專利名稱：損毀鐵軌和列車檢測的系統(tǒng)和方法
損毀鐵軌和列車檢測的系統(tǒng)和方法本發(fā)明申請是本發(fā)明申請人于2008年6月2日提交的、申請?zhí)枮?00810109571. 3、發(fā)明名稱為“損毀鐵軌和列車檢測的系統(tǒng)和方法”的發(fā)明申請的分案申請。背景本發(fā)明整體上 涉及鐵軌損毀和車輛檢測系統(tǒng)，并且更具體地，涉及長區(qū)間(long-block)多區(qū)段(multi-zone)的鐵軌損毀(rail break)或車輛檢測系統(tǒng)，以及使用這樣的系統(tǒng)檢測鐵軌損毀和/或車輛的方法。傳統(tǒng)的鐵道系統(tǒng)采用鐵路軌道作為信號傳輸路徑的一部分來檢測區(qū)間路段中列車或鐵軌損毀的存在。在這樣的方法中，所述軌道被電區(qū)分為多個路段，每個路段都具有預先確定的長度。每個路段形成一部分電路，并且被稱作軌道電路。在所述軌道電路的任一端分別設置有發(fā)送器設備和接收器設備。所述發(fā)送器設備連續(xù)傳送或以可變間隔傳送用于檢測列車或鐵軌損毀的信號，并且所述接收器設備接收所傳送的信號。如果在所述軌道電路所形成的路段中不存在列車或鐵軌損毀，則所述接收器接收由所述發(fā)送器所傳送的信號。如果存在列車或鐵軌損毀，那么由于由所述軌道和損毀(break)或軌道和列車所形成的電路有所變化，所以所述接收器接收由所述發(fā)送器所發(fā)送的修改信號。通常，列車存在通過從鐵軌到鐵軌添加分流電阻來對所述軌道電路進行修改。損毀存在則通過在鐵軌中添加阻值增大的電阻來對所述電路進行修改。損毀或列車檢測通常是通過將所接收的信號與閾值進行比較來完成的。傳統(tǒng)的軌道電路通常被應用于長度約2. 5英里的區(qū)間以用于檢測列車。在這樣的區(qū)間中，列車應當表現(xiàn)出0.06歐姆或更小的列車分流電阻(shunt resistance),并且道碴電阻或獨立鐵軌之間的電阻通常會大于3歐姆/1000英尺。隨著區(qū)間長度變長，軌道電路的總體電阻由于鐵軌之間的道碴(ballast)電阻的并聯(lián)增加而有所降低。通過并聯(lián)電流路徑的這種增加，附加的電流流過道碴和軌枕(tie)并且按比例較少地流過接收器。因此，所述軌道電路的信噪比隨著更長的區(qū)間長度而變差。在一個示例中，對于較長的區(qū)間(例如，大于3英里)，則可以采用基于光纖的軌道電路來檢測列車和鐵軌損毀。然而，用于實施基于光纖的軌道電路的成本相對較高并且耐用性較差。在另一個示例中，增加道碴電阻，并可以相應地增加軌道電路的區(qū)間長度。然而，所不希望看到的是，用于維護相對高的道碴電阻的維護費用很高。需要一種改進的長區(qū)間鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)和方法。如果所述改進的長區(qū)間鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)和方法在改善功能可靠性的同時對電源和軌道線路電阻的變化進行補償以減少錯誤正信號和錯誤負信號，就將是有益和有利的，所述錯誤正信號指示與事實不符的損毀或列車的存在，所述錯誤負信號則沒有能夠指示與事實實際上相符的損毀或列車的存在。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種用于檢測在鐵路軌道的區(qū)間中鐵路車輛的存在或鐵軌損毀的方法，包括經(jīng)由多個電壓源將多個電壓模式施加在具有多個區(qū)段的軌道區(qū)間兩側；基于所述多個電壓模式確定多個特征(signature);并且將所述多個特征與預先確定的標準進行比較來檢測在鐵路軌道的區(qū)間中鐵軌損毀或鐵路車輛的存在。依據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種用于檢測在包括多個區(qū)段的鐵路軌道區(qū)間中鐵路車輛的存在或鐵軌損毀的系統(tǒng)，包括多個電壓源，每個電壓源耦合到所述多個區(qū)段之一；和多個電流傳感器，每個電流傳 感器耦合到各自的電壓源并且被配置成響應于所述多個電壓源所生成的電壓模式的變化而對流過所述電流傳感器的電流進行感測，并且進一步被配置成基于所感測的電流生成多個特征并將所述特征與預先確定的標準進行比較以檢測在鐵路軌道的區(qū)間中鐵軌損毀或鐵路車輛的存在。依據(jù)本發(fā)明的又另一個實施例，一種在沒有絕緣節(jié)的鐵路軌道區(qū)間中進行鐵軌中(in-rail)通知(communicate)的方法,包括經(jīng)由鐵路軌道在多個傳感器之間以同步格式傳送和接收通知幀，所述多個傳感器響應于沿鐵路軌道的區(qū)間的希望部分電壓模式的變化；并且監(jiān)視所述通知幀以確定在鐵路軌道的區(qū)間中鐵軌損毀或鐵路車輛的存在。依據(jù)本發(fā)明的再另一個實施例，一種用于對具有多個區(qū)段的鐵路軌道區(qū)間中鐵軌損毀或鐵路車輛的存在進行通知的方法，包括在沒有絕緣節(jié)的鐵路軌道的區(qū)間中，經(jīng)由通知機制對沿所述鐵路軌道的區(qū)間設置的多個傳感器之間的通知進行同步；經(jīng)由多個電壓源將多個電壓模式施加在具有多個區(qū)段的軌道的區(qū)間兩側；經(jīng)由所述多個傳感器監(jiān)視所述多個電壓模式的變化，以檢測在所述鐵路軌道的區(qū)間的一個或多個區(qū)段中鐵軌損毀或鐵路車輛的存在；并且在所述多個傳感器之間以時分多址(TDMA)格式通知傳感器ID，所述傳感器ID指示在所述鐵路軌道的區(qū)間的一個或多個區(qū)段內(nèi)鐵軌損毀或鐵路車輛的存在或不存在。


