监测铁路环境中ETCS线路侧电气单元与其轨道侧应答器之间的电信号的制作方法

本发明涉及在欧洲列车控制系统(european train control system，etcs)框架内、监测铁路设施中电气单元与应答器之间的电缆中的电信号。

背景技术：

1、1级欧洲列车控制系统(etcs)涉及电气单元与应答器之间的电缆连接，该电气单元被称为线路侧电气单元(lineside electrical unit)的leu。该连接用于从轨道向列车传输横向信号(如交通灯)的状态。这是由车载重要计算机(欧洲重要计算机(evc))接收的自动的轨道到列车信息传输的一部分。

2、电气单元连接到交通灯。通过电气单元检测每个活动的灯，该电气单元通过电缆向应答器发送电报信号。应答器使用电感耦合射频(rf)通道(称为接口‘a1’)将该电报转发给列车。

3、leu与应答器之间的电缆接口通常称为接口‘c’，并且由i/f c表示。由c接口传输的电信号包括两个相加混合的信号，称为信号c6和信号c1。信号c6是f＝8.82khz处的正弦信号。信号c1是电报信号。更具体地，信号c1是一种类曼彻斯特编码的差分数据信号。信号c1包括数字信息。信号c1通常以564.48千比特/秒的数据速率传送无中断循环重复的341比特或1023比特。电缆中的信号c(t)是c1(t)和c6(t)这两者的相加混合：c(t)＝c1(t)+c6(t)。

4、文献ep3067246涉及一种用于监测leu与应答器之间的信号连接的可操作性的装置和方法。这种已知方法的问题是它需要在电缆中注入监测信号。

5、文献cn108132433b描述了leu的监测板信号提取电路。该提取电路包括c-接口电压接口、c-接口电流接口、c-接口电压处理电路和c-接口电流处理电路。

6、文献de19708518a1描述了一种在导电回路中定位缺陷位置的方法。该方法涉及将第一电测试信号和第二电测试信号引入导电回路的两端。使用两个信号检测器在该电路的两个不同点提取这些信号。产生了与由该两个检测器检测到的信号之间的差相对应的测量信号。任一个或两个检测器的提取点被延长，使得改变导电回路在这两个提取点之间的部分的长度。

技术实现思路

1、本发明的目的是监测和帮助维护铁路设施。

2、因此，本发明涉及一种用于监测铁路设施中电气单元与应答器之间的电缆中的电信号的过程；该电信号包括第一部分和第二部分，该第一部分包括第一电报信号和第一正弦信号，该第二部分包括第二电报信号和第二正弦信号；该过程包括以下步骤：

3、·双向耦合器提取电信号的第一部分的副本和电信号的第二部分的副本，该双向耦合器包括通过电缆连接到电气单元的第一端口、和通过电缆连接到应答器的第二端口，第一部分的副本是随时间变化的电压、且在双向耦合器的第三端口处获得，第二部分的副本是随时间变化的另一电压、且在双向耦合器的第四端口处获得；

4、·与双向耦合器的第三端口和第四端口连接的信号处理单元基于以下项中至少一项分析第一部分的副本和第二部分的副本，以确定与铁路设施相关的过程输出：

5、o 第一电报信号；

6、o 第一正弦信号；

7、o第二电报信号；或者

8、o第二正弦信号。

9、本发明复制电信号的第一部分和第二部分的电报信号(c1)和正弦信号(c6)，并使用它们中的任何一个或它们中的几个的组合来产生与铁路设施相关的过程输出，从而指示铁路设施中可能存在的问题。如果过程输出高于阈值或与参考数据不同，则会触发报警。因此，不需要在电缆中注入任何信号。

10、为了提取电信号的第一部分的副本和第二部分的副本，双向耦合器使用电压测量结果。它不测量任何电流。它在第三端口和第四端口的输出是随时间变化的电压。

11、在本发明的框架内，使用来自(来自电信号的第一部分和/或第二部分的)电报信号和(来自电信号的第一部分和/或第二部分的)正弦信号这两者的信息不是必须的，但它是优选的，因为它改进了监测。

