專利名稱：鋼軌和列車監(jiān)控系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及鐵路狀態(tài)，更具體涉及一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道上行駛的列車的參數(shù)和該軌道的狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中，期望監(jiān)控列車的位置和狀態(tài)以及鐵路軌道的狀態(tài)和安全。存在許多方法用來監(jiān)控鐵路軌道的安全并檢測鋼軌中的任何斷裂。一種常見的方法是在軌道的預(yù)定段或塊中使用電子軌道電路，其中電氣連續(xù)性的缺乏用作鐵路斷裂的指示。
軌道電路的一個問題是它們在檢測斷裂的鋼軌中不是完全準確和有效的。鋼軌中的嚴重局部斷裂仍然可能提供逃避檢測的足夠的電氣路徑。由于熱膨脹或其它殘余應(yīng)力條件而導(dǎo)致鋼軌的整體分離仍然可能處于電氣接觸中。此外，軌道電路不能提供鋼軌斷裂的定位達到比一般大約幾英里的整個長度小的精度。
檢測斷裂的軌道的其它方法包括應(yīng)變計和光纖光纜的安裝。這種方法的一個問題是在這種系統(tǒng)的安裝中所涉及的復(fù)雜性。而且，如果鋼軌確實斷裂，這些監(jiān)控的修理很麻煩。
一般，單個缺陷檢測器被用于監(jiān)控列車狀態(tài)。一般沿著軌道的側(cè)面以大約15到50英里的間隔來安裝檢測器。這種檢測器觀測通過的列車并且檢測反常的狀態(tài)，例如過熱的軸承和車輪，不圓或不平的車輪，或者拖曳列車的設(shè)備。缺陷檢測器一般使用車輪換能器來識別列車的存在并且觸發(fā)檢測器處理。然而，缺陷檢測器不包括監(jiān)控鋼軌的狀態(tài)或完整性的功能。
因此期望設(shè)計這樣一種系統(tǒng)，其除了確定經(jīng)過鐵路軌道的列車的各種特性之外，還準確地確定鐵路軌道的安全性并定位鋼軌斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
簡短地講，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道上經(jīng)過的列車的參數(shù)的方法。該方法包括在鐵路軌道上的檢測位置處感測高頻聲學(xué)信號并且分析對應(yīng)于該高頻聲學(xué)信號的高頻頻譜的時間級數(shù)(temporal progression)，以便檢測朝向鐵路軌道上的檢測位置的列車的接近。
在另一實施例中，提供一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道上經(jīng)過的列車的參數(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括感測器，其耦接到檢測位置上并且被配置用于在鐵路軌道上的檢測位置處感測高頻聲學(xué)信號；處理器，其耦接到感測器上并且被配置用于分析對應(yīng)于該高頻聲學(xué)信號的高頻頻譜的時間級數(shù)，以便檢測朝向鐵路軌道上的檢測位置的列車的接近。
在另一實施例中，提供一種確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括感測器，其被配置用于當列車經(jīng)過鐵路軌道上的檢測位置時檢測在鐵路軌道上的檢測位置處的低頻聲學(xué)信號；和處理器，被配置用于分析對應(yīng)于低頻聲學(xué)信號的低頻頻譜的時間級數(shù)，以便確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。
在替換實施例中，提供一種用于確定鋼軌斷裂的位置的方法。該方法使用通過分析當列車通過鐵路軌道時所傳播的聲學(xué)信號而確定的列車的速度和在檢測到中斷(discontinuity)的時間和列車通過檢測位置的時間之間的差。


