстояния в милях, которые обычно устанавливают вдоль железных дорог с интервалами в одну милю или менее. Одним способом использования путевых знаков является нажатие кнопки оператором или регистрация другим образом факта достижения каждого путевого знака. В таком случае контроллер может рекалибровать расстояние и вычислять скорость железнодорожного транспортного средства. Контроллер может открывать крышки балластных бункеров, когда достигнуто местоположение участка распределения, и оставлять их открытыми достаточно долго для покрытия всей протяженности каждого участка распределения до того, как крышки будут закрыты. В альтернативном варианте можно использовать средство визуального распознавания, такое как телекамера, хранящая изображения железной дороги, для определения достижения известных местоположений посредством сравнения текущих изображений с хранящимися изображениями известных местоположений.
Также могут использоваться лазерные технологии. Лазерные лучи, отраженные от известных путевых контрольных пунктов, могут приниматься и использоваться для вычисления расстояния до контрольных пунктов и, таким образом, текущего местоположения поезда. Скорость может вычисляться на основе задержки отраженного сигнала и сдвига частоты. Эти данные могут использоваться контроллером для открывания и закрывания крышек балластных люков надлежащим образом для укладки балласта на участках распределения.
Может использоваться полицейское радиолокационное оборудование, и оно может давать преимущество во многих вариантах применения. Радиолокационный сигнал, направленный на путевую контрольную точку, может быть принят после обнаружения и использован для определения расстояния до контрольного пункта и скорости поезда с использованием известных технических приемов, которые широко используются в полицейских вариантах применения.
Другим возможным вариантом является радиочастотная технология с использованием активных или пассивных устройств. Радиопередатчик поезда может передавать радиочастотные сигналы путевым устройствам, которые посылают ответные сигналы назад бортовому передатчику. Таким образом, контроллер принимает данные местоположения и скорости и использует для укладки балласта на участках распределения. Активные устройства в пунктах полосы отчуждения требуют внешнего или батарейного питания, позволяющего им эффективно функционировать на дальности до одной мили или более. Пассивные путевые устройства могут использовать энергию от сигналов, которые они принимают, и недороги, но дальность их действия значительно более ограничена.
Магнитные сенсорные устройства на борту поезда могут обнаруживать наличие магнитов, размещенных вдоль железнодорожного полотна в известных местоположениях, или естественные изменения магнитного поля земли в известных местоположениях. В обоих случаях благодаря магнитному обнаружению момента, когда поезд достигает известных местоположений, может быть определено местоположение поезда относительно участков распределения. Благодаря измерению времени между последовательными местоположениями, которые обнаруживаются магнитным способом, известна текущая скорость поезда, в результате чего может осуществляться управление крышками люков балластных бункеров.
Настоящее изобретение также предусматривает тепловое распознавание для обнаружения текущего местоположения и скорости поезда. Тепловой датчик на борту поезда может определять текущие тепловые характеристики земли вдоль железнодорожного полотна и сравнивать их с известным тепловым профилем для определения текущего местоположения поезда. Также могут быть использованы объекты вдоль железной дороги в известных местоположениях, которые могут быть обнаружены тепловым способом. Неподвижные объекты, такие как двигатели, фонари освещения, сигналы переезда и другие путевые устройства, могут обнаруживаться, когда поезд проходит мимо них.
Состояние балласта вдоль железнодорожного пути можно определять при определении его профиля с использованием лазера, радара или другого инструмента для создания контурной диаграммы, когда разведочное транспортное средство движется по железнодорожному пути. Текущий профиль можно сравнивать с номинальным профилем для определения, когда участок имеет недостаток балласта, и мест и количеств недостающего балласта. Контроллер может использовать эту информацию для управления крышками балластных люков таким образом, чтобы скорректировать этот недостаток.
Настоящее изобретение также предусматривает комбинирование операций получения результатов разведки и затем укладку балласта там, где это необходимо, в ходе отдельной операции. В этом отношении оператор балластного поезда может записывать момент встречи участка распределения и подавать сигнал о ее местоположении, а также о потребностях в балласте на этом участке. В таком случае контроллер быстро динамически регулирует работу крышки балластного люка для укладки надлежащего количества балласта на каждом участке, где недостает балласта.
Согласно изобретению, можно также использовать технические приемы аэрофотограмметрии с использованием изображений, полученных искусственными спутниками Земли, или фотограмметрии с пилотируемого или беспилотного летательного аппарата.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут понятны при ознакомлении с нижеследующим описанием в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показаны для иллюстрации некоторые варианты осуществления настоящего изобретения.
Чертежи составляют часть данного описания, включают типичные варианты осуществления настоящего изобретения и показывают разные его объекты и признаки.
