DE102021211835A1

DE102021211835A1 - Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und -verfahren basierend auf Schwingungssignalen

Info

Publication number: DE102021211835A1
Application number: DE102021211835.6A
Authority: DE
Inventors: Wenjun Li; Haiyong Han; Gang Cheng; Jim Wei
Original assignee: SKF China Co Ltd China; SKF China Co Ltd Hong Kong; SKF AB
Current assignee: SKF China Co Ltd China; SKF China Co Ltd Hong Kong; SKF AB
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220135095A1; FR3115753B1; CN114441792A; FR3115753A1

Abstract

Eine Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und ein Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren werden offenbart. Eine Schwingung in einem Eigenfrequenzband, die durch einen Zug erfahren wird, wenn er sich vorwärtsbewegt, werden mittels eines ersten und eines zweiten Sensors bei derselben Abtastfrequenz abgetastet, um jeweils einen ersten Satz und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten; ein erster Satz und ein zweiter Satz von Schwingungssignalen werden jeweils basierend auf dem ersten Satz und dem zweiten Satz von Abtastsignalen erhalten, und der erste Satz und der zweite Satz von Schwingungssignalen werden einer Kreuzkorrelationsanalyse unterzogen, um eine Zielabtastdifferenz zu erhalten; und eine Zuggeschwindigkeit wird basierend auf der Zielabtastdifferenz berechnet. Die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung können die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit genau überwachen, ohne sich auf einen Geschwindigkeitssensor oder GNSS zu verlassen.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Zuggeschwindigkeitsschätzung, insbesondere auf eine Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und ein Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren basierend auf Schwingungssignalen.
Hintergrund der Erfindung
In einem Eisenbahnzug ist es zur Detektion von Fehlern in rotierenden Komponenten des Zuges in der Regel erforderlich, eine genaue Überwachung der Echtzeit-Fahrgeschwindigkeit des Zuges durchzuführen. Gegenwärtig verwendet die Zuggeschwindigkeitsüberwachung Geschwindigkeitssensoren oder basiert auf dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS). Geschwindigkeitssensoren haben jedoch einen relativ hohen Energieverbrauch und hohe Hardwarekosten, während GNSS-basierte Systeme sehr hohe Anforderungen an die Signalbedingungen haben, und in Szenarien mit schlechten Signalbedingungen, wie beispielsweise Tunneln, kommt es häufig vor, dass die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit nicht genau erhalten werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Als Antwort auf das obige Problem schlägt die vorliegende Offenbarung eine Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und ein Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren vor, die die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit durch synchrones Abtasten und Analysieren eines Schwingungssignals schätzen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung vorgeschlagen, die Folgendes umfasst: zumindest ein Sensorpaar, das einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor umfasst, die in der Richtung des Vortriebs eines Zuges angeordnet sind, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor dazu ausgebildet sind, bei derselben Abtastfrequenz eine Schwingung in einem Eigenfrequenzband abzutasten, die durch den Zug erfahren wird, wenn er sich vorwärtsbewegt, um jeweils einen ersten Satz von Abtastsignalen und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten; und einen Prozessor, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Satz von Schwingungssignalen und einen zweiten Satz von Schwingungssignalen jeweils basierend auf dem ersten Satz von Abtastsignalen und dem zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten und den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen einer Kreuzkorrelationsanalyse zu unterziehen, um eine Zielabtastdifferenz zu erhalten; wobei die Zielabtastdifferenz eine maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen erhält, und der Prozessor dazu ausgebildet ist, eine Zuggeschwindigkeit basierend auf der Zielabtastdifferenz zu berechnen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren vorgeschlagen, welches umfasst: Abtasten einer Schwingung in einem Eigenfrequenzband, die durch den Zug erfahren wird, wenn er sich vorwärtsbewegt, bei derselben Abtastfrequenz mittels eines ersten Sensors und eines zweiten Sensors in zumindest einem Sensorpaar, um jeweils einen ersten Satz von Abtastsignalen und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor in der Richtung des Vortriebs des Zuges angeordnet sind; Erhalten eines ersten Satzes von Schwingungssignalen und eines zweiten Satzes von Schwingungssignalen jeweils basierend auf dem ersten Satz von Abtastsignalen und dem zweiten Satz von Abtastsignalen, und Unterziehen des ersten Satzes von Schwingungssignalen und des zweiten Satzes von Schwingungssignalen einer Kreuzkorrelationsanalyse, um eine Zielabtastdifferenz zu erhalten, wobei die Zielabtastdifferenz eine maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen erhält; und Berechnen einer Zuggeschwindigkeit basierend auf der Zielabtastdifferenz.
Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Offenbarung kann die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit genau überwacht werden, ohne sich auf einen Geschwindigkeitssensor oder GNSS zu verlassen. Im Vergleich zum Stand der Technik können die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung den Energieverbrauch bei der Echtzeit-Zuggeschwindigkeitsschätzung reduzieren, haben eine höhere Genauigkeit als ein GNSS-basiertes Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren und sind besonders für die Untergrund-Zuggeschwindigkeitsschätzung unter Nicht-GNSS-Signalbedingungen geeignet. Darüber hinaus eignen sich die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung und das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung für Schienenfahrzeuge verschiedener Typen, wie z. B. Untergrundbahnen, Triebzüge, Hochgeschwindigkeitszüge und Hochbahnen, und werden nicht durch Faktoren wie Zugtyp und Schienentyp beeinflusst.
Figurenliste
Basierend auf der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu verstehen sind, werden die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung deutlich. In den Zeichnungen:

1A zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Teils eines Zuges, der ein darin vorgesehenes Sensorpaar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat, und
1B zeigt schematisch eine Bodenansicht eines Teils eines Zuges, der ein darin vorgesehenes Sensorpaar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt einen Kommunikationsprozess durch das Sensorpaar vor der Abtastung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Zuggeschwindigkeitsschätzverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt ein Flussdiagramm der Kommunikation durch das Sensorpaar vor der Abtastung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen klar und vollständig beschrieben; selbstverständlich sind die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur einige, nicht alle, der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Eine bestehende Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung überwacht die Zuggeschwindigkeit unter Verwendung eines Geschwindigkeitssensors oder eines GNSS-basierten Systems, wohingegen die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Schwingungssignal mittels zumindest eines am Zug angeordneten Sensorpaars synchron abtastet, um die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit zu schätzen. Insbesondere gibt es in Zügen verschiedener Typen, wie beispielsweise Untergrundbahnen, Triebzügen, Hochgeschwindigkeitszügen und Hochbahnen, ein dynamisches Mehrkörpersystem mit einer Struktur, die im Wesentlichen symmetrisch in der Richtung von vorne nach hinten ist; dieses dynamische Mehrkörpersystem kann Strukturen wie Zugwaggons, Wagen-Drehgestell-Verbindungsfedern und Drehgestelle umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Das dynamische Mehrkörpersystem, das in der Richtung von vorne nach hinten im Wesentlichen symmetrisch ist, schwingt in einem Eigenfrequenzband, wenn der Zug sich vorwärtsbewegt; die Schwingungsantworten sind an den symmetrischen Positionen vorne und hinten ähnlich, und es gibt einen Zeitunterschied zwischen den Schwingungsantworten an den Positionen vorne und hinten, wobei dieser Zeitunterschied durch die Geschwindigkeit des Vortriebs des Zuges bestimmt wird. Mit anderen Worten kann die Geschwindigkeit des Vortriebs des Zuges aus der Zeitdifferenz berechnet werden, die man durch den Vergleich der Schwingungsantworten im Eigenfrequenzband an den symmetrischen Positionen vorne und hinten im System erhält. In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung werden somit die Schwingungen, die durch den Zug im Laufe des Vortriebs erfahren werden, mittels mehrerer Sensoren detektiert, die an verschiedenen Positionen an dem Zug in der Richtung des Vortriebs des Zuges angeordnet sind, um eine Zeitdifferenz der Schwingungssignale zu erhalten und die Geschwindigkeit des Vortriebs des Zuges gemäß der Zeitdifferenz zu bestimmen.
1A zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Teils eines Zuges, der ein darin vorgesehenes Sensorpaar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat, und 1B zeigt schematisch eine Bodenansicht eines Teils eines Zuges, der ein darin vorgesehenes Sensorpaar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat.
