具有安全通信和配置的轨道车辆车轮传感器的制作方法

本发明涉及一种具有安全通信和配置的轨道车辆车轮传感器。

背景技术：

1、轨道车辆车轮传感器是使用车轴计数的列车存在检测系统的重要组成部分。

2、该领域的众多创新导致了许多解决方案的产生，这些解决方案提供了预期的功能安全性和可维护性水平。

3、目前的车轮传感器，除了可靠地检测轨道车辆通过的基本功能外，还配备了内置电路，允许远程实施配置和监控。

4、为了检测车轮，通常使用利用车轮通过过程中磁场变化的技术，而为了传输车轮存在信号，基本技术之一是已知的电流环路系统，该系统可以在相对较长的距离(超过10公里)上传输，具有很高的抗干扰性，其在轨旁设备领域是特别有利的。为了通过上述电流环路传输车轮存在信号，采用了接口系统，其目的是将传感器产生的内部信号转换为具有合适参数的电流信号，例如在0-20ma范围内，以便可靠地长距离传输它们。

5、另一方面，通过使用带有嵌入式软件的微处理器系统，可以不断改进其他功能，例如配置、监控和测试传感器，这些软件提供，除了别的之外，传感器内部系统与其环境的通信，特别是与确定预期传感器配置的系统和内部测试系统，以及监控传感器及其环境状态的系统。

6、pl237273公开的示例性解决方案能够与提供传感器和传感器环境监测系统的车轮传感器进行通信。

7、pl229783公开的示例性解决方案公开了一种用于自动测试感应传感器正确操作的系统。

8、在ep3168110b1和ep1479587b1中描述了与车轮传感器调谐相关的，特别是与车轮检测相关的系统相关的，示例性解决方案。

9、ep2998185a1表示可以对轨旁设备和外部系统之间的信号进行加密。然而，该解决方案既未专门涉及当前的环路系统，也未公开允许在这种配置中使用加密的系统结构。

10、在实践中，车轮传感器的配置涉及确定合适的配置参数值，包括生产过程中合适的软件版本。示例性配置参数可以包括例如：

11、-车轮传感器产生的电磁场属性，例如频率或强度，

12、-车轮传感器内部信号处理路径的特性，例如增益或频段，

13、-与车轮传感器内部系统的热补偿相关的特性，

14、-通信协议，包括与之相关的时间参数以及错误检测和纠正方法，

15、-传输诊断信息的定义，

16、还有很多其他参数。

17、此外，在车轮传感器的最终运行目的地安装车轮传感器并进行维护过程中，可以确定合适的配置参数值。安装车轮传感器后的基本配置程序是调整其内部检测系统，以获得假定的操作条件，例如，除了别的之外，当传感器上不存在车轮时，输出信号的预期检测水平和预期静止水平。

18、车轮传感器的调谐操作会影响列车检测的可靠性，必须审慎地执行。同时，上述操作预计可能很简单，不需要专业资格或专业设备。满足上述要求有助于安装，但它会产生第三方行动的潜在风险，尤其是在轨道基础设施的访问没有得到充分保护的地方。

19、到目前为止，已知并在这方面使用的解决方案的一个重要局限性是网络安全水平相对较低。到目前为止，提供预期网络安全水平的实用方法基于两大支柱：将设备的访问限制为仅授权人员，以及通过使用只有专家才知道的专用工具和复杂程序来隐蔽地使用所谓的安全性。然而，鉴于网络安全领域日益增长的需求，上述方法还不够。

20、在需要高水平网络安全的应用中，另一个重要的问题是确保与传感器及其环境的监控以及车轮传感器的内部测试相关的信息的安全传输。

技术实现思路

1、本发明的目的是一种解决方案，该解决方案使用电流环路提供车轮传感器的通信安全性，并在其生产过程中以及安装在轨道中和运行期间提供其配置的安全性。通过在车轮传感器中采用与结构相关的解决方案，使用能够以秘密加密密钥的形式安全地存储至少一个无法从外部读取的秘密的加密设备，并通过采用已知的加密技术(算法)提供与车轮传感器的安全通信，特别是验证和授权，以解决上述问题。此外，在通过传感器操作和传感器环境监控系统进行扩展并使用提供车轮传感器系统自动可操作性验证的测试系统后，公开的解决方案在满足网络安全要求的情况下显着提高了传感器的可维护性。

