BR112016014887B1 - Sistema para detectar anomalias operacionais em um vagão ferroviário, e, sistema para detectar anomalias operacionais em uma composição de trem - Google Patents

Abstract

SISTEMAS PARA DETECTAR ANOMALIAS EM UMA COMPOSIÇÃO DE TREM OU VAGÃO FERROVIÁRIO E PARA DETECTAR ANOMALIAS OPERACIONAIS EM UM VAGÃO FERROVIÁRIO, E, MÉTODO PARA DETECTAR ANOMALIAS OPERACIONAIS EM UMA COMPOSIÇÃO DE TREM OU VAGÃO FERROVIÁRIO. Um sistema para monitorar parâmetros operacionais de vagões ferroviários e composições de bondes e detectar anomalias na operação e condição dos mesmos usando sensores para alimentar dados a um motor distributivo de processamento de eventos complexos.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere ao campo de vagão ferroviário e gerenciamento de segurança de trens, e é especificamente direcionada a um sistema e método para continuamente coletar e analisar parâmetros operacionais de vagões ferroviários e composições de trem para detectar condições de operação anômalas.

Fundamentos da Invenção

[002] A monitoração de mancais e rodas da técnica anterior atual para interações ferroviárias nas composições de trem foi gerenciada principalmente pelo uso de detectores ao lado da linha localizados através de todo o sistema de trilhos, que inclui detectores para monitorar a temperatura dos mancais de roda do vagão ferroviário, e detectores de carga de impacto de roda que identificam rodas danificadas por monitoração dos impactos de rodas sobre os trilhos. Esses detectores são instalados em pontos fixos na rede de trilhos.

[003] Desde sua introdução, esses métodos proveram os operadores de ferrovias com informação para melhorar o desempenho do vagão ferroviário e composição de trem. Todavia, esses detectores carecem dos benefícios de uma rede sem fio capaz de transmitir informação e dados a respeito de anomalias operacionais, tais como quando um vagão ferroviário descarrila, a condição dos mancais e rodas quando não no alcance dos detectores, e danos de roda. Ainda, esses métodos anteriores não provêm um mecanismo para monitorar continuamente recursos em qualquer local na rede de trilhos.

[004] Danos de roda na indústria ferroviária são os responsáveis pelos significantes custos de manutenção relacionados às rodas do vagão ferroviário, chassi do vagão ferroviário, componentes de vagão ferroviário, carris e dormentes de trilhos. Rodas que são deslizadas planas têm uma seção não uniforme na roda onde entra em contato com o trilho. À medida que a roda gira, esta seção cria um padrão de impacto anormal, que, pode causar dano adicional à roda, dano ao vagão ferroviário e dano ao trilho e à estrutura da via.

[005] Atualmente, todavia, não existe um sistema confiável para continuamente monitorar a temperatura dos mancais de roda ou roda para interações ferroviárias nas quais um detector de carga de impacto de roda não está instalado em uma seção de trilho ou na área entre detectores. Consequentemente é desejável prover um sistema e método para a monitoração a bordo, em tempo real, de vários parâmetros operacionais de um vagão ferroviário e/ou composições de trem, e para analisar as leituras em tempo real para predizer ou detectar a tempo condições operacionais anômalas.

Sumário da Invenção

[006] O sistema apresentado aqui aborda as deficiências nos sistemas de monitoração da técnica anterior para vagões ferroviários e composições de trem. O sistema consiste em um arranjo hierárquico de componentes que provê uma capacidade distribuída de análise de dados que é capaz de detectar anomalias operacionais em vários níveis da hierarquia, e que provê, para o fluxo de dados, eventos e alertas para um ponto central.

[007] No nível mais inferior da hierarquia, cada vagão ferroviário é equipado com múltiplos nós de sensor sem fio (referidos no singular como um "WSN"), que são arranjados em uma rede de malha controlada por uma unidade de gerenciamento de comunicação ("CMU"), usualmente no mesmo vagão ferroviário, referida aqui como uma rede de malha com base no vagão ferroviário. Os nós de sensor sem fio coletam dados a respeito de vários parâmetros operacionais do vagão ferroviário e são capazes de detectar certas anomalias com base nos dados coletados. Quando dados operacionais anômalos são detectados, um alerta pode ser emitido e os dados podem ser comunicados à unidade de gerenciamento de comunicação localizada no vagão ferroviário. Embora as redes de malhas sejam usadas nas modalidades ilustradas aqui, outros tipos de topologias de rede podem ser usados.

[008] As unidades de gerenciamento de comunicação localizadas em cada vagão ferroviário são também arranjadas em uma rede de malha que é controlada por uma porta de entrada sem fio alimentada, tipicamente localizada na locomotiva. Esta é referida aqui como uma rede de malha com base no trem. Novamente, embora redes de malhas sejam usadas nas modalidades ilustradas aqui, outros tipos de topologias de rede podem ser usados.

[009] A rede de malha sem fio com base no trem comunica o comprimento da composição de trem e fornece informação acerca dos vagões ferroviários para um ponto de acolhimento ou controle alimentado, tal como a locomotiva ou um recurso com acesso a uma fonte de alimentação e para um centro de operações ferroviárias remoto.

Breve Descrição dos Desenhos

[0010] A presente invenção será mais totalmente e completamente entendida de uma leitura da Descrição Detalhada da Invenção em conjunção com os desenhos, nos quais:

[0011] A figura 1 é um esquema de um vagão ferroviário 103 equipado com uma unidade de gerenciamento de comunicação (CMU) 101 e uma pluralidade de nós de sensor sem fio (WSNs) 104 instalados no mesmo, formando uma rede de malha com base no vagão ferroviário 105.

[0012] A figura 2 é um esquema de uma rede de malha com base no trem com dois vagões ferroviários 103, cada um equipado com uma CMU 101 e múltiplos WSNs 104, um vagão ferroviário 103 equipado com apenas uma CMU 101 (sem WSNs), um vagão ferroviário 103 sem uma CMU ou WSN, e um dispositivo de porta de entrada sem fio alimentada 102, instalado na locomotiva 108.

[0013] A figura 3 mostra uma rede de malha com base no trem 107 e vários meios de comunicação de dados fora do trem.

[0014] A figura 4 é uma vista explodida de uma primeira variedade de WSN 104, que pode ser usada, por exemplo, para monitorar a temperatura de mancal e a aceleração da roda.

[0015] A figura 5 é uma vista explodida de uma segunda variedade de WSN 104 que pode ser usada, por exemplo, para monitorar a aceleração do chassi do vagão ferroviário, e que pode incluir um sensor de temperatura (não mostrado) para monitorar a temperatura.

[0016] A figura 6 mostra o WSN 104 da figura 4, instalado em encaixe de mancal de roda do vagão ferroviário 111,

[0017] A figura 7 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais o processamento de evento de aceleração longitudinal de impacto é ativado e desativado.

[0018] A figura 8 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais o processamento de evento de aceleração de oscilação vertical e lateral é ativado e desativado.

[0019] A figura 9 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais o processamento de evento de monitoração de descarrilamento é ativado e desativado.

[0020] A figura 10 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais o processamento de evento de dano de roda ou impacto vertical é ativado e desativado.

[0021] A figura 11 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais o processamento de evento de temperatura de mancal é ativado e desativado.

[0022] A figura 12 é um diagrama arquitetônico mostrando um modelo generalizado para a implementação da porção de análise de dados de um WSN 104,

[0023] A figura 13 é uma implementação específica do modelo mostrado na figura 12 dirigido à detecção de eventos de chassi de vagão ferroviário.

[0024] A figura 14 é outra implementação específica do modelo mostrado na figura 12, este modelo direcionado à detecção de eventos de mancal de roda.

Descrição Detalhada da Invenção

[0025] Um vagão ferroviário, como o termo é usado aqui, pode ser um único vagão ferroviário 103, ver a figura 1, ou pode consistir de dois ou mais vagões ferroviários 103 que são permanentemente conectados, frequentemente referidos por aqueles de conhecimento na técnica como um "par em tandem", "conjunto de três", "conjunto de cinco", etc.

[0026] Uma composição de trem, mostrada nos desenhos com o número de referência 109, ver a figura 2, é definida como um grupo de vagões ferroviários conectados 103 e locomotivas 108.

[0027] Uma unidade de gerenciamento de comunicação ("CMU"), mostrada nos desenhos com o número de referência 101, é preferivelmente localizada em um vagão ferroviário 103 e controla a rede de malha com base no vagão ferroviário 105 (definida abaixo) colocada sobre o vagão ferroviário 103, que pode consistir de um ou mais vagões ferroviários individuais 103 que são permanentemente conectados conjuntamente. O hardware da CMU 101 preferivelmente inclui um processador, uma fonte de alimentação (por exemplo, uma bateria, célula solar, coletor de energia, ou capacidade interna de geração de energia), um dispositivo de sistema de navegação global por satélite (GNSS), tal como um receptor de sistema de posicionamento global ("GPS"), Wi-Fi, capacidade de satélite e/ou celular, uma capacidade de comunicações sem fio para manter a rede de malha com base no vagão ferroviário 105, comunicação sem fio com uma rede de malha com base no trem 107 e, opcionalmente, um ou mais sensores, incluindo, mas não limitados a, um acelerômetro 404, giroscópio, ou sensor de temperatura 406.