Wie in 1A und 1B dargestellt, umfasst der Zug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zumindest einen Wagen 101. Zumindest ein Drehgestell 102 ist unterhalb des Wagens 101 vorgesehen; ein erstes Rad 103 und ein zweites Rad 104 sind an der Unterseite des Drehgestells 102 vorgesehen. Das dynamische Mehrkörpersystem des Zuges (nicht dargestellt) bewirkt, dass der Zug, wenn er sich vorwärtsbewegt, in einem Eigenfrequenzband schwingt. Ein erster Sensor 105 und ein zweiter Sensor 106 sind jeweils an den Achsmitten des ersten Rades 103 und des zweiten Rades 104 vorgesehen, um ein Sensorpaar zu bilden. Der Fachmann sollte verstehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese spezielle Anordnung von Zug und Sensoren beschränkt ist. Beispielsweise kann das Sensorpaar an irgendwelchen geeigneten Positionen an dem Zug in der Richtung des Vortriebs des Zuges angeordnet sein. Optional handelt es sich bei dem Zug um ein Schienenfahrzeug, einen Hochgeschwindigkeitszug, eine Untergrundbahn, eine Hochbahn oder einen Güterzug.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 2 dargestellt, umfasst gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung 201 zumindest ein Sensorpaar 202 und einen Prozessor 203. In 2 ist der Prozessor 203 getrennt von dem Sensorpaar 202 dargestellt, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. Der Prozessor kann zum Beispiel in einen Sensor in dem Sensorpaar integriert sein. Das Sensorpaar 202 umfasst einen ersten Sensor 202-1 und einen zweiten Sensor 202-2, die in Richtung des Vortriebs des Zuges angeordnet sind; der erste Sensor 202-1 und der zweite Sensor 202-2 sind dazu ausgebildet, dass sie bei derselben Abtastfrequenz ƒ_s eine Schwingung im Eigenfrequenzband abtasten, die der Zug erfährt, wenn er sich vorwärtsbewegt, um jeweils einen ersten Satz von Abtastsignalen und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten.
3 zeigt einen Kommunikationsprozess durch das Sensorpaar vor der Abtastung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 3 gezeigt, sendet, bevor der erste Sensor 202-1 und der zweite Sensor 202-2, eine Abtastung durchführen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung der erste Sensor 202-1 p Standard-Anfangsimpulse an den zweiten Sensor 202-2, wobei p eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Zum Beispiel p = 3. Immer, wenn der zweite Sensor 202-2 einen Standard-Anfangsimpuls von dem ersten Sensor 202-1 empfängt, sendet der zweite Sensor 202-2 einen Feedback-Anfangsimpuls an den ersten Sensor 202-1. Der erste Sensor 202-1 und der zweite Sensor 202-2 können jeweils Zeitstempel für die Impulse aufzeichnen, die sie senden und empfangen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwenden verschiedene Sensorpaare, die im Zug angeordnet sind, unterschiedliche Funkkanal-Frequenzbänder zur Kommunikation, um ein Übersprechen der Signale zu vermeiden.
Wenn der erste Sensor 202-1 p Feedback-Anfangsimpulse von dem zweiten Sensor 202-2 empfängt, dann sendet der erste Sensor 202-1 einen Standard-Synchronisationsimpuls an den zweiten Sensor 202-2 und beginnt die Abtastung.
Andernfalls, wenn der erste Sensor 202-1 keiner Feedback-Anfangsimpulse von dem zweiten Sensor 202-2 empfängt, kehrt der erste Sensor 202-1 zum Teilschritt des Sendens von p Standard-Anfangsimpulsen zurück.
Wenn der zweite Sensor 202-2 den Standard-Synchronisationsimpuls, d.h. einen (p + 1)-ten Impuls, von dem ersten Sensor 202-1 empfängt, dann beginnt der zweite Sensor 202-2 die Abtastung und sendet einen Feedback-Synchronisationsimpuls an den ersten Sensor 202-1.
Wenn der erste Sensor 202-1 den Feedback-Synchronisationsimpuls von dem zweiten Sensor 202-2 empfängt, dann setzt der erste Sensor 202-1 die Abtastung fort.
Andernfalls, wenn der erste Sensor 202-1 den Feedback-Synchronisationsimpuls von dem zweiten Sensor 202-2 nicht empfängt, stoppt der erste Sensor 202-1 die Abtastung und kehrt zum Teilschritt des Sendens von p Standard-Anfangsimpulsen zurück.
Wenn der zweite Sensor 202-2 erneut einen Standard-Synchronisationsimpuls von dem ersten Sensor 202-1 empfängt, dann stoppt der zweite Sensor 202-2 die Abtastung und kehrt dann zum Teilschritt des Beginnens der Abtastung und des Sendens eines Feedback-Synchronisationsimpulses an den ersten Sensor 202-1 zurück.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können die obigen Teilschritte wiederholt werden, bis der erste Sensor 202-1 und der zweite Sensor 202-2 die Abtastung abgeschlossen haben.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung berechnet der erste Sensor 202-1, nachdem der erste Sensor 202-1 und der zweite Sensor 202-2 die Abtastung abgeschlossen haben, eine Abtaststartzeitdifferenz ΔT zwischen den Zeitpunkten, zu denen der erste Sensor 202-1 und der zweite Sensor 202-2 mit der Abtastung beginnen, basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen dem Senden eines Standard-Anfangsimpulses durch den ersten Sensor und dem Empfangen eines entsprechenden Feedback-Anfangsimpulses.
