铁路通信系统 【发明背景】
本发明涉及沿铁轨的信息传送。
常规的沿车站间或火车与车站间的铁轨的通信包括常规的射频发射或复杂的卫星通信。这些系统的每一个要求指令中心、中继站以及其他信号增强装置提供不中断的信息。常规的无线电发射具有不仅由环境干扰和信号消失所引起的固有困难，而且还具有由当火车穿过隧道或某些地带时失去与火车通信所引起的固有困难。
先前尝试利用铁轨的特点用来产生信息或用于涉及脉冲或调制形式的电气应用的区段间地通信，其中，信号的信息被传送作为每隔一段距离沿铁路放置的中继系统(relay system)的功能或是沿需要以短间隔监视的铁路的恒定信号的中断的功能。
美国专利No.1,517,549使用一电高频信号，因为它消除非常靠前并且不被视为一种危险的与火车有关的信息。这种高频由于高衰减特性限制了该信号。
授予LaForest的美国专利No.3,715,669使用一接收器，用于调频覆盖轨道电路，其中元件如继电电容器以及电阻被连接到轨道并且其依赖火车轮子的操作通过使用阻断到发射器的信号的分路器通过轨道中断生成的电信号。
授予Rhoton的美国专利No.3,949,959以及授予Wood等人的美国专利No.3,984,073涉及用于耦合与一个或其他车辆导轨有关的音频信号的天线装置。将电压添加到车辆导轨。该系统涉及声波检测。
授予Wilson的美国专利No.4,369,942是一信号通信系统，使用包括绝缘轨道的生成电流来啮合一铁路线路交叉信号载波系统。低电压电流启动或感应该信号。
提议的其他形式的通信包括利用波导原理，其中参考Myers的美国专利No.4,207,569，铁道道床和移动火车的底部充当“波导”。
传送的另外形式包括利用Birken的美国专利No.4,932,614的转发器系统，其中轨道电流被建立以便通过分路或短路在轨道部分未端完成一回路。
授予Laurent等人的美国专利No.442,998通过铁路传递信息，其通过使用具有谐振电路的传送区域，该谐振电路调谐到由放在每一段或区域的未端的轨道的两条铁路间的导电回路发射的信号的载波频率。该系统使用连续波传送以便检测信息而不是从一位置到另一位置传送信息。
这些系统的缺点在于它们仅能用于短距离或它们依赖信号的中断以生成信息或信号本身表示遭到当涉及轨道的真正距离时的与衰减及噪音有关的问题的信息。发明概述
本发明通过提供用于传送和接收信息或一般的通信的改进的方法和装置来克服现有技术的问题，包括但不并局限于铁路交通的位置、速度和方向、操作者以及其他人员。
本发明的一个目的是允许利用现有的铁路系统作为传送和接收媒介用于各种信号包括射频、声音以及光波系统的来进行信息的传送和接收。
本发明通过使用安装在铁路枕木上的常规的铁路钢轨来实现其目的。这些铁轨通过导电电缆或结实的焊接电连接到每一个连续长度的轨道。铁路设备使用在钢轨上滚动的带凸缘的钢轮横过铁轨。本发明提供通过适当的调谐感应器或轮子直接在铁轨中传送和接收信号。通过车轮、调谐感应器或其他适当的传导媒介从铁轨接收的传送信号返回到该设备。另外，各种电磁感应或传导设备可被用在轨道的附近。当前联邦规则禁止除车轮外在靠近铁路2.5英寸(6.35cm)的地方在火车上安装该设备的任何部分。
本发明的另一目的是避免不符合FCC(联邦通信委员会)禁止无线电或其他频率干扰的规则，同时提供当通过和绕过天然的或人造结构传送信息时可靠的未被破坏的通信。
本发明的另一目的是提供使用铁轨的一个系统，该系统将信号传送给火车或设备操作员或调度员或其他区域性或国家交通控制人员，以及允许用户确定这种设备的邻近状况，包括行进的速度、轨道、位置以及方向。
本发明的另外的有利方面是在它检测轨道本身的异常、缺陷或间断性的能力。这是由于通过轨道传送和接收信号来实现。这种信号或反射的信号必须通过异常、缺陷或不间断性来被改变以便它们能与由测试得来的异常记录或从具有已存在的缺陷的轨道区域中取出的采样的数据库相比，或与被认为在现有的铁路系统中是正常的状况范围相比或与两者相比。
