鐵路火車監視系統的制作方法

專利名稱：鐵路火車監視系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于鐵路火車等的監視系統，更特別地，涉及4吏用測量滾珠承載適配器襯墊(pad)以檢測車輪組、輪架、運貨車廂或火 車水平的較差的性能的出現和原因的系統。
背景技術：
一直以來，火車車廂所有人和操作員需要更好地理解他們的資產 是如何執行的。對于更重的服務的車廂，存在更大的一旦其性能變得 不可接受就識別"壞蛋"(可損壞軌道基礎結構并導致脫軌的車廂) 的需要。還存在通過改善高速性能并減少由于機械失效導致的計劃外 服務中斷增加平均火車速度的需要。車廂所有人越來越多地尋求實現 預防性的維護程序以避免機械失效和設施上的計劃檢修和它們的選擇 的時間。最后，隨著鐵路操作的更加自動化和增加的用于提高安全性 的調節，鐵路工業需要新的監視火車、車廂和火車車廂輪架的性能的 方式。
需要被監視的性能準則中的一些包含滾珠軸承條件和溫度、滾珠 軸承適配器位移、車輪條件、輪架擺動/翹曲/結合、制動器狀態和性 能、是否出現了部分脫軌以及潛在地有問題的軌道條件。由于這些性 能問題中的一些可非常迅速地導致火車的災難性失效，因此希望監視 并盡可能快地向火車頭或向中央數據操作設施報告異常情況。并且， 給定鐵路火車操作的苛求的環境，任何系統必須是結實可靠的，并能 夠在維護很少或沒有維護的情況下長時間操作。另外，為了是成本有 效的，不應增加顯著的成本以安裝和維護系統。由于只在北美就有超 過150萬輛運貨車廂，并且監視使用中的所有車廂的系統是所非常希 望的，因此任何這種系統需要能夠向非常多的潛在的裝置分配非常大的地址。
在北美廣泛采用的一種方法是在整個鐵路網絡中的固定位置上使用路旁缺陷檢測器。測量軸承溫度的檢測器(軸承過熱檢測器)是常見的，而用于測量車輪沖擊、軸承條件(從聲學特征)和橫向力的其
它路旁檢測器正逐漸被引入。但是，雖然一個檢測器可監視通過的許多運貨車廂，但它們只能提供關于性能的點檢查。缺陷將只在檢測器之間變得明顯并逐步增強到臨界水平是相當可能的。需要連續監視火
車車廂性能的系統。
用于火車車廂性能監視的另一種方法是使用車栽儀器。已為聯邦鐵路管理局開發了 一種這種突出的系統。在該系統和其它類似的系統 中，使用運貨車廂的不同區域上的大量的儀器以進行離散的測量并然后將其傳達給運貨車廂上的中央網絡集線器(central hub)。雖然提 供優于由路旁監視器提供的方案的方案，但布線、復雜性和成本增加 監視車廂所需要的投資額。

發明內容
本發明具有這樣的一種目的，即，提供用于在使用中連續監視鐵 路車廂的輪架、車輪和軸承的行為和條件的裝置，并提供適當的性能 的常規保證，并且，根據需要以定時和有用的方式關于即將來臨或實 際的失效向如果形成一部分的火車的操作員和所有人報警。
本發明的另一目的是，火車車廂及其構件的性能可與來自火車頭 的操作數據組合以提供完整的火車監視系統。
本發明的另一目的是，在最少地借助于在安裝在火車車廂的輪架 上的構件之間或在安裝在輪架上的構件和安裝在車廂的其它部分和包含火車頭的火車的其他部分上的構件之間驚醒有線點連接的情況下提供這種功能。
本發明的另一目的是，為了檢查和修理可被插入或去除的構件或在火車車廂的正常維護期間中可被更換的構件。 本發明的另一目的是，提供用于在火車的操作中進行的測量的定
時分析的裝置，使得可以以簡潔的方式發送關于性能或失效的信息， 使得不需要傳送詳細的測量。
本發明的另一目的是，關于性能或失效發送的消息包含可明確地 確定所討論的項目在火車上的確切位置的足夠的信息，并且，假定該 信息是可用的，那么火車或者實際上運貨車廂的位置可被報告。
本發明的另一目的是，當以無線的方式操作時，它可被擴展為利 用操作頻率(信道)的可用選擇以減輕火車中的連續的(相鄰的)車 廂之間或來自在相同的頻帶中操作的其它設備的干擾。
雖然以下的討論將車輛描述為運貨車廂，但可以理解，相同的方 法可應用于任何鐵路，或者，在一些情況下，可應用于其它的多軸車 輛。并且，雖然以下的說明以具有兩個輪架的運貨車廂(或后軸接合的列車(bogies))為特征，但它可應用于具有更多或更少的輪架或 軸的幾乎任何配置。


圖1 3是表示適用于實現本發明的目標的構件的配置的示意圖4是火車車廂輪架(railcar truck)的各部分的分解透視圖，該圖示出本發明的測量襯墊(instrumented pad)相對于火車車廂輪架的位置；
圖5 7是示出本發明的要素的替代性配置的示意圖。
具體實施例方式
現在轉到圖1、圖2和圖4，用圖解法表示的輪架(truck) 1分 別承載兩個軸2，每個軸2具有兩個車輪3。配置在圖4中最佳地表示 的軸承2a和軸承適配器4，使得各個軸承將其承載的負載和它可能產 生的熱通過村墊16傳向輪架。
圖4示出火車車廂輪架1的一部分，表示測量襯墊16相對于其它 的輪架部分的關系。在圖4中示出輪架側架12的一端。各個側架具有 一對向下延伸的軸箱鉗口 13。各個軸箱鉗口的平行的側壁14連同頂部15 —起組合為形成軸箱鉗口開口。
