CN101346268B - 铁路火车监视*** - Google Patents

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Abstract

火车车厢监视利用在轴承适配器上的轮架轴箱钳口内支撑的测量柔性衬垫。衬垫包含用于监视温度压力、移动负载和轮架摆动等的传感器，并具有用于处理从传感器接收的信息并用于处理和向远程源报告性能变量的偏离的电路。***循环地激活轮询车厢上的各个衬垫并向远程源传达临界偏离和车厢身份的信号。

Description

铁路火车监视***
技术领域
本发明涉及用于铁路火车等的监视***，更特别地，涉及使用测量滚珠承载适配器衬垫(pad)以检测车轮组、轮架、运货车厢或火车水平的较差的性能的出现和原因的***。
背景技术
一直以来，火车车厢所有人和操作员需要更好地理解他们的资产是如何执行的。对于更重的服务的车厢，存在更大的一旦其性能变得不可接受就识别“坏蛋”(可损坏轨道基础结构并导致脱轨的车厢)的需要。还存在通过改善高速性能并减少由于机械失效导致的计划外服务中断增加平均火车速度的需要。车厢所有人越来越多地寻求实现预防性的维护程序以避免机械失效和设施上的计划检修和它们的选择的时间。最后，随着铁路操作的更加自动化和增加的用于提高安全性的调节，铁路工业需要新的监视火车、车厢和火车车厢轮架的性能的方式。
需要被监视的性能准则中的一些包含滚珠轴承条件和温度、滚珠轴承适配器位移、车轮条件、轮架摆动/翘曲/结合、制动器状态和性能、是否出现了部分脱轨以及潜在地有问题的轨道条件。由于这些性能问题中的一些可非常迅速地导致火车的灾难性失效，因此希望监视并尽可能快地向火车头或向中央数据操作设施报告异常情况。并且，给定铁路火车操作的苛求的环境，任何***必须是结实可靠的，并能够在维护很少或没有维护的情况下长时间操作。另外，为了是成本有效的，不应增加显著的成本以安装和维护***。由于只在北美就有超过150万辆运货车厢，并且监视使用中的所有车厢的***是所非常希望的，因此任何这种***需要能够向非常多的潜在的装置分配非常大的地址。
在北美广泛采用的一种方法是在整个铁路网络中的固定位置上使用路旁缺陷检测器。测量轴承温度的检测器(轴承过热检测器)是常见的，而用于测量车轮冲击、轴承条件(从声学特征)和横向力的其它路旁检测器正逐渐被引入。但是，虽然一个检测器可监视通过的许多运货车厢，但它们只能提供关于性能的点检查。缺陷将只在检测器之间变得明显并逐步增强到临界水平是相当可能的。需要连续监视火车车厢性能的***。
用于火车车厢性能监视的另一种方法是使用车载仪器。已为联邦铁路管理局开发了一种这种突出的***。在该***和其它类似的***中，使用运货车厢的不同区域上的大量的仪器以进行离散的测量并然后将其传达给运货车厢上的中央网络集线器(central hub)。虽然提供优于由路旁监视器提供的方案的方案，但布线、复杂性和成本增加监视车厢所需要的投资额。
发明内容
本发明具有这样的一种目的，即，提供用于在使用中连续监视铁路车厢的轮架、车轮和轴承的行为和条件的装置，并提供适当的性能的常规保证，并且，根据需要以定时和有用的方式关于即将来临或实际的失效向如果形成一部分的火车的操作员和所有人报警。
本发明的另一目的是，火车车厢及其构件的性能可与来自火车头的操作数据组合以提供完整的火车监视***。
本发明的另一目的是，在最少地借助于在安装在火车车厢的轮架上的构件之间或在安装在轮架上的构件和安装在车厢的其它部分和包含火车头的火车的其它部分上的构件之间进行有线电连接的情况下提供这种功能。
本发明的另一目的是，为了检查和修理可被***或去除的构件或在火车车厢的正常维护期间中可被更换的构件。
本发明的另一目的是，提供用于在火车的操作中进行的测量的定时分析的装置，使得可以以简洁的方式发送关于性能或失效的信息，使得不需要传送详细的测量。
本发明的另一目的是，关于性能或失效发送的消息包含可明确地确定所讨论的项目在火车上的确切位置的足够的信息，并且，假定该信息是可用的，那么火车或者实际上运货车厢的位置可被报告。
本发明的另一目的是，当以无线的方式操作时，它可被扩展为利用操作频率(信道)的可用选择以减轻火车中的连续的(相邻的)车厢之间或来自在相同的频带中操作的其它设备的干扰。
虽然以下的讨论将车辆描述为运货车厢，但可以理解，相同的方法可应用于任何铁路，或者，在一些情况下，可应用于其它的多轴车辆。并且，虽然以下的说明以具有两个轮架的运货车厢(或后轴接合的列车(bogies))为特征，但它可应用于具有更多或更少的轮架或轴的几乎任何配置。
附图说明
图1～3是表示适用于实现本发明的目标的构件的配置的示意图；
图4是火车车厢轮架(railcar truck)的各部分的分解透视图，该图示出本发明的测量衬垫(instrumented pad)相对于火车车厢轮架的位置；
图5～7是示出本发明的要素的替代性配置的示意图。
