专利名称：损毁铁轨和列车检测的系统和方法
损毁铁轨和列车检测的系统和方法本发明申请是本发明申请人于2008年6月2日提交的、申请号为200810109571. 3、发明名称为“损毁铁轨和列车检测的系统和方法”的发明申请的分案申请。背景本发明整体上 涉及铁轨损毁和车辆检测系统，并且更具体地，涉及长区间(long-block)多区段(multi-zone)的铁轨损毁(rail break)或车辆检测系统，以及使用这样的系统检测铁轨损毁和/或车辆的方法。传统的铁道系统采用铁路轨道作为信号传输路径的一部分来检测区间路段中列车或铁轨损毁的存在。在这样的方法中，所述轨道被电区分为多个路段，每个路段都具有预先确定的长度。每个路段形成一部分电路，并且被称作轨道电路。在所述轨道电路的任一端分别设置有发送器设备和接收器设备。所述发送器设备连续传送或以可变间隔传送用于检测列车或铁轨损毁的信号，并且所述接收器设备接收所传送的信号。如果在所述轨道电路所形成的路段中不存在列车或铁轨损毁，则所述接收器接收由所述发送器所传送的信号。如果存在列车或铁轨损毁，那么由于由所述轨道和损毁(break)或轨道和列车所形成的电路有所变化，所以所述接收器接收由所述发送器所发送的修改信号。通常，列车存在通过从铁轨到铁轨添加分流电阻来对所述轨道电路进行修改。损毁存在则通过在铁轨中添加阻值增大的电阻来对所述电路进行修改。损毁或列车检测通常是通过将所接收的信号与阈值进行比较来完成的。传统的轨道电路通常被应用于长度约2. 5英里的区间以用于检测列车。在这样的区间中，列车应当表现出0.06欧姆或更小的列车分流电阻(shunt resistance),并且道碴电阻或独立铁轨之间的电阻通常会大于3欧姆/1000英尺。随着区间长度变长，轨道电路的总体电阻由于铁轨之间的道碴(ballast)电阻的并联增加而有所降低。通过并联电流路径的这种增加，附加的电流流过道碴和轨枕(tie)并且按比例较少地流过接收器。因此，所述轨道电路的信噪比随着更长的区间长度而变差。在一个示例中，对于较长的区间(例如，大于3英里)，则可以采用基于光纤的轨道电路来检测列车和铁轨损毁。然而，用于实施基于光纤的轨道电路的成本相对较高并且耐用性较差。在另一个示例中，增加道碴电阻，并可以相应地增加轨道电路的区间长度。然而，所不希望看到的是，用于维护相对高的道碴电阻的维护费用很高。需要一种改进的长区间铁轨损毁或车辆检测系统和方法。如果所述改进的长区间铁轨损毁或车辆检测系统和方法在改善功能可靠性的同时对电源和轨道线路电阻的变化进行补偿以减少错误正信号和错误负信号，就将是有益和有利的，所述错误正信号指示与事实不符的损毁或列车的存在，所述错误负信号则没有能够指示与事实实际上相符的损毁或列车的存在。
发明内容
依据本发明的一个实施例，一种用于检测在铁路轨道的区间中铁路车辆的存在或铁轨损毁的方法，包括经由多个电压源将多个电压模式施加在具有多个区段的轨道区间两侧；基于所述多个电压模式确定多个特征(signature);并且将所述多个特征与预先确定的标准进行比较来检测在铁路轨道的区间中铁轨损毁或铁路车辆的存在。依据本发明的另一个实施例，一种用于检测在包括多个区段的铁路轨道区间中铁路车辆的存在或铁轨损毁的系统，包括多个电压源，每个电压源耦合到所述多个区段之一；和多个电流传感器，每个电流传 感器耦合到各自的电压源并且被配置成响应于所述多个电压源所生成的电压模式的变化而对流过所述电流传感器的电流进行感测，并且进一步被配置成基于所感测的电流生成多个特征并将所述特征与预先确定的标准进行比较以检测在铁路轨道的区间中铁轨损毁或铁路车辆的存在。依据本发明的又另一个实施例，一种在没有绝缘节的铁路轨道区间中进行铁轨中(in-rail)通知(communicate)的方法,包括经由铁路轨道在多个传感器之间以同步格式传送和接收通知帧，所述多个传感器响应于沿铁路轨道的区间的希望部分电压模式的变化；并且监视所述通知帧以确定在铁路轨道的区间中铁轨损毁或铁路车辆的存在。依据本发明的再另一个实施例，一种用于对具有多个区段的铁路轨道区间中铁轨损毁或铁路车辆的存在进行通知的方法，包括在没有绝缘节的铁路轨道的区间中，经由通知机制对沿所述铁路轨道的区间设置的多个传感器之间的通知进行同步；经由多个电压源将多个电压模式施加在具有多个区段的轨道的区间两侧；经由所述多个传感器监视所述多个电压模式的变化，以检测在所述铁路轨道的区间的一个或多个区段中铁轨损毁或铁路车辆的存在；并且在所述多个传感器之间以时分多址(TDMA)格式通知传感器ID，所述传感器ID指示在所述铁路轨道的区间的一个或多个区段内铁轨损毁或铁路车辆的存在或不存在。