12、在本发明的框架内，使用来自第一部分(电报和/或正弦)和第二部分(电报和/或正弦)的信息不是必须的，但它是优选的，因为它改进了监测。

13、电信号的第一部分与第二部分之间的关系反映了双向耦合器与应答器之间的电路状况。

14、使根据本发明的过程连续运行。例如，它可以在一周内连续运行。

15、沿电缆的一固定位置处的一个双向耦合器足以获取这些副本。在电缆上不需要多个探头。双向耦合器优选地是不通电的。

16、电信号具有从电气单元到应答器的正向方向和从应答器到电气单元的反向方向。电信号的第一部分可以被认为是从电气单元传输到应答器的功率波。该功率波可以被称为“正向信号”或“入射功率波”。电信号的第二部分可以被认为是从应答器到电气单元的功率波。该功率波可以被称为“反向信号”或“反射功率波”。本领域技术人员熟悉功率波的概念，例如因为k.kurokawa于1965年在ieee微波理论与技术学报的第2期第13卷中发表的文章《功率波和散射矩阵》(the article“power waves and the scattering matrix”fromk.kurokawa,published in ieee transactions on microwave theory and techniques,volume 13,issue 2,1965)而熟悉功率波的概念。

17、双向耦合器以这样的方式插在电缆上：从电气单元出来的电缆连接到双向耦合器的第一端口，而从应答器出来的电缆连接到双向耦合器的第二端口。双向耦合器以耦合系数为特征。该双向耦合器可以被称为“双向rf耦合器”。第一端口也可以被称为输入端口，而第二端口也可以被称为输出端口。第三端口(其也可以被称为耦合端口或正向耦合端口)提供电信号的第一部分的副本。该第一部分的副本是入射功率波乘以双向耦合器的耦合系数的乘积。第四端口(其也可以被称为隔离端口或反向耦合端口)提供电信号的第二部分的副本。该第二部分的副本是反射功率波乘以双向耦合器的耦合系数的乘积。这是由于双向耦合器的固有性质。

18、在第三端口处提供的、电信号的第一部分的副本是随时间变化的电压。该电压可以被称为“第一提取信号”或“第一电压”。在第四端口处提供的、电信号的第二部分的副本是不同于该电信号的第一部分的副本的、随时间变化的电压。该电压可以被称为“第二提取信号”或“第二电压”。

19、电气单元可以被称为“线路侧电子单元”或leu。该电气单元通常是欧洲列车控制系统(etcs)的一部分。

20、电缆可以被称为“接口c”。该电缆优选地包括一对用于传输差分电信号的导线(例如，铜)。电缆可以具有恒定的特征阻抗，并且表现得像传输线一样。

21、在一些实施例中，计算机单元可以包括由以下项执行的逻辑：处理器、中央处理单元(central processing unit，cpu)、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)或现场可编程门阵列(application-specific integrated circuit，fpga)等、或它们的任何组合，并且该计算单元可以包括分立的数字电路元件或电子器件、或离散的模拟电路元件或电子器件、或它们的组合。

22、双向耦合器是本领域技术人员已知的电子器件。该双向耦合器具有四个端口：输入端口、输出端口、正向耦合端口和反向耦合端口。从输入端口传递到输出端口的信号在正向耦合端口处被复制为随时间变化的电压。从输出端口传递到输入端口的信号在反向耦合端口处被复制为随时间变化的电压。

23、在本发明的实施例中，过程输出是基于对缺失以下项中至少一项的检测的：

24、·第一电报信号；

25、·第一正弦信号；

26、·第二电报信号；或者

27、·第二正弦信号。

28、实际上，如果电信号的第一部分中没有电报信号，那么第二部分中也没有电报信号(对于正弦信号也是如此)。无论如何，电缆中缺失这四种信号中的任何一种都表明铁路设施存在问题。过程输出优选地指示所述一个或多个缺失。

29、在本发明的实施例中，处理输出是基于第二电报信号与第一电报信号之间的相位差、和/或第二正弦信号与第一正弦信号之间的相位差的。电报信号的相位差或正弦信号的相位差提供了关于电缆、电气单元和/或应答器的状态的信息。

