检测列车分离的制作方法
【专利摘要】该申请描述用于检测列车分离的方法和装置，其中一个或多个铁路车厢/车架（401）意外地与列车的剩余部分解耦。该方法包括对至少一个光纤（104a、104b）执行分布式声感测以提供沿着铁路（201）的多个纵向声传感器部分。该声响应被分析以检测指示列车分离的识别标志。这可以包括检测与列车的不同部分相关联的声事件（302、303）以及检测两个事件之间的分离何时超过阈值量。该方法可以标识列车的前部和列车的后部并且检测前部和后部之间的距离何时改变多于阈值量和/或与轮副通过轨道特征（402）相关联的声音可以被用来确定邻近车厢的轮副之间的间隔（T3、T4）和确定该间隔何时超过阈值量。该阈值可以基于同一车厢的轮副通过轨道特征之间的间隔（T2）。
【专利说明】检测列车分离
[0001]本发明涉及铁路上列车区段的分离的检测，并且尤其涉及用于使用光纤分布式声感测来检测列车分离/分裂的方法和装置。
[0002]列车分离(有时被称为列车分裂或“一分为二”)可以在列车的车架或车厢中的一个或多个意外地变成与车架/车厢的剩余部分和/或机车解耦的情况下发生。这可以例如归因于耦合机构的故障而在列车操作期间(即在列车正移动时)发生。
[0003]在许多列车设计中，每个车厢或车架可以被提供有其自己的一套制动器并且制动系统可以被布置成开启故障保护。例如，空气制动器是已知的，在其中经由将车厢连接在一起的软管从机车提供压缩空气，并且倘若气压下降(如果两个车厢要解耦则其将发生)，在分离列车的两个区段上的制动器将使用存储在每个车厢中的贮存器中的压缩空气自动地应用。因此，分离列车的两个区段将自动停下来。
[0004]然而，在一些铁路操作中，可能未采用故障保护制动系统。故障保护制动系统可能不可用于整个列车和/或可能是有缺陷的也是有可能的。例如，在上面提到的空气制动系统中，压缩空气流动中的故障(例如归因于一个或多个过失或不正确控制的阀)可能潜在地意味着列车第一部分中的车厢接收到高压供应而列车第二部分中的车厢不具有或仅具有低压供应。因此可能不足以使列车第二部分的车厢中的压缩空气的贮存器加压来应用制动器。尽管这将意味着列车的后部可能不具有制动器，但在长的列车中这可能不是明显的。因此由列车的第二区段中的解耦产生的列车分离将导致不采用任何故障保护。
[0005]如果在缺少工作故障保护的情况下确实发生列车分离，则列车分离可能不是容易地被列车驱动人员可检测的，尤其在长度可能为从几百米到数千米中的无论什么的长货运列车的情况下。
[0006]显然，未被检测的列车分离可以代表严重的危险。解耦区段可能在线路上慢慢停止不前，在这种情况下它代表线路上的未知危险。然而，解耦的后区段可能具有相当大的动量并且因此可以继续运行达很大的距离。如果与列车驱动区段相比解耦区段的相对速度增大(如果列车的驱动区段减速和/或解耦区段获得减速下降则其可能发生)，则解耦区段可能与列车剩余部分的后部撞击，从而可能引起对列车的损坏并且具有可能出轨的风险。在一些实例中，解耦区段可能撞击到驱动区段中、反弹、获得更多速度并且再次撞击。可替换地，如果解耦区段正上坡行进，则它可能减慢并且然后反向并且变得失控，在它所来自的方向上向后行进。
[0007]已知用于列车监测和控制的各种系统提供自动列车保护，但是存在不利用这样的列车保护系统来操作的许多铁轨网络。在任何情况下这样的系统通常不能检测到列车分离并且将需要通过某些其它方式来检测列车分离以便为网络上的分离列车和任何交通提供保护。
[0008]例如，一些列车控制系统依赖于列车自身来提供例如基于用于与轨道旁信息系统/位置标记进行通信的GPS定位器、各种机载惯性导向系统和/或收发器中的一个或多个的位置信息。通常，各种定位器、传感器或收发器被容纳在机车中或者另外地在列车的前部处并且因此实际上仅提供关于列车前部的位置的信息。然后根据列车的车厢的数目的了解来假设列车末端的位置。在诸如上述之类的列车分离中，在驾驶员没意识到分离的情况下列车的前部可能如期望的那样继续。列车控制系统将因此检测列车前部的预期运动并且将未检测到任何问题。
[0009]因此，存在对可以检测列车分离的方法和装置的渴望。
【发明内容】
[0010]因此，根据本发明的一个方面，提供一种检测列车的分离的方法，包括:对沿着铁路的长度部署的至少一个光纤执行分布式声感测以便沿着铁路提供多个纵向声传感器部分；分析来自所述声传感器部分的声响应以检测指示列车已分离的识别标志。
[0011]因此本发明的该方面的方法使用光纤分布式声感测(DAS)的原理。分布式声感测是一种已知类型的感测，其中光纤被部署为感测纤维并且用电磁辐射反复地被询问以便提供沿着其长度的声活动的感测。通常，辐射的一个或多个输入脉冲被发射到光纤中。通过分析从纤维内反向散射的辐射，纤维可以有效地被分成可以是邻接的(但不是必须的)多个离散感测部分。在每个离散感测部分之内，纤维的机械扰动(例如归因于入射声波的应变)引起从该部分反向散射的辐射的性质的变化。该变化可以被检测和分析并且被用来给出在该感测部分处纤维的扰动强度的度量。因此，DAS传感器有效地充当光纤的声感测部分的线性感测阵列。纤维的感测部分的长度由询问辐射的特性和应用于反向散射信号的处理来确定，但是通常可以使用大约几米到几十米量级的感测部分。如在该说明书中使用的那样，术语“分布式声感测”将被看作意指通过光学询问光纤来进行感测以便提供沿着纤维纵向分布的多个离散声感测部分，并且术语“分布式声传感器”应该被相应地解释。术语“声的”将意指可导致光纤上的应变变化的任何类型的压力波或机械扰动，并且为了避免怀疑，术语“声的”被看作包括超声和次声波以及地震波。