輪架還包含軸承適配器4，在圖4中示出這些軸承適配器4中的 一個。適配器具有一般為矩形的上表面，該上表面具有從頂端結構的 拐角延伸的依靠支柱(d印ending leg)。支柱具有被配置為安置在軸 承2a的外表面上的對向的彎曲側表面，該軸承2a被安裝在車輪軸承 軸2的端部上。適配器一般由鑄鋼構成。適配器襯墊16在平面圖中一 般為矩形并具有依靠支柱。適配器襯墊16優選由鑄造的或注射的模制 彈性聚合物構成。適配器村墊16形成為裝在適配器4的上表面上，該 適配器4又如上面指示的那樣裝在軸承上。在日期為2005年12月8 日的美國公開申請No. 2005/0268813中結合功能具體說明了用作承載 和衰減裝置的適配器和襯墊的細節。
進一步參照圖2，襯墊4被裝在軸承適配器的上面的矩形表面上。 各個軸承將其承載的負載和它可能產生的熱通過適配器傳送到它承載
的襯墊，并由此傳送給火車車廂輪架。
圖3示意地表示被修改以實現本發明的目標的適配器襯墊16。襯 墊包含優選被嵌入其上表面、側表面和下表面中或者如下面更全面的 解釋的那樣被嵌入出于本發明的目的可能必須的諸如其端面的其它位 置中的多個傳感器5。在優選的形式中，襯塾16具有被定位為與通過 適配器16傳送的力相對隔離的延伸的固定部分17。延伸的部分17包 含電源18、模擬/信號調節裝置和模數轉換裝置和相關微處理器單元 19和優選為具有天線21的低功率無線電發射器/接收器的通信單元 20。傳感器與模數轉換電路單元和微處理器單元電連接，該微處理器 單元又與可通過其發送和接收消息的通信單元連接并控制該通信單 元。可以〗吏用向襯墊供給電力的各種手段。電源可以是電池，該電池 傳輸足夠的電壓并具有足夠的能量存儲容量，使得當如下面說明的那 樣周期性地和暫時被打開時，襯墊可在與在輪架中使用的軸承構件的 正常服役壽命一致的幾年內發揮作用。
作為替代方案，電源可由向可充電電池或電容器供給能量的能量 清道夫(energy scavenging)裝置構成。可以使用產生應變的電源(strain generated electrical power source)。 雖然食巨源可以是安裝在 車廂體上的源，但優選它處于輪架上并最優選處于相對村墊延伸部分 上以避免對于相對可移動的車廂部分之間的電力布線的需求。
圖l-3進一步示出具有具有襯墊16的輪架1的鐵路運貨車廂22， 這些襯墊16具有它們的相關的傳感器和控制和通信電路單元19和 20。在說明的例子中，各個輪架承載四個襯墊16 (—個軸承一個)， 每個襯墊16具有電源18、控制電路單元19和優選包含無線電發射器 /接收器的通信單元20。
安裝在火車車廂體上、優選安裝在大致處于兩個火車車廂輪架之 間的中間位置的點上的是也具有無線電/接收器的數據控制單元23,該 無線電/接收器能夠與將在后面說明功能的微處理器一起與其自身的 火車車廂上的襯墊4上的無線電通信。數據控制單元23通過電纜23a 與通信裝置24鏈接，該通信裝置24在這里被示為處于火車車廂的頂 部，但根據諸如應用本發明的車廂的類型的因素其它的位置可能是合 適的。在一些情況下并且對于一些車廂類型，數據控制單元和通信設 備可以是鄰接的。
有利地通過由附圖標記24a表示的太陽能電池或能夠維持連續的 功能的其它電力裝置對通信裝置24進行供電。通信裝置24用于使火 車車廂直接與牽引火車的火車頭鏈接，使得工程師或其它的乘務人員 迅速接到有問題的車廂的通知。任選地，通信可經由鐵軌側自動設備 識別裝置或到達蜂窩式或衛星無線電系統或用戶希望的到達監視站的 其它通信設備。在可在整個火車上獲得來自火車頭的有線通信的事件 中，例如，如果電子制動變為標準，那么通信設備可與通信線連接。 用于通信設備24的電源也可為數據控制單元23a提供電力，在這種情 況下，電連接23可以是多連接器鏈接。
在圖1中還示出包含微處理器和用于通過其無線電與測量襯墊16 通信的無線電并且還具有數據控制單元23的手持單元23b。以下稱為 "登記員(registrar)"的單元23b被設計為具有非常有限的信號傳 送能力，使得為了發生通信其物理位置必須接近襯墊16或數據通信單
元23。這保證操作員將僅與一個這種裝置通信，而不與接收無線電傳 送的相同或附近火車上的其它車廂上的類似裝置通信。
雖然用于通過登記員進行通信的無線電的使用是優選的，但可以 使用直接電接觸。但是，由于暴露火車車廂的惡劣的環境條件，因此 直接電接觸易于降低可靠性，并且，特別是當必須與大量的車廂進行 通信時實施起來會更加耗時。以下進一步說明在實施本發明的功能的 過程中對于登記員的使用。
在這一點上，應當注意，本發明的特征是要有利于在安裝襯墊時 或在村墊或數據控制單元的更換過程中確定用于無線電通信的地址。 出于這種目的，作為無線電通信的替代方案，可以使用射頻識別 (RFID )標簽或相應的條形碼或可被登記員讀出和記錄的擴展地址的 其它可讀形式(version)。
圖l和3所示的天線被示意地示為導線或桿的形式。但是，實際 上，它們可以是微波傳輸帶或共形天線陣，并且可以是例如陶瓷襯底 上的金屬導體。
類似地，作為用于測量襯墊的電池電源的替代，車載電源可能在 火車車廂中是可用的，并且，如果是可用的則可被使用。可以使用從
車輪的旋轉得到能量的替代性的能量清道夫裝置以產生電力。作為選 擇電源的實際的方式，應優選最可能運行幾年而不需要更換電池或不 需要執行其它的維護工作的電源。
