ES2837758T3

ES2837758T3 - Sistema de monitorización del estado de una vía férrea para detectar una interrupción parcial o completa de un raíl de la vía férrea

Info

Publication number: ES2837758T3
Application number: ES17777661T
Authority: ES
Inventors: Dominik Lang
Original assignee: Wavetrain Systems AS
Current assignee: Wavetrain Systems AS
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2037-09-06
Also published as: NO341972B1; EP3509927B1; NO20161424A1; RS61356B1; RU2743390C2; PT3509927T; RU2019109983A3; EP3509927A1; ZA201901712B; CA3036037A1; PL3509927T3; US20190232988A1; CN110049912A; US11447166B2; KR20190069410A; AU2017325445A1; WO2018048308A1; AU2017325445B2; KR102465760B1; HUE052267T2

Abstract

Sistema de monitorización del estado de una vía férrea para detectar una interrupción parcial o total de un raíl de la vía férrea, que comprende: una pluralidad de sensores, instalados en un raíl de la vía y separados entre sí a una distancia predeterminada, teniendo los sensores respectivos medios de obtención y registro de señales para la obtención y el registro de una señal acústica generada por un tren que se aproxima y propagada por el raíl o por el suelo que soporta el raíl, medios de transferencia de señales para la transferencia de una señal obtenida y registrada al tren que está pasando, mediante transferencia inalámbrica en el momento del paso del tren en la proximidad de los sensores, medios de análisis de la señal, para analizar la transferencia de la señal obtenida y registrada a bordo del tren que está pasando, y medios adaptados para correlacionar las señales de un primer sensor (sn) y un segundo sensor adyacente (sn+m) y detectar la interrupción parcial o total de un raíl de la vía férrea.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de monitorización del estado de una vía férrea para detectar una interrupción parcial o completa de un raíl de la vía férrea

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de monitorización de una vía férrea para detectar una interrupción parcial o total de un raíl de la vía férrea, que puede ayudar a los organismos ferroviarios o a los operadores del ferrocarril a monitorizar de manera continua las vías férreas sobre potenciales roturas en los raíles.

Estado de la técnica anterior

La evolución continuada o la aparición repentina de fracturas en los perfiles de los raíles utilizados en las vías férreas se considera un problema grave, ya que puede causar, en los casos más extremos, el descarrilamiento de trenes y vehículos ferroviarios y, por lo tanto, conduce a pérdidas humanas y económicas. Especialmente durante los meses de invierno, y con temperaturas extremadamente bajas, las roturas de raíles ocurren con más frecuencia. Las bajas temperaturas provocan la contracción de los perfiles de acero que, en los casos más graves, termina con la rotura completa de los raíles (por ejemplo, http://www.aftenposten.no/nyheter/iriks/Kulden-stopper-togene-8306239.html). Véase también: http://www.tu.no/samferdsel/2Q16/01/17/pa-disse-togstrekningene-er-det-storst-farefor-skinne-brudd?utm source=riewsletter-2016-01-18&utm medium=email&utm campaign=newsletter

El procedimiento de vigilancia propuesto en el presente documento tiene como objetivo detectar la rotura parcial o completa de los raíles (es decir, grietas más largas que atraviesan todo el perfil y, por lo tanto, conducen a una separación completa del raíl), en un modo semicontinuo (casi en tiempo real). El procedimiento propuesto no está previsto para identificar pequeñas fracturas (fisuras, grietas finas) que se desarrollan lentamente en los raíles y que no representan una amenaza grave para la seguridad ferroviaria. Las causas de las pequeñas fracturas de los perfiles de acero de las vías férreas pueden ser múltiples, por ejemplo, deterioro mecánico (abrasión) debido al funcionamiento, erosión química. Sin embargo, la separación completa de los raíles (conocida como efecto de “raíles rotos”) puede ser no solo el resultado a largo plazo de estos impactos, sino también el efecto repentino causado por: - variaciones de temperatura (contracción/dilatación termomecánica de los materiales)

- uniones/juntas por soldaduras defectuosas

- vandalismo, sabotaje

- otros impactos (por ejemplo, desprendimientos de rocas, accidentes).

El procedimiento propuesto en el presente documento no sustituye a los procedimientos de inspección existentes, sino que los complementan aún más y simplemente aportan una seguridad adicional al tráfico ferroviario.

Soluciones conocidas y problemas con las mismas

Según Norsk Jernbaneverkets Teknisk Regelverk (JBV-TR; https://trv.jbv.no/wiki/Forside), existen procedimientos para inspeccionar e investigar las vías férreas con respecto a la existencia de fisuras y fracturas. Por lo que se puede deducir del JBV-TR, en la práctica existen principalmente dos tipos de inspección:

- inspección visual (a),

- control por ultrasonidos (b).

Puesto que las inspecciones visuales (a) solo proporcionan un cierto nivel de precisión, son muy sesgadas, subjetivas y, si se realizan con regularidad en una red ferroviaria completa, serán altamente ineficaces y costosas, un procedimiento más técnico realizado en un modo de funcionamiento más automatizado puede ser preferente. Sin embargo, no se proporciona información en el JBV-TR acerca de la efectividad y fiabilidad de los procedimientos de monitorización existentes basados en el control por ultrasonidos (b). En base a una comunicación personal con el Jerbaneverket (JBV) de Noruega, cada segmento de la red ferroviaria de Noruega es inspeccionado una vez al año, en promedio, (algunos segmentos, con más frecuencia; otros segmentos, con menos frecuencia) mediante el carro de ultrasonidos (ultralydtralle,).