[0012]DAS可以被操作用来在长的纤维长度上提供许多感测通道，例如DAS可以被应用在具有1m长的量级的邻接感测通道的长达40km或更多的纤维长度上。因此长的铁路长度可以被监测但是要以高空间分辨率采样。对于更长的大约40km的长度而言，可以以各种间隔部署几个DAS传感器单元以便提供对铁路的任何期望长度的连续监测。
[0013]检测在多个分离通道(其在铁路的长的长度上可以是邻接的)上的声信号的能力允许如将在下面更详细描述的那样检测指示列车分离(即列车分裂)的信号。
[0014]检测指示列车已分离的识别标志可以包括:检测与列车的第一部分相关联的第一声事件和与列车的第二不同部分相关联的第二声事件，以及检测第一声事件和第二声事件之间的分离(即距离)超出阈值。换言之，该方法可以包括使用来自(多个)DAS传感器的声响应来标识列车的不同部分。将会认识到，在列车沿着铁路移动时它在其行进所沿着的轨道的区段中产生相当大的噪声。在本发明中，随着列车移动而由列车产生的声信号被检测并且用于区分列车的不同部分。当列车移动时，可能会存在由车厢之间的耦合的正常操作引起的列车上(不是同一车厢/车架上)的任何两个给定位置之间的距离的某一改变。然而，对于列车上的任何两个给定位置，分离量将保持在一定范围之内(其将依赖于两个位置分开得有多远，例如在两个位置之间可以存在多少个耦合)。因此，该方法可以检测在列车的两个部分之间的分离是否超过阈值。该阈值将被清楚地设置在大于可能经历的正常距离变化量的某一水平。
[0015]在一个实施例中，该方法包括:分析来自声传感器部分的声响应以便定位指示列车前部的声信号和与列车的后部相关联的声信号，以及确定指示列车的前部和后部的声信号之间的距离。
[0016]在该实施例中，检测与列车的前部和后部相关联的声信号。这可以通过分析来自多个声传感器部分的声响应来执行以便检测来自纤维的延长长度(即来自多个邻接传感器部分)的声响应。如上面所提到的，列车将在它移动时创建声音，该声音将会被邻近轨道的相关部分的纤维的感测部分检测到。邻近列车的所有感测部分将检测到显著的声信号并且因此列车的位置将呈现为声噪声的连续区域。当然将会认识到，由列车产生的声音也将在列车的前部之前行进并且从火车向后行进，并且因此列车之前和之后的纤维区段也将因为列车移动而检测到噪声。然而，尽管与列车移动相关联的一些声音(诸如铁轨的响声)可以行进达相当大的距离，但当列车实际邻近感测部分时这样的声音将具有与检测到的声音不同的特性。因此，可以分析声响应以便检测指示列车邻近或非常靠近感测部分的通常连续的声信号。因此，该方法可以包括标识指示列车的连续声扰动的开始和结束。
[0017]因此，可以检测归因于列车的声响应的开始和结束。由于光纤在铁路旁边的部署将是已知的，因此可以确定在列车的前部和后部之间的距离。
[0018]如果在给定时间下监测的特定列车的长度是已知的，那么将确定的距离和基于列车的最大预期长度的阈值进行比较将是可能的(可能包括对于在检测列车的前部和后部中的轻微不准确性的某裕度)。如果列车的长度超过阈值，则可以检测列车分离事件。
[0019]然而，有时预期长度或列车可能不是已知的或者实际长度可以与预期长度不同，因为实际上可能已经附着了与预期数目不同的车厢数目。这不是本发明的实施例具有的问题，因为DAS传感器可以在它沿着所监测的轨道区段前进时提供列车的连续监测。因此，该方法可以包括反复地确定指示列车的前部和后部的声信号之间的距离以及检测所述距离是否增大超出阈值量。这样，列车的初始长度是多少无关紧要，可以检测高于阈值量的列车的前部和后部之间的距离上的任何变化。因此，可以检测列车分离，甚至是关于未知标称长度的列车。因此，阈值可以基于先前确定的列车的前部和后部之间的距离。换言之，DAS系统将通过检测与列车的前部和后部相关联的声信号之间的距离来在它在轨道的监测区段上移动时提供总体长度的指示。如果该测量的距离那时增大未预料到的量(例如长度增加高于最初测量的长度的某百分比)，则这可以指示列车分离事件。
[0020]如上面所提到的，列车的前部和后部之间的距离将在正常操作中随着车厢变得更靠近在一起(例如如果列车正减速或走下坡路)或者进一步分开(例如如果列车正加速或者走上坡路)而变化。因此，可以获得列车长度的初始值并且将其与列车长度的后续值进行比较。可以建立基于初始值的阈值和某一百分比。如果前部和后部之间的距离超过该阈值，则可以检测列车分离。如果列车停留在阈值之内达某一时间段，则可以使用在此期间确定的前部和后部之间的距离的更多值来改善初始值和/或阈值。可以利用DAS系统以高空间分辨率监测轨道的长区段(例如大约40km的轨道，具有全部沿着该40km的1m量级的感测部分)的事实就是使这种方法能够以有效方式实施的事实。
