用于在轨道上进行的车厢内货运或客运的监视系统

摘要

本发明涉及一种监视系统，其用于监视在轨道上进行的、在车厢中的货运或客运，一个或多个车厢可以火车车厢或有轨电车车厢，这些车厢都是在公共的轨道网中运行的。本发明提出的监视系统首先包含发电机轴承，该发电机轴承整合在车厢的至少一个车轮轴承中。在此发电机轴承一方面用于支承车厢的车轮，另一方面用于产生电能，从而形成一个能量供给单元。在该发电机轴承的情况下用于发生电压所需的元件都被整合在该发电机轴承中。这些元件中的一个是由一个导体装置形成的，该导体装置用于感应要产生的电压。此外，本发明提出的监视系统还包含一个与此导体装置电连接的传感器电子装置，用于确定作用于该导体装置的测量变量。因此，发电机轴承还形成传感器。

说明书

本发明涉及一种监视系统，用于监视在轨道上进行的在至少一个 车厢内的货运或客运。一个或多个车厢例如是火车车厢或有轨电车车 厢，这些车厢都是在公共的轨道网中运行的。在此车厢可以是货运或 客运车厢，或者也可以是公共的短途交通车厢。

AT507382A1提出用于有轨车辆的配有位置探测装置的一种车 轮组轴承外壳。该位置探测装置具有卫星支持的位置检测接收器，并 由一个发电机馈电，该发电机优选设计成无轴承的轮毂式发电机，从 而形成发电机轴承。

WO2008/014766A1提出一种监视装置，用于监视有轨车辆的车 轮组轴承的至少一个运行变量。车轮组轴承包含至少一个旋转的轴承 环和一个位置固定的车轮组轴承外壳。一个传感器直接地安置在旋转 的轴承环上。一个随同轴承环旋转的发送单元将由传感器所提供的测 量变量无线地传送到一个固定的接收装置。传感器和发送单元均由一 个能源供给单元供给能量，该能源供给单元包含一个随同回转的第一 发电元件和一个相配地安置在车轮组外壳上的第二发电元件。因此， 车轮组轴承同时设计成发电机，所以是发电机轴承。

WO2010/012277A1中公开了一种配有一个磁性装置的滚动轴 承，该磁性装置具有至少一个固定在轴承元件上的磁性导通装置。该 磁性导通装置具有至少一个终止在滚动体的运行轨道区域内的极靴。 至少一个滚动体是磁性有源地和/或有导性地设计的。该磁性导通装置 具有一个或多个用于感应电压发生的电绕组线圈。因此，滚动体包含 一个发电机，并是一个发电机轴承。可产生的电压例如可以用来向车 轮轴承上的传感器供电。

还有一件仍未公开的专利申请提出一种配有能量发生单元的轴 承，在此轴承中在一个第一轴承环上固定一个第一爪环和一个第二爪 环。在这两个爪环之间设置一个磁性感应线圈。两个爪环中的每一个 都是设置成与第一轴承环的本体的一个区段导磁性地相连的，磁路基 本上是经过第一轴承环的本体的该区段而闭合的。所提出的轴承配有 能量发生单元，即是一种发电机轴承。

还有一件未公开的专利申请提出一种配有能量发生单元的轴承， 其中在一个第一轴承环上固定着一个爪环，而一个第二轴承环则具有 一个环绕的磁极偶序列。一个感应线圈处在一个环绕的磁路中，该磁 路经过极偶的磁极和经过爪环的爪而闭合。爪环的爪都是安置得与第 一轴承环的本体的一个导磁性区段导磁性地相连的。极偶的磁极都是 安置得与第二轴承环的本体的一个导磁性区段导磁性地相连的。磁路 是经过磁性区段和滚动体而闭合的。所提出的配有能量发生单元的轴 承即是一种发电机轴承。

还有尚未公开的专利申请DE102010009633.4提出一种通信系 统，用于在轨道上进行的在车厢中的货运或客运。该通信系统包含一 个中央的上位的主计算机。此外，该通信系统还包含：一个能量供给 单元、一个蓄能器和一个车载单元，它们为每个车厢单独配置的。该 车载单元是为下述目的设计的，即用于接收运行本身的和卫星支持的 数据，将之分析处理，并经过一个发送单元发送到主计算机。能量供 给单元优选设计成发电机轴承。