本发明的目的由通过铁轨或其他电传导的铁路设备(如铁路线或悬链线(cantenary))传送信息的方法来实现，该信息传送包含在轨道或导体上的第一位置处引入包含该信息的信号以及对通过铁路或其他导体传送给第二远距离位置的包含该信息的信号的检测。接着，从检测信号提取该信息。
本发明的目的进一步通过一个装置来实现，该装置通过铁轨使用一信号源传送信息，该信号源将信息编码信号输出到铁轨的一个或两个中。远程安装的接收器检测通过轨道传送的编码信号然后从该信号提取信息。
本发明的另一目的是提供一种传送信息的方法，其通过在第一位置将包含该信息的射频信号引入到铁轨中，以及随后在第二位置检测该信号，第二位置是远离将该信号引入铁轨的位置。然后该信息被从传送的射频信号提取并分析。本发明的另一目的是提供通过将包含该信息的声频信号引入到在第一位置的铁轨来通过铁轨传送信息的方法。在远程位置，通过铁轨传送的声信号被检测并且从传送的声信号提取该信息然后进行处理。
根据本发明的另一方法，作为一种特殊的、普通已知形式的沿铁轨传送的信号的特殊信息通过检测与距特殊音频信号源的很远的位置处的许多音频信号来获得。随后，检测的许多信号被分析并且将该特殊音频信号分离出来。然后处理该特殊音频信号以提供该特殊信息。
本发明的其他目的、优点和新特征将从下面参考附图的对发明的详细说明中变得清楚。附图简述
图1是说明根据本发明的射频信号传送方法的示意图；
图2是当考虑到火车或其他移动设备轮轴的分路作用时说明如图1中所述的方法的效果的示意图。
图2a是使用单一轨道传送方法的效果的说明示意图，其中火车的底盘被用作与对面的地面轨道进行通信的一相对地面；
图3是使用具有火车车厢的一段铁轨的方法的示意性说明图；
图4是根据本发明的音频信号传送方法的说明图。优选实施例的详细说明
图1说明使用1英里长的主线140磅焊接钢轨10作为传送媒介。在原处使用自动测距数字万用表来计算轨道10的值，该万用表设置两个相对铁轨12、14间的电阻为大约3.5ohm。对向铁轨间的交流电压差测量仅表示正常背景电压瞬变，即，不管电压表是否连接到铁轨上，在所测量的电压中均没有差别。用相同的方式，D.C.电压差被测量为基本上为0。铜接地杆被插入土中大约15英寸以计算相对于地的每一轨道的电压差。每一轨道相对于地所测量的DC电压大约为1伏。
接着，两个相等长度的约15英尺长度的14个轨距绝缘的绞合铜线21、22的每一个在一未端电连接到两个钢的、14英寸的机车轮圈23、24的每一个。铜线的相对未端被连接到194.5Khz AM(L.F.)、500nW发射器的正和负的偶极子端，该发射器利用30Khz FM副载波来传送被认为是具有在1kHz时100％调制的约200mW的有效的输出功率的CYBERNET、TM301型(FCC ID# AWQ9SBTM-301)的音频(立体声)。这是通过使用为标准的正弦波输出而设置的用来提供1kHz的音调给Cybemet TM-301的线路电平输入的Wavetek音频发生器、112B型来确定的。然后调整TM-301的音频增益以便调制LED处于稳定的表示100％调制的“ON”状态。然后测量通过正和负偶极子天线终端的Cybemet TM-301的RF功率输出。
通过从内表面和接线片孔中去除所有的油漆和腐蚀来准备连接到来自发射器的导线上的钢汽车轮圈以允许连接线、轮圈以及火车轨道间的最大导电性。轮圈23、24在垂直方向以相对的方式放置在轨道上以便模拟在一轨道的两个火车轮。
使用音乐节目资料源40来调制Cybemet发射器30以便用匹配的接收器受话器50来确定有效传送范围。接收器受话器是Cybemet型HTWL38的具有自动噪声抑制的便携式接收器受话器。