通過參考附圖閱讀以下詳細描述，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)勢，在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件，其中圖I是依據(jù)本發(fā)明一個實施例的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)的框圖；圖2是表示沿依據(jù)圖I的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)的區(qū)間路段有間隔地安置的電壓源的順序切換的表，其中“O”指示發(fā)送器關閉，并且“I”指示發(fā)送器打開；圖3是圖示由電流傳感器響應于依據(jù)圖I的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)的區(qū)間路段有間隔地安置的電壓源的順序切換而感測的電流的表；圖4是圖示依據(jù)本發(fā)明一個實施例的檢測鐵軌損毀或車輛存在的方法的流程圖；圖5是圖示依據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測鐵軌損毀的決策表面的示意圖；圖6是圖示依據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測鐵軌損毀和/或車輛(諸如列車)的存在的二維決策表面的不圖；圖7是圖示圖6所示的決策表面的二維視圖的示圖；圖8是圖示圖6所示的決策表面的另一個二維視圖的示圖；圖9是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的適于實施圖I所示的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)中圖示的電壓源的源電阻補償電路的示意圖；圖10是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的適于實施圖I所示的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)中圖示的電壓源的另一種源電阻補償電路的示意圖11是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的在圖I所示的電流傳感器之間進行同步、測試和通知的方法的流程圖；圖12是依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖11中所示的同步階段的詳細流程圖；圖13是依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖11中所示的測試階段的詳細流程圖；圖14是依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖11中所示的通知階段的詳細流程圖；和圖15是圖示依據(jù)本發(fā)明另一實施例的檢測鐵軌損毀或車輛存在的方法的流程圖。雖然以上附圖給出了選擇性的實施例，但是如討論中所提及的，也可以預期本發(fā)明的其它實施例。在所有情況下，本公開通過表示而非限制的方式給出本發(fā)明所圖示的實施例。本領域技術人員所能夠作出的多種其它修改和實施方式均落入本發(fā)明原則的精神和范圍之內(nèi)。
具體實施例方式總體上參考圖1，依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖示了一種鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)，并且總體上由附圖標記10來表示。在所圖示的實施例中，系統(tǒng)10包括鐵路軌道12，所述鐵路軌道12具有左側鐵軌14、右側鐵軌16和在鐵軌14、16之間延伸并通常相對其橫向放置的多個軌枕18。軌枕18耦合到鐵軌14、16并為鐵軌14、16提供橫向支撐，所述鐵軌14、16被配置成方便車輛(諸如列車、有軌電車、測試車輛等)的移動。在所示的實施例中，具有感測導線21、23和電壓源電阻22的多個(N個)電壓源20提供4線感測以降低源電阻，并且沿區(qū)間路段24在位置11、13、15、17和19產(chǎn)生所希望的源阻抗，所述區(qū)間路段24形成于鐵路軌道10的兩對絕緣節(jié)(insulated joint)26、28之間。源電阻22不是固定的，并且隨電壓源20的類型、連接、軌道接口面板等而變化。每個電壓源20進而包括相應的源電阻22并且被提供于鐵軌14、16之間。結果，區(qū)間路段24被劃分為多個區(qū)段30、32、34和36。在所示的示例中，鐵路軌道12的區(qū)間路段24的長度約10英里。所述區(qū)間路段的每個區(qū)段的長度約2. 5英里。然而，本領域技術人員將意識到，區(qū)間路段24和區(qū)段30、32、34和36的具體長度并不是本發(fā)明的必要技術特征。類似地，區(qū)段、電阻和電壓源的數(shù)量也不是本發(fā)明的必要技術特征。電壓源的示例可包括靜態(tài)或編碼的DC電壓源、靜態(tài)或編碼的AC電壓源等。在所示的實施例中，電壓源20被配置成將電壓施加在鐵路軌道12的區(qū)間路段24兩側。當電壓源20的極性相同時，流過每個源電阻22的電流之和表示總的道碴泄漏電流(ballast leakage current)。 