用于检测铁轨断裂或车辆的系统和方法

专利名称：用于检测铁轨断裂或车辆的系统和方法
技术领域：
本发明一般来说涉及铁轨断裂或车辆检测系统，并且更具体地，涉及长 区段多区域铁轨断裂或车辆检测系统、以及用于使用这种系统检测铁轨断裂 和/或车辆的方法。
背景技术：
传统的铁路系统采用铁轨轨道作为信号传输路径的 一部分，以检测在区 段(block)部分中的列车或铁轨断裂的存在。在这种方法中，轨道在电气上 被划分为多个部分，每个具有预定长度。每个部分形成电路的一部分，并且 被称作为轨道电路。发射机设备和接收机设备分别安排在轨道电路的任一 端。发射机设备连续地或以可变间隔发送信号用于检测列车或铁轨断裂，而 接收机设备接收该发送的信号。
如果列车或铁轨断裂在由轨道电路形成的部分中不存在，则接收机接收 由发射机发送的信号。如果列车或铁轨断裂存在，则因为由轨道和断裂、或 轨道和列车形成的电子电路中的变化，所以接收机接收由发射机发送的修改 的信号。 一般来说，列车存在通过从轨道到轨道的分流电阻的添加来修改轨 道电路。断裂存在通过轨道中增加的电阻的添加来修改电路。断裂或列车检 测一般通过接收的信号与阈值比较来完成。
传统的轨道电路一般应用到长度上大约2.5英里的区段用于检测列车。 在这样的区段内，列车应该展现0.06欧姆或更少的列车分流电阻，并且轨间 电阻或在独立的轨道之间的电阻一般将大于3欧姆/1000英尺。随着区段长 度变得更长，轨道电路的总电阻由于各轨道之间的轨间电阻的并联添加而降 低。通过该并联电流路径的添加，额外的电流流过道碴(ballast )和轨枕(tie )， 并且成比例地更少地流过接收机。因此，在列车存在的情况下轨道电路的信 噪比变低。
在一个例子中，基于光纤的轨道电路可用于更长的区段(例如，大于3 英里)用于检测列车和铁轨断裂。然而，用于实现基于光纤的轨道电路的成
本相对更高，而耐用性可能更低。在另一个例子中，轨间电阻增加，而轨道 电路的区段长度可能相应地增加。然而，用于维护相对高的轨间电阻的维护 成本不期望地高。
增强的长区段铁轨断裂或车辆检测系统和方法是期望的。

发明内容
按照本发明之一实施例， 一种用于检测铁轨轨道区段中的铁轨断裂的方 法，包括经由多个电压源跨接具有多个区域的块施加电压。测量指示电流的 第一组值。每个第一值对应多个区域之一。切换每个电压源的极性。接着测 量指示电流的第二组值。每个第二值对应多个区域之一。监视在第一组值和 第二组值之间的变化以检测在该区段中的铁轨断裂的存在。
按照本发明的另 一个实施例， 一种用于检测铁轨轨道区段上的铁轨车辆 的存在的方法，包括经由多个电压源跨接具有多个区域的块施加电压。测量 指示电流的第一组值。每个第一值对应多个区域之一。切换每个电压源的极 性。接着测量指示电流的第二组值。每个第二值对应多个区域之一。比较在 第 一组值和第二组值之间的差与预定阈值极限，以检测在该区段上的铁轨车 辆的存在。
按照本发明的另 一个实施例， 一种用于检测铁轨轨道区段中的铁轨断裂 的的系统，该铁路轨道的区段包括多个区域。该系统包括多个电压源，每个 耦合到该多个区域之一。提供多个电阻，每个与多个电压源之一串联耦合。 提供多个电流传感器，每个耦合到多个电阻中之一，并且适配来测量指示流 过电阻的电流的第一组值和第二组值。至少一个控制单元被适配来接收来自 多个电流传感器的输入并且监视第一组值和第二组值之间的变化，以检测该 区段中的铁轨断裂的存在。该控制单元还被适配来切换每个电压源的极性。