Die Abtaststartzeitdifferenz ΔT wird beispielsweise nach der folgenden Formel berechnet: $Δ T = \frac{1}{2 p} \sum_{l = 1}^{p} Δ T_{l},$
wobei ΔT₁ die Zeitdifferenz zwischen dem Senden des 1-ten Standard-Anfangsimpulses durch den ersten Sensor 202-1 und dem Empfangen des 1-ten Feedback-Anfangsimpuls von dem zweiten Sensor 202-2 durch den ersten Sensor 202-1 ist.
Anschließend gleicht der erste Sensor 202-1 basierend auf der erhaltenen durchschnittlichen Abtaststartzeitdifferenz ΔT den ersten Satz von Abtastsignalen, die durch den ersten Sensor 202-1 erhalten wurden, mit dem zweiten Satz von Abtastsignalen ab, die durch den zweiten Sensor 202-2 erhalten wurden. Dieser Abgleich wird beispielsweise durch Löschen von Abtastsignalen durchgeführt, die durch den ersten Sensor 202-1 in der vorherigen Zeitdauer ΔT erhalten wurden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist der Prozessor 203 dazu ausgebildet, den ersten Satz von Abtastsignalen und den zweiten Satz von Abtastsignalen zu verarbeiten, die von dem ersten Sensor 202-1 und dem zweiten Sensor 202-2 erhalten werden. Insbesondere ist der Prozessor 203 dazu ausgebildet, einen ersten Satz von Schwingungssignalen und einen zweiten Satz von Schwingungssignalen basierend auf dem ersten Satz von Abtastsignalen und dem zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten und den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen einer Kreuzkorrelationsanalyse zu unterziehen, um eine Zielabtastdifferenz zu erhalten. Die Zielabtastdifferenz kann eine maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen erhalten. Der Prozessor 203 ist ferner dazu ausgebildet, basierend auf der Zielabtastdifferenz eine Zuggeschwindigkeit zu berechnen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Vorgang des Prozessors 203, der den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen jeweils basierend auf dem ersten Satz von Abtastsignalen und dem zweiten Satz von Abtastsignalen erhält, den folgenden Schritt umfassen. Der Prozessor 203 unterzieht den ersten Satz von Abtastsignalen und den zweiten Satz von Abtastsignalen einer Spektralanalyse, um ein charakteristisches Frequenzband [ƒ₁, ƒ_h] zu erhalten, das eine Amplitude hat, die höher als ein bestimmter Schwellwert in einem Niederfrequenzbereich ist, und setzt ƒ₁ und ƒ_h als feste Parameter fest. Der Niederfrequenzbereich liegt beispielsweise bei 200 Hz und darunter.
Dann filtert der Prozessor 203 den ersten Satz von Abtastsignalen und den zweiten Satz von Abtastsignalen in dem charakteristischen Frequenzband [ƒ₁, ƒ_h], um den ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und den zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i) zu erhalten, i = 1, 2,...m, wobei m die Gesamtzahl der Schwingungssignale in jedem Satz ist. Die Filterung kann zum Beispiel eine Bandpassfilterung sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Vorgang des Prozessors 203, der den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen einer Kreuzkorrelationsanalyse unterzieht, den folgenden Schritt umfassen. Der Prozessor 203 unterzieht den ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und den zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i) einer Kreuzkorrelationsberechnung, um eine Kreuzkorrelation R_jk(τ) des ersten Satzes von Schwingungssignalen X_j(i) und des zweiten Satzes von Schwingungssignalen X_k(i) zu erhalten, wobei τ eine Abtastdifferenz zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i) ist.
Durch die Kreuzkorrelationsanalyse erhält der Prozessor 203 die Zielabtastdifferenz τ_jkd, die geeignet ist, die maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i) zu erhalten. Zum Beispiel wenn τ=τ_jkd erhält man den maximalen absoluten Wert max|R_jk(τ)| von R_jk(τ).