接收器50远离传送源(在此处车轮被放在轨道上)。在大约50码处开始，存在通过在由接收器的自动噪声抑制特征得来的整个固定位置处噪声抑制所表明的RF信号的可检测的衰减。然而，该信号在远离传送源1英里的、所监视的不近于铁轨的1.5英尺的地方被清楚地辨别。因为测试发射器的功率输出基本上小于一半瓦特(200mW)，显然在相同的条件下通过使用具有更高的输出功率的发射器可轻易获得更长的传输距离。
为考虑到在包括火车本身的性能的铁路环境中存在的变化的用电状况，图2的系统被用来使用用类似具有模拟火车轮轴的“横档”27的导线梯连接的粗径铜线26执行各种实验。尽管从源42降低RF信号得来的每一连续分路，由接收器52检测的原始信号在多次分路后还有剩余。该测试由于现代火车轮轴的特性被实施，其中在相同固体上的每一车轮，电传导轮轴充当一分路或短路。
关于沿轨道的连续长度运行的长火车的精确状况，较高的传输功率否定这些“分路”的效果是很显然的。然而，最近通过进一步测试发现引入机车体的RF信号不仅双向传送到铁轨中而且还传送到机车体和连接到其上的任何车厢。另外，即使最糟糕的情况显示分路导致不能接受的信号衰减，该信号能从火车的两端传输以克服该问题。这可通过利用列车风管(机车和车厢间标准的直线软管连接以启动火车的刹车系统)来实现。列车风管是通过导电的“可松脱”(gladhand)连接到每一车厢的沿火车的整个长度连续移动的电传导线。这是通过确保软管的增强的铁丝网元件及其耦合的连贯性来实现。换句话说，利用适当的耦合装置(为防止高电压损坏传输设备)，悬链线或第三铁轨也能被用来传送信号。
除这些次要问题外，通过到达或离开的火车的第一轮轴(检测点)的两个轨道的分路是本申请的一个有利方面，因为它提供一闭路“天线”，该闭路天线实际上提高了信号强度同时提供有价值的信号定相信息，当几辆火车位于相同附近时，这就显得很重要了。
另外，用于传输的单个导线“天线”(或传输线)轨道同样也能很好地工作，如图2a所示。天线偶极的阴极端61连接到接地杆63以及阳极端65连接到在发射器60的直线中运行并在远端接地的1000英尺的8个轨距的绝缘绞合铜线68。音乐节目源在远端通过接收器70很容易检测。这种状况可通过将发射器的接地端连接到火车的底盘在一火车上模拟，该火车底盘与它的金属车轮相连，并且以常规的间隔使每一铁轨接地。这要求使用与火车底盘隔离的感应器或车轮以感应或接收在相对铁轨上的信号。
图3说明先前提到过的另外的测试以及包含由机车、车厢以及守车占用的铁轨部分的铁路通信的测试的变化。在非常艰苦的条件下使用跟踪装置的测试区被用来突出在低于理想条件下本方法的功能。在图3中描述的铁路的长度包括位置格35以及具有10个不同类型和长度的车厢36的守车39。轨道分段地和螺栓及紧固板(未焊接)连接并用典型的砾石层面连接到木制枕木上。用来紧固轨道的多个螺栓丢失以及在这些点上轨道被分离并且达到六英寸的路段出现故障。车厢和车轮以及轨道在外表面和耦合器上显示出重大生锈。
建立在图1结构中所使用的相同的测试设备。在适当的连接点处位置格的前轮通过14个轨距多绞合线被连接到传送器。靠近径向轴承钻的直径约3/16″的小孔被选择作为信号注入点。通过用一小的平板螺丝刀敲碎其内部来获得该孔。因此，14直径线的裸端被插入该孔中。将小螺丝置在其后以确保正电连接到车轮上。车轮、轮轴以及轨道的几个区被敲碎并对电阻进行测试。电阻实际上为0ohms。机车的左和右前轮被相同地准备。在该实验的另一方面中，从发射器引出的天线被连接到在底盘被零碎成裸钢铁的区域中远离车轮的火车体。
