用于借助车轮转速信号检测脱轨的方法与流程

本发明涉及一种用于借助车轮转速信号检测轨道车辆的一个或多个车轮的脱轨状态的方法。

背景技术：

在轨道车辆、尤其是长列车的行驶运行中存在如下可能性，即各个车轮、轮组或者整个转向架不被车辆驾驶员察觉地脱轨。因此，脱轨的车轮、轮组、转向架或整个车厢被轨道车辆拖着一起走，其中，例如车轮始终再次撞击路段上部结构。这可能导致铁道上部结构、轨道车辆或者两者的巨大损坏。

另一个高的事故风险在于，脱轨的轨道车辆并不再在通常的行驶方向上定向，而是在横向于行驶方向的投影中伸出超过通常的车辆宽度。当轨道车辆遇到障碍物、例如隧道的镶嵌部或者桥墩时，这可能导致具有巨大财产损失的严重事故，甚至导致人员受伤。

因此有意义的是，及时识别出各个车轮、轮组、转向架或整个车厢的脱轨并且引入相应的应对措施。应对措施在此可以自动地或者通过车辆驾驶员引入。应对措施例如是脱轨的轨道车辆的直接制动直到静止。

此外一种方法是有利的，该方法在实际发生脱轨之前就可靠地识别出临界行驶状况并且引入相应的应对措施。

将来各种准则和标准都要求脱轨检测，例如在dinen62267中需要一个用于在无驾驶员的运行中识别脱轨的系统。

基于该背景，一系列的这类系统处在工业应用中并且这类系统被写进专利中。

wo2012140073a1描述了一种用于借助转速信号和期待的转速的差检测脱轨的方法。为了能够始终可靠地确定行驶状态，车轮的磨损系数被连带地列入计算中，因为车轮转速与行驶速度的比通过车轮的磨损被改变。

wo2001094174a1描述了一种用于借助对车轮转速彼此之间的比较或者车轮转速与多个车轮转速的平均值的比较检测脱轨的方法。

这两个发明为了检测脱轨利用到至少一个转速信号相对于额定值的偏差。在此的缺点尤其在于，由于出现转速波动，极限值可能错误地被超过并且由此为了可靠地检测脱轨需要比较费劲的评价措施。

ep1236633a2描述了一种用于借助各种不同的特征值的评价、尤其是车轮的角速度或者角加速度的变化曲线的评价来检测脱轨的方法。

提出，为了检测脱轨，两次按照时间对车轮的旋转频率的时间变化曲线求微分并且由此检测车轮或轮组轴的变化的加速特性，如表征脱轨的特征那样。车轮或轮组轴的变化的加速特性再次由脱轨的车轮对地面的无规律的撞击引起。

但是时间信号的求导的处理始终需要大的耗费，因为以在时间上变化的延迟发生的制动在车轮的旋转频率的二次求导中也不同于零并且由此是可见的。

在该发明的另一种实施方式中，车轮转速彼此之间的比较类似于在wo2001094174a1中那样被描述。

为了执行该方法，除了求出旋转频率外，例如也需要加速度信号，这对安装在轨道车辆中的传感装置提出了附加的要求。

技术实现要素：

以下发明的任务是提供一种方法，该方法解决了上述问题并且此外优选通过使用总归存在于车辆中的、例如容易改装的传感装置和处理装置就足够了并且该方法优选可容易地在现有的控制装置中执行。

该任务借助独立权利要求解决。优选的扩展构型是从属权利要求的主题。

该方法优选使用至少一个优选安装在轨道车辆中的转速检测装置的转速信号，以便求出车轮转速，以便获得关于当前行驶状态的认识(例如车轮转速或速度)。

该转速检测装置优选被实施为转速传感器，该转速传感器由车轮转速产生脉冲传感器信号。

可想到具有传感器布置和组合的实施方式，这些实施方式能够实现各个车轮、轮组或整个转向架的转速的测量。

转速传感器的转速原始信号可以在此以模拟或数字的形式存在。传感器的转速原始信号在此可以优选作为磁极转子频率、角速度或者以其他合适的形式存在。

转速原始信号被传输给评价装置以便进一步处理。评价装置优选包含用于信号准备、特征值确定和行驶状态评估的部段。

优选首先将转速原始信号传送给信号准备部段，在信号准备部段中进行信号的准备以便进一步的处理。在此，可以优选将信号准备方法和用于预先分析转速原始信号的方法例如抗混叠滤波、模拟信号的数字化、采样的改变或匹配、偏差调整、物理换算、傅里叶变换、包络曲线形成、极值确定、可信度测试等用在转速原始信号上。

