專利名稱：通過測定下墜速度來檢測脫軌情況的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于識別有軌車輛車輪裝置的脫軌情況的方法，其中用一個加速度傳感器測量車輪裝置垂直于軌道平面的加速度。
本發(fā)明進(jìn)一步關(guān)于一個裝置用于識別有軌車輛車輪的脫軌情況，它設(shè)有至少一個加速度傳感器以獲取車輪垂直于軌道平面的加速度，其中加速度傳感器配備有分析單元，用于分析由加速度傳感器產(chǎn)生的加速度信號。
例如，一列有軌車輛的一個車輪或車輪裝置，可能會受到因地形而造成的類似靜態(tài)加速度的影響，但也有可能受到由脫軌引起的加速度的影響。然而，關(guān)于脫軌的探測，在此我們僅關(guān)心車輪裝置垂直于軌道平面運(yùn)動時所產(chǎn)生的加速度。以下，垂直于軌道平面地作用于車輪裝置上的加速度將被稱為下墜加速度。這樣，由這些加速度引起的垂直的速度，在本文件中也將被稱為下墜速度。
此下墜速度在脫軌的情況下，可能因重力加速度及由主要彈簧松開所引起，其中車輪或車輪裝置的下墜運(yùn)動的終點(diǎn)通常由固定的行車道決定。
可以測量加速度比例的傳感器用于有軌車輛時不夠堅(jiān)固。而堅(jiān)固的傳感器又不能測量出比例；由于其有一個低頻限值，因此不能測出緩慢的加速度變化。另外，信號的測量通常由于受飄移現(xiàn)象的影響顯示出偏差。當(dāng)使用堅(jiān)固的傳感器時，造成產(chǎn)生的加速度信號振幅曲線的不是車輪裝置加速度的類似靜態(tài)部分，而主要是飄移現(xiàn)象和低頻電磁的輸入。
DE 199 53 677 C1揭示了上述種類的一個方法。該已知文件描述了一個用于識別限定軌道車輛的脫軌情況的方法。出于此目的，限定軌道車輛的直接或間接與軌道接觸的結(jié)構(gòu)性元件的加速度，在垂直及/或平行于車輛運(yùn)動的方向進(jìn)行測定。加速度信號隨時間雙倍整合，且將該雙倍整合的加速度信號與一個高限值及/或低限值進(jìn)行比較，如該信號不在這些限值的范圍之內(nèi)，則脫軌情況發(fā)生。
在這已知的實(shí)施例中有一個缺點(diǎn)，即雙倍整合會產(chǎn)生一個非常低的信噪比。例如，一個簡單整合可以使每十個一組的信號的信噪比降低20分貝。一個雙倍整合將會使每組的信噪比降低40分貝。因此，如果進(jìn)行雙倍整合，一個低頻干擾信號將會被放大到以10的倍數(shù)(20分貝)大于實(shí)際有用信號-即下墜加速度。雙倍整合中分析電子部件是設(shè)定了苛刻的要求，因此，產(chǎn)品成本非常高。另外，如利用已知的方法或系統(tǒng)，由于需要昂貴的分析電子部件，對于脫軌情況的識別可能會產(chǎn)生延遲。
因此提供一種簡單，價格合理，快速并且可行，可靠程度高的識別車輪裝置脫軌情況的方法，成為本發(fā)明的目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明，這個問題可采用本文初始時提及的方法得到解決加速度傳感器通過一個預(yù)定量的時間框用簡單整合的方法產(chǎn)生加速度信號，從此信號可斷定車輪在軌道平面的方向的下墜速度，根據(jù)此下墜速度測定是否有脫軌情況。
通過對加速度信號進(jìn)行簡單整合測定瞬間下墜速度，相當(dāng)程度地簡化了對脫軌情況的檢測，這都要?dú)w功于此發(fā)明。簡單整合所產(chǎn)生的信噪比基本上優(yōu)于多重整合；因此，分析電子部件的要求也不再那么苛刻。換句話說，它只需一個簡單，價格合理的分析電子結(jié)構(gòu)。而且，基于本發(fā)明的解決辦法簡化為一個簡單、只需硬件執(zhí)行的裝置，因此，脫軌情況檢測的可靠性進(jìn)一步得到提高。
在本發(fā)明的第一個變化中，用下墜速度的值與下墜速度限值進(jìn)行比較，其中當(dāng)超出下墜速度限值時則可識別為脫軌情況。
根據(jù)本發(fā)明的第二個變化，可以由下墜速度的時間曲線來得出脫軌情況的結(jié)論。
在本發(fā)明的一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施例中，加速度信號是于車輪輪軸區(qū)域產(chǎn)生。
在整合前消除包括在加速度信號中的低頻干擾部分以改善信號分析及增進(jìn)此方法抗干擾的穩(wěn)定性。
使用高通濾波器可以方便地消除干擾部分。
為能夠正確地通過整合重組下墜運(yùn)動的發(fā)展，將被整合的加速度信號的多個獨(dú)立頻率部分的波封延遲在過濾期間將保持不變。
有利的是，加速度信號的整合在每個連續(xù)的時間框中執(zhí)行，其中每個時間框的終點(diǎn)將形成下一個時間框的起點(diǎn)。然而，加速度信號的整合也可以在每個連續(xù)的時間框中執(zhí)行，其中連續(xù)的每個時間框?qū)⒈舜私坏?br> 一種前面提過的裝置特別地適合用于執(zhí)行基于此發(fā)明的方法，其中分析單元如下述組建通過簡單整合，從一個預(yù)定量的時間框中，測定車輪在軌道平面的方向的下墜速度，并根據(jù)此測定的下墜速度，可以檢測是否有脫軌情況存在。