[0028] A CMU 101 suporta um ou mais WSNs 104 (definidos abaixo) em uma configuração de rede de malha usando protocolos padrão abertos, tais como o padrão de rádio da IEEE 2.4 GHz 802.15.4. Adicionalmente, a CMU 101 é também um elemento de uma rede de malha com base no trem 107, que consiste das CMUs 101 de todos os vagões ferroviários ativados 103 na composição de trem 109, controlado por uma porta de entrada sem fio alimentada 102, tipicamente localizado em uma locomotiva 108. A CMU 101 suporta assim quatro funções: 1) gerenciar uma rede de malha de baixa energia com base no vagão ferroviário 105, colocada sobre um vagão ferroviário 103; 2) consolidar dados de um ou mais WSNs 104 na rede de malha com base no vagão ferroviário 105 e aplicar lógica aos dados reunidos para gerar alertas de aviso para um hospedeiro, tal como uma locomotiva 108 ou centro remoto de operações ferroviárias 120; 3) suportar sensores integrados, tais como um acelerômetro 404, dentro da CMU 101 para monitorar atributos específicos do vagão ferroviário 103, tal como local, velocidade, e acelerações, e para prover uma análise desses dados para gerar alertas; e 4) suportar comunicação bidirecional a montante para o hospedeiro ou ponto de controle, tal como uma locomotiva 108 e/ou uma monitoração fora do trem e centro remoto de operações ferroviárias 120, e a jusante para um ou mais WSNs 104, localizados no vagão ferroviário 103. As CMUs 101 podem se comunicar sem fio com uma porta de entrada sem fio alimentada (FWG 102, como definida abaixo) em uma configuração de rede de malha, ou podem ser configura das para se comunicar através de uma conexão com fio, por exemplo, através do sistema de freio ECF (pneumático eletronicamente controlado). Aqueles especializados na técnica apreciarão que o GPS é apenas uma forma de um sistema de navegação global por satélite (GNSS). Outros tipos de GNSS incluem GLONASS e BeiDou, com outros em desenvolvimento. Consequentemente, embora o GPS seja usado nas modalidades descritas aqui, qualquer tipo de sistemas ou dispositivos de GNSS pode ser usado.

[0029] A CMU 101 é capaz de receber dados e/ou alarmes de um ou mais WSNs 104 e é capaz traçar inferências desses dados ou alarmes a respeito do desempenho de vagão ferroviário 33 e de transmitir informação de dados e alarme a um receptor remoto. A CMU 101 é preferivelmente uma única unidade que serviria como uma ligação de comunicações a outros locais, tais como uma porta de entrada sem fio alimentada 102 (preferivelmente localizada na locomotiva 108), ou um centro remoto de operações ferroviárias 120, e tem a capacidade de processar os dados recebidos. A CMU 101 também se comunica com, controla e monitora o WSN 104 na rede local de malha com base no vagão ferroviário 105.

[0030] Uma porta de entrada sem fio alimentada ("PWG"), mostrada nos desenhos com o número de referência 102 (ver, por exemplo, a figura 2), é preferivelmente localizada em uma locomotiva 108 ou em algum outro local em uma composição de trem 109 onde existe uma fonte de energia externa. Ela tipicamente incluirá um processador; um receptor de GPS; um ou mais sensores, incluindo, mas não limitados a, um acelerômetro 404, giroscópio, ou sensor de temperatura 406; um sistema de satélites e/ou de comunicação celular; transceptor sem fio local (por exemplo, Wi-Fi); uma porta de Ethernet; um gerenciador de rede de malha de alta capacidade e outros meios de comunicação. A PWG 102 terá energia fornecida pela locomotiva 108, se localizada em um recurso alimentado, tal como uma locomotiva 108, ou irá derivar sua energia de outra fonte, por exemplo, de um gerador de energia solar ou de uma bateria de alta qualidade. A PWG 102 controla uma rede de malha com base no trem 107 colocada sobre. Uma composição de trem 109, consistindo de múltiplas CMUs 101 de cada vagão ferroviário 103 em uma composição de trem 109.

[0031] Os componentes e configuração da PWG 102 são similares aos de uma CMU 101, com a exceção que a PWG 102 tipicamente extrai energia de uma fonte externa, enquanto a CMU 101 é autoenergizada. Adicionalmente, a PWG 102 coleta dados e traça inferências a respeito do desempenho da composição de trem 109, e da rede de malha com base no trem 107, em oposição às CMUs 101, que traçam inferências a respeito do desempenho de vagões ferroviários individuais 103 e a rede de malha com base no vagão ferroviário 105 ou 118.

[0032] Uma rede de malha com base no vagão ferroviário, mostrada nos desenhos com o número de referência 105, ver, por exemplo, as figuras 1 e 2, consiste de uma CMU 101 em um vagão ferroviário 103, que é parte de e gerencia uma rede de malha com base no vagão ferroviário 105 de uma pluralidade de WSNs 104, cada um desenvolvido, preferivelmente, no mesmo vagão ferroviário 103.

[0033] Um nó de sensor sem fio ("WSN"), mostrado nos desenhos com o número de referência 104, ver, por exemplo, as figuras 1 e 2, é localizado em um vagão ferroviário 103, e provê as funções de coletar dados de sensores internos e analisar os dados coletados dos sensores para determinar se os dados precisam ser transmitidos imediatamente, mantidos para futura transmissão, ou agregados em um evento ou alerta. O WSN 104 é usado para sensorear um parâmetro a ser monitorado (por exemplo, a temperatura dos mancais ou ar ambiente) ou o estado (por exemplo, a posição de uma escotilha ou freio de mão). Em uma modalidade preferida, cada WSN 104 é equipado com um ou mais acelerômetros ou giroscópios e um ou mais sensores de temperatura. Exemplos de WSNs 104 são descritos no pedido de patente US publicado 2013/0342362, cuja descrição é aqui incorporada para referência. Um típico WSN 104 é mostrado na vista explodida na figura 4 e na figura 5 e será agora ser explicado em mais detalhe.

[0034] Com referência à figura 4, um exemplo de uma primeira variedade de WSN 104 é agora descrito. O WSN 104 mostrado na figura 4 é configura do e sintonizado para detectar certos tipos de aceleração e eventos de temperatura e é tipicamente localizado no encaixe de mancal de roda 1.1.1 de vagão ferroviário 103, onde é provável que seja sujeito a vários graus de acelerações e onde pode facilmente coletar dados a respeito da temperatura do mancal de roda. Os componentes de WSN 104 são contidos em um alojamento 400 tendo um recinto 400a e uma base de recinto 400b. Preferivelmente, as seções de alojamento 400a, 400b são compostas de um plástico duro, resistente a dano ambiental, tal como um polímero resistente a UV, por exemplo, uma mistura de policarbonato/ABS, e, quando totalmente instaladas, são à prova de intempéries. Depois dos vários componentes serem instalados dentro do alojamento, como descrito abaixo, um material de encapsulamento (não mostrado) é provido através de aberturas no alojamento 400 para isolar, encapsular e vedar ambientalmente os componentes no interior. Tais materiais incluem epóxidos, poliuretanos e compostos de silicone. Uma uretana flexível apropriada para uso elétrico e através da qual sinais sem fio podem ser transmitidos é preferida, verificou-se que o material de encapsulamento particular usado é também crítico na apropriada sintonização do WSN 04 para detectar vários tipos de acelerações. Um material de encapsulamento tendo uma dureza de 59 Shore 00 é preferido.

[0035] Adicionalmente, um filtro mecânico 410 consistindo de seções superiores 410a e de seções inferiores 410b serve adicionalmente para filtrar mecanicamente tipos de acelerações de altas e baixas frequências que são consideradas ruidosas e que são preferivelmente removidos do sinal de interesse. Preferivelmente, esses componentes são compostos respectivamente de silicone de dureza 70 Shore A (as seções de filtro superiores 41a) e 30 Shore A (as seções de filtro inferiores 410b) em vista das diferenças das áreas superficiais de cada seção e isto afeta as características de filtração.

[0036] Em uma modalidade preferida, cada WSN 1.04 pode ter um ou mais acelerômetros 404 e um ou mais sensores de temperatura 406. A sintonização do WSN 104 é realizada por uma combinação da seleção do material de encapsulamento, da dureza de elementos de filtragem mecânica superior e inferior 4.10a e 410 b, e filtragem de software realizada por software executando em um processador na placa de PC principal 402a. O filtro de software usado é um filtro digital para diminuir ruído de frequências de aceleração indesejadas e aumentar sinais de frequências de interesse de aceleração.