一种有利的形成包络曲线的实施方式例如是围绕转速原始信号形成软管形的包络线，以便尤其是为后续的处理简化地描述转速原始信号的时间变化曲线。在此，包络曲线可以基本上通过转速原始信号的最大值和最小值确定或者也可以近似地跟跟踪数原始信号的变化曲线。

在转速原始信号的可信度测试时，基本上借助合适的算法检查：接收到的转速原始信号究竟是否可信，即在物理学上是否是正确的，或者是否适合于当前的行驶状态。优选例如一个车轮上的-10，000min^-1的转速原始信号在另一个车轮上的+2000min^-1的转速值时被评估为不可信的并且对于进一步的研究不被考虑。

在本发明的方法中，接着信号准备部段优选是特征值确定部段，在特征值确定部段中由优选通过信号准备部段准备好的转速信号确定一个关于轨道车辆的当前状态的特征值。

该特征值优选描述了一个车轮、轮组或整个转向架的转速信号的波动强度。

在确定特征值时的基本构思在此是，在轨道上滚动的车轮的转速与车轮是否以恒定的速度运动、加速或减速无关地始终经受转速中的一定波动。这些波动可以尤其是通过加工误差、磨损、车轮-轨道-接触中的力锁合或者车辆驱动单元中的波动引起。

但是这些波动在其波动强度上表现出明显小于在车轮脱轨时的转速波动，脱轨的车轮始终又通过与地面的无规律的接触被加速或减速。

下面描述用于求取特征值的实施例，该特征值是车轮转速的波动强度的尺度。在求出波动强度时的优点在于，不必确定准确的转速，而是仅仅必须作出转速多强烈地波动的报告。

转速信号的波动强度的求取优选用合适的分析方法实现，例如转速信号在滑动时间窗上的方差的求出。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的标准偏差。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的二次方平均值。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的算术平均值。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的振幅，即基本上确定为在合适的最大值和最小值之间的差。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的频率成分的变化。频率成分可以优选通过在滑动时间窗上的傅里叶分析被确定。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的分位数。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在弹滑动时间窗上的中位数。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的变异系数。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的平均的绝对间隔。

在本发明的另一种有利的实施方式中，转速信号的波动强度优选被确定为转速信号在滑动时间窗上的四分位距。

如上所述，这些实施方式的优点在于，不必确定准确的转速，而是仅仅必须作出转速多强烈地波动的报告。

滑动时间窗本身优选这样地被确定，即能够实现“未脱轨”和“脱轨”状态的可靠区分，滑动时间窗确定了转速信号的观察或分析时间间隔。滑动时间窗的跨度在此可以从小于0.1s的小值直到几秒、或者超过几秒的大值。在确定滑动时间窗时优选也考虑信号的采样。通常开发者的任务是确定合适的时间窗。

在本发明的另一种有利的实施方式中，滑动时间窗优选设计成可变的。被分析的时间窗的宽度可以优选由轨道车辆的速度确定并且优选随着速度的增加而减少。

在本发明的另一种有利的实施方式中，在滑动时间窗内部的波动被施加加权系数，从而优选较旧的波动值相对于较新的波动值被较小地加权。

在特征值确定部段中求出的特征值现在优选被传送给警报生成部段，该警报生成部段基本上能够由当前有效的特征值优选在例如“非临界”和“临界”状态之间做出决定。非临界状态例如通过在轨道上滚动的车轮给出(下面称为“未脱轨”)，临界状态可以例如是车轮脱轨。