Краткое описание нескольких видов на чертежах
Настоящее изобретение описано ниже подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает схематический вид железнодорожной системы распределения балласта, представляющей вариант осуществления настоящего изобретения, показанной в варианте выполнения в железнодорожном вагоне;
фиг.2 - схематический вид подсистемы гидравлического привода для приведения в действие крышек балластных люков системы распределения балласта;
фиг.3 - вид в перспективе балластного бункерного вагона, приспособленного для использования согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - увеличенный частичный вид в перспективе механизма управления выпуском балласта, включающего крышку балластного люка и гидравлического привода для нее;
фиг.5 - частичный схематический вид, показывающий принципиальные компоненты альтернативного варианта подсистемы позиционного регулирования для использования согласно настоящему изобретению;
фиг.6 - блок-схему, показывающую принципиальные компоненты логического блока управления вагона, установленного в каждом бункерном вагоне, соответствующем настоящему изобретению;
фиг.7, 8 и 9 - взаимосвязанные блок-схемы последовательности операций, показывающие соответствующие части принципиальных функций управления блока управления вагона, установленного в каждом бункерном вагоне, соответствующем настоящему изобретению;
фиг.10 - блок-схему последовательности операций, показывающую принципиальные функции программы разведки железнодорожного пути, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.11 - блок-схему последовательности операций, показывающую принципиальные функции программы декларации балластного поезда, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.12 - блок-схему последовательности операций, показывающую принципиальные функции способа управления распределением балласта, соответствующего настоящему изобретению;
фиг.13 - блок-схему последовательности операций, показывающую более подробно, чем на фиг.12, отслеживаемые принципиальные функции и действия, предпринимаемые согласно способу управления распределением балласта, соответствующему настоящему изобретению;
фиг.14 - схему балластного поезда для использования при практическом применении системы распределения балласта, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.15 - схему железнодорожного пути и участков распределения, предназначенных для приема балласта согласно настоящему изобретению, и участков нераспределения, которые не принимают такой балласт;
фиг.16 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием путевых знаков и обнаружения их вручную для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.17 - схему варианта осуществления настоящего
изобретения с использованием хранящихся визуальных изображений и устройства визуального распознавания для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.18 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием путевых контрольных точек и лазерных технологий для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.19 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием радиолокационных технологий для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.20 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием бортовых и путевых радиочастотных передатчиков для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.21 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием магнитных технологий сравнения с эталоном для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.22 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием тепловых технологий обнаружения для получения данных о местоположении и скорости;
фиг.23 - схему варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется устройство определения профиля для получения текущего профиля балласта вдоль железнодорожного полотна для сравнения с контрольным профилем балласта для обнаружения участков с недостатком балласта;
фиг.24 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием данных аэрофотограмметрии при помощи изображений, полученных искусственными спутниками Земли, для разведки состояния железнодорожного пути;
фиг.25 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием пилотируемого летательного аппарата для получения данных аэрофотограмметрии;
фиг.26 - схему варианта осуществления настоящего изобретения с использованием беспилотного летательного аппарата для получения данных аэрофотограмметрии; и
фиг.27 - схему инерциальной системы и ее компонентов, которые могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Ниже описаны детализированные варианты осуществления настоящего изобретения, однако следует понимать, что описанные варианты осуществления настоящего изобретения показывают только пример осуществления изобретения, которое может быть воплощено в различных формах. Таким образом, описанные здесь конкретные структурные и функциональные детали следует интерпретировать не как ограничивающие, а только как основу для формулы изобретения и как представительную основу для специалиста в данной области техники для различных вариантов использования настоящего изобретения в практически любой надлежащим образом детализированной структуре.
Как показано более подробно на чертежах, ссылочной позицией 2 обозначена в целом железнодорожная система укладки балласта, являющаяся вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 2 также называется здесь системой распределения балласта. Не останавливаясь на обобщенной применимости полезных вариантов применения системы 2, она показана установленной на балластном поезде 3 (фиг.14), включающем множество балластных бункерных вагонов 4 для выполнения операций распределения балласта.
Система 2 обычно может включать бортовую подсистему 8 позиционирования, подсистему 10 гидравлического привода, механизм 12 выпуска балласта (фиг.4), инерциальную систему 14, приемник 16 системы глобального позиционирования и систему 18 передатчика/датчика.
Бортовая подсистема 8 позиционирования (фиг.2) установлена на железнодорожном вагоне и работает с системой 18 передатчика/датчика, которая получает данные местоположения и скорости. Система 18 может включать устройства разных типов, которые будут описаны более подробно.
Система 18 соединена с управляющим компьютером 20, который принимает сигналы данных позиционирования от системы 18, обрабатывает их и сопрягается с подсистемой 10 привода. Управляющий компьютер 20, также называемый здесь контроллером головы поезда, может представлять собой, например, просто обычный настольный персональный компьютер или переносный персональный компьютер, предпочтительно, с типичными возможностями доступных в настоящее время компьютеров этого типа.
Контроллер 20 включает схему 21 декодирования, которая принимает сигналы управления, направленные определенным гидравлическим приводам или узлам 32 из поршня и цилиндра в подсистеме 10 привода. Выходные сигналы от декодера 21 поступают в релейный блок 26 с множеством реле, соответствующих соответствующим компонентам подсистемы 10 гидравлического привода и соединенных с ними. Подсистема 8 позиционирования соединена с пригодным бортовым источником 22 электропитания, в котором может использоваться панель солнечной батареи из фотоэлектрических преобразователей для подзарядки или как дополнительный источник. В альтернативном варианте источником 22 питания может быть обычная зарядная шина постоянного тока, используемая в обычных поездах для питания электрических подсистем железнодорожных вагонов.
Подсистема 10 гидравлического привода (фиг.2) включает множество соленоидов 28, каждый из которых соединен с соответствующим реле релейного блока 26 и приводится им в действие. Каждый соленоид 28 приводит в действие соответствующий гидравлический клапан 30. Клапаны 30 перемещаются между выдвинутым и втянутым положениями соленоидами 28, в результате чего рабочая жидкость под давлением направляется в узлы 32 из поршня и цилиндра для соответствующего их выдвижения и втягивания. Узлы 32 из поршня и цилиндра могут содержать двухпутевые гидравлические узлы, пневматические узлы или любые другие пригодные приводы. С клапанами 30 через пригодный насос 36 с приводным двигателем и средство 38 регулирования давления соединен резервуар 34 для рабочей жидкости.
Механизм 12 выпуска балласта (фиг.4) включает четыре узла 40 крышек разгрузочных люков бункеров (может использоваться до восьми), установленных на нижней стороне бункерного вагона 4 и расположенных по два (или четыре) на каждой стороне. Балластный бункерный вагон 4 включает передний и задний бункеры 41 (фиг.3), каждый с левым и правым разгрузочными желобами 42 с внутренней и внешней крышками. Узел 40 крышек разгрузочных люков бункера установлен на каждом разгрузочном желобе 42 и регулирует расход балласта 44 (фиг.15) из него. Узлы 40 крышек разгрузочных люков бункеров выпускают балласт 44 в боковом направлении и приспособлены для направления выпуска внутрь (в направлении середины железнодорожного пути 5 между рельсами) или наружу (в направлении внешних краев железнодорожного пути 5). Более подробное описание конструкции и работы узлов 40 крышек разгрузочных люков бункеров приведено в патенте США №5657700, который включен сюда посредством ссылки. Как показано на фиг.4, каждый узел 40 крышек разгрузочного люка бункера приводится в действие соответствующим гидравлическим приводом 32 для избирательного направления из него потока балласта 44.
Как будет описано ниже более подробно, подсистема 8 позиционирования предварительно запрограммирована различными данными, соответствующими работе системы 2 материально-технического обеспечения. Например, операции выпуска механизмом 12 выпуска балласта могут быть запрограммированы для того, чтобы они выполнялись в определенных местоположениях. Таким образом, балласт 44 можно укладывать на определенный участок железнодорожного пути 5 посредством ввода соответствующих координат железнодорожного пути и программирования подсистемы 8 позиционирования для открывания узлов 40 крышек разгрузочных люков бункеров в необходимом направлении и с необходимой продолжительностью. Данные, полученные системой 18 и используемые бортовой подсистемой 8 позиционирования, могут давать относительно точную информацию, касающуюся местоположения бункерного вагона 4.