[0021]在一个实施例中，检测与列车的前部和后部分别相关联的声信号包括标识第一感测部分和最后感测部分以便检测由列车通过轨道特征产生的声识别标志。特别地该方法可以包括标识与列车的轮副通过轨道特征相关联的声信号。如将会认识到的，随着列车移动，将存在所产生的各种声音。然而，特别地，随着列车的轮副在特征上通过，产生噪声的任何轨道特征将产生由轮副的布置产生的特性重复模式。因此，例如对于接合的轨道，可以存在当车轮从一个铁轨区段转到另一个时产生的噪声。这通常将产生声信号。当后面的轮副在同一接合处上通过时，它们每个也将产生相似的声信号。因此，铁轨接合处附近的声感测部分将检测特性模式。例如，考虑到列车具有机头，机头具有两个前轮副，并且在较大间隙之后具有两个后轮副。如果列车已相对恒定的速度行进，则邻近接合处或其它轨道特征的感测部分可以检测到与依次横穿该特征的四个轮副中的每一个相对应的四个不同的声音，其中两个声音在时间上相对靠近地跟在时间上相对靠近的另外两个声音的较大间隙之后。因此横穿轨道特征的轮副的不同的重复模式可以被用来检测列车的位置并且通过标识第一和最后感测部分来标识列车的前部和后部以便可靠地检测特性声音。然而，一般来说，列车在相对无特征的轨道上的通过将生成与列车的轮副/轮轴的通过相关联的声信号，这显现为由于列车的通过在普通声信号内的相对强的宽带噪声“尖峰”。
[0022]除了检测列车的前部和后部之外或者作为对其的替换，该方法可以包括标识与列车的分离的车厢相关联的声特征。因此，可以检测与列车的第一车厢相关联的声信号并且将其同与列车的第二车厢相关联的声信号区别开。再次，对横穿轨道特征的轮副的响应或者归因于轮副的普通宽带噪声尖峰可以被用来区别列车的不同车厢。
[0023]考虑由同一布置的几个车厢组成的列车。每个具有轮副的特定布置。例如，作为简单的示例，车厢可以仅具有两个轮副，以有效地固定的第一距离分离的前部和后部。在邻近车厢的前部和后部轮副之间也将存在分离。可与第一距离远远不同的第二距离可以在列车移动时在某一范围内变化。为了讨论的缘故，假定正常使用的第二距离的最大量仍比第一距离更短。当一系列车厢通过给定轨道特征时，每个轮副将导致相似的声信号被产生。对于以相对恒定速度行进的列车而言，这将产生以模式为长、短、长、短等等的间隙分离的不同声响应的一系列实例。长间隙的持续时间将相当恒定而短间隙的持续时间可以轻微变化。如果检测到这样的模式，则它可以被标识为在长间隙任一侧上检测到的信号与横穿轨道特征的个体车厢的轮副相对应而短间隙表示邻近车厢的轮副之间的时间。因此可以确定车厢之间的分离并且针对阈值来监测该分离。
[0024]因此，该方法可以包括标识与轮副通过轨道特征相关联的声信号以及检测与不同轮副相对应的声信号之间的间隔。可以确定由同一车厢上的轮副生成的声特征之间的间隔以及由不同车厢上的轮副生成的特征之间的间隔。
[0025]为了确定车厢之间的实际距离，将有必要知道列车的速度。然而，这可以通过查看可如上文阐述那样确定的列车的前部和/或后部的前进速率来计算。可替换地，如果车厢的轮轴之间的长度是已知的，则可以根据将测量的车厢之间的持续时间与归因于单个车厢的轮副的声信号之间的持续时间进行比较来确定车厢之间的距离。一旦已经确定一个车厢的后部轮副和下一车厢的前部轮副之间的距离，就可以将该距离与最大可允许阈值进行比较。
[0026]可替换地，可以针对例如可通过基于列车的速度而调整的时间阈值来直接监测车厢之间在时间上的分离。可替换地，该方法可以包括确定由不同车厢上的轮副生成的特征之间的间隔是否超过基于同一车厢上的轮副之间的间隔的阈值。例如，如果有可能确定单个车厢的第一和最后轮副之间的时间并且已知邻接车厢的轮副之间的距离永远不应大于单个车厢的第一和最后轮副之间的距离，则测量的单个车厢的轮副通过轨道特征的持续时间可以被直接用来确定适当的阈值。
[0027]实际上，车厢的轮副的实际布置可能是更复杂的。例如，每个车厢可以具有每一个都支撑两个轮副的前部和后部转向架。一般来说，虽然对于个体车厢，但因此在不同的轮副之间将存在通常固定的距离(受制于使用中转向架的运动)。在邻接车厢的轮副之间也将存在分离一这通常不可能与同一车厢上的轮副之间的分离相同。因此，可以执行相同类型的分析，只是例如寻找与转向架上的一对轮副相对应的相对快速连续的声信号对，稍后接下来是代表下一转向架的另一对声信号。
[0028]当然，邻接车厢的轮副之间的分离可以几乎与给定车厢上的轮副之间的分离相同是可能的。在这种情况下，不可能唯一地标识哪些信号与同一车厢的轮副相对应以及哪些信号与邻近车厢的轮副相对应是可能的。然而，仍可以将相对持续时间彼此进行比较并且随着时间监测该相对持续时间。而且列车可以包括许多不同的车厢，每一个都具有不同的车轮布置，并且以未知次序连接在一起。然而，该方法仍可以被应用于检测列车分离。