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Vorgang des Prozessors 203, der die Zuggeschwindigkeit basierend auf der Zielabtastdifferenz berechnet, den folgenden Schritt umfassen. Basierend auf der erhaltenen Zielabtastdifferenz τ_jkd berechnet der Prozessor 203 eine Zeitdifferenz t_jkd zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i). Die Zeitdifferenz t_jkd wird zum Beispiel durch die folgende Formel berechnet: $t_{j k d} = \frac{1}{f_{s}} τ_{j k d} .$
Dann berechnet der Prozessor 203 basierend auf der erhaltenen Zeitdifferenz t_jkd die Zuggeschwindigkeit V_jk. Die Zuggeschwindigkeit V_jk wird beispielsweise durch die folgende Formel berechnet: $V_{j k} = \frac{L_{j k}}{t_{j k d}},$
wobei L_jk der horizontale Abstand zwischen dem ersten Sensor 202-1 und dem zweiten Sensor 202-2 ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beurteilt der Prozessor 203, ob die erhaltene Zuggeschwindigkeit V_jk innerhalb eines konventionellen Zuggeschwindigkeitsbereichs liegt. Wenn die Zuggeschwindigkeit V_jk beispielsweise innerhalb eines sinnvollen Intervalls über und einschließlich 20 km/h liegt, dann wird die Berechnung der Zuggeschwindigkeit als gültig beurteilt. Wenn die Zuggeschwindigkeit V_jk nicht innerhalb des konventionellen Geschwindigkeitsbereichs liegt, dann ignoriert der Prozessor 203 die Zuggeschwindigkeit. Wenn beispielsweise die berechnete Zuggeschwindigkeit einen bestimmten Bereich überschreitet, kann dies im Allgemeinen durch Schwingungsstörsignale im gleichen Frequenzband [ƒ₁, ƒ_h] verursacht werden. Daher verwendet der Prozessor 203 die Zuggeschwindigkeit V_jk, die in einen normalen Bereich fällt, als geschätzte Zuggeschwindigkeit.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung berechnet der Prozessor 203 die Raddrehzahl basierend auf der geschätzten Zuggeschwindigkeit und dem Radumfang.
Die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit genau überwachen, ohne sich auf einen Geschwindigkeitssensor oder GNSS zu verlassen. Im Vergleich zum Stand der Technik kann die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung den Energieverbrauch bei der Echtzeit-Zuggeschwindigkeitsschätzung reduzieren, hat eine höhere Genauigkeit als ein GNSS-basiertes Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren und ist besonders geeignet für die Untergrund-Zuggeschwindigkeitsschätzung unter Nicht-GNSS-Signalbedingungen. Darüber hinaus ist die Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung für Schienenfahrzeuge verschiedener Typen geeignet, wie z. B. Untergrundbahnen, Triebzüge, Hochgeschwindigkeitszüge und Hochbahnen, und wird nicht durch Faktoren wie Zugtyp und Schienentyp beeinflusst.
Ein Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. Das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren wird auf einen Zug angewendet, der zumindest ein daran vorgesehenes Sensorpaar hat, wobei das Sensorpaar einen ersten und einen zweiten Sensor umfasst, die in Richtung des Vortriebs des Zuges angeordnet sind. Das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren entspricht der oben beschriebenen Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung, so dass einige Details im Folgenden nicht erneut beschrieben werden.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Zuggeschwindigkeitsschätzverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 5 zeigt ein Flussdiagramm der Kommunikation durch das Sensorpaar vor der Abtastung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 4 gezeigt, führen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in Schritt S401 ein erster Sensor und ein zweiter Sensor bei derselben Abtastfrequenz ƒ_s eine Abtastung der Schwingung in einem Eigenfrequenzband durch, die durch einen Zug erfahren wird, wenn er sich vorwärtsbewegt, um jeweils einen ersten Satz von Abtastsignalen und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten.
Wie in 5 gezeigt, sendet gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung der erste Sensor, bevor der erste Sensor und der zweite Sensor eine Abtastung durchführen, in einem Teilschritt S501 p Standard-Anfangsimpulse an den zweiten Sensor, wobei p eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Zum Beispiel p = 3. Immer, wenn der zweite Sensor einen Standard-Anfangsimpuls von dem ersten Sensor empfängt, sendet der zweite Sensor einen Feedback-Anfangsimpuls an den ersten Sensor. Der erste Sensor und der zweite Sensor können jeweils Zeitstempel für die Impulse aufzeichnen, die sie senden und empfangen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwenden verschiedene im Zug angeordnete Sensorpaare unterschiedliche Funkkanal-Frequenzbänder zur Kommunikation, um ein Übersprechen der Signale zu vermeiden.
In einem Teilschritt S502 sendet der erste Sensor, wenn er p Feedback-Anfangsimpulse von dem zweiten Sensor empfängt, dann einen Standard-Synchronisationsimpuls an den zweiten Sensor und beginnt die Abtastung.
Andernfalls, wenn der erste Sensor keiner Feedback-Anfangsimpulse von dem zweiten Sensor empfängt, dann kehrt der erste Sensor zum Teilschritt S501 des Sendens von p Standard-Anfangsimpulsen zurück.
In Teilschritt S503, wenn der zweite Sensor den Standard-Synchronisationsimpuls, d.h. einen (p + 1)-ten Impuls, von dem ersten Sensor empfängt, dann beginnt der zweite Sensor mit der Abtastung und sendet einen Feedback-Synchronisationsimpuls an den ersten Sensor.
In einem Teilschritt S504 fährt der erste Sensor dann mit der Abtastung fort, wenn der erste Sensor den Feedback-Synchronisationsimpuls von dem zweiten Sensor empfängt.