[0037] O sensor de temperatura 406, inclui um elemento de transferência de calor que se estende através de uma abertura 406a na base de recinto 400b, e da abertura 406b na seção de filtro 410b. Preferivelmente, o elemento de transferência de calor é um plugue de cobre. Esta configuração é preferida para monitorar a temperatura superficial da superfície à qual o WSN 104 é fixado, pois o elemento de transferência de calor irá estabelecer contato com a superfície. Em modalidades preferidas da invenção, o sensor de temperatura 406 é um termistor, par termelétrico ou sensor de temperatura de silicone, os quais são ideais para circuitos eletrônicos. Nesta modalidade, o WSN 104 será montado para colocar o elemento de transferência de calor em comunicação térmica com a porção do vagão ferroviário 103, para a qual uma leitura de temperatura é desejada. Adicionalmente, as seções inferiores 410b do filtro mecânico são de uma espessura apropriada para criar um interstício de ar entre a base de recinto 400b e a superfície na qual o WSN 104 é montado. As seções inferiores 10b do filtro mecânico e o interstício de ar criam boa proteção térmica e baixa transferência de calor da superfície na qual o WSN 104 é montado. Esta proteção térmica mantém os componentes eletrônicos (todos, exceto para o sensor de temperatura 406) e a fonte de alimentação protegidos contra ser expostos a calor excessivo e potencialmente danoso. O WSN 104 pode também ser equipado com sensores de temperatura adicionais (não mostrados) para sensorear a temperatura ambiente.

[0038] Na modalidade preferida, parafusos autorroscantes 415 servem para afixar o WSN 104 ao vagão ferroviário 103 e para manter a porção superior e inferior 410a e 410b de filtro mecânico no lugar. Espaçadores 400c que se ajustam dentro de as aberturas de parafuso 410c das partes de filtro são escolhidos em comprimento para controlar a quantia de força de compressão sobre as seções de filtro 410a e 4.10b devida ao aperto dos parafusos 415. Sem os espaçadores 400c, as características de filtração dos filtros poderiam ser alteradas devido à compressão do aperto excessivo dos parafusos 415. Os espaçadores são escolhidos de um material apropriadamente rígido.

[0039] Como uma pessoa de conhecimento comum reconheceria, a configuração de WSNs 104 pode variar com relação ao número e tipos de sensores. Virtualmente, qualquer tipo de sensor poderia ser usado, incluindo, por exemplo, um sensor de temperatura 406, um sensor de pressão, uma célula de carga, um medidor de tensão, um sensor de efeito Hall, um sensor de vibração, um acelerômetro 404, a giroscópio, um sensor de deslocamento, um sensor indutivo, um microfone piezo resistivo ou um sensor ultrassônico, dependendo de o parâmetro operacional específico que é desejado a ser monitorado. Em adição, o sensor pode ser um tipo de interruptor, incluindo, por exemplo, interruptores de lâminas e interruptores de contato de fim de curso. Um exemplo de outro tipo de sensor de mote que usa um medidor de tensão, por exemplo, um sensor de monitoração de freio de mão, é descrito na publicação de patente US 2012/0046811 (Pedido de Patente US 12/861.713 depositado em 23 de agosto de 2010), cuja descrição é aqui incorporada para referência.

[0040] Conjunto de circuitos elétricos é provido para a operação de WSN 104. O conjunto de circuitos elétricos inclui os componentes e fios para operar e/ou receber e processar os sinais provenientes dos sensores. Este pode incluir, mas não é limitado a, conjunto de circuitos analógicos e digitais, CPUs, processadores, placas de circuito impresso, memória, firmware, controladores, e outros itens elétricos, como requeridos para operar os acelerômetros e os sensores de temperatura 406 e para processar a informação, como descrito mais detalhadamente abaixo.

[0041] Na modalidade ilustrada na figura 4, o conjunto de circuitos inclui uma placa-mãe 402a que inclui o conjunto de circuitos de comunicações, antenas e microprocessador e uma placa-filha 402b que inclui o conjunto de circuitos para ler os dados de acelerômetros 404 e sensores de temperatura 406. A placa-mãe 402a, placa-filha 402b ou os sensores podem também incluir um processador executando firmware para prover inteligência suficiente para realizar análise de baixo nível dos dados, e podem aceitar parâmetros de fontes do exterior a respeito de quando alarmes devem ser emitidos, como descrito abaixo,

[0042] Cada WSNS 104 também inclui conjunto de circuitos para comunicações sem fio e uma fonte de alimentação de longo prazo 414 (por exemplo, uma bateria, célula solar, coletor de energia, ou capacidade interna de geração de energia), preferivelmente uma bateria de cloreto de lítio-tionilo, de grau militar. O conjunto de circuitos também provê funções de condicionamento e gerenciamento de energia e pode incluir um recurso para conservar a vida útil da bateria, que mantém o WSN 104 em um estado de espera e periodicamente desperta o WSN 104 para fornecer leituras dos sensores.

[0043] A figura 5 mostra uma vista explodida de uma segunda variedade de WSN 104, que é preferivelmente montado no chassi de vagão ferroviário 103. A variedade de WSN 104 mostrada na figura 5 é substancialmente idêntica à variedade mostrada na figura 4 (e assim elementos similares são identificados com os mesmos números de referência), com as seguintes diferenças. Primeiro, como esta variedade de WSN 104 será montada no chassi de vagão ferroviário 103, onde é provável que seja sujeita a acelerações mais suaves, não existe necessidade para a adicional filtragem mecânica provida pelos filtros mecânicos 410 da figura 4. Assim, usando quatro parafusos, dois em cada lado, e dado que este WSN não é exposto às acelerações mais violentas da outra variedade, os parafusos ou cavilhas desta segunda variedade podem ser menores em diâmetro. Segundo, a modalidade ilustrada não inclui um sensor de temperatura 406, embora um ou mais sensores de temperatura 406 possam ser providos com um elemento de transferência de calor, como discutido acima para a primeira variedade, se estendendo através de uma abertura no alojamento para sensorear a temperatura desejada, por exemplo, a temperatura ambiente. Por fim, embora esta variedade de WSN 104 inclua um acelerômetro 404 como o WSN 104 anteriormente descrito da figura 4, ele preferivelmente será programado com diferente firmware para detectar diferentes tipos de eventos de aceleração, como discutido abaixo. Como é entendido por uma pessoa de conhecimento comum, os WSNs de ambas as variedades poderiam também conter apenas um sensor de temperatura, embora não existisse necessidade para a filtragem, como descrito com referência à figura 4.

[0044] WSNs individuais 104 são montados nas áreas de interesse em um vagão ferroviário 103. Como um exemplo, a figura 6 mostra um WSN 104 do tipo mostrado na figura 4 montado em um encaixe de mancal de rolamento 11 de um mancal de roda do vagão ferroviário de um vagão ferroviário 103. A unidade pode ser fixada usando um adesivo de epóxi termicamente condutor entre o elemento de transferência de calor e o encaixe de mancal de rolamento 111 para assegurar boa transferência de calor para o sensor de temperatura 406, e fixadores mecânicos, tais como parafusos autorroscantes 415 para manter o WSN 104 no lugar.

Operação do Sistema

[0045] Em termos amplos, com referência às figuras 1 e 2, a presente invenção provê um novo meio para monitorar o desempenho e a operação de um vagão ferroviário 103 e a composição de trem 109. Este inclui uma pluralidade de sensores 104 distribuídos nos vagões ferroviários 103 na composição 109 para sensorear vários parâmetros operacionais do vagão ferroviário 103 e motor de processamento distribuído de eventos complexos (DCEP), que é um sistema hierárquico para coletar e analisar os dados e para comunicar dados, eventos e alertas para um destino final onde eles podem ser atuados. O DCEP é responsável para implementar a inteligência usada tirar conclusões com base nos dados coletados dos WSNs 104, a CMU s 101 e PWGs 102. Preferivelmente, os dados, plataformas de processamento são distribuídos entre todos os WSNs 104, a CMU s 1.0.1 e a PWG 102 em uma locomotiva 108, bem como utilizando uma infraestrutura com base em nuvem, otimizada para trabalhar estreitamente com redes de malha com base no trem 107, em conjunção com uma variedade de correntes de dados de provedores terceirizados ou fontes externas. Com outra referência à figura 1 dos desenhos, uma rede de malha com base no vagão ferroviário é mostrada geralmente com o número de referência 105. A rede de malha com base no vagão ferroviário 105 compreende uma CMU 101 instalada em um vagão ferroviário 103 e um ou mais WSNs 104 instalados no mesmo vagão ferroviário 103. O vagão ferroviário 103 pode consistir de um ou mais vagões ferroviários individuais 103, os quais são permanentemente conectados conjuntamente. A rede de malha com base no vagão ferroviário 105 é um componente crítico no processamento de eventos e alertas no vagão ferroviário 103. A CMU 101 e os WSNs 104 trabalham conjuntamente para coletar e analisar os dados coletados de sensores nos WSNs 104. A CMU 101 controla a rede de malha com base no vagão ferroviário 105 nos vagões ferroviários 103 e é capaz de configurar um ou mais WSNs 104 em uma rede local de malha para transmitir, ouvir, ou adormecer em momentos precisos, ou alterar os parâmetros sob os quais os WSNs 104 operam e detectam eventos.