具体实施方式
现在转到图1、图2和图4，用图解法表示的轮架(truck)1分别承载两个轴2，每个轴2具有两个车轮3。配置在图4中最佳地表示的轴承2a和轴承适配器4，使得各个轴承将其承载的负载和它可能产生的热通过衬垫16传向轮架。
图4示出火车车厢轮架1的一部分，表示测量衬垫16相对于其它的轮架部分的关系。在图4中示出轮架侧架12的一端。各个侧架具有一对向下延伸的轴箱钳口13。各个轴箱钳口的平行的侧壁14连同顶部15一起组合为形成轴箱钳口开口。
轮架还包含轴承适配器4，在图4中示出这些轴承适配器4中的一个。适配器具有一般为矩形的上表面，该上表面具有从顶端结构的拐角延伸的依靠支柱(depending leg)。支柱具有被配置为安置在轴承2a的外表面上的对向的弯曲侧表面，该轴承2a被安装在车轮轴承轴2的端部上。适配器一般由铸钢构成。适配器衬垫16在平面图中一般为矩形并具有依靠支柱。适配器衬垫16优选由铸造的或注射的模制弹性聚合物构成。适配器衬垫16形成为装在适配器4的上表面上，该适配器4又如上面指示的那样装在轴承上。在日期为2005年12月8日的美国公开申请No.2005/0268813中结合功能具体说明了用作承载和衰减装置的适配器和衬垫的细节。
进一步参照图2，衬垫4被装在轴承适配器的上面的矩形表面上。各个轴承将其承载的负载和它可能产生的热通过适配器传送到它承载的衬垫，并由此传送给火车车厢轮架。
图3示意地表示被修改以实现本发明的目标的适配器衬垫16。衬垫包含优选被嵌入其上表面、侧表面和下表面中或者如下面更全面的解释的那样被嵌入出于本发明的目的可能必须的诸如其端面的其它位置中的多个传感器5。在优选的形式中，衬垫16具有被定位为与通过适配器16传送的力相对隔离的延伸的固定部分17。延伸的部分17包含电源18、模拟/信号调节装置和模数转换装置和相关微处理器单元19和优选为具有天线21的低功率无线电发射器/接收器的通信单元20。传感器与模数转换电路单元和微处理器单元电连接，该微处理器单元又与可通过其发送和接收消息的通信单元连接并控制该通信单元。可以使用向衬垫供给电力的各种手段。电源可以是电池，该电池传输足够的电压并具有足够的能量存储容量，使得当如下面说明的那样周期性地和暂时被打开时，衬垫可在与在轮架中使用的轴承构件的正常服役寿命一致的几年内发挥作用。
作为替代方案，电源可由向可充电电池或电容器供给能量的能量清道夫(energy scavenging)装置构成。可以使用产生应变的电源(strain generated electrical power source)。虽然能源可以是安装在车厢体上的源，但优选它处于轮架上并最优选处于相对衬垫延伸部分上以避免对于相对可移动的车厢部分之间的电力布线的需求。
图1～3进一步示出具有具有衬垫16的轮架1的铁路运货车厢22，这些衬垫16具有它们的相关的传感器和控制和通信电路单元19和20。在说明的例子中，各个轮架承载四个衬垫16(一个轴承一个)，每个衬垫16具有电源18、控制电路单元19和优选包含无线电发射器/接收器的通信单元20。
安装在火车车厢体上、优选安装在大致处于两个火车车厢轮架之间的中间位置的点上的是也具有无线电/接收器的数据控制单元23，该无线电/接收器能够与将在后面说明功能的微处理器一起与其自身的火车车厢上的衬垫4上的无线电通信。数据控制单元23通过电缆23a与通信装置24链接，该通信装置24在这里被示为处于火车车厢的顶部，但根据诸如应用本发明的车厢的类型的因素其它的位置可能是合适的。在一些情况下并且对于一些车厢类型，数据控制单元和通信设备可以是邻接的。
有利地通过由附图标记24a表示的太阳能电池或能够维持连续的功能的其它电力装置对通信装置24进行供电。通信装置24用于使火车车厢直接与牵引火车的火车头链接，使得工程师或其它的乘务人员迅速接到有问题的车厢的通知。任选地，通信可经由铁轨侧自动设备识别装置或到达蜂窝式或卫星无线电***或用户希望的到达监视站的其它通信设备。在可在整个火车上获得来自火车头的有线通信的事件中，例如，如果电子制动变为标准，那么通信设备可与通信线连接。用于通信设备24的电源也可为数据控制单元23a提供电力，在这种情况下，电连接23可以是多连接器链接。
在图1中还示出包含微处理器和用于通过其无线电与测量衬垫16通信的无线电并且还具有数据控制单元23的手持单元23b。以下称为“登记员(registrar)”的单元23b被设计为具有非常有限的信号传送能力，使得为了发生通信其物理位置必须接近衬垫16或数据通信单元23。这保证操作员将仅与一个这种装置通信，而不与接收无线电传送的相同或附近火车上的其它车厢上的类似装置通信。
虽然用于通过登记员进行通信的无线电的使用是优选的，但可以使用直接电接触。但是，由于暴露火车车厢的恶劣的环境条件，因此直接电接触易于降低可靠性，并且，特别是当必须与大量的车厢进行通信时实施起来会更加耗时。以下进一步说明在实施本发明的功能的过程中对于登记员的使用。