系統(tǒng)10進一步包括多個電流傳感器38，每個電流傳感器38與相應的電壓源20串聯(lián)耦合。電流傳感器38被配置成響應于相應的(多個)電壓源20所生成的電壓模式的變化來檢測流過所述電流傳感器的電流。在另一個示例性實施例中，系統(tǒng)10可包括多個電壓傳感器，每個電壓傳感器耦合在相應的電壓源20及其各自的源電阻22兩端。如本領域技術人員已知的，可以基于檢測到的電壓和實際源電阻22來確定流過源電阻22的電流?？刂茊卧?2與電壓源20和電流傳感器38通信。在一個實施例中，控制單元42適于接收來自電流傳感器38的輸入，并且監(jiān)視流過每個區(qū)段的電流的變化來檢測鐵路軌道12的區(qū)間路段24上的鐵軌損毀或存在的列車。在可選的示例性實施例中，多個控制單元可以被用來接收來自電流傳感器38的輸入，并且監(jiān)視流過每個區(qū)段的電流的變化來檢測鐵路軌道12的區(qū)間路段24上鐵路車輛 的存在或鐵軌損毀。一個實施例在每個電流傳感器38內(nèi)包括控制單元。如以下進一步描述的，每個電流傳感器38被配置成使用鐵路軌道12作為通信介質(zhì)來經(jīng)由這些內(nèi)部控制單元直接與其相鄰的電流傳感器進行通信。在該實施例中，不需要外部控制單元42，原因在于這些內(nèi)部控制單元本身就被配置成基于響應于電壓源20所生成的電壓模式的變化所感測到的流過電流傳感器38的電流來確定一個或多個特征(signature)。在一個實施例中，將這些特征與預先確定的決策表面(decision surface)進行比較來確定在區(qū)間路段24內(nèi)鐵軌損毀或鐵路車輛的存在。在一個實施例中，控制單元42被配置成從區(qū)間路段24的第一端44向第二端46對多個(N個)電壓源20進行順序切換。在另一個示例性實施例中，控制單元42被配置成從區(qū)間路段24的第二端46向第一端44對多個電壓源20進行順序切換。在又另一個實施例中，控制單元42被配置成隨機地或以預定順序地對多個電壓源20進行切換。對于一個實施例而言，這種切換還能夠由上述內(nèi)部電流源控制單元進行控制，所述內(nèi)部電流源控制單元被配置成與另一個內(nèi)部電流源控制單元同步進行通信，而不需要外部控制單元42。例如，所述多個(N個)電壓源20在一個時間周期期間進行切換，以使得所有的電流源被同時設置為所希望的正電壓電平。當所有電壓源20在提供著希望的正電壓電平時，通過測量流過電流傳感器38的電流來為每個電流傳感器38確定第一特征。例如，還可以對多個電壓源20進行切換，以使得在所希望的時間周期僅有一個電壓源20被設置到所希望的正電壓電平，而所有剩余的電壓源20保持在O伏特。重復該過程，直至每個電壓源20在各自的時間周期應用所希望的電壓電平，而所有其它的電壓源20應用O伏特，從而為N個電壓源20產(chǎn)生N個測量值。從所述N個測量值形成與每個電流傳感器38相關聯(lián)的第二特征。在一個實施例中，所述第二特征是響應于電流傳感器38各自的電壓源20而流過電流傳感器38的電流，其中所述電壓源20正在生成正電壓，而所有剩余的電壓源20處于O伏特。在一個實施例中，第三特征是當電流傳感器38各自的電壓源20被設置為O伏特而且在電流傳感器任一側上僅僅有一個的不同電壓源20被同時設置為所希望的電壓電平時流過所述電流傳感器38的電流。本領域技術人員將容易意識到，僅根據(jù)所要獲得的測量值的所需類型、準確等級和可靠性，就能夠采用任意數(shù)量的特征。例如，所希望的電壓電平還可以是I伏特或者能夠被調(diào)整比例以在特征之間形成關系的適當電壓電平的任意組合。在沒有檢測到鐵軌損毀或者鐵路軌道12的區(qū)間路段24沒有被鐵路車輛占據(jù)時，在具有如上述順序排列的電壓源20的特定區(qū)段中檢測到特定電流，并且所述電壓源20分別處在所述特定區(qū)段的任一端處。例如，如果區(qū)段30在電壓定序過程期間的特定時刻在其端處具有電壓源20，則在沒有檢測到鐵軌損毀或鐵路軌道12的區(qū)間路段24沒有被鐵路車輛占據(jù)時，在區(qū)段30中檢測到特定電流。當檢測到鐵軌損毀或鐵路軌道12的區(qū)間路段24被鐵路車輛的車輪所占據(jù)時，在具有分別位于特定區(qū)段的任一端的有序(sequenced)電壓源20的所述特定區(qū)段中檢測到電流的可忽略的變化。例如，如果區(qū)段30在電壓定序(sequencing)過程期間的特定時刻在其端處具有電壓源20，則在檢測到鐵軌損毀或鐵路軌道12的區(qū)間路段24被鐵路車輛所占據(jù)時，在區(qū)段30中檢測到電流的可忽略的變化。在另一個示例性實施例中，當在分別位于特定區(qū)段的任一端的有序電壓源20的所述特定區(qū)段的特定時刻的電流變化大于預先確定的閾值時，控制單元42適于檢測區(qū)間路段24中鐵軌損毀或車輛的存在。所述預先確定的閾值可以依賴于區(qū)間的道碴電阻值的變化，但并不局限于此?？刂茊卧?2或電流源控制器被配置成確定區(qū)間路段24的多個如前所述的特征值，并接著基于在區(qū)間路段24內(nèi)通過將所述特征值與預先確定的決策表面進行比較來確定損毀或車輛的存在。在其它技術之中，可以使用最優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡和分類算法來創(chuàng)建所述決策表面，所述決策表面能夠被用來把鐵路軌道12的區(qū)間路段24上鐵軌損毀和鐵路車輛的存在相互區(qū)分開。