JP6668243B2 - 列車編成と鉄道車両とにおける稼働異常を検出するためのシステムと方法 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１３年１２月２４日に出願され、その全体が引用により本明細書に組み込まれる、米国仮特許出願第６１／９２０，７００号の利益を主張する。
本発明は、鉄道車両と列車との安全管理の分野に関し、詳細には、鉄道車両と列車編成との稼働パラメータを継続的に収集し分析して異常な稼働状態を検出するためのシステムと方法とを対象とする。

列車編成におけるベアリングと車輪−レール間相互作用（ｗｈｅｅｌ ｔｏ ｒａｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）との現在の従来技術による監視は、主に、鉄道網の至る所に配置された路傍の検出器を用いて管理されており、これは、鉄道車両の車輪ベアリングの温度を監視するための検出器と、レールへの車輪の衝撃を監視することで損傷した車輪を特定する車輪衝撃荷重検出器とを含む。これらの検出器は、鉄道網内の固定の地点に設置される。

それらの導入以後、これらの方法は、鉄道事業者に、鉄道車両と列車編成とのパフォーマンスを改善するための情報を提供している。しかしながら、これらの検出器は、稼働異常に関する情報とデータ、たとえば鉄道車両が脱線した時刻と、検出器の範囲外の場合のベアリングと車輪との状態と、車輪の損傷とを送信可能な無線ネットワークの利点が欠如している。さらに、これらの従来の方法は、鉄道網の任意の場所における資産を継続的に監視するためのメカニズムを提供していない。

鉄道業における車輪の損傷は、鉄道車両の車輪と、鉄道車両の本体と、鉄道車両の構成要素と、線路と、枕木とに関する多大な維持費用の原因となる。滑って平坦になった（ｓｌｉｄ ｆｌａｔ）車輪には、レールと接触する車輪上の不均一な部分がある。車輪が回転すると、この部分は異常な衝撃パターンを生成し、これにより、車輪の損傷と、鉄道車両の損傷と、レールおよび線路構造の損傷とをさらに引き起こし得る。

しかしながら、現在、レールの区間上で車輪衝撃荷重検出器が設置されていない場所、または検出器間の領域において、車輪ベアリングの温度または車輪−レール間相互作用を継続的に監視するための信頼性の高いシステムが存在しない。したがって、鉄道車両および／または列車編成の様々な稼働パラメータをリアルタイムかつ車両内で監視し、読取値をリアルタイムで分析して異常な稼働状態を予測または適時に検出するためのシステムと方法とを提供することが望ましい。

本明細書で提示されたシステムは、鉄道車両と列車編成とのための従来技術の監視システムにおける欠点に対処する。本システムは、階層の種々のレベルにおける稼働異常を検出可能であって、データのフローとイベントとアラートとを中央地点に提供する分散データ分析機能を提供する構成要素の階層構成から成る。

階層の最低レベルにおいて、各鉄道車両は、複数の無線センサ・ノード（単数形で「ＷＳＮ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ」と呼ばれる）が装備され、これらは、通常は同一の鉄道車両上にある通信管理ユニット（「ＣＭＵ：ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｕｎｉｔ」）により制御されるメッシュ・ネットワーク内に配置され、これは本明細書では鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークと呼ばれる。無線センサ・ノードは、鉄道車両の種々の稼働パラメータに関するデータを収集し、収集されたデータに基づいて特定の異常を検出することができる。異常な稼働データが検出された場合、アラートが発動されてもよく、そのデータが鉄道車両上に配置された通信管理ユニットに伝達されてもよい。メッシュ・ネットワークが本明細書に例示された実施形態で使用されるが、他のタイプのネットワーク形態が使用されてもよい。

また、各鉄道車両に配置された通信管理ユニットは、典型的には機関車に配置される電源内蔵式無線ゲートウェイ（ｐｏｗｅｒｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ）により制御されるメッシュ・ネットワーク内にも配置される。これは、本明細書では列車ベースのメッシュ・ネットワークと呼ばれる。同様に、メッシュ・ネットワークが本明細書に例示された実施形態で使用されるが、他のタイプのネットワーク形態が使用されてもよい。

列車ベースの無線メッシュ・ネットワークは、列車編成の長さを伝達し、鉄道車両に関する情報を、電源内蔵式のホストまたは制御ポイント、たとえば機関車または電源を利用可能な資産へ、また、鉄道リモート・オペレーション・センターへ配信することができる。

図面と共に本発明の詳細な説明を読むことから、本発明がより全体的かつ完全に理解されよう。

鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を形成する、通信管理ユニット（ＣＭＵ）１０１と複数の無線センサ・ノード（ＷＳＮ）１０４とが設置された鉄道車両１０３の略図である。 ＣＭＵ１０１と複数のＷＳＮ１０４とが各々装備された２つの鉄道車両１０３と、ＣＭＵ１０１のみが装備された（ＷＳＮなしの）鉄道車両１０３と、ＣＭＵもＷＳＮも有さない鉄道車両１０３と、機関車１０８に設置された電源内蔵式無線ゲートウェイ・デバイス１０２とを有する列車ベースのメッシュ・ネットワークの略図である。 列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７と、列車外でデータを通信する様々な手段との図である。 ベアリング温度と車輪加速度とを監視するためなどに使用可能な第１の種類のＷＳＮ１０４の分解図である。 鉄道車両本体の加速度を監視するためなどに使用可能であって、温度を監視するための温度センサ（図示せず）を含むことができる、第２の種類のＷＳＮ１０４の分解図である。 鉄道車両車輪ベアリング取付け具１１１に設置された図４のＷＳＮ１０４の図である。 前後方向衝撃加速度イベント処理が有効化され無効化される条件を示すフローチャートである。 上下方向および左右方向乱調加速度イベント処理が有効化され無効化される条件を示すフローチャートである。 脱線監視イベント処理が有効化され無効化される条件を示すフローチャートである。 車輪損傷または上下方向衝撃イベント処理が有効化され無効化される条件を示すフローチャートである。 ベアリング温度イベント処理が有効化され無効化される条件を示すフローチャートである。 ＷＳＮ１０４のデータ分析部を実装するための一般化モデルを示すアーキテクチャ図である。 鉄道車両本体イベントの検出に向けられた、図１２に示されたモデルの特定の実装の図である。 車輪ベアリング・イベントの検出に向けられた、図１２に示されたモデルの他の特定の実装の図である。

鉄道車両は、この用語が本明細書で用いられる場合、単一の鉄道車両１０３であってもよく、図１を参照されたいが、または永続的に接続された２つ以上の鉄道車両１０３から成っていてもよく、これらは当業者に「タンデム・ペア」、「スリー・パック」、「ファイブ・パック」などと呼ばれることが多い。

列車編成は、図面に参照番号１０９として示されており、図２を参照されたいが、これは鉄道車両１０３と機関車１０８との接続されたグループと定義される。

通信管理ユニット（「ＣＭＵ」）は、図面に参照番号１０１として示されており、好ましくは鉄道車両１０３上に配置され、鉄道車両１０３にオーバレイされた（以下で定義される）鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を制御し、これは永続的に相互接続された１つまたは複数の個別の鉄道車両１０３から成ってもよい。ＣＭＵ１０１のハードウェアは、好ましくは、プロセッサと、電源（たとえば、バッテリー、太陽電池、エネルギー・ハーベスタ、または内部発電機能）と、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：ｇｌｏｂａｌ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｙｓｔｅｍ）デバイス、たとえば全地球測位システム（「ＧＰＳ：ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ」）受信機、Ｗｉ−Ｆｉ、衛星、および／またはセルラー機能と、鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を保守するための無線通信機能と、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７との無線通信と、任意で、１つまたは複数のセンサ、たとえば、限定はされないが、加速度計４０４、ジャイロスコープ、または温度センサ４０６とを含む。