在这一点上，应当注意，本发明的特征是要有利于在安装衬垫时或在衬垫或数据控制单元的更换过程中确定用于无线电通信的地址。出于这种目的，作为无线电通信的替代方案，可以使用射频识别(RFID)标签或相应的条形码或可被登记员读出和记录的扩展地址的其它可读形式(version)。
图1和3所示的天线被示意地示为导线或杆的形式。但是，实际上，它们可以是微波传输带或共形天线阵，并且可以是例如陶瓷衬底上的金属导体。
类似地，作为用于测量衬垫的电池电源的替代，车载电源可能在火车车厢中是可用的，并且，如果是可用的则可被使用。可以使用从车轮的旋转得到能量的替代性的能量清道夫装置以产生电力。作为选择电源的实际的方式，应优选最可能运行几年而不需要更换电池或不需要执行其它的维护工作的电源。
如上所述，衬垫16和数据控制单元23内的无线电仅需要在非常短的范围上通信是本发明的特征。出于这种目的，符合用于无线传感器网络的IEEE802.15.4标准的无线电是优选的。它是短范围标准，其中的ZigBee传感器网络***是示例性的。功率级较低并且范围有限，但是，所需要的一般只是能够在特定的车厢的轮架上的衬垫和该车厢的数据控制单元之间或与由在车厢附近站立的工人持有的登记员通信的能力。存在用于用有能力的微控制器使用这些***的数据格式和开放源码软件的标准使得它是优选的选项。无线通信的特别引人关注的优点在于，轮架上的布线和从轮架到火车车厢的布线由于容易破断因此是不希望有的，并且，除非普遍采用电子刹车等的工业范围广泛采用，否则沿货运列车的长度的布线是非常不可能被接受的。
用于基于IEEE标准进行无线通信的装置是可用的并且适于允许测量衬垫和数据控制单元在没有外部干涉的情况下建立连接的网络。它们可被建立以识别轮架和火车车厢上的轴位置的关系，或者被建立使得数字通信单元接到配置由此提供将网络链接在一起的多中继段(multi-hop)装置的通知。在实施本发明的以上方面的过程中使用的无线电意图在于在较低的功率下间歇地***作。在世界的不同部分，几个频带是可接受的。无线电在北美工作的适当的可用的频率为约2.4GHz。虽然优选期望消息的格式和编码符合上述的IEEE标准，但其它的配置是可行的。
在示例性的***中，测量衬垫4包含用于测量由火车车厢轮架并由此由轴承适配器由运货车厢施加的动态和静态垂直负载和剪切或横向力的几个传感器。相反，它们是本身被刚性地固定到车轮上并经受车轨不规则性影响的轴向轮架施加的力。由于相关轴承的温度的指示对于轴承不过热的安全性是十分重要的，因此示例性的测量衬垫16还承载温度传感器以给予这种指示。
重新参照图1～3，在操作中，测量衬垫16上的微控制器一般处于无源低功率状态，但被编程为短暂地、周期性打开。它收集来自传感器中的每一个的读数并对读数执行初步分析。采样频率的选择和要被读取的传感器的选择的合理性基于被监视的行为的类型和特定的应用。采样应处于几倍于从数据检测的最高频率的频率上。更频繁的采样不会获得更多的信息但增加功率消耗。
采样和报告的周期由数据控制单元23控制。但是，万一衬垫检测到故障或紧急的失效的指示，衬垫上的微处理器可被编程为打开它控制的无线电并通过无线电向数据控制单元23发送适当的消息。这种情况的例子可以是温度的突然增加。由功率清道夫装置产生的较大的电压尖脉冲也可被用于激活衬垫微处理器，如果那时它处于低功率状态的话。在不存在这种问题的情况下，衬垫微处理器遵从其给定的时间表，该时间表一般会导致它在大部分时间处于低功率状态。
数据控制单元23意图在于服务于几种目的。它协调由测量衬垫微处理器执行的循环测试的定时和从中发出的消息的定时。作为信息的集合体(aggregator)，它被编程为将来自火车车厢上的所有轮架的信息相比较，并且关于车厢的状态从中提取推理，例如，数据控制单元使用推理机技术以识别诸如摇摆、弹跳或者甚至部分脱轨的令人不满意的行为。它传送来自通信装置24的信息。例如，通信装置24可包含诸如全球定位***的测量装置以提供关于车辆速度的信息，该信息在检查诸如摆动(hunting)的轮架行为的过程中有用的。该信息也可被用于在为了节能不服务于任何目的时禁止传感器检查。
类似地，如果希望的话，诸如环境温度和湿度(下雨、下雪和结冰)的因素的检测器可被内置于用于下述用途的分布式推理机功能中的通信装置24或数据控制单元23中。另外，数据控制单元23或通信设备24可包含用于触发某些分析模式或验证由衬垫进行的读数并提供关于各种车厢体运动的信息的三轴加速计或速率陀螺仪。
作为管道，数据控制单元23将消息传送到用于向前传送给火车头或其它远程接收器的通信设备24，并且又在适当情况下出于其自身分析的目的接收例如来自火车头或来自其它的远程源的信息或指令。
在图5～7中示出用于监视在图1～3中说明的***的替代性配置。在图5所示的实施例中，各个测量衬垫16具有其自身的微处理器和无线电。该配置意图在于使用用于联网的协议，该协议允许消息在它们传递和来自数字通信单元23的路上在衬垫之间被传送。