如上所述，襯墊16和數據控制單元23內的無線電僅需要在非常 短的范圍上通信是本發明的特征。出于這種目的，符合用于無線傳感 器網絡的IEEE802.15.4標準的無線電是優選的。它是短范圍標準，其 中的ZigBee傳感器網絡系統是示例性的。功率級較低并且范圍有限， 但是，所需要的一般只是能夠在特定的車廂的輪架上的襯墊和該車廂 的數據控制單元之間或與由在車廂附近站立的工人持有的登記員通信 的能力。存在用于用有能力的微控制器使用這些系統的數據格式和開 放源碼軟件的標準使得它是優選的選項。無線通信的特別引人關注的 優點在于，輪架上的布線和從輪架到火車車廂的布線由于容易破斷因
此是不希望有的，并且，除非普遍釆用電子剎車等的工業范圍廣泛釆 用，否則沿貨運列車的長度的布線是非常不可能被接受的。
用于基于IEEE標準進行無線通信的裝置是可用的并且適于允許 測量襯墊和數據控制單元在沒有外部千涉的情況下建立連接的網絡。 它們可被建立以識別輪架和火車車廂上的軸位置的關系，或者被建立 使得數字通信單元接到配置由此提供將網絡鏈接在一起的多中繼段 (multi-hop)裝置的通知。在實施本發明的以上方面的過程中^f吏用的 無線電意圖在于在較低的功率下間歇地被操作。在世界的不同部分， 幾個頻帶是可接受的。無線電在北美工作的適當的可用的頻率為約 2.4GHz。雖然優選期望消息的格式和編碼符合上述的IEEE標準，但 其它的配置是可行的。
在示例性的系統中，測量村墊4包含用于測量由火車車廂輪架并 由此由軸承適配器由運貨車廂施加的動態和靜態垂直負栽和剪切或橫 向力的幾個傳感器。相反，它們是本身被剛性地固定到車輪上并經受 車軌不規則性影響的軸向輪架施加的力。由于相關軸承的溫度的指示 對于軸承不過熱的安全性是十分重要的，因此示例性的測量襯墊16 還承載溫度傳感器以給予這種指示。
重新參照圖1 3，在操作中，測量襯墊16上的微控制器一般處于 無源低功率狀態，但被編程為短暫地、周期性打開。它收集來自傳感 器中的每一個的讀數并對讀數執行初步分析。采樣頻率的選擇和要被 讀取的傳感器的選擇的合理性基于被監視的行為的類型和特定的應 用。采樣應處于幾倍于從數據檢測的最高頻率的頻率上。更頻繁的釆 樣不會獲得更多的信息但增加功率消耗。
采樣和報告的周期由數據控制單元23控制。但是，萬一襯墊檢測 到故障或緊急的失效的指示，襯墊上的微處理器可被編程為打開它控 制的無線電并通過無線電向數據控制單元23發送適當的消息。這種情 況的例子可以是溫度的突然增加。由功率清道夫裝置產生的較大的電 壓尖脈沖也可被用于激活襯墊微處理器，如果那時它處于低功率狀態 的話。在不存在這種問題的情況下，襯墊微處理器遵從其給定的時間
表，該時間表一般會導致它在大部分時間處于低功率狀態。
數據控制單元23意圖在于服務于幾種目的。它協調由測量襯塾微 處理器執行的循環測試的定時和從中發出的消息的定時。作為信息的 集合體(aggregator)，它被編程為將來自火車車廂上的所有輪架的 信息相比較，并且關于車廂的狀態從中提取推理，例如，數據控制單 元使用推理機技術以識別諸如搖擺、彈跳或者甚至部分脫軌的令人不 滿意的行為。它傳送來自通信裝置24的信息。例如，通信裝置24可 包含諸如全球定位系統的測量裝置以提供關于車輛速度的信息，該信 息在檢查諸如擺動(hunting)的輪架行為的過程中有用的。該信息也 可被用于在為了節能不服務于任何目的時禁止傳感器檢查。
類似地，如果希望的話，諸如環境溫度和濕度(下雨、下雪和結 冰)的因素的檢測器可被內置于用于下述用途的分布式推理機功能中 的通信裝置24或數據控制單元23中。另外，數據控制單元23或通信 設備24可包含用于觸發某些分析模式或驗證由襯墊進行的讀數并提 供關于各種車廂體運動的信息的三軸加速計或速率陀螺儀。
作為管道，數據控制單元23將消息傳送到用于向前傳送給火車頭 或其它遠程接收器的通信設備24，并且又在適當情況下出于其自身分 析的目的接收例如來自火車頭或來自其它的遠程源的信息或指令。
在圖5~7中示出用于監視在圖1 3中說明的系統的替代性配置。 在圖5所示的實施例中，各個測量襯塾16具有其自身的微處理器和無 線電。該配置意圖在于使用用于聯網的協議，該協議允許消息在它們 傳遞和來自數字通信單元23的路上在襯墊之間被傳送。
在圖6的實施例中，來自 一個輪架的所有的襯墊16與路過多芯電 纜27的單一微處理器和無線電單元24通信。這以在輪架上制成大量 的導線連接的代價使得電子部件的數量最少化。在輪架上的微處理器 單元中執行的計算服務或多或少會與圖5中的微處理器單元中的那些 不同。在本實施例中，在微處理器中執行所有的模數轉換功能，并且, 在那里執行的任何推理功能對于用于輪架上的所有襯墊的所有傳感器 進行評價。
在圖7中示出另一替代性的實施例。在圖7中，各個測量襯墊16 具有其自身的模數轉換單元，該模數轉換單元可被加入特定的襯墊上 的微處理器28中。這些微處理器從而可與輪架上的單一數據處理單元 25通信并由此與數據控制單元23通信。如在圖6的配置中那樣，在 單元25上執行的任何推理或數據分析都考慮來自輪架上的所有襯墊 上的所有傳感器的信息。
其它的選項包含使用有線鏈接的標準CANBus通信方案。另外， 在電子控制的氣動閘的大規模實現潛在地提供對于通信方案的其它選 項的情況下，可以實現CANBus或其它標準。
可以以各種方式提供沿火車的通信。對于非常長的貨運列車， WiFi (IEEE802.15.il標準)可能是合適的。對于沿客運列車的通信， Rail Transit Vehicle Interface Standard, IEEE1473-199會是適用的。