通过参考附图阅读以下详细描述，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面及优势，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中图I是依据本发明一个实施例的铁轨损毁或车辆检测系统的框图；图2是表示沿依据图I的铁轨损毁或车辆检测系统的区间路段有间隔地安置的电压源的顺序切换的表，其中“O”指示发送器关闭，并且“I”指示发送器打开；图3是图示由电流传感器响应于依据图I的铁轨损毁或车辆检测系统的区间路段有间隔地安置的电压源的顺序切换而感测的电流的表；图4是图示依据本发明一个实施例的检测铁轨损毁或车辆存在的方法的流程图；图5是图示依据本发明一个实施例的用于检测铁轨损毁的决策表面的示意图；图6是图示依据本发明一个实施例的用于检测铁轨损毁和/或车辆(诸如列车)的存在的二维决策表面的不图；图7是图示图6所示的决策表面的二维视图的示图；图8是图示图6所示的决策表面的另一个二维视图的示图；图9是图示依据本发明示例性实施例的适于实施图I所示的铁轨损毁或车辆检测系统中图示的电压源的源电阻补偿电路的示意图；图10是图示依据本发明示例性实施例的适于实施图I所示的铁轨损毁或车辆检测系统中图示的电压源的另一种源电阻补偿电路的示意图11是图示依据本发明示例性实施例的在图I所示的电流传感器之间进行同步、测试和通知的方法的流程图；图12是依据本发明示例性实施例的图11中所示的同步阶段的详细流程图；图13是依据本发明示例性实施例的图11中所示的测试阶段的详细流程图；图14是依据本发明示例性实施例的图11中所示的通知阶段的详细流程图；和图15是图示依据本发明另一实施例的检测铁轨损毁或车辆存在的方法的流程图。虽然以上附图给出了选择性的实施例，但是如讨论中所提及的，也可以预期本发明的其它实施例。在所有情况下，本公开通过表示而非限制的方式给出本发明所图示的实施例。本领域技术人员所能够作出的多种其它修改和实施方式均落入本发明原则的精神和范围之内。
具体实施例方式总体上参考图1，依据本发明的一个实施例，图示了一种铁轨损毁或车辆检测系统，并且总体上由附图标记10来表示。在所图示的实施例中，系统10包括铁路轨道12，所述铁路轨道12具有左侧铁轨14、右侧铁轨16和在铁轨14、16之间延伸并通常相对其横向放置的多个轨枕18。轨枕18耦合到铁轨14、16并为铁轨14、16提供横向支撑，所述铁轨14、16被配置成方便车辆(诸如列车、有轨电车、测试车辆等)的移动。在所示的实施例中，具有感测导线21、23和电压源电阻22的多个(N个)电压源20提供4线感测以降低源电阻，并且沿区间路段24在位置11、13、15、17和19产生所希望的源阻抗，所述区间路段24形成于铁路轨道10的两对绝缘节(insulated joint)26、28之间。源电阻22不是固定的，并且随电压源20的类型、连接、轨道接口面板等而变化。每个电压源20进而包括相应的源电阻22并且被提供于铁轨14、16之间。结果，区间路段24被划分为多个区段30、32、34和36。在所示的示例中，铁路轨道12的区间路段24的长度约10英里。所述区间路段的每个区段的长度约2. 5英里。然而，本领域技术人员将意识到，区间路段24和区段30、32、34和36的具体长度并不是本发明的必要技术特征。类似地，区段、电阻和电压源的数量也不是本发明的必要技术特征。电压源的示例可包括静态或编码的DC电压源、静态或编码的AC电压源等。在所示的实施例中，电压源20被配置成将电压施加在铁路轨道12的区间路段24两侧。当电压源20的极性相同时，流过每个源电阻22的电流之和表示总的道碴泄漏电流(ballast leakage current)。 系统10进一步包括多个电流传感器38，每个电流传感器38与相应的电压源20串联耦合。电流传感器38被配置成响应于相应的(多个)电压源20所生成的电压模式的变化来检测流过所述电流传感器的电流。在另一个示例性实施例中，系统10可包括多个电压传感器，每个电压传感器耦合在相应的电压源20及其各自的源电阻22两端。如本领域技术人员已知的，可以基于检测到的电压和实际源电阻22来确定流过源电阻22的电流。控制单元42与电压源20和电流传感器38通信。在一个实施例中，控制单元42适于接收来自电流传感器38的输入，并且监视流过每个区段的电流的变化来检测铁路轨道12的区间路段24上的铁轨损毁或存在的列车。在可选的示例性实施例中，多个控制单元可以被用来接收来自电流传感器38的输入，并且监视流过每个区段的电流的变化来检测铁路轨道12的区间路段24上铁路车辆 的存在或铁轨损毁。一个实施例在每个电流传感器38内包括控制单元。