На фиг.5 показана система 102 управления распределением балласта с использованием подсистемы 104 позиционирования. Подсистема 104 позиционирования может содержать любое пригодное средство для измерения пути транспортного средства, такого как железнодорожный вагон 4, и/или определения его местоположения на железнодорожном пути 5 или каком-то другом пути движения.
Подсистема 104 позиционирования включает компьютер 106, который может соединяться с передатчиком или датчиком 108 для обнаружения знаков 110 местоположения. Например, знаки 110 местоположения могут представлять собой фиксированные путевые контрольные точки, расположенные вдоль железнодорожного пути 5, в результате чего устройство 108 выдает сигнал в компьютер 106, когда железнодорожный вагон 4 находится вблизи соответствующего знака 110 местоположения. Подсистема 104 позиционирования в альтернативном варианте может включать датчик изображения, такой как телекамера 116, который оптически или визуально обнаруживает изображения 112 в полосе отчуждения. Компьютер 106 может быть сопряжен с подсистемой 10 гидравлического привода, как описано выше, для управления выпуском балласта 44 относительно обнаруженного местоположения.
Система укладки материала или распределения балласта, описанная выше, принципиально направлена на управление действиями по распределению материала одного железнодорожного вагона при контроле компьютером координат местоположения. Распределение балласта одним вагоном или несколькими такими вагонами может находить некоторое применение в ходе относительно небольших операций, таких как операции по техническому обслуживанию небольшого масштаба. Однако техническое содержание железнодорожных путей часто бывает предприятием очень крупного масштаба, включающим сотни и тысячи миль железнодорожных путей на периодической основе. Настоящее изобретение может быть приспособлено к таким крупномасштабным операциям по техническому содержанию железнодорожных путей.
На фиг.6-15 показан вариант выполнения системы 201 распределения балласта, соответствующей настоящему изобретению. Как показано на фиг.14 и 15, система 201 включает балластный поезд 3, включающий локомотив 203, вагон 204 управления (при необходимости) и множество балластных бункерных вагонов 4, описанных выше, расположенных на железнодорожном пути 5. Типичный балластный поезд 3 может включать до 100 бункерных вагонов. Система 201 включает главный компьютер или контроллер 205 головы поезда, множество блоков 207 управления вагона, детектор 209 местоположения и сеть 211, соединяющую контроллер 205 с блоками 207 управления вагона. Детектор 209 соединен с контроллером 205 и обеспечивает пространственную привязку балластного поезда 3. Как показано на фиг.15, система 201 приспособлена для управляемого и координированного распределения балласта 44 (показано штриховкой на фиг.15) на участках 217 распределения и предотвращения распределения балласта 44 на участках 219 нераспределения в соответствии с местоположениями, обнаруженными детектором 209.
Детектор 209 выдает данные позиционирования, такие как координаты по широте и долготе, в формате, который может быть затем обработан контроллером 205.
Контроллер 205 может представлять собой персональный компьютер настольного или переносного типа. Для использования в качестве контроллера 205 адекватны доступные в настоящее время персональные компьютеры на основе процессоров класса Pentium III (Intel) или AMD Athlon (American Micro Devices) или лучшие, хотя они не требуются конкретно.
Сеть 211 может представлять собой компьютерную сеть любого пригодного типа, обеспечивающую связь между контроллером 205 и блоками 207 управления вагона и, возможно, с приемником системы глобального позиционирования. В системе 201 сеть 211, предпочтительно, основана на компонентах Lontalk и Neuron и протоколах Echelon Corporation of Palo Alto, Calif. Сеть 211 может быть сетью относительно невысокой производительности, поскольку требуется передача лишь команд управления с небольшой плотностью данных, докладов о состоянии и т.п. В альтернативном варианте, для использования в системе 201 могут быть пригодны сети и протоколы связи других типов.
На фиг.6 показаны дополнительные детали блока 207 управления вагона. Блок 207 включает контроллер 222, который может содержать микропроцессор или микроконтроллер в дополнение к другим логическим компонентам и схемам. Контроллер 222 соединен параллельным интерфейсом с шиной 211 сети. Контроллер 222 соединен через реле Tx дискретной самодекларации, которые активизируют входные сигналы датчиков в соседних вагонах. Контроллер 222 также соединен через входную/выходную релейно-контактную логическую схему 228 с гидравлическими клапанами 230, которые управляют работой комплектов передних и задних правых и левых гидравлических приводов 32, которые приводят в действие крышки 40 люков балластных бункеров. Входная/выходная релейно-контактная логическая схема 228 может также принимать входные сигналы от датчиков 232 на вагоне 4, таких как входные сигналы от реле дискретной самодекларации, переключателей состояния крышек, переключателей гидравлического давления и т.п. (не показаны). Как показано, контроллер 222 блока управления вагона сопряжен через входную/выходную релейно-контактную логическую схему 228 с реле 224 и 226 вагона, также называемыми реле дискретной самодекларации, и может избирательно замыкать реле 224 и 226 с целью, которая будет дополнительно детализирована ниже.
Контроллер 222 блока управления вагона запрограммирован для выполнения некоторых автоматических функций, таких как функции "безопасности", когда контроллер 222 вызывает закрывание соответствующих крышек 40 люков балластных бункеров после истечения времени ожидания, в течение которого не принимаются данные контроллером 222 от контроллера 205 головы поезда. Это является предохранительным признаком, который вызывает прерывание распределения балласта или предотвращает начало распределения балласта в случае потери связи управления.
На фиг.7, 8 и 9 показаны принципиальные функции 233 программного обеспечения контроллера 222 блока управления вагона. На фиг.7 показан контур 234 "безопасности" бункерного вагона, когда блок 222 управления вагона ожидает любую команду от контроллера 205 на этапе 236, в течение двух секунд до истечения времени ожидания связи на этапе 238. Если команда не принята, все крышки 40 люков балластных бункеров закрываются на этапе 240, при этом на этапе 242 допускается управление крышками 40 вручную, и процесс управления возвращается к функции ожидания на этапе 236 через точку Х входа. Если они приняты до истечения 5 секунд времени ожидания на этапе 238, контроллер 222 блока управления вагона может обрабатывать команду для крышки на этапе 244, команду размыкания реле дискретной самодекларации или реле вагона на этапе 245, команду замыкания реле дискретной самодекларации на этапе 246, команду идентификации заданного вагона на этапе 247, команду индекса заданного вагона на этапе 249, заданную ответную команду нейронной идентификации на этапе 250, команду маяка контроллера головы поезда на этапе 251, команду запроса нейронной идентификации на этапе 252, команду статуса запрошенного вагона на этапе 253 или команду данных запрошенного вагона на этапе 254. Хотя команды 244-254 показаны последовательно, контроллер 222 блока управления вагона просто ожидает одну из команд и обрабатывает ее. Кроме того, для удобства графического изображения даны точки X, Y и Z соединения или входа.