ＣＭＵ１０１は、オープン標準プロトコル、たとえばＩＥＥＥ２．４ＧＨｚ８０２．１５．４無線規格を用いてメッシュ・ネットワーク構成内の（以下で定義される）１つまたは複数のＷＳＮ１０４をサポートする。加えて、ＣＭＵ１０１はまた、列車編成１０９内の全ての使用可能な鉄道車両１０３からのＣＭＵ１０１から成り、典型的には機関車１０８上に配置される電源内蔵式無線ゲートウェイ１０２により制御される、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７のメンバーである。したがって、ＣＭＵ１０１は４つの機能をサポートし、１）鉄道車両１０３にオーバレイされた低電力の鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を管理し、２）鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５内の１つまたは複数のＷＳＮ１０４からのデータを集約し、収集されたデータに論理を適用して、機関車１０８またはリモート鉄道オペレーション・センター１２０などのホストへの警告アラートを生成し、３）ＣＭＵ１０１内の加速度計４０４などの内蔵センサをサポートして、鉄道車両１０３の特定の属性、たとえば場所と速度と加速度とを監視し、このデータの分析を提供してアラートを生成し、４）ホストまたは制御ポイント、たとえば機関車１０８および／または列車外監視およびリモート鉄道オペレーション・センター１２０への上流の、および鉄道車両１０３に配置された１つまたは複数のＷＳＮ１０４への下流の、双方向通信をサポートする。ＣＭＵ１０１は、メッシュ・ネットワーク構成内の電源内蔵式無線ゲートウェイ（以下で定義されるＰＷＧ１０２）と無線で通信してもよく、または有線接続を介して、たとえばＥＣＰ（電子制御式空気：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ）ブレーキ・システムを介して通信するように構成されてもよい。当業者は、ＧＰＳが全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の一形態にすぎないことを理解するであろう。他のタイプのＧＮＳＳは、ＧＬＯＮＡＳＳとＢｅｉＤｏｕとを、開発中のその他のものと共に含む。したがって、ＧＰＳが本明細書に記載の実施形態で使用されているが、任意のタイプのＧＮＳＳシステムまたはデバイスが使用されてもよい。

ＣＭＵ１０１は、１つまたは複数のＷＳＮ１０４からデータおよび／またはアラームを受信することができ、鉄道車両１０３のパフォーマンスに関してこのデータまたはアラームから推論し、データとアラーム情報とをリモート受信機に送信することができる。ＣＭＵ１０１は、好ましくは、他の場所、たとえば電源内蔵式無線ゲートウェイ１０２（機関車１０８に配置されるのが好ましい）、またはリモート鉄道オペレーション・センター１２０への通信リンクとして機能し、受信されたデータを処理する機能を有する単一のユニットである。また、ＣＭＵ１０１は、ローカルの鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５内のＷＳＮ１０４と通信してこれを制御し、監視する。

電源内蔵式無線ゲートウェイ（「ＰＷＧ：ｐｏｗｅｒｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ」）は、図面では参照番号１０２として示されているが（たとえば図２参照）、好ましくは、機関車１０８上に、または外部電源がある列車編成１０９上の他の場所に配置される。これは典型的には、プロセッサと、ＧＰＳ受信機と、１つまたは複数のセンサ、たとえば、限定はされないが、加速度計４０４、ジャイロスコープ、または温度センサ４０６と、衛星および／またはセルラー通信システムと、ローカル無線送受信機（たとえばＷｉＦｉ）と、イーサネット（登録商標）ポートと、大容量メッシュ・ネットワーク・マネージャと、他の通信手段とを含む。ＰＷＧ１０２は、電源内蔵式資産、たとえば機関車１０８に配置された場合に、機関車１０８により電源が供給され、または他のソースから、たとえば、太陽光発電機または大容量バッテリーからその電力を得る。ＰＷＧ１０２は、列車編成１０９内の各鉄道車両１０３からの複数のＣＭＵ１０１から成る、列車編成１０９上にオーバレイされた列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７を制御する。

ＰＷＧ１０２の構成要素と構成とは、ＣＭＵ１０１のものと類似しているが、ＰＷＧ１０２が典型的には外部ソースから電力を得ており、ＣＭＵ１０１が電源内蔵式である点が異なる。加えて、ＰＷＧ１０２はデータを収集し、列車編成１０９と列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７とのパフォーマンスに関して推論し、個別の鉄道車両１０３と鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５または１１８とのパフォーマンスに関して推論するＣＭＵ１０１とは対照的である。

鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークは、図面では参照番号１０５として示されており、たとえば図１と図２とを参照されたいが、鉄道車両１０３上のＣＭＵ１０１から成り、ＣＭＵ１０１は、好ましくは同一の鉄道車両１０３に各々配備された複数のＷＳＮ１０４の鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５の一部であり、これを管理する。

無線センサ・ノード（「ＷＳＮ」）は、図面では参照番号１０４として示されており、たとえば図１と図２とを参照されたいが、鉄道車両１０３に配置されており、内部センサからデータを収集し、センサから収集されたデータを分析して、データが直ちに送信される必要があるか、後で送信できるように保持される必要があるか、またはイベントまたはアラートに集約される必要があるかを判定する機能を提供する。ＷＳＮ１０４は、監視されるべきパラメータ（たとえば、ベアリングまたは周囲空気の温度）、またはステータス（たとえば、ハッチまたはハンドブレーキの位置）を検知するために使用される。好ましい一実施形態では、各ＷＳＮ１０４は、１つまたは複数の加速度計またはジャイロスコープと、１つまたは複数の温度センサとが装備される。ＷＳＮ１０４の例が、米国特許出願公開第２０１３／０３４２３６２号に開示されており、その開示が本明細書に引用により組み込まれている。典型的なＷＳＮ１０４が、図４と図５との分解図に示されており、以下より詳細に説明される。

図４を参照して、ＷＳＮ１０４の第１の種類の一例が、以下に説明される。図４に示されたＷＳＮ１０４は、特定の種類の加速度イベントと温度イベントとを検出するように構成されチューニングされ、典型的には鉄道車両１０３の車輪ベアリング取付け具１１１に配置され、そこでは様々な程度の加速度を受けやすく、車輪ベアリングの温度に関するデータを簡単に収集することができる。ＷＳＮ１０４の部品は、包囲体４００ａと包囲体土台４００ｂとを有する筐体４００に含まれる。好ましくは、筐体部４００ａ、４００ｂは、環境被害に耐性のある硬質プラスチック、たとえばＵＶレーテッド・ポリマー（ＵＶ ｒａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ）、たとえばポリカーボネート／ＡＢＳブレンドで構成され、完全に組み立てられると耐候性となる。様々な部品が後述のように筐体内に設置された後、ポッティング材（図示せず）が開口を介して筐体４００内に与えられ、内部の部品が絶縁され、封入され、環境的に密封される。そのような材料は、エポキシと、ポリウレタンと、ケイ素化合物とを含む。電気使用に適した軟質ウレタンであって、その中を通って無線信号が送信され得る軟質ウレタンが好ましい。また、使用される特定のポッティング材が、様々なタイプの加速を検出するためのＷＳＮ１０４の正常動作に重要であることが分かっている。５９ショア（Ｓｈｏｒｅ）００のデュロメータを有するポッティング材が好ましい。

加えて、上部４１０ａと下部４１０ｂとから成るメカニカル・フィルタ４１０はさらに、ノイズとみなされ関心のある信号から除去されるのが好ましい高周波および低周波のタイプの加速度を機械的にフィルタリングする機能を果たす。好ましくは、これらの部品は、各部の表面積の差を考慮して、７０ショアＡ（上側フィルタ部４１０ａ）と３０ショアＡ（下側フィルタ部４１０ｂ）とのデュロメータのシリコーンでそれぞれ構成され、これはフィルタリング特性に影響する。

好ましい一実施形態では、各ＷＳＮ１０４は、１つまたは複数の加速度計４０４と、１つまたは複数の温度センサ４０６とを有してもよい。ＷＳＮ１０４のチューニングは、ポッティング材の選択と、上側および下側のシリコーン製メカニカル・フィルタリング素子４１０ａおよび４１０ｂのデュロメータと、メインＰＣ基板４０２ａのプロセッサで実行するソフトウェアにより実施されるソフトウェア・フィルタリングとの組み合わせによって実現される。使用されるソフトウェア・フィルタは、不要な加速度周波数からのノイズを減少させ、関心のある加速度周波数からの信号を増加させるためのデジタル・フィルタである。

温度センサ４０６は、包囲体土台４００ｂ内の開口４０６ａと、フィルタ部４１０ｂ内の開口４０６ｂとを通って伸びる伝熱素子を含む。好ましくは、伝熱素子は銅プラグである。この構成は、ＷＳＮ１０４が取り付けられる表面の表面温度を監視するのに好ましく、その理由は伝熱素子がその表面に接触するためである。本発明の好ましい実施形態では、温度センサ４０６は、電子回路にとって理想的であるサーミスタ、熱電対またはシリコーン温度センサである。この実施形態では、伝熱素子を、温度読み取りが望まれる鉄道車両１０３の部分と熱連通するよう配置するように、ＷＳＮ１０４が取り付けられる。加えて、メカニカル・フィルタの下部４１０ｂは、包囲体土台４００ｂとＷＳＮ１０４が取り付けられる表面との間に空隙を生成するのに適した厚さである。メカニカル・フィルタの下部４１０ｂと空隙とが、良好な熱保護と、ＷＳＮ１０４が取り付けられる表面からの低い熱伝達とを生成する。この熱保護により、電子部品（温度センサ４０６を除く全て）と電源とが、過剰かつ有害な可能性のある熱にさらされないようになる。また、ＷＳＮ１０４は、周囲温度を検知するための追加の温度センサ（図示せず）が装備されてもよい。