经径向轴承，与在机车的两个前轮中引入的信号一起，音频信号可直接在轨道上和远离机车的耦合器中和两者之间辨别。在车厢体水平面、两个铁轨以及两个铁轨间的轨道未端该信号轻微地衰减但可辨别。在实验中，其中RF信号被引入车轮上的机车体，信号以较高的耦合电平在约第七车厢处衰减但在向守车移动的铁轨上仍可辨别。用引入一个车轮的信号以及通过进入地面中2.5′的三英尺的铜管接地的天线偶极的另一端，当直接连接到车轮的径向轴承上时获得与第一测试相同的结果。然而，该信号看起来有点太强。在第七车厢没有以前指出的损失。用单一的连接到机车底盘的引线，再次获得相同的结果。就一切情况而言，当横向离开火车和铁轨时该信号被分散。
将LF信号引入铁轨和/或火车的方法似乎并不关键。该设备和轨道的测试状况表示无操作铁路将出现更不利的状况。由电连续车轮和轴引起的电分路似乎不会出现干扰因为很可能该信号沿火车体本身前进并因此在火车未端重新引入轨道。这种方法能被用来在不同的副载波上传输火车内通信。另外，如果在每一车厢上所要求的用于气闸操作的空气管路是导电的，通过使用如电连续的铁丝网软管，将获得贯穿火车长度的一致的电连接。
为考虑到轨道超过10英里的延展长度，在结合位置处的仪器最可能要求额外的瓦特数。调谐到RF测试频率的约100瓦特的输出功率应该足够了。为了这种一种瓦特数产品，能使用诸如在10KHz到220KHz范围工作并在最大增益时具有100瓦特CW的最小输出功率AR的(放大器研究)模型100L的高功率线性放大器。放大器输出功率的测量是由定向耦合器、HP功率表以及同轴负载来实现的。耦合器可是在10KHz至250KHz频率范围工作的Werlatone型C1460。同轴负载可是从DC到1000Mhz工作的Bird型8201。在耦合器端口处的向前和反射功率的测量值决定传送到负载中的功率。AR放大器可由从100KHz到990KHz工作并能以一种低于范围模式在低于10KHz工作的HP型8656A发生器驱动。这种8656A发生器在400Hz或1000Hz被调制并且具有能在25Hz到25Khz间被调制的外部调制输入。这种4000Hz的内部调制能被同时操作或作为包括AM-AM、FM-FM或AM-FM的混合调制。
在接收位置处的匹配装置包括具有18英寸直径和用于直接频带的可变换的匹配网络的Fairchild型ALR-25环形天线。该环形天线在10KHz到30MHz范围操作并在测试位置定向以最大化接收的信号。从该环形天线，输出将馈入诸如在具有10HZ、100HZ、1KHZ、20KHZ以及50KHZ的频带宽度的0-50KHz范围操作的NM-7A型的Eaton EMI场强计。该仪表具有能从AC功率或从内部可充电电池操作的BNC同轴输入。
关于输入端的连接，AR放大器具有不平衡的同轴输出。理想地，平衡调谐器被连接到放大器的输出以便该信号可被匹配到铁轨中。平衡调谐器具有同轴输入以及平衡输出。作为一种选择，在没有匹配网络的情况下可使用平衡—不平衡变压器因为AR放大器被设计成用高的VSWR无损害的操作。在此环境中，要求能在30-300KHz范围操作并能处理200-500瓦特的平衡-不平衡变压器。
作为对平衡输出方法的一种选择，单铁轨可被加载具有接地的屏蔽导线的同轴输出。具有接地引线的环形天线用于接收。这种单轨配置具有较低阻抗以提供没有平衡-不平衡转换器的匹配。
通过车轮或安装到车体或其他轨道设备上的铁轨中的其他变换器的波的发送和接收可通过铁路由其他车体或轨道设备或由固定或便携式接收器或调度中心直接拾取。该信号可用由铁路员工或其他当事人直接输入的信息来编码。这种编码的信息可由在火车体上或远程位置的其他设备传送和拾取。因此，任何移动的或固定的火车可传送与速度、方向、位置以及距离以及可被编码到该信号中的其他信息有关的信息给其他车体或接收器。这种编码信息可是数字或模拟(如音频)以及可由车体上的另一种设备或在远离铁路的位置处的计算机或音频无线电检测器转换。该信息来自或与火车上或轨道上或轨道下的其他设备，诸如数据记录器、摇测设备、地理/全球定位设备共享。