Как показано на фиг.7, каждый раз, когда реле 224 или 226 дискретной самодекларации замкнуты, активируются датчики входных сигналов дискретной самодекларации соседних вагонов. Команда 249 индекса вагона используется для задания последовательного положения вагона 4 в балластном поезде 3. Команда 251 радиомаяка контроллера головы поезда в нормальном состоянии передается периодически всем блокам 207 управления вагона с интервалом меньше двухсекундного интервала времени ожидания для безопасности для поддержания существовавшего положения всех функций. Таким образом, если блок 207 управления вагона не принимает других команд, он будет периодически принимать команды 251 радиомаяка контроллера головы поезда. Остальные функции блока 233 управления вагона или не требуют пояснений, или будут указаны более подробно ниже.
На фиг.10 показан способ 260 разведки железнодорожного пути для получения координат положения участков 217 распространения и участков 219 нераспространения при разведке железнодорожного пути 5. Способ 260 может осуществляться, например, с использованием небольшого транспортного средства, такого как Ну-Rail, которое движется по железнодорожному пути 5 при помощи датчика местоположения и компьютера, такого как бортовые датчик 209 и контроллер 205 головы поезда. Способ 260 принимает данные местоположения на этапе 262 от датчика 209 и обновляет данные местоположения на этапе 264 с интервалами 100 миллисекунд, определяемыми цикловым таймером на этапе 266. В любой момент путевой мастер или другой оператор, ведущий разведку, может переключать переключатель для обозначения изменения от состояния распределения к состоянию нераспределения на этапе 268. Способ 260 продолжается до получения команды на прекращение разведки от оператора на этапе 270. В этот момент собранные данные о географических координатах сохраняются в файле данных разведки железнодорожного пути на этапе 272.
Большей частью способ 260 разведки может собирать все необходимые данные местоположения для выполнения прогона распределения балласта. В некоторых обстоятельствах может быть необходимо осуществлять части разведки пешком для обозначения начальных и конечных местоположений участков распределения и участков нераспределения. Кроме того, может быть необходимо обозначать некоторые участки, которые непригодны для распределения балласта с использованием системы 201. Например, если может требоваться множество переходов от состояния распределения к состоянию нераспределения, может недоставать времени для осуществления цикла работы гидравлических приводов 32 из-за задержки подачи рабочей жидкости. В таких обстоятельствах может быть необходимо распределять балласт на таком участке с использованием более обычных технологий.
Для управления отдельными крышками 40 люков балластных бункеров вагонов 4 контроллеру 205 головы поезда необходимо "знать" положение каждой крышки 40 относительно контрольной точки 215 и быть способным "вести диалог" или сообщаться с каждым отдельным гидравлическим приводом 32. Система 201 включает способ 280 (фиг.11) декларации поезда для запроса блоков 207 управления вагона для определения порядка сцепки вагонов 4 и их ориентации по направлениям вперед и назад. Способ 280 сначала предусматривает сбор всех нейронных идентификационных номеров на этапе 282 посредством передачи команды запроса нейронной идентификации на этапе 252 (фиг.9). Первый блок 207 управления вагона, который должен ответить, вводится в режим неполучения данных заданной командой 250 нейронной идентификации (фиг.9). Программа 282 сбора повторяется, пока больше не будут приняты ответы. Благодаря программе 282 контроллер 205 головы поезда способен идентифицировать все вагоны 4 при работе блоков 207 управления вагона.
Затем задействуется контур 284 определения последовательности/ориентации вагонов. В контуре 284 последовательно размыкаются передние реле 224 дискретной самодекларации и задние реле 226 дискретной самодекларации, осуществляется проверка любых отвечающих блоков 207 управления вагона и установка любых отвечающих блоков управления вагона в состояние отсутствия реакции. На этапе 286 передается команда избранным блокам управления вагона на размыкание их передних реле 224 дискретной самодекларации. На этапе 288 выдается команда всем блокам управления вагона на ответ. Любой блок управления вагона, который реагирует замыканием его переднего реле 224 дискретной самодекларации, определяется как развернутый. На этапе 290 вагон 4 с отвечающим блоком 207 управления вагона назначается исходным пунктом для декларации и как развернутый по ориентации и устанавливается в состояние отсутствия реакции. На этапе 294 осуществляется контроль всех отвечающих блоков управления вагона. Если он отвечает, вагон 4 с реагирующим блоком 207 управления вагона определяется на этапе 296, как ориентированный вперед, его нейронная идентификация сохраняется как обозначение ориентированного вперед вагона 4, и отвечающий блок управления вагона устанавливается в состояние отсутствия реакции. На этапе 298 проверки, если все блоки 207 управления вагона не были идентифицированы и ориентация их вагонов 4 определена, контур 284 возвращает процесс управления к этапу 286. Работа контура 284 повторяется, пока все блоки 207 управления вагона, которые были идентифицированы на этапе 282, не будут обработаны в отношении их последовательного порядка и ориентации. Когда это происходит на этапе 298, данные декларации сохраняются как файл данных декларации на этапе 302.
На фиг.12 показаны принципиальные функции управления системы 201 при управлении распределением балласта 44 вдоль железнодорожного пути 5. В системе 201 длина разведываемого железнодорожного пути подразделена на отрезки железнодорожного пути или "ковши". Величина ковшей произвольна; однако в типичном варианте выполнения системы 201 ковши равны отрезкам длиной в один фут железнодорожного пути. Следует отметить, что крышки 40 балластных люков типа, используемого в соответствии с настоящим изобретением, могут открываться внутрь или наружу или в обоих направлениях одновременно. Таким образом, если необходимо распределять балласт и между рельсами, и с внешней стороны от рельсов, необходимо отслеживать действия в отношении двух параллельных комплектов ковшей, то есть внутренних ковшей и внешних ковшей. Однако в некоторых случаях технического обслуживания, в особенности, когда последующие действия включают подъем рельсов и шпал для укладки балласта, необходимо распределять его только снаружи от рельсов. Для иллюстрации система 201 будет описана относительно одного комплекта ковшей.