并且，應當注意，在實際中，使測量襯墊沿火車通信從而將消息 從一個運貨車廂傳送到下一個是可行的。但是，對于較長的火車，這 導致消息出現許多跳躍，其可靠性明顯低于從各個車廂到火車頭或其 它遠程位置的單一的、功率更大的鏈接。其它的問題包含這樣的可能 性，即，火車將通過運貨車廂被重新配置，這些運貨車廂可能被去除 或改變位置，或者，火車被處于其相反一端的火車頭拖動。依賴于來中對火車進行重新配置。
如上面指示的那樣，具有對在系統中使用的火車車廂中的各個和 每一個測量襯墊進行尋址和識別的適當的裝置是本發明的特征。并且， 對于相鄰的運貨車廂上的輪架上的測量襯墊，不管它們是否處于同一 火車上，在處于相互的無線電范圍中時都必須繼續工作而沒有相互的 干擾。必須能夠從任何運貨車廂形成火車，并且能夠更換輪架上的單 一襯墊而不必更換輪架或運貨車廂上的所有其它襯墊。即使沒有要報 告的問題，系統提供它仍適當地工作的保證也是十分重要的。這里說 明的優選系統出于此目的使用由測量襯墊啟動的消息。通過數據控制 單元使用輪詢以檢查測量襯墊的狀態的替代方案在要求數據控制單元
一直處于接收模式的條件下要求襯墊在精確控制的時間以及與被允許 基于它們自身的定時發送消息相比需要更長的全功率操作的周期打開 并用作接收器。
要用相應的數據控制單元相互共同操作的測量襯墊必須均使用匹配的頻率。上述的IEEE802.15.4標準指定各頻帶中的頻率或信道。例 如，在ISM帶中，在2.4GHz上存在26個信道。還存在用于消息模 式的標準，使得每一種形成大量的8位字節數據的信道包，其中，各 個字節具有預先分配的意思。在該模式內，對于組號分配一個字節， 并且對于組內地址分配兩個字節。對于可能被解釋為命令的消息的類 型分配另一字節。相關的無線電接收器和它們的控制微處理器被設計 為忽略從不同的組中的源接收的消息。它們不檢測它們的選擇的操作 頻率以外的其它頻率上的消息。但是，它們可在程序控制下改變操作 信道(頻率)。它們可適當地作用于屬于它們自身的組的消息。對于 火車車廂上的用途，將需要可由二字節地址覆蓋的以外的大量的設備， 并且，必須提供裝置使得數據控制單元可識別來自其自身的運貨車廂 上的測量襯墊的消息。測量襯墊必須能夠識別來自它們自身的數據控 制單元的消息，并且均必須能夠容忍來自同一火車或經過的火車中的 其它附近的運貨車廂上的測量襯墊和數據控制單元的潛在的干擾。它 們還必須能夠容忍來自在同一未經許可的頻帶中操作的其它裝置的潛 在的干擾。
標識號或地址可在制造中被編程到電子模塊中。
對于測量襯墊給定的地址可另外或替代性地被存儲在各個襯墊4 上的或被嵌入其中的RFID (射頻識別)標簽中。輪架上的襯塾的物 理位置導致其接近軌道側。特別地，它可處于輪架的側架的外側并由 此接近任何軌道側監視設備。這至少為通過固定設備識別經過的設備 提供機會，并且，如果使用有源RFID標簽技術，那么考慮從車廂到 中心數據庫(data repository )或所有人的替代性通信路徑 (communication route )。
雖然苛求的操作環境會使得該替代方案具有有限的用途，但給定的地址作為任選地具有方便用戶的條形碼的可讀號碼方便地是可見 的。
很明顯，可以使用提供足夠的單個地址或身份的任何尋址方案。
可使得襯墊的地址遵從擴展的因特網協議(IPv6)尋址方案，使用6 個字節使得這些裝置可具有它們自身的IP地址。
以下說明的優選實施例可被擴增為使用多個信道(射頻)，由此 提供實際上消除火車中的相鄰車廂之間的干擾的手段。
本發明的根本目的是能夠監視火車上的所有輪架和軸承和車輪的 行為。報警消息必須盡可能快地、優選在幾秒內從任何火車車廂到達 火車頭或到達遠程數據操作設施。
但是，傳送可能在執行這種監視的過程中采樣的所有數據的負擔 是極大的，并且，對于大部分，詳細的數據是不充分的。優選只識別 隱含一些故障或失當行為的觀察。為了將無線電通信量減少到可管理 的比例，系統被設計為處理原始傳感器數據，從而尋找故障的征兆并 然后僅發送基本的指示信息。為此，使用分布式推理機，從而在測量 襯墊上和數據控制單元23上的微處理器之間共享基本的功能。本發明 的目的是減少襯墊和數據控制單元之間的無線電信息量，因此，在襯 墊上完成一部分的數據分析，并且只有相關的信息從襯墊被傳送到數 據控制單元用于進一步的分析和故障識別。
在上面示出的示例性系統中，測量襯墊16上的微處理器19取得 一系統的測量并且作為時間序列處理它們。形成推理機的搜索算法可 識別例如時間序列中和之間的周期和交叉相關關系，使得將看到可在 村墊水平上檢測到的任何行為。例如，輪架越過鐵軌線的來回擺動處 于由輪架幾何形狀和車輪旋轉速度確定的頻率上。車廂的搖擺和搖動
處于由懸架和負載的質量彈簧系統主導的頻率上。在各種程度上，根 據車輛設計，行為的這些不規則性在可感測例如垂直和剪切和制動力
的測量襯塾中的負載和負載分布的變化過程中是十分明顯的。車輪不 規則性可在從車輛速度計算的旋轉頻率上產生重復的力的模式。軌道 缺陷可在車輪、軸承和輪架上并在車廂及其負載上產生較大的突然的力。
如果在測量襯墊中推斷這種行為并且大小足以導致報警，那么相 關的屬性和定時(相對于報告的傳送的時間)可被傳送到車廂的數據 控制單元。