依據(jù)本發(fā)明的各方面的軌道損毀和軌道車輛的存在之間的區(qū)分在以下參考后續(xù)附圖進一步詳細描述。在一個實施例中，控制單元42或電流源控制器均包括處理器48，所述處理器48具有硬件電路和/或軟件，所述軟件方便對來自電流傳感器38和電壓源20的信號的處理。本領域技術人員將意識到的是，處理器48可包括計算機、微處理器、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號處理器、邏輯模塊等，但并不局限于此。如之前所討論的，在所示的實施例中，控制單元42或電流源控制器適于從區(qū)間路段24的第一端44向第二端46 (反之亦然，即從第二端46到第一端44)對電壓源20進行順序切換或者對其進行隨機切換。還可以分別對電壓源20的值和/或極性進行改變和/或切換；并且然后可以對各個電流傳感器38的測量值求平均以降低系統(tǒng)和流電(galvanic)誤差。在某些實施例中，控制單元42或電流源控制器可以進一步包括數(shù)據(jù)庫和算法，所述算法被實現(xiàn)為由控制單元計算機或處理器48所執(zhí)行的計算機程序。所述數(shù)據(jù)庫可被配置成存儲與鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)10和鐵路車輛相關的預定信息。所述數(shù)據(jù)庫還可以包括指令集、映射、查找表、變量等。這樣的映射、查找表和指令集可操作來將流過多個區(qū)段的電流的特性相關起來以檢測鐵路車輛的存在或鐵軌損毀。所述數(shù)據(jù)庫還可以被配置成存儲實際感測或檢測到的與電流、鐵軌14、16兩端的電壓、電壓源20的極性、區(qū)間路段24的道碴電阻值、電流變化的預先確定閾值(多個)、軌道車輛等相關的信息。所述算法可以方便對與電流、電壓和軌道車輛相關的感測的信息進行處理。以上所提及的任意參數(shù)可以有選擇地和/或動態(tài)地相對時間進行修改或改動。在一個實施例中，控制單元42或電流源控制器被配置成基于區(qū)間路段24的道碴電阻值來更新所述預先確定的閾值，原因在于所述道碴電阻值隨環(huán)境條件(諸如濕度、降水等)的改變而變化。處理器48經(jīng)由有線連接端口或短范圍無線鏈路(諸如紅外協(xié)議、藍牙協(xié)議、IEEE 802. 11無線局域網(wǎng)等)向輸出單元50傳送指示信號。通常，所述指示信號可以提供簡單的狀態(tài)輸出，或者可以被用來基于在區(qū)間路段24的多個區(qū)段中所檢測到的電流而激活或設置標志(諸如，警報)。所述狀態(tài)輸出可以是離散輸出、指示或某一類型的通知消息等。現(xiàn)在參考圖2，表示位于依據(jù)圖I所示的多個區(qū)段30、32、34、36的位置11、13、15、17和19的電壓源20的順序切換的表。根據(jù)一個實施例，并且在這樣的順序切換之前，位于位置11、13、15、17和19的電壓源20都被同時切換到正電壓，所述正電壓可以是對所有電壓源20公共的任意希望值。例如，“全部開(all on)”步驟不妨能夠用切換步驟來替代，在所述切換步驟中，逐個將每個傳感器順序切換至開或關。圖2中的一行上的結果測量值之 和進而能夠被用來確定第一特征。隨后，如圖2中的數(shù)字O和I所示，從第一端44到第二端46將位于位置19、17、15、13和11的電壓源20進行順序切換(即，在O伏特和正電壓值之間)。也可以單獨或與正電壓相結合而采用負電壓值。接著，能夠獲得平均值以對噪聲進行補償。上述切換順序僅僅是一個示例，并且在其它示例性實施例中，切換順序可以根據(jù)需要以預定順序變化。圖3是圖示由電流傳感器38響應于沿著依據(jù)圖I的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)的區(qū)間路段24有間隔地安置的電壓源20的順序切換而感測的電流的表。例如，在所示的實施例中，電流傳感器38在電壓源38的初始排序期間均測量指示流過各自源電阻22的電流的第一組值(特征)。對于一個實施例而言，如之前所提到到，所有電壓源在初始定序期間都具有正值。隨后，對電壓源20進行順序切換以使得每個電壓源20被切換至或保持在正電壓值，而所有其它的電壓源20則同時被切換為O伏特。電流傳感器38均測量指示在各自電壓源20生成正電壓并且期間所有其它的電壓源20都生成O伏特時流過各自電壓源電阻22的電流的第二組值(特征)。在上述第二測試中，區(qū)段36具有分別位于其任一端的具有正電壓和O電壓的電壓源。由電流傳感器38測量的第三組值(特征)指示在各自電壓源20被設置為O伏特并且期間在各自電壓源20的任一側上僅僅有一個電壓源被設置為生成正電壓時流過各自源電阻22的電流。如前所述，一個實施例中的控制單元42或另一個實施例中位于電流傳感器38內(nèi)部的電流源控制器均接收來自多個電流傳感器38的輸入，對電流進行處理以確定所需的特征數(shù)，并且將這些特征與預先確定的決策表面相比較來檢測區(qū)間路段24中的列車占據(jù)或鐵軌損毀的存在。如果不存在列車占據(jù)或鐵軌損毀，則在區(qū)段36中檢測到特定電流。如果存在列車占據(jù)或鐵軌損毀，則決策表面中的相應損毀標示在區(qū)段36中檢測到的電流的可忽略變化。在一個實施例中，區(qū)段36中的電流變化大于預先確定的閾值，表明存在列車占據(jù)或鐵軌損毀。對于區(qū)間路段24中的每個區(qū)段重復上述過程。能夠使用任意所需的特征數(shù)來與所述決策表面進行比較；并且特征的數(shù)目并不局限于實施例中所描述的數(shù)目?？