2、根据权利要求1和13，本发明的目的分别通过车轮传感器组件和车轮检测装置来解决。本发明的有利变体在从属权利要求中描述。

3、根据本发明，提供一种车轮传感器组件，其包括轨道车辆车轮检测系统和电流环路形式的两线接口，通过该接口，车轮检测系统连接到外部设备，其中车轮传感器组件的特征在于，它包括连接到车轮检测系统的车轮检测配置系统，用于配置车轮检测系统并包括至少一个模拟或数字电路，其输出状态通过改变车轮检测系统的运行参数来改变其运行模式；能够存储至少一个秘密的授权和配置系统，用于与外部设备进行安全通信，并将配置命令转发到与其连接的车轮检测配置系统；通信转换器系统，用于授权和配置系统与车轮传感器接口之间的信号转换；车轮传感器电源电压转换系统，通过通信转换器系统连接到授权和配置系统的输入，以便转发来自外部设备的信号；电压求和以及电压到传感器-输出-电流转换系统，用于求和其两个输入的电压，并以电流信号的形式产生车轮传感器组件的输出信号；输出信号许可系统，作为将车轮检测系统的输出信号和授权和配置系统的输出信号连接到电压总和以及电压到传感器-输出-电流转换系统的输入的中介；以及电源系统，用于为车轮传感器组件内的至少一个系统供电。

4、因此，作为车轮传感器组件，应当理解车轮传感器的各个列出系统的组件，其中这些系统的功能、连接和协作能够解决上述目标。在列出的系统中，车轮检测系统应理解为一个系统，当轨道车辆车轮经过其附近时，其输出信号会发生变化。特别是，这是一个产生自身电磁场的系统，当轨道车辆车轮经过传感器时，电磁场会发生变化，并且这种变化会导致传感器的输出信号发生变化，从而可以检测到轨道车辆车轮的存在。然而，本领域技术人员会注意到，如果其它系统提供所需的功能并且技术上能够用于本文所述的解决方案，包括例如机械传感器、光学传感器等，它们也可以用作车轮传感器的系统。根据上下文，本说明书中使用的术语“车轮传感器”、“车轮传感器组件”或简称“传感器”可以互换使用。

5、作为本方案上下文中的外部设备，应理解与车轮传感器通信的系统或设备。例如，外部设备可以采用评估系统的形式，其任务是处理来自车轮传感器的信息，以满足轨道段占用系统的需要。另一个外部设备可以是维护过程中使用的服务设备，用于在车轮传感器安装到轨道上后对其进行技术验证及其调谐。

6、所提出的解决方案具有将车轮检测系统和车轮检测配置系统实现的功能安全与授权和配置系统以及通信转换器系统实现的安全通信和配置(安全)相关功能自然分离的特点。同时，车轮传感器的接口，包括输出信号许可系统、电压求和以及电压到传感器-输出-电流转换系统、电源系统和电源电压转换系统，确保与外部设备的正确连接，满足安全和安保要求。传感器的这种布置通过提供附加功能，例如传感器和传感器环境监控和自动测试，允许其简单安全地扩展。

7、授权和配置系统用于与外部设备进行安全通信，并将经过验证和授权的配置命令转发到车轮检测配置系统。车轮传感器的授权和配置系统与传感器接口模块之间的信号转换由通信转换器系统提供。

8、车轮传感器的接口为车轮传感器组件的系统提供电源，以及为提供车轮传感器与环境的通信的物理接口提供电源，该环境由输出信号的电流输出和输入信号的电压输入实现。该接口包括用于车轮传感器系统的电源系统、最初转换输入电压信号的车轮传感器电源电压转换系统、用于产生车轮传感器组件输出信号的电压总和以及电压到传感器-输出-电流转换系统。

9、在本发明的车轮传感器组件的一个优选实施例中，授权和配置系统包括，连接到非易失性存储器电路和加密电路的逻辑电路，该电路能够以秘密加密密钥的形式存储至少一个秘密，而不可能从外部读取该秘密，其中，逻辑电路用于对传输的信息进行编码和解码，并验证外部设备的授权，以配置车轮检测系统，逻辑电路使用存储在加密电路中的加密密钥。

10、在本发明的车轮传感器组件的另一个优选实施例中，逻辑电路被配置成在非易失性存储器电路中存储，关于在尝试访问车轮检测配置系统期间成功执行的授权验证过程的信息，以及关于在尝试访问车轮检测配置系统期间未成功执行的授权验证过程的信息，其中，在连续的条目中添加了一个标识符，该标识符明确地确定存储信息的顺序。

