专利名称：通过测定下坠速度来检测脱轨情况的制作方法
技术领域：
本发明关于识别有轨车辆车轮装置的脱轨情况的方法，其中用一个加速度传感器测量车轮装置垂直于轨道平面的加速度。
本发明进一步关于一个装置用于识别有轨车辆车轮的脱轨情况，它设有至少一个加速度传感器以获取车轮垂直于轨道平面的加速度，其中加速度传感器配备有分析单元，用于分析由加速度传感器产生的加速度信号。
例如，一列有轨车辆的一个车轮或车轮装置，可能会受到因地形而造成的类似静态加速度的影响，但也有可能受到由脱轨引起的加速度的影响。然而，关于脱轨的探测，在此我们仅关心车轮装置垂直于轨道平面运动时所产生的加速度。以下，垂直于轨道平面地作用于车轮装置上的加速度将被称为下坠加速度。这样，由这些加速度引起的垂直的速度，在本文件中也将被称为下坠速度。
此下坠速度在脱轨的情况下，可能因重力加速度及由主要弹簧松开所引起，其中车轮或车轮装置的下坠运动的终点通常由固定的行车道决定。
可以测量加速度比例的传感器用于有轨车辆时不够坚固。而坚固的传感器又不能测量出比例；由于其有一个低频限值，因此不能测出缓慢的加速度变化。另外，信号的测量通常由于受飘移现象的影响显示出偏差。当使用坚固的传感器时，造成产生的加速度信号振幅曲线的不是车轮装置加速度的类似静态部分，而主要是飘移现象和低频电磁的输入。
DE 199 53 677 C1揭示了上述种类的一个方法。该已知文件描述了一个用于识别限定轨道车辆的脱轨情况的方法。出于此目的，限定轨道车辆的直接或间接与轨道接触的结构性元件的加速度，在垂直及/或平行于车辆运动的方向进行测定。加速度信号随时间双倍整合，且将该双倍整合的加速度信号与一个高限值及/或低限值进行比较，如该信号不在这些限值的范围之内，则脱轨情况发生。
在这已知的实施例中有一个缺点，即双倍整合会产生一个非常低的信噪比。例如，一个简单整合可以使每十个一组的信号的信噪比降低20分贝。一个双倍整合将会使每组的信噪比降低40分贝。因此，如果进行双倍整合，一个低频干扰信号将会被放大到以10的倍数(20分贝)大于实际有用信号-即下坠加速度。双倍整合中分析电子部件是设定了苛刻的要求，因此，产品成本非常高。另外，如利用已知的方法或系统，由于需要昂贵的分析电子部件，对于脱轨情况的识别可能会产生延迟。
因此提供一种简单，价格合理，快速并且可行，可靠程度高的识别车轮装置脱轨情况的方法，成为本发明的目标。
根据本发明，这个问题可采用本文初始时提及的方法得到解决加速度传感器通过一个预定量的时间框用简单整合的方法产生加速度信号，从此信号可断定车轮在轨道平面的方向的下坠速度，根据此下坠速度测定是否有脱轨情况。
通过对加速度信号进行简单整合测定瞬间下坠速度，相当程度地简化了对脱轨情况的检测，这都要归功于此发明。简单整合所产生的信噪比基本上优于多重整合；因此，分析电子部件的要求也不再那么苛刻。换句话说，它只需一个简单，价格合理的分析电子结构。而且，基于本发明的解决办法简化为一个简单、只需硬件执行的装置，因此，脱轨情况检测的可靠性进一步得到提高。
在本发明的第一个变化中，用下坠速度的值与下坠速度限值进行比较，其中当超出下坠速度限值时则可识别为脱轨情况。
根据本发明的第二个变化，可以由下坠速度的时间曲线来得出脱轨情况的结论。
在本发明的一项优选实施例中，加速度信号是于车轮轮轴区域产生。
在整合前消除包括在加速度信号中的低频干扰部分以改善信号分析及增进此方法抗干扰的稳定性。
使用高通滤波器可以方便地消除干扰部分。
为能够正确地通过整合重组下坠运动的发展，将被整合的加速度信号的多个独立频率部分的波封延迟在过滤期间将保持不变。