从现有技术出发，本发明的任务在于为在轨道上进行的、在车厢 中的货运或客运提供一种监视系统，该监视系统能够实现对多种变量 的集成性监视，从而适于结合到物流和安全系统中，借以能够控制复 杂的物流过程和保证运输的安全。

上述任务是通过如权利要求1中所述的一种监视系统加以解决 的。

本发明提出的监视系统用于监视利用至少一个车厢实现的在轨道 上进行的货运或客运。该监视系统优选是为了监视多个车厢特别是多 个列车的车厢而设计的。按最简单的情况，本发明提出的监视系统仅 是为一个车厢设置，所以只安装在该车厢上或中。本发明提出的监视 系统首先包含发电机轴承，该发电机轴承被整合到车厢的至少一个车 轮轴承中。因此，该发电机轴承一方面用来支承车厢的车轮，另一方 面用来产生电能，所以它也构成一个能量供给单元。发电机轴承是优 选设计成滚动轴承。在该发电机轴承的情况下，为产生电压所需的元 件都整合到该轴承中，例如整合到滚动轴承的轴承内腔中。上述元件 中的一个是由一个导体装置形成的，该导体装置用来感应待产生的电 压。所谓导体装置优选是绕组或线圈。其它元件例如是由永久磁铁和/ 或电磁铁所形成的。永久磁铁或电磁铁在发电机轴承旋转时可导致下 述结果：在导体装置中感应出电压。本发明提出的监视系统此外还包 含与导体装置的电连接的传感器电子装置，以用于测定作用于导体装 置上的测量变量。因此，发电机轴承还形成传感器。发电机轴承的导 体装置也用来产生电压，该电压一方面用于电能供给，另一方面也用 来测定那些作用于导体装置的测量变量。测量变量特别指的是这样一 些测量变量，这些测量变量是可以通过发电机轴承的其它为产生电压 所需的元件特别是永久磁铁和/或电磁铁的作用加以测定的。例如在导 体装置中产生一种电压，该电压的随时间分布的曲线取决于发电机轴 承的转速。但该电压也取决于其它测量变量、特别是取决于发电机轴 承的一个特定的机械负荷，该机械负荷在相对于导体装置的空隙改变 时起作用。还可以推断出机械负荷的随时间分布的曲线，例如推断其 是否是碰撞或振动。也可以推断出机械负荷的位置和方向，例如其是 共轴的或偏心的负荷引入。特别可以考虑测定车厢的固有振动和/或车 厢的摆振力矩，以便由此推断出通过车厢所运输的装载物例如集装箱、 （液体）罐、件货、散装货物或类似物的状况。因此，例如可通过固 有振动或摆动力矩的随着时间的变化识别液体罐泄漏现象，并可在一 个主计算机上反映出来，这一点在危险货物运输情况下具有非常大的 安全价值。若运载的货物是由实体的物品构成（例如件货或散装货）， 还可借此通过固有振动或摆动力矩的那种随时间的变化而识别出所载 货物的滑动现象。

本发明提出的监视系统的一个特别优点在于：在监视系统的车轮 轴承中整合了三个功能，即：作为车轮轴承的原始功能：作为用于产 生电馈给电压的发电机的功能；及作为传感器的功能，用于测定测量 变量，这些测量变量作用于车轮轴承并使得可实现对车厢的监视。因 此，车轮轴承可称之为发电机-传感器-轴承。

按本发明提出的监视系统的一个优选的实施方式，该系统还包含 一个中央的上位的主计算机。该主计算机优选安置在这样一个地点上， 从该地点出发可监视多个车厢，例如安置在一个调度台上。因此，与 发电机轴承不同，主计算机不在车厢内或上。本发明提出的监视系统 的这一实施形式还包含至少一个车载单元，该车载单元连同能量供给 单元一起单独为每个车厢配设。因此，每个采用本监视系统加以监视 的车厢都具有发电机轴承形式的能量供给单元、传感器电子装置和车 载单元。该车载单元用来接收运行本身的和卫星支持的数据，并将之 进行分析处理，然后将之经过发送单元发送给主计算机。根据本发明 提出的监视系统的这一实施形式，可以监视许多车厢，借以能够执行 复杂的物流过程。在此该监视系统既可由轨道网和车皮的管理者加以 使用，也可以由关注运输服务效率的客户加以使用。铁路系统和/或车 皮的管理者还同时可将本发明的监视系统用于保证轨道系统或者说车 皮的安全。中央主计算机允许实现连续监视，这种监视即使在大量车 厢的条件下也只需要很少的人工。根据本发明提出的监视系统的这一 实施方式，各车厢可利用由车厢内的车载单元所接收的卫星支持的数 据加以定位，例如在利用GPS的情况下。因此还可以将由车厢所发送 的、在主计算机上所接收的数据用于监视车厢的位置和运动。