В способе 310 управления распределением балласта, показанном на фиг.12, устройство 315 подготовки и инициализации обработки ковша принимает файл 317 данных разведки железнодорожного пути и файл 319 данных декларации балластного поезда. Файл 319 данных декларации инициализируется со средним расходом балласта через открытые балластные люки на этапе 321 и с первоначальными грузами 323 балласта в бункерах. На этапе 315 инициализации обработки ковша также принимается от пользователя входящая целевая величина 325 ковша, которая фактически может быть выведена из вводимого количества тонн на милю. Целевая величина 325 ковша представляет собой количество балласта на фут железнодорожного пути, который должен быть уложен на участках 217 распределения. Ковши на участках 219 нераспределения при инициализации рассматриваются как полные, тогда как ковши на участках 217 распределения при инициализации рассматриваются как пустые или с другим пригодным значением, если данные унаследованы от предшествующего прогона распределения балласта. Процесс принимает текущие данные 327 географических координат от датчика. Расстояние до каждой крышки 40 балластных люков определяется относительно контрольной точки поезда, совпадающей с антенным детектором 209.
Показанный способ 310 управления распределением балласта инициирует контур 330 управления распределением балласта на этапе 330 с интервалами 100 миллисекунд или составляющими десятую часть секунды, как показано этапом 332 ожидания. В ходе каждого цикла 330 контроллер 205 головы поезда определяет на этапе 334 контрольное местоположение железнодорожного пути на основе данных местоположения, проверяет состояние всех крышек 40 балластных люков на этапе 336, проверяет состояния ковшей на этапе 338, на которые может воздействовать проверяемая в данный момент крышка 40, обновляет на этапе 340 все данные состояния крышек посредством или сохранения существующего состояния, или изменения состояния, как необходимо в соответствии с обнаруженными или вычисленными условиями, обновляет на этапе 342 все данные о состоянии ковшей, которые пройдены при добавлении балласта 44. Контур 330 управления продолжает работу, пока проверка на этапе 346 не определит, что последний ковш пройден балластным поездом 3, и в этом пункте на этапе 348 управление процессом 310 управления распределения балласта прекращается.
На фиг.13 показаны дополнительные детали контура 330 управления распределением балласта. В качестве части определения текущего местоположения на железнодорожном пути при такте 322 таймера на этапе 350 определяется номер текущего ковша, которому соответствует контрольная точка 215 поезда, и на этапе 352 определяется количество ковшей, пройденных после последнего такта. Этапы 350 и 352 позволяют определять скорость поезда и чередование наборов ковшей, касающихся каждой проверки состояния крышки люка (фиг.12). Способ 310 направлен на наборы ковшей, состояние заполненности которых будет затронуто текущим состоянием или потенциальным изменением состояния крышки 40 балластного люка, проверяемого в данный момент.
Проверка фактического состояния крышки на этапе 354 определяет открыта ли в данный момент каждая крышка 40 балластного люка или закрыта. В зависимости от определенного состояния текущей крышки 40 контур 330 будет входить в контур 356 закрытой крышки или в контур 358 открытой крышки.
Если текущая крышка закрыта, контур 356 закрытой крышки на этапе 360 проверяет с упреждением состояние набора следующих ковшей. Следующая впереди группа ковшей представляет собой ковши, расположенные на таком расстоянии перед текущей крышкой, что при выявленной данной скорости поезда и при известной задержке реакции привода 32 изменение состояния крышки "в настоящий момент" будет касаться таких расположенных впереди ковшей. Контур 356 учитывает группу следующих впереди ковшей, поскольку этого могут требовать данный интервал обработки и скорость поезда. Группа может также содержать один ковш. Контур 356 вычисляет на этапе 362, будет ли текущее или фактическое заполнение контролируемого ковша плюс прогнозируемое заполнение при открывании текущей крышки меньше, чем целевое заполнение ковша. Если это так, текущая крышка 40 открывается на этапе 364, и если нет, она остается закрытой на этапе 366. Все ковши в следующей впереди группе подвергаются обработке, пока проверка на этапе 368 не определит, что последний ковш обработан. После этого контур 356 переходит к следующей крышке на этапе 370.
Если крышка определена на этапе 354 как открытая, состояния заполнения группы ковшей, которые будут принимать балласт из открытого в настоящий момент люка в текущем такте таймера, обновляются на этапе 372. После этого контур 358 открытой крышки до некоторой степени подобен контуру 356 закрытой крышки и включает проверку заполнения на этапе 376, которая определяет, меньше ли фактическое заполнение находящихся впереди ковшей, чем целевое заполнение. Если нет, то есть целевое значение в данный момент превышено, текущая крышка 40 закрывается на этапе 378. Если проверка заполнения на этапе 376 дает положительный результат, дверь остается открытой на этапе 380. Контур контроля с упреждением завершает работу на этапе 382, когда последний находящийся впереди ковш для текущей крышки 40 обработан. Затем контур 358 переходит к следующей крышке на этапе 384. После проверки последней крышки на этапе 386 наступает этап 388 ожидания следующего такта таймера.
Контур 358 открытой крышки допускает некоторое переполнение ковшей. В практике технического содержания железнодорожных путей это предпочтительнее, чем иметь недостаточное количество балласта. Однако очень нежелательно распределять балласт в зоне 219 нераспределения, которой может быть железнодорожный переезд. Такой случай может представлять опасность для дорожного движения. По этой причине ковши на участках нераспределения всегда вызывают закрывание текущей крышки 40 на этапе 378.
Логика проверки контура 356 закрытой крышки предназначена для вызова открывания множества крышек 40 балластных люков как это надлежит для быстрого заполнения необходимых ковшей. Желательнее максимизировать количество заполненных ковшей в системе 201, чем частично заполнить большее количество ковшей.
Когда балласт в бункерах 41 исчерпан, процесс обработки их обходит, и активизируются более задние бункеры 41. Таким образом, процесс распределения балласта переходит от передних бункеров 41 к более задним бункерам.
Следует понимать, что хотя здесь показаны и описаны некоторые формы осуществления настоящего изобретения, оно не ограничено конкретными формами или устройством частей, которые описаны и показаны.