此外，优选可实现其它状态的输出，以便能够实现当前行驶状态的详细的评估。因此优选的是可实现中间状态的输出，例如预临界状态，以便告知驾驶员该状况。

优选地，该警报生成部段在脱轨状态中输出一个信号，该信号告知车辆驾驶员关于临界状态的信息。该信息可以优选是光学的、或者声学的类型。

在本发明的另一种有利的实施方式中，在车轮脱轨时警报生成部段或者其输出信号优选触发一个动作。该动作优选可以是紧急制动直到轨道车辆的静止。

“未脱轨”或“脱轨”状态的确定在警报生成部段中优选通过车轮转速的波动强度的在特征值确定部段中求出的特征值与极限值的比较被执行。

用于确定的波动强度的极限值优选在准备阶段被这样地确定，使得确保了脱轨的可靠识别，从极限值开始必然推导出脱轨的状态。

在本发明的另一种有利的实施方式中，用于车轮转速的波动强度的极限值优选与速度相关地被确定，从极限值开始必然推导出临界的状态。因此极限值可以基本上作为车轮转速的波动强度关于车辆速度的特征曲线被预给定，从而也能够考虑车轮转速的与速度有关的波动强度。

在本发明的另一种有利的实施方式中，用于车轮转速的波动强度的极限值优选在行驶期间在整个路网中在评价单元中通过持久的或阶段式的在线学习被确定，从该极限值开始必然推导出临界的状态。因此基本上可以求出一个极限值，该极限值考虑了路网的实情并且持久地与该实情匹配。由此基本上可想到应用耗费的减少，因为制造商不必对于每个国家预存和维护自身的数据记录。

在本发明的另一种有利的实施方式中，优选仅当对于确定的时间间隔超出波动强度的极限值才推导出脱轨状态。因此确保了评价的一定的去抖动，由此避免了由于短时间地超过极限值(例如由于变形的轨道)而错误地确定出脱轨状态。

在本发明的另一种有利的实施方式中与其它车轮的车轮转速的波动强度进行比较。由此能够优选通过求出所有波动强度的平均值推导出波动强度，该波动强度在当前路段上对应于未脱轨的状态。

在本发明的另一种有利的实施方式中，一个车轮的转速信号的当前波动强度与该相同车轮在更早的时间点的、优选中间存储在评价单元中的波动强度进行比较。脱轨过程的识别优选通过以下方式进行，即在车轮脱轨时波动强度随着时间而增加。这可以基本上通过对波动强度的绝对值增量的观察实现，或者通过确定波动强度的斜率实现。作为斜率在此优选定义了波动强度随着时间的变化。

一个这样求出的斜率基本上又可以通过之前描述的方法被评估。

在本发明的另一种有利的实施方式中将至少两个之前描述的评价方法组合。优选设置有一个合适的选择逻辑，该选择逻辑区分出：与极限值的比较，或者与优选所有车轮转速的波动强度的当前平均值的比较、或者与同一个车轮的更早时间点的车轮转速的波动强度的比较是否导致关于“未脱轨”或“脱轨”状态的判断。

在本发明的另一种有利的实施方式中，“未脱轨”或“脱轨”状态的确定通过这些评价标准中的至少两个的组合被执行。

本发明的其它有利的实施方式可以通过至少两个之前描述的实施方式的组合获得。

本发明优选在每个实施方式中可与用于脱轨检测、或者用于行驶状态的分析和评估的其它方法或装置组合并且优选具有相应的接口，以便能够与其它方法或者装置交换信号或数据。基于其它物理量的测量和评价或者用到了这些物理量的其它方法或装置在此可以优选进行用于求出轨枕间隔频率、加速度的交叉相关性的方法或者用于将车轮转速信号与例如由基于gps的速度求出的参考转速比较的方法。

本发明优选地被包含在用于脱轨检测或者行驶状态分析的复合体中，在该复合体中所有子系统的反馈都被处理。

本发明可以优选地以计算机程序产品的形式存在，该计算机程序产品完成上述的方法，并且该计算机程序产品优选存储在机器可读的载体上。计算机程序产品优选被转交给轨道车辆的已经存在的合适的控制装置。因此也可以对现有的轨道车辆进行改装。

在另一种有利的实施方式中本发明可以作为控制装置存在，该控制装置用到一种计算机程序产品，该计算机程序产品完成上述的方法，并且该计算机程序产品优选存储在机器可读的载体上。这类控制装置提供了如下优点：即它可以与已经存在的装置无关地被改装。