Lo que queda claro, sin embargo, es el hecho de que ninguno de ambos métodos de inspección puede ser aplicado de manera continua, lo que reduce la posibilidad de identificar grietas o segmentos rotos inmediatamente después de su aparición. [Comunicación personal con Frode Teigen (JBV): “viktig á fá beskjed umiddelbart skinnebrudd har skjedd.”],

El documento de Patente DE 102011 084160 A1 da a conocer un sistema de monitorizado del estado de una vía férrea para detectar una rotura parcial o total de un raíl de la vía férrea.

Además, se puede identificar un raíl roto si se interrumpe el circuito de corriente eléctrica (strcmkrets,) en los raíles. Sin embargo, esto ya no será posible cuando el ErTm S (Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario European Rail Traffic Management System,) haya reemplazado los estándares tradicionales para los sistemas de control y mando de trenes (https:/en.wikipedia.org/wiki/European Rail Traffic Management System).

Asimismo, solo los segmentos más importantes de la red ferroviaria estaban/están equipados con circuitos de corriente.

La figura 1 muestra una solución de la detección de una rotura de raíl de la técnica anterior descrita en la publicación con el título “Elastic Wave Analysis for Broken rail detection”, en la que una vibración o una señal acústica en el raíl que es generada por un tren que se desplaza sobre los raíles, y que se propaga desde el tren hacia la rotura de raíl, y la señal reflejada desde la rotura de raíl hacia el tren, es detectada por un sensor en una ubicación entre el tren y la rotura del raíl, realizándose la detección de la rotura de un raíl en base a una mayor amplitud de la señal total en la ubicación del sensor.

En los documentos de Patente JP2015034452A, WO2013050244A1 y US2015285927A1 se dan a conocer otras soluciones técnicas que implican sensores montados en la vía para monitorizar o comprobar una vía férrea. En las Patentes US2015033864A1 y US2014129154A1 se dan a conocer otras soluciones técnicas para monitorizar o comprobar una vía férrea.

Problemas a resolver

En vista de las deficiencias de las metodologías de inspección existentes, el nuevo sistema de inspección aspira resolver, como mínimo, uno de los siguientes problemas:

- funcionamiento autónomo, opcionalmente realizado de un modo automático (por lo tanto, rentable)

- evaluación objetiva, es decir, no dependiendo de la opinión subjetiva de los evaluadores, sino de pruebas empíricas (es decir, mediante resultados instrumentales/experimentales)

- solidez, tanto en el procedimiento de análisis como en los componentes físicos (debido a los efectos de la intemperie, etc.)

- redundancia, de manera que la funcionalidad del sistema esté garantizada incluso si ciertos componentes del sistema (sensores, unidades de análisis) funcionan mal

- no ser invasivo, es decir, ni los componentes físicos del sistema ni su funcionamiento tendrán un impacto negativo en el propio tráfico del tren o en cualquier otra instalación existente

- añadir seguridad, es decir, el sistema solo proporcionará una seguridad adicional, incluso en los casos en los que el sistema no funcione correctamente, no aumentando los riesgos relacionados con la seguridad ferroviaria.

Características de la solución de la invención

La presente invención da a conocer un sistema de monitorización del estado de una vía férrea para detectar una rotura parcial o total de un raíl de la vía férrea, según la reivindicación 1 de la patente adjunta.

Las características de las realizaciones del sistema de monitorización del estado de las vías férreas según la reivindicación 1 de la patente adjunta se enumeran en las reivindicaciones 4 y 5 de la patente adjunta.

Una solución de vigilancia ferroviaria tal como se da a conocer en el presente documento comprende, en una configuración general;

una primera fase, también denominada fase de instrumentación, en la que tanto los raíles como los trenes son equipados con componentes del sistema de vigilancia ferroviaria, en la que las unidades de detección son fijadas a los raíles, ventajosamente a una distancia igual o variable entre sí, mientras que las unidades de recepción/procesamiento son transportadas por un solo tren, algunos trenes, o muchos trenes, y

una segunda fase, también denominada fase de excitación y registro, en la que las vibraciones u ondas acústicas que son generadas por el tren y que se desplazan en los raíles con una velocidad de propagación de las ondas Vondas mayor que la velocidad del tren Vtren, y cualquier sensor situado en la dirección del movimiento del tren será capaz de registrar en el mismo los “trenes de ondas” entrantes, y en la que el medio de propagación, habitualmente un perfil de raíl de acero estandarizado es uniforme entre dos sensores, permaneciendo las condiciones del entorno sustancialmente estables y se postula que los trenes de ondas que son registrados en sensores consecutivos estarán altamente correlacionados (independientemente del retraso en el tiempo), y en caso de un raíl roto, las señales registradas por los sensores situados más allá del segmento de raíl roto serán significativamente diferentes y, por lo tanto, no correlacionadas en comparación con las señales registradas en los sensores que se encuentran por delante del segmento roto, y

una tercera fase, también denominada de recopilación de datos, procesamiento de datos y fase de alerta, en la que el mismo tren que está pasando equipado con una unidad de recepción capta la señal registrada en cada sensor, y la unidad de recepción/procesamiento a bordo del tren compara/correlaciona los datos de sensores consecutivos, y las incoherencias, que podrían ser interpretadas como señales no correlacionadas entre dos sensores, son señaladas y notificadas, o alertadas, al centro de operaciones del organismo ferroviario, TOCC.