在图6的实施例中，来自一个轮架的所有的衬垫16与路过多芯电缆27的单一微处理器和无线电单元24通信。这以在轮架上制成大量的导线连接的代价使得电子部件的数量最少化。在轮架上的微处理器单元中执行的计算服务或多或少会与图5中的微处理器单元中的那些不同。在本实施例中，在微处理器中执行所有的模数转换功能，并且，在那里执行的任何推理功能对于用于轮架上的所有衬垫的所有传感器进行评价。
在图7中示出另一替代性的实施例。在图7中，各个测量衬垫16具有其自身的模数转换单元，该模数转换单元可被加入特定的衬垫上的微处理器28中。这些微处理器从而可与轮架上的单一数据处理单元25通信并由此与数据控制单元23通信。如在图6的配置中那样，在单元25上执行的任何推理或数据分析都考虑来自轮架上的所有衬垫上的所有传感器的信息。
其它的选项包含使用有线链接的标准CANBus通信方案。另外，在电子控制的气动闸的大规模实现潜在地提供对于通信方案的其它选项的情况下，可以实现CANBus或其它标准。
可以以各种方式提供沿火车的通信。对于非常长的货运列车，WiFi(IEEE802.15.11标准)可能是合适的。对于沿客运列车的通信，Rail Transit Vehicle Interface Standard，IEEE1473-199会是适用的。
并且，应当注意，在实际中，使测量衬垫沿火车通信从而将消息从一个运货车厢传送到下一个是可行的。但是，对于较长的火车，这导致消息出现许多跳跃，其可靠性明显低于从各个车厢到火车头或其它远程位置的单一的、功率更大的链接。其它的问题包含这样的可能性，即，火车将通过运货车厢被重新配置，这些运货车厢可能被去除或改变位置，或者，火车被处于其相反一端的火车头拖动。依赖于来自车厢到车厢的衬垫到衬垫链接的任何这种网络会要求在铁路编组站中对火车进行重新配置。
如上面指示的那样，具有对在***中使用的火车车厢中的各个和每一个测量衬垫进行寻址和识别的适当的装置是本发明的特征。并且，对于相邻的运货车厢上的轮架上的测量衬垫，不管它们是否处于同一火车上，在处于相互的无线电范围中时都必须继续工作而没有相互的干扰。必须能够从任何运货车厢形成火车，并且能够更换轮架上的单一衬垫而不必更换轮架或运货车厢上的所有其它衬垫。即使没有要报告的问题，***提供它仍适当地工作的保证也是十分重要的。这里说明的优选***出于此目的使用由测量衬垫启动的消息。通过数据控制单元使用轮询以检查测量衬垫的状态的替代方案在要求数据控制单元一直处于接收模式的条件下要求衬垫在精确控制的时间以及与被允许基于它们自身的定时发送消息相比需要更长的全功率操作的周期打开并用作接收器。
要用相应的数据控制单元相互共同操作的测量衬垫必须均使用匹配的频率。上述的IEEE802.15.4标准指定各频带中的频率或信道。例如，在ISM带中，在2.4GHz上存在26个信道。还存在用于消息模式的标准，使得每一种形成大量的8位字节数据的信道包，其中，各个字节具有预先分配的意思。在该模式内，对于组号分配一个字节，并且对于组内地址分配两个字节。对于可能被解释为命令的消息的类型分配另一字节。相关的无线电接收器和它们的控制微处理器被设计为忽略从不同的组中的源接收的消息。它们不检测它们的选择的操作频率以外的其它频率上的消息。但是，它们可在程序控制下改变操作信道(频率)。它们可适当地作用于属于它们自身的组的消息。对于火车车厢上的用途，将需要可由二字节地址覆盖的以外的大量的设备，并且，必须提供装置使得数据控制单元可识别来自其自身的运货车厢上的测量衬垫的消息。测量衬垫必须能够识别来自它们自身的数据控制单元的消息，并且均必须能够容忍来自同一火车或经过的火车中的其它附近的运货车厢上的测量衬垫和数据控制单元的潜在的干扰。它们还必须能够容忍来自在同一未经许可的频带中操作的其它装置的潜在的干扰。
标识号或地址可在制造中被编程到电子模块中。
对于测量衬垫给定的地址可另外或替代性地被存储在各个衬垫4上的或被嵌入其中的RFID(射频识别)标签中。轮架上的衬垫的物理位置导致其接近轨道侧。特别地，它可处于轮架的侧架的外侧并由此接近任何轨道侧监视设备。这至少为通过固定设备识别经过的设备提供机会，并且，如果使用有源RFID标签技术，那么考虑从车厢到中心数据库(data repository)或所有人的替代性通信路径(communication route)。
虽然苛求的操作环境会使得该替代方案具有有限的用途，但给定的地址作为任选地具有方便用户的条形码的可读号码方便地是可见的。
很明显，可以使用提供足够的单个地址或身份的任何寻址方案。可使得衬垫的地址遵从扩展的因特网协议(IPv6)寻址方案，使用6个字节使得这些装置可具有它们自身的IP地址。
以下说明的优选实施例可被扩增为使用多个信道(射频)，由此提供实际上消除火车中的相邻车厢之间的干扰的手段。
本发明的根本目的是能够监视火车上的所有轮架和轴承和车轮的行为。报警消息必须尽可能快地、优选在几秒内从任何火车车厢到达火车头或到达远程数据操作设施。