[0046] Com outra referência à figura 2, um esquema de uma rede de malha com base no trem 107 é mostrada com dois vagões ferroviários 103, cada um equipado com uma CMU 101 e múltiplos WSNs 104 instalados perto dos mancais de roda do vagão ferroviário 103, um vagão ferroviário 103 equipado com apenas uma CMU 101 sem WSNs 104 fixados, um vagão ferroviário 103 sem uma CMU 11, e uma PWG 102 instalada em uma locomotiva 108. A CMU 11 e os múltiplos WSNs 104 instalados nos vagões ferroviários 103 formam uma rede de malha com base no vagão ferroviário 105 e se comunicam com a PWG 102 em um hospedeiro ou ponto de controle, tal como uma locomotiva 108 ou outro recurso, formando a rede de malha com base no trem 107. A rede de malha com base no vagão ferroviário para o vagão ferroviário 103 tendo uma CMU 101 somente e sem WSNs é designada com 118.

[0047] Se uma condição de alerta ou evento for detectada por um WSN 104, como descrito em mais detalhe abaixo, uma mensagem é transmitida pelo WSN 104 para a CMU 101 para outra análise e ação, por exemplo, para confirmar ou coordenar condições de alerta ou evento relatadas por um WSN 104 com outros WSNs 104 na rede de malha com base no vagão ferroviário 105. Se um alerta ou evento for confirmado por CMU 101, uma mensagem é enviada para a PWG 102 instalada em um ativo ou recurso, preferivelmente com acesso a uma fonte de alimentação e/ou a um centro de operações ferroviárias de monitoração fora do trem e remota 120.

[0048] A CMU 101 em cada vagão ferroviário 103 é capaz de suportar um sensor de sistema de navegação global por satélite (GNSS) opcional para determinar o local, direção e/ou velocidade do vagão ferroviário 103. Esta informação pode ser usada para determinar se, ou não, os WSNs 104 devem estar olhando para certos tipos de eventos. Por exemplo, é inútil para um WSN 104 tentar detectar descarrilamentos quando a composição de trem 109 está estacionária. Adicionalmente, a PWG 102 pode enviar instruções para a CMU 101 para iniciar ou parar de olhar para certos tipos de eventos. Adicionalmente, a CMU 101 em cada vagão ferroviário 103 é capaz de usar sensores integrados e/ou de gerenciar uma rede de malha com base no vagão ferroviário 105 no vagão ferroviário 103 para gerar mensagens que precisam ser enviadas para um hospedeiro ou ponto de controle, tal como uma locomotiva 108.

Detecção e Relato de Alerta e Evento

[0049] Cada WSN 104 é capaz de analisar os dados coletados de seus sensores na determinação se a uma mensagem de evento ou alerta, bem como os dados, devem ser carregados para o próximo nível mais alto na hierarquia, neste caso a CMU 101. Com relação aos acelerômetros 404, cada WSN 104 pode ser programado com múltiplos limites para nível de pico e de raiz quadrada média (RMS) de leituras de aceleração de valores de magnitude, recebidas do um ou mais acelerômetros 404. Quando um dos limites de pico ou de aceleração RMS é excedido, isto é uma indicação de uma possível condição de evento ou alerta, e uma mensagem é gerada e enviada para a CMU 101 na mesma rede de malha com base no vagão ferroviário 105. Os limites para cada variedade de WSN 104 podem ser dinamicamente programados por comandos ou gerados internamente ou recebidos externamente da CMU 101.

[0050] Na modalidade preferida, os WSNs 104 são programados, com limites que indicam tipos específicos de alertas ou eventos. Para os WSNs 104 montados nos encaixes de mancal de rolamento de roda 111, essas unidades podem gerar uma mensagem de possível descarrilamento, uma mensagem de impacto vertical ou uma mensagem de danos de roda, dependendo do limite que é excedido. Para WSNs 104 localizadas no chassi de vagão ferroviário 103, exemplos de mensagens geradas são dinâmica de vagão ferroviário lateral extrema, dinâmica de vagão ferroviário vertical extrema, oscilação vertical e oscilação lateral. Nas modalidades ilustradas, os WSNs 104 não determinam se cada uma das condições possíveis existe atualmente, esta determinação é preferivelmente feita no próximo nível superior da hierarquia, na CMU 101, que utiliza as leituras de múltiplos WSNs 104 para fazer uma determinação que um evento real ocorreu. Como seria facilmente percebido por uma pessoa de conhecimento na técnica, diferentes limites sugerindo a ocorrência de outros tipos de eventos podem ser programados nos WSNs 104.

[0051] A respeito dos sensores de temperatura 406 em cada WSN 104, que são capazes de sensorear a temperatura da superfície na qual um WSN 104 é instalado e/ou a temperatura de ar ambiente em torno do WSN 104, as leituras de temperatura de cada WSN são periodicamente relatadas para a CMU 101. A CMU 101 deve coordenar a coleta de dados de temperatura de todos os WSNs 104 na rede de malha com base no vagão ferroviário 105 e, como tal, o período para relatar as temperaturas, bem como a temporização do relato dos dados de temperatura, são programados para cada WSN 104 pela CMU 101.

[0052] Cada WSN 104 é capaz de fazer uma determinação de quando relatar dados que podem indicar uma possível condição de evento ou alarme para a CMU 101. A CMU 101 é capaz de coletar tais notificações de cada WSN 104 sob seu controle e coordenar os dados para fazer uma determinação final de se, ou não, uma condição de evento ou alarme existe atualmente. Por exemplo, na modalidade preferida, cada encaixe de mancal de rolamento de roda 113 em um vagão ferroviário 103 terá um WSN 104 fixado ao mesmo para monitorar acelerações e temperatura. Assim, em um vagão ferroviário típico 103 tendo dois truques (bogies), cada um com dois eixos, um total de oito WSNs 104 montados no encaixe de mancal de rolamento de roda 111 estará presente. Em adição, e também de acordo com uma modalidade preferida, cada vagão ferroviário 103 terá preferivelmente um WSN adicional 104 localizado em cada extremidade do vagão ferroviário 103, fixado diretamente ao chassi do vagão ferroviário. A CMU 101 também pode incluir sensores de aceleração, temperatura ou qualquer outro tipo de sensores e pode substituir um ou mais dos WSNs 104 no chassi de vagão ferroviário 103 ou pode ser suplementar ao conjunto de WSNs 104 que são instalados no chassi de vagão ferroviário 103. A rede de malha com base no vagão ferroviário 105 pode incluir qualquer combinação de WSNs 104, incluindo uma configuração na qual a CMU 101 é o único componente instalado no vagão ferroviário 103. Adicionalmente, a CMU 101 pode também monitorar os WSNs 104 instalados nos outros vagões ferroviários 103, tal como no caso em que o vagão ferroviário 103 pode consistir de um ou mais vagões ferroviários individuais 103 que são permanentemente conectados conjuntamente.

[0053] Na modalidade preferida, a lógica na CMU 101 é capaz de analisar tanto eventos de aceleração quanto eventos de temperatura, recebidos de cada um dos WSNs 104 sob seu controle e determinar se uma condição de alarme ou evento existe atualmente. Deve ser notado que eventos de aceleração são independentes de eventos de temperatura e a CMU 101 pode ser configurada ou para analisar somente eventos de aceleração, ou para analisar somente eventos de temperatura. Assim, a CMU 101, e os WSNs 104 sob seu controle, formam um motor distribuído de processamento de eventos, que é capaz de determinar vários tipos de eventos.

[0054] Os eventos de aceleração que a CMU 101 é capaz de detectar na modalidade preferida serão agora discutidos em maior detalhe. Deve ser notado que, quando a CMU 101 determinar que um alarme ou evento ocorreu, uma mensagem é enviada para o próximo nível na hierarquia, que é ou para uma PWG 102 localizada em algum local na composição de trem 109 ou fora da composição de trem 109 para um centro de operação ferroviário remoto 120, dependendo da gravidade do evento e da necessidade de resolver imediatamente o evento, talvez por alteração da condição de operação da composição de trem 109. Exemplos de eventos que podem ser analisados usando os recursos descritos acima são providos abaixo.

[0055] Descarrilamento - Um evento de descarrilamento é considerado como um tipo de evento de alta prioridade e é um exemplo do tipo de eventos que pode ser analisado pela modalidade ilustrada. Quando uma mensagem de descarrilamento é recebida de um WSN 104, a CMU 101 dá partida em um cronômetro de processamento de descarrilamento e também imediatamente gera uma possível mensagem de descarrilamento para a PWG 102. A CMU 11 então espera para determinar se quaisquer outros WSNs 104 estão gerando mensagens de descarrilamento. Se outros WSNs 104 geraram mensagens de descarrilamento dentro de um intervalo de tempo predeterminado, se presume que todas elas foram geradas do mesmo evento físico e uma mensagem de descarrilamento é gerada e envida para a PWG 102.