分析單元更適宜如此組建，從而可以將已測定的下墜速度與下墜速度限值進(jìn)行比較，由此當(dāng)超出下墜速度限值時可以識別出已脫軌情況。
另外，分析單元可以如此組建，從而可以根據(jù)下墜速度的時間曲線識別已脫軌情況。
在此發(fā)明的一項(xiàng)優(yōu)選的實(shí)施例中，加速度傳感器被設(shè)置于有軌車輛車輪的輪軸區(qū)域。
另外，可以用一個濾波器在整合之前消除出現(xiàn)在加速度信號中的低頻干擾部分，其中濾波器最好為一個高通濾波器。
另外，濾波器對于加速度信號頻率部分的相位關(guān)系實(shí)質(zhì)上無影響。
在下列方法中還可以達(dá)到其他優(yōu)點(diǎn)分析單元可以如此組建，從而在每個連續(xù)的時間框中對加速度信號進(jìn)行整合，其中每個時間框的終點(diǎn)形成下一個時間框的起點(diǎn)。
在此發(fā)明的另一個變體中，分析單元也可以組建為在每個連續(xù)的時間框中對加速度信號進(jìn)行整合，其中連續(xù)的時間框?qū)⒁还?jié)一節(jié)地相交迭。
加速度感應(yīng)器更為有利地安排在有軌車輛每個車輪的區(qū)域。
此發(fā)明加上其他優(yōu)點(diǎn)將在下面根據(jù)圖中所示的一些非限定性實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)地解釋。圖表所示如下

圖1為一個有軌車輛，其設(shè)有用于執(zhí)行基于此發(fā)明的方法的裝置；圖2為一個基于此發(fā)明的裝置的塊狀圖；及圖3為脫軌情況下在一個時間框內(nèi)有軌車輛的下墜速度的時間曲線。
根據(jù)圖1，為識別有軌車輛的脫軌情況執(zhí)行基于此發(fā)明的方法，加速度信號由有軌車輛的車節(jié)DRE區(qū)域產(chǎn)生。為此，基于此發(fā)明的裝置具有一個加速度傳感器BSE，其被設(shè)置在有軌車輛的車輪或車輪裝置RAD的輪軸AXL上。一個加速度傳感器BSE最好設(shè)置于每個車輪RAD的區(qū)域，例如，在每個輪軸AXL上。
所探討的此發(fā)明的一個基本要素為，當(dāng)加速度傳感器BSE的作用的方向基本地垂直于運(yùn)動方向-即垂直于軌道平面ε時，能夠獲得特別可靠且有代表性的測量結(jié)果。圖中用一個箭頭FAR顯示出有軌車輛的運(yùn)動方向，其中加速度傳感器BSE的作用方向垂直地于圖的平面延伸。加速度傳感器BSE的作用方向，在此文中，即傳感器能夠更適宜的獲得加速力并傳輸信號的方向。
例如，加速度傳感器BSE可以被制成壓電傳感器，其中在所知的方法里，壓電晶體被設(shè)置在兩個平行延伸的電容板中間。當(dāng)使用這種傳感器時，因?yàn)閮蓚€電容板基本垂直地于有軌車輛的方向延伸，因此可以達(dá)到加速度傳感器的作用方向與運(yùn)動方向的一致。自然，也可以使用其他機(jī)械結(jié)構(gòu)已知的加速度傳感器。專家熟知許多此種傳感器，因此在這點(diǎn)上不再進(jìn)行更詳細(xì)的論述。
根據(jù)圖2，由加速度傳感器BSE產(chǎn)生的加速度信號BSI被傳輸進(jìn)分析單元ASW，其可以通過電線、玻璃纖維或無線電纜例如無線電或藍(lán)牙自加速度感應(yīng)器BSE將加速度信號BSI傳輸?shù)椒治鰡卧狝SW。分析單元可以為一個對應(yīng)編程的微處理器或信號處理器，盡管在一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施例中，出于更安全的原因優(yōu)選為純硬件設(shè)計(jì)裝置的分析單元ASW。
從分析單元ASW中通過一個預(yù)定量的時間框，簡單整合INT的加速度信號，中用的方法在軌道平面ε的方向上測定車輪RAD或車輪裝置的下墜速度FAG。對加速度信號BSI的整合可以在連續(xù)的時間框或在連續(xù)的時間間隔中進(jìn)行，其中一個時間框的終點(diǎn)可以形成下一個時間框的起點(diǎn)。另外，連續(xù)的時間框也有可能部分地相互交迭?；旧希灿锌赡茉谶B續(xù)的時間框之間出現(xiàn)間隔。
加速度信號BSI的整合可以以數(shù)字式或類比式方法進(jìn)行。對信號在預(yù)定時間段內(nèi)進(jìn)行數(shù)字或類比整合的電路及方法為大量專家所熟知，在此不再做更詳細(xì)的解釋。
當(dāng)在該時間框中對車輪RAD或車輪裝置當(dāng)前的下墜速度FAG進(jìn)行計(jì)算后，將該速度與下墜速度限值GFG進(jìn)行比較，其中當(dāng)超出速度限值時可以識別出已脫軌情況。當(dāng)脫軌情況發(fā)生，在該時間框中測定的下墜速度將得到正常情況(如當(dāng)火車跑過扳道岔時)下絕不可能得到的值，因?yàn)樵诔Ｒ?guī)操作下，提升到高速時的加速度非常慢，這即是為什么測出脫軌情況的可能性非常大的原因。換句話說，即在脫軌情況下時間框中的加速度信號整合所呈現(xiàn)的值，在常規(guī)操作下不可能達(dá)到。