Una primera realización de la configuración general de la solución de vigilancia anterior, comprende unidades de detección, para detectar la aceleración de un raíl de una vía, estando las unidades de detección fijadas al raíl, separadas entre sí. Ventajosamente, las unidades de detección están separadas de manera equidistante a lo largo de la vía. La distancia entre sensores de las unidades de detección separadas puede variar a lo largo de un raíl determinado o de una instalación a otra, dependiendo de factores que afectan a la regularidad de la vía. Dichos factores ser podrían, por ejemplo, curvas, instalaciones, puentes y cambios/desvíos. Ambos raíles de un par de raíles de una vía férrea habitual están equipados ventajosamente con unidades de detección. Ventajosamente, cada unidad de detección está etiquetada geográficamente, lo que permite localizar fácilmente un segmento potencialmente roto.

En una realización ventajosa de la primera realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente que comprende unidades de detección, las unidades de detección se encajan unidas a la fuerza al pie exterior del perfil del raíl, para que no se pueda producir ninguna interferencia con las ruedas del tren. La sujeción de la unidad de detección a los raíles se puede realizar mediante pegamento o resina epoxi.

En una realización ventajosa de la primera realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente que comprende unidades de detección, la unidad de detección podría comprender como mínimo uno de:

un sensor, que incluye un sensor de aceleración o vibración adaptado para detectar una aceleración o una vibración del raíl dependiente del tiempo, generada por un tren que llega y propagada en el raíl, y para enviar la señal de aceleración o vibración detectada, y un medio de registro de la señal, adaptado para realizar un registro de la señal de aceleración o vibración detectada proporcionada por el sensor de aceleración o vibración, y

un primer procesador, que comprende un medio de procesamiento, adaptado para procesar la señal de aceleración o vibración detectada de un registro para identificar un segmento de señal correspondiente a un patrón de señal característico predeterminado, y

una primera memoria de datos, para guardar los datos detectados en un archivo de datos, representando los primeros datos de señal un dato identificado del segmento de señal, y

un transmisor, que incluye un primer medio de comunicación inalámbrico de datos adaptado para comunicar de manera inalámbrica un dato guardado de dichos primeros datos de señal a un segundo medio de comunicación inalámbrico de datos correspondiente situado a distancia, y

una batería, para el suministro continuo de energía eléctrica a dicho sensor, al primer procesador, a la primera memoria y al transmisor.

En una realización ventajosa, el sensor de aceleración o vibración comprende un medio de un circuito de control de la ganancia del sensor, dispuesto para controlar la ganancia o sensibilidad del sensor de aceleración o de vibración de modo que el sensor funcione en un modo de detección de ruido limitado. En el modo de detección de ruido limitado, en los momentos en que no existe aceleración o vibración de un tren en movimiento en el raíl en la posición de la unidad de detección, el nivel de una señal de aceleración o vibración detectada procedente del sensor se debe al ruido, y se mantiene a una pequeña fracción, preferentemente dentro del 30 %, más preferentemente dentro del 15 %, e incluso más preferentemente dentro del 5 %, del intervalo dinámico completo de la salida de la señal de aceleración o vibración del sensor. El medio del circuito de control de la ganancia del sensor está adaptado, en una realización, para proporcionar un control dinámico de la ganancia o sensibilidad del sensor, mientras que, en otra realización, está adaptado para mantener la ganancia o sensibilidad del sensor a un nivel predeterminado, que es fijo o ajustable.

En una realización ventajosa de la primera realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente que comprende una unidad de recepción y procesamiento a bordo del tren, la unidad de recepción y procesamiento podría comprender como mínimo uno de:

un localizador, adaptado para determinar la ubicación del tren, estando como mínimo uno de los segundos medios de comunicación de inalámbricos datos adaptado para recibir de manera inalámbrica dichos datos guardados de dichos primeros datos de la señal del primer medio de comunicación inalámbrico de datos de la unidad de detección, un combinador, adaptado para asociar una ubicación determinada del tren con un dato recibido de dichos primeros datos de señal de la unidad de detección respectiva,

una segunda memoria, adaptada para almacenar una pluralidad de unos de dichos primeros datos de señal recibidos de los respectivos de una pluralidad de dichas unidades de detección y las señales asociadas de dichas ubicaciones determinadas del tren, y

un segundo procesador, adaptado para recuperar de la segunda memoria y procesar una pluralidad de dichos primeros datos de señales, y para obtener a partir de los mismos un indicador de una rotura de raíl en una ubicación entre las posiciones de, como mínimo, dos de dichas unidades de detección.

En una realización ventajosa de la primera realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente, que comprende unidades de detección sísmica, se prevé que las unidades de detección estén diseñadas tan pequeñas como sea posible, para evitar llamar demasiado la atención de las personas que caminan por las vías (y, por lo tanto, ser estropeadas o destrozadas) y evitar ofrecer una superficie abierta para ser dañada por impactos mecánicos (piedras, etc.).