當參照附圖來閱讀下面的詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點。貫穿附圖，相同的字符表示相同的部件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的系統(tǒng)的實施例的方框圖；和圖2是圖示檢測列車特性的一種方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是為了確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道105上經(jīng)過的列車的參數(shù)而實現(xiàn)的系統(tǒng)100的實施例的方框圖。這里所使用的‘列車’指一列或多列具有或沒有耦接的客車或貨車的機車。該系統(tǒng)包括感測器110，其耦接到檢測位置并且被配置用于在鐵路軌道上的檢測位置處感測聲學(xué)信號；和處理器140，其耦接到該感測器并且被配置用于分析對應(yīng)于該聲學(xué)信號的頻譜的時間級數(shù)。在實施例中，檢測位置在鐵路軌道的一根鋼軌上。在一個實施例中，該系統(tǒng)還包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器130。處理器140可以包括模擬處理器、數(shù)字處理器，或者它們的組合。以下進一步詳細描述每個部件。
這里使用的‘被適配’、‘被配置’等指允許元件配合以提供所描述的效果的元件之間的機械或結(jié)構(gòu)連接；這些術(shù)語也指電子元件的操作能力，所述電子元件例如被編程為完成這樣的結(jié)果——響應(yīng)于給定輸入信號來提供輸出——的模擬或數(shù)字計算機或?qū)Ｓ闷骷?例如專用集成電路(ASIC))。
感測器110耦接到檢測位置101上。感測器110負責(zé)輸入通過鋼軌傳送的聲學(xué)信號并且能夠?qū)⒃撦斎肼晫W(xué)信號轉(zhuǎn)換成電輸出信號。在一個實施例中，感測器110被配置用于在鐵路軌道上的檢測位置處感測高頻聲學(xué)信號。在另一個實施例(其可以可選地與高頻聲學(xué)信號實施例結(jié)合使用)中，感測器被配置用于檢測由列車發(fā)送的、鐵路軌道上的低頻聲學(xué)信號。在替換實施例中，感測器被配置用于檢測由列車在鐵路軌道上傳播的中頻聲學(xué)信號。
在一個實施例中，高頻信號包括頻率范圍從30kHz到50kHz的聲學(xué)信號。在一個實施例中，中頻信號包括頻率范圍從10kHz到30kHz的聲學(xué)信號。在一個實施例中，低頻信號包括頻率范圍從1kHz到10kHz的聲學(xué)信號。
對于在其中高頻和低頻都將被分析的實施例而言，感測器不但對于高頻信號具有高靈敏度使得可以從長距離檢測到由列車產(chǎn)生的高頻信號，而且對于低頻信號具有低靈敏度使得來自通過感測器的列車的具有相當大能量級的低頻信號不使該感測器飽和。在其中獲得并且分析高頻和低頻信號的一個實施例中，感測器110包括高頻感測器120和低頻感測器125。高頻感測器被配置用于感測高頻聲學(xué)信號而低頻感測器被配置用于感測低頻聲學(xué)信號。在實施例中，感測器110包括至少一個被配置用于適當?shù)念l率帶寬的加速計。在另一實施例中，感測器110具有分別覆蓋高頻和低頻范圍二者的寬帶響應(yīng)，且具有期望的高和低靈敏度。
模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器130被耦接到換能器，并且被配置用于將模擬電信號轉(zhuǎn)換成其相應(yīng)的數(shù)字表示。
處理器140被耦接到模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且在一個實施例中被配置用于分析對應(yīng)于該高頻聲學(xué)信號的高頻頻譜的時間級數(shù)，以便檢測朝向鐵路軌道的檢測位置的列車的接近。
在另一實施例中，處理器140另外分析高頻頻譜以便確定鐵路軌道上的列車的速度。通過觀測來自正在接近的列車的信號的幅度包絡(luò)來完成這樣的確定，幅度增量的時間導(dǎo)數(shù)與列車速度相關(guān)聯(lián)。在一個實施例中，利用回歸技術(shù)來針對幅度包絡(luò)數(shù)據(jù)點而擬合線性曲線或非線性曲線?；貧w參數(shù)反映時間級數(shù)和列車的速度。例如，針對幅度包絡(luò)數(shù)據(jù)點而擬合的一階線性多項式提供與正在接近或離去的列車的速度成比例的斜率。