На фиг.16 показан вариант, представляющий одну технологию определения текущего местоположения и скорости поезда. Вдоль железнодорожного пути в известных точках расположено множество фиксированных путевых знаков 400. Путевые знаки 400 могут быть знаками указания расстояния в милях, которые обычно расположены вдоль железных дорог с интервалами в одну милю (или меньше в некоторых случаях). На борту поезда находится кнопка 402 ввода или устройство ввода другого типа, и она может быть нажата или активизирована другим образом оператором при визуальном определении того, что поезд достиг одного из знаков 400. Каждый раз, когда поезд 402 достигает одного из знаков 400, кнопку 402 нажимают, и она создает сигнал для контроллера 205 головы поезда при каждом нажатии. Поскольку местоположения фиксированных знаков 400 известны, контроллер головы поезда, таким образом, снабжается информацией, касающейся местоположения поезда на железнодорожном пути. Кроме того, контроллер головы поезда отсчитывает время между последовательными нажатиями на кнопку 402 и использует эту информацию для вычисления скорости поезда. Затем контроллер головы поезда активизирует систему укладки балласта для открывания и закрывания крышек 40 балластных люков таким образом, чтобы выпускать балласт на железнодорожное полотно, где необходимо, как описано выше.
Таким образом, знаки 40 расстояния в милях обнаруживают визуально и выдают вручную сигнал при помощи кнопки 402 в контроллер 205 головы поезда так, что контроллер головы поезда приводит в действие систему управления для открывания крышек балластных люков, когда встречается участок распределения, и закрывания крышек в конце участка распределения.
Согласно системе, показанной на фиг.17, записывают и сохраняют некоторое количество хранящихся визуальных изображений 404 известных местоположений вдоль железнодорожного пути. Сохраненные изображения подают в телекамеру 406 или другое визуальное сенсорное устройство на борту поезда. Когда поезд движется по железной дороге, телекамера получает текущие визуальные изображения и сравнивает их с хранящимися изображениями 404. Когда существует соответствие между текущим изображением и хранящимся изображением, как показано блоками 406, 408 и 410, контроллеру 205 головы поезда подается сигнал, и он, таким образом, начинает запрашивать данные текущего местоположения поезда. Кроме того, контроллер 205 головы поезда может вычислять скорость поезда посредством отсчета времени между последовательными соответствиями с хранящимися изображениями. Затем контроллер головы поезда управляет укладкой балласта посредством открывания крышек балластных люков на участках распределения и закрывания крышек балластных люков после преодоления участков распределения.
На фиг.18 показана модифицированная система, в которой использован бортовой лазер 412 для получения информации о расстоянии и скорости поезда. Вдоль железнодорожного пути в известных местоположениях распределена на удалении друг от друга серия рефлекторов 414. Лазер генерирует лазерные лучи 416. Когда эти лучи перехватываются одним из рефлекторов 414, отражается обратный луч 418 назад, к лазеру 412. Обратные сигналы 418 декодируются пригодной схемой 420 декодирования с использованием временной задержки между переданным и обратным сигналами и сдвига частоты для определения текущего расстояния до каждого рефлектора 414 и скорости поезда. Эта информация о местоположении и скорости поезда выдается схемой 420 в контроллер 205 головы поезда. Контроллер 205 головы поезда затем приводит в действие крышки балластных люков таким образом, чтобы укладывать необходимое количество балласта на участках распределения балласта и прерывать распределение, когда достигнут конец каждого участка распределения.
На фиг.19 схематически показана альтернативная система, в которой использовано бортовое радиолокационное устройство 422, которое может представлять собой устройство типа, широко используемого на дорогах и т.п. полицейскими организациями. Вдоль пути в фиксированных и известных местоположениях устанавливают множество контрольных точек 424. Радиолокационное устройство 422 передает радиолокационные сигналы 426. Эти сигналы отражаются как ответные сигналы 428 контрольными точками 424 и принимаются радиолокационным устройством 422. Для контроллера 205 головы поезда может использоваться пригодный интерфейс 430. Радиолокационное устройство 422 использует отраженные сигналы 428 для определения текущего местоположения и скорости поезда, и эта информация выдается в контроллер 205 головы поезда через интерфейс 430. Затем контроллер головы поезда управляет крышками балластных люков для укладки балласта на участках распределения, как описано выше.
Как показано на фиг.20, поезд может быть снабжен бортовым радиочастотным ретранслятором 432. Вдоль железнодорожного пути в известных местоположениях могут находиться путевые радиочастотные ретрансляторы 434. Бортовой ретранслятор 432 передает радиочастотные сигналы 436 запроса. Когда один из сигналов 436 принят путевым ретранслятором 434, этот ретранслятор посылает радиочастотный ответный сигнал 438 бортовому ретранслятору 432. Ответные сигналы 438 могут использоваться ретранслятором 432 для определения текущего местоположения поезда, а также его скорости. Бортовой радиопередатчик передает информацию о местоположении и скорости контроллеру 205 головы поезда таким образом, что контроллер головы поезда может управлять крышками балластных люков так, чтобы укладывать балласт в количестве, достаточном для пополнения недостающего количества на каждом участке распределения.
Путевые ретрансляторы 434 могут быть или активными, или пассивными устройствами. Если ретрансляторы 434 являются активными устройствами, они требуют питания от аккумулятора или внешнего источника питания для работы. Такие устройства могут быть эффективны на дальностях, превышающих одну милю. Использование пассивных ретрансляторов 434 дает преимущество, заключающееся в том, что они недороги и не требуют внешнего источника питания. Для передачи ответных сигналов 438 пассивные ретрансляторы могут использовать излучаемую мощность, принимаемую при помощи сигналов 436 запроса. Однако дальность работы такого пассивного устройства в типичном случае составляет от 15 до 50 футов для надежной работы.
На фиг.21 показана система, в которой используют магнитную технику определения местоположения и скорости поезда. В поезде находится датчик 440, чувствительный к изменениям магнитного поля окружающей среды. Вдоль железной дороги или железнодорожного полотна в известных местоположениях могут быть расположены магниты 442 таким образом, что датчик выдает сигнал контроллеру 205 головы поезда каждый раз, когда поезд встречает один из магнитов 442. Таким образом, контроллер головы поезда отслеживает местоположение поезда благодаря сигналам от датчика 440 и может вычислять скорость поезда с учетом времени между последовательными сигналами. В таком случае контроллер головы поезда управляет крышками балластных люков, как описано выше, для укладки балласта на участках распределения в надлежащих количествах.