En una segunda realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente, o en una realización adicional de la primera realización citada anteriormente, están incluidas una o varias unidades de recepción transportadas por un tren, en las que una o más unidades de recepción están adaptadas para recibir los datos de una o más unidades de detección, para realizar el procesamiento de datos y para enviar mensajes de estado/alerta al centro de control de operaciones del tren (TOCC).

En una realización ventajosa de la segunda realización de la solución de vigilancia citada anteriormente, o en una realización adicional de la primera realización citada anteriormente, la solución comprende una o varias unidades de recepción que son transportadas por un tren, en las que una o varias unidades de recepción podrían comprender ventajosamente, como mínimo uno de:

un potente dispositivo inalámbrico de transmisión de datos, tal como, por ejemplo, un dispositivo de tipo Bluetooth, que recogerá los datos de cada sensor mientras está pasando, tal como, por ejemplo, durante un período de los pocos segundos disponibles para realizar el traspaso del archivo de datos, y

una unidad de procesamiento, tal como, por ejemplo, una implementada por un procesador de tipo microchip, que comprende medios para, como mínimo, uno de: desempaquetar el archivo de datos, comparar/correlacionar los datos con datos de sensores anteriores/posteriores, identificar el coeficiente de correlación y enviar un mensaje del estado al centro de control de operaciones del tren, TOCC, tal como, por ejemplo, utilizando el sistema GSM del tren, o almacenando información geomarcada en una base de datos, cuya información geomarcada en la base de datos está adaptada ventajosamente para ser traspasada al TOCC una vez que el tren llega a una estación de tren principal.

En una realización adicional de la segunda realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente, o en una realización adicional de la primera realización citada anteriormente, sobre la rapidez de la solución para identificar un raíl roto, por ello el nivel de seguridad, está adaptado para ser decidido por la cantidad de trenes que transportan las unidades de recepción y la frecuencia con la que estos trenes pasan por una determinada vía férrea, por lo que pueden captar sus propias señales de vibración o movimiento producidas que son detectadas en las unidades de detección.

En una realización ventajosa de la primera realización de la configuración general de la solución de vigilancia citada anteriormente que comprende unidades de detección sísmica, las señales de subgrupos de sensores son recogidas en una vía local, desde donde son transferidas al tren, lo cual sería diferente de un sensor de transferencia individual. Se contempla que las señales recogidas de los subgrupos de sensores sean comparadas en una unidad de vía local, desde donde son transferidas al tren, permitiendo su procesamiento a nivel de la vía. Además, se contempla que las señales de los sensores sean analizadas en una unidad central de ejecución después de haber sido enviadas por el tren que está pasando, permitiendo que el procesamiento se realice en otra instalación distinta del tren.

Descripción detallada

A continuación, se describirá la invención a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que la figura 2 es un dibujo esquemático que muestra los detalles de un sensor de raíl típi

El dibujo de la izquierda muestra la sección transversal de un perfil de raíl (A-A) mientras que el dibujo de la derecha representa la vista lateral de la vía del tren.

La figura 3 muestra detalles de una instalación habitual de un sensor de raíl a lo largo de una sección de una vía, en la que la distancia entre sensores (520) puede variar.

La figura 4 es un dibujo esquemático que muestra las ondas acústicas/sísmicas generadas por el tren en movimiento, habitualmente por las ruedas del tren, que se desplazan sobre los raíles y son detectadas por los sensores en función del tiempo antes de que el tren pase por los respectivos sensores. En el caso de que el medio de propagación de las ondas, que habitualmente sería el propio perfil del raíl, entre el tren en movimiento y una línea determinada de sensores esté intacto y sustancialmente sin interrupciones, cada uno de estos sensores detectará una señal con un sello característico muy similar a lo largo del tiempo. Los sensores situados más allá de un segmento de raíl roto detectarán una señal muy perturbada del tren que llega según que el medio de propagación de las ondas entre el tren en movimiento y el sensor esté más o menos interrumpido.

La figura 5 es un dibujo esquemático que muestra la unidad de recepción y procesamiento a bordo de un tren en movimiento y la recepción de señales de los sensores del raíl de la vía sucesivamente cuando el tren está próximo a un sensor,

la figura 6A muestra un registro de la señal detectada por un sensor sísmico fijado directamente a un raíl, y creada por un tren que llega. En el presente ejemplo, el diagrama de señal con respecto al tiempo indica claramente diversos trenes de ondas que llegan al sensor respectivo con diversos niveles de amplitud.

Las figuras 6B, 6C y 6D representan gráficos de detalle de las tres ventanas indicadas en la figura 6A.

La figura 6B muestra uno de los primeros trenes de ondas detectados con una forma de la onda con respecto al tiempo muy característica y homogénea. La figura 6C muestra la fase de aumento de la señal detectada que se incrementa linealmente hasta que alcanza un nivel de amplitud más estable más elevado.

La figura 6D muestra la señal detectada después de que un tren haya pasado hace mucho tiempo por el sensor de registro, que básicamente representa un ruido aleatorio y que también se observa antes de que las primeras vibraciones inducidas por el tren lleguen a un sensor.