[0029]实际上，列车将沿着轨道的长度通过许多轨道特征，并且每一个可以邻近分布式声传感器的不同感测部分。因此，可以将当列车通过一个轨道特征时所检测的声信号的相对持续时间与在列车通过另一轨道特征时的稍后时间点处由另一感测部分检测到的相对持续时间进行比较。事实上，可以将在轨道的一部分处获得的相对模式与在轨道的另一部分处获得的相对模式进行比较。列车速度的变化将影响声信号之间的绝对间距而不是相对间距。如果检测到相当大的变化，并且声信号模式的两个部分之间的持续时间已经显著增力口，与该模式的剩余部分不成比例，则这可以是列车分离的指示。
[0030]铁轨接合处已经被提及为适当的轨道特征。通常以每几十米来分离铁轨接合处并且因此每个接合处可以邻近光纤的分离感测部分而定位，其中感测部分长度为大约1m的量级。这允许连续监测列车的几乎整个长度，其还考虑到归因于被容易确定的列车加速/减速的事件之间的持续时间的变化。然而，通过产生对列车的多个不同部分中的设置部分的不同声响应来对列车的通过进行响应的任何轨道特征将是适当的。
[0031]因此，一般来说该方法可以包括标识由DAS传感器检测到的归因于列车在轨道的监测区段上通过而引起的普通声信号。然后可以分析因列车而检测到的声信号以便检测一系列相对强的宽带信号，即处于宽频率范围的信号。已经发现此类信号与由列车的轮副生成的信号相对应，并且因此此类信号可以被用来标识列车的轮副/轮轴。通过标识当列车沿着轨道移动时由于列车的轮副而引起的信号，可以通过查看由于轮副引起的信号之间的距离(或时间)分离来容易地检测任何列车分离事件，即列车分裂。
[0032]应该注意，应变传感器在过去就已经被用于轮轴计数应用，例如用于检测列车是否已完全清除轨道的区段(诸如平交路口)。本发明的实施例将允许轮轴计数，但是轮轴计数通常被应用在固定位置中并且需要知道列车的轮轴数目。本发明的实施例使用声感测来确定由于轮副连续沿着轨道的监测区段而引起的信号并且确定当列车移动时由于轮副引起的信号之间的距离。这与轮轴计数非常不同。
[0033]在使用中，光纤可以被部署在轨道旁边。可以沿着轨道的路径来掩埋光纤的至少一部分。所使用的光纤可以是已经在轨道旁边延伸的通信基础设施的一部分，或者它可以被特别安装用于分布式声感测。另外或可替换地，可以将光纤的至少一部分附着到轨道。保护掩埋的光纤免受环境影响并且可以将掩埋的光纤留在原地达许多年而无需任何维护。尽管土地可以提供声信号的某些衰减，但是仍可以检测到良好的信号。然而，附着到轨道一部分(例如附着到铁轨)的纤维可以能够检测附加信号并且可以能够在某些应用中提供更好的辨别能力。
[0034]可以邻近多个邻近轨道来部署光纤的至少一部分。换言之，光纤的至少一部分可以在平行的两条或更多条铁轨线旁边延伸。在这种情况下，分布式声感测可以为行进在两条或更多条平行轨道上的列车提供列车分离的检测。如果列车移动是提前已知的，则根据上下文被监测的特定轨道将是显而易见的，即声信号的沿着轨道的位置和时间。然而，在一些实施例中，该方法可以标识列车正在多个邻近轨道中的哪个上行进。存在可以标识特定轨道的各种各样的方式。如果至少一些轨道特征的位置根据轨道而改变以使得在轨道特征旁边的纤维的相关感测部分对于每个轨道来说是不同的，那么根据对此类特征的声响应的位置，在给定轨道上列车的通过将是可标识的。
[0035]另外地或可替换地，由列车的通过生成的声信号的特性可以被分析以便确定从纤维到信号的源的横向偏移。这可以通过检测给定声刺激到达感测纤维的不同部分的时间来执行。感测部分之间的到达时间的差将取决于横向偏移的程度而变化。因此，不同的信号(诸如列车使其喇叭发声)可以在多个不同感测部分处被检测到并且到达的时间差被确定。可替换地，可以使用任何适当的不同的声信号。另外地或可替换地，该信号可以被分析以便检测相对恒定频率的任何信号中的多普勒频移的变化率。多普勒频移的最大变化率将取决于感测部分有多靠近恒定频率声音的源。
[0036]如果检测到列车分离，则该方法可以包括标识列车分裂的位置。在该方法监测到列车的前部和后部的情况下，该方法可以就列车的解耦部分的后部的位置来标识分裂的大概位置。在该方法包括监测响应于轨道特征的声信号的情况下，可以标识并跟踪解耦列车的实际区段。该方法还可以包括生成警报，该警报可以包括控制室中的可见和/或可听见的警告中的至少一个或对控制室的提醒。自动发信号可以生效以阻止同一线路上的其它列车继续前进，并且如果解耦的区段失控，则可以将提醒发送到该线路上的交叉口和车站。还可以通过无线电自动通知已分离的列车的驾驶员。如果列车的解耦部分仍在同一方向上行进，则驾驶员可以能够逐步降低速度以避免高动量碰撞并且使列车的两个区段慢慢地停下来。
[0037]在一些实施方式中，控制室将从沿着铁轨网络部署的多个DAS传感器接收数据并且对返回进行处理以便检测列车分裂。因此，在本发明的另一方面中，提供一种检测列车的分离的方法，包括:从沿着铁路长度的多个位置接收与所检测的声信号相对应的测量信号；以及分析该测量信号以便检测指示列车分离的识别标志。