好ましい実施形態では、セルフ・タッピングねじ４１５は、ＷＳＮ１０４を鉄道車両１０３に取り付け、メカニカル・フィルタの上部４１０ａと下部４１０ｂとを適所に保持する働きをする。フィルタ・パッドのねじ込み口４１０ｃに収まるスペーサ４００ｃは、ねじ４１５の締め付けによるフィルタ部４１０ａおよび４１０ｂへの圧縮力の量を制御できるように長さが選択される。スペーサ４００ｃがない場合、フィルタのフィルタリング特性は、ねじ４１５の締め過ぎによる圧縮によって変化し得る。スペーサは、適度に硬い材料から選択される。

当業者であれば理解するはずであるように、ＷＳＮ１０４の構成は、センサの数とタイプとに対して変化し得る。実質的に、監視されることが望まれる特定の稼働パラメータに応じて、任意のタイプのセンサが使用されてもよく、これは、たとえば、温度センサ４０６、圧力センサ、荷重計（ｌｏａｄ ｃｅｌｌ）、歪みゲージ、ホール効果センサ、振動センサ、加速度計４０４、ジャイロスコープ、変位センサ、誘導センサ、ピエゾ抵抗マイクロフォン、または超音波センサを含む。加えて、センサは、たとえばリード・スイッチとリミット・スイッチとを含む、スイッチの一種でもよい。ハンドブレーキ監視センサなど、歪みゲージを用いる他のタイプのモート・センサ（ｍｏｔｅ ｓｅｎｓｏｒ）の一例が、米国特許公開第２０１２／００４６８１１号（２０１０年８月２３日出願の米国特許出願第１２／８６１，７１３号）に記載されており、その開示が本明細書に引用により組み込まれている。

電気回路が、ＷＳＮ１０４の動作のために設けられる。電気回路は、動作するための、および／またはセンサからの信号を受信し処理するための部品と配線とを含む。これは、限定はされないが、アナログおよびデジタル回路と、ＣＰＵと、プロセッサと、回路基板と、メモリと、ファームウェアと、コントローラと、以下でさらに説明されるように加速度計と温度センサ４０６とを動作させ情報を処理するために必要な他の電気器具とを含むことができる。

図４の例示の実施形態では、回路は、通信回路とアンテナとマイクロプロセッサとを含むメイン基板４０２ａと、加速度計４０４と温度センサ４０６とからデータを読み出すための回路を含む子基板４０２ｂとを含む。メイン基板４０２ａ、子基板４０２ｂまたはセンサは、データの低レベル分析を行うのに十分な情報を提供するためのファームウェアを実行するプロセッサを含んでもよく、後述のように、アラームが発動されるべき時間に関して外部ソースからパラメータを受け取ることができる。

また、各ＷＳＮ１０４は、無線通信用の回路と、長期電源４１４（たとえば、バッテリー、太陽電池、エネルギー・ハーベスタ、または内部発電機能）、好ましくは軍事用の塩化チオニル・リチウム電池とを含む。また、回路は、電力調整および管理機能を提供し、ＷＳＮ１０４をスタンバイ状態に維持し周期的にＷＳＮ１０４を起動させてセンサから読取値を配信する、バッテリー寿命を節約するための機能を含んでもよい。

図５に、ＷＳＮ１０４の第２の種類の分解図を示し、これは好ましくは鉄道車両１０３の本体に取り付けられる。図５に示されたＷＳＮ１０４の種類は、図４に示された種類と実質的に同一であって（したがって同様の要素は同一の参照番号で識別される）、以下の違いがある。第一に、ＷＳＮ１０４のこの種類は鉄道車両１０３の本体に取り付けられることになり、ここではより緩やかな加速度を受ける可能性が高いので、図４のメカニカル・フィルタ４１０により提供される追加のメカニカル・フィルタリングが必要ない。したがって、各側に２つ、４つのねじを用いると、また、このＷＳＮが他方の種類のより激しい加速度にさらされないならば、この第２の種類のねじまたはボルトは、直径がより小さくてもよい。第２に、例示の実施形態は温度センサ４０６を含まないが、第１の種類に関して上記で論じられた、筐体内の開口を通って伸びて周囲温度などの所望の温度を検知する伝熱素子を有する１つまたは複数の温度センサ４０６が設けられてもよい。最後に、ＷＳＮ１０４のこの種類は、図４の前述のＷＳＮ１０４のように加速度計４０４を含むが、好ましくは、以下で論じられるように、異なるタイプの加速度イベントを検出するための異なるファームウェアでプログラムされる。当業者により理解されるように、両方の種類のＷＳＮは温度センサのみを含むこともできるが、図４を参照して説明されたようなフィルタリングは必要ないであろう。

個別のＷＳＮ１０４は、鉄道車両１０３上の関心のある領域に取り付けられる。一例として、図６に、鉄道車両１０３の鉄道車両車輪ベアリングのローラー・ベアリング取付け具１１１に取り付けられた図４に示されたタイプのＷＳＮ１０４を示す。このユニットは、温度センサ４０６への良好な熱伝導を確保するための伝熱素子とローラー・ベアリング取付け具１１１との間の熱伝導性エポキシ接着剤と、ＷＳＮ１０４を適所に保持するためのセルフ・タッピングねじ４１５などのメカニカル・ファスナーとを用いて取り付けられてもよい。

システム動作
大まかには、図１と図２とを参照すると、本発明は、鉄道車両１０３と列車編成１０９とのパフォーマンスと動作とを監視するための新規の手段を提供する。これは、鉄道車両１０３の様々な稼働パラメータを検知するために編成１０９内の鉄道車両１０３に配置された複数のセンサ１０４と、データを収集し分析し、データとイベントとアラートとを、これらが作用され得る最終目的地に伝達するための階層的なシステムである分散複合イベント処理（ＤＣＥＰ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｖｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）エンジンとを含む。

ＤＣＥＰは、ＷＳＮ１０４とＣＭＵ１０１とＰＷＧ１０２とから収集されたデータに基づいて結論を導くために使用される知能（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）を実装することを担当する。好ましくは、データ処理プラットフォームは、全てのＷＳＮ１０４とＣＭＵ１０１と機関車１０８上のＰＷＧ１０２との間に分散しており、また、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７と密接に連動するように最適化されたクラウド・ベースのインフラストラクチャを、サード・パーティ・プロバイダまたは外部ソースからの様々なデータ・ストリームと共に利用する。

図面の図１をさらに参照すると、鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークが、全体的に、参照番号１０５として示されている。鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５は、鉄道車両１０３に設置されたＣＭＵ１０１と、同じ鉄道車両１０３に設置された１つまたは複数のＷＳＮ１０４とを備える。鉄道車両１０３は、永続的に相互接続された１つまたは複数の個別の鉄道車両１０３から成ってもよい。鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５は、鉄道車両１０３におけるイベントとアラートとの処理において重要な構成要素である。ＣＭＵ１０１とＷＳＮ１０４とは、連携して、ＷＳＮ１０４のセンサから収集されたデータを収集し分析する。ＣＭＵ１０１は、鉄道車両１０３上の鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を制御し、正確な時間に送信し、受信待機し（ｌｉｓｔｅｎ）、またはスリープするように、またはＷＳＮ１０４がその下で動作しイベントを検出するパラメータを変更するように、ローカル・メッシュ・ネットワークの１つまたは複数のＷＳＮ１０４を構成することができる。

図２をさらに参照すると、ＣＭＵ１０１と鉄道車両１０３の車輪ベアリング付近に設置された複数のＷＳＮ１０４とが各々装備された２つの鉄道車両１０３と、ＣＭＵ１０１のみが装備されＷＳＮ１０４は取り付けられていない鉄道車両１０３と、ＣＭＵ１０１を有さない鉄道車両１０３と、機関車１０８に設置されたＰＷＧ１０２とを有する列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７の略図が示されている。鉄道車両１０３に設置されたＣＭＵ１０１と複数のＷＳＮ１０４とは、鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を形成し、ホストまたは制御ポイント、たとえば機関車１０８または他の資産上のＰＷＧ１０２と通信して、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７を形成する。ＣＭＵ１０１のみを有しＷＳＮを有さない鉄道車両１０３についての鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークは、１１８として指定されている。