La figura 7 muestra una ilustración a modo de ejemplo de una señal detectada por un sensor utilizado en una realización de la invención, en la que el gráfico superior (figura 7A) muestra la señal completa, y el gráfico inferior (figura 7B) muestra una parte seleccionada de la señal en una escala de tiempo ampliada. La parte seleccionada de la señal representa el rectángulo que se muestra en el gráfico superior (marcado como B en la figura 7A) que abarca un marco de tiempo en el que la señal aumenta desde un nivel de ruido, con una parte de señal transitoria, hasta un nivel de señal estacionario.

La figura 8 muestra una ilustración a modo de ejemplo de cinco señales desplazadas en el tiempo que aparecen cuando son detectadas, en un raíl intacto, sin ninguna discontinuidad en ningún punto entre los sensores, por cinco sensores respectivos empleados en una realización de la invención y, para cada una de las cinco señales mostradas, los rectángulos para indicar las ventanas de señal seleccionadas para las correlaciones de la señal del sensor.

La figura 9 muestra una ilustración a modo de ejemplo de correlaciones de señales del sensor según la invención para las señales en las ventanas seleccionadas de las cinco señales desplazadas en el tiempo mostradas en la figura 8.

La figura 10 muestra una ilustración a modo de ejemplo de cinco señales desplazadas en el tiempo que aparecen cuando son detectadas, en un raíl con una discontinuidad en un punto entre los sensores (es decir, entre el sensor S3 y el sensor S4), por cinco sensores respectivos empleados en una realización de la invención y, para cada una de las cinco señales mostradas, los rectángulos indican ventanas de señales seleccionadas para las correlaciones de las señales de los sensores.

La figura 11 muestra una ilustración a modo de ejemplo de correlaciones de señales de sensores según la invención, para las señales en las ventanas seleccionadas de las cinco señales desplazadas en el tiempo mostradas en la figura 10.

La figura 12 muestra una ilustración a modo de ejemplo de un diagrama de flujo de un procedimiento de acción basado en umbrales de acción definidos por diferentes coeficientes de correlación cruzada que resultan de la correlación de señales de los sensores del raíl.

A continuación, se describe un procedimiento para activar el registro de una señal de aceleración o vibración detectada por el sensor de aceleración o vibración, procedimiento que también se denomina en el presente documento un algoritmo de detección de señales, para controlar cuándo se activará el registro de datos.

Una vez que las aceleraciones o vibraciones inducidas por el tren en el raíl han llegado a la unidad de detección y son detectadas por el sensor de aceleración o vibración, se registra una parte de la señal detectada que se considera característica de una señal útil, preferentemente mediante datos que representan la señal detectada almacenada en un archivo de datos separado en un almacenamiento de datos. Los datos que representan la señal detectada almacenada en el archivo de datos separado establecen más tarde la base para la correlación con los datos de las unidades de detección próximas. La decisión de iniciar un registro, también denominada en el presente documento activación del registro de datos de señales, se basa en uno o varios de lo siguiente:

a) Utilizar una relación de señal a ruido (SNR - Signal to Noise Ratio, en inglés) medida dentro de una ventana móvil a corto plazo:

El nivel de amplitud medio de todos los puntos de datos en una ventana de tiempo móvil es monitorizado de manera continua. En los momentos en que no llegan al sensor formas de onda inducidas por el tren, la señal detectada procedente del sensor de aceleración o vibración de la unidad de detección se considera una señal de ruido. Un detector de la señal de ruido determina y almacena el nivel de amplitud medio de la señal de ruido. A medida que las formas de onda inducidas por el tren llegan al sensor, el nivel de amplitud medio de las aceleraciones o vibraciones detectadas se incrementa, y aumenta por encima del nivel de ruido, tal como se muestra en la figura 7. La relación de señal a ruido se calcula como la relación entre el nivel de amplitud medio de las aceleraciones o vibraciones detectadas y el nivel de amplitud medio de la señal de ruido. Se establece como umbral una cierta relación de señal a ruido, y el registro de la señal detectada se iniciará (se activará) tan pronto como las vibraciones inducidas por el tren superen el umbral de la relación de señal a ruido establecido. La ventana de tiempo utilizada no es demasiado breve, para evitar registros falsos provocados por perturbaciones cercanas a las unidades de detección respectivas (por ejemplo, inducidas por el tráfico o por otro ruido ambiental). El umbral de activación que utiliza la relación de señal a ruido se puede establecer como un valor de umbral fijado en base al nivel de ruido, es decir, un umbral de activación (SNR) = 3 x nivel de ruido.

b) Activador de promedio a corto plazo / promedio a largo plazo (STA / LTA - Short-Time Average / Long-Time Average,):

Las amplitudes medias de todos los puntos de datos detectados en una ventana de tiempo a corto plazo y una ventana de tiempo a largo plazo, denominadas promedio a corto plazo (STA) y promedio a largo plazo (LTA), respectivamente, son monitorizadas y comparadas entre sí; una vez que los trenes de ondas inducidos por el tren llegan a la unidad de detección, el STA experimentará un aumento brusco mientras que el LTA solo se verá afectado en un modo menor; la desviación entre el STA y el LTA (aumento brusco de la relación de STA a LTA) se utiliza para activar el registro de la señal detectada. El umbral de activación que utiliza la relación de STA a LTA puede ser establecido como:

umbral de activación (STA / LTA) > 1,2 x (STA / LTA)ruido; es decir, un aumento del 20 % del anterior (STA / LTA) para el ruido.