Вместо этого датчик 440 может воспринимать изменения магнитного поля Земли в известных местоположениях вдоль железнодорожного полотна. Датчик этого типа требует высокой чувствительности для интерпретации изменений магнитного поля Земли достаточно надежно для получения заслуживающей доверия информации о местоположении. Кроме того, необходимо принимать во внимание влияния вращения Земли и вызванных Луной гравитационных возмущений наряду с другими незначительными возмущениями, которые могут возникать. Однако такая система имеет преимущество, заключающееся в том, что нет необходимости в размещении магнитных средств или других путевых средств вдоль железной дороги.
Могут также использоваться технологии тепловой чувствительности. На фиг.22 показана система, в которой на поезде установлен тепловой датчик 444. Датчик 444 может снабжаться контрольным профилем температур вдоль железной дороги. Когда поезд движется по железной дороге, датчик 444 считывает текущий профиль температур вдоль железной дороги, как показано ссылочной позицией 446. Посредством сравнения текущего профиля температур с контрольным профилем, датчик 444 может выявлять текущее местоположение поезда и выдавать информацию о местоположении контроллеру 205 головы поезда. Контроллер головы поезда может вычислять скорость поезда с учетом времени, требуемого для передвижения между разными известными местоположениями вдоль железной дороги.
В альтернативном варианте, датчик 444 может работать с использованием искусственных тепловых устройств, расположенных вдоль железной дороги. Например, в известном местоположении вдоль железной дороги может быть расположен тепловыделяющий двигатель 448. Для определения местоположения поезда датчик 444 может также работать с использованием фонарей 450 уличного освещения, сигналов 452 переездов, дорожных знаков 454 и другой разнообразной аппаратуры в полосе отчуждения, силовых установок или зданий в известных местоположениях. Для определения местоположения поезда может также обнаруживаться особенно сильно теплопоглощающая поверхность 458 вдоль железной дороги.
Участки распределения балласта обозначаются интегрированной системой глобального позиционирования, как описано, и инерциальная система 14 служит в качестве дублирующей системы для системы глобального позиционирования. Как показано на фиг.27, инерциальная система 14 включает волоконно-оптический гироскоп 600, серию акселерометров 602, датчиков 604 и доплеровских датчиков 606. Инерциальная система 14 служит дублирующей системой для системы глобального позиционирования и выдает координаты по широте и долготе в ситуациях, когда сигнал системы глобального позиционирования не принимается, например, когда поезд находится в тоннеле.
Волоконно-оптический гироскоп 600 выявляет изменения курса с использованием известных гироскопических технологий и устройств. Акселерометры 602 работают для выявления изменений ускорения и замедления. Датчики 604 крена выявляют изменения вертикального положения относительно перпендикулярного к рельсам, по которым движется поезд. Доплеровский датчик 606 представляет собой беспроводное средство для определения путевой скорости поезда.
Эти датчики и/или системы могут использоваться совместно в различных комбинациях или отдельно и независимо для точного и повторяющегося обозначения участков распределения вдоль железной дороги и управления укладкой балласта на участках распределения.
Настоящее изобретение также предусматривает уникальный способ и устройство для разведки железнодорожного полотна. Как показано на фиг.23, эта технология разведки предусматривает использование контрольного профиля местности вдоль железнодорожного полотна. Для получения контрольного профиля 460 местности можно использовать устройство для определения профиля, такое как лазер или радиолокатор. Контрольный профиль 460 представляет идеальное состояние балласта. Разведочное транспортное средство движется по железнодорожному пути, содержащему устройство 462 для определения профиля, которое может представлять собой такое устройство, как лазер или радиолокатор. Устройство 462 для определения профиля определяет профиль текущего состояния 464 балласта и выдает эту информацию контроллеру 205 головы поезда. Текущее состояние балласта может сравниваться пригодным программным обеспечением с контрольным профилем для определения местоположения каждого участка распределения, в котором недостаточно балласта, и величины недостатка балласта на каждом участке распределения. Таким образом, посредством разведки может быть определено местоположение каждого участка распределения и сохранено для того, чтобы поезд для распределения балласта мог затем двигаться по железнодорожному пути и укладывать балласт в необходимых количествах для пополнения недостатка балласта на каждом участке распределения.
Настоящее изобретение также предусматривает неавтоматическую систему укладки балласта, в которой разведка и укладка осуществляются "на ходу". В системе этого типа группа сцепленных железнодорожных вагонов движется по железнодорожному пути. Обученный оператор на борту поезда визуально определяет участок с недостатком балласта, к которому приближается поезд, а также местоположение участка и величину нехватки балласта. Затем оператор подает сигнал для контроллера 205 головы поезда о приближении участка распределения и передает информацию о его местоположении и величине нехватки балласта. Затем контроллер работает описанным выше образом для открывания или частичного открывания, по меньшей мере, одной из крышек балластных люков при достижении местоположения участка нераспределения, для выпуска балласта с расходом, достаточным для пополнения нехватки балласта на участке распределения. При достижении конца участка распределения крышку закрывают для прерывания укладки балласта на подушку железнодорожного пути.
Поскольку с использованием этой технологии разведка и укладка скомбинированы, может быть существенно сэкономлено время и уменьшены затраты. Однако обычно потребуется персонал с относительно высоким уровнем подготовки для обеспечения точности обнаружения участков распределения/нераспределения, а также потребностей в расходе при укладке. Такая система находит наибольшее применение в районах распределения с низким риском, таких как районы, в которых отсутствуют участки нераспределения.
На фиг.24-26 показаны варианты осуществления изобретения, в которых используют аэрофотограмметрию. Согласно этим вариантам осуществления изобретения, определение районов железнодорожного пути, где существует недостаток балласта, осуществляют посредством получения изображений железнодорожного пути с высоким разрешением с летательных аппаратов.
Как показано на фиг.24, на спутнике 500 используют высокотехнологичные средства фотограмметрии, имеющие достаточное разрешение для обеспечения распознавания характеристик железнодорожного полотна. Например, на спутнике 500 может применяться известная технология получения изображений для определения местоположения известного наземного ориентира 502. В известном местоположении или на известном расстоянии от наземного ориентира 502 может быть наложена координатная сетка 504 дифференциальной системы глобального позиционирования. Таким образом, можно точно идентифицировать местоположение участков распределения и нераспределения, а также других элементов состояния железной дороги, таких как местоположение путевого оборудования, мостов, переездов и т.п. Обновления изображений могут определяться скоростью орбитального спутника или скоростью вращения телекамеры для спутников на геостационарной орбите. Могут возникать ограничения из-за облачности или других атмосферных условий, но даже при этом спутниковые изображения могут использоваться как эффективное резервное средство, дублирующее другие средства разведки, включая наземную разведку.