有利的是，加速度信号的整合在每个连续的时间框中执行，其中每个时间框的终点将形成下一个时间框的起点。然而，加速度信号的整合也可以在每个连续的时间框中执行，其中连续的每个时间框将彼此交迭。
一种前面提过的装置特别地适合用于执行基于此发明的方法，其中分析单元如下述组建通过简单整合，从一个预定量的时间框中，测定车轮在轨道平面的方向的下坠速度，并根据此测定的下坠速度，可以检测是否有脱轨情况存在。
分析单元更适宜如此组建，从而可以将已测定的下坠速度与下坠速度限值进行比较，由此当超出下坠速度限值时可以识别出已脱轨情况。
另外，分析单元可以如此组建，从而可以根据下坠速度的时间曲线识别已脱轨情况。
在此发明的一项优选的实施例中，加速度传感器被设置于有轨车辆车轮的轮轴区域。
另外，可以用一个滤波器在整合之前消除出现在加速度信号中的低频干扰部分，其中滤波器最好为一个高通滤波器。
另外，滤波器对于加速度信号频率部分的相位关系实质上无影响。
在下列方法中还可以达到其他优点分析单元可以如此组建，从而在每个连续的时间框中对加速度信号进行整合，其中每个时间框的终点形成下一个时间框的起点。
在此发明的另一个变体中，分析单元也可以组建为在每个连续的时间框中对加速度信号进行整合，其中连续的时间框将一节一节地相交迭。
加速度感应器更为有利地安排在有轨车辆每个车轮的区域。
此发明加上其他优点将在下面根据图中所示的一些非限定性实施例进行更详细地解释。图表所示如下
图1为一个有轨车辆，其设有用于执行基于此发明的方法的装置；图2为一个基于此发明的装置的块状图；及图3为脱轨情况下在一个时间框内有轨车辆的下坠速度的时间曲线。
根据图1，为识别有轨车辆的脱轨情况执行基于此发明的方法，加速度信号由有轨车辆的车节DRE区域产生。为此，基于此发明的装置具有一个加速度传感器BSE，其被设置在有轨车辆的车轮或车轮装置RAD的轮轴AXL上。一个加速度传感器BSE最好设置于每个车轮RAD的区域，例如，在每个轮轴AXL上。
所探讨的此发明的一个基本要素为，当加速度传感器BSE的作用的方向基本地垂直于运动方向-即垂直于轨道平面ε时，能够获得特别可靠且有代表性的测量结果。图中用一个箭头FAR显示出有轨车辆的运动方向，其中加速度传感器BSE的作用方向垂直地于图的平面延伸。加速度传感器BSE的作用方向，在此文中，即传感器能够更适宜的获得加速力并传输信号的方向。
例如，加速度传感器BSE可以被制成压电传感器，其中在所知的方法里，压电晶体被设置在两个平行延伸的电容板中间。当使用这种传感器时，因为两个电容板基本垂直地于有轨车辆的方向延伸，因此可以达到加速度传感器的作用方向与运动方向的一致。自然，也可以使用其他机械结构已知的加速度传感器。专家熟知许多此种传感器，因此在这点上不再进行更详细的论述。
根据图2，由加速度传感器BSE产生的加速度信号BSI被传输进分析单元ASW，其可以通过电线、玻璃纤维或无线电缆例如无线电或蓝牙自加速度感应器BSE将加速度信号BSI传输到分析单元ASW。分析单元可以为一个对应编程的微处理器或信号处理器，尽管在一项优选实施例中，出于更安全的原因优选为纯硬件设计装置的分析单元ASW。
从分析单元ASW中通过一个预定量的时间框，简单整合INT的加速度信号，中用的方法在轨道平面ε的方向上测定车轮RAD或车轮装置的下坠速度FAG。对加速度信号BSI的整合可以在连续的时间框或在连续的时间间隔中进行，其中一个时间框的终点可以形成下一个时间框的起点。另外，连续的时间框也有可能部分地相互交迭。基本上，也有可能在连续的时间框之间出现间隔。
加速度信号BSI的整合可以以数字式或类比式方法进行。对信号在预定时间段内进行数字或类比整合的电路及方法为大量专家所熟知，在此不再做更详细的解释。