c) Curtosis de la señal transitoria:

La forma (de la cola) de la envolvente de la señal transitoria uniformemente creciente detectada tras la llegada de un tren de ondas inducido por el tren y, por lo tanto, las amplitudes crecientes de la señal transitoria detectada son identificadas y aplicadas para activar el registro de la señal detectada.

d) Autocorrelación de la señal transitoria / estacionaria: los datos de traza única detectados en cada sensor son auto-correlacionados constantemente (es decir, son correlacionados consigo mismos en diferentes momentos). En caso de ruido aleatorio y de que no haya trenes de ondas inducidos por el tren que lleguen a la unidad de detección, el máximo coeficiente de autocorrelación (autocorr = 1) solo se produce con retraso cero, en otro caso, es cero. Una vez que los trenes de ondas inducidos por el tren llegan a la unidad de detección, durante la parte transitoria de la señal que se caracteriza por amplitudes en constante aumento (véase la figura 7A), se producirá un número creciente de picos de autocorrelación lejos del retraso cero. Cuando la señal se vuelve estacionaria, los picos de autocorrelación de amplitudes (más o menos) constantes emergen periódicamente (dependiendo del período dominante de la señal estacionaria detectada).

e) Variaciones de amplitud de la señal estacionaria inferiores a un umbral fijo:

las amplitudes máximas medias de los puntos de datos sucesivos dentro de una determinada ventana de tiempo son monitorizadas y comparadas entre sí; una vez que los trenes de ondas inducidas por el tren llegan a la unidad de detección, la variación de las amplitudes máximas (picos) de la parte estacionaria de la señal detectada (compárese con la figura 7) se vuelve mínima, lo que activará el registro de la señal detectada. La activación que utiliza las variaciones de amplitud de la parte estacionaria de la señal detectada puede ser determinada en una realización de la invención como:

umbral de activación (variaciones de amplitud de la parte estacionaria) < 0,05 x amplitud media de la señal detectada; es decir, una variación menor del 5 % de las amplitudes medias de la señal detectada.

La figura 7 muestra una señal de tiempo detectada por una unidad de detección que indica la llegada del primer tren de ondas inducido a distancia por un tren que se aproxima. Se puede observar ruido sísmico aleatorio antes y después de la señal inducida por el tren.

Como ejemplo de un elemento de detección que se considera aplicable para una realización de la presente invención, se hace referencia a los acelerómetros de configuración de eje dual 4020 y configuración triaxial 4030 de la firma Measurement Specialties Inc., miembro del grupo empresarial TE Connectivity Ltd., que son del tipo MEMS de silicio, que ofrece una respuesta en CC y opciones de salida dual y triaxial, respectivamente, en los respectivos intervalos de medición de ±2g y ±6g con un ancho de banda nominal comprendido entre 0 y 200 Hz. En el caso del modelo 4020, la sensibilidad es de 1000 mV/g y el ruido residual sobre la banda de paso es de 600 microvoltios RMS. En el caso del modelo 4030, la sensibilidad es de 333 mV/g y el ruido residual sobre la banda de paso es de 240 microvoltios RMS. Por consiguiente, un sensor según la invención que utiliza la configuración de eje dual modelo 4020 o el acelerómetro de configuración triaxial modelo 4030 tiene una capacidad de un intervalo de señal dinámica útil de aproximadamente 35 dB, que se considera adecuado para la implementación de la invención.

A continuación, se describe una comprobación del estado de una sección de la vía del tren entre dos sensores consecutivos.

Teniendo un número N de sensores distribuidos a lo largo de la vía, la matriz de coeficientes de correlación entre las señales detectadas en un primer sensor sn y en un segundo sensor sn+m, en que n y m son números enteros, n puede adoptar cualquier valor, y m puede adoptar cualquier valor diferente de cero, se define como:

en donde Osn y Csn+m son las desviaciones estándar de las señales en los respectivos pares de sensores y Cov (sn, sn+m) es su covarianza. El coeficiente de correlación está definido en el intervalo [-1, 1].

La figura 8 muestra el registro de una señal generada por una fuente estacionaria que se desplaza en la dirección de los sensores y, por lo tanto, imita un tren que se desplaza hacia los sensores. La velocidad de propagación de la onda de la señal está establecida en 6.000 m/s mientras que la distancia entre sensores (520) está establecida en 1 km.

La figura 9 muestra la matriz de correlación entre las ventanas de correlación de los cinco sensores. La ventana de correlación está situada en las partes estacionarias de las señales (st.s.). La matriz de correlación demuestra altos coeficientes de correlación cruzada incluso entre señales registradas en sensores con distancias entre sensores de 4 km.

La figura 10 muestra registros de la señal sintética en los ocho sensores, pero con un segmento roto entre los sensores #3 (s³) y #4 (s³⁺¹). Debido a la rotura en el medio de propagación, las ondas generadas por la señal introducida no se propagan más allá del punto de rotura (dependiendo del ancho de la rotura), y los coeficientes de correlación cruzada entre los sensores s³y s^{3 1}situados antes y después del punto de rotura, respectivamente, caen repentinamente, tal como se indica en la matriz de correlación cruzada correspondiente, que se muestra en la figura 11.