[0056] A figura 9 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais o evento de descarrilamento é ativado ou desativado. Em 900, o sistema é inicializado e, em 902, o sistema é colocado em um estado de espera em antecipação ao movimento do vagão ferroviário 103, em que o evento de descarrilamento é desativado. Deve ser notado que eventos de descarrilamento são desativados quando o vagão ferroviário 103 está estacionário. Em 904, o sistema verifica para ver se o vagão ferroviário 103 está estacionário e, se estiver, ele retorna para o estado de espera. Em 902. Se o vagão ferroviário 103 estiver em movimento, o controle se move para 906 onde o evento de descarrilamento é ativado. O evento de descarrilamento é ativado por ter a CMU 101 enviado uma mensagem para cada um dos WSNs 104 sob seu controle. Em 908, o sistema é novamente colocado em um estado de espera; todavia, o evento de descarrilamento está agora ativado. Em 910, o sistema consulta se um descarrilamento foi detectado e, se não foi, o controle prossegue para 914 onde o sistema consulta se o vagão ferroviário 103 está estacionário. Se o vagão ferroviário 103 estiver em movimento, o controle retorna para 908, o estado de espera do sistema, tendo o evento de descarrilamento ativado. Se, em 910, um descarrilamento for detectado, o controle prossegue para 912 onde um relatório de sistema de um descarrilamento é feito e o controle então prossegue para 914, como anteriormente. Se, em 914, for determinado que o vagão ferroviário 103 está novamente estacionário, o evento de descarrilamento é desativado em 916 e o controle retorna para 902, onde o sistema espera em um estado no qual o evento de descarrilamento está desativado.

[0057] Impacto vertical - Uma mensagem de impacto vertical é considerada como um tipo de evento de prioridade média. Quando um evento de impacto vertical é recebido de um WSN 104, a CMU 101 dá partida em um cronômetro de processamento de impacto vertical, durante o que a CMU 101 espera para ver se quaisquer outros eventos de impacto vertical são recebidos de outros WSMs 104. Dependendo de qual lado do vagão ferroviário 103 as mensagens de impacto vertical estão sendo geradas, pode ser determinado, por exemplo, que trilho quebrado ou outra condição de trilho pode existir.

[0058] Dano de roda - Uma mensagem de dano de roda é considerada como um tipo de evento de baixa prioridade. Quando um evento de dano de roda é recebido de um WSN 104, a CMU 101 começa a escutar eventos adicionais de dano de roda do mesmo WSN 104. Assim, se a CMU 101 receber múltiplas mensagens de dano de roda do mesmo WSN 104, ela pode gerar uma mensagem de dano de roda, em tais casos, a CMU 11 pode instruir o WSN 104 para parar de observar eventos de dano de roda, pois esses provavelmente continuarão a recorrer e gerarão uma barreira de mensagens do WSN 104 para a CMU 103. Em adição, o WSN 104 terá um contador para determinar se ele está enviando mensagens de dano de roda para a CMU 101 a uma certa taxa. Se esta taxa for excedida, o WSN 104 para de verificar por mensagens de dano de roda por um certo período de tempo. Depois de o período de tempo ter expirado, o WSN 104 verificará para ver se a taxa de mensagens de dano de roda é ainda demasiadamente alta para enviar para a CMU 101.

[0059] A figura 10 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais os eventos de dano de roda e eventos de impacto vertical são ativados ou desativados. Em 1002, o sistema é inicializado e, em 1004, o sistema é colocado em um estado de espera em que os eventos são desativados, pois a velocidade crítica exigida para ativação de evento ainda não foi atingida. Eventos de dano de roda e de impacto vertical são somente ativados quando o vagão ferroviário 103 atingiu uma velocidade crítica específica. Note que a velocidade de vagão ferroviário 103 pode ser determinada por vários meios, uma maneira preferida é a de que uma mensagem seja enviada de PWG 102 para todas as CMUs 101 na composição de trem 109. Em 1006, o sistema verifica para ver se a velocidade crítica foi atingida ou excedida. A velocidade crítica é um ajuste configurável do sistema, tipicamente ajustado por cada usuário individual, com base nas condições da via e operacionais, e é usada para identificar que o trem está se movendo a uma velocidade quando tais dados são relevantes. Se não, o controle retorna para 1004 onde o sistema é novamente colocado em um estado de espera com os eventos desativados. Se, em 1006, a velocidade crítica foi atingida ou excedida, o controle prossegue para 1008 onde tanto os eventos de impacto vertical quanto os eventos de dano de roda são ativados. O controle então prossegue para 110, onde o sistema é colocado em um estado de espera tendo ambos os tipos de eventos ativados. Em 5012, se um evento de impacto vertical foi detectado, o controle prossegue para 114, onde o sistema relata o impacto vertical. Em 1016, o sistema verifica para ver se um evento de dano de roda foi detectado e, se for, relata o dano de roda em 1018. Em qualquer caso, o controle prossegue então para 1020, onde o sistema verifica para ver se o vagão ferroviário 103 está ainda na velocidade crítica necessária para a ativação de eventos. Se estiver, o sistema prossegue de volta para 1010 onde o sistema é colocado em um estado de espera com eventos ativados. Se a velocidade de vagão ferroviário 103 tiver caído para abaixo da velocidade crítica, o controle prossegue para 1022 onde tanto os eventos de impacto vertical quanto os eventos de dano de roda são desativados, e então para 104, onde o sistema é colocado em um estado de espera com eventos desativados.

[0060] Os eventos de aceleração precedentes são todos os eventos que são detectados pela variedade de WSN 104, que é fixado ao encaixe de mancal de rolamento de roda 111 no vagão ferroviário 103. Os seguintes eventos são, todos, gerados pela variedade de WSN 104 que é fixado ao chassi de vagão ferroviário 103.

[0061] Impacto longitudinal - um impacto longitudinal ocorre quando uma aceleração é detectada ao longo do comprimento de vagão ferroviário 103, e é considerado como um tipo de evento de prioridade média. Quando uma mensagem de impacto longitudinal é recebida de um WSN 104, a CMU 101 dá partida em um cronômetro durante o que ela olha para outros eventos de impacto longitudinal de outros WSNs 104. Eventos de impacto longitudinal são prováveis que ocorram, por exemplo, durante o processo de acoplamento e quando a composição de trem 109 começa a parar. A CMU 101 pode coordenar com outros CMUs 101 em outros vagões ferroviários 103 para determinar se eventos de impacto longitudinal que são gerados em cada vagão ferroviário 103 se originam do mesmo evento físico.

[0062] A figura 7 é um fluxograma mostrando as condições sob as quais eventos longitudinais são ativados. Em 700, o sistema é inicializado e em 702 os eventos longitudinais são ativados. O controle prossegue então para 704, onde o sistema é colocado em um estado de espera com os eventos ativados e entra em um enlace de detecção. Em 706, o sistema determina se um impacto longitudinal ocorreu e, se não, retorna para 704, onde o sistema novamente entra no estado de espera. Em 706, se um impacto longitudinal foi detectado, o controle se transfere para 708, onde o sistema gera e relata uma mensagem a respeito do impacto. O controle então retorna para 704, onde o sistema novamente entra no estado de espera.

[0063] Dinâmica de veículo vertical extrema - Um evento de dinâmica de veículo vertical extrema ocorre quando uma aceleração é detectada na direção vertical do vagão ferroviário 103, e é considerado como um tipo de evento de prioridade média. Um evento é detectado por um limite de aceleração de pico sendo excedido por uma aceleração ao longo do eixo vertical. Quando uma mensagem de dinâmica de veículo vertical extrema é recebida de um WSN 104, a CMU 101 dá partida em um cronômetro durante o que ela olha para outros eventos de dinâmica de veículo vertical extrema de outros WSNs 104. Eventos de dinâmica de veículo vertical extrema são prováveis que ocorram, por exemplo, de um afundamento nos trilhos ou alteração no módulo de trilho em um pilar de ponte. A CMU 101 pode coordenar com outras CMUs 101 em outros vagões ferroviários 103 para determinar se eventos de dinâmica de veículo vertical extrema que são gerados em cada vagão ferroviário 103 se originam do mesmo evento físico.

[0064] Dinâmica de veículo lateral extrema - Um evento de dinâmica de veículo lateral extrema ocorre quando uma aceleração é detectada na direção lateral, ou linha transversal, do vagão ferroviário 103, e é considerado como um tipo de evento de prioridade média. Um evento é detectado por um limite de aceleração de pico sendo excedido por uma aceleração ao longo do eixo lateral. Quando uma mensagem de dinâmica de veículo lateral extrema é recebida de um WSN 104, a CMU 101 dá partida em um cronômetro, durante o que ela olha para outros eventos de dinâmica de veículo lateral extrema dos outros WSNs 104. Eventos de dinâmica de veículo lateral extrema são prováveis que ocorram, por exemplo, de um afundamento nos trilhos ou alteração no módulo de trilho em um pilar de ponte. A CMU 101 pode coordenar com outras CMUs 101 em outros vagões ferroviários 103 para determinar se eventos de dinâmica de veículo lateral extrema que são gerados em cada vagão ferroviário 103 se originam do mesmo evento físico.