假定多于一個的測量襯墊可報告失當行為，那么數據控制單元中 的推理機的部件負責對整個輪架并最終對運貨車廂進行評價。當推斷嚴重的問題時，通過通信線路23a、 24向火車頭等發送消息。
系統能夠監視的性能的例子包括
軸承溫度-測量襯墊16中的溫度傳感器監視針對其它軸承的相 對溫度變化，并向軸承鏈接條件提供報警閾值或長期趨勢。可通過使 用趨勢或報警水平推斷滾珠軸承的良好狀態，從而避免潛在的軸承燒 除和可能的脫軌并提供可用于避免來自路旁軸承過熱檢測器的錯誤報 警的直接測量。作為本發明的另一目的，可將來自路旁檢測器的對于 溫度和其它效應的觀察與來自車載系統的出于相互校準和驗證目的的 觀察相比較。
軸承條件-使用測量襯墊16的頂部的負載傳感器以監視從軸承 發出(通過滾珠軸承適配器傳送)的振動。可從頻譜分析推斷特定的 軸承缺陷。在其早期階段識別損壞的軸承在預防性的維護程序中是十 分重要的。
車輪條件 一測量襯墊中的負栽傳感器檢測周期性重復(為車輪直 徑和速度的函數)的高振幅負載(與背景相比)以識別無偏差靈敏點 (flat spot)或有殼車輪踏面。還能夠通過使用測量襯墊中的其它傳感 器中的一些識別中空的磨損車輪。監視車輪沖擊可允許所有人在車輪 被軌道側車輪沖擊負載檢測器識別從而導致未調度的維護之前將其調 度出去。它還提供對于失效的原因的洞察力。
車輪脫軌-使用與用于車輪條件的儀表相同的儀表，但尋找來自 車輪組中的兩個車輪的更高的頻率和類似的信號。識別車輪組什么時 候脫軌防止可能的完全脫軌和可能的災難性后果。
輪架擺動-使用安裝在測量襯墊中的負載傳感器以檢測縱向、橫向和偏航力、監視指示軸或輪架擺動的迅速變化的負載(并由此監視 車輪組的沖角)。通過分析從輪架上的兩個車輪組和車廂上的兩個輪 架監視的這種負載，可以識別輪架和軸擺動以及輪架翹曲。另外，通 過評價各輪架上的車輪組的沖角，可以識別通過使側旁軸承或干燥中輥(center bowl)結合導致的較高的旋轉摩擦力。識別這些條件有助 于防止損壞運貨車廂輪架和貨物以及軌道基礎設施。
車廂重量-將在運貨車廂上的所有八個測量襯墊中測量的負載求 和以確定其重量。即使粗略的測量(即，總負載加減10%)也將為承 擔評價運貨車廂和它們的部件的信息提供有用的信息。進一步的益處 來自檢測由于不適當的裝載或運輸線的轉移導致的負載失衡。
移位滾珠軸承適配器-通過監視測量襯墊支柱中的負載，能夠識 別滾珠軸承適配器什么時候出現了位移。這提供關于什么導致位移的 信息并且引起對于緊急維護需求的注意以避免損壞滾珠軸承。
制動器性能和狀態-監視測量襯墊上的縱向力提供關于從制動器 村墊施加到車輪上的力的信息。它可提供對于制動效率的洞察力(過 高的制動負載表示制動器可導致車輪連結，過低的制動負載表示制動 器不適當地工作)。另外，如果火車在移動時帶有施加的手制動器中 的一些，那么檢查制動器狀態可被用于發送報警。
軌道缺陷-監視測量襯墊中的垂直負載并在車輪組之間對它們進 行比較會給予車廂所有人對于可導致損壞運貨車廂或它們的貨物的軌 道缺陷的洞察力。
上面對于設備的配置并對于它們之間的通信識別了幾種替代方 案，以下說明優選的實施例。
對于熟悉微控制器的編程和低功率和衛星或小區電話通信的協議 和能力的技術人員來說，很顯然通過現有的技術和部件這里說明的功 能是可行的。例如，由Crossbow Corp., of Palo Alto, California制造 的Micaz低功率微片(mote)與它們的內置的ChipCon無線電一起 可執行襯墊和數據控制單元的功能。通信設備24是由Stellar-Sat, Inc. 制造的型號DS300-RDT。該裝置具有很強的計算能力，使得可在DSM0-RDT中執行這里歸于數據控制單元23的功能中的一些。事實 上，也可以組合兩個設備或者共享它們的功能，使得區別可變得是不 必要的。
電源由諸如連同電荷存儲電容器的來自Measurement Specialties, Inc.， of Hampton, Virginia的壓電膜或可再充電電池的能量清道夫裝 置構成。
在制造中用組號、信道號和被存儲在非易失性存儲器中并在使用 時與RFID標簽和條形碼中的數據匹配的唯一的擴展地址對測量襯墊 進行編程。通過適當的編程，可以如需要那樣多地增加用于不同的測 量襯墊的可用地址的數量。
組號用于將該應用與可能使用相同的射頻(信道)的任何其它應 用區分開，這在使用這些IEEE802.15.4系統時是標準的。
當安裝襯墊時，通過被裝配為收集RFID或條形碼數據的登記員 23b讀取它們的擴展地址。用戶關于各個襯墊占據輪架上的哪個位置 并由此占據運貨車廂上的哪個位置通過登記員的鍵盤和屏幕指示登記 員。登記員然后被放在數據控制單元23附近，并且，通過使用無線電 信道，將用于該數據控制單元自身的運貨車廂上的襯墊的地址和位置 數據傳送到數據控制單元中。
為了避免使用RFID或條形碼手段，登記員可替代性地利用總是 被編程為每當它具有可用的功率就發出消息的襯墊和電子裝置的功 能。以下解釋的這些消息總是包含襯墊的擴展地址，使得當它接近襯 墊時登記員可收集它。該操作模式具有為了進行對話要求對襯墊進行 供電的缺點，如果襯墊要通過能量清道夫裝置在正常操作中被供電， 那么這是不方便的。如果例如通過感應提供額外的裝置以提供電能， 那么無線電通信的使用變得是優選的。