按照本发明的另 一个实施例，提供了 一种用于检测铁轨轨道区段上的铁 轨车辆的存在的系统，该铁路轨道区段包括多个区域。该系统包括多个电压 源，每个耦合到该多个区域之一。提供多个电阻，每个与多个电压源之一串 联耦合。提供多个电流传感器，每个耦合到多个电阻中之一，并且适配来测 量指示流过电阻的电流的第 一组值和第二组值。至少 一个控制单元被适配来 接收来自多个电流传感器的输入并且比较第 一组值和第二组值之间的差与 预定阈值极限，以检测在该区段上的铁轨车辆的存在。该控制单元还被适配
来切换每个电压源的极性。


在参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和 优点将变得更好理解，贯穿附图相同的标记表示相同的部件，在附图中
图1是按照本发明的示范性实施例的铁轨断裂或车辆检测系统的框图； 图2是按照图1的各方面、表示沿着铁轨断裂或车辆检测系统的区段部
分以各间隔定位的电压源极性的顺序切换的表；以及
图3是按照本发明的示范性实施例、图示检测铁轨断裂或车辆的示范性
过程的流程图。
具体实施例方式
一般地参照图1，按照本发明的几个实施例，铁轨断裂或车辆检测系统 被图示，并且统一用参考标号IO表示。在图示的实施例中，系统10包括铁 路轨道12,其具有左铁轨14、右铁轨16和在铁轨14、 16之间延伸并且一 般横跨轨道14、 16的多个轨枕18。轨枕18耦合到铁轨14、 16，并且提供 对轨道14、 16的横向支持，该轨道14、 16被配置为便利如列车、矿车、测 试车辆等的车辆的运动。
在图示的实施例中，多个电压源20和电阻22在沿着区段部分24的位 置ll、 13、 15、 17和19提供，该区段部分24在铁路轨道10的两个绝缘接 头26、 28之间形成。每个电压源20与相对应的电阻22串联耦合，并且在 轨道14、 16之间提供。结果，区段部分24被划分为多个区域30、 32、 34 和36。在图示的例子中，铁路轨道12的区段部分24具有大约为IO英里的 长度。区段部分的每个区域具有2.5英里的长度。然而，本领域技术人员将 意识到，区段部分24和区域30、 32、 34和36的具体长度不是本发明的实 质性特征。类似地，区域、电阻和电压源的数量也不是本发明的实质性特征。 电压源的例子可以包括DC电压源、AC电压源、静态(static)电压源等。 在示范性实施例中，电压源20被配置为跨接铁路轨道12的区段部分24施 加电压。每个电阻22(例如，1欧姆的电阻)被配置为从由电压源20施加的电 压接收电流。流过每个电阻22的电流表示当电压源20的极性相同时的总道 碴漏电流。系统10还包括多个电流传感器38,每个电流传感器38与相对应的电阻 22串联耦合。电流传感器38被配置以;险测流过电阻22的电流。在另一个示 范性实施例中，系统10可包括多个电压传感器，每个电压传感器跨接相对 应的电阻22耦合。如本领域技术人员所知的，流过电阻的电流可以基于检 测的电压和电阻的阻值确定。控制单元42可通信地耦合到电压源20和电流 传感器38。在一个实施例中，控制单元46被适配为接收来自电流传感器38 的输入，并且监视流过每个区域的电流的变化以检测铁路轨道12的区段部 分24上的铁轨车辆的存在或铁轨断裂。在替换的示范性实施例中，多个控 制单元可以被用来从电流传感器38接收输入，并且监视流过每个区域的电 流的变化以检测铁路轨道12的区段部分24上的铁轨车辆的存在或铁轨断 裂。