[0038]本发明的该方面的方法提供所有与本发明的第一方面相同的优点并且可以以与本发明的第一方面相同的方式来使用。特别地，通过对沿着铁路长度部署的光纤执行分布式声感测来获取测量信号。可以使用其中将多个传感器沿着铁路长度来部署的任何类型的声传感器，但是DAS提供了一种在长的连续长度上提供声传感器的相对便宜且可靠的方式，其不要求许多各个传感器具有各个功率需求和维护要求。因此，DAS是一种沿着铁路长度提供声感测的切实可行的方式，从某种程度上说以其它方式是不切实可行的。
[0039]本发明还涉及用于执行如上所述方法的计算机程序。
[0040]一般而言，本发明涉及光纤分布式声感测用于检测列车分裂的用途。
[0041]在另一方面中，提供一种用于检测列车分裂的系统，包括:控制器，其被配置成:从被配置成对沿着铁路长度部署的至少一个光纤执行分布式声感测以便提供沿着该铁路的多个纵向声传感器部分的至少一个分布式声传感器单元接收测量信号；以及分析来自所述声传感器部分的声响应以检测指示列车分离的识别标志。
[0042]该系统可以以与上文关于方法描述的相同的方式来操作并且可以在所述实施例中的任一个中实施。该系统可以包括至少一个分布式声传感器单兀。
[0043]本发明还涉及被编程为执行上述方法的计算机系统。
[0044]现在将仅关于下面的图来作为示例描述本发明，在图中:
图1图示出传统DAS传感器；
图2图示出可以如何沿着铁路来部署DAS传感器；
图3图示出DAS系统对正在铁路上移动的列车的响应；
图4图示出可以如何反复地将声信号用于确定列车的部分的相对位置；以及图5示出由DAS传感器从所监测的轨道区段上的列车检测到的声信号。
[0045]图1示出分布式光纤感测布置的示意图。感测纤维104的长度在一端被可去除地连接到询问器106。从询问器106的输出被传递到信号处理器108 (其可以与询问器共同定位或者可以远离该询问器)以及可选地用户接口 /图形显示110 (其实际上可以通过适当指定的PC来实现)。用户接口可以与信号处理器共同定位或者可以远离该信号处理器。
[0046]感测纤维104的长度可以是许多千米并且长度可以是例如40km或更长。感测纤维可以是标准的、未修改的单模光纤，诸如在不需要故意引入的反射位置(诸如纤维布拉格光栅等等)的情况下按照惯例在远程通信应用中使用的光纤。使用未修改长度的标准光纤来提供感测的能力意味着可以使用低成本容易获得的纤维。然而，在一些实施例中，纤维可以包括已经被制造成尤其对入射振动敏感的纤维。将通过利用电缆结构包含它来保护该纤维。在使用中，纤维104被部署在要被监测的感兴趣区域中，在本发明中，该感兴趣区域可以沿着如将描述的铁路的路径。
[0047]在操作中，询问器106将询问电磁辐射发射到感测纤维中，该询问电磁辐射可以例如包括具有所选频率模式的一系列光学脉冲。该光学脉冲可以具有如在GB专利公开GB2, 442，745中描述的频率模式(特此通过参考将该GB专利公开的内容合并于此)，然而依赖于单个询问脉冲的DAS传感器也是已知的并且可以被使用。要注意，如这里所使用的，术语“光学”不限于可见光谱并且光学辐射包括红外辐射和紫外辐射。如在GB2，442，745中所描述的那样，瑞利反向散射的现象导致输入到纤维中的光的某些部分被反射回到询问器，其在那里被检测以提供表示纤维附近声扰动的输出信号。因此，询问器合宜地包括至少一个激光器112和至少一个光调制器114以便产生被已知光学频率差分离的多个光学脉冲。询问器还包括至少一个光电检测器116，其被布置成检测从纤维104内的本征散射位置反向散射的瑞利辐射。在本发明的实施例中瑞利反向散射DAS传感器非常有用，但是基于布里渊或拉曼散射的系统也是已知的并且可以在本发明的实施例中使用。
[0048]来自光电检测器的信号被信号处理器108处理。信号处理器合宜地基于光学脉冲之间的频率差来解调返回的信号，例如如GB2，442，745中描述的那样。信号处理器还可以应用如在GB2，442，745中描述的相位展开算法。因此可以监测从光纤的不同区段反向散射的光的相位。因此可以检测在纤维的给定区段内有效光学路径长度的任何改变，诸如将归因于在纤维上引起应变的入射压力波的改变。
[0049]光学输入的形式以及检测的方法允许将单个连续纤维空间分解成离散纵向感测部分。也就是说，可以基本独立于在邻近部分处感测的信号来提供在一个感测部分处感测到的声信号。这样的传感器可以被看作完全分布式或本征传感器，因为它使用在光纤中被固有处理的本征散射，并且因此遍及整个光纤分配感测功能。光纤的感测部分的空间分辨率例如可以是大概10m，对于40km量级的纤维的连续长度，其提供例如沿着40km铁路部署的大约4000个独立声通道。这可以提供轨道的整个40km区段的有效同时监测。在列车监测的应用中，各个感测部分的每一个的长度可以是1m量级或更少。
[0050]由于感测光纤相对便宜，所以可以以永久方式将感测纤维部署在位置中，因为将纤维留在原地的成本不大。纤维可以被部署在轨道旁边并且可以例如被掩埋在轨道的区段旁边。