Балластный поезд 506, включающий один или более железнодорожных вагонов, которые используют для распределения балласта, как описано выше, движется по железнодорожному полотну 508. Поезд 506 получает информацию системы глобального позиционирования от группы спутников 510 системы глобального позиционирования и корректирующую информацию от дифференциальной системы глобального позиционирования в качестве возможного дополнения.
Изображения, полученные сверху спутником 500, с информацией, указывающей местоположение изображений, могут непосредственно передаваться балластному поезду 506, и бортовой компьютер поезда 506 может автоматически распознавать железнодорожный путь и потребности для железнодорожного полотна с использованием распознавания изображений.
В альтернативном варианте, видеоинформация может передаваться на базовую станцию (не показана), где может осуществляться более полный анализ информации. Затем базовая станция может передавать проанализированную информацию поезду, используемому для распределения балласта.
Таким образом, балластный поезд 506 снабжается точной и надежной информацией о местоположениях участков распределения балласта, на которых существует недостаток балласта. Поезд 506 может затем выпускать балласт на участках нераспределения, когда железнодорожные вагоны, которые везут балласт, движутся по участкам нераспределения. Видеоинформация, полученная спутником 500, может использоваться для определения количества балласта, который необходимо уложить для пополнения недостатка на каждом участке, где существует недостаток балласта. Следовательно, необходимое количество балласта выпускается в надлежащих местоположениях для пополнения любого недостатка, существующего вдоль железнодорожного полотна 508.
Как показано на фиг.25, аэрофотограмметрия может также использоваться с применением пилотируемого летательного аппарата, такого как летательный аппарат 520 с несущим винтом (или летательный аппарат с неподвижным крылом, если необходимо). Пилотируемый летательный аппарат 520 принимает информацию от системы глобального позиционирования и использует созданную дифференциальной системой глобального позиционирования координатную сетку 522, которая может находиться на фиксированном наземном ориентире 524 или на известном расстоянии от него. Летательный аппарат 520 получает фотограмметрические данные в реальном масштабе времени с использованием фотографических изображений координатной сетки 522 дифференциальной системы глобального позиционирования. Анализ изображения и данных местоположения может осуществляться на борту летательного аппарата с применением распознавания изображения наряду с модификациями, вносимыми оператором, или другими технологиями, если необходимо. Таким образом, пилотируемый летательный аппарат 520 определяет местоположения участков распределения балласта, на которых существует недостаток балласта. Эта информация может передаваться, как показано ссылочной позицией 526, поезду 528 для распределения балласта, движущемуся по железнодорожному полотну 530. В альтернативном варианте, информация может передаваться от летательного аппарата 520 на наземную станцию, которая затем передает информацию балластному поезду 528.
С использованием этой технологии балластный поезд 520 может укладывать балласт из вагонов на каждом участке распределения, на которых существует недостаток балласта, и в каждом случае может определяться точное количество балласта.
Для сбора данных разведки можно использовать другие способы фотограмметрии, включая использование средства с дистанционным управлением или беспилотного летательного аппарата, такого как аппарат 540, показанный на фиг.26. Использование беспилотного летательного аппарата (или средства с дистанционным управлением) обеспечивает детальное наблюдение состояния железной дороги без потребности в летательных аппаратах с большой полезной нагрузкой, необходимой для пилотируемых летательных аппаратов. Беспилотный летательный аппарат 540 (или средство с дистанционным управлением) может принимать информацию системы глобального позиционирования или корректирующую информацию дифференциальной системы глобального позиционирования. Использование технологий визирования и ориентации позволяет беспилотному летательному аппарату 540 сравнивать эту информацию с графическими изображениями, полученными телекамерами, находящимися на борту аппарата 540. Для установления опорных точек могут использоваться накопленные ранее данные, и может также использоваться координатная сетка 542 дифференциальной системы глобального позиционирования. На беспилотном летательном аппарате 540 используют средство накопления многокомпонентных данных для достижения его цели сбора данных как для солнечной, так и для ненастной погоды. В числе технологий, которые могут быть использованы, могут быть лазерная, лидарная, инфракрасная, радиолокационная и фотограмметрическая. Использование этих технологий допускает работу в любое время суток и всегда кроме экстремальных условий.
Беспилотный летательный аппарат 540 (или средство с дистанционным управлением) может быть отправлен на разведку железнодорожного пути с пусковой установки, которой может быть платформа грузового автомобиля 544 или железнодорожного вагона, являющегося частью балластного поезда 546. Полет аппарата 540 управляется бортовым компьютером балластного поезда или другого наземного транспортного средства, такого как грузовой автомобиль 540 или другой наземной базы. Аппарат 540 имеет хранящуюся на борту географическую информацию, а также оборудование автоматизированного управления полетом, которое обеспечивает полную автономию сбора данных. Его может также отслеживать наземная система для изменений курса полета или контроля кризисных ситуаций.
Аппарат 540 получает различимые изображения, которые дают информацию, касающуюся местоположений участков распределения балласта вдоль железнодорожного пути 548, таким образом, что балластный поезд 546 может укладывать необходимый балласт на каждом участке распределения балласта, как описано выше. Предполагается, что информация, касающаяся местоположений участков распределения балласта, и изображения, полученные аппаратом 540, будут передаваться непосредственно поезду, как показано ссылочной позицией 550. Информация может подвергаться анализу и использоваться поездом 546 для точной укладки балласта.
Беспилотный аппарат 540 может быть возвращен посредством направления его на посадочную площадку с использованием заданной последовательности посадки. Может также осуществляться посадка с непосредственным управлением с пускового транспортного средства 544 или другой пусковой платформы.
Из изложенного выше будет понятно, что настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения указанных выше результатов и целей наряду с другими преимуществами, которые очевидны и которые присущи конструкции.
Будет понятно, что некоторые признаки и субкомбинации полезны и могут использоваться безотносительно других признаков и субкомбинаций. Это предусмотрено формулой изобретения и входит в ее объем.
Поскольку могут быть выполнены многие варианты осуществления изобретения без отхода от его объема, следует понимать, что все описанное здесь и показанное на прилагаемых чертежах следует рассматривать в иллюстративном, а не ограничительном смысле.