在另一個更具體的實施例中處理器被進一步配置用于在檢測到列車的接近之后，檢測由列車發(fā)送的、鐵路軌道上的中頻聲學(xué)信號并且分析對應(yīng)于該中頻聲學(xué)信號的頻譜的時間級數(shù)，以便確定在鐵路軌道上的列車的速度?？梢愿鶕?jù)譜幅度的增加速率來確定列車的速度。使用不同頻帶的該方法提供改善的列車速度的估計。
在另一實施例中，處理器140被配置用于當列車經(jīng)過感測器時分析對應(yīng)于低頻聲學(xué)信號的低頻頻譜的時間級數(shù)，以便確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。低頻聲學(xué)信號的幅度也用于確定有關(guān)列車特性的參數(shù)。所述參數(shù)包括列車長度、平緣輪(flat wheel)、列車中車廂的數(shù)目、車軸的數(shù)目、滑輪(鎖住在鋼軌上滑輪的閘)和車軸重量。例如，低頻聲學(xué)信號包絡(luò)中的不同的峰是由列車的每個通過車輪產(chǎn)生的。相對于正常的圓形車輪，平緣輪將給出較高幅度的聲能。因此，信號包絡(luò)中急劇增加的峰指示平緣輪的存在。而且，平緣輪給出比正常車輪寬的頻譜信號，當在多個頻帶中檢測到峰時這有助于檢測平緣輪。
在一個實施例中，處理器被配置用于檢測高頻信號的中斷以便確定在鐵路軌道的鋼軌上的至少一根鋼軌斷裂。例如，在一個更具體的實施例中，處理器被配置用于使用自適應(yīng)閾值來確定鋼軌斷裂，其中自適應(yīng)閾值是基于對與低頻范圍相對應(yīng)的頻譜中的噪聲電平的估計。
在替換實施例中，也如圖1所示，第二感測器111被配置用于在檢測位置102處從軌道的第二根鋼軌接收聲學(xué)信號。在所圖示的實施例中，高頻感測器121被配置用于檢測高頻信號而低頻感測器126被配置用于檢測低頻信號。
在另一實施例中，感測器110和111被配置用于在鐵路軌道的兩根鋼軌上連續(xù)監(jiān)控聲學(xué)信號。當列車接近感測器時，將首先在較高頻率處檢測到列車，然后在較低頻率處檢測到列車。處理器140被配置用于確定特定頻率分量的增加速率以便確定列車的速度。只在一根鋼軌上檢測到列車指示存在中斷，并且指示斷裂的鋼軌。當列車經(jīng)過該中斷時，觀測到那根鋼軌上的聲學(xué)噪聲的突然增加并且記錄對應(yīng)的時間。此外確定列車經(jīng)過該感測器(感測器經(jīng)過(sensor pass))的時間。中斷的時間、感測器經(jīng)過的時間和列車速度用來計算中斷的位置并且由此計算斷裂鋼軌的位置?？梢岳斫馑鶛z測的中斷可以指示部分斷裂。
在另一實施例中，通過比較對面鋼軌中存在的高頻信號來檢測鋼軌中的一根的斷裂。如果沒有在兩根鋼軌中觀測到高頻信號幅度的相似的時間級數(shù)，那么表明在沒有給出這樣的信號的鋼軌中存在斷裂。雙軌方法提供斷裂鋼軌的較旱的檢測。
在另一實施例中，處理器被進一步配置用于根據(jù)列車的速度和在中斷的檢測的時間和列車通過檢測位置的時間之間的差來確定鋼軌斷裂的位置。在一個實施例中，處理器被配置用于通過比較在兩條鐵路軌道上檢測的高頻信號來檢測軌道的一根鋼軌上的鋼軌斷裂。
在另一實施例中，處理器被配置用于檢測鋼軌斷裂并且進一步用于通過使用聲學(xué)信號的二維時間頻率表示來確定鋼軌斷裂的位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，當聲學(xué)信號在結(jié)構(gòu)中傳播時，具有較高速度的頻率分量的信號將在具有較低速度的頻率分量之前到達檢測位置。頻散(dispersion)導(dǎo)致在檢測位置上的聲學(xué)信號脈沖的明顯的時間展寬。通常傳播距離與頻率分量之間的時間間隔成比例。相對的時間延遲一般由頻散曲線來表示。所接收的聲學(xué)信號的時間-頻率分析實現(xiàn)頻散特性的識別。通過在特定時間窗口上對聲學(xué)信號進行頻率分析并且以預(yù)定時間間隔重復(fù)該分析來定義二維時間-頻率信號表示。聲學(xué)信號的頻散性質(zhì)在時間-頻率分析表示中表現(xiàn)為“啁啾(chirp)”。通過估計聲學(xué)信號的時間-頻率分量的斜率或其它形狀參數(shù)并且應(yīng)用頻散曲線的知識，可以確定信號已經(jīng)傳播的距離。換言之，通過觀測時間-頻率分析表示中的頻率分量的相對時間間隔，可以獲得對信號已經(jīng)傳播的距離的估計。因此，可以計算從檢測位置到發(fā)送聲學(xué)信號的聲源的距離。進而該距離可以用于確定聲源以及鋼軌斷裂的位置。