该车载单元优选包含接收单元，以用于接收由主计算机或由一个 内部系统发出的运行固有数据或与状态相关的数据。接收单元允许实 现车厢的车载单元和主计算机之间的双向通信。

发送单元和/或接收单元优选是由移动的无线电单元形成的。移动 的无线电单元优选是设计成通过GSM或通过UMTS进行加密的数据 交换。

传感器电子装置优选直接或间接由发电机轴承的发电机馈电。为 了即使当发电机轴承不产生电馈给电压时仍能保证对传感器电子装置 的馈电，监视系统优选还包含构成在能量馈给单元中的电蓄能器，例 如蓄电池或电容器。在此监视系统可以加以如此设计，使得电蓄能器 通过发电机轴承的发电机加以充电。

在导体装置中被感应的电压与在导体装置和一个同导体装置配合 作用的磁性或电磁性的元件之间（例如在线圈形式的导体装置和永久 磁铁之间）的一个空隙形成有关。机械负载或者还有磨损可导致该空 隙发生改变。为了能够检测出这种影响，优选将传感器电子装置如此 设计，以便能检测出这样一些测量参数，这些测量参数是由于在导体 装置和与该导体装置配合作用的磁性或电磁性的元件之间的空隙的改 变引起的。替代地或补充地，传感器电子装置优选设计成用于测定在 导体装置和与导体装置配合作用的磁性或电磁性的元件之间的转速。 在导体装置和与该导体装置配合作用的磁性或电磁性的元件之间的转 速在大多数情况下等于车轮轴承的转速，从而等于被支承的车厢车轮 的转速。因此，本发明提出的监视系统的这一实施形式允许测定车厢 的被支承的车轮的转速，从而也允许确定车厢的位移、速度和加速度。 还可以推断出车厢的磨损情况。

按本发明提出的监视系统的一个特别优选的实施方式，传感器电 子装置设计成根据作用于导体装置的被测量的测量变量来确定车厢行 驶路程。为此，在最简单的情况下，传感器电子装置设计用于测量车 轮轴承的转速，由此可确定车厢所走完的路程。此外，本发明提出的 监视系统的这一实施形式还包含卫星支持的测量系统以用于测定车厢 的行驶路程，例如基于GPS的测量系统。由传感器电子装置所求得的 路程和由卫星支持的测量系统所求得的路程，可以彼此加以比较，在 这种比较中所获得的差即表示一个差程，该差程可称之为被支承的车 轮和被驶过的轨道之间的打滑。这种打滑现象是与作用于车厢的负荷 有关的，而且是表明在车厢车轮和轨道网的轨道之间的接触位置上出 现的磨损情况的一个重要尺度。根据利用卫星支持的测量系统对车厢 的位置所进行的一种永久性的测定，便可定位轨道网的磨损。同样可 推断出车厢的车轮的磨损。可如此求得的数据一方面可用来推断可保 障的安全状况，另一方面可为必要的检修提供证据。被支承的车轮和 被驶过的轨道之间的打滑现象优选加以集中测定，为此，主计算机须 相应地加以设计。