Andernfalls, wenn der erste Sensor den Feedback-Synchronisationsimpuls von dem zweiten Sensor nicht empfängt, dann stoppt der erste Sensor die Abtastung und kehrt zum Teilschritt S501 des Sendens von p Standard-Anfangsimpulsen zurück.
Wenn der zweite Sensor wieder einen Standard-Synchronisationsimpuls von dem ersten Sensor empfängt, dann stoppt der zweite Sensor die Abtastung und kehrt dann zum Teilschritt S503 des Beginns der Abtastung und des Sendens eines Feedback-Synchronisationsimpuls an den ersten Sensor zurück.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können die obigen Teilschritte wiederholt werden, bis der erste Sensor und der zweite Sensor die Abtastung beenden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung berechnet der erste Sensor, nachdem der erste Sensor und der zweite Sensor die Abtastung abgeschlossen haben, eine Abtaststartzeitdifferenz ΔT zwischen den Zeitpunkten, zu denen der erste Sensor und der zweite Sensor die Abtastung beginnen, basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen dem Senden eines Standard-Anfangsimpulses durch den ersten Sensor und dem Empfangen eines entsprechenden Feedback-Anfangsimpulses.
Basierend auf der erhaltenen durchschnittlichen Abtaststartzeitdifferenz ΔT gleicht der erste Sensor dann den ersten Satz der durch den ersten Sensor erhaltenen Abtastsignale mit dem zweiten Satz der durch den zweiten Sensor erhaltenen Abtastsignale ab. Dieser Abgleich erfolgt beispielsweise durch Löschen von Abtastsignalen, die durch den ersten Sensor in der vorhergehenden Zeitdauer ΔT erhalten wurde.
Zurückkehrend zu 4 werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in Schritt S402 der erste Satz von Abtastsignalen und der zweite Satz von Abtastsignalen einer Spektralanalyse unterzogen, um ein charakteristisches Frequenzband [ƒ₁, ƒ_h] zu erhalten, das eine Amplitude hat, die höher als ein bestimmter Schwellwert in einem Niederfrequenzbereich ist, und ƒ₁ und ƒ_h werden als feste Parameter festgelegt.
In Schritt S403 werden der erste Satz von Abtastsignalen und der zweite Satz von Abtastsignalen in dem charakteristischen Frequenzband [ƒ₁, ƒ_h] gefiltert, um einen ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und einen zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i), i = 1, 2, ...m, zu erhalten, wobei m die Gesamtzahl der Schwingungssignale in jedem Satz ist.
In Schritt S404 werden der erste Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und der zweite Satz von Schwingungssignalen X_k(i) einer Kreuzkorrelationsanalyse unterzogen, um eine Zielabtastdifferenz τ_jdk zu erhalten, die geeignet ist, die maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i) zu erhalten.
In Schritt S405 wird basierend auf der erhaltenen Zielabtastdifferenz τ_jdk eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen X_j(i) und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen X_k(i) berechnet.
In Schritt S406 wird basierend auf der erhaltenen Zeitdifferenz τ_jdk eine Zuggeschwindigkeit V_jk berechnet.
In Schritt S407 wird eine Beurteilung darüber gemacht, ob die erhaltene Zuggeschwindigkeit V_jk innerhalb eines konventionellen Geschwindigkeitsbereichs liegt. Wenn die Zuggeschwindigkeit V_jk nicht innerhalb des konventionellen Zuggeschwindigkeitsbereichs liegt, dann wird die Zuggeschwindigkeit ignoriert. Somit wird die Zuggeschwindigkeit V_jk, die in einen normalen Bereich fällt, als eine geschätzte Zuggeschwindigkeit verwendet.
In Schritt S408 wird basierend auf der geschätzten Zuggeschwindigkeit und dem Radumfang eine Raddrehzahl berechnet.
Das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Echtzeit-Zuggeschwindigkeit genau überwachen, ohne sich auf einen Geschwindigkeitssensor oder GNSS zu verlassen. Im Vergleich zum Stand der Technik kann das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung den Energieverbrauch bei der Echtzeit-Zuggeschwindigkeitsschätzung reduzieren, hat eine höhere Genauigkeit als ein GNSS-basiertes Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren und eignet sich besonders für die Untergrundbahn-Zuggeschwindigkeitsschätzung unter Nicht-GNSS-Signalbedingungen. Darüber hinaus eignet sich das Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung für verschiedene Arten von Schienenfahrzeugen, wie z. B. Untergrundbahnen, Triebzüge, Hochgeschwindigkeitszüge und Hochbahnen, und wird nicht durch Faktoren wie Zugtyp und Schienentyp beeinflusst.