如以下进一步描述的，每个电流传感器38被配置成使用铁路轨道12作为通信介质来经由这些内部控制单元直接与其相邻的电流传感器进行通信。在该实施例中，不需要外部控制单元42，原因在于这些内部控制单元本身就被配置成基于响应于电压源20所生成的电压模式的变化所感测到的流过电流传感器38的电流来确定一个或多个特征(signature)。在一个实施例中，将这些特征与预先确定的决策表面(decision surface)进行比较来确定在区间路段24内铁轨损毁或铁路车辆的存在。在一个实施例中，控制单元42被配置成从区间路段24的第一端44向第二端46对多个(N个)电压源20进行顺序切换。在另一个示例性实施例中，控制单元42被配置成从区间路段24的第二端46向第一端44对多个电压源20进行顺序切换。在又另一个实施例中，控制单元42被配置成随机地或以预定顺序地对多个电压源20进行切换。对于一个实施例而言，这种切换还能够由上述内部电流源控制单元进行控制，所述内部电流源控制单元被配置成与另一个内部电流源控制单元同步进行通信，而不需要外部控制单元42。例如，所述多个(N个)电压源20在一个时间周期期间进行切换，以使得所有的电流源被同时设置为所希望的正电压电平。当所有电压源20在提供着希望的正电压电平时，通过测量流过电流传感器38的电流来为每个电流传感器38确定第一特征。例如，还可以对多个电压源20进行切换，以使得在所希望的时间周期仅有一个电压源20被设置到所希望的正电压电平，而所有剩余的电压源20保持在O伏特。重复该过程，直至每个电压源20在各自的时间周期应用所希望的电压电平，而所有其它的电压源20应用O伏特，从而为N个电压源20产生N个测量值。从所述N个测量值形成与每个电流传感器38相关联的第二特征。在一个实施例中，所述第二特征是响应于电流传感器38各自的电压源20而流过电流传感器38的电流，其中所述电压源20正在生成正电压，而所有剩余的电压源20处于O伏特。在一个实施例中，第三特征是当电流传感器38各自的电压源20被设置为O伏特而且在电流传感器任一侧上仅仅有一个的不同电压源20被同时设置为所希望的电压电平时流过所述电流传感器38的电流。本领域技术人员将容易意识到，仅根据所要获得的测量值的所需类型、准确等级和可靠性，就能够采用任意数量的特征。例如，所希望的电压电平还可以是I伏特或者能够被调整比例以在特征之间形成关系的适当电压电平的任意组合。在没有检测到铁轨损毁或者铁路轨道12的区间路段24没有被铁路车辆占据时，在具有如上述顺序排列的电压源20的特定区段中检测到特定电流，并且所述电压源20分别处在所述特定区段的任一端处。例如，如果区段30在电压定序过程期间的特定时刻在其端处具有电压源20，则在没有检测到铁轨损毁或铁路轨道12的区间路段24没有被铁路车辆占据时，在区段30中检测到特定电流。当检测到铁轨损毁或铁路轨道12的区间路段24被铁路车辆的车轮所占据时，在具有分别位于特定区段的任一端的有序(sequenced)电压源20的所述特定区段中检测到电流的可忽略的变化。例如，如果区段30在电压定序(sequencing)过程期间的特定时刻在其端处具有电压源20，则在检测到铁轨损毁或铁路轨道12的区间路段24被铁路车辆所占据时，在区段30中检测到电流的可忽略的变化。在另一个示例性实施例中，当在分别位于特定区段的任一端的有序电压源20的所述特定区段的特定时刻的电流变化大于预先确定的阈值时，控制单元42适于检测区间路段24中铁轨损毁或车辆的存在。所述预先确定的阈值可以依赖于区间的道碴电阻值的变化，但并不局限于此。控制单元42或电流源控制器被配置成确定区间路段24的多个如前所述的特征值，并接着基于在区间路段24内通过将所述特征值与预先确定的决策表面进行比较来确定损毁或车辆的存在。在其它技术之中，可以使用最优化算法、神经网络和分类算法来创建所述决策表面，所述决策表面能够被用来把铁路轨道12的区间路段24上铁轨损毁和铁路车辆的存在相互区分开。依据本发明的各方面的轨道损毁和轨道车辆的存在之间的区分在以下参考后续附图进一步详细描述。在一个实施例中，控制单元42或电流源控制器均包括处理器48，所述处理器48具有硬件电路和/或软件，所述软件方便对来自电流传感器38和电压源20的信号的处理。本领域技术人员将意识到的是，处理器48可包括计算机、微处理器、可编程逻辑控制器、数字信号处理器、逻辑模块等，但并不局限于此。如之前所讨论的，在所示的实施例中，控制单元42或电流源控制器适于从区间路段24的第一端44向第二端46 (反之亦然，即从第二端46到第一端44)对电压源20进行顺序切换或者对其进行随机切换。