襯墊數據的登記可替代性地通過其它裝置、諸如通過使用數據線 路24被傳送到數據控制單元中。在任何情況下，數據被記錄在非易失 性存儲器中的數據控制單元中，使得功率的暫時損失不需要重復的登 記。登記的過程允許在整個鐵路系統中對裝置進行跟蹤。
一旦襯墊身份被寫入數據控制單元中，就將通過數據控制單元識 別隨后的從測量襯墊的傳送，如果它們發自登記的測量襯墊的話。類 似的隨后的從數據控制單元的傳送可被引導到正確的測量村墊。
如果從附近的測量襯墊和數據控制單元拾取的無關消息不在時間 上與希望的消息沖突，那么它們不是問題。可以簡單地忽略它們。如 果它們沖突的話，那么消息將被破壞。但是，通過使用用于消息有效性的循環冗余檢查的正常IEEE802.15.4標準，它們將被識別，并因此 將被略去。為了使該問題最小化，數據控制單元管理送往和來自其自 身的測量襯墊的消息的定時。
最初，測量襯墊在緊接著被供電之后以一分鐘一條的速率或類似 的速率開始發送消息。似乎對于任何接收器而實際上對于具有正確的 組號并處于適當的信道上的接收器廣播的該消息承載襯墊的地址作為 發送器地址。在該方案中它是僅有的類型的作為廣播發送的消息。襯 墊然后暫時等待答復。數據控制單元在被供電時用作接收器，因此它 拾取消息。由于它可將發送器地址識別為屬于襯墊中的它負責的一個， 因此它用關于執行哪個數據收集任務以及什么時候(多晚)報告回去 指示襯墊的消息立即答復。襯墊被編程使得它接收的使用其自身的全 地址的任何消息在已從其控制的數據控制單元直接或間接地到來時被 接收，并自動地向該發送器送回答復。結果，由于襯墊將自動地從直 接對它們尋址的無論哪一個設備取得指令并向其返回報告并且足夠 近，因此它們不需要用于它們的有用的壽命的剩余部分的其它尋址指 令。在從數據控制單元接收消息之后，襯墊可恢復到低功率(睡眠模 式)直到它必須執行其下一個任務。
該方案允許襯墊由于被清掃的功率的損失而停止運行，并在電力 被恢復時仍回來并連入它們的適當的數據控制單元中。
該方案允許通過給予數據控制單元它負責的襯墊的地址在網絡中 更換數據控制單元。可以通過將其ID給予適當的數據控制單元在網 絡中更換單一的襯墊。
方案還允許在網絡中操作其它的裝置，只要它們具有相關的接近的數據控制單元。
當屬于數據控制單元的所有的測量襯墊都已完成一輪的通信時， 它們處于在數據控制單元可期望的時間依次提出它們的時間表上。測 量襯墊在介入的周期中是基本上禁止通信的以節省電力。
用于調度系統中的消息的方案故意地在時間上使來自單一運貨車 廂上的測量襯墊的消息保持分開，因此，無線電信號沖突被避免。由 于測量襯墊自身僅非常短暫地用作接收器，因此它們接收假消息的風 險也較小。由于來自測量襯墊的調度的無線電傳送非常短，例如為幾 毫秒，因此，與介入的寧靜期相比，來自相鄰的運貨車廂或其它的完 全獨立的裝置的無線電信號沖突的機會也較低。但是，它們最終將發
生。用于IEEE方案的標準方法是，正要發送出信號的無線電首先進 入接收器模式以看看是否有任何其它的信號正在信道上傳送。如果是， 那么它延遲與消息長度相關的隨機的時間量發送。該過程消除大多數 的沖突。
如果來自測量襯墊的期望的調節的消息在合理的時間幀內沒有到 達，那么數據控制單元可采取大量的不同的動作。它有時可檢測被接 收但被破壞的消息。如果知道發送的測量襯墊將暫時期望答復，那么 它可發送指示定時的輕微的隨機偏移的消息，使得如果問題來自相鄰 的運貨車廂那么下一條消息將非常可能通過。
相應地，如果它沒有得到答復，那么測量襯墊可在時間表外面重 復其消息，使得一直被供電并且一般用作接收器的數據控制單元將4艮 快拾取連接，并且可如在初始的啟動過程中那樣為傳送分配新的調度 時間。數據控制單元可等待另一循環以看看它是否是隨機事件，當它 們調入時它可使其它的測量村墊暫時安靜，使得它們不妨礙來自遺漏 的(missing)設備的傳送。通過這些和其它的類似的策略，測量襯墊 和數據可采取步驟以恢復通信。最終，如果所有的這些均失敗，那么 數據控制單元將通過通信線路23a報告通信的損失。
本發明的特征是，襯墊只要具有足夠的電力就決不停止嘗試與數 據控制單元進行接觸，并且，雖然自然允許下一報告之前的較長但不
確定的延遲，但對于襯墊的外部消息均不能停止該過程。
通過建立的通信，數據控制單元關于實施哪一個數據獲取任務以 及什么時候返回報告指示襯墊以提供使得能夠執行上面指示的推理的
信息。這些任務包含但不限于測量溫度、取得平均力、傳送關于橫 向或垂直或縱向力的波鐠數據、測量車輪旋轉頻率上的循環上的垂直 力。這些測量次序中的每一個與如果數據證明其正確則可引起的特定 的推理對應。
對于各個任務分配返回報告之前的等待時間。對于各個任務分配應進行測量的時間或者分配周期性。
任務可要求襯墊進行中間測量并在無線電報告間隔之間暫時存儲 它們。可以在沒有數據控制單元的介入的情況下承擔這些中間的定時 的動作。假定存在足夠的重新開始的時間，那么，在這些活動之間， 襯墊恢復到低功率睡眠模式，該過程導致能量經濟。
由襯墊送回的每個報告識別請求的任務和從收集組中的數據算起 過去的時間。
每一個報告包含關于襯墊部件特別是傳感器的功能的狀態信息 (狀態字節)。
該組請求包含作為關于通信的檢查請求報告接收的信號強度的選項。