刂茊卧?2或電流控制器可被配置成對每個區(qū)段的不同組的值(特征)求平均，以便降低系統(tǒng)和流電錯誤。在一個示例中，對傳感器38在一個時間周期具有正值的電流值(特征)與同一個傳感器38在不同時間周期具有負值的電流值(特征)的絕對值求平均，以降低系統(tǒng)和流電誤差。類似地，可預期任意數(shù)目的示例。依據(jù)本發(fā)明的多個方面，基于電流傳感器38的分辨率來確定區(qū)間路段的每個區(qū)段的區(qū)段長度。如之前所討論的，當檢測到鐵軌損毀或鐵路軌道12的區(qū)間路段被軌道車輛的車輪所占據(jù)時，在具有分別位于任一端的電壓源的特定區(qū)段中檢測到電流的可忽略的增力口。當在區(qū)間路段中檢測到鐵軌損毀或列車存在時，依據(jù)本發(fā)明多個方面的電流傳感器38能夠分辨出電流測量值的變化。區(qū)段長度越大，電流測量值的變化就越小。圖4是圖示依據(jù)本發(fā)明一個實施例的檢測鐵軌損毀或車輛存在的方法的流程圖100。根據(jù)一個實施例，所述方法包括經(jīng)由多個電壓源20同時將正電壓施加在鐵路軌道12的區(qū)間路段24兩側，如步驟102所示。與相應的電壓源20串聯(lián)耦合的每個源電阻22根據(jù)其相應的電壓源20所施加的電壓接收電流。電流傳感器38檢測流過其相應的電壓源電阻22的電流。最初，如步驟104所示，電流傳感器38測量指示所有電壓源20同時生成正電壓時流過每個源電阻的電流的第一組值。 接著順序地對每個電壓源20進行控制以生成正電壓，而所有其它的電壓源應用O伏特，如步驟106所示。再次，電流傳感器38檢測流過其相應的電壓源電阻22的電流。該實例中的電流傳感器38測量指示在對應電壓源為該區(qū)段生成正電壓而與其它區(qū)段相關聯(lián)的所有其它電壓源應用O源電壓時流過每個源電阻22的第二組值，如步驟108所示。
電流傳感器38還測量第三組值，如步驟110所示。該第三組值指示在其相應的電壓源被設置成生成O伏特時并且期間僅僅一個的不同電壓源20正在生成正源電壓時流過每個源電阻22的電流，以形成第三組電流值。接著，基于之前的電流測量值為每個電流傳感器38確定三個特征，如步驟112所示。在一個實施例中，將這些特征與預先確定的決策表面進行比較，所述決策表面是通過最優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡或其它適當機制所確定的。通過控制單元42或內(nèi)部電流源控制器監(jiān)視所述決策表面的特征變化，以確定車輛的存在或鐵軌損毀的存在，如步驟114所示。圖15中所示出的另一個實施例示出了檢測鐵軌損毀或車輛的存在的方法900。在不同時間，N個傳感器中的每個傳感器38獲取正和/或負的源電壓，如步驟902所示，而圖I所示的鐵軌14上的其余傳感器獲取O伏特。接著，為每個傳感器38測量所流過的電流絕對值的平均值來為所述N個電流傳感器38中的每一個提供N個測量值，如步驟904所示。 接著從與每個傳感器38相關聯(lián)的N個測量值確定每個傳感器38處的三個特征，如步驟906所示。最后，將這些特征與預先確定的標準進行比較來確定鐵軌損毀或車輛的存在，如步驟908所示。例如，能夠?qū)⒃诓襟E906中所確定的各組第一特征、第二特征和第三特征與預先確定的決策表面進行比較，所述決策表面是通過最優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡或其它適當機制所確定的。接著，通過內(nèi)部電流源控制器或(多個)其它所需的監(jiān)視單元監(jiān)視所述決策表面的特征變化以確定車輛的存在或鐵軌損毀的存在。圖5是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的用于檢測鐵軌損毀的決策表面200的示意圖。如之前所提到的，控制單元42或電流傳感器控制器均接收來自多個電流傳感器38的電流輸入，并且將相應特征與預先確定的決策表面進行比較，如圖4中的步驟112所示。如果不存在鐵軌損毀，則在區(qū)段中檢測到由它的測得的特征值所表示的特定電流。如果見到存在有鐵軌損毀，則經(jīng)由對應于各個區(qū)段的特征值的變化而在所述各個區(qū)段中檢測到電流的可忽略的變化，所述區(qū)段此時在該區(qū)段的決策表面中表現(xiàn)為有損毀。在一個實施例中，如果所述區(qū)段中的電流變化大于預先確定的閾值，則檢測到鐵軌損毀的存在。接著，這樣的鐵軌損毀在決策表面200的表面圖案中表現(xiàn)為損毀區(qū)域202。將決策表面200的進一步遠離損毀區(qū)域202的區(qū)域定義為非損毀區(qū)域206。圖6是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的用于檢測鐵軌損毀和/或軌道車輛(諸如列車)存在的三維決策表面的示圖?？刂茊卧?2或(多個)電流傳感器控制器從多個電流傳感器38接收測得的電流輸入，并且將相應特征與預先確定的決策表面進行比較，如圖4中的步驟112所示。如果不存在鐵軌損毀或者鐵路車輛，則在區(qū)段中檢測到由它的測得的特征值所表示的具體電流。如果見到存在有鐵軌損毀或者鐵路車輛，則通過對應于各個區(qū)段的特征值變化而在各個區(qū)段中檢測到電流的可忽略變化，所述區(qū)段此時在該區(qū)段的決策表面中表明有損毀或鐵路車輛存在。在一個實施例中，如果所述區(qū)段中的電流變化大于預先確定的閾值，則檢測到鐵軌損毀存在；而如果所述區(qū)段中的電流變化大于預先確定的第二閾值，則檢測到車輛存在。接著，這樣的鐵軌損毀在決策表面200的表面圖案中表現(xiàn)為損毀區(qū)域202，而鐵路車輛存在則表現(xiàn)為在三維空間的二維中具有較高特征值的區(qū)域208。從損毀區(qū)域202和車輛存在區(qū)域208移除的所述決策表面的區(qū)域206表現(xiàn)為在三維空間的一維中具有較低特征值的區(qū)域。