还可以分别对电压源20的值和/或极性进行改变和/或切换；并且然后可以对各个电流传感器38的测量值求平均以降低系统和流电(galvanic)误差。在某些实施例中，控制单元42或电流源控制器可以进一步包括数据库和算法，所述算法被实现为由控制单元计算机或处理器48所执行的计算机程序。所述数据库可被配置成存储与铁轨损毁或车辆检测系统10和铁路车辆相关的预定信息。所述数据库还可以包括指令集、映射、查找表、变量等。这样的映射、查找表和指令集可操作来将流过多个区段的电流的特性相关起来以检测铁路车辆的存在或铁轨损毁。所述数据库还可以被配置成存储实际感测或检测到的与电流、铁轨14、16两端的电压、电压源20的极性、区间路段24的道碴电阻值、电流变化的预先确定阈值(多个)、轨道车辆等相关的信息。所述算法可以方便对与电流、电压和轨道车辆相关的感测的信息进行处理。以上所提及的任意参数可以有选择地和/或动态地相对时间进行修改或改动。在一个实施例中，控制单元42或电流源控制器被配置成基于区间路段24的道碴电阻值来更新所述预先确定的阈值，原因在于所述道碴电阻值随环境条件(诸如湿度、降水等)的改变而变化。处理器48经由有线连接端口或短范围无线链路(诸如红外协议、蓝牙协议、IEEE 802. 11无线局域网等)向输出单元50传送指示信号。通常，所述指示信号可以提供简单的状态输出，或者可以被用来基于在区间路段24的多个区段中所检测到的电流而激活或设置标志(诸如，警报)。所述状态输出可以是离散输出、指示或某一类型的通知消息等。现在参考图2，表示位于依据图I所示的多个区段30、32、34、36的位置11、13、15、17和19的电压源20的顺序切换的表。根据一个实施例，并且在这样的顺序切换之前，位于位置11、13、15、17和19的电压源20都被同时切换到正电压，所述正电压可以是对所有电压源20公共的任意希望值。例如，“全部开(all on)”步骤不妨能够用切换步骤来替代，在所述切换步骤中，逐个将每个传感器顺序切换至开或关。图2中的一行上的结果测量值之 和进而能够被用来确定第一特征。随后，如图2中的数字O和I所示，从第一端44到第二端46将位于位置19、17、15、13和11的电压源20进行顺序切换(即，在O伏特和正电压值之间)。也可以单独或与正电压相结合而采用负电压值。接着，能够获得平均值以对噪声进行补偿。上述切换顺序仅仅是一个示例，并且在其它示例性实施例中，切换顺序可以根据需要以预定顺序变化。图3是图示由电流传感器38响应于沿着依据图I的铁轨损毁或车辆检测系统的区间路段24有间隔地安置的电压源20的顺序切换而感测的电流的表。例如，在所示的实施例中，电流传感器38在电压源38的初始排序期间均测量指示流过各自源电阻22的电流的第一组值(特征)。对于一个实施例而言，如之前所提到到，所有电压源在初始定序期间都具有正值。随后，对电压源20进行顺序切换以使得每个电压源20被切换至或保持在正电压值，而所有其它的电压源20则同时被切换为O伏特。电流传感器38均测量指示在各自电压源20生成正电压并且期间所有其它的电压源20都生成O伏特时流过各自电压源电阻22的电流的第二组值(特征)。在上述第二测试中，区段36具有分别位于其任一端的具有正电压和O电压的电压源。由电流传感器38测量的第三组值(特征)指示在各自电压源20被设置为O伏特并且期间在各自电压源20的任一侧上仅仅有一个电压源被设置为生成正电压时流过各自源电阻22的电流。如前所述，一个实施例中的控制单元42或另一个实施例中位于电流传感器38内部的电流源控制器均接收来自多个电流传感器38的输入，对电流进行处理以确定所需的特征数，并且将这些特征与预先确定的决策表面相比较来检测区间路段24中的列车占据或铁轨损毁的存在。如果不存在列车占据或铁轨损毁，则在区段36中检测到特定电流。如果存在列车占据或铁轨损毁，则决策表面中的相应损毁标示在区段36中检测到的电流的可忽略变化。在一个实施例中，区段36中的电流变化大于预先确定的阈值，表明存在列车占据或铁轨损毁。对于区间路段24中的每个区段重复上述过程。能够使用任意所需的特征数来与所述决策表面进行比较；并且特征的数目并不局限于实施例中所描述的数目。控制单元42或电流控制器可被配置成对每个区段的不同组的值(特征)求平均，以便降低系统和流电错误。在一个示例中，对传感器38在一个时间周期具有正值的电流值(特征)与同一个传感器38在不同时间周期具有负值的电流值(特征)的绝对值求平均，以降低系统和流电误差。类似地，可预期任意数目的示例。依据本发明的多个方面，基于电流传感器38的分辨率来确定区间路段的每个区段的区段长度。如之前所讨论的，当检测到铁轨损毁或铁路轨道12的区间路段被轨道车辆的车轮所占据时，在具有分别位于任一端的电压源的特定区段中检测到电流的可忽略的增力口。