但是，传送可能在执行这种监视的过程中采样的所有数据的负担是极大的，并且，对于大部分，详细的数据是不充分的。优选只识别隐含一些故障或失当行为的观察。为了将无线电通信量减少到可管理的比例，***被设计为处理原始传感器数据，从而寻找故障的征兆并然后仅发送基本的指示信息。为此，使用分布式推理机，从而在测量衬垫上和数据控制单元23上的微处理器之间共享基本的功能。本发明的目的是减少衬垫和数据控制单元之间的无线电信息量，因此，在衬垫上完成一部分的数据分析，并且只有相关的信息从衬垫被传送到数据控制单元用于进一步的分析和故障识别。
在上面示出的示例性***中，测量衬垫16上的微处理器19取得一***的测量并且作为时间序列处理它们。形成推理机的搜索算法可识别例如时间序列中和之间的周期和交叉相关关系，使得将看到可在衬垫水平上检测到的任何行为。例如，轮架越过铁轨线的来回摆动处于由轮架几何形状和车轮旋转速度确定的频率上。车厢的摇摆和摇动处于由悬架和负载的质量弹簧***主导的频率上。在各种程度上，根据车辆设计，行为的这些不规则性在可感测例如垂直和剪切和制动力的测量衬垫中的负载和负载分布的变化过程中是十分明显的。车轮不规则性可在从车辆速度计算的旋转频率上产生重复的力的模式。轨道缺陷可在车轮、轴承和轮架上并在车厢及其负载上产生较大的突然的力。
如果在测量衬垫中推断这种行为并且大小足以导致报警，那么相关的属性和定时(相对于报告的传送的时间)可被传送到车厢的数据控制单元。
假定多于一个的测量衬垫可报告失当行为，那么数据控制单元中的推理机的部件负责对整个轮架并最终对运货车厢进行评价。当推断严重的问题时，通过通信线路23a、24向火车头等发送消息。
***能够监视的性能的例子包括：
轴承温度-测量衬垫16中的温度传感器监视针对其它轴承的相对温度变化，并向轴承链接条件提供报警阈值或长期趋势。可通过使用趋势或报警水平推断滚珠轴承的良好状态，从而避免潜在的轴承烧除和可能的脱轨并提供可用于避免来自路旁轴承过热检测器的错误报警的直接测量。作为本发明的另一目的，可将来自路旁检测器的对于温度和其它效应的观察与来自车载***的出于相互校准和验证目的的观察相比较。
轴承条件-使用测量衬垫16的顶部的负载传感器以监视从轴承发出(通过滚珠轴承适配器传送)的振动。可从频谱分析推断特定的轴承缺陷。在其早期阶段识别损坏的轴承在预防性的维护程序中是十分重要的。
车轮条件-测量衬垫中的负载传感器检测周期性重复(为车轮直径和速度的函数)的高振幅负载(与背景相比)以识别无偏差灵敏点(flat spot)或有壳车轮踏面。还能够通过使用测量衬垫中的其它传感器中的一些识别中空的磨损车轮。监视车轮冲击可允许所有人在车轮被轨道侧车轮冲击负载检测器识别从而导致未调度的维护之前将其调度出去。它还提供对于失效的原因的洞察力。
车轮脱轨-使用与用于车轮条件的仪表相同的仪表，但寻找来自车轮组中的两个车轮的更高的频率和类似的信号。识别车轮组什么时候脱轨防止可能的完全脱轨和可能的灾难性后果。
轮架摆动-使用安装在测量衬垫中的负载传感器以检测纵向、横向和偏航力、监视指示轴或轮架摆动的迅速变化的负载(并由此监视车轮组的冲角)。通过分析从轮架上的两个车轮组和车厢上的两个轮架监视的这种负载，可以识别轮架和轴摆动以及轮架翘曲。另外，通过评价各轮架上的车轮组的冲角，可以识别通过使侧旁轴承或干燥中辊(center bowl)结合导致的较高的旋转摩擦力。识别这些条件有助于防止损坏运货车厢轮架和货物以及轨道基础设施。
车厢重量-将在运货车厢上的所有八个测量衬垫中测量的负载求和以确定其重量。即使粗略的测量(即，总负载加减10％)也将为承担评价运货车厢和它们的部件的信息提供有用的信息。进一步的益处来自检测由于不适当的装载或运输线的转移导致的负载失衡。
移位滚珠轴承适配器-通过监视测量衬垫支柱中的负载，能够识别滚珠轴承适配器什么时候出现了位移。这提供关于什么导致位移的信息并且引起对于紧急维护需求的注意以避免损坏滚珠轴承。
制动器性能和状态-监视测量衬垫上的纵向力提供关于从制动器衬垫施加到车轮上的力的信息。它可提供对于制动效率的洞察力(过高的制动负载表示制动器可导致车轮连结，过低的制动负载表示制动器不适当地工作)。另外，如果火车在移动时带有施加的手制动器中的一些，那么检查制动器状态可被用于发送报警。
轨道缺陷-监视测量衬垫中的垂直负载并在车轮组之间对它们进行比较会给予车厢所有人对于可导致损坏运货车厢或它们的货物的轨道缺陷的洞察力。
上面对于设备的配置并对于它们之间的通信识别了几种替代方案，以下说明优选的实施例。