[0051]图2图示出具有掩埋在轨道旁边的光纤的铁轨轨道201的区段。如上文所提到的，可以在量级为40-50km的纤维长度上执行光纤感测。然而，对于某些DAS传感器，可能难以沿着纤维可靠地感测超过大约50km。40-50km的长度可能足以监测例如在主站台之间的期望轨道区段，并且可以部署其它纤维以监测轨道的其它区段。对于非常长的轨道，可能有必要用链条将几个DAS传感器拴在一起。图2图示出被布置成监测沿着轨道的一部分部署的一个光纤104a和沿着轨道的另一长度部署的另一光纤104b的一个询问器单元106。该询问器单元可以容纳两个激光器和检测器等等(即用于每个纤维的专用部件)，或者可以在两个纤维之间多路复用激光器和可能的检测器。在纤维104b的例如40km之后，可以部署由另一询问器单元监测的另一纤维。因此在询问器单元之间可以存在大约80km。
[0052]在使用中，询问器如上述那样操作以便提供沿着轨道路径的一系列毗邻的声感测通道。在使用中，由沿着轨道201运动的列车202生成的声信号可以被检测和分析以便检测列车分离。DAS传感器由此提供监测系统，其可以以高空间分辨率来监测轨道的长的长度。如所提到的，感测部分的长度可以是米量级。然而，部署传感器仅包括沿着轨道路径来铺设光纤电缆，一以及在一些实例中适当的光纤可能已经就位。
[0053]因为可以由纤维的毗邻感测部分来监测轨道的相当长的长度，所以可以相对简单地检测列车沿着该轨道的移动。显然列车的移动将创建一系列噪声，来自机车的引擎噪声、来自列车车厢和耦合的噪声以及来自轨道上车轮的噪声。声信号在列车附近将是最大的并且因此查看由传感器检测到的信号的强度，来自邻近列车当前位置的纤维的感测部分的返回将展示相对高的声强度。如图3 (其图示出检测到的声强度与DAS传感器的通道的关系)中所图示的那样，因此可以通过检测相对高强度的连续声扰动来大体确定列车的位置。
[0054]因此，可能尝试通过检测连续扰动在哪里开始302和结束303来估计列车的前部和后部的位置。通过在列车移动时监测该列车的前部和后部的位置，可以检测到列车总长度的任何变化，并且如果长度变化大于阈值量，则可以检测到列车分离。将会理解，因为耦合被设计成允许车厢之间某一程度的相对移动(例如用于减震)，所以将发生列车长度的某一变化量。因此，在长的货运列车中，可能存在正常操作的列车的前部和后部之间的分离的明显变化。然而，如果耦合允许普通车厢长度的至多5%的相对移动，则明显地10%量级的长度变化可以指示列车分裂。因此，本发明可以随着时间监测列车的前部和后部的分离以确定超过阈值量的长度变化。如果检测到这样的长度变化，则可以检测到列车分裂。
[0055]要注意，没必要知道列车的确切长度或者构成列车的车厢的布置，然而如果可用的话该信息可以被用来提供附加的准确性。可以通过监测在一时间段内列车的前部和后部的初始分离来确定列车长度。例如，想象列车离开车站到所监测的轨道区段上。列车的确切长度是未知的，但是在一些情境中可以假定在车站中已经注意到列车分裂。沿着所监测的轨道区段来跟踪列车的前部，并且一旦所有列车都在监测区段上，则可以获取列车的后部的位置以及由此的前部和后部之间的分离的初始值。随着列车继续，前部和后部的位置将被连续跟踪并且获得前部和后部的分离的更多值。如果这些值保持在设置范围之内(例如诸如在5%之内)，则随着时间分离的初始值可以被改进成平均值。初始或改进的平均值可以被用来设置阈值，例如分离的10%，并且如果发现所确定的分离变化超过阈值量，则可以检测到列车分离事件。
[0056]如图3中所图示出的那样，可以有可能仅通过查看感测部分的强度轮廓(profile)来检测列车的前部或后部的位置并且标识高于某一强度的通常连续声扰动的开始和结束。然而，与列车移动相关联的一般性噪声可以远离列车行进并且声速(尤其沿着铁轨的声速)将比列车速度更快得多。
[0057]因此，在一个实施例中，与列车通过轨道特征相关联的不同的声音可以被用来检测列车的部分在哪里。例如，在其中铁轨区段之间存在间隙的接合的轨道中，可能存在在车轮从一个铁轨区段转到下一个处生成的噪声。这将创建相对短持续时间的相对高强度的噪声。然后此类噪声的重复模式将由于各种轮副在同一接合处上的通过而出现。要注意，导致来自轮副的声响应的任何轨道特征将生成此类声信号的重复模式。这可以是铁轨连接处、铁轨接合处、铁轨焊接等等或铁轨上的缺陷。将会理解，铁轨接合处趋向于每几十米轨道出现。因此，通常纤维的每1m感测部分将存在至多一个铁轨接合处，从而允许单个轨道特征的响应被个体感测部分检测到。
[0058]图4a图示出该原理。图4a示出包括铁轨轨道201上的三个相似耦合车厢401(例如箱式车)的列车的一部分。每个车厢401具有支持两个轮副的前转向架和支持两个轮副的后转向架。
[0059]如所图示的那样，前转向架的轮副的轮轴之间的距离是Cl1，并且在该示例中，相同的间距适用于后转向架。车厢上前和后转向架的内轮轴之间的距离是d2。一个车厢的最后轮轴和下一车厢的第一轮轴之间的标称距离是d3。在该示例中，d2> d3> Cl1，然而技术人员将会认识到其它布置是可能的。