首先，根據(jù)已測定的加速度信號整合的值，其中此值的上下界限是通過該特定時間框設(shè)定，可以得出有脫軌情況的結(jié)論。另外，從一特定時間間隔中的下墜速度曲線(其為時間的函數(shù))亦可以得出有脫軌情況的結(jié)論。
根據(jù)圖3，整合間隔中下墜速度FAG的時間曲線的變化，此處圖中所示為大約一秒，可以一個預(yù)先確定的值顯示為脫軌情況。如前面所述，圖3中所示的下墜速度FAG的時間曲線為通過對加速度信號BSI的一次性整合所獲得的。其中從軌道平面ε來看，相關(guān)的加速度傳感器BSE的運(yùn)動方向?yàn)橹赶蛏戏降?，因此有軌車輛在軌道平面方向的下墜運(yùn)動在時間曲線上則顯示為負(fù)速度。自然，加速度傳感器BSE的作用方向也可以指向軌道平面ε的方向，由此則將得到延著0線NUL反映出的下墜速度FAG的發(fā)展?fàn)顩r。
有軌車輛下墜運(yùn)動的終點(diǎn)的特征為時間曲線的最小值MIN。脫軌時最小值MIN在時間上與行車道及有軌車輛發(fā)生的撞擊相符合。接著在行車道上因撞擊而產(chǎn)生的向上的加速度則產(chǎn)生一個正的下墜速度值。
此外，分析單元ASW可以具有一個濾波器FIL用于在整合前消除低頻干擾，如可能由漂移現(xiàn)象及低頻電磁干擾所引起的干擾，以改良信噪比。為了將有用的信號和干擾信號精確地區(qū)分開，更適宜使用一個能從阻滯區(qū)到暢通區(qū)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換的濾波器。在阻滯的與暢通的頻率范圍之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換的濾波器可以改變將被整合的信號的多個個體頻率部分之間的相位。因此，下墜運(yùn)動過程不能通過整合的方法正確重組。
此即為何更適宜使用一個不會改變信號中多個個體頻率部分之間的相位關(guān)系的濾波器。例如，能夠滿足這種條件的貝塞爾(Bessel)濾波器或有限脈沖回應(yīng)(FIR)濾波器。更適宜采用屬于貝塞爾(Bessel)濾波器系列的高通濾波器對信號進(jìn)行過濾。在實(shí)際應(yīng)用中出于安全的考慮，貝塞爾(Bessel)濾波器比有限脈沖回應(yīng)(FIR)濾波器更為適宜，因?yàn)楸容^之下有限脈沖回應(yīng)(FIR)濾波器的反應(yīng)時間更長。
總而言之，因?yàn)樵谟布夹g(shù)方面裝設(shè)簡便，且又很適合用于需要極高安全考慮的實(shí)際應(yīng)用，所以可以說基于此發(fā)明的方法提供了很大的好處。
權(quán)利要求
1.識別有軌車輛車輪(RAD)脫軌情況的方法，其中用至少一個加速度傳感器(BSE)來測量車輪(RAD)垂直于軌道平面(ε)的加速度，其特點(diǎn)體現(xiàn)于通過在一個預(yù)定量的時間框中用簡單整合(INT)的方法由加速度傳感器(BSE)生成加速度信號(BSI)，可以測定在軌道平面(ε)的方向車輪(RAD)的下墜速度(FAG)，且其中，根據(jù)測定的下墜速度(FAG)，可以檢測出是否有脫軌情況存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于將所測定的下墜速度與下墜速度限值(GFG)比較，其中當(dāng)超出下墜速度限值(GFG)時則可得出有脫軌情況存在的結(jié)論。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于由下墜速度(FAG)的時間曲線可得出有脫軌情況存在的結(jié)論。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于加速度信號(BSI)產(chǎn)生于有軌車輛車輪(RAD)的輪軸(AXL)區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于在整合(INT)前用過濾方法(FIL)消除包括在加速度信號(BSI)中的低頻干擾部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于使用高通過濾消除干擾部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于使被整合的加速度信號(BSI)多個頻率部分的相位關(guān)系在過濾(FIL)中互相保持。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于在每個連續(xù)的時間框中執(zhí)行對加速度信號(BSI)的整合(INT)，其中每個時間框的終點(diǎn)形成下一個時間框的起點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于加速度信號(BSI)的整合在每個連續(xù)的時間框中執(zhí)行，其中連續(xù)的時間框一節(jié)一節(jié)地相互交迭。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9其中一項(xiàng)的方法，其特點(diǎn)體現(xiàn)于加速度信號(BSI)產(chǎn)生于有軌車輛每個車輪(RAD)的區(qū)域。