对于熟悉微控制器的编程和低功率和卫星或小区电话通信的协议和能力的技术人员来说，很显然通过现有的技术和部件这里说明的功能是可行的。例如，由Crossbow Corp.，of Palo Alto，California制造的Micaz低功率微片(mote)与它们的内置的ChipCon无线电一起可执行衬垫和数据控制单元的功能。通信设备24是由Stellar-Sat，Inc.制造的型号DS300-RDT。该装置具有很强的计算能力，使得可在DS300-RDT中执行这里归于数据控制单元23的功能中的一些。事实上，也可以组合两个设备或者共享它们的功能，使得区别可变得是不必要的。
电源由诸如连同电荷存储电容器的来自Measurement Specialties，Inc.，of Hampton，Virginia的压电膜或可再充电电池的能量清道夫装置构成。
在制造中用组号、信道号和被存储在非易失性存储器中并在使用时与RFID标签和条形码中的数据匹配的唯一的扩展地址对测量衬垫进行编程。通过适当的编程，可以如需要那样多地增加用于不同的测量衬垫的可用地址的数量。
组号用于将该应用与可能使用相同的射频(信道)的任何其它应用区分开，这在使用这些IEEE802.15.4***时是标准的。
当安装衬垫时，通过被装配为收集RFID或条形码数据的登记员23b读取它们的扩展地址。用户关于各个衬垫占据轮架上的哪个位置并由此占据运货车厢上的哪个位置通过登记员的键盘和屏幕指示登记员。登记员然后被放在数据控制单元23附近，并且，通过使用无线电信道，将用于该数据控制单元自身的运货车厢上的衬垫的地址和位置数据传送到数据控制单元中。
为了避免使用RFID或条形码手段，登记员可替代性地利用总是被编程为每当它具有可用的功率就发出消息的衬垫和电子装置的功能。以下解释的这些消息总是包含衬垫的扩展地址，使得当它接近衬垫时登记员可收集它。该操作模式具有为了进行对话要求对衬垫进行供电的缺点，如果衬垫要通过能量清道夫装置在正常操作中被供电，那么这是不方便的。如果例如通过感应提供额外的装置以提供电能，那么无线电通信的使用变得是优选的。
衬垫数据的登记可替代性地通过其它装置、诸如通过使用数据线路24被传送到数据控制单元中。在任何情况下，数据被记录在非易失性存储器中的数据控制单元中，使得功率的暂时损失不需要重复的登记。登记的过程允许在整个铁路***中对装置进行跟踪。
一旦衬垫身份被写入数据控制单元中，就将通过数据控制单元识别随后的从测量衬垫的传送，如果它们发自登记的测量衬垫的话。类似的随后的从数据控制单元的传送可被引导到正确的测量衬垫。
如果从附近的测量衬垫和数据控制单元拾取的无关消息不在时间上与希望的消息冲突，那么它们不是问题。可以简单地忽略它们。如果它们冲突的话，那么消息将被破坏。但是，通过使用用于消息有效性的循环冗余检查的正常IEEE802.15.4标准，它们将被识别，并因此将被略去。为了使该问题最小化，数据控制单元管理送往和来自其自身的测量衬垫的消息的定时。
最初，测量衬垫在紧接着被供电之后以一分钟一条的速率或类似的速率开始发送消息。似乎对于任何接收器而实际上对于具有正确的组号并处于适当的信道上的接收器广播的该消息承载衬垫的地址作为发送器地址。在该方案中它是仅有的类型的作为广播发送的消息。衬垫然后暂时等待答复。数据控制单元在被供电时用作接收器，因此它拾取消息。由于它可将发送器地址识别为属于衬垫中的它负责的一个，因此它用关于执行哪个数据收集任务以及什么时候(多晚)报告回去指示衬垫的消息立即答复。衬垫被编程使得它接收的使用其自身的全地址的任何消息在已从其控制的数据控制单元直接或间接地到来时被接收，并自动地向该发送器送回答复。结果，由于衬垫将自动地从直接对它们寻址的无论哪一个设备取得指令并向其返回报告并且足够近，因此它们不需要用于它们的有用的寿命的剩余部分的其它寻址指令。在从数据控制单元接收消息之后，衬垫可恢复到低功率(睡眠模式)直到它必须执行其下一个任务。
该方案允许衬垫由于被清扫的功率的损失而停止运行，并在电力被恢复时仍回来并连入它们的适当的数据控制单元中。
该方案允许通过给予数据控制单元它负责的衬垫的地址在网络中更换数据控制单元。可以通过将其ID给予适当的数据控制单元在网络中更换单一的衬垫。
方案还允许在网络中操作其它的装置，只要它们具有相关的接近的数据控制单元。
当属于数据控制单元的所有的测量衬垫都已完成一轮的通信时，它们处于在数据控制单元可期望的时间依次提出它们的时间表上。测量衬垫在介入的周期中是基本上禁止通信的以节省电力。
用于调度***中的消息的方案故意地在时间上使来自单一运货车厢上的测量衬垫的消息保持分开，因此，无线电信号冲突被避免。由于测量衬垫自身仅非常短暂地用作接收器，因此它们接收假消息的风险也较小。由于来自测量衬垫的调度的无线电传送非常短，例如为几毫秒，因此，与介入的宁静期相比，来自相邻的运货车厢或其它的完全独立的装置的无线电信号冲突的机会也较低。但是，它们最终将发生。用于IEEE方案的标准方法是，正要发送出信号的无线电首先进入接收器模式以看看是否有任何其它的信号正在信道上传送。如果是，那么它延迟与消息长度相关的随机的时间量发送。该过程消除大多数的冲突。