[0065] Oscilação vertical - Oscilação vertical é uma condição que pode durar por um longo tempo com certas condições dinâmicas, tais como corrugações dos trilhos. Os WSNs 104 localizados em cada extremidade do chassi do vagão ferroviário 103 são comandados para periodicamente verificar para oscilação vertical simultaneamente, o que permite uma comparação de fases das leituras de cada WSN 104. Quando a CMU 101 recebe uma mensagem de oscilação vertical, um cronômetro de processamento de oscilação vertical é iniciado e a CMU 101 espera para ver se outro WSN 104 relatou um evento de oscilação vertical durante um intervalo de tempo predeterminado. Se múltiplos eventos forem recebidos dentro do intervalo de tempo, a CMU 101 examina as mensagens recebidas e, se os dados indicarem oscilações periódicas similares em cada extremidade do vagão ferroviário 103, então a relação de fase entre eventos ocorrendo em cada extremidade do vagão ferroviário 103 é determinada. Para uma oscilação em fase, a CMU 101 gera um evento de "solavanco de chassi" do vagão ferroviário. Quando os dados indicarem oscilação fora de fase, a CMU 101 gera um evento de "inclinação de chassi" do vagão ferroviário. Em ambos os casos, a mensagem de oscilação vertical é relatada pela CMU 101.

[0066] Oscilação lateral • • • Oscilação lateral é uma condição que pode durar por um longo tempo com certas condições dinâmicas. Fatores que contribuem para a oscilação lateral incluem: alto centro de gravidade dos vagões ferroviários 103, truques (bogies) desgastados, e trilho tangencial desgastado. A detecção de evento de oscilação lateral funciona de uma forma similar à detecção dos eventos de oscilação vertical. Quando a CMU 101 recebe um evento de oscilação lateral de um dos WSNs 104s em uma extremidade do vagão ferroviário 103 (por exemplo, a extremidade frontal), um cronômetro é iniciado e, se um outro evento é recebido de um outro WSN 104 na outra extremidade do mesmo vagão ferroviário (por exemplo, a extremidade traseira) dentro de um período de tempo predeterminado, então os eventos são comparados para sua relação de fases. Se os dados indicarem uma oscilação fora de fase, então um evento de "guinada de chassi" é gerado. Todavia, se os dados indicarem uma oscilação em fase, um evento de "rolagem de chassi" é gerado. Em qualquer caso, uma mensagem de oscilação lateral é relatada pela CMU 101.

[0067] A figura 8 é um fluxograma mostrando a ativação, desativação, e reporto de eventos de oscilação vertical e lateral. Em 800, o sistema é inicializado e, em 802, o sistema é colocado em um estado de espera com os eventos desativados. Eventos, neste caso, são desativados quando a velocidade de vagão ferroviário 103 está abaixo de uma velocidade crítica. Eventos de oscilação vertical e lateral são somente ativados quando a velocidade de vagão ferroviário 103 exceder a velocidade crítica. Em 804, o sistema verifica para ver se a velocidade crítica foi excedida e, se não, retorna para o estado de espera do sistema em 802. Todavia, se a velocidade crítica foi excedida, em 806, os eventos de oscilação vertical e lateral são ativados e, em 808, o sistema entra em um enlace no qual os dados de oscilação são enviados para a CMU 101 e então analisados para ver se um evento de oscilação ocorreu. Em 810, a CMU 101 analisa os dados e, em 812, determina se, ou não, um evento de oscilação foi detectado. Se um evento de oscilação foi detectado, o controle prossegue para 814, onde o evento é relatado. Se nenhum evento de oscilação foi detectado em 812, o controle prossegue diretamente para 816, onde o sistema novamente verifica para ver se a velocidade de vagão ferroviário 103 está acima da velocidade crítica, se a velocidade de vagão ferroviário 103 estiver ainda suficientemente alta para eventos de oscilação a serem ativados, o controle retorna para 808 e o sistema novamente entra no enlace. Se a velocidade de vagão ferroviário 103 tiver caído para abaixo da velocidade crítica, o controle prossegue para 818, onde os eventos de oscilação são desativados, e então para 802, onde o sistema é colocado no estado de espera com eventos desativados.

[0068] Com referência às figuras 4 e 12, um modelo de implementação geral do sistema de análise de um WSN 104 é agora descrito. Como representado na modalidade preferida, o sinal analisado (o que não é filtrado pelo filtro mecânico 410 ou material de encapsulamento), se origina com o hardware de acelerômetro 404 e é passado para uma ou mais seções de sensor 1202, 1208 ou 1214. Essas seções de sensor selecionam os dados a serem analisados usando um filtro de dados digitais 1204, 1210 ou 121, e passa esses dados para um detector de recurso 1206. 1212 ou 1218. A seleção de dados pode ser com base em, por exemplo, direção (por exemplo, componentes verticais ou longitudinais), frequência (por exemplo, sons de alta frequência ou balanço de baixa frequência), magnitude total (combinação de 2 ou 3 componentes direcionais) ou outras variações dos dados coletados.

[0069] Os detectores de recurso podem usar uma variedade de técnicas para determinar se recursos específicos estão presentes. Os recursos podem incluir, mas não são limitados a, picos ou duração de pulsos, nível de raiz quadrada média (RMS) de valores de magnitude, ou presença ou carência de componentes de frequência específicos. Uma vez quando um recurso é detectado, uma mensagem é passada para o módulo de mensagem 1220 para ser fornecida para a CMU 101. A seção de sensor pode também realizar testes periódicos para determinar se o recurso está ainda presente e, se estiver, a seção pode também determinar se mensagens continuadas devem ser enviadas ou se uma mensagem deve ser enviada somente quando o recurso não mais estiver presente.

[0070] Uma implementação possível do sistema de análise da figura 12 é mostrada na figura 13. Aqui, o acelerômetro 404 passa dados para três seções de sensor. A primeira seção 1302 seleciona dados da direção longitudinal inferior ao comprimento do vagão ferroviário 103 e usa a seção longitudinal 1304 para extrair dados de impacto longitudinal. Impactos longitudinais são detectados no detector de impacto 1306 quando o valor de pico dos dados longitudinais excede um limite de impacto longitudinal. A segunda seção 1308 seleciona dados da direção lateral através do vagão ferroviário 103 e usa a seção lateral 1310 para extrair dados de oscilação lateral. Oscilações laterais são detectadas no detector de dinâmica de veículo 11 quando o valor de RMS das oscilações exceder um limite de oscilação lateral. A terceira seção 1314 seleciona dados da direção vertical e usa a seção vertical 1316 para extrair dados de oscilação vertical. Oscilações verticais são detectadas no detector de dinâmica de veículo 1318 quando o valor de RMS das oscilações excede o limite de vertical oscilação. Cada uma dessas seções de sensor envia suas mensagens para o módulo de mensagem 1220 que, por vez, passa essas mensagens para a CMU 101.

[0071] Uma outra implementação possível do sistema de análise é mostrada na figura 14. Aqui, o acelerômetro 404 passa dados para três seções de sensor. A primeira seção 1402 olha em dados da direção vertical e usa o filtro de descarrilamento vertical 1404 para extrair as frequências características de um descarrilamento. Eventos de descarrilamento são detectados no detector RMS de descarrilamento 1406 quando o valor de RMS dos dados filtrados exceder um descarrilamento limite. A segunda seção 1408 também seleciona dados da direção vertical, mas usa o filtro de dano de roda vertical 11 para extrair as frequências características de danos de roda. Dano de roda é detectado no detector de dano de roda RMS 1412 quando o valor de RMS dos dados filtrados exceder um dano de roda limite. A terceira seção 141 também seleciona dados da direção vertical e usa o filtro de impacto vertical 1416 para extrair dados de impacto vertical. Impactos verticais são detectados no detector de pico de impacto vertical 1418 quando o valor de pico dos dados filtrados exceder um limite de impacto vertical. Cada uma dessas seções de sensor envia suas mensagens para o módulo de mensagem 1 20 que, por sua vez, passa essas mensagens para a CMU 101.

[0072] Quando um descarrilamento ocorre, as rodas de um ou mais eixos caem fora dos trilhos e correm ao longo do leito da via. A natureza áspera do leito da via faz com que as rodas descarriladas sofram acelerações verticais de alta energia pela duração do descarrilamento. Em uma modalidade preferida, um descarrilamento é facilmente identificado por meio do cálculo do valor de RMS de uma série de medições consecutivas de aceleração vertical e comparação do resultado com um limite. Se a CMU vir tais dados dos WSNs em ambos os lados do mesmo eixo, isto poderia indicar um descarrilamento. Por outro lado, dados de aceleração de um único WSN a respeito de apenas uma roda processada através da seção de sensor 1408 é mais provável que indiquem uma roda danificada.