アラートまたはイベント状態がＷＳＮ１０４により検出された場合、以下でより詳細に説明されるように、さらなる分析とアクションとのために、たとえばあるＷＳＮ１０４により鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５内の他のＷＳＮ１０４と共に報告されたアラートまたはイベント状態を確認または統合するために、メッセージがＷＳＮ１０４からＣＭＵ１０１に転送される。アラートまたはイベントがＣＭＵ１０１により確認された場合、メッセージが、電源を利用可能であることが好ましい資産に設置されたＰＷＧ１０２に、および／または列車外監視およびリモート鉄道オペレーション・センター１２０に送信される。

各鉄道車両１０３上のＣＭＵ１０１は、任意の全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）センサが、鉄道車両１０３の場所、方向および／または速度を決定するのをサポートすることができる。この情報は、ＷＳＮ１０４が特定のタイプのイベントを探索すべきかを判定するために使用されてもよい。たとえば、ＷＳＮ１０４が、列車編成１０９が静止している場合に脱線を検出しようとすることは無益である。加えて、ＰＷＧ１０２は、ＣＭＵ１０１に対する特定のタイプのイベントの探索を開始または中止するための命令を送信することができる。加えて、各鉄道車両１０３上のＣＭＵ１０１は、内蔵センサを使用する、および／またはその鉄道車両１０３の鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を管理して、機関車１０８などのホストまたは制御ポイントに送信される必要があるメッセージを生成することができる。

アラートとイベントとの検出と報告
各ＷＳＮ１０４は、イベントまたはアラート・メッセージならびにデータが、階層における次の上位レベル、この場合ＣＭＵ１０１にアップロードされるべきかを判定する際に、そのセンサから収集されたデータを分析することができる。加速度計４０４に関して、各ＷＳＮ１０４は、１つまたは複数の加速度計４０４から受信された加速度読取値の大きさ値のピークおよび二乗平均平方根（ＲＭＳ：ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）レベルに対する複数の閾値を用いてプログラムされてもよい。ピークまたはＲＭＳ加速度閾値の１つが超過されると、これは起こりうるイベントまたはアラート状態を示すものであり、メッセージが生成され、同じ鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５内のＣＭＵ１０１に送信される。ＷＳＮ１０４の各種類に関する閾値は、内部で生成されるまたはＣＭＵ１０１から外部的に受信されるコマンドにより動的にプログラムされてもよい。

好ましい実施形態では、ＷＳＮ１０４は、特定のタイプのアラートまたはイベントを示す閾値を用いてプログラムされる。車輪ローラー・ベアリング取付け具１１１に取り付けられるＷＳＮ１０４について、これらのユニットは、超過された閾値に応じて、予想脱線メッセージ、上下方向衝撃メッセージまたは車輪損傷メッセージを生成することができる。鉄道車両１０３の本体に配置されるＷＳＮ１０４について、生成されるメッセージの例は、前後方向衝撃と、極度左右方向鉄道車両運動と、極度上下方向鉄道車両運動と、上下方向乱調と、左右方向乱調とである。例示の実施形態では、ＷＳＮ１０４は、可能な状態の各々が実際に存在するかを判定しない。この判定は好ましくは階層の次のレベル、すなわちＣＭＵ１０１において行われ、これは複数のＷＳＮ１０４からの読取値を利用して、実際のイベントが発生したことを決定する。当業者であれば容易に理解されるはずであるように、他のタイプのイベントの発生を示唆する異なる閾値が、ＷＳＮ１０４内にプログラムされてもよい。

ＷＳＮ１０４が設置された表面の温度、および／またはＷＳＮ１０４付近の周囲空気の温度を検知することが可能な、各ＷＳＮ１０４内の温度センサ４０６に関して、各ＷＳＮからの温度読取値は周期的にＣＭＵ１０１に報告される。ＣＭＵ１０１は、鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５内の全てのＷＳＮ１０４からの温度データの収集を調整する必要があり、したがって、温度を報告する周期、ならびに温度データを報告するタイミングは、各ＷＳＮ１０４に対してＣＭＵ１０１によりプログラムされる。

各ＷＳＮ１０４は、起こり得るイベントまたはアラーム状態を示し得るデータをＣＭＵ１０１にいつ報告すべきかを決定することができる。ＣＭＵ１０１は、配下の各ＷＳＮ１０４からそのような通知を収集し、そのデータを統合して、イベントまたはアラーム状態が実際に存在するか否かについて最終判定を行うことができる。たとえば、好ましい実施形態では、鉄道車両１０３内の各車輪ローラー・ベアリング取付け具１１１は、加速度と温度とを監視するためにＷＳＮ１０４が取り付けられる。したがって、２つの車軸を各々有する２つの台車（ボギー）を有する典型的な鉄道車両１０３上に、車輪ローラー・ベアリング取付け具１１１に取り付けられる計８つのＷＳＮ１０４が存在することになる。加えて、また、好ましい実施形態によれば、各鉄道車両１０３は、好ましくは、鉄道車両の本体に直接取り付けられた鉄道車両１０３の各端部に配置された追加のＷＳＮ１０４を有する。また、ＣＭＵ１０１は、加速度、温度または任意の他のタイプのセンサを含んでもよく、鉄道車両１０３の本体上のＷＳＮ１０４のうちの１つまたは複数を交換してもよく、または鉄道車両１０３の本体上に設置されたＷＳＮ１０４のセットを補ってもよい。鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５は、ＷＳＮ１０４の任意の組み合わせを含むことができ、これはＣＭＵ１０１が鉄道車両１０３に設置された唯一の構成要素である構成を含む。加えて、鉄道車両１０３が、永続的に相互接続された１つまたは複数の個別の鉄道車両１０３から成り得る場合などに、ＣＭＵ１０１は他の鉄道車両１０３に設置されたＷＳＮ１０４を監視してもよい。

好ましい実施形態では、ＣＭＵ１０１内の論理は、配下のＷＳＮ１０４の各々から受信された加速度イベントと温度イベントとの両方を分析し、アラームまたはイベント状態が実際に存在するかを判定することができる。加速度イベントは温度イベントから独立しており、ＣＭＵ１０１が加速度イベントのみを分析するまたは温度イベントのみを分析するように構成されてもよいことに留意されたい。したがって、ＣＭＵ１０１と配下のＷＳＮ１０４とは、様々なタイプのイベントを判定可能な分散イベント処理エンジンを形成する。

好ましい実施形態におけるＣＭＵ１０１が検出可能な加速度イベントが、以下より詳細に論じられる。アラームまたはイベントが発生したとＣＭＵ１０１が決定した場合、階層における次のレベルへ、すなわち列車編成１０９上の他の場所に配置されたＰＷＧ１０２へ、または列車編成１０９外のリモート鉄道オペレーション・センター１２０へ、イベントの深刻度と、場合により列車編成１０９の稼働状態を変更してイベントに直ちに対処する必要性とに応じて、メッセージが送信されることに留意されたい。上述の特徴を用いて分析され得るイベントの例は、以下に与えられる。

脱線−脱線イベントは、高優先度タイプのイベントとみなされ、例示の実施形態により分析され得るイベントのタイプの一例である。脱線メッセージがＷＳＮ１０４から受信された場合、ＣＭＵ１０１は脱線処理タイマを開始し、また、直ちに、予想脱線メッセージをＰＷＧ１０２に対して生成する。そして、ＣＭＵ１０１は、任意の他のＷＳＮ１０４が脱線メッセージを生成しているかを判定するのを待つ。他のＷＳＮ１０４が脱線メッセージを所定の時間間隔内に生成した場合、それらは全て、同一の物理的イベントから生じたものと推定され、脱線メッセージが生成されＰＷＧ１０２に送信される。