[0060]图4a示出正朝向轨道上的特征402 (例如铁轨接合处)移动的列车的该区段，在轮副在其上移动时其将导致声识别标志。如果列车以恒定速度移动，则这将导致如图4b中示出的一系列不同的声信号。图4b示出强度对比时间(为了清楚起见忽略一般性列车运动的背景噪声)。在某一时间下存在第一声信号，时间T1之后接着是第二信号。这些信号与前车厢的前转向架的轮副相对应。然后在由T1分离的另一对信号之前存在间隙T2。这与第一车厢的后部行进到特征402并且后转向架的轮副越过所花费的时间相对应。然后在第二车厢的前转向架到达该特征之前存在间隙Τ3。
[0061]因此，可以看到特征402附近的感测部分将在车轮通过该位置处的特征时检测到声信号的重复模式。这允许确定列车的车轮正通过该位置的事实。
[0062]当然，来自车轮通过特征的声信号可以行进到下一感测部分是可能的。给定一般噪声的水平，来自给定轨道特征的信号可能仅被靠近该特征的感测部分可检测。如果任何信号确实传播相对长的距离并且因此被几个感测部分检测到，则可以确定到达不同部分的时间以便检测最早的到达时间一其明显与最靠近该特征的感测部分相对应。因此，通过分析由在图3中图示出的连续系列扰动的前部和后部处的感测部分检测到的信号，可以确定检测到列车的前部或后部的轮副的声音的感测部分。
[0063]然而，图4b中不出的声信号的重复模式可以被用来确定信号与哪个轮副相对应以及由此的车厢的相对分离。如上文所提到的，该模式由具有连续间隙！\、T2, T1, T3、T1, T2等等的信号组成，其中T2> T3> T10将会认识到，由T1分离的该对信号与转向架的两个轮副相对应。如果间隙T2大于间隙T3,则可以预期间隙T2与个体车厢的转向架之间的间隙相对应并且间隙T3与车厢之间的间隙相对应。假设车厢是相同的并且车轮布置是已知的，则这可以通过聆听再多一些序列而容易地验证。只要列车速度相对恒定(并且通常可能最期望监测的类型的长列车不具有高加速度或减速度)，则同一车厢上的转向架之间的间隙应该相对恒定并且反之车厢之间的间隙可能改变。
[0064]因此这可以被用来检测列车分离。图4c图示出其中最后车厢已变得解耦且掉回到列车的剩余部分后面的列车。图4d于是示出可以被检测到的声信号。在该实例中，被检测到的首先几个声信号之间的间隙可以展示具有分别地在声信号之间的持续时间(相对于彼此)!\、T2、1\、T3、1\、T2的相同的相对模式，其中T2> T3> T10根据该序列，可以推断!\是由于转向架的轮副之间的间隙而引起的，T2是由于一个车厢上转向架之间的间隙而引起的并且T3是由于第一和第二车厢之间的间隙而引起的。然而，下一信号仅在大于T2和T3的间隙T4之后出现。在序列中的该阶段，已知T4是由于第二和第三车架之间的间隙而引起的。因此可以将持续时间T4与阈值进行比较，该阈值可以基于持续时间T3 (或者实际上持续时间T1或T2),并且可以确定持续时间T4超过持续时间。在这种情况下，其指示在第二和第三车厢的转向架之间的相应距离d4大于标称最大距离一指示车厢已变得解耦。
[0065]上面的分析假设一些知识，即车厢都是相同的，因此较长的持续时间T4不是由于较长的耦合或者实际上T2是由于车厢之间的耦合，其中T3表示短车厢并且T4表示较长的车厢。然而，即使在不了解列车布置的情况下也可以通过将列车越过一个轨道特征时的响应与列车通过另一个更后面的列车特征时的响应进行比较来应用该方法。在该实例中，列车速度可能已经改变，从而使绝对持续时间变化，但是声信号之间的相对持续时间将基本上相同(允许耦合的正常移动)。因此，模式可以被标准化和比较，并且高于阈值的任何变化被用来指示列车分离。
[0066]—般而言，由DAS传感器从列车检测到的声信号因此将产生将被列车附近的DAS传感器的感测部分检测到的相对强的声信号。在此一般性信号之内，将存在与列车的轮副/轮轴相对应的一系列可标识的声信号。这些信号通常地将是相对强的宽带信号。图5示出当列车经过时从在铁轨轨道旁边的感测纤维获取的被DAS传感器的多个通道记录的声信号。可以看到，存在由与列车相对应的DAS传感器的多个毗邻通道检测到的清晰声信号。可以看到，就高强度信号的前沿和后沿而言该信号被相对明确地限定。这通常可以被用来确定列车的前部和后部的位置并且因此可以如上文所讨论的那样确定列车的总长度。
[0067]带宽噪声尖峰的重复系列的出现也是十分显然的。这些信号是由于列车的轮副/轮轴沿着轨道的通过而引起的。由于DAS传感器的高空间分辨率以及DAS传感器以根据轨道的长的长度的频率范围检测声信号的能力而使这些信号可检测。
[0068]根据本发明的实施例的DAS传感器因此可以被布置成分析声信号以便检测此类宽带噪声尖峰。根据对此类宽带噪声尖峰的检测，在列车沿着轨道移动时沿着其整个长度有效地监测列车。此类信号之间的分离因此可以被监测以检测大于某一数量(例如大于设置的百分比)的分离的增加，以便检测未计划的列车分离事件。