当在区间路段中检测到铁轨损毁或列车存在时，依据本发明多个方面的电流传感器38能够分辨出电流测量值的变化。区段长度越大，电流测量值的变化就越小。图4是图示依据本发明一个实施例的检测铁轨损毁或车辆存在的方法的流程图100。根据一个实施例，所述方法包括经由多个电压源20同时将正电压施加在铁路轨道12的区间路段24两侧，如步骤102所示。与相应的电压源20串联耦合的每个源电阻22根据其相应的电压源20所施加的电压接收电流。电流传感器38检测流过其相应的电压源电阻22的电流。最初，如步骤104所示，电流传感器38测量指示所有电压源20同时生成正电压时流过每个源电阻的电流的第一组值。 接着顺序地对每个电压源20进行控制以生成正电压，而所有其它的电压源应用O伏特，如步骤106所示。再次，电流传感器38检测流过其相应的电压源电阻22的电流。该实例中的电流传感器38测量指示在对应电压源为该区段生成正电压而与其它区段相关联的所有其它电压源应用O源电压时流过每个源电阻22的第二组值，如步骤108所示。
电流传感器38还测量第三组值，如步骤110所示。该第三组值指示在其相应的电压源被设置成生成O伏特时并且期间仅仅一个的不同电压源20正在生成正源电压时流过每个源电阻22的电流，以形成第三组电流值。接着，基于之前的电流测量值为每个电流传感器38确定三个特征，如步骤112所示。在一个实施例中，将这些特征与预先确定的决策表面进行比较，所述决策表面是通过最优化算法、神经网络或其它适当机制所确定的。通过控制单元42或内部电流源控制器监视所述决策表面的特征变化，以确定车辆的存在或铁轨损毁的存在，如步骤114所示。图15中所示出的另一个实施例示出了检测铁轨损毁或车辆的存在的方法900。在不同时间，N个传感器中的每个传感器38获取正和/或负的源电压，如步骤902所示，而图I所示的铁轨14上的其余传感器获取O伏特。接着，为每个传感器38测量所流过的电流绝对值的平均值来为所述N个电流传感器38中的每一个提供N个测量值，如步骤904所示。 接着从与每个传感器38相关联的N个测量值确定每个传感器38处的三个特征，如步骤906所示。最后，将这些特征与预先确定的标准进行比较来确定铁轨损毁或车辆的存在，如步骤908所示。例如，能够将在步骤906中所确定的各组第一特征、第二特征和第三特征与预先确定的决策表面进行比较，所述决策表面是通过最优化算法、神经网络或其它适当机制所确定的。接着，通过内部电流源控制器或(多个)其它所需的监视单元监视所述决策表面的特征变化以确定车辆的存在或铁轨损毁的存在。图5是图示依据本发明示例性实施例的用于检测铁轨损毁的决策表面200的示意图。如之前所提到的，控制单元42或电流传感器控制器均接收来自多个电流传感器38的电流输入，并且将相应特征与预先确定的决策表面进行比较，如图4中的步骤112所示。如果不存在铁轨损毁，则在区段中检测到由它的测得的特征值所表示的特定电流。如果见到存在有铁轨损毁，则经由对应于各个区段的特征值的变化而在所述各个区段中检测到电流的可忽略的变化，所述区段此时在该区段的决策表面中表现为有损毁。在一个实施例中，如果所述区段中的电流变化大于预先确定的阈值，则检测到铁轨损毁的存在。接着，这样的铁轨损毁在决策表面200的表面图案中表现为损毁区域202。将决策表面200的进一步远离损毁区域202的区域定义为非损毁区域206。图6是图示依据本发明示例性实施例的用于检测铁轨损毁和/或轨道车辆(诸如列车)存在的三维决策表面的示图。控制单元42或(多个)电流传感器控制器从多个电流传感器38接收测得的电流输入，并且将相应特征与预先确定的决策表面进行比较，如图4中的步骤112所示。如果不存在铁轨损毁或者铁路车辆，则在区段中检测到由它的测得的特征值所表示的具体电流。如果见到存在有铁轨损毁或者铁路车辆，则通过对应于各个区段的特征值变化而在各个区段中检测到电流的可忽略变化，所述区段此时在该区段的决策表面中表明有损毁或铁路车辆存在。在一个实施例中，如果所述区段中的电流变化大于预先确定的阈值，则检测到铁轨损毁存在；而如果所述区段中的电流变化大于预先确定的第二阈值，则检测到车辆存在。接着，这样的铁轨损毁在决策表面200的表面图案中表现为损毁区域202，而铁路车辆存在则表现为在三维空间的二维中具有较高特征值的区域208。从损毁区域202和车辆存在区域208移除的所述决策表面的区域206表现为在三维空间的一维中具有较低特征值的区域。
图7是图示图6所示的决策表面的二维视图的示意图，示出了在三维空间的一维(即，特征3的那一维)中具有较低特征值的铁路车辆存在区域206。图8是图示图6所示的决策表面的另一个二维视图的示图，示出了在三维空间的一维(即，特征3的那一维)中具有较低特征值的铁路车辆存在区域206。