当在该时间框中对车轮RAD或车轮装置当前的下坠速度FAG进行计算后，将该速度与下坠速度限值GFG进行比较，其中当超出速度限值时可以识别出已脱轨情况。当脱轨情况发生，在该时间框中测定的下坠速度将得到正常情况(如当火车跑过扳道岔时)下绝不可能得到的值，因为在常规操作下，提升到高速时的加速度非常慢，这即是为什么测出脱轨情况的可能性非常大的原因。换句话说，即在脱轨情况下时间框中的加速度信号整合所呈现的值，在常规操作下不可能达到。
首先，根据已测定的加速度信号整合的值，其中此值的上下界限是通过该特定时间框设定，可以得出有脱轨情况的结论。另外，从一特定时间间隔中的下坠速度曲线(其为时间的函数)亦可以得出有脱轨情况的结论。
根据图3，整合间隔中下坠速度FAG的时间曲线的变化，此处图中所示为大约一秒，可以一个预先确定的值显示为脱轨情况。如前面所述，图3中所示的下坠速度FAG的时间曲线为通过对加速度信号BSI的一次性整合所获得的。其中从轨道平面ε来看，相关的加速度传感器BSE的运动方向为指向上方的，因此有轨车辆在轨道平面方向的下坠运动在时间曲线上则显示为负速度。自然，加速度传感器BSE的作用方向也可以指向轨道平面ε的方向，由此则将得到延着0线NUL反映出的下坠速度FAG的发展状况。
有轨车辆下坠运动的终点的特征为时间曲线的最小值MIN。脱轨时最小值MIN在时间上与行车道及有轨车辆发生的撞击相符合。接着在行车道上因撞击而产生的向上的加速度则产生一个正的下坠速度值。
此外，分析单元ASW可以具有一个滤波器FIL用于在整合前消除低频干扰，如可能由漂移现象及低频电磁干扰所引起的干扰，以改良信噪比。为了将有用的信号和干扰信号精确地区分开，更适宜使用一个能从阻滞区到畅通区进行快速转换的滤波器。在阻滞的与畅通的频率范围之间进行快速转换的滤波器可以改变将被整合的信号的多个个体频率部分之间的相位。因此，下坠运动过程不能通过整合的方法正确重组。
此即为何更适宜使用一个不会改变信号中多个个体频率部分之间的相位关系的滤波器。例如，能够满足这种条件的贝塞尔(Bessel)滤波器或有限脉冲回应(FIR)滤波器。更适宜采用属于贝塞尔(Bessel)滤波器系列的高通滤波器对信号进行过滤。在实际应用中出于安全的考虑，贝塞尔(Bessel)滤波器比有限脉冲回应(FIR)滤波器更为适宜，因为比较之下有限脉冲回应(FIR)滤波器的反应时间更长。
总而言之，因为在硬件技术方面装设简便，且又很适合用于需要极高安全考虑的实际应用，所以可以说基于此发明的方法提供了很大的好处。
权利要求
1.识别有轨车辆车轮(RAD)脱轨情况的方法，其中用至少一个加速度传感器(BSE)来测量车轮(RAD)垂直于轨道平面(ε)的加速度，其特点体现于通过在一个预定量的时间框中用简单整合(INT)的方法由加速度传感器(BSE)生成加速度信号(BSI)，可以测定在轨道平面(ε)的方向车轮(RAD)的下坠速度(FAG)，且其中，根据测定的下坠速度(FAG)，可以检测出是否有脱轨情况存在。
2.根据权利要求1的方法，其特点体现于将所测定的下坠速度与下坠速度限值(GFG)比较，其中当超出下坠速度限值(GFG)时则可得出有脱轨情况存在的结论。
3.根据权利要求1的方法，其特点体现于由下坠速度(FAG)的时间曲线可得出有脱轨情况存在的结论。
4.根据权利要求1-3其中一项的方法，其特点体现于加速度信号(BSI)产生于有轨车辆车轮(RAD)的轮轴(AXL)区域。
5.根据权利要求1-4其中一项的方法，其特点体现于在整合(INT)前用过滤方法(FIL)消除包括在加速度信号(BSI)中的低频干扰部分。