數據控制單元調度報告時間，使得無線電傳送不相互沖突。 數據控制單元可通過諸如環境溫度或車輛速度的相關信息使數據 請求參數化。可通過使用GPS信息使得選擇測量任務的命令是依賴位 置的。當存在加速度測量裝置時，命令可受數據控制單元上的測量的 加速度影響。
數據控制單元具有要運行的缺省的測量程序，從而使用其襯墊作 為數據收集器，使得以及時的方式進行運貨車廂行為的定期的評價。 但是，可以由從中心數據庫發送到數據控制單元的命令或通過所有人 或操作員的命令取代該定期的方式。
數據控制單元在其作為信息集合體的角色中合并來自襯墊的數據，并且對于報告和收集數據的稍微不同的時間進行必要的調整。數 據控制單元然后對于推理機執行上述的評價，以檢查運貨車廂、其輪 架或車輪或軸的運轉是否足夠差以至于需要送給中央數據操作位置或 所有人或操作員或火車頭的報告。如果是，那么可發送報告。由于數 據傳送會以量定價，因此使被發送的數據最少化是十分重要的，并且， 可存在許多的火車車廂發送數據。但是，如果一切沒有錯誤，那么數 據控制單元將在適當的間隔調度"一切良好"消息的發送。
從以上對于系統的說明可以# 明顯地看出，由于通信難度或由于 環境的惡劣，部件可能未能提供所有的請求的數據，因此，用于評價 運貨車廂性能的規則被設計為容忍遺漏數據。
由于本優選實施例代表與襯墊的數據對話的啟動，因此，另一優 點是，如果出現一些極端的條件，那么襯墊可在調度的報告間隔之間 的任何時間發送未經請求的報告。為了使數據信息量最少化，在從數 據控制單元向中央數據庫發送數據時采取相同的方法。
對于本發明的可利用幾種(例如，在2.4GHz頻帶中為26種)可 用操作頻率的選擇的方案，添加以下的附加特征。中央數據控制可從 由車廂發送的GPS數據提取哪些對車廂是實際上相鄰的。如果車廂正 在報告通信問題，那么可從中心到車廂通過通信告知這樣的一對中的 一個，以切換到另一信道。IEEE802.15.4設備的網絡可被編程為通過 相互的協議完成頻率跳躍以避免干擾。在通信丟失的情況下，這些裝 置將以不同的頻率的次序廣播消息，直到響應提供用于重建通信的基 礎。限制選擇并預先限定要被嘗試的頻率的次序促進恢復過程。系統 也可被編程為作為襯墊和數據控制單元之間的定期對話的一部分通過 發送指令提供有意的頻率變化。
由此，通過上述的裝置，本發明的目標得到實現。
權利要求
1.一種用于在火車運行中監視火車車廂的性能準則的監視系統，其中，車廂包含車廂體和具有相對于火車車廂的支撐框架的車輪軸承的車輪組，該系統包含用于傳送火車車廂和鐵軌之間的負載的各軸承和框架之間的彈性負載軸承襯墊，所述襯墊在軸承和框架之間提供對于負載力的阻尼；由各個所述的襯墊承載的用于測量與火車車廂的操作性能相關的至少一個參數的至少一個感測元件，該系統還包括用于評價所述性能并用于傳送指示所述評價的信號的數據收集、評價和通信裝置，所述系統還包括遠離所述火車車廂設置的用于接收所述信號的接收器。
2. 根據權利要求l的監視系統，其中，火車包含火車頭，并且所 述接收器位于所述火車頭中。
3. 根據權利要求2的監視系統，其中，所述數據收集、評價和通 信裝置對于接收器產生識別火車車廂傳送指示存在所述預定的偏離的 信號的信號。
4. 根據權利要求3的監視系統，其中，所述數據收集、評價和通 信裝置包含用于向所述位于遠程的接收器傳送所述信號的無線傳送 器。
5. 根據權利要求l的監視系統，其中，所述數據收集、評價和通 信裝置包含所述火車車廂上的各個襯墊上的第一傳送器/接收器；所 述火車車廂體上的第二傳送器/接收器，用于在所述第一和第二傳送器 /接收器之間通信。
6. 根據權利要求4的監視系統，其中，還包括所述襯墊上的多個 傳感器，所述傳感器中的每一個響應包括所述襯墊內的溫度、壓縮應 力和剪切應力的變化的多個變量中的一個。
7. 根據權利要求6的監視系統，其中，響應溫度的所述傳感器位 于所述襯墊上以響應軸承溫度。
8. 根據權利要求7的監視系統，其中，溫度響應傳感器被設置為鄰近軸承。
9. 根據權利要求7的監視系統，其中，各個所述的傳感器通過唯 一的地址被所述通信電路識別，所述通信電路包含用于對各個所述地 址周期性尋址的裝置和用于僅向所述遠程接收器傳達指示對于用于特 定火車車廂中的特定傳感器的性能準則的臨界偏離的值的裝置。
10. 根據權利要求5的監視系統，其中，所述第一和第二傳送器/ 接收器是能夠在其間進行無線通信的無線單元。
11. 根據權利要求3的監視系統，其中，所述信號識別傳送指示 存在所述預定的偏離的信號的襯墊。
12. —種用于監視火車車廂的性能的系統，其中，車廂具有多個 輪架，每個輪架具有在軸上分開的車輪組和相對可旋轉地安裝在與各 個車輪相關聯的軸上的車輪組的各個車輪所特有的軸承組件，這些輪 架包括具有其中接收軸承組件的分開的軸箱套口的側架，該組合包含 位于軸箱套口和軸承組件之間的彈性負載軸承襯墊，所述襯墊允許軸 承和軸箱套口之間的有限的相對移動并提供對于沖擊和磨損的阻尼， 這些襯墊還允許軸在軸箱套口內的受控的搖擺移動，這些襯墊具有在其上支撐的至少一個感測裝置，所述至少一個感測裝置是設置在鄰近 軸承的襯塾上的用于感測軸承溫度的溫度傳感器，并且控制電路包含 安裝在各個襯墊上的用于接收指示該襯墊特有的軸承的溫度的信號的 第一通信電路和安裝在火車車廂體上的第二通信電路，所述第二通信 電路包含用于對火車車廂上的各個感測裝置進行周期性尋址并用于將 由所述傳感器得到的值傳達到遠程位置的邏輯電路，所述值僅在邏輯 電路確定這些值指示潛在的操作失敗時才被傳達。