图9是图示依据本发明示例性实施例的适于实施图I所示的铁轨损毁或车辆检测系统中图示的电压源电路的源电阻补偿电路300的示意图。源电阻补偿电路300包括源线电阻R3，本发明人发现源线电阻R3对于表面区域202、206和208的分布变化有着不合需要的影响。例如，发现所述源线电阻R3对分布表面200的贡献在于使其产生不合需要的大量的错误的正和负读数。源补偿电路300使用四线(four-wire)体系来实现，所述四线体系包括感测导线21、23，允许对源电压20进行调节直至图I所示的铁轨14、16两侧的电压为O伏特，由此使得源线电阻R3表现为O欧姆的源阻抗。图10是图示依据本发明示例性实施例的适于实施图I所示的铁轨损毁或车辆检测系统中图示的电压源的另一种源电阻补偿电路400的示意图。源电阻补偿电路400也包括源线电阻R3，所述源线电阻R3贡献在于形成产生不合需要的大量的错误的正和负读数的分布表面200。源补偿电路400也使用四线体系来实现，所述四线体系包括感测导线21、23，允许对源电压20进行调节直至在图I所示的铁轨14、16两侧的电压表现为O伏特。然而，源补偿电路400与源补偿电路300的区别在于对源补偿电路400中的源电压进行调节以使得源线电阻R3将被变换成正的源线阻抗R3’而不是O源线阻抗R3。源电阻补偿电路400可用于防止与源电阻补偿电路400相关联的电压源/电流源在铁轨上具有列车时出现饱和，原因在于在使用源电阻补偿电路300时出现在铁轨上的列车会引起电压源/电流源快速达到其最大功率限值。紧记以上原则，以下参考图11-14描述一种在希望的铁路轨道路段中无需绝缘节的情况下检测在一个或多个特定区段中损毁铁轨或铁路车辆的存在的方法。所述方法涉及铁轨中通知(in-rail communication),所述铁轨中通知与已知方法相比提供成本更低的解决方案，原因在于它避免了使用控制单元42，允许每个传感器使用铁轨彼此通信相互通知，并且将信息级联(cascade)送到中央收集点。由于铁路轨道的路段不包括绝缘节，所以所述路段在电上是连续的。因此，为了使传感器38之间的距离最大化，对于铁轨通信应当使用最低频率(即，DC或OHz)。如果所有的传感器38以相同的频率运行，则它们不能同时都进行通知。本发明人认识到可以使用TDMA原理的仲裁(同步)机制，所述仲裁机制在传感器38之间具有公共时间基(timebase)以知晓何时允许它们“发言(speak)”。虽然能够经由无线电或使用GPS来实现传感器38之间的电压极性的定时，但是本发明人认为铁路轨道中的通知能够有利地降低通知系统的成本。因此，以上所讨论的同步机制在传感器38之间提供公共时间基以知晓它们应当何时应用如之前所提到的特定的电源极性。由于铁路轨道的路段中没有绝缘节，所以所传送或接收的任意信息可以比所希望的行进得更远(如果关注轨道车辆检测)，或者潜在地，行进得不够远(如果关注在传感器之间级联与损毁的铁轨和/或车辆检测相关的信息)。因此，对于每个传感器38都需要知晓在与谁进行讲话(传送或接收)。可以在消息比特中加入传感器ID来完成此任务。可以在通知阶段期间采用所建立的通知时隙，以使得消息结构提供传感器ID比特来确保每个传感器38知晓正在与谁进行通信。接下来参考图11-14描述在一个实施例中实现以上的同步和通知机制。现在来到图11，流程图500图示了依据本发明示例性实施例的在图I所示的电流传感器之间进行同步、测试和通知的方法。重要的是，该方法实施时分复用机制，这对于在沿传感器之间的没有绝缘节的铁路设置的传感器之间提供可靠通知是特别有用的。在铁轨损毁或铁路车辆检测系统10运行期间，首先初始化传感器38，如步骤502所示。在该初始化步骤502期间，每个传感器38被分配以唯一标识符，所述标识符表示其相对于其余传感器38中的每一个的物理位置。在初始化步骤502期间，每个传感器38还被提供有系统传感器38的总数(N)。在初始化502之后，系统传感器38进入同步阶段600。框510图示了电流传感器38的顺序同步，其中根据一个实施例，I号传感器包括用于对所有电流传感器38的操作进行同步的主时钟。在一个实施例中，所述主时钟运行的同时，它还等待着调度员所发送的命令信号，或者等待着列车存在，或者等待着某个其它希望的信号(例如，RF信号、直接连线 信号等)。一旦接收到主时钟命令信号，所述主时钟就在铁路轨道14、16上传送同步信号，以允许每个传感器38在同步帧期间顺序地将其各自计时器与所述主时钟同步，如框510所