如果来自测量衬垫的期望的调节的消息在合理的时间帧内没有到达，那么数据控制单元可采取大量的不同的动作。它有时可检测被接收但被破坏的消息。如果知道发送的测量衬垫将暂时期望答复，那么它可发送指示定时的轻微的随机偏移的消息，使得如果问题来自相邻的运货车厢那么下一条消息将非常可能通过。
相应地，如果它没有得到答复，那么测量衬垫可在时间表外面重复其消息，使得一直被供电并且一般用作接收器的数据控制单元将很快拾取连接，并且可如在初始的启动过程中那样为传送分配新的调度时间。数据控制单元可等待另一循环以看看它是否是随机事件，当它们调入时它可使其它的测量衬垫暂时安静，使得它们不妨碍来自遗漏的(missing)设备的传送。通过这些和其它的类似的策略，测量衬垫和数据可采取步骤以恢复通信。最终，如果所有的这些均失败，那么数据控制单元将通过通信线路23a报告通信的损失。
本发明的特征是，衬垫只要具有足够的电力就决不停止尝试与数据控制单元进行接触，并且，虽然自然允许下一报告之前的较长但不确定的延迟，但对于衬垫的外部消息均不能停止该过程。
通过建立的通信，数据控制单元关于实施哪一个数据获取任务以及什么时候返回报告指示衬垫以提供使得能够执行上面指示的推理的信息。这些任务包含但不限于：测量温度、取得平均力、传送关于横向或垂直或纵向力的波谱数据、测量车轮旋转频率上的循环上的垂直力。这些测量次序中的每一个与如果数据证明其正确则可引起的特定的推理对应。
对于各个任务分配返回报告之前的等待时间。对于各个任务分配应进行测量的时间或者分配周期性。
任务可要求衬垫进行中间测量并在无线电报告间隔之间暂时存储它们。可以在没有数据控制单元的介入的情况下承担这些中间的定时的动作。假定存在足够的重新开始的时间，那么，在这些活动之间，衬垫恢复到低功率睡眠模式，该过程导致能量经济。
由衬垫送回的每个报告识别请求的任务和从收集组中的数据算起过去的时间。
每一个报告包含关于衬垫部件特别是传感器的功能的状态信息(状态字节)。
该组请求包含作为关于通信的检查请求报告接收的信号强度的选项。
数据控制单元调度报告时间，使得无线电传送不相互冲突。
数据控制单元可通过诸如环境温度或车辆速度的相关信息使数据请求参数化。可通过使用GPS信息使得选择测量任务的命令是依赖位置的。当存在加速度测量装置时，命令可受数据控制单元上的测量的加速度影响。
数据控制单元具有要运行的缺省的测量程序，从而使用其衬垫作为数据收集器，使得以及时的方式进行运货车厢行为的定期的评价。但是，可以由从中心数据库发送到数据控制单元的命令或通过所有人或操作员的命令取代该定期的方式。
数据控制单元在其作为信息集合体的角色中合并来自衬垫的数据，并且对于报告和收集数据的稍微不同的时间进行必要的调整。数据控制单元然后对于推理机执行上述的评价，以检查运货车厢、其轮架或车轮或轴的运转是否足够差以至于需要送给中央数据操作位置或所有人或操作员或火车头的报告。如果是，那么可发送报告。由于数据传送会以量定价，因此使被发送的数据最少化是十分重要的，并且，可存在许多的火车车厢发送数据。但是，如果一切没有错误，那么数据控制单元将在适当的间隔调度“一切良好”消息的发送。
从以上对于***的说明可以很明显地看出，由于通信难度或由于环境的恶劣，部件可能未能提供所有的请求的数据，因此，用于评价运货车厢性能的规则被设计为容忍遗漏数据。
由于本优选实施例代表与衬垫的数据对话的启动，因此，另一优点是，如果出现一些极端的条件，那么衬垫可在调度的报告间隔之间的任何时间发送未经请求的报告。为了使数据信息量最少化，在从数据控制单元向中央数据库发送数据时采取相同的方法。
对于本发明的可利用几种(例如，在2.4GHz频带中为26种)可用操作频率的选择的方案，添加以下的附加特征。中央数据控制可从由车厢发送的GPS数据提取哪些对车厢是实际上相邻的。如果车厢正在报告通信问题，那么可从中心到车厢通过通信告知这样的一对中的一个，以切换到另一信道。IEEE802.15.4设备的网络可被编程为通过相互的协议完成频率跳跃以避免干扰。在通信丢失的情况下，这些装置将以不同的频率的次序广播消息，直到响应提供用于重建通信的基础。限制选择并预先限定要被尝试的频率的次序促进恢复过程。***也可被编程为作为衬垫和数据控制单元之间的定期对话的一部分通过发送指令提供有意的频率变化。
由此，通过上述的装置，本发明的目标得到实现。

Claims (17)

1.一种用于在火车运行中监视火车车厢的性能准则的监视***，其中，车厢包含车厢体和具有相对于火车车厢的支撑框架安装的车轮轴承的车轮组，该***包含：用于传送火车车厢和铁轨之间的负载的各轴承和框架之间的弹性负载轴承衬垫，所述衬垫在轴承和框架之间提供对于负载力的阻尼；由各个所述的衬垫承载的用于测量与火车车厢的操作性能相关的至少一个参数的一个或更多个传感器，该***还包括所述火车车厢上的用于评价所述性能并用于传送指示所述评价的信号的数据收集、评价和通信电路，所述***还包括远离所述火车车厢设置的用于接收所述信号的接收器，其中每个所述传感器具有在所述通信电路中提供的唯一地址，所述通信电路包含用于利用所述唯一地址周期性寻址衬垫上的每个传感器的装置和用于仅向所述接收器传达指示对于特定火车车厢中的特定传感器的性能准则从最佳性能准则的临界偏离的值的装置。