11、在本发明的车轮传感器组件的又一实施例中，输出信号许可系统包括由授权和配置系统通过第一钥匙电路控制信号控制的第一钥匙电路，使得，根据第一钥匙电路控制信号的状态，提供内部车轮存在信号的车轮检测系统的输出，或确定的电压值，被传送到电压总和以及电压到传感器-输出-电流转换系统的第一输入，其中确定的电压值低于内部车轮存在信号的电平，而车轮检测系统位于车轮上；以及由通信许可系统通过第二钥匙电路控制信号控制的第二钥匙电路，使得，根据第二钥匙电路控制信号的状态，将用于向外部设备发送信号的授权和配置系统的输出，或确定的电压值，被传送到电压总和以及电压到传感器-输出-电流转换系统的第二输入，其中确定的电压值为0，其中通信权限系统控制第二钥匙电路，使其在第一钥匙电路的输出连续监测信号的频段，如果信号的频段超过预定电平，则将所述信号传送到第二钥匙电路的输出。

12、在本发明的车轮传感器组件的又一实施例中，传感器和传感器环境监测系统，其中车轮传感器组件的至少一个内部信号和至少一个用于监测车轮传感器组件的环境操作条件的传感器连接至该传感器和传感器环境监测系统，传感器和传感器环境监测系统通过数字连接连接到授权和配置系统，优选地集成到其中。

13、优选地，所述车轮检测系统的至少一个内部信号被特别地提供给所述传感器和传感器环境监测系统，并且所述至少一个传感器被特别地用于监测所述车轮检测系统的环境工作条件。

14、用于测量振动和/或温度和/或湿度的传感器优选地用作所述至少一个传感器，但也可以使用其他传感器类型。

15、在本发明的车轮传感器组件的又一实施例中，车轮检测系统包括一个发电机电路，该发电机电路包括具有线圈布置的谐振电路，其输出连接到放大器电路。在车轮检测系统的具体实现中，由车轮检测配置系统改变的上述工作参数是发电机电路和/或放大器电路的工作参数。属于发电机电路的线圈的布置优选地由至少两个以相反方式连接的线圈形成，以消除干扰。

16、在本发明的车轮传感器组件的又一实施例中，车轮传感器测试系统通过数字连接连接到授权和配置系统，优选地集成到其中，其中，以测试线圈形式的车轮模拟系统连接到车轮传感器测试系统，其中测试线圈位于属于发电机电路的线圈布置附近，当电流流过测试线圈时，它会引起发电机电路的反应，其类似于车轮经过车轮传感器引起的反应。

17、在本发明的车轮传感器组件的又一实施例中，授权和配置系统、传感器和传感器环境监测系统、车轮传感器测试系统和车轮检测配置系统，被集成到一个公共系统中。

18、在本发明的车轮传感器组件的又一实施例中，车轮传感器组件具有模块化设计，其中车轮检测系统和车轮检测配置系统形成车轮检测模块；授权和配置系统与通信转换器系统构成安全通信和车轮传感器配置模块；输出信号许可系统、电源系统、车轮传感器电源电压转换系统、电压求和以及电压到传感器-输出-电流转换系统形成一个车轮传感器接口模块。根据应用的不同，模块还可以包括其他系统组合。

19、根据本发明，还提供一种轨道车辆车轮检测装置，其包括具有所述结构的两个或多个传感器组件。两个或多个车轮传感器组件沿导轨依次排列，并通过单独的电流回路并联连接到同一外部设备。优选地，两个或多个车轮传感器组件包含在一个公共外壳中。包含两个或多个车轮传感器组件，除了别的之外，可提供冗余，即使在其中一个系统发生故障或错误的情况下，也能正确检测铁路车辆车轮。此外，考虑到来自两个或多个车轮传感器组件的信号，还可以在外部设备中对此类信号进行更广泛的处理，例如，为了检测轨道车辆的行驶方向、其速度等。

20、由于这种设计，本发明的车轮传感器组件在其生产过程中以及安装在轨道上之后和运行期间提供了与车轮传感器通信的安全性以及其配置的安全性。此外，在通过传感器操作和传感器环境监控系统进行扩展，并使用提供车轮传感器系统的自动可操作性验证的测试系统后，公开的解决方案在满足网络安全要求的情况下显着提高了传感器的可维护性。