/Jn ο一旦完成同步阶段600，系统传感器38就进入测试阶段700。在该测试阶段700期间，如框512所示，每个传感器相对于该系统中的其余传感器38顺序地操作(如前面参考图1-10所描述的)来检测其各自检测区段内轨道车辆(诸如列车)的存在或铁轨损毁。当传感器38在其区段内检测到铁路车辆或铁轨损毁的存在时，其进而在通知阶段800期间将该信息传送出去到达所述区段的端处，如框514所示，从而提供指示这种存在的安全信号。。所述区段之外的另一轨道车辆，当接收到传感器的安全信号时，就不可以进入所述区段，否则这种进入会引起安全危害。图12是依据本发明示例性实施例的图11中所示的同步阶段600的详细流程图，其中框510描述了传感器38的高等级同步。如步骤602所示，在同步阶段开始时，首先开启具有主时钟的I号传感器。在开启I号传感器之后，其余所有的传感器都处于监听状态。I号传感器传送其特定的同步标识(ID)并且开启倒计时式计时器。该倒计时式计时器包括长度长到足以允许其余所有的传感器完成其各自的同步周期的缓冲时段。在该缓冲时段期间，每个传感器询问其自身以确定是否是I号传感器，如步骤604所示。如果如步骤605所示，所述传感器不是I号传感器，则其继续监听任意上游的同步ID，如步骤606所示。如果没有获知同步ID，则所述传感器将继续监听任意上游的同步ID，如步骤608所示。如果如步骤610所示获知了同步ID，所述传感器将进行检查以确定所述同步ID是否是从相邻的上游传感器接收的，如步骤612所示。如果如步骤614所示，所述同步ID是从相邻的上游传感器接收的，则接收相邻的上游传感器的同步ID的传感器确定它是否是待同步的最后传感器，如步骤616所示。如果如步骤617所示，所述传感器不是最后传感器，则它传送自己的同步ID，如步骤618所示，并且如步骤620所示，开启它自己的倒计时式计时器，所述倒计时式计时器包括长度长到足以允许其余所有的传感器完成其各自的同步周期的缓冲时段。如果如步骤621所示，所述传感器是待同步的最后传感器，则它的计时器被允许继续它的倒计时直到测试阶段700，如步骤623所示。
如果如步骤603所示，所述传感器不是I号传感器，则其传送自己的同步ID，如步骤607所示，并且允许其倒计时式计时器继续其倒计时周期直至测试阶段700，如步骤609所示。如果所述传感器在步骤612期间没有接收到来自相邻上游传感器的同步ID，如步骤622所示，则所述传感器开始其自己的倒计时式计时器，如步骤624所示，并且继续监听相邻上游同步ID，如步骤626所示，所述倒计时式计时器包括长度长到足以允许其余所有的传感器完成其各自的同步周期的缓冲时段。如果如步骤628所示，没有获知相邻的传感器同步ID，则所述传感器继续监听相邻传感器同步ID，如步骤626所示。如果如步骤630所示，获知了相邻传感器同步ID，则所述传感器确定其是否是待同步的最后传感器，如步骤632所示。如果如步骤634所示，所述传感器是待同步的最后传感器，则其更新自己的内部倒计时式计时器来开始测试阶段700，如步骤636所示。如果如步骤638所示，所述传感器不是待同步的最后传感器，则其传送自己的同步ID，如步骤640所示，并且更新它的倒计时式计时器到测试阶段700的开始，如步骤642所示。图13是依据本发明示例性实施例的图11中所示的测试阶段700的详细流程图，其中框512描述了传感器38的高等级顺序测试。在一个实施例中，测试阶段700开始于在所有电压源生成基线正电压时，施加基线正电压，测量流过每个电流传感器38的电流，如步骤702和704所示，并且与之前参考图4所描述的步骤102和104类似。接着，如步骤706-714所示，通过每个电压源顺序施加正测试电压和负测试电压，而所有其它的电压源施加O伏特，与之前参考图4所描述的步骤106和108类似。如步骤716-726所示，在希望的测试帧周期期间，经由电流传感器38对测试区段顺序执行电流测量。如步骤728所示，当与基线负电压相关联的测试帧周期完成时，对从基线正电压和负电压所产生的电流测量值一起求平均，以产生传感器38的平均基线电流；而对从+/_测试电压所产生的测试电流一起求平均，以产生平均测试电流，如步骤730所示。接着为每个区段确定基于平均基线电流和平均测试电流的绝对值之间的差异的差动电流值，如步骤732所示。如步骤734所示，将每个差动电流值与所希望的阈值进行比较，以确定在各自区段中铁路车辆或铁轨损毁的存在，如步骤736所示。虽然在测试阶段中描述了两个特征(基线平均电压和+/_测试电压模式)，但是如之前所提到的，能够采用任意不同数量的特征类型来进一步细化和增加测试测试测量的可靠性。现在来到图14，详细的流程图描述了依据本发明示例性实施例的通知机制(阶段)800，其中框514描述了传感器38通知帧的高等级同步。