13. 根據權利要求12的系統，還包括與各個所述的襯墊相關聯的 電源。
14. 根據權利要求13的系統，其中，所述電源是電池。
15. 根據權利要求13的系統，其中，電源是能量清道夫裝置。
16. 根據權利要求15的系統，其中，電源從火車車廂的車輪的旋 轉得到能量。
17. 根據權利要求12的系統，其中，能量清道夫裝置是將火車車廂的振動能量轉變成電力的振動響應裝置。
18. 根據權利要求17的系統，其中，能量清道夫裝置被集成地安裝在襯墊上。
19. 根據權利要求12的系統，其中，通信電路包含遵從 IEEE802.15.4的低功率無線標準的低功率、無線接收器/傳送器。
20. 根據權利要求12的系統，還包括用于對第二通信電路供電的太陽能供電能源。
21. 根據權利要求12的系統，其中，襯墊具有在其上面支撐的第 二感測裝置，所述第二感測裝置是振動感測裝置并位于襯墊上以感測 軸承振動，所述第一通信電路從所述第二傳感器接收代表振動的信號 并識別指示潛在的失效的振動水平并將指示潛在的失效的振動水平的 所述信號傳達給所述遠程位置。
22. —種用于監視包含操作的火車頭的火車的火車車廂的性能的 監視系統，其中，各個火車車廂包含車廂體和帶有具有軸箱開口的側 架的支撐輪架、包含軸和由軸箱開口保持的分開的車輪的車輪組，這 些軸在用于使在軸承和軸箱鉗口之間傳達的負載衰減的每一個開口內 承載在所述開口中保持的車輪軸承和彈性襯墊，襯墊通過用于感測選 自包含振動、動態和靜態垂直負栽、剪切力和溫度的組的操作參數的 感測裝置被測量，各個襯墊具有相關的微處理器，各個微處理器被編 程為周期性地活動的狀態以掃描用于指示潛在的失效的感測的數據， 各個襯墊還具有傳送器，所述系統還包含安裝在火車車廂體上的數據收集單元，包含用于接收所述潛在失效信號并將代表潛在的失效的所 述指示的所述信號傳送給遠程位置的裝置。
23. 根據權利要求22的監視系統，還包括位于火車頭內的用于將 所述信號傳達給位于火車頭內的乘務員的接收器。
24. 根據權利要求22的監視系統，其中，對于火車頭接收器的信 號的傳送是無線傳送。
25. 根據權利要求24的監視系統，其中，各個數據收集單元向火車頭內的接收器廣播用于識別從中廣播代表失效的信號的車廂的信 號。
26. 根據權利要求24的監視系統，其中，在沒有指示潛在的失效 的信號的情況下，用于接收和向遠程位置傳送信號的裝置是不活動的。
27. 根據權利要求22的監視系統，其中，用于襯墊上的微處理器 的電源包含開關，所述開關可操作為一掃描到襯墊上的傳感器就接通 電源。
28. —種監視具有由車輪支撐的主體的有輪的互連移動單元的性 能的方法，其中，所述移動單元中的一個是可控制的原動機，所述單 元的剩余部分與所述單元的所述一個互連，所述方法包括在車輪和有輪的移動單元的主體之間提供連接的柔性的彈性襯墊，所述襯墊具有用于測量選自包含溫度、位移、速度、加速度、應 力、應變壓力、力和它們的組合的組的參數的嵌入的傳感器；和通過所述傳感器產生代表所述參數的信號，單獨地處理和評價對 于各個參數接收的信號，并識別從被視為足以導致報警的所述信號得到的性能行為，并向原動機傳達僅識別足以導致報警的性能行為的消 息。
29. 根據權利要求28的方法，還包括在傳達給原動機的消息中包 含對于從中出現識別被視為足以導致報警的行為的信號的移動單元唯 一的識別代碼的步驟。
30. —種監視負載承載結構的方法，包括以下步驟 在負栽承栽結構中的相對剛性的元件之間設置多個彈性的可壓縮的襯墊，該負載承載結構向襯墊提供用于感測選自包含溫度、位移、 速度、加速度、應力、應變壓力、力和它們的組合的組的參數的嵌入 的傳感器、用于處理從所述傳感器接收的數據的微處理器和低功率傳 送器/接收器和周期性地被激活為對所述微處理器供電的能量清掃 (scavenge)和能量存儲裝置；用各個襯墊唯一的識別地址對襯墊進行編程，所述地址包含將襯 墊應用與使用相同的廣播頻率的其它應用區分開的號碼； 將數據控制單元放在接近襯墊的結構上，所述單元具有接收器和傳送能力和具有存儲器的數據處理單元；用各個襯墊的唯一地址對數據處理單元進行編程； 對數據處理單元進行編程以便以定時的次序激活用于襯墊的電向接觸的襯墊傳達襯墊要執行的任務和用于返回報告的時間； 處理從襯墊接收的數據信號；將信息與從自襯墊接收的數據提取出的其它參考合并以確定是否 存在報警條件；和從與數據控制單元通信的其它襯墊得到信息，并將任何這種^L警 條件傳達給遠離數據控制單元的位置。
全文摘要
火車車廂監視利用在軸承適配器上的輪架軸箱鉗口內支撐的測量柔性襯墊。襯墊包含用于監視溫度壓力、移動負載和輪架擺動等的傳感器，并具有用于處理從傳感器接收的信息并用于處理和向遠程源報告性能變量的偏離的電路。系統循環地激活輪詢車廂上的各個襯墊并向遠程源傳達臨界偏離和車廂身份的信號。
文檔編號B61L3/00GK101346268SQ200680048988
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月22日 優先權日2005年12月23日
發明者M·J·麥卡恩, W·勒費布爾 申請人:Asf-基斯通公司