在图示的实施例中，控制单元42被配置为从区段部分24的第一端44 朝向第二端46顺序地切换多个电压源20的极性。在另 一个示范性实施例中， 控制单元42被配置为从区段部分24的第二端46朝向第一端44顺序地切换 多个电压源20的极性。在另一个示范性实施例中，控制单元42被配置为随 机地或以任何预定顺序切换多个电压源20的极性。当铁路轨道12的区段部 分24未被铁轨车辆占用或没有检测到铁轨断裂时，在具有分别位于任一端 点的相互相反极性的电压源的特定区域中检测到电流的大幅度增长。例如， 如果区域30具有在特定时刻在其各端点相互相反极性的电压源，则当铁路 轨道12的区段部分24未被铁轨车辆占用或没有检测到铁轨断裂时，在区域 30检测到电流的大幅度增长。当铁路轨道12的区段部分24被铁轨车辆占用 或检测到铁轨断裂时，在具有分别位于任一端点的相互相反极性的电压源的 特定区域中检测到可忽略的电流增长。例如，如果区域30具有在特定时刻 在其各端点相互相反极性的电压源，则当铁路轨道12的区段部分24被铁轨 车辆占用或检测到铁轨断裂时，在区域30检测到可忽略的电流增长。
在另一个示范性实施例中，当具有在特定时刻在其端点极性相反的特定 区域的电流的增长小于预定阈值极限时，控制单元42被适配来检测区段部 分24中的铁轨断裂或车辆的存在。该预定阈值极限依赖于该区段的轨间电 阻值的变化。控制单元42被配置以监视区段部分24的轨间电阻值的变化， 接着基于该轨间电阻值的变化更新该预定阈值极限。神经网络、分类算法等 可以被用来在铁路轨道12的区段部分24上的铁路轨道的存在或铁轨断裂之
间区分。针对后续的附图更详细地描述了按照本发明各方面的铁轨车辆的存 在和轨道断裂之间的区分。
控制单元42包括处理器48,该处理器48包括硬件电路和/或软件，其 便利来自电流传感器38和电压源20的信号的处理。如本领域技术人员将意 识到的，处理器48可以包括微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块等。 如前面讨论的，在图示的实施例中，控制单元42 ^皮适配来从区段部分24的 第一端44朝向第二端46顺序地切换电压源20的极性并且反之亦然(即，从 第二端46朝向第一端44)或随机地切换。电流传感器38的测量可以被平均 以减小系统和电流(galvanic)的误差。
在某些实施例中，控制单元42还可以包括数据库和算法，该算法实现 为由控制单元计算机或处理器48执行的计算机程序。数据库可以被配置为 存储关于铁轨断裂或车辆检测系统10和铁轨车辆的预定信息。数据库还可 以包括指令集、映射、查询表、变量等。这样的映射、查询表和指令集可操 作来将流过多个区域的电流的特性相关，以检测铁轨断裂或铁轨车辆的存 在。该数据库还可以被配置来存储实际感测的或检测的信息，该信息与电流、 ^^接区^a部分28的电压、电压源20的极性、区l殳部分28的轨间电阻值、 电流增长的预定阈值极限、铁轨车辆等有关系。该算法可以便利处理感测的 与电流、电压和铁轨车辆有关的信息。任何上述参数可以选择性地和/或动态 地相对于时间适配或改变。在一个例子中，控制单元42被配置来基于区段 部分24的轨间电阻值更新上述预定阈值极限，因为轨间电阻值由于如湿度、 暴雨等的环境条件的变化而变化。处理器48经由有线连接端口或短距离无 线链路(如红外协议、蓝牙协议、IEEE 802.11无线局域网等)发送指示信 号给输出单元50。 一般地，该指示信号可以提供简单的状态输出，或可以被 用于基于区段部分24的多个区域中的检测到的电流，激活或设置如告警的 标志。
参照图2,按照图1的各方面、图示了表示位于多个区域30、 32、 34 和36的位置11、 13、 15、 17和19的电压源20的极性的顺序切换的表。在 图示的例子中，进行10次测试用于4企测铁路轨道12的区段部分24的铁轨 断裂或车辆存在。起初，施加电压到区段部分24的所有电压源20具有如行 52所示的正的极性。如行54、 56、 58、 60和62所示，位于位置19、 17、 15、 13和11的电压源20的极性从第一端44到第二端46被顺序地切换(即， 到负极性)。如行62所示，所有的电压源具有负极性。再次，如行64、 66、 68、和70所示，电压源20的极性从第一端44到第二端46被顺序地切换(即， 到正极性)。上述切换极性的顺序仅仅是举例，并且在其它的示范性实施例 中，切换极性的顺序可以依据要求按照预定顺序变化。