[0069]如果检测到列车分离事件，则其可以是初始的试探性提醒，其在例如通过进一步跟踪列车来确认分离的同时发起一些初始的防御措施。也可以联系驾驶员来看他是否可以确认或否认列车分离。例如，可以施加轻微加速来看检测到的过度分离是否增加。一旦检测到列车分离，列车控制室中就可以生成明确的提醒。可以联系驾驶员来使列车受控停止以便尝试逐渐地停止解耦区段。如果解耦区段达到分离停止，则可以记录轨道上的位置并且控制其它列车以避免轨道的该区段直到危险被清除为止。如果解耦区段开始失控(例如由回退下坡)，则可以通知该线路上的任何列车、车站、交叉口等等并且采取防御措施。在解耦区段正移动的同时，可以使用与上文一般性讨论的相同的技术来跟踪该解耦区段。
[0070]因此，DAS的使用允许列车分离被检测。当检测到列车分离时，位置被容易地获得并且可以将适当的防御措施落实到位。可以跟踪解耦区段的运动，如被监测网络上的其它列车可以那样，直到解耦区段被安全恢复为止。
[0071]DAS特别地可应用于此类监测，因为它提供对铁路的长的长度的低成本连续监测，同时需要从沿着铁路整个长度的毗邻感测部分提供数据。
【权利要求】
1.一种检测列车的分离的方法，包括: 对沿着铁路的长度部署的至少一个光纤执行分布式声感测以便沿着铁路提供多个纵向声传感器部分； 分析来自所述声传感器部分的声响应以检测指示列车已分离的识别标志。
2.根据权利要求1中所述的方法，其中所述检测所述识别标志包括检测与列车的第一部分相关联的第一声事件和与列车的第二不同部分相关联的第二声事件，以及检测第一声事件和第二声事件之间的分离超出阈值。
3.根据权利要求1或权利要求2中所述的方法，包括分析来自声传感器部分的声响应以便定位指示列车的前部的声信号和与列车的后部相关联的声信号，以及确定指示列车的前部和后部的声信号之间的距离。
4.根据权利要求3中所述的方法，包括重复地确定指示列车的前部和后部的声信号之间的距离，以及检测所述距离是否增加超出阈值量。
5.根据权利要求4中所述的方法，其中所述阈值基于先前确定的列车的前部和后部之间的距离。
6.根据权利要求3至5任一项中所述的方法，其中检测与列车的前部和后部相关联的声信号分别包括标识指示列车的连续声扰动的开始和结束。
7.根据权利要求3至6任一项中所述的方法，其中检测与列车的前部和后部相关联的声信号分别包括标识第一感测部分和最后感测部分以检测由轮副通过轨道特征而产生的声识别标志。
8.根据任一前述权利要求中所述的方法，包括标识与列车的分离车厢相关联的声特征。
9.根据权利要求8中所述的方法，包括标识与轮副相关联的声信号以及检测与不同轮副相对应的声信号之间的间隔。
10.根据权利要求9中所述的方法，其中标识与轮副相关联的声信号包括标识来自所述声传感器部分的声响应中的相对强的宽带噪声分量。
11.根据权利要求9或权利要求10中所述的方法，其中标识与轮副相关联的声信号包括标识与轮副通过轨道特征相关联的声信号。
12.根据权利要求9至11任一项中所述的方法，包括标识由同一车厢上的轮副生成的声特征之间的间隔以及由不同车厢上的轮副生成的特征之间的间隔。
13.根据权利要求12中所述的方法，其中该方法包括确定由不同车厢上的轮副生成的特征之间的间隔是否超过基于同一车厢上的轮副之间的间隔的阈值。
14.根据任一前述权利要求中所述的方法，其中所述光纤被部署在轨道旁边。
15.根据任一前述权利要求中所述的方法，其中所述光纤的至少一部分被沿着轨道的路径掩埋。
16.根据任一前述权利要求中所述的方法，其中所述光纤的至少一部分被附着到轨道。
17.根据任一前述权利要求中所述的方法，其中所述光纤的至少一部分被部署成邻近多个邻近轨道。
18.根据权利要求17中所述的方法，还包括标识列车在所述多个邻近轨道中的哪一个上行进。
19.根据任一前述权利要求中所述的方法，包括如果检测到列车已分离，则标识列车分裂的位置。
20.根据任一前述权利要求中所述的方法，如果检测到列车已分离，则生成警报。
21.一种检测列车的分离的方法，包括: 从沿着铁路长度的多个位置接收与所检测的声信号相对应的测量信号；以及 分析该测量信号以便检测指示列车已分离的识别标志。
22.根据权利要求21中所述的方法，其中通过对沿着铁路长度部署的光纤执行分布式声感测来获取所述测量信号。
23.一种用于执行任一前述权利要求的方法的计算机程序。
24.一种光纤分布式声感测用于检测列车分裂的用途。
25.一种用于检测列车分裂的系统，包括: 控制器，其被配置成: 从被配置成对沿着铁路长度部署的至少一个光纤执行分布式声感测的至少一个分布式声传感器单元接收测量信号，以便提供沿着该铁路的多个纵向声传感器部分；以及分析来自所述声传感器部分的声响应以检测指示列车分离的识别标志。
26.根据权利要求25中所述的系统，还包括至少一个分布式声传感器单元。
27.被编程为执行权利要求1至23中的任一项的方法的计算机系统。
【文档编号】B61L1/14GK104203713SQ201380018283
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2012年2月1日
【发明者】J.凯利 申请人:光学感应器控股有限公司