Las señales detectadas que son registradas en las unidades de detección sn, sn+m ... situadas de manera consecutiva y ventajosamente almacenadas en archivos de datos independientes que son recogidos por el tren al pasar por las respectivas unidades de detección, serán correlacionadas entre sí, preferentemente utilizando el algoritmo de correlación cruzada descrito en el presente documento.

La comprobación del estado de la vía férrea entre dos unidades de detección sn, sn+m se basará en el coeficiente de correlación cruzada entre las señales detectadas en las dos unidades de detección sn, sn+m. En el caso de que el coeficiente de correlación cruzada sea inferior a un cierto umbral, que, en una realización de la invención, se sugiere establecido para Corr (sn, sn+m) = 0,99, se envía un mensaje de alerta al TOCC para indicar la sección correspondiente de la vía del tren entre las unidades de detección sn, y sn+m para un posible raíl roto.

La comprobación del estado de la vía férrea entre las unidades de detección sn, sn+m se puede comprobar/corroborar mediante la correlación cruzada de las señales detectadas de unidades de detección que no son directamente adyacentes entre sí, es decir, las unidades de detección sn-i y sn+m, las unidades de detección sn, sn+m⁺¹, las unidades de detección sn+m y sn+m+², etc.

La comprobación del estado de la vía férrea entre unidades de detección, las unidades sn, sn+m se puede comprobar/corroborar mediante la correlación cruzada de las señales generadas por trenes consecutivos y detectadas en las mismas unidades de detección sn, sn+m.

A continuación, se mostrarán a modo de ejemplo diferentes implementaciones cubiertas por la invención.

Utilizando una terminología estadística, los coeficientes de correlación cruzada resultantes de la correlación de señales de los sensores de raíl se clasifican ventajosamente en:

1) correlación “exacta” (valor de Corr. = 1),

2) correlación “fuerte” (valor de Corr. > 0,8 y < 1),

3) correlación “intermedia” (valor de Corr. = intervalo comprendido entre 0,5 y 0,8),

4) correlación “débil” (valor de Corr. < 0,5 y > 0), y

5) correlación “inexistente” (valor de Corr. = 0),

aunque los valores de estos umbrales de acción podrían mostrar algunas variaciones de una referencia a otra. En un primer ejemplo, denominado a continuación solución 1, los umbrales de acción se aplican ventajosamente de la siguiente manera:

a) correlación “exacta” y “fuerte” => no se envía ningún mensaje de alerta

b) correlación “intermedia” => se establece un indicador (“advertencia”) y se realiza una doble verificación con los sensores próximos (por ejemplo, los sensores sn y sn+²) antes del envío de un mensaje de alerta

c) correlación “débil” e “inexistente” => se envía un mensaje de alerta

En un segundo ejemplo, denominado, a continuación, solución 2: una lógica de activación de mensaje de alerta incluida en un aparato o procedimiento según la invención está implementando como mínimo parte del procedimiento descrito en la figura 12.

Según un primer ejemplo no reivindicado se propone una unidad electrónica de detección de monitorización de un raíl para un sistema de monitorización del estado de un raíl de ferrocarril, comprendiendo el sensor del raíl:

un medio de detección sísmico, adaptado para detectar la energía acústica en el raíl,

un medio de acoplamiento, para mantener la unidad de detección fijada al raíl y el medio de detección sísmico acoplado de manera acústica al raíl,

un medio de registro de datos de la señal que tiene un reloj y está en comunicación con el medio de detección sísmico, y está adaptado para realizar un registro de datos de las señales que representan la energía acústica detectada por el medio de detección sísmico en función del tiempo,

un medio inalámbrico de comunicación de datos de corto alcance en comunicación con el medio de registro de datos de las señales y adaptado para establecer un enlace de datos inalámbrico con otro medio inalámbrico de comunicación de datos de corto alcance situado a bordo de un tren para realizar una transferencia del registro de datos de las señales a otro segundo medio inalámbrico de comunicación de datos,

un medio de control, en comunicación con el medio de detección sísmico, con el medio de registro de datos de las señales y con el primer medio inalámbrico de comunicación de datos, y adaptado para identificar a partir de la energía acústica detectada mediante el medio del detección sísmico, un sello característico de la energía acústica de un tren distante en movimiento en el raíl y, en respuesta a ello, activar el medio de registro de datos de las señales para realizar el registro de datos de señales y activar el primer medio inalámbrico de comunicación de datos para establecer el enlace de datos inalámbrico con el segundo medio inalámbrico de comunicación de datos cuando se encuentra dentro del intervalo de comunicación y para realizar una transferencia del registro de datos de la señal al segundo medio inalámbrico de comunicación de datos.

Asimismo, se propone un ejemplo adicional de la unidad electrónica de detección monitorizada del raíl según el primer ejemplo anterior no reivindicado, en el que el reloj es un reloj en tiempo real, y en el que el medio de registro de datos de señales está adaptado para realizar el registro de los datos de señales que representan la energía acústica detectada por el medio de detección sísmica como una función en tiempo real.