2.根据权利要求1的监视***，其中，所述火车包含火车头，并且所述接收器位于所述火车头中。
3.根据权利要求1的监视***，其中，所述数据收集、评价和通信电路包含用于向所述接收器传送所述信号的无线传送器。
4.根据权利要求1的监视***，其中，所述数据收集、评价和通信电路包含：所述火车车厢上的各个所述衬垫上的第一传送器/接收器；所述火车车厢体上的第二传送器/接收器，用于在所述第一传送器/接收器和第二传送器/接收器之间通信，所述第二传送器/接收器与远离所述火车车厢设置的所述接收器通信。
5.根据权利要求3的监视***，其中，所述传感器中的每一个响应包括所述衬垫内的温度、压缩应力和剪切应力的变化的多个变量中的一个。
6.根据权利要求5的监视***，其中，响应温度的所述传感器位于所述衬垫上以响应轴承温度，其中响应温度的所述传感器被布置在轴承附近。
7.根据权利要求4的监视***，其中，所述第一传送器/接收器和第二传送器/接收器是能够在其间进行无线通信的无线单元。
8.根据权利要求7的监视***，其中，所述信号识别传送指示存在预定的偏离的信号的衬垫。
9.一种用于监视火车车厢的性能的***，其中，车厢具有多个轮架，每个轮架具有在轴上分开的车轮组和车轮组的各个车轮所特有的轴承组件，这些轮架包括具有其中接收轴承组件的分开的轴箱套口的侧架，该***包含位于轴箱套口和轴承组件之间的弹性负载轴承衬垫，所述衬垫允许轴承和轴箱套口之间的有限的相对移动并提供对于冲击和磨损的阻尼，这些衬垫还允许轴在轴箱套口内的受控的摇摆移动，在邻近轴承的衬垫上具有用于感测轴承温度的一个或更多个温度传感器，并且控制电路包含安装在各个衬垫上的用于接收指示该衬垫特有的轴承的温度的信号的第一通信电路和安装在火车车厢体上的第二通信电路，所述第二通信电路包含用于对火车车厢上的各个温度传感器进行周期性寻址并用于将由所述温度传感器得到的值传达到远程位置的逻辑电路，所述值仅在所述逻辑电路确定这些值指示潜在的操作失败时才被传达。
10.根据权利要求9的***，还包括电源，所述电源向所述通信电路和与各个所述衬垫相关联的所述衬垫上的至少一个传感器供电。
11.一种用于监视包含操作的火车头的火车的火车车厢的性能的监视***，其中，各个火车车厢包含车厢体和带有具有轴箱钳口开口的侧架的支撑轮架、包含轴和分开的车轮的车轮组，这些轴在用于使在轴承和轴箱钳口之间传达的负载衰减的每一个开口内承载在所述开口中保持的车轮轴承和弹性衬垫，衬垫通过用于感测选自包含振动、动态和静态垂直负载、剪切力和温度的组的操作参数的一个或更多个传感器被测量，各个衬垫具有相关的微处理器，各个微处理器被编程为周期性地活动的状态以扫描所感测的数据，各个衬垫还具有传送器，所述***还包含安装在火车车厢体上的数据收集单元，所述数据收集单元包含用于评估从所述衬垫接收的感测的数据并将代表潜在的失效的指示的信号传送给远程位置的接收器的装置，其中每个所述传感器具有由通信电路提供的唯一地址，所述通信电路包含用于利用所述唯一地址周期性寻址衬垫上的每个传感器的装置和用于仅向远程位置的所述接收器传达指示对于特定火车车厢中的特定传感器的性能准则从最佳性能准则的临界偏离的值的装置。
12.根据权利要求11的监视***，其中，远程位置的所述接收器位于火车头内。
13.根据权利要求12的监视***，其中，向远程位置的所述接收器的信号的传送是无线传送，并且其中所述传送是无线传送器向远程位置的所述接收器广播用于识别从中广播代表潜在失效的信号的车厢的信号。
14.根据权利要求13的监视***，其中，在没有指示潜在的失效的信号的情况下，用于向远程位置传送信号的传送器是不活动的。
15.根据权利要求11的监视***，其中，用于衬垫上的微处理器的电源包含开关，所述开关可操作为在扫描衬垫上的传感器期间接通电源。
16.一种监视具有由车轮支撑的主体的有轮的互连移动单元的性能的方法，其中，所述移动单元中的至少一个是可控制的原动机，
在车轮和有轮的移动单元的主体之间提供连接在负载承载部件之间的柔性的弹性衬垫，所述衬垫具有用于测量选自包含温度、位移、速度、加速度、应力、应变压力和它们的组合的组的参数的嵌入的传感器；和
通过所述传感器产生代表所述参数的信号，单独地处理和评价对于各个参数接收的信号，并识别从被视为足以导致报警的所述信号得到的性能行为，并向原动机操作人员可访问的远程接收器传达仅识别足以导致报警的性能行为的消息。
17.根据权利要求16的方法，还包括在传达给操作人员的消息中包含对于从中出现识别被视为足以导致报警的行为的信号的移动单元唯一的识别代码的步骤。
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