図９は、脱線イベントが有効化または無効化される条件を示すフローチャートである。９００においてシステムは初期化され、９０２においてシステムは鉄道車両１０３が動くことを予想して待機状態に置かれ、ここで脱線イベントが無効化される。鉄道車両１０３が静止している場合に脱線イベントが無効化されることに留意されたい。９０４において、システムは、鉄道車両１０３が静止しているかを確認し、そうであれば、９０２の待機状態に戻る。鉄道車両１０３が動いている場合、制御は９０６へ移動し、ここで脱線イベントが有効化される。ＣＭＵ１０１に配下のＷＳＮ１０４の各々へメッセージを送信させることで、脱線イベントが有効化される。９０８において、システムは再度待機状態に置かれるが、脱線イベントがこのとき有効化される。９１０において、システムは脱線が検出されたかについて問い合わせを行い、そうでない場合、制御は９１４に進み、ここでシステムは鉄道車両１０３が静止しているかについて問い合わせを行う。鉄道車両１０３が動いている場合、制御は９０８、すなわち脱線イベントが有効化されたシステム待機状態に戻る。９１０において脱線が検出された場合、制御は９１２に進み、ここで脱線のシステム報告が作成され、そして制御は前述のように９１４に進む。９１４において鉄道車両１０３が再度静止していると決定された場合、９１６において脱線イベントが無効化され、制御は９０２に戻り、ここでシステムは脱線イベントが無効化された状態で待機する。

上下方向衝撃−上下方向衝撃メッセージは中間優先度タイプのイベントとみなされる。上下方向衝撃イベントがＷＳＮ１０４から受信された場合、ＣＭＵ１０１は上下方向衝撃処理タイマを開始し、その間、ＣＭＵ１０１は、任意の他の上下方向衝撃イベントが他のＷＳＮ１０４から受信されるかを確認するのを待つ。鉄道車両１０３のどちら側で上下方向衝撃メッセージが生成されているかに応じて、壊れたレールまたは他の線路状態が存在し得ることなどが決定され得る。

車輪損傷−車輪損傷メッセージは、低優先度タイプのイベントとみなされる。車輪損傷イベントがＷＳＮ１０４から受信された場合、ＣＭＵ１０１は同じＷＳＮ１０４からのさらなる車輪損傷イベントの受信待機を開始する。したがって、ＣＭＵ１０１は、同じＷＳＮ１０４から複数の車輪損傷メッセージを受信した場合、車輪損傷メッセージを生成することができる。そのような場合、ＣＭＵ１０１はＷＳＮ１０４に車輪損傷イベントの探索を中止するように指示することができ、その理由はこれらがおそらく再発し続け、ＷＳＮ１０４からＣＭＵ１０１へメッセージの連発を生成することになるためである。加えて、ＷＳＮ１０４は、特定のレートでＣＭＵ１０１に車輪損傷メッセージを送信しているかを判定するためのカウンタを有することになる。そのレートが超過された場合、ＷＳＮ１０４は特定の期間の間、車輪損傷メッセージの確認を停止する。期間が満了した後、ＷＳＮ１０４は、車輪損傷メッセージのレートが、ＣＭＵ１０１に送信するにはまだ高すぎるかを確認することになる。

図１０は、車輪損傷イベントと上下方向衝撃イベントとが有効化または無効化される条件を示すフローチャートである。１００２においてシステムが初期化され、１００４においてシステムが待機状態に置かれ、ここでイベントが無効化され、その理由はイベント有効化に必要な危険速度がまだ到達されていないためである。鉄道車両１０３が特定の危険速度に達した場合にのみ、車輪損傷イベントと上下方向衝撃イベントとが有効化される。鉄道車両１０３の速度がいくつかの手段により決定され得ることに留意されたいが、１つの好ましい手法は、ＰＷＧ１０２から列車編成１０９内の全てのＣＭＵ１０１にメッセージが送信されることである。１００６において、システムは、危険速度が到達または超過されたかを確認する。危険速度はシステムの変更可能な設定であり、典型的には線路状態と稼働状態とに基づいて各個別のユーザにより設定され、そのようなデータが適切（ｒｅｌｅｖａｎｔ）である場合の速度で列車が動いていることを特定するために使用される。そうでない場合、制御は１００４に戻り、ここでシステムは再度、イベントが無効化された待機状態に置かれる。１００６において、危険速度が到達または超過された場合、制御は１００８に進み、ここで上下方向衝撃イベントと車輪損傷イベントとの両方が有効化される。そして、制御は１０１０に進み、ここでシステムは、両タイプのイベントが有効化された待機状態に置かれる。１０１２において、上下方向衝撃イベントが検出された場合、制御は１０１４に進み、ここでシステムは上下方向衝撃を報告する。１０１６において、システムは車両損傷イベントが検出されたかを確認し、そうである場合、１０１８において車輪損傷を報告する。いずれにしても、制御は次いで１０２０に進み、ここでシステムは鉄道車両１０３が依然としてイベントの有効化に必要な危険速度にあるかを確認する。そうである場合、システムは１０１０に戻り、ここでシステムはイベントが有効化された待機状態に置かれる。鉄道車両１０３の速度が危険速度を下回った場合、制御は１０２２に進み、ここで上下方向衝撃イベントと車輪損傷イベントとの両方が無効化され、そして１００４に進み、ここでシステムはイベントが無効化された待機状態に置かれる。

前述の加速度イベントは全て、鉄道車両１０３の車輪ローラー・ベアリング取付け具１１１に取り付けられるＷＳＮ１０４の種類により検出されるイベントである。以下のイベントは全て、鉄道車両１０３の本体に取り付けられるＷＳＮ１０４の種類により生成される。

前後方向衝撃−前後方向衝撃は、鉄道車両１０３の長さ方向に沿って加速度が検出された場合に生じ、中間優先度タイプのイベントとみなされる。前後方向衝撃メッセージがＷＳＮ１０４から受信された場合、ＣＭＵ１０１は、他のＷＳＮ１０４からの他の前後方向衝撃イベントを待ち受けるタイマを開始する。前後方向イベントは、たとえば、連結過程の間に、また、列車編成１０９が始動および停止するときに、発生しやすい。ＣＭＵ１０１は、他の鉄道車両１０３上の他のＣＭＵ１０１と連携して、各鉄道車両１０３上で生成された前後方向衝撃イベントが同じ物理的イベントから生じたかを判定することができる。

図７は、前後方向イベントが有効化される条件を示すフローチャートである。７００においてシステムが初期化され、７０２において前後方向イベントが有効化される。そして制御は７０４に進み、ここでシステムはイベントが有効化された待機状態に置かれ、制御は検出ループに入る。７０６においてシステムは前後方向衝撃が発生したかを判定し、そうでない場合７０４に戻り、ここでシステムは再度待機状態に入る。７０６において前後方向衝撃が検出された場合、制御は７０８に移動し、ここでシステムはその衝撃に関するメッセージを生成し報告する。そして制御は７０４に戻り、ここでシステムは再度待機状態に入る。

上下方向極度車両運動（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）−上下方向極度車両運動イベントは、鉄道車両１０３の上下方向において加速度が検出された場合に発生し、中間優先度タイプのイベントとみなされる。ピーク加速度閾値が上下方向軸に沿った加速度により超過された場合に、イベントが検出される。上下方向極度車両運動メッセージがＷＳＮ１０４から受信された場合、ＣＭＵ１０１は、他のＷＳＮ１０４からの他の上下方向極度車両運動イベントを待ち受けるタイマを開始する。上下方向極度車両運動イベントは、たとえば、線路の沈降から、または橋台における線路弾性率（ｔｒａｃｋ ｍｏｄｕｌｕｓ）の変化から生じやすい。ＣＭＵ１０１は、他の鉄道車両１０３上の他のＣＭＵ１０１と連携して、各鉄道車両１０３上で生成された上下方向極度車両運動イベントが同じ物理的イベントから生じたかを判定することができる。

左右方向極度車両運動−左右方向極度車両運動イベントは、鉄道車両１０３の左右方向すなわち交差線方向において加速度が検出された場合に発生し、中間優先度タイプのイベントとみなされる。ピーク加速度閾値が左右方向軸に沿った加速度により超過された場合に、イベントが検出される。左右方向極度車両運動メッセージがＷＳＮ１０４から受信された場合、ＣＭＵ１０１は、他のＷＳＮ１０４からの他の左右方向極度車両運動イベントを待ち受けるタイマを開始する。左右方向極度車両運動イベントは、たとえば、線路の沈降から、または橋台における線路弾性率の変化から生じやすい。ＣＭＵ１０１は、他の鉄道車両１０３上の他のＣＭＵ１０１と連携して、各鉄道車両１０３上で生成された左右方向極度車両運動イベントが同じ物理イベントから生じたかを判定することができる。