Según un segundo ejemplo no reivindicado, se propone una disposición electrónica de recepción y de procesamiento para la monitorización de datos de las señales del raíl para un sistema de monitorización del estado de una vía de ferrocarril, estando adaptada la disposición de recepción y de procesamiento para su instalación y funcionamiento a bordo de un tren en movimiento y que comprende

un medio de almacenamiento de datos adaptado para almacenar una pluralidad de registros de datos de señales que representan la energía acústica en el raíl en función del tiempo,

un medio inalámbrico de comunicación de datos de corto alcance en comunicación con el medio de almacenamiento de datos y adaptado para establecer, cuando se encuentra dentro del intervalo de la comunicación inalámbrica, otro medio de comunicación inalámbrica de datos de corto alcance de una unidad de detección para la monitorización del raíl, conectado y acoplado al raíl, un enlace inalámbrico de datos para recibir la transferencia de un registro de datos de señales del otro medio inalámbrico de comunicación de datos de corto alcance y para reenviar la transferencia recibida de datos del registro para su almacenamiento en el medio de almacenamiento de datos con información para localizar la unidad de monitorización de la detección del raíl respectivo, y

un medio de procesamiento de datos adaptado para recibir la pluralidad de registros de datos de señales que representan la energía acústica en el raíl en función del tiempo en las respectivas unidades de detección de monitorización del raíl, para analizar, inmediatamente después de la recepción de una transferencia de un registro de datos de señales, los datos de la señal para determinar los datos de señales que representan la energía acústica en el raíl generada por un tren en movimiento en el raíl distante de la unidad de detección respectiva y transmitida a la misma pero no a una unidad de detección, y para generar una indicación de una discrepancia de propagación como una indicación de una discontinuidad del raíl.

Asimismo, se propone un ejemplo adicional de la disposición electrónica de recepción y procesamiento para la monitorización de datos de señales del raíl según el segundo ejemplo no reivindicado citado anteriormente, que comprende un reloj, y en el que el medio de procesamiento de datos está adaptado para analizar la transferencia del registro de datos de las señales recibidas utilizando el tiempo como parámetro para el análisis.

Según la invención, se propone un sistema electrónico de monitorización del estado de un raíl de ferrocarril para proporcionar una indicación de una discontinuidad del raíl, tal como una rotura del raíl, que comprende las características de la reivindicación 1.

Ventajas

La presente invención se adapta fácilmente para su aplicación en diferentes ferrocarriles a partir del hecho de que las vías de ferrocarril se componen, en general, de componentes estandarizados y medios de instalación estandarizados. Esto es aplicable especialmente a los raíles que son de perfiles de acero estandarizados soportados mediante traviesas estandarizadas, que son habitualmente traviesas prefabricadas de hormigón armado. Con respecto a la presente invención, todo el sistema de traviesas y raíles se puede considerar como un sistema estable que no experimenta cambios significativos, por ejemplo, en términos de rigidez o variaciones de masa, durante un período de tiempo razonable.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema de monitorización del estado de una vía férrea para detectar una interrupción parcial o total de un raíl de la vía férrea, que comprende:

una pluralidad de sensores, instalados en un raíl de la vía y separados entre sí a una distancia predeterminada, teniendo los sensores respectivos medios de obtención y registro de señales para la obtención y el registro de una señal acústica generada por un tren que se aproxima y propagada por el raíl o por el suelo que soporta el raíl, medios de transferencia de señales para la transferencia de una señal obtenida y registrada al tren que está pasando, mediante transferencia inalámbrica en el momento del paso del tren en la proximidad de los sensores, medios de análisis de la señal, para analizar la transferencia de la señal obtenida y registrada a bordo del tren que está pasando, y medios adaptados para correlacionar las señales de un primer sensor (sn) y un segundo sensor adyacente (sn+m) y detectar la interrupción parcial o total de un raíl de la vía férrea.

2. Sistema de monitorización del estado de los raíles según la reivindicación 1, en el que los sensores instalados están adaptados para ser estimulados mediante una estimulación acústica generada de manera pasiva por el tren que se está aproximando que recoge los datos.

3. Sistema de monitorización del estado de los raíles según la reivindicación 1 o 2, en el que los sensores instalados comprenden medios para registrar la señal durante un período de tiempo programado determinado cuando la señal supera el nivel de ruido predefinido.

4. Sistema de monitorización del estado de los raíles según la reivindicación 1 o 2, en el que el medio de obtención y registro de señales está adaptado para identificar el inicio de la señal y para registrar el inicio de la señal, y el medio de análisis de las señales está adaptado para analizar el inicio registrado de la señal para obtener a partir de la misma información de la rotura de un raíl que indica la discontinuidad del raíl.

5. Sistema de monitorización del estado de los raíles según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende medios adaptados para distinguir los coeficientes de correlación cruzada obtenidos en

a) correlación “exacta” para valor de corr. = 1,

b) correlación “fuerte” para valor de corr. > 0,8,

c) correlación “intermedia” para valor de corr. = de 0,5 a 0,8,

d) correlación “débil” para valor de corr. < 0,5, y

e) correlación “inexistente” para valor de corr. = 0,5

y que comprende medios que responden a dichos coeficientes de correlación cruzada indicados y están adaptados para no enviar un mensaje de alerta en respuesta a una correlación “exacta” o “fuerte”, para realizar una doble comprobación con sensores próximos (por ejemplo, los sensores sn y sn+²) antes de que se envíe un mensaje de alerta en respuesta a una correlación “intermedia”, y para enviar un mensaje de alerta en respuesta a una correlación “débil” o “inexistente”.