圖7是圖示圖6所示的決策表面的二維視圖的示意圖，示出了在三維空間的一維(即，特征3的那一維)中具有較低特征值的鐵路車輛存在區(qū)域206。圖8是圖示圖6所示的決策表面的另一個二維視圖的示圖，示出了在三維空間的一維(即，特征3的那一維)中具有較低特征值的鐵路車輛存在區(qū)域206。
圖9是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的適于實施圖I所示的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)中圖示的電壓源電路的源電阻補償電路300的示意圖。源電阻補償電路300包括源線電阻R3，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)源線電阻R3對于表面區(qū)域202、206和208的分布變化有著不合需要的影響。例如，發(fā)現(xiàn)所述源線電阻R3對分布表面200的貢獻在于使其產(chǎn)生不合需要的大量的錯誤的正和負讀數(shù)。源補償電路300使用四線(four-wire)體系來實現(xiàn)，所述四線體系包括感測導線21、23，允許對源電壓20進行調(diào)節(jié)直至圖I所示的鐵軌14、16兩側的電壓為O伏特，由此使得源線電阻R3表現(xiàn)為O歐姆的源阻抗。圖10是圖示依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的適于實施圖I所示的鐵軌損毀或車輛檢測系統(tǒng)中圖示的電壓源的另一種源電阻補償電路400的示意圖。源電阻補償電路400也包括源線電阻R3，所述源線電阻R3貢獻在于形成產(chǎn)生不合需要的大量的錯誤的正和負讀數(shù)的分布表面200。源補償電路400也使用四線體系來實現(xiàn)，所述四線體系包括感測導線21、23，允許對源電壓20進行調(diào)節(jié)直至在圖I所示的鐵軌14、16兩側的電壓表現(xiàn)為O伏特。然而，源補償電路400與源補償電路300的區(qū)別在于對源補償電路400中的源電壓進行調(diào)節(jié)以使得源線電阻R3將被變換成正的源線阻抗R3’而不是O源線阻抗R3。源電阻補償電路400可用于防止與源電阻補償電路400相關聯(lián)的電壓源/電流源在鐵軌上具有列車時出現(xiàn)飽和，原因在于在使用源電阻補償電路300時出現(xiàn)在鐵軌上的列車會引起電壓源/電流源快速達到其最大功率限值。緊記以上原則，以下參考圖11-14描述一種在希望的鐵路軌道路段中無需絕緣節(jié)的情況下檢測在一個或多個特定區(qū)段中損毀鐵軌或鐵路車輛的存在的方法。所述方法涉及鐵軌中通知(in-rail communication),所述鐵軌中通知與已知方法相比提供成本更低的解決方案，原因在于它避免了使用控制單元42，允許每個傳感器使用鐵軌彼此通信相互通知，并且將信息級聯(lián)(cascade)送到中央收集點。由于鐵路軌道的路段不包括絕緣節(jié)，所以所述路段在電上是連續(xù)的。因此，為了使傳感器38之間的距離最大化，對于鐵軌通信應當使用最低頻率(即，DC或OHz)。如果所有的傳感器38以相同的頻率運行，則它們不能同時都進行通知。本發(fā)明人認識到可以使用TDMA原理的仲裁(同步)機制，所述仲裁機制在傳感器38之間具有公共時間基(timebase)以知曉何時允許它們“發(fā)言(speak)”。雖然能夠經(jīng)由無線電或使用GPS來實現(xiàn)傳感器38之間的電壓極性的定時，但是本發(fā)明人認為鐵路軌道中的通知能夠有利地降低通知系統(tǒng)的成本。因此，以上所討論的同步機制在傳感器38之間提供公共時間基以知曉它們應當何時應用如之前所提到的特定的電源極性。由于鐵路軌道的路段中沒有絕緣節(jié)，所以所傳送或接收的任意信息可以比所希望的行進得更遠(如果關注軌道車輛檢測)，或者潛在地，行進得不夠遠(如果關注在傳感器之間級聯(lián)與損毀的鐵軌和/或車輛檢測相關的信息)。因此，對于每個傳感器38都需要知曉在與誰進行講話(傳送或接收)?？梢栽谙⒈忍刂屑尤雮鞲衅鱅D來完成此任務?？梢栽谕ㄖA段期間采用所建立的通知時隙，以使得消息結構提供傳感器ID比特來確保每個傳感器38知曉正在與誰進行通信。接下來參考圖11-14描述在一個實施例中實現(xiàn)以上的同步和通知機制。現(xiàn)在來到圖11，流程圖500圖示了依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的在圖I所示的電流傳感器之間進行同步、測試和通知的方法。重要的是，該方法實施時分復用機制，這對于在沿傳感器之間的沒有絕緣節(jié)的鐵路設置的傳感器之間提供可靠通知是特別有用的。在鐵軌損毀或鐵路車輛檢測系統(tǒng)10運行期間，首先初始化傳感器38，如步驟502所示。在該初始化步驟502期間，每個傳感器38被分配以唯一標識符，所述標識符表示其相對于其余傳感器38中的每一個的物理位置。在初始化步驟502期間，每個傳感器38還被提供有系統(tǒng)傳感器38的總數(shù)(N)。在初始化502之后，系統(tǒng)傳感器38進入同步階段600?？?10圖示了電流傳感器38的順序同步，其中根據(jù)一個實施例，I號傳感器包括用于對所有電流傳感器38的操作進行同步的主時鐘。在一個實施例中，所述主時鐘運行的同時，它還等待著調(diào)度員所發(fā)送的命令信號，或者等待著列車存在，或者等待著某個其它希望的信號(例如，RF信號、直接連線 信號等)。一旦接收到主時鐘命令信號，所述主時鐘就在鐵路軌道14、16上傳送同步信號，以允許每個傳感器38在同步幀期間順序地將其各自計時器與所述主時鐘同步，如框510所