上下方向乱調−上下方向乱調は、線路の波状摩耗（ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ）などの特定の動的条件によって長時間続き得る状態である。鉄道車両１０３の本体の各端部に配置されたＷＳＮ１０４は、同時に上下方向乱調を周期的に確認するように命令され、これにより各ＷＳＮ１０４からの読取値の位相比較が可能となる。ＣＭＵ１０１が上下方向乱調メッセージを受信した場合、上下方向乱調処理タイマが開始され、ＣＭＵ１０１は、他のＷＳＮ１０４が所定の期間中に上下方向乱調イベントを報告したか確認するのを待つ。期間中に複数のイベントが受信された場合、ＣＭＵ１０１は受信されたメッセージを検査し、データが鉄道車両１０３の各端部における同様の周期的な振動を示す場合、鉄道車両１０３の各端部で発生したイベント間の位相関係が決定される。同相振動について、ＣＭＵ１０１は、鉄道車両「本体弾み（ｂｏｕｎｃｅ）」イベントを生成する。データが異相振動を示す場合、ＣＭＵ１０１は、鉄道車両「本体ピッチ（ｐｉｔｃｈ）」イベントを生成する。両方の場合において、上下方向乱調メッセージがＣＭＵ１０１により報告される。

左右方向乱調−左右方向乱調は、特定の動的条件によって長時間続き得る状態である。左右方向乱調の一員となる要因は、鉄道車両１０３の重心が高いことと、台車（ボギー）の磨耗と、直線路（ｔａｎｇｅｎｔ ｔｒａｃｋ）の磨耗とを含む。左右方向乱調イベント検出は、上下方向乱調イベントの検出と同様に動作する。ＣＭＵ１０１が鉄道車両１０３の一端（たとえば前端）にあるＷＳＮ１０４の１つから左右方向乱調イベントを受信した場合、タイマが開始され、同じ鉄道車両の他端（たとえば後端）にある他のＷＳＮ１０４から他のイベントが所定の期間内に受信された場合、イベント同士がそれらの位相関係について比較される。データが異相振動を示す場合、「本体ヨー（ｙａｗ）」イベントが生成される。しかしながら、データが同相振動を示す場合、「本体ロール（ｒｏｌｌ）」イベントが生成される。いずれの場合でも、左右方向乱調メッセージがＣＭＵ１０１により報告される。

図８は、上下方向および左右方向乱調イベントの有効化と無効化と報告とを示すフローチャートである。８００においてシステムが初期化され、８０２においてシステムはイベントが無効化された待機状態に置かれる。イベントは、この場合、鉄道車両１０３の速度が危険速度未満であるときに無効化される。上下方向および左右方向乱調イベントは、鉄道車両１０３の速度が危険速度を超過した場合にのみ有効化される。８０４において、システムは危険速度を超過されたかを確認し、そうでなければ、８０２のシステム待機状態に戻る。しかしながら、危険速度が超過された場合、８０６において上下方向および左右方向乱調イベントが有効化され、８０８においてシステムはループに入り、ここで乱調データがＣＭＵ１０１に送信され、そして乱調イベントが発生したかを確認するために分析される。８１０においてＣＭＵ１０１はデータを分析し、８１２において乱調イベントが検出されたかを判定する。乱調イベントが検出された場合、制御は８１４に進み、ここでイベントが報告される。８１２において乱調イベントが検出されなかった場合、制御は直接８１６に進み、ここでシステムは再度、鉄道車両１０３が危険速度を超えているかを確認する。鉄道車両１０３の速度が依然として乱調イベントが有効化されるのに十分高い場合、制御は８０８に戻り、システムは再度ループに入る。鉄道車両１０３の速度が危険速度を下回った場合、制御は８１８に進み、ここで乱調イベントが無効化され、そして８０２に進み、ここでシステムはイベントが無効化された待機状態に置かれる。

図４と図１２とを参照して、ＷＳＮ１０４の分析システムの一般的な実装モデルが以下で説明される。好ましい実施形態において示されるように、分析される信号（メカニカル・フィルタ４１０またはポッティング材により除去されないもの）は、加速度計ハードウェア４０４から生じ、１つまたは複数のセンサ・セクション１２０２、１２０８または１２１４に渡される。これらのセンサ・セクションは、デジタル・データ・フィルタ１２０４、１２１０または１２１６を用いて分析されるべきデータを選択し、このデータを特徴検出器１２０６、１２１２または１２１８に渡す。データ選択は、たとえば、方向（たとえば上下方向もしくは前後方向成分）、周波数（たとえば高周波の物音（ｃｌａｎｇ）または低周波の揺動（ｒｏｃｋｉｎｇ））、全体の大きさ（２もしくは３方向の成分の組み合わせ）、または収集されたデータの他の変動に基づくことができる。

特徴検出器は、様々な技法を用いて、特定の特徴が存在するかを判定することができる。特徴は、限定はされないが、パルスのピークもしくは持続時間、大きさ値の二乗平均平方根（ＲＭＳ）レベル、または特定の周波数成分の存否を含むことができる。特徴が検出されると、メッセージはメッセージ・モジュール１２２０に渡されて、ＣＭＵ１０１に配信される。また、センサ・セクションは、その特徴がまだ存在しているかを判定するための周期的な検査を行うことができる。そうである場合、このセクションは、続きのメッセージが送信されるべきか、またはその特徴がもはや存在しないときにのみメッセージが送信されるべきかを判定することもできる。

図１２の分析システムの１つの可能な実装が、図１３に示されている。ここで、加速度計４０４は、データを３つのセンサ・セクションに渡す。第１のセクション１３０２は、鉄道車両１０３の長さに沿った前後方向からのデータを選択し、前後方向セクション１３０４を用いて前後方向衝撃データを抽出する。前後方向衝撃は、衝撃検出器１３０６において、前後方向データのピーク値が前後方向衝撃閾値を超過した場合に検出される。第２のセクション１３０８は、鉄道車両１０３と交差する左右方向からのデータを選択し、左右方向セクション１３１０を用いて左右方向振動データを抽出する。左右方向振動は、車両運動検出器１３１２において、振動のＲＭＳ値が左右方向振動閾値を超過した場合に検出される。第３のセクション１３１４は、上下方向からのデータを選択し、上下方向セクション１３１６を用いて上下方向振動データを抽出する。上下方向振動は、車両運動検出器１３１８において、振動のＲＭＳ値が上下方向振動閾値を超過した場合に検出される。これらのセンサ・セクションの各々は、そのメッセージをメッセージ・モジュール１２２０に送信し、メッセージ・モジュール１２２０は、これらのメッセージをＣＭＵ１０１に渡す。

分析システムの他の可能な実装が、図１４に示されている。ここで、加速度計４０４はデータを３つのセンサ・セクションに渡す。第１のセクション１４０２は、上下方向からのデータに着目し、上下方向脱線フィルタ１４０４を用いて脱線の特有の周波数を抽出する。脱線イベントは、脱線ＲＭＳ検出器１４０６において、フィルタリングされたデータのＲＭＳ値が脱線閾値を超過した場合に検出される。第２のセクション１４０８もまた、上下方向からデータを選択するが、上下方向車輪損傷フィルタ１４１０を用いて車輪損傷の特有の周波数を抽出する。車輪損傷は、車輪損傷ＲＭＳ検出器１４１２において、フィルタリングされたデータのＲＭＳ値が車輪損傷閾値を超過した場合に検出される。第３のセクション１４１４もまた、上下方向からのデータを選択し、上下方向衝撃フィルタ１４１６を用いて上下方向衝撃データを抽出する。上下方向衝撃は、上下方向衝撃ピーク検出器１４１８において、フィルタリングされたデータのピーク値が上下方向衝撃閾値を超過した場合に検出される。これらのセンサ・セクションの各々はそのメッセージをメッセージ・モジュール１２２０に送信し、メッセージ・モジュール１２２０はこれらのメッセージをＣＭＵ１０１に渡す。

脱線が発生した場合、１つまたは複数の車軸の車輪がレールから落下し、道床に沿って走行する。道床の起伏のある性質によって、脱線した車輪は、脱線の期間の間に高エネルギーの上下方向加速度を経験することになる。好ましい実施形態では、一連の連続的な上下方向加速度測定値のＲＭＳ値を計算し、その結果を閾値と比較することで、脱線が容易に特定される。ＣＭＵが同一の車軸の両側のＷＳＮからそのようなデータを確認した場合、これは脱線を示し得る。他方、センサ・セクション１４０８を介して処理された１つの車輪のみに関する単一のＷＳＮからの加速度データは、損傷した車輪を示すことがより多い。