在更具體的實施例中，感測器110被配置用于在鐵路軌道105上的檢測位置101處檢測寬帶聲學(xué)信號。處理器140被配置用于分析對應(yīng)于該寬帶聲學(xué)信號的寬帶頻譜的時間級數(shù)，以便確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。此外，處理器被進一步配置用于通過分析該寬帶頻譜來確定鋼軌斷裂。在一個實施例中，寬帶頻率信號的范圍是從1Hz到50KHz。
圖2是圖示用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道上經(jīng)過的列車的參數(shù)的方法的流程圖。該方法在步驟201處開始。以下描述每個步驟。
在步驟210中，在鐵路軌道上的檢測位置處感測聲學(xué)信號。在實施例中，感測高頻聲學(xué)信號。高頻聲學(xué)信號的范圍是從30kHz到50kHz。在實施例中，當列車經(jīng)過檢測位置時，鐵路軌道上的低頻聲學(xué)信號也被單獨或者與高頻聲學(xué)信號相結(jié)合地檢測。低頻聲學(xué)信號的范圍是從1kHz到10kHz。在一個實施例中，感測中頻聲學(xué)信號。中頻聲學(xué)信號的范圍是從10kHz到30kHz。
在步驟220中，通過分析對應(yīng)于高頻聲學(xué)信號的高頻頻譜的時間級數(shù)來檢測列車的接近。在一個實施例中，通過辨別時間-頻率譜中的特性模式來檢測諸如列車那樣的聲學(xué)信號源的距離。該模式表示傳播聲波的理論頻散方式的特性。模式的識別和它們的形狀參數(shù)的估計，例如頻率改變對時間的速率，使列車的位置能夠被確定。例如，當在不同范圍內(nèi)檢查到對鐵路軌道的錘打沖擊時，頻譜上的兩個斜坡的長度直接地與錘打沖擊的范圍成比例。而且，從列車噪聲中接收的準周期較低幅度展示出與錘擊沖擊相似的斜坡。通過估計列車噪聲的譜分量的斜坡，可以確定到列車的距離。
在步驟230中，通過分析對應(yīng)于高頻信號的高頻頻譜來確定列車的速度。在另一實施例中，通過分析對應(yīng)于中頻聲學(xué)信號的中頻頻譜來確定列車的速度。
在實施例中，分析高頻頻譜以便確定鐵路軌道上的鋼軌斷裂。在更具體的實施例中，分析高頻頻譜以便通過使用列車的速度和在中斷檢測的時間和列車通過檢測位置的時間之間的差來確定鋼軌斷裂的位置。
在替換實施例中，通過使用自適應(yīng)閾值來確定鋼軌斷裂，其中自適應(yīng)閾值基于對與低頻聲學(xué)信號相對應(yīng)的低頻頻譜中的噪聲電平的估計。在另一實施例中，通過比較鐵路軌道的兩根鋼軌上的高頻信號來檢測鋼軌斷裂。
在另一實施例中，通過分析所接收的信號的二維時間-頻率表示來確定鋼軌斷裂。使用二維時間頻率表示可以確定聲學(xué)信號源和檢測位置之間的距離。此外，通過分析二維時間頻率表示也可以確定鋼軌斷裂的位置。
在步驟240中，當列車經(jīng)過檢測位置時確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。在實施例中，有關(guān)列車特性的參數(shù)包括列車長度、平緣輪、列車中車廂的數(shù)目、車軸的數(shù)目、滑輪和車軸重量?？梢愿鶕?jù)分別對應(yīng)于低頻信號和中頻信號的低頻頻譜和中頻頻譜中的模式來識別參數(shù)。當列車經(jīng)過檢測位置時也可以確定列車的速度。例如，如果已知列車經(jīng)過感測器的時間，并且如果列車以恒定速度行駛，那么通過檢查特定頻率分量的衰減(或增加)的速率，可以估計列車的速度。
先前描述的本發(fā)明的實施例具有許多優(yōu)點，包括通過監(jiān)控鐵路軌道所傳導(dǎo)的聲能來精確檢測鋼軌斷裂。處理檢測斷裂的鐵路軌道之外，該系統(tǒng)也可以檢測列車的速度、車廂的數(shù)目并且檢測平緣輪。
盡管這里只圖示和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，可以理解所附權(quán)利要求意欲覆蓋所有落在本發(fā)明的實際精神中的修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道(105)上經(jīng)過的列車的參數(shù)的方法，該方法包括(a)在鐵路軌道上的檢測位置(101)處感測高頻聲學(xué)信號；并且(b)分析對應(yīng)于該高頻聲學(xué)信號的高頻頻譜的時間級數(shù)，以便檢測朝向鐵路軌道上的檢測位置的列車的接近。