/Jn ο一旦完成同步階段600，系統(tǒng)傳感器38就進入測試階段700。在該測試階段700期間，如框512所示，每個傳感器相對于該系統(tǒng)中的其余傳感器38順序地操作(如前面參考圖1-10所描述的)來檢測其各自檢測區(qū)段內(nèi)軌道車輛(諸如列車)的存在或鐵軌損毀。當傳感器38在其區(qū)段內(nèi)檢測到鐵路車輛或鐵軌損毀的存在時，其進而在通知階段800期間將該信息傳送出去到達所述區(qū)段的端處，如框514所示，從而提供指示這種存在的安全信號。。所述區(qū)段之外的另一軌道車輛，當接收到傳感器的安全信號時，就不可以進入所述區(qū)段，否則這種進入會引起安全危害。圖12是依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖11中所示的同步階段600的詳細流程圖，其中框510描述了傳感器38的高等級同步。如步驟602所示，在同步階段開始時，首先開啟具有主時鐘的I號傳感器。在開啟I號傳感器之后，其余所有的傳感器都處于監(jiān)聽狀態(tài)。I號傳感器傳送其特定的同步標識(ID)并且開啟倒計時式計時器。該倒計時式計時器包括長度長到足以允許其余所有的傳感器完成其各自的同步周期的緩沖時段。在該緩沖時段期間，每個傳感器詢問其自身以確定是否是I號傳感器，如步驟604所示。如果如步驟605所示，所述傳感器不是I號傳感器，則其繼續(xù)監(jiān)聽任意上游的同步ID，如步驟606所示。如果沒有獲知同步ID，則所述傳感器將繼續(xù)監(jiān)聽任意上游的同步ID，如步驟608所示。如果如步驟610所示獲知了同步ID，所述傳感器將進行檢查以確定所述同步ID是否是從相鄰的上游傳感器接收的，如步驟612所示。如果如步驟614所示，所述同步ID是從相鄰的上游傳感器接收的，則接收相鄰的上游傳感器的同步ID的傳感器確定它是否是待同步的最后傳感器，如步驟616所示。如果如步驟617所示，所述傳感器不是最后傳感器，則它傳送自己的同步ID，如步驟618所示，并且如步驟620所示，開啟它自己的倒計時式計時器，所述倒計時式計時器包括長度長到足以允許其余所有的傳感器完成其各自的同步周期的緩沖時段。如果如步驟621所示，所述傳感器是待同步的最后傳感器，則它的計時器被允許繼續(xù)它的倒計時直到測試階段700，如步驟623所示。
如果如步驟603所示，所述傳感器不是I號傳感器，則其傳送自己的同步ID，如步驟607所示，并且允許其倒計時式計時器繼續(xù)其倒計時周期直至測試階段700，如步驟609所示。如果所述傳感器在步驟612期間沒有接收到來自相鄰上游傳感器的同步ID，如步驟622所示，則所述傳感器開始其自己的倒計時式計時器，如步驟624所示，并且繼續(xù)監(jiān)聽相鄰上游同步ID，如步驟626所示，所述倒計時式計時器包括長度長到足以允許其余所有的傳感器完成其各自的同步周期的緩沖時段。如果如步驟628所示，沒有獲知相鄰的傳感器同步ID，則所述傳感器繼續(xù)監(jiān)聽相鄰傳感器同步ID，如步驟626所示。如果如步驟630所示，獲知了相鄰傳感器同步ID，則所述傳感器確定其是否是待同步的最后傳感器，如步驟632所示。如果如步驟634所示，所述傳感器是待同步的最后傳感器，則其更新自己的內(nèi)部倒計時式計時器來開始測試階段700，如步驟636所示。如果如步驟638所示，所述傳感器不是待同步的最后傳感器，則其傳送自己的同步ID，如步驟640所示，并且更新它的倒計時式計時器到測試階段700的開始，如步驟642所示。圖13是依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖11中所示的測試階段700的詳細流程圖，其中框512描述了傳感器38的高等級順序測試。在一個實施例中，測試階段700開始于在所有電壓源生成基線正電壓時，施加基線正電壓，測量流過每個電流傳感器38的電流，如步驟702和704所示，并且與之前參考圖4所描述的步驟102和104類似。接著，如步驟706-714所示，通過每個電壓源順序施加正測試電壓和負測試電壓，而所有其它的電壓源施加O伏特，與之前參考圖4所描述的步驟106和108類似。如步驟716-726所示，在希望的測試幀周期期間，經(jīng)由電流傳感器38對測試區(qū)段順序執(zhí)行電流測量。如步驟728所示，當與基線負電壓相關聯(lián)的測試幀周期完成時，對從基線正電壓和負電壓所產(chǎn)生的電流測量值一起求平均，以產(chǎn)生傳感器38的平均基線電流；而對從+/_測試電壓所產(chǎn)生的測試電流一起求平均，以產(chǎn)生平均測試電流，如步驟730所示。接著為每個區(qū)段確定基于平均基線電流和平均測試電流的絕對值之間的差異的差動電流值，如步驟732所示。如步驟734所示，將每個差動電流值與所希望的閾值進行比較，以確定在各自區(qū)段中鐵路車輛或鐵軌損毀的存在，如步驟736所示。