また、ＣＭＵ１０１は、各ＷＳＮ１０４から温度データを収集する。データをＣＭＵ１０１に送信しつつＷＳＮ１０４間の衝突を回避するために、また、ＷＳＮ１０４からの読取値からの温度データを適時に比較し統合できるようにするために、各ＷＳＮ１０４からの温度データの収集は同期されなければならない。これは、各ＷＳＮ１０４温度センサ４０６からの１つの読取値を構成する１つのデータセットとして編成される回転バッファに温度データを格納することで実現される。好ましい実施形態では、各ＷＳＮ１０４はその温度センサ４０６を１分に１回サンプリングし、４つの連続したサンプルが４分に１回平均化される。そして、ＷＳＮ１０４は、８つのサンプル平均を含むメッセージをＣＭＵ１０１へ３２分に１回に送信する。ＣＭＵ１０１は、各温度センサ４０６に対してその回転バッファ内に２０サンプルを保持するが、他のサンプリング間隔とバッファ・サイズとが使用され得ることは当業者であれば理解するはずである。ＷＳＮ１０４が１つより多い温度センサ４０６を有してもよいことに留意されたい。各温度メッセージが受信された後、回転バッファ内の最も古いデータのセットが破棄される。データセットが揃った場合、温度データは、重大な温度傾向またはイベントがないか検査され、次いで一掃されて、温度データが一度のみ使用されるようにする。新たな温度メッセージが受信された場合、バッファがラップ・アラウンドして、新たなデータが最も古いタイム・スロットを上書きする。ＷＳＮ１０４が温度データを特定のイベントに関して分析せず、代わりにそれをＣＭＵ１０１に単に報告するのみであることに留意されたい。ＣＭＵ１０１は、傾向に関して温度データを検査し、いつ特定の閾値が検出されたかを報告する。温度分析が、列車編成１０９が動いている場合のみに行われ、列車編成１０９が静止している場合には無効化されることに留意されたい。したがって、ＷＳＮ１０４は、列車編成１０９が動いていなければ、温度データを収集または報告することはない。

以下の表は、ＣＭＵ１０１により温度データに対して行われる統計分析により生成されるアラームと警告との一覧である。

上表における変数ｘとｙとｚとは、これらの数字がユーザまたは顧客の好みに応じて設定可能であることを示す。ピーク分析動作の一例として、ある期間にわたるベアリングに関する温度読取値のｘ（ユーザにより設定可能であり、たとえば２０、２５または３０）パーセントが、絶対的温度分析閾値を超えた場合、アラームまたは警告が送信されてもよい。異なる分析を実行する有用性の一例として、熱いベアリングへの周囲分析は、列車が非常に暑い天候条件で走行している場合には、実際には問題が存在し得る場合に問題を示さない可能性があるが、単にベアリングの温度に着目するピーク分析では警告またはアラームを提供することになる。他方、非常に寒い天候では、寒い天候がベアリングを冷却するので、ピーク分析は熱いベアリングに関して問題を示さないことがあるが、周囲分析では問題を示すはずである。速度分析の一例−鉄道車両が動いていない場合、不良ベアリングは周囲温度となるが、鉄道車両が動き始めると、不良ベアリングは鉄道車両上の他のベアリングより早く温度上昇し得るので、閾値温度速度を超える稼働時間の割合がより高くなる。

加速度イベントと同様に、ＷＳＮ１０４は、温度イベントを確認し、いつ測定温度が特定の閾値を超えたかを報告することもできる。下表は、直ちに提供され得るこれらの温度関連のアラームとイベントとを一覧にしたものである。

上表の最初の４つのアラームと警告とは、個別のＷＳＮにより収集されるのが好ましいデータに基づいており、閾値の超過以外のいかなる分析も必要としないので、データを収集したＷＳＮにより開始され得る。最後の１つ、差分アラームは、車軸の両側のベアリング取付け具に配置された少なくとも２つのＷＳＮからのデータを必要とするので、分析とアラームとは好ましくはＣＭＵにより実行される。

図１１は、鉄道車両１０３の車輪ベアリングの温度の測定に関するイベントの処理を示すフローチャートである。１１００においてシステムは初期化され、１１０２においてシステムは待機状態に入り、ここで温度監視イベントが無効化される。この場合、鉄道車両１０３が動いていないときにイベントが無効化される。１１０４においてシステムは鉄道車両が動いているかを確認し、そうでない場合１１０２に戻り、ここで再度イベントが無効化された待機状態に入る。鉄道車両が動いている場合、制御は１１０６に進み、ここで温度監視イベントが有効化される。そして、システムは１１０８に進み、ここでイベントが確認されるループに入る。制御は１１１０に進み、ここでシステムは鉄道車両１０３が動いているか再度確認する。鉄道車両１０３が動いていない場合、制御は１１１２に進み、ここで温度監視イベントが無効化され、そして１１０２に戻り、ここでシステムはイベントが無効化された待機状態に置かれる。１１１０において鉄道車両１０３がまだ動いている場合、制御は１１１４に進み、ここでシステムは温度測定値のセットが利用可能であるかを確認する。そうでない場合、制御は１１０８に戻り、ここでシステムはイベントが有効化された待機状態となる。１１１４において温度測定値のセットが利用可能である場合、制御は１１１６に進み、ここでＷＳＮ１０４は温度測定値のセットをＣＭＵ１０１に送信する。１１１８において、ＣＭＵ１０１は温度測定値の分析を、回転バッファ内のもの全てを含めて行い、１１２０において、温度閾値が超過されたかを判定する。そうでない場合、制御は１１０８に戻り、ここでシステムはイベントが有効化された待機状態となる。温度閾値が超過された場合、システムは、１１２２において温度測定を報告し、そして１１０８に戻り、ここで再度、イベントが有効化されたシステム待機状態となる。

また、ＣＭＵ１０１は、長期間の傾向を検出し、ベアリング状態の分析において傾向に関するデータを保持する。以下の統計量は、鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５内のＷＳＮ１０４により監視されるベアリングごとに収集される。
１．有効な温度読取値の総数
２．有効な温度読取値の総和
３．有効な温度読取値の二乗の総和
４．絶対的温度閾値を超える温度読取値の数
５．周辺温度超過閾値を超える温度読取値の数
６．加熱速度閾値を超える温度変化速度の数

ベアリング温度統計量は、３２個のデータセットを保持可能な回転バッファに日毎に蓄積され、したがって３０日間にわたる傾向分析が可能となる。ＤＣＥＰエンジンは、統計量の新たなセットが始まったために統計量が蓄積され、最も古いものが破棄される時刻を制御する。通常、イベント・エンジンは、１日１回分析を生成するように構成される。

収集された統計量は、ベアリング磨耗傾向を示す情報を計算するために使用され得る。好ましい実施形態では、ＣＭＵ１０１は、車輪ベアリングごとに以下の数量の要求があった場合に報告を提供する。
ａ．平均ベアリング温度
ｂ．ベアリング温度の分散
ｃ．絶対的閾値を超過するベアリング温度読取値の割合
ｄ．閾値を超過する周囲を上回るベアリング温度読取値の割合
ｅ．ベアリング温度の上昇の速度が閾値を超過する測定値の割合

列車ベースのメッシュ・ネットワークは、図２と図３とにおいて参照番号１０７として全体的に示されている。列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７は、列車編成１０９にオーバレイされ、機関車１０８または電源を利用可能な他の資産などのホストまたは制御ポイントに設置されたＰＷＧ１０２と、１つまたは複数のＣＭＵ１０１とを含み、各ＣＭＵ１０１は、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７に属し、さらに、１つまたは複数のＷＳＮ１０４が存在する場合には、それぞれの鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５に属し、またはＣＭＵ１０１を有するがＷＳＮ１０４を有さない鉄道車両１０３（図２参照）については、それぞれの鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１１８（複数または１つ）に属する。（図２に参照番号１１９により示されたように、列車編成１０９内に、ＣＭＵ１０１を有さない鉄道車両１０３も存在し得ることに留意されたい）。したがって、ここでは、ＣＭＵ１０１は２つのメッシュ・ネットワーク、すなわち鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５（鉄道車両１０３が１つまたは複数のＷＳＮ１０４を取り付けられる場合）と、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７とに属し得る。また、各ＣＭＵ１０１は任意で、それぞれの鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５を管理する。図３は、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７が３つのＣＭＵ１０１から成り、そのうち２つは鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５に属し、１つは鉄道車両１０３上に配置されており（参照番号１１８）ＷＳＮ１０４が接続されていない場合を示す。