按本发明提出的监视系统的另一个特别优选的实施形式，在车轮 轴承上设置其它的传感器以用于测定加速度、力、转矩和/或温度。这 些传感器例如是由光电子传感器和/或霍尔传感器形成的。利用这些另 外的传感器和用作传感器的发电机轴承，便可获知车厢上许多对于安 全重要的事件。例如可以获知由于下述原因造成的发电机轴承的一些 变化：由于磨损，例如因失去偏压而导致的磨损；由于不平稳行程所 致的小凹坑形成；由于噪声或者还由于其它事件如在被支承的车轮和 铁轨之间接触点发生的冲击和碰撞。上述种种可获知的变量和事件可 借以得出被监视的车厢和被驶过的轨道的使用寿命和可使用性的情 况。例如可以识别出被监视铁轨上的接合点偏斜。还可以识别出被支 承的车轮的轮箍上的磨损情况，先于该轮箍破裂或断裂即能获知上述 情况。所测得的数据和所获知的事件可以与参考数据进行比较，例如 与车厢上的另一个发电机轴承的参考数据或者也可与一个相邻车厢上 的一个发电机轴承的参考数据进行比较，或者也可以与这些参考数据 结合起来，借以例如能够预知车厢的组成部分或轨道网的组成部分例 如一个道岔的使用寿命。本发明提出的监视系统的这一实施形式适合 于探测出被支承的车轮和轨道之间的接触位置上的所有重要的参量， 以及各种不同的力和转矩，这些力和转矩是由车厢的车身底盘或者说 由车厢的各个轴和转向架所引入和传递的。所测得的变量和所获知的 事件（例如振动、冲击、加速和/或作用于由车厢和轨道网所形成的系 统上的力）都可以利用一个行驶动力学模型加以分析处理，借以测定 车厢或具有多个车厢的列车的实际状况，从而例如能够注意到和观察 到可能存在的故障情状。尤其可考虑测定车厢的自身振动和/或摆动力 矩，借以从中获得关于由车厢所运输的载荷例如集装箱、（液体）罐、 件货、散装料等的状况的结论。因此，例如可获知由于车厢自身振动 或摆动力矩的一时变化所造成的液体罐泄漏现象，并可进而将之传输 到一个主计算机上，这一点尤其在危险货物运输情况下对安全是更为 重要的。若运载物是由实体物品构成的，则也可能因此看出由于车厢 的自身振动或摆动力矩的一时变化而造成运载物的滑移现象。所测得 的变量和所获知的事件还可以用来影响被监视的车厢或者具有多个被 监视的车厢的列车，特别是通过下述措施进行影响：通过调节装置或 控制装置来提高或减小车厢或列车的速度。

根据本发明提出的监视系统的另一个优选的实施方式，发电机轴 承和传感器电子装置一起设置在一个外壳中，在该外壳中还设置用于 识别外壳打开的传感器。优选使发电机-传感器-轴承完全处在该外壳 中。用于探测外壳打开的传感器特别是用来探测和报告外壳的未经准 许的打开。在此用于探测外壳打开的传感器优选是由光电传感器形成， 该传感器同时用于测量发电机轴承的转速。但是，用于探测外壳打开 的传感器也可以由接触式传感器、磁铁传感器或其它传感器形成。此 外，外壳优选配备一个防渗透保护机构。

发电机轴承、传感器电子装置和测量数据存储器优选是一起安置 在一个外壳中，以便形成一个黑匣子。该黑匣子在可能发生灾难的情 况下用来重现由本发明的监视系统所测得的测量数据和所获知的事 件。

根据本发明的监视系统的另一个优选的实施方式，该系统也设计 用于根据所测得的测量值确定车厢的元件的磨损。磨损的元件例如可 能是由车厢的制动器、轴承或轮箍形成的。例如制动器的磨损可通过 以下措施求得：将所测得的车厢运动的变量在运行时间上加以记录和 分析。为此，优选将由传感器电子装置所求得的运动测量变量与由卫 星支持的测量系统所求得的运动测量变量加以比较。由此便可推导出： 何种延迟是由制动器造成的。在此本发明提出的监视系统优选是如此 设计的，使得可将所确定的磨损传送到主计算机上。若磨损超过许可 程度，即可发出警报。

根据本发明提出的监视系统的一个优选的实施方式，主计算机还 包含物流-管理系统。利用该物流-管理系统，便可计划和组织轨道网 上的运行过程。在此可以进行整个交通流量和货物流量的协调、监控 和最佳化，例如将停运时间减少到最低，以及过程分析和行车时刻最 佳化与网路最佳化。在使用依本发明提出的监视系统的一个优选的具 体实施方式的条件下所设定的车厢可定位性情况下，可以在主计算机 上获知是否有某个车厢可供使用，及该车厢处于何种状况。以同样的 方式还可进行跟踪，也就是追寻和询问车厢的实际位置，这一点例如 可用于有关税义务的路程上关税的计算。

主计算机优选包含一个信息门户，该信息门户可在内联网或互联 网上向每个车厢提供所有相关数据，例如用于物流管理、路线管理、 关税管理和/或诊断管理。