[0073] A CMU 101 também coleta dados de temperatura de cada WSN 104. A coleta de dados de temperatura de cada WSN 104 deve ser sincronizada para evitar conflitos entre os WSNs 104 quando da transmissão dos dados para a CMU 101, e para permitir a comparação e coordenação a tempo dos dados de temperatura das leituras dos WSNs 104. Isto é obtido por armazenamento dos dados de temperatura em uma memória intermediária rotativa, organizada como um conjunto de dados compondo uma leitura de cada Sensor de temperatura 406 do WSN 104. Na modalidade preferida, cada WSN 104 amostra seus sensores de temperatura 406 uma vez por minuto, quatro amostras consecutivas são tornadas médias por uma vez a cada 4 minutos. O WSN 104 então envia uma mensagem que contém 8 consecutivas médias de amostra para a CMU 101 uma vez a cada 32 minutos. A CMU 101 mantém vinte amostras em sua memória intermediária rotativa para cada sensor de temperatura 406, todavia, uma pessoa de conhecimento na técnica entenderia que outros intervalos de amostragem e tamanhos de memórias intermediárias poderiam ser usados. Deve ser notado que os WSNs 104 podem ter mais do que um sensor de temperatura 406. Depois de que cada mensagem de temperatura foi recebida, o conjunto mais antigo de dados na memória intermediária rotativa é descartado. Quando o conjunto de dados estiver completo, os dados de temperatura são examinados para quaisquer significantes tendências ou eventos de temperatura e então apagados de forma que os dados de temperatura sejam usados somente uma vez. À medida que mensagens de temperatura são recebidas, a memória intermediária se envolve em orno de forma que novos dados se sobrescrevam aos quadros de tempo mais antigos. Deve ser notado que os WSNs 104 não analisam os dados de temperatura para eventos específicos, mas, em lugar disso, meramente reportam os mesmos para a CMU 101. A CMU 101 examina os dados de temperatura para tendências e reporta quando certos limites foram detectados. Deve ser notado que a análise de temperatura é somente realizada quando a composição de trem 109 está se movendo e é desativada quando a composição de trem 109 está estacionária. Por conseguinte, os WSNs 104 não coletarão ou reportarão dados de temperatura, a menos que a composição de trem 109 esteja se movendo.

[0074] A seguinte tabela é uma listagem dos alarmes e avisos gerados pela análise estatística realizada pela CMU 101 nos dados de temperatura. Análise de Pico Maior do que x % das leituras de pressão nas estatísticas de análise que excederam o limite de análise de temperatura absoluta Análise ambiental Maior do que y % das leituras de pressão nas estatísticas de análise que excederam a acima análise de temperatura ambiental Análise de Taxa z% do tempo operacional exibe uma elevação de tem que excede o limite de análise de taxa de temperatura.

[0075] As variáveis x; y e z, na tabela acima indicam que esses números são configuráveis dependendo das preferências do usuário ou cliente. Como um exemplo da Operação de Análise de Pico, se x (quando configurado pelo usuário, por exemplo, 20, 25 ou 30) por cento das leituras de temperatura em um mancal sobre um período de tempo excedeu o limite de análise absoluta de temperatura, um alarme ou aviso pode ser enviado. Como um exemplo das utilidades de execução das diferentes análises, é possível que a análise de ambiente sobre um mancal quente, se o trem estiver correndo em condições meteorológicas muito quentes, possa não indicar um problema quando, de fato, poderia existir um, enquanto a Análise de Pico que olha apenas para a temperatura de mancal proverá um aviso ou alarme. Por outro lado, no tempo muito frio, a Análise de Pico pode não indicar um problema com um mancal quente devido ao resfriamento pelo tempo frio do mancal, enquanto a análise de ambiente iria. Um exemplo de Análise de Taxa - quando o vagão ferroviário não está se movendo, um mancal deficiente estará na temperatura ambiente, mas uma vez quando o vagão ferroviário começa a se mover, o mancal deficiente pode se aquecer mais rapidamente do que os outros mancais no vagão ferroviário e, por conseguinte, terá uma mais alta percentagem de tempo operacional que ele excede um limite de taxa de temperatura. Tal como com eventos de aceleração, os WSNs 104 são também capazes de verificar eventos de temperatura e reportar quando a temperatura medida excede certos limites. A tabela abaixo lista esses alarmes e eventos relacionados à temperatura, que podem ser providos imediatamente: Alarme de Pico O limite de alarme de temperatura absoluta é excedido. Aviso de Pico O limite de aviso de temperatura absoluta é excedido. Alarme de ambiente A temperatura acima do limite de alarme de ambiente é excedida. Aviso de ambiente A temperatura acima do limite de aviso de ambiente é excedida. Alarme diferencial O limite de alarme de diferença de temperatura é excedido entre os mancais no mesmo eixo.

[0076] Os primeiros quatro alarmes e avisos na tabela acima são com base em dados preferivelmente coletados por WSNs individuais e não requerem qualquer análise diferente do que o excedimento de um limite e assim podem ser iniciados pelo WSN que coletou os dados. O último alarme, o alarme diferencial, requer dados de pelo menos dois WSNs localizados nos encaixes de mancal em lados opostos de um eixo, e, por conseguinte, a análise e o alarme serão preferivelmente executados pela CMU.

[0077] A figura 11 é um fluxograma mostrando o processamento de eventos relacionados à medição de temperaturas do mancal de rodas de vagão ferroviário 103. Em 1100, o sistema é inicializado e, em 1102, o sistema entra em um estado de espera em que os eventos de monitoração de temperatura são desativados. Eventos são desativados, neste caso, quando o vagão ferroviário 103 não está se movendo. Em 1104, o sistema verifica para ver se o vagão ferroviário está se movendo e, se não, retorna para 1102, onde ele novamente entra no estado de espera com eventos desativados. Se o vagão ferroviário estiver se movendo, o controle prossegue para 1106, onde os eventos de monitoração de temperatura são ativados. O sistema prossegue então para 1108, onde ele entra em um enlace no qual eventos são verificados. O controle prossegue para 1110, onde o sistema novamente verifica para ver, ter certeza de que, o vagão ferroviário 103 está se movendo. Se o vagão ferroviário 103 não estiver se movendo, o controle prossegue para 1112, onde os eventos de monitoração de temperatura são desativados e então de volta para 1102, onde o sistema é colocado em um estado de espera com eventos desativados. Se, em 110, o vagão ferroviário 103 estiver ainda se movendo, o controle prossegue para 1114, onde o sistema verifica para ver se um conjunto de medições de temperatura está disponível. Se não, o controle retorna para 1108, onde o sistema está no estado de espera com eventos ativados. Se um conjunto de medições de temperatura estiver disponível em 1114, o controle prossegue para 1116, em que o WSN 104 transmite o conjunto de medições de temperatura para o CMU 101. Em 1118, a CMU 101 realiza uma análise de as medições de temperatura, incluindo todas daquelas na memória intermediária rotativa e, em 1120, decide se um limite de temperatura foi excedido. Se não, o controle retorna para 1108, onde o sistema está em um estado de espera com eventos ativados. Se um limite de temperatura foi excedido, o sistema relata as medições de temperatura em 1122 e então retorna para 1108, onde ele está novamente no estado de espera do sistema com eventos ativados.

[0078] A CMU 101 também detecta tendências de longo prazo e mantém dados a respeito das tendências na análise da condição de mancal. As seguintes estatísticas são coletadas, para cada mancal sendo monitorado por um WSN 104 na rede de malha com base no vagão ferroviário 105: 1. Número total de leituras de temperatura válidas; 2. Soma de leituras de temperatura válidas; 3. Soma de leituras de temperatura válidas ao quadrado; 4. Número das leituras de temperatura maior do que o limite de temperatura absoluto; 5. Número das leituras de temperatura maior do que o limite de temperatura acima da ambiente; e 6. Número de taxas de variação de temperatura maior do que o limite de taxa de aquecimento.

[0079] As estatísticas de temperatura de mancal são acumuladas em uma base diária em uma memória intermediária rotativa que pode manter trinta e dois conjuntos de dados, permitindo assim a análise de tendência sobre um período de trinta dias. O motor de DCEP controla o tempo no qual as estatísticas são acumuladas quando um novo conjunto de estatísticas começou e o mais antigo é descartado. Normalmente, o motor de evento é configurado para gerar uma análise uma vez por dia.

[0080] As estatísticas coletadas podem ser usadas para calcular informação que indica tendências de desgaste de mancal. Em uma modalidade preferida, a CMU 101 provê um relatório, a pedido, das seguintes quantidades para cada roda mancal: a. Temperatura média de mancal; b. Variância da temperatura de mancal; c. Percentagem de leituras de temperatura de mancal que excederam um limite absoluto; d. Percentagem de leituras de temperatura de mancal acima da ambiente que excederam um limite; e e. Percentagem de medições que a taxa de aumento da temperatura de mancal excede um limite.