列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７は、列車編成１０９全体にわたる低電力双方向通信をサポートするための、ＰＷＧ１０２が機関車１０８上に設置された、オーバレイ・メッシュ・ネットワークを用いる。オーバレイされた列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７は、各鉄道車両１０３上のＣＭＵ１０１に組み込まれた無線送受信機から構成される。各ＣＭＵ１０１は、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７上でメッセージを開始する、または他のＣＭＵ１０１との間でメッセージを中継することができる。オーバレイする列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７は、列車編成１０９内の各鉄道車両１０３により生成される鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５とは独立して生成され、独立して動作する。

双方向ＰＷＧ１０２は、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７を管理し、個別の鉄道車両１０３上に設置されたＣＭＵ１０１からホストまたは制御ポイント、たとえば機関車１０８にアラートを伝達し、ここでアラートまたはイベント報告は、人間の介入によって行われても、自動システムによって行われてもよい。機関車１０８は、列車ベースのメッシュ・ネットワーク１０７または個別の鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワーク１０５のいずれかにより生成されるアラート・メッセージを受信し表示するためのユーザ・インターフェースを含むことができる。双方向ＰＷＧ１０２は、個別の鉄道車両１０３上のＣＭＵ１０１から複数のアラートまたはイベントを受信することができ、列車編成１０９のパフォーマンスの特定の側面について推論することができる。

また、双方向ＰＷＧ１０２は、外部のリモート鉄道オペレーション・センター１２０、データ・システムまたは他の列車管理システムと情報を交換することができる。この通信経路は、図３に参照番号１２２として示されており、セルラー、ＬＡＮ、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、衛星、または他の通信手段を含むことができる。このリンクは、列車編成１０９が稼働中の場合に、列車編成１０９外にアラートを送信するために使用され得る。

上記で説明されたのは新規のシステムとデバイスと方法とであることを理解されたい。また、本発明が上述の実施形態と例示とに限定されず、本明細書に添付された特許請求の範囲により与えられる全範囲を含むことも理解されたい。

Claims (6)

1. 列車編成または鉄道車両における稼働異常を検出するためのシステムであって、
   ａ）１つまたは複数の鉄道車両に取り付けられた１つまたは複数の通信管理ユニットと、
   ｂ）前記１つまたは複数の鉄道車両の稼働パラメータを検知するために前記１つまたは複数の鉄道車両に配置され、前記１つまたは複数の通信管理ユニットと通信可能な１つまたは複数のセンサであって、前記鉄道車両の加速度を検知する、１つまたは複数のセンサと、
   ｃ）前記加速度の少なくとも一部をフィルタリングする、１つまたは複数のフィルタと、
   を備え、
   前記通信管理ユニットが、
   ｉ）前記加速度を含む前記１つまたは複数の鉄道車両稼働パラメータに関するデータを収集する機能と、
   ｉｉ）異常な稼働状態を示す傾向またはイベントについて前記収集されたデータを分析する機能と、
   ｉｉｉ）前記傾向またはイベントが検出された場合に、前記傾向またはイベントの深刻度と必要性に応じたタイミングで、メッセージをリモート受信機に伝達する機能と、
   を実行するとともに、
   当該システムは、
   前記通信管理ユニットの１つと通信可能な１つまたは複数の無線センサ・ノードをさらに備え、前記１つまたは複数のセンサが前記１つまたは複数の無線センサ・ノードの一部を形成するとともに、
   前記無線センサ・ノードの各々が、
   ａ）１つまたは複数のセンサからデータを収集し、
   ｂ）前記データを１つまたは複数のルールと比較し、
   ｃ）前記ルールの少なくとも１つが満たされた場合に、前記通信管理ユニットにメッセージを送信するとともに、
   前記通信管理ユニットと前記無線センサ・ノードが鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークを形成し、前記鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークは前記通信管理ユニットにより制御され、
   前記通信管理ユニットが、前記無線センサ・ノードの１つからアラート・メッセージを受信した場合に、
   ａ）類似したメッセージが所定の期間内に１つまたは複数の他の無線センサ・ノードから受信されたかを確認するのを待ち、前記類似したメッセージが受信された場合に実際のイベントが発生したことを結論付け、
   ｂ）前記実際のイベントの発生を報告するメッセージをリモート受信機に伝達し、
   鉄道車両の速度が危険速度未満である場合には上下方向乱調イベントを無効化し、鉄道車両の速度が危険速度を超過した場合には上下方向乱調イベントを有効化するとともに、
   前記通信管理ユニットが、所定の期間内に鉄道車両の両端に取り付けられた無線センサ・ノードから上下方向乱調メッセージが受信された場合で、且つ、前記上下方向乱調イベントが有効化されている場合に上下方向乱調メッセージを前記リモート受信機に送信する、システム。
2. 前記通信管理ユニットが、同相加速が検出されたことを前記無線センサ・ノードから受信された上下方向乱調メッセージが示すことを前記無線センサ・ノードからのメッセージが示す場合に本体弾みイベントが発生したことを決定する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記通信管理ユニットが、異相加速が検出されたことを前記無線センサ・ノードから受信された上下方向乱調メッセージが示すことを前記無線センサ・ノードからのメッセージが示す場合に本体ピッチ・イベントが発生したことを決定する、請求項１に記載のシステム。
4. 列車編成または鉄道車両における稼働異常を検出するためのシステムであって、
   ａ）１つまたは複数の鉄道車両に取り付けられた１つまたは複数の通信管理ユニットと、
   ｂ）前記１つまたは複数の鉄道車両の稼働パラメータを検知するために前記１つまたは複数の鉄道車両に配置され、前記１つまたは複数の通信管理ユニットと通信可能な１つまたは複数のセンサであって、前記鉄道車両の加速度を検知する、１つまたは複数のセンサと、
   ｃ）前記加速度の少なくとも一部をフィルタリングする、１つまたは複数のフィルタと、
   を備え、
   前記通信管理ユニットが、
   ｉ）前記加速度を含む前記１つまたは複数の鉄道車両稼働パラメータに関するデータを収集する機能と、
   ｉｉ）異常な稼働状態を示す傾向またはイベントについて前記収集されたデータを分析する機能と、
   ｉｉｉ）前記傾向またはイベントが検出された場合に、前記傾向またはイベントの深刻度と必要性に応じたタイミングで、メッセージをリモート受信機に伝達する機能と、
   を実行するとともに、
   当該システムは、
   前記通信管理ユニットの１つと通信可能な１つまたは複数の無線センサ・ノードをさらに備え、前記１つまたは複数のセンサが前記１つまたは複数の無線センサ・ノードの一部を形成するとともに、
   前記無線センサ・ノードの各々が、
   ａ）１つまたは複数のセンサからデータを収集し、
   ｂ）前記データを１つまたは複数のルールと比較し、
   ｃ）前記ルールの少なくとも１つが満たされた場合に、前記通信管理ユニットにメッセージを送信するとともに、
   前記通信管理ユニットと前記無線センサ・ノードが鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークを形成し、前記鉄道車両ベースのメッシュ・ネットワークは前記通信管理ユニットにより制御され、
   前記通信管理ユニットが、前記無線センサ・ノードの１つからアラート・メッセージを受信した場合に、
   ａ）類似したメッセージが所定の期間内に１つまたは複数の他の無線センサ・ノードから受信されたかを確認するのを待ち、前記類似したメッセージが受信された場合に実際のイベントが発生したことを結論付け、
   ｂ）前記実際のイベントの発生を報告するメッセージをリモート受信機に伝達し、
   鉄道車両の速度が危険速度未満である場合には左右方向乱調イベントを無効化し、鉄道車両の速度が危険速度を超過した場合には左右方向乱調イベントを有効化するとともに、
   前記通信管理ユニットが、左右方向乱調メッセージが所定の期間内に鉄道車両の両端に取り付けられた無線センサ・ノードから受信された場合で、且つ、前記左右方向乱調イベントが有効化されている場合に左右方向乱調メッセージを前記リモート受信機に送信する、システム。
5. 前記通信管理ユニットが、異相加速が検出されたことを前記無線センサ・ノードから受信された左右方向乱調メッセージが示すことを前記無線センサ・ノードからのメッセージが示す場合に本体ヨー・イベントが発生したことを決定する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記通信管理ユニットが、同相加速が検出されたことを前記無線センサ・ノードから受信された左右方向乱調メッセージが示すことを前記無線センサ・ノードからのメッセージが示す場合に本体ロール・イベントが発生したことを決定する、請求項４に記載のシステム。

Images