在图示的实施例中，例如在第一次测试中，电流传感器38测量指示流 过电阻22的电流的第一组值。所有电压源具有正的极性。接着在第二次测 试中，位于位置19的电压源的极性从正切换到负。电流传感器38测量指示 流过电阻22的电流的第二组值。在上述第二次测试，区域36具有在其两个 端点具有相互相反极性的电压源。控制单元42从各个电流传感器38接收输 入，并且监视在第一组值和第二组值之间的变化，以检测在区段部分24中 的铁轨断裂的存在或列车占用。如果列车占用或铁轨断裂不存在，则在区域 36中检测到电流的大幅度增长。如果列车占用或铁轨断裂存在，则在区域 36检测到可忽略的电流增长。在一个实施例中，如果在区域36中电流的增 长(即，在第一组值和第二组值之间的差)小于预定阈值极限，则列车占用的 存在或铁轨断裂被检测到。对区段部分24的每个区域重复如上所述的过程。
控制单元42进一步被配置来平均在其各端点具有相互相反极性的每个 区域的第一组值和第二组值，以减小系统和电流的误差。在一个例子中，由 行52表示的在测试1中的传感器38的电流值(即，全部正极性)和由行62 表示的在测试6中的传感器38的电流值(即，全部负极性)被平均，以移除 系统和电流的误差。在另一个例子中，由行54表示的在测试2中的和由行 64表示的测试7中的传感器38的电流值被平均，以减小系统和电流的误差。 类似地，任何数量的例子被设想。
按照本发明的各方面，基于电流传感器38的分辨率确定区段部分的每 个区域的区域长度。如前面讨论的，当铁路轨道12的区段部分由铁轨车辆 的车轮占用或检测到铁轨断裂时，在具有分别位于任一端点的相互相反极性 的电压源的特定区域中，检测到可忽略的电流增长。当在区段部分中检测到 铁轨断裂或列车存在时，按照本发明的各方面的电流传感器能够解决电流测 量的变化。区域长度越大，电流测量的变化变得越小。
图3是按照本发明的示范性实施例、图示检测铁轨断裂或车辆的方法的 流程图。该方法包括经由多个电压源20跨接铁路轨道12的区段部分24施 加电压，如步骤76所示。与相对应的电压源20串联耦合的每个电阻22从
由电压源20施加的电压接收电流。在电压源20的极性相同时，流过每个电
阻22的电流表示总的道碴漏电流。电流传感器38 4企测流过电阻22的电流。 最初，电流传感器38测量指示流过每个区域的电流的第一组值，如步骤78 所示。
控制单元46从电流传感器38接收输入，并且监视流过每个区域的电流 的变化，以检测在铁路轨道12的区段部分24上铁轨车辆的存在或铁轨断裂。 在图示的实施例中，控制单元42切换多个电压源20的极性。在一个实施例 中，控制单元42从区段部分24的第一端44到第二端46顺序地切换多个电 压源的极性，如步骤80所示。在另一个示范性实施例中，控制单元42从区 段部分24的第二端46到第一端44顺序地切换多个电压源的极性。在另一 个实施例中，控制单元42被配置在区段部分24中以随机或者以预定顺序切 换多个电压源20的极性。接着电流传感器测量指示流过电阻22的电流的第 二组值，如步骤82所示。