[0081] Uma rede de malha com base no trem é mostrada geralmente com o número de referência 107 nas figuras 2 e 3. A rede de malha com base no trem 107 é colocada sobre uma composição de trem 109 e inclui uma PWG 102 instalada em um hospedeiro ou ponto de controle, tal como uma locomotiva 108, ou em outro ativo ou recurso com acesso a uma fonte de alimentação, e uma ou mais CMUs 101, cada uma pertencendo à rede de malha com base no trem 107 e também às suas respectivas redes de malha com base no vagão ferroviário 105, se um ou mais WSNs 104 estiverem presentes, ou respectivas redes de malha com base no vagão ferroviário ou rede 118 para vagões ferroviários 103 com uma CMU 101, mas sem WSNs 104 (ver a figura 2). (Note que também podem estar presentes vagões ferroviários 103 na composição de trem 109 sem uma CMU 101 nos mesmos, como mostrado pelo número de referência 119 na figura 2), assim, aqui, as CMUs 101podemn pertencer a duas redes de malhas, rede de malha com base no vagão ferroviário 105 (se o vagão ferroviário 103 for equipado com um ou mais WSNs 104) e a rede de malha com base no trem 107. Cada CMU 101 está também opcionalmente gerenciando sua respectiva rede de malha com base no vagão ferroviário 105. A figura 3 mostra um caso em que a rede de malha com base no trem 107 consiste em três CMUs 101, duas das quais são parte de redes de malha com base no vagão ferroviário 105, e uma localizada em um vagão ferroviário 103 (número de referência 118) em que os WSNs não são conectados.

[0082] A rede de malha com base no trem 107 usa uma rede de malha superposta para suportar comunicação bidirecional de baixa potência através toda a composição de trem 109 e com a PWG 102 instalada na locomotiva 108. A rede de malha superposta com base no trem 107 é composta de transceptores sem fio embutidos na CMU 101 em cada vagão ferroviário 103. Cada CMU 101 é capaz de iniciar uma mensagem na rede de malha com base no trem 107 ou contar com uma mensagem de, ou para, outra CMU 101. A rede de malha superposta com base no trem 107 é criada independentemente de, e opera independentemente das redes de malha com base no vagão ferroviário 105 criadas por cada vagão ferroviário 103 na composição de trem 109.

[0083] Uma PWG bidirecional 102 gerencia a rede de malha com base no trem 107 e comunica alertas das CMUs 101 instaladas nos vagões ferroviários individuais 103 para o hospedeiro ou ponto de controle, tal como uma locomotiva 108, em que os alertas ou relatórios de evento podem ser atuados por intermédio de intervenção humana, ou por um sistema automático. A locomotiva 108 pode incluir uma interface de usuário para receber e exibir mensagens de alerta geradas pela rede de malha com base no trem 107 ou qualquer das redes de malha com base no vagão ferroviário 105, individuais. A PWG bidirecional 102 é capaz de receber múltiplos alertas ou eventos dos CMUs 101 nos vagões ferroviários individuais 103 e pode traçar inferências acerca de aspectos específicos do desempenho da composição de trem 109,

[0084] A PWG bidirecional 102 é também capaz de trocar informação com um centro remoto de operações ferroviárias externo 120, sistema de dados ou outro sistema de gerenciamento de trens. Este trajeto de comunicação é mostrado na figura 3 com o número de referência 122, e pode incluir celular, LAN, Wi-Fi, Bluetooth, satélite, ou outros meios de comunicações. Esta ligação pode ser usada para enviar alertas fora da composição de trem 109 quando a composição de trem 109 está em operação.

[0085] É apreciado que o que foi descrito acima são novos sistemas, dispositivos e métodos. É também entendido que a invenção não é limitada às modalidades e ilustrações descritas acima, e inclui o escopo completo provido pelas reivindicações anexas aqui.

Claims (15)

1. Sistema para detectar anomalias operacionais em um vagão ferroviário (103), compreendendo: (a) uma unidade de gerenciamento de comunicação (101) montada no vagão ferroviário (103); (b) uma pluralidade de nós de sensor sem fio (104) localizados no vagão ferroviário (103), em que cada nó de sensor sem fio (104) inclui um ou mais sensores configurados para sensorear um parâmetro operacional do vagão ferroviário (103), os nós de sensor sem fio (104) estando em comunicação com a unidade de gerenciamento de comunicação (101), em que a pluralidade de nós de sensor sem fio (104) inclui pelo menos um nó de sensor sem fio (104) que é montado em um encaixe de mancal de roda do vagão ferroviário (103), o nó de sensor sem fio (104) que é montado no encaixe de mancal de roda do vagão ferroviário (103) incluindo um acelerômetro (404) para detectar certos eventos de aceleração, caracterizado pelo fato de que um filtro mecânico (410) é ainda fornecido, o qual inclui um material resiliente selecionado para filtrar acelerações indesejadas antes que aquelas acelerações indesejadas atinjam o acelerômetro (404), em que a unidade de gerenciamento de comunicação (101) realiza as funções de: (i) coletar dados a respeito de dito(s) um ou mais parâmetros operacionais de vagão ferroviário a partir da pluralidade de nós de sensor sem fio (104); (ii) analisar os dados coletados para tendências ou eventos indicativos de uma condição operacional anômala; e (iii) comunicar uma mensagem a um receptor remoto quando a tendência ou o evento for detectado.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos nós de sensor sem fio (104) realiza as funções de: (a) coletar dados de um ou mais sensores (404, 406); (b) comparar os dados com uma ou mais regras; e (c) enviar uma mensagem para a unidade de gerenciamento de comunicação (101) quando pelo menos uma das regras for satisfeita; e em que a unidade de gerenciamento de comunicação (101) e os nós de sensor sem fio (104) juntos formam uma rede de malha sem fio com base no vagão ferroviário (105), a rede de malha sem fio com base no vagão ferroviário (105) sendo controlada pela unidade de gerenciamento de comunicação (101).

3. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada um dos nós de sensor sem fio (104) realiza as funções de: (a) coletar dados de um ou mais sensores (404, 406); e (b) enviar periodicamente os dados coletados para a unidade de gerenciamento de comunicação (101); e opcionalmente, em que aquela unidade de gerenciamento de comunicação (101), ao receber os dados enviados periodicamente, realiza as funções de: (c) armazenar os dados em um armazenamento de dados; (d) analisar os dados armazenados para tendências; e (e) gerar um relatório quando forem detectadas tendências de interesse.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que aquela(s) uma ou mais regras são limites numéricos que, quando ultrapassados pelos dados coletados, provocam o envio de uma mensagem de alerta para a unidade de gerenciamento de comunicação (101).

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 4, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de comunicação (101), ao receber uma mensagem de alerta de um dos nós de sensor sem fio (104), realiza as funções de: (a) esperar para ver se mensagens semelhantes são recebidas de um ou mais outros nós de sensor sem fio (104) dentro de um período de tempo predeterminado e concluir que ocorreu um evento real se as mensagens semelhantes forem recebidas; e (b) comunicar uma mensagem relatando a ocorrência do evento real a um receptor remoto.

6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o receptor remoto está localizado fora de trem.

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de nós de sensor sem fio (104) inclui ainda pelo menos um nó de sensor sem fio (104) que é montado no corpo do vagão ferroviário (103).

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de comunicação (101) pode instruir cada nó de sensor sem fio (104) para habilitar ou desabilitar a verificação de regras individuais enviando uma mensagem para o nó de sensor sem fio (104); e/ou em que a unidade de gerenciamento de comunicação (101) pode instruir cada nó de sensor sem fio (104) para habilitar ou desabilitar o envio periódico de dados enviando uma mensagem para o nó de sensor sem fio (104).

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um nó de sensor sem fio (104) que é montado no encaixe de mancal de roda do vagão ferroviário (103) compreende: (a) um alojamento de proteção (400); (b) dito(s) um ou mais sensores (404, 406) montados dentro do alojamento de proteção (400); (c) uma capacidade de comunicação, para comunicação com a unidade de gerenciamento de comunicação (101); e (d) um microprocessador, executando firmware para controlar a operação do nó de sensor sem fio (104).

10. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um nó de sensor sem fio (104) que é montado no encaixe de mancal de roda do vagão ferroviário (103) é ajustado para detectar certos tipos de acelerações por uma combinação da seleção de um material de encapsulamento no qual os sensores (404, 406) são encapsulados dentro do alojamento de proteção (400), a filtragem mecânica adicional (410) e um ou mais filtros de software usados para isolar certos tipos de acelerações.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o material de encapsulamento tem uma dureza de 59 Shore 00.

12. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o filtro mecânico (410) consiste em uma seção superior (410a) e uma seção inferior (410b), o filtro mecânico (410) configurado para filtrar mecanicamente tipos de acelerações de alta e baixa frequência que são considerados ruído, em que as seções de filtro mecânico (410a, 410b) são preferencialmente compostas de silicone, tendo a seção superior (410a) preferencialmente uma dureza de 70 Shore A e a seção inferior (410b) preferencialmente uma dureza de 30 Shore A.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um nó de sensor sem fio (104) que é montado no encaixe de mancal de roda do vagão ferroviário (103) compreende ainda um ou mais sensores de temperatura (406).

14. Sistema para detectar anomalias operacionais em uma composição de trem incluindo uma pluralidade de vagões ferroviários (103), um ou mais dos vagões ferroviários (103) incluindo um sistema para detectar anomalias operacionais em um vagão ferroviário (103) como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma porta de entrada sem fio alimentada (102) controlando uma rede com base em trem (107), tal como uma rede de malha sem fio, que inclui a porta de entrada sem fio alimentada (102) e uma pluralidade das unidades de gerenciamento de comunicação (101).

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a porta de entrada sem fio alimentada (102) serve como o receptor remoto.

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