30、在本发明的实施例中，过程输出是基于以下项中至少一项的：

31、·第一电报信号的幅度；

32、·第一正弦信号的幅度；

33、·第二电报信号的幅度；或者

34、·第二正弦信号的幅度。

35、幅度提供了关于电缆、电气单元和/或应答器的状态的信息。例如，对于电报信号和/或正弦信号，电信号的第一部分的幅度比电信号的第二部分的幅度高至少十倍通常表明铁路设施的正常状态。对于电报信号和/或正弦信号，电信号的第二部分的幅度高于电信号的第一部分的幅度的十分之一表明铁路设施中可能存在问题(例如，开路或短路)。第二电报信号和/或第二正弦信号的幅度增加表明铁路设施中可能存在问题。

36、在本发明的实施例中，过程输出是基于以下项中至少一项的：

37、·第一电报信号的比特的数据速率；

38、·第一正弦信号的频率；

39、·第二电报信号的比特的数据速率；或者

40、·第二正弦信号的频率。

41、第一部分的电报信号和第二部分的电报信号的数据速率的参考值均为564.48千比特/秒。第一部分的正弦信号和第二部分的正弦信号的频率参考值均为8.82khz。相对于参考值超过阈值(例如，5％)的偏差表明铁路设施中可能存在问题。

42、在本发明的实施例中，过程输出是基于第一电报信号的数字内容和/或第二电报信号的数字内容的。数字内容指的是第一部分和/或第二部分中的电报信号中的比特(0或1)的序列。

43、在本发明的实施例中，过程输出是基于与参考数据的比较来识别铁路设施中的问题的。

44、在本发明的实施例中，该过程包括过程输出的时间戳和过程输出在存储器中的存储。

45、在本发明的实施例中，该过程包括过程输出从设备和信号处理单元到远程接收器的传输，该设备沿铁路设施设置、且包括双向耦合器。该传输可以通过互联网进行和/或可以是无线的。接收器可以例如位于安全操作员的便携式设备中、位于服务器中和/或位于铁路公司的设施中。

46、本发明还涉及一种用于监测铁路设施中电气单元与应答器之间的电缆中的电信号的系统；该电信号包括第一部分和第二部分，该第一部分包括第一电报信号和第一正弦信号，该第二部分包括第二电报信号和第二正弦信号；该系统包括：

47、-双向耦合器，该双向耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，该第一端口通过电缆连接到电气单元，该第二端口通过电缆连接到应答器；以及

48、-信号处理单元，该信号处理单元连接到双向耦合器的第三端口和第四端口

49、双向耦合器使得在第三端口处提供电信号的第一部分的副本，并且在第四端口处提供电信号的第二部分的副本。

50、信号处理单元被配置为使用以下项中至少一项来分析电信号的第一部分的副本和电信号的第二部分的副本，以确定与铁路设施相关的过程输出：第一电报信号、第一正弦信号、第二电报信号或第二正弦信号。

51、该系统优选地安装在固定位置。

52、在本发明的实施例中，双向耦合器在电缆与分析器之间提供电隔离。

53、在本发明的实施例中，双向耦合器不能在电缆中注入任何信号。

54、在本发明的实施例中，双向耦合器的所有部件都是无源的。双向耦合器可以包括电容器、电阻器、电感器、变压器。例如，双向耦合器不包括任何晶体管或有源器件。

55、在本发明的实施例中，信号处理单元包括以下项中至少一项：

56、·低通滤波器和信号限幅器的组合，该低通滤波器被配置为根据第一部分的副本确定第一部分的第一正弦信号，该信号限幅器被配置为对该第一正弦信号进行限幅；

57、·高通滤波器和信号限幅器的组合，该高通滤波器被配置为根据第一部分的副本确定第一电报信号，该信号限幅器被配置为对该第一电报信号进行限幅；

58、·低通滤波器和信号限幅器的组合，该低通滤波器被配置为根据第二部分的副本确定第二正弦信号，该信号限幅器被配置为对该第二正弦信号进行限幅；或者

59、·高通滤波器和信号限幅器的组合，该高通滤波器被配置为根据第二部分的副本确定第二电报信号，该信号限幅器被配置为对该第二电报信号进行限幅。

60、每个滤波器选择电信号的所需部分，随后的限幅器对该部分进行清理。

61、本发明还涉及一种沿铁路设置的设备，该设备包括根据任何实施例的系统以及电气单元，该设备被配置为沿铁路设施设置。