2.一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道(105)上經(jīng)過的列車的參數(shù)的系統(tǒng)(100)，該系統(tǒng)包括(a)感測器(110)，其耦接到檢測位置并且被配置用于在鐵路軌道上的檢測位置(101)處感測高頻聲學(xué)信號；和(b)處理器(140)，其耦接到感測器并且被配置用于分析對應(yīng)于該高頻聲學(xué)信號的高頻頻譜的時間級數(shù)，以便檢測朝向鐵路軌道上的檢測位置的列車的接近。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中處理器被進一步配置用于在檢測到列車的接近之后，檢測由列車發(fā)送的、鐵路軌道上的中頻聲學(xué)信號，并且分析對應(yīng)于該中頻聲學(xué)信號的頻譜的時間級數(shù)，以便確定在鐵路軌道上的列車的速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中感測器被進一步配置用于檢測由列車發(fā)出的、鐵路軌道上的低頻聲學(xué)信號，并且處理器被進一步配置用于當列車經(jīng)過感測器時，分析對應(yīng)于低頻聲學(xué)信號的低頻頻譜的時間級數(shù)，以便確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中處理器被進一步配置用于檢測在鐵路軌道的至少一根鋼軌處的鋼軌斷裂；并且定位鋼軌斷裂的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中感測器包括高頻感測器(120)，其被配置用于感測高頻聲學(xué)信號；和低頻感測器(125)，其被配置用于感測低頻聲學(xué)信號。
7.一種確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括感測器，其被配置用于當列車經(jīng)過鐵路軌道上的檢測位置時檢測在鐵路軌道上的檢測位置處的低頻聲學(xué)信號；和處理器，被配置用于分析對應(yīng)于低頻聲學(xué)信號的低頻頻譜的時間級數(shù)，以便確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。
8.一種用于確定鋼軌斷裂的位置的方法，該方法通過使用通過分析當列車經(jīng)過鐵路軌道時所傳播的聲學(xué)信號而確定的列車的速度和在檢測到中斷的時間和列車通過檢測位置的時間之間的差來確定所述鋼軌斷裂的位置。
9.一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道上行駛的列車的參數(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括感測器，其被配置用于在鐵路軌道上的檢測位置處檢測寬帶聲學(xué)信號；和處理器，其被配置用于分析對應(yīng)于該寬帶聲學(xué)信號的寬帶頻譜的時間級數(shù)，以便確定至少一個有關(guān)列車特性的參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中處理器被進一步配置用于檢測在鐵路軌道的至少一根鋼軌上的鋼軌斷裂，并且定位鋼軌斷裂的位置。
全文摘要
一種用于確定至少一個有關(guān)在鐵路軌道(105)上經(jīng)過的列車的參數(shù)的系統(tǒng)(110)和方法。該系統(tǒng)包括感測器(110)，其耦接到檢測位置(101)上并且被配置用于在鐵路軌道上的檢測位置處感測聲學(xué)信號；和處理器(140)，其耦接到感測器上并且被配置用于分析對應(yīng)于該聲學(xué)信號的頻譜的時間級數(shù)。
文檔編號B61L23/00GK1812907SQ200480018245
公開日2006年8月2日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者戴維·M·達文波特, 尼克·A·范斯特拉萊恩, 托馬斯·J·巴特津格, 羅伯特·S·吉爾摩, 保羅·K·霍普特 申請人:通用電氣公司