控制单元42从多个电流传感器38接收输入，并且监视第一组值和第二 组值之间的变化，以检测在区段部分中列车占用的存在或铁轨断裂的存在， 如步骤84所示。如果列车占用或铁轨断裂不存在，则在具有在其各端点具 有相互相反极性的电压源的区域中检测电流的大幅度增长。如果列车占用或 铁轨断裂存在，则在具有在其各端点具有相互相反极性的电压源的区域中检 测可忽略的电流增长。在一个实施例中，如果在该区域中的电流增长(即， 在第一组值和第二组值之间的差)小于预定阈值极限，则检测到列车占用或 铁轨断裂的存在。对区段部分中的每个区域重复上述过程。电流传感器38 的测量被平均以减小系统和电流的误差。
尽管只有本发明的某些特征在此被阐述和说明，但是对于本领域技术人 员来说，许多修改和变化将出现。因此，要理解的是权利要求书旨在覆盖落 入本发明的真正精神内的所有这样的修改和变化。
权利要求
1.一种用于检测铁轨轨道区段中的铁轨断裂的方法，包括经由多个电压源跨接具有多个区域的块施加电压；测量指示电流的第一组值，该第一组值的每个对应多个区域之一；切换每个电压源的极性；测量指示电流的第二组值，该第二组值的每个对应多个区域之一；以及监视第一组值和第二组值之间的变化，以检测在该区段中的铁轨断裂的存在。
2. 如权利要求1所述的方法，包括测量指示流过多个电阻的电流的第一 组值和第二组值，该多个电阻的每个串联耦合到相对应的电压源。
3. 如权利要求2所述的方法，包括经由多个电流传感器测量第一组值和 第二组值。
4. 如权利要求2所述的方法，还包括监视在指示流过多个电阻的电流的 第一组值和第二组值之间的变化，以检测在该区段的铁轨车辆的存在。
5. 如权利要求1所述的方法，包括从该区段的第一端点到第二端点顺序 地切换每个电压源的极性。
6. 如权利要求1所述的方法，包括按预定顺序切换每个电压源的极性。
7. 如权利要求1所述的方法，还包括当指示流过多个电阻的电流的第 一组值和第二组值之间的差小于预定阈值极限时，检测铁轨断裂。
8. 如权利要求7所述的方法，还包括基于该区段的轨间电阻值的变化更 新预定阈值极限。
9. 如权利要求1所述的方法，还包括平均第一组值和第二组值，以减小 系统和电流i吴差。
10. —种用于检测铁轨轨道区段上的铁轨车辆的存在的方法，包括 经由多个电压源跨接具有多个区域的区段施加电压；测量指示电流的第 一组值，该第 一组值的每个对应多个区域之一 ； 切换每个电压源的极性；测量指示电流的第二组值，该第二组值的每个对应多个区域之一；以及 比较在第一组值和第二组值之间的差与预定阈值极限，以检测在该区段 上的铁轨车辆的存在。
11. 如权利要求IO所述的方法，包括测量指示流过多个电阻的电流的第 一组值和第二组值，该多个电阻的每个串联耦合到相对应的电压源。
12. 如权利要求11所述的方法，包括经由多个电流传感器测量第一组值 和第二组值。
13. 如权利要求11所述的方法，还包括当指示流过多个电阻的电流的 第一组值和第二组值之间的差小于预定阈值极限时，检测该区段上的铁轨车 辆的存在。
14. 如权利要求11所述的方法，还包括当指示流过多个电阻的电流的 第一组值和第二组值之间的差小于预定阈值极限时，检测该区段中的铁轨断裂。
15. 如权利要求11所述的方法，还包括基于该区段的轨间电阻值的变化 更新预定阈值极限。
16. 如权利要求IO所述的方法，包括从该区段的第一端点到第二端点顺 序地切换每个电压源的极性。
17. 如权利要求IO所述的方法，包括按预定顺序切换每个电压源的极性。
18. 如权利要求10所述的方法，还包括平均第一组值和第二组值，以减 小系统和电流i吴差。