6.根据权利要求1-5其中一项的方法，其特点体现于使用高通过滤消除干扰部分。
7.根据权利要求1-6其中一项的方法，其特点体现于使被整合的加速度信号(BSI)多个频率部分的相位关系在过滤(FIL)中互相保持。
8.根据权利要求1-7其中一项的方法，其特点体现于在每个连续的时间框中执行对加速度信号(BSI)的整合(INT)，其中每个时间框的终点形成下一个时间框的起点。
9.根据权利要求1-8其中一项的方法，其特点体现于加速度信号(BSI)的整合在每个连续的时间框中执行，其中连续的时间框一节一节地相互交迭。
10.根据权利要求1-9其中一项的方法，其特点体现于加速度信号(BSI)产生于有轨车辆每个车轮(RAD)的区域。
11.用于识别有轨车辆车轮(RAD)脱轨情况的装置，用至少一个加速度传感器(BSE)，获取车轮(RAD)垂直于轨道平面ε的加速度，其中加速度传感器(BSE)设有一个分析单元(ASW)，用于对加速度传感器(BSE)产生的加速度信号(BSI)进行分析，其特点体现于将分析单元(ASW)配置为在一个预定量的时间框内从加速度信号(BSI)中通过简单整合(INT)的方法在轨道平面ε的方向上测定车轮(RAD)的下坠速度(FAG)，且其中，根据此测定出的下坠速度(FAG)，可以检测出是否有脱轨情况存在。
12.根据权利要求11的装置，其特点体现于分析单元(ASW)如此组建，用来将测定的下坠速度(FAG)与下坠速度限值(GFG)进行比较，其中当超出下坠速度限值(GFG)时，则可得出有脱轨情况存在的结论。
13.根据权利要求11的装置，其特点体现于分析单元(ASW)如此组建，用于根据下坠速度(FAG)的时间曲线来识别脱轨情况。
14.根据权利要求11-13其中一项的装置，其特点体现于加速度传感器(BSE)设置在有轨车辆的车轮(RAD)的轮轴(AXL)区域。
15.根据权利要求11-14其中一项的装置，其特点体现于用一个滤波器(FIL)在整合(INT)前消除包括在加速度信号(BSI)中的低频干扰部分。
16.根据权利要求15的装置，其特点体现于滤波器(FIL)为一个高通滤波器。
17.根据权利要求15或16的装置，其特点体现于滤波器(FIL)对于加速度信号(BSI)频率部分间的相位关系基本上不会有影响。
18.根据权利要求11-17其中一项的装置，其特点体现于组建分析单元(ASW)用来在每个连续的时间框中对加速度信号(BSI)进行整合(INT)，其中每个时间框的终点将形成下一个时间框的起点。
19.根据权利要求11-17其中一项的装置，其特点体现于组建分析单元(ASW)用来在每个连续的时间框中对加速度信号(BSI)进行整合，其中每个连续的时间框一节一节地相互交迭。
20.根据权利要求1-19其中一项的装置，其特点体现于加速度传感器(BSE)设置于有轨车辆的每个车轮(RAD)的区域。
全文摘要
用于识别有轨车辆车轮(RAD)的脱轨情况的方法和装置，其中用至少一个加速度传感器(BSE)测量车轮(RAD)垂直于轨道平面(ε)的加速度，由此在一个预定量的时间框中加速度传感器(BSE)通过简单整合(INT)的方法产生加速度信号(BSI)，从此信号中可以测定车轮(RAD)在轨道平面(ε)的方向的下坠速度(FAG)，及根据测定的下坠速度(FAG)检测出是否有脱轨情况存在。
文档编号B61K13/00GK1787941SQ200480012943
公开日2006年6月14日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年5月15日
发明者格哈德·卢埃格尔, 克里斯敦·格兹米勒, 谢勒特·萨尔斯格伯, 迈克尔·施米佳 申请人:西门子运输系统有限公司