11.用于識別有軌車輛車輪(RAD)脫軌情況的裝置，用至少一個加速度傳感器(BSE)，獲取車輪(RAD)垂直于軌道平面ε的加速度，其中加速度傳感器(BSE)設(shè)有一個分析單元(ASW)，用于對加速度傳感器(BSE)產(chǎn)生的加速度信號(BSI)進(jìn)行分析，其特點(diǎn)體現(xiàn)于將分析單元(ASW)配置為在一個預(yù)定量的時間框內(nèi)從加速度信號(BSI)中通過簡單整合(INT)的方法在軌道平面ε的方向上測定車輪(RAD)的下墜速度(FAG)，且其中，根據(jù)此測定出的下墜速度(FAG)，可以檢測出是否有脫軌情況存在。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于分析單元(ASW)如此組建，用來將測定的下墜速度(FAG)與下墜速度限值(GFG)進(jìn)行比較，其中當(dāng)超出下墜速度限值(GFG)時，則可得出有脫軌情況存在的結(jié)論。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于分析單元(ASW)如此組建，用于根據(jù)下墜速度(FAG)的時間曲線來識別脫軌情況。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13其中一項(xiàng)的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于加速度傳感器(BSE)設(shè)置在有軌車輛的車輪(RAD)的輪軸(AXL)區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14其中一項(xiàng)的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于用一個濾波器(FIL)在整合(INT)前消除包括在加速度信號(BSI)中的低頻干擾部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于濾波器(FIL)為一個高通濾波器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于濾波器(FIL)對于加速度信號(BSI)頻率部分間的相位關(guān)系基本上不會有影響。
18.根據(jù)權(quán)利要求11-17其中一項(xiàng)的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于組建分析單元(ASW)用來在每個連續(xù)的時間框中對加速度信號(BSI)進(jìn)行整合(INT)，其中每個時間框的終點(diǎn)將形成下一個時間框的起點(diǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求11-17其中一項(xiàng)的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于組建分析單元(ASW)用來在每個連續(xù)的時間框中對加速度信號(BSI)進(jìn)行整合，其中每個連續(xù)的時間框一節(jié)一節(jié)地相互交迭。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19其中一項(xiàng)的裝置，其特點(diǎn)體現(xiàn)于加速度傳感器(BSE)設(shè)置于有軌車輛的每個車輪(RAD)的區(qū)域。
全文摘要
用于識別有軌車輛車輪(RAD)的脫軌情況的方法和裝置，其中用至少一個加速度傳感器(BSE)測量車輪(RAD)垂直于軌道平面(ε)的加速度，由此在一個預(yù)定量的時間框中加速度傳感器(BSE)通過簡單整合(INT)的方法產(chǎn)生加速度信號(BSI)，從此信號中可以測定車輪(RAD)在軌道平面(ε)的方向的下墜速度(FAG)，及根據(jù)測定的下墜速度(FAG)檢測出是否有脫軌情況存在。
文檔編號B61K13/00GK1787941SQ200480012943
公開日2006年6月14日 申請日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者格哈德·盧埃格爾, 克里斯敦·格茲米勒, 謝勒特·薩爾斯格伯, 邁克爾·施米佳 申請人:西門子運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司