在该通知阶段800期间，每个电流传感器38在各自时隙之前保持等待状态，在所述时隙期间允许传感器38进行通知，如步骤802和804所示。接着，所述传感器在各自的时隙期间确定它是否是区段中的最低传感器，如步骤806所示。如果所述传感器是该区段中的最低传感器，则传送其ID，如步骤808所示。在传送其ID之后，所述传感器接着确定它是否见到或获知轨道车辆或损毁铁轨的存在，如步骤810-814所示。所述传感器接着传送见到或已获知轨道车辆或损毁铁轨的存在的传感器的ID，包括传送它自己的ID，如步骤816-822所示。随后，所述传感器继续监听并且接收任何相邻传感器ID以及表明轨道车辆或铁轨损毁的存在的ID，如步骤826所示。如果在通知阶段800的步骤804期间，所述传感器确定其不是区段中的最低传感器，则其进入通知阶段的不同部分，如步骤828-848所示，其中它等待接收相邻的上游传感器ID (传感器ID包括通知铁路车辆或铁轨损毁的存在的比特)，它然后把所述上游传感器ID传送到通信铁轨总线上。如果整个通知阶段完成，如步骤850所示，则经由希望的通知协议将铁路车辆或铁轨损毁的存在或者不存在传送到希望的目的地，如步骤852-854所示。如果整个通知阶段还没有完成，则通过循环回到步骤802继续该过程，其中在步骤802中，每个传感器继续等待其时隙，此时继续上述整个过程直至其完成，如步骤850所示。当通知阶段80完成，所述传感器就能够重复前面的过程或进入休眠模式以再次等待来自调度员的命令信号、触发
号等。 虽然仅在此图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员能够做出许多修改和变化。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在覆盖所有均落入本发明的本质精神之内的修改和变化。附图标记10铁轨损毁/车辆检测系统11区间路段内的位置12铁路轨道13区间路段内的位置14左侧铁轨15区间路段内的位置16右侧铁轨17区间路段内的位置18 轨枕19区间路段内的位置20电压源21感测导线22电压源电阻23感测导线24区间路段26绝缘节28绝缘节30区间路段内的区段32区间路段内的区段34区间路段内的区段36区间路段内的区段38电路传感器42控制单元44区间路段的端部46区间路段的端部48处理器
50输出单元100检测铁轨损毁/车辆存在的方法流程图200三维决策平面202决策表面损毁区域206决策表面非损毁区域208决策表面车辆存在区域
300源电阻补偿电路400源电阻补偿电路500在电流传感器之间同步、测试和通知的方法流程图600对电流传感器同步的方法流程图700对电流传感器测试的方法流程图800在电流传感器之间进行通知的方法流程图900检测铁轨损毁/车辆存在的方法流程图
权利要求
1.一种在没有绝缘节的铁路轨道(12)的区间(24)中进行铁轨中通知的方法，所述方法包括 经由铁路轨道(12)在多个传感器(38)之间以同步格式传送和接收通知帧，所述多个传感器响应于沿铁路轨道(12)的区间的希望部分电压模式的变化；并且 监视所述通知帧以确定在铁路轨道(12)的区间(24)中铁轨损毁或铁路车辆的存在。
2.如权利要求I所述的方法，其中经由铁路轨道以同步格式传送和接收通知帧包括经由铁路轨道(12)以时分多址格式传送和接收通知帧。
3.如权利要求2所述的方法，其中经由铁路轨道以同步格式传送和接收通知帧包括经由铁路轨道(12)传送和接收具有消息结构的传感器ID，所述消息结构标识特定传感器(38)是否已经感测到或获知铁路轨道(12)的区间(24)内铁轨损毁或铁路车辆的存在。
全文摘要
本发明涉及损毁铁轨和轨道车辆检测的系统和方法。铁轨损毁或铁路车辆检测系统包括能够补偿电压源的电压源，电压源被耦合到没有绝缘节的铁路轨道的区间内的多个区段的每一个。提供有多个电流传感器，每个电流传感器耦合到各自的电压源且被配置成响应于电压模式变化而感测流过电流传感器的电流。每个电流传感器还被配置成基于电流测量值确定多个特征并将特征与预先确定的决策表面进行比较，以检测轨道的预先确定区间上铁路车辆或铁轨损毁的存在。电压源或电流传感器适于控制电压电平和每个电压源的极性。一种通知铁轨损毁或铁路车辆的存在或不存在的方法采用铁轨中TDMA通知机制直接在传感器之间同步、测试和通知，而不使用外部控制器。
文档编号B61L23/04GK102616249SQ20121007896
公开日2012年8月1日 申请日期2008年6月2日 优先权日2007年6月1日
发明者E·A·安达拉维斯, J·M·弗里斯, T·A·安德森 申请人:通用电气公司