Die Funktionen der verschiedenen in den Zeichnungen gezeigten Elemente können durch den Einsatz spezieller Hardware und von Hardware bereitgestellt werden, die mit geeigneter Software verbunden und zur Ausführung der Software geeignet ist. Wenn die Funktionen durch einen Prozessor bereitgestellt werden, können sie von einem einzelnen dedizierten Prozessor, einem einzelnen gemeinsam genutzten Prozessor oder mehreren unabhängigen Prozessoren (von denen einige gemeinsam genutzt werden können) bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist die ausdrückliche Verwendung des Begriffs „Prozessor“ oder „Controller“ nicht so zu verstehen, dass er sich speziell auf Hardware bezieht, die zur Ausführung von Software geeignet ist, und kann implizit auch Hardware für digitale Signalprozessoren (DSP), Festwertspeicher (ROM) zur Speicherung von Software, Arbeitsspeicher (RAM) und nichtflüchtigen Speicher umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Diese Beschreibung hat die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung erläutert. Es sollte daher davon ausgegangen werden, dass der Fachmann in der Lage ist, verschiedene Anordnungen zu entwerfen, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt werden, die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung verkörpern und in deren Sinn und Umfang enthalten sind.
Alle hier dargelegten Beispiele und bedingten Ausdrücke sollen zu Lehrzwecken verwendet werden, um dem Leser zu helfen, die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung und das vom Erfinder vorgeschlagene Konzept zur Weiterentwicklung der Technik zu verstehen, und sollten so verstanden werden, dass sie nicht auf diese speziell dargelegten Beispiele und Bedingungen beschränkt sind.
Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Erklärungen, die die Grundsätze, Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und deren besondere Beispiele erläutern, deren strukturelle und funktionelle Äquivalente umfassen. Darüber hinaus sollen solche Äquivalente derzeit bekannte Äquivalente und in Zukunft entwickelte Äquivalente umfassen, d. h. alle entwickelten Elemente, die unabhängig von der Struktur die gleiche Funktion erfüllen.
Wenn hier von „einer Ausführungsform“ oder „Ausführungsformen“ der vorliegenden Offenbarung und anderen Varianten davon die Rede ist, bedeutet dies, dass die spezifischen Merkmale, die Struktur und die Eigenschaften usw., die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben werden, in zumindest einer Ausführungsform enthalten sind. Daher beziehen sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“ oder „in Ausführungsformen“, die an verschiedenen Stellen in der Beschreibung erscheinen, und irgendeine andere Variante, nicht notwendigerweise alle auf dieselbe Ausführungsform.

Claims

Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung, welche umfasst: zumindest ein Sensorpaar, das einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor umfasst, die in der Richtung des Vortriebs eines Zuges angeordnet sind, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor dazu ausgebildet sind, bei derselben Abtastfrequenz eine Schwingung in einem Eigenfrequenzband abzutasten, die durch den Zug erfahren wird, wenn er sich vorwärtsbewegt, um jeweils einen ersten Satz von Abtastsignalen und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten; und einen Prozessor, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Satz von Schwingungssignalen und einen zweiten Satz von Schwingungssignalen jeweils basierend auf dem ersten Satz von Abtastsignalen und dem zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten und den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen einer Kreuzkorrelationsanalyse zu unterziehen, um eine Zielabtastdifferenz zu erhalten; wobei die Zielabtastdifferenz eine maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen erhält, und der Prozessor dazu ausgebildet ist, eine Zuggeschwindigkeit basierend auf der Zielabtastdifferenz zu berechnen.
Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Prozessor weiter dazu ausgebildet ist, ein charakteristisches Frequenzband des ersten Satzes von Abtastsignalen und des zweiten Satzes von Abtastsignalen mit einer Amplitude, die höher als ein Schwellwert in einem Niederfrequenzbereich ist, zu erhalten, und den ersten Satz von Abtastsignalen und den zweiten Satz von Abtastsignalen in dem charakteristischen Frequenzband zu filtern, um den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen zu erhalten.
Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste Sensor, bevor der erste Sensor und der zweite Sensor die Abtastung durchführen, weiter dazu ausgebildet ist, p Standard-Anfangsimpulse zu senden, wobei p eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist, und der zweite Sensor weiter dazu ausgebildet ist, einen Feedback-Anfangsimpuls zu senden, wenn er den Standard-Anfangsimpuls empfängt; wenn der erste Sensor die p Feedback-Anfangsimpulse empfängt, dann ist der erste Sensor weiter dazu ausgebildet, einen Standard-Synchronisationsimpuls zu senden und die Abtastung zu beginnen; wenn der zweite Sensor den Standard-Synchronisationsimpuls empfängt, dann ist der zweite Sensor weiter dazu ausgebildet, die Abtastung zu beginnen und einen Feedback-Synchronisationsimpuls zu senden; und wenn der erste Sensor den Feedback-Synchronisationsimpuls empfängt, dann ist der erste Sensor weiter dazu ausgebildet, die Abtastung fortzusetzen.
Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei wenn der erste Sensor den Feedback-Synchronisationsimpuls nicht empfängt, der erste Sensor weiter dazu ausgebildet ist, die Abtastung zu stoppen und zu dem Teilschritt des Sendens der p Standard-Anfangsimpulse zurückzukehren; und wenn der zweite Sensor den Standard-Synchronisationsimpuls erneut empfängt, dann ist der zweite Sensor weiter dazu ausgebildet, die Abtastung zu stoppen und dann zu dem Teilschritt des Beginns der Abtastung und des Sendens des Feedback-Synchronisationsimpulses zurückzukehren.
Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Sensor, nachdem der erste Sensor und der zweite Sensor die Abtastung abgeschlossen haben, weiter dazu ausgebildet ist, eine Abtaststartzeitdifferenz basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen dem Senden des Standard-Anfangsimpulses durch den ersten Sensor und dem Empfangen des entsprechenden Feedback-Anfangsimpulses zu berechnen, und den ersten Satz von Abtastsignalen mit dem zweiten Satz von Abtastsignalen basierend auf der Abtaststartzeitdifferenz abzugleichen.
Zuggeschwindigkeitsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei verschiedene Sensorpaare in dem zumindest einen Sensorpaar dazu ausgebildet sind, verschiedene drahtlose Kanalfrequenzbänder zur Kommunikation zu verwenden.
Zuggeschwindigkeitsschätzungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Prozessor weiter dazu ausgebildet ist, zu beurteilen, ob die berechnete Zuggeschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, und die Zuggeschwindigkeit zu ignorieren, wenn die Zuggeschwindigkeit nicht innerhalb des bestimmten Bereichs liegt.
Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren, welches umfasst: Abtasten einer Schwingung in einem Eigenfrequenzband, die durch den Zug erfahren wird, wenn er sich vorwärtsbewegt, bei derselben Abtastfrequenz mittels eines ersten Sensors und eines zweiten Sensors in zumindest einem Sensorpaar, um jeweils einen ersten Satz von Abtastsignalen und einen zweiten Satz von Abtastsignalen zu erhalten, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor in der Richtung des Vortriebs des Zuges angeordnet sind; Erhalten eines ersten Satzes von Schwingungssignalen und eines zweiten Satzes von Schwingungssignalen jeweils basierend auf dem ersten Satz von Abtastsignalen und dem zweiten Satz von Abtastsignalen, und Unterziehen des ersten Satzes von Schwingungssignalen und des zweiten Satzes von Schwingungssignalen einer Kreuzkorrelationsanalyse, um eine Zielabtastdifferenz zu erhalten, wobei die Zielabtastdifferenz eine maximale Kreuzkorrelation zwischen dem ersten Satz von Schwingungssignalen und dem zweiten Satz von Schwingungssignalen erhält; und Berechnen einer Zuggeschwindigkeit basierend auf der Zielabtastdifferenz.
Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß Anspruch 8, welches weiter umfasst: Erhalten eines charakteristischen Frequenzbandes des ersten Satzes von Abtastsignalen und des zweiten Satzes von Abtastsignalen mit einer Amplitude, die höher ist als ein Schwellwert in einem Niederfrequenzbereich; und Filtern des ersten Satzes von Abtastsignalen und des zweiten Satzes von Abtastsignalen in dem charakteristischen Frequenzband, um den ersten Satz von Schwingungssignalen und den zweiten Satz von Schwingungssignalen zu erhalten.
Zuggeschwindigkeitsschätzverfahren gemäß Anspruch 8, welches weiter umfasst: bevor der erste Sensor und der zweite Sensor die Abtastung durchführen, sendet der erste Sensor p Standard-Anfangsimpulse, wobei p eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist, und der zweite Sensor sendet einen Feedback-Anfangsimpuls, immer wenn er den Standard-Anfangsimpuls empfängt; wenn der erste Sensor die p Feedback-Anfangsimpulse empfängt, sendet der erste Sensor einen Standard-Synchronisationsimpuls und beginnt die Abtastung; wenn der zweite Sensor den Standard-Synchronisationsimpuls empfängt, dann beginnt der zweite Sensor die Abtastung und sendet einen Feedback-Synchronisationsimpuls; und wenn der erste Sensor den Feedback-Synchronisationsimpuls empfängt, dann setzt der erste Sensor die Abtastung fort.