雖然在測試階段中描述了兩個特征(基線平均電壓和+/_測試電壓模式)，但是如之前所提到的，能夠采用任意不同數(shù)量的特征類型來進一步細化和增加測試測試測量的可靠性。現(xiàn)在來到圖14，詳細的流程圖描述了依據(jù)本發(fā)明示例性實施例的通知機制(階段)800，其中框514描述了傳感器38通知幀的高等級同步。在該通知階段800期間，每個電流傳感器38在各自時隙之前保持等待狀態(tài)，在所述時隙期間允許傳感器38進行通知，如步驟802和804所示。接著，所述傳感器在各自的時隙期間確定它是否是區(qū)段中的最低傳感器，如步驟806所示。如果所述傳感器是該區(qū)段中的最低傳感器，則傳送其ID，如步驟808所示。在傳送其ID之后，所述傳感器接著確定它是否見到或獲知軌道車輛或損毀鐵軌的存在，如步驟810-814所示。所述傳感器接著傳送見到或已獲知軌道車輛或損毀鐵軌的存在的傳感器的ID，包括傳送它自己的ID，如步驟816-822所示。隨后，所述傳感器繼續(xù)監(jiān)聽并且接收任何相鄰傳感器ID以及表明軌道車輛或鐵軌損毀的存在的ID，如步驟826所示。如果在通知階段800的步驟804期間，所述傳感器確定其不是區(qū)段中的最低傳感器，則其進入通知階段的不同部分，如步驟828-848所示，其中它等待接收相鄰的上游傳感器ID (傳感器ID包括通知鐵路車輛或鐵軌損毀的存在的比特)，它然后把所述上游傳感器ID傳送到通信鐵軌總線上。如果整個通知階段完成，如步驟850所示，則經(jīng)由希望的通知協(xié)議將鐵路車輛或鐵軌損毀的存在或者不存在傳送到希望的目的地，如步驟852-854所示。如果整個通知階段還沒有完成，則通過循環(huán)回到步驟802繼續(xù)該過程，其中在步驟802中，每個傳感器繼續(xù)等待其時隙，此時繼續(xù)上述整個過程直至其完成，如步驟850所示。當通知階段80完成，所述傳感器就能夠重復前面的過程或進入休眠模式以再次等待來自調(diào)度員的命令信號、觸發(fā)
號等。 雖然僅在此圖示和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領域技術人員能夠做出許多修改和變化。因此，應當理解的是，所附權利要求旨在覆蓋所有均落入本發(fā)明的本質(zhì)精神之內(nèi)的修改和變化。附圖標記10鐵軌損毀/車輛檢測系統(tǒng)11區(qū)間路段內(nèi)的位置12鐵路軌道13區(qū)間路段內(nèi)的位置14左側鐵軌15區(qū)間路段內(nèi)的位置16右側鐵軌17區(qū)間路段內(nèi)的位置18 軌枕19區(qū)間路段內(nèi)的位置20電壓源21感測導線22電壓源電阻23感測導線24區(qū)間路段26絕緣節(jié)28絕緣節(jié)30區(qū)間路段內(nèi)的區(qū)段32區(qū)間路段內(nèi)的區(qū)段34區(qū)間路段內(nèi)的區(qū)段36區(qū)間路段內(nèi)的區(qū)段38電路傳感器42控制單元44區(qū)間路段的端部46區(qū)間路段的端部48處理器
50輸出單元100檢測鐵軌損毀/車輛存在的方法流程圖200三維決策平面202決策表面損毀區(qū)域206決策表面非損毀區(qū)域208決策表面車輛存在區(qū)域
300源電阻補償電路400源電阻補償電路500在電流傳感器之間同步、測試和通知的方法流程圖600對電流傳感器同步的方法流程圖700對電流傳感器測試的方法流程圖800在電流傳感器之間進行通知的方法流程圖900檢測鐵軌損毀/車輛存在的方法流程圖
權利要求
1.一種在沒有絕緣節(jié)的鐵路軌道(12)的區(qū)間(24)中進行鐵軌中通知的方法，所述方法包括 經(jīng)由鐵路軌道(12)在多個傳感器(38)之間以同步格式傳送和接收通知幀，所述多個傳感器響應于沿鐵路軌道(12)的區(qū)間的希望部分電壓模式的變化；并且 監(jiān)視所述通知幀以確定在鐵路軌道(12)的區(qū)間(24)中鐵軌損毀或鐵路車輛的存在。
2.如權利要求I所述的方法，其中經(jīng)由鐵路軌道以同步格式傳送和接收通知幀包括經(jīng)由鐵路軌道(12)以時分多址格式傳送和接收通知幀。
3.如權利要求2所述的方法，其中經(jīng)由鐵路軌道以同步格式傳送和接收通知幀包括經(jīng)由鐵路軌道(12)傳送和接收具有消息結構的傳感器ID，所述消息結構標識特定傳感器(38)是否已經(jīng)感測到或獲知鐵路軌道(12)的區(qū)間(24)內(nèi)鐵軌損毀或鐵路車輛的存在。
全文摘要
本發(fā)明涉及損毀鐵軌和軌道車輛檢測的系統(tǒng)和方法。鐵軌損毀或鐵路車輛檢測系統(tǒng)包括能夠補償電壓源的電壓源，電壓源被耦合到?jīng)]有絕緣節(jié)的鐵路軌道的區(qū)間內(nèi)的多個區(qū)段的每一個。提供有多個電流傳感器，每個電流傳感器耦合到各自的電壓源且被配置成響應于電壓模式變化而感測流過電流傳感器的電流。每個電流傳感器還被配置成基于電流測量值確定多個特征并將特征與預先確定的決策表面進行比較，以檢測軌道的預先確定區(qū)間上鐵路車輛或鐵軌損毀的存在。電壓源或電流傳感器適于控制電壓電平和每個電壓源的極性。一種通知鐵軌損毀或鐵路車輛的存在或不存在的方法采用鐵軌中TDMA通知機制直接在傳感器之間同步、測試和通知，而不使用外部控制器。
文檔編號B61L23/04GK102616249SQ20121007896
公開日2012年8月1日 申請日期2008年6月2日 優(yōu)先權日2007年6月1日
發(fā)明者E·A·安達拉維斯, J·M·弗里斯, T·A·安德森 申請人:通用電氣公司