该控制装置在另一种有利的实施方式中具有用于在轨道车辆中触发一个动作的合适接口。该动作可以例如以驾驶台中的可控制的警报灯或制动系统的可控制的调节装置的形式存在。

附图说明

下面借助优选的实施例在参照附图的情况下对本发明进行描述。详细地示出：

图1在单个车轮上的脱轨检测的原理结构和评价单元中的信号的再处理。

图2车轮转速的定性的用于“车轮在轨道上”状态(左边)和“车轮脱轨”状态(右边)的时间变化曲线，以及行驶状态的借助振幅作为波动强度的尺度的示意的评估。

具体实施方式

图1示出一种在单个车轮10上的脱轨检测的结构的实施方式。该车轮可旋转地支承在一个与轨道车辆(未示出)相连接的轴16上并且在行驶方向12上向右前进。车轮10在此执行围绕轴16的旋转运动14。车轮10在行驶期间在地面18上滚动。地面18可以在此是轨道或者，如果车轮10脱轨了，则可以是铁路道床的轨床等等。

在轨道车辆上这样地安设有一个转速检测装置20，使得该转速检测装置能够检测车轮10的转速。

转速检测装置20的输出端上的转速原始信号22被传输给评价单元24。在评价单元24中串联地布置有多个部段(26，28，30)。首先将转速原始信号22传输给信号准备部段26，该信号准备部段通过适当的准备操作(例如抗混叠滤波、数字化、采样、偏差调整等)使原始的转速信号22为可供进一步的分析使用。这样准备好的信号被传输给特征值确定部段28。

在特征值确定部段28中借助适当的评价操作(例如方差、标准偏差、分位数、二次方平均、算术平均、振幅、频率成分的计算等等)确定转速信号的波动强度作为当前行驶状态的特征值。结果被传输给警报生成部段30。

在警报生成部段30中将在特征值确定部段28中求出的波动强度与之前由开发者确定的极限值进行比较。附加地可以将求出的波动强度与其它车轮的、以同样方式求出的波动强度或者这些波动强度的平均值进行比较。附加地可以随着时间进行车轮的波动强度的比较，从而脱轨会导致波动强度相对于之前确定的波动强度的增加。

警报生成部段30被这样地配置，使得它能够由这些比较操作中的一个或多个推断出“未脱轨”或“脱轨”状态之一。如果识别出“脱轨”状态，则警报生成部段30触发一个动作32。在此该动作可以是给列车司机发消息直到自动紧急制动到列车静止为止。

图2示出车轮10的转速15的定性的时间变化曲线。在此图表左边定性地示出车轮的典型的转速变化曲线，该车轮以恒定的速度在轨道上行驶，即没有脱轨。

车轮转速15的变化曲线经受了一定的波动，这些波动可能通过加工误差、磨损或车辆驱动单元中的波动引起。但是这些波动与图表右边相比显著较小。

在右边的图表中定性地示出在车轮脱轨时车轮转速15的典型的时间变化曲线。车轮转速经受显著更强烈的波动，因为车轮始终重复地撞击地面并且由此获得制动的或者加速的冲击，地面是具有枕木和碎石的经典轨床，或者是平坦的混凝土车道。

基于车轮转速15的所述两个定性的时间变化曲线可发现，通过对一个或多个车轮的转速的测量和评价来检测车轮脱轨是有意义的，以便能够可靠地区分“未脱轨”和“脱轨”这两个状态。

在这些图表中此外示出滑动时间窗34，在该滑动时间窗上分析行驶状态。作为用于行驶状态的评价过程的例子，在此示出振幅36，即车轮转速的最大值和最小值之间的差。在车轮脱轨时振幅36这样地增大，使得脱轨能够可靠地被识别。

附图标记列表

10车轮

12行驶方向

14旋转方向

15车轮转速

16轴

18地面

20转速检测装置

22转速原始信号

24评价单元

26信号准备部段

28特征值确定部段

30警报生成部段

32被触发的动作

34滑动时间窗

36车轮转速的波动强度(振幅)