19. 一种用于检测铁轨轨道区段中的铁轨断裂的系统，该铁路轨道区段包 括多个区域，该系统包括多个电压源，每个耦合到该多个区域之一； 多个电阻，每个与多个电压源之一串联耦合；多个电流传感器，每个耦合到多个电阻之一，并且适配来测量指示流过 电阻的电流的第一组值和第二组值；以及至少一个控制单元，其被适配来接收来自多个电流传感器的输入并监视 第一组值和第二组值之间的变化，以检测该区段中的铁轨断裂的存在，该控 制单元还被适配来切换每个电压源的极性。
20. 如权利要求19所述的系统，其中控制单元被适配来接收来自多个电 流传感器的输入并监视指示流过多个电阻的电流的第 一组值和第二组值之 间的变化，以检测在该区段上的铁轨车辆的存在。
21. 如权利要求19所述的系统，其中控制单元被配置平均第一组值和第 二组值，以减小系统和电流误差。
22. 如权利要求19所述的系统，其中控制单元被配置为在第一组值和第二组值之间的差小于预定阈值极限时，检测铁轨断裂。
23. 如权利要求22所述的系统，其中控制单元被配置为基于该区段的轨 间电阻值的变化更新预定阈值极限。
24. 如权利要求19所述的系统，其中控制单元被配置为从该区段的第一 端点到第二端点顺序地切换每个电压源的极性。
25. 如权利要求19所述的系统，其中控制单元被配置为按预定顺序切换 每个电压源的极性。
26. 如权利要求19所述的系统，其中基于电流传感器的分辨率确定该区 段的每个区域的长度。
27. —种用于检测铁轨轨道区段上的铁轨车辆的存在的系统，该铁路轨道 区段包括多个区域，该系统包括多个电压源，每个耦合到该多个区域之一； 多个电阻，每个与多个电压源之一串联耦合；多个电流传感器，每个耦合到多个电阻之一，并且适配来测量指示流过 电阻的电流的第一组值和第二组值；以及至少一个控制单元，其被适配来接收来自多个电流传感器的输入并比较 第一组值和第二组值之间的差与预定阈值极限，以检测在该区段上的铁轨车 辆的存在，该控制单元还被适配来切换每个电压源的极性。
28. 如权利要求27所述的系统，其中控制单元被适配来接收来自多个电 流传感器的输入、并且比较在指示流过多个电阻的电流的第 一组值和第二组 值之间的差与预定阈值极限，以检测该区段中的铁轨断裂。
29. 如权利要求28所述的系统，其中控制单元被适配为在指示流过多个 电阻的电流的第一组值和第二组值之间的差小于预定阔值极限时，检测该区 段中的铁轨断裂。
30. 如权利要求27所述的系统，其中控制单元被配置为平均第一组值和 第二组值，以减小系统和电流误差。
31. 如权利要求27所述的系统，其中控制单元被配置为在指示流过多个 电阻的第一组值和第二组值之间的差小于预定阈值极限时，检测该区段上的 铁轨车辆的存在。
32. 如权利要求27所述的系统，其中控制单元被配置为基于该区段的轨 间电阻值的变化更新预定阈值极限。
33. 如权利要求27所述的系统，其中控制单元被配置为从该区段的第一 端点到第二端点顺序地切换每个电压源的极性。
34. 如权利要求27所述的系统，其中控制单元被配置为按预定顺序切换 每个电压源的极性。
全文摘要
一种铁轨断裂或车辆检测系统，包括多个电压源，每个耦合到多个区域之一。提供多个电阻，每个与多个电压源之一串联耦合。提供多个电流传感器，每个耦合到多个电阻中之一，并且适配来测量指示流过电阻的电流的第一组值和第二组值。至少一个控制单元被适配来接收来自多个电流传感器的输入并比较第一组值和第二组值之间的差与预定阈值极限，以检测在该区段上的铁轨车辆的存在。该控制单元还被适配来切换每个电压源的极性。
文档编号B61L23/04GK101351373SQ200680049564
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月14日 优先权日2005年12月27日
发明者托德·A·安德森, 肯尼思·B·韦尔斯二世 申请人:通用电气公司