射频波的传输是本发明的最优方面。有几种被认为适用于通过铁路而不与现有的由联邦通信委员会(FCC)控制的射频通信产生冲突的传输的射频。另外，这些频率可在沿铁路相对长的距离传送和接收而没有显著的信号强度损失和没有出现对人或野生动植物的环境危害。LF(低频，30KHz至300KHz)、VLF(较低频率，3KHz至30KHz)、ELF(极低频率，3Hz至3KHz)以及ULF(超低频率，＜3Hz)的信号特别适合这种铁路通信系统。这些低频、长波长射频用于铁路很理想因为铁路、悬链线或相似的功率传输线(有效的无穷大长度的传输线)的天线加载特性有助于与长波长一起使用因为由于“天线”不匹配的衰减问题被最小化。另外，结果，可接受驻波比(SWRs)从而最小化点—源辐射能量泄漏。这种铁路通信系统提供在接近铁路的安全生活型环境。实际上由于这些低频的波的传播特性以及铁路的水平和平行结构，在远离铁路的距离处的RF信号的辐射也被最小化。另外，在该频率的最低部分射频具有很小的商业价值。由于较高频带谐波不能产生足够的信号强度来干扰现代接收设备，因而与商业射频的冲突机会很小。
由于射频电磁波的特性，在数字或模拟格式中的嵌入信息可与波或其边频带或通过调频(FM)波传送。例如，来自位于每一火车上的现有的传统全球定位系统(GPS)设备的相对准确的位置信息可经RF载波器传送。另外，来自如工人、事故中的火车、处于“不能通信”的区域中的火车等等参与者的信息可被用来与其他火车联络或脱离轨道铁路设备。该系统可作为传统通信系统、应急系统、干线级线路交叉信号机、实际火车控制系统、货运跟踪系统或作为用于运费的商业服务来实现。
由于对这些低频系统的传输波的钢轨中的干扰或阻力而产生的波形变化，铁路本身的物理特性能被检测。传输或反射信号的波形、相位、振幅以及中断中的差异被用来提供与铁路的状态或位于铁路上的移动发射器的速度有关的内在信息。铁路的状态或接近设备的速度的检测能通过结合RF成分校准的音频信号的增加来提高。另外，次要的HF或UHF信号能被用作一参考值以及与主低频铁路信号一起的多余的信号装置。只要高和低频共用一共同时钟，波相位定时中的小的差异通过使用一比较器能被检测，因为两个信号以大约相同的速度(在自由空间3×108M/sec，有点低，但仍是通过铁轨的可预测的速度)传播。从传送的火车直接接收或反射回来的任何信号的相位分析能被用来检测铁路的状态。这种相位分析通过相位分析计算机软件来实现。
由于射频的特性，可能同步地从一个位置向另一个位置传送信息并提供与两个源间的轨道状态有关的额外信息。即，射频可用从第一位置传送到第二位置的必要信息预先解调。由于它沿铁路传送，由于波形或包络中的变化，可检测上述物理特性。这些差异可是相位、振幅或中断。因此，在第二位置，有能力不仅移除从第一位置发送的特殊信息并且有能力确定两个位置间铁路的物理特性。在一简化的例子中，用信息A调制的射频信号可被发送。通常，在最佳的轨道状态中，由于两个位置间的距离，在第二位置处接收的信息具有确定值的振幅或信号电平。另一方面，如果在轨道状态中有一损耗，信号电平可相当低并具有不同的相位。从第一位置发送的原始信息仍可被确定，但除接收信号中包含的信息外的接收信号的特性将提供包含轨道状态的另外的信息。
在运行的铁路系统上的这种通信系统的调度也将提供有关接近火车的有价值的信息，否则这些信息很难使用其他技术来检测。例如，RF信号可被传送到铁路的右侧(与每一火车有关)以便确定将到达的火车是否与来自相同轨道上的前面和后面的另一火车接近。可选地，可采用惯例表示从0度到180度行进的移动火车，在一个频率上发送以及相对于正北或地磁北，从181度到360度行进的火车，在另一频率发送。由于该系统使用铁路作为其传输媒介，因此只可能是特殊的差异信息。通过比较，两个火车的全球定位系统(GPS)可预示火车正相互接近，然而，没有相当高的分辨率，通常很难与商业上使用的GPS系统一起使用，这种方法也不能区别仅隔几英尺的火车是否是在相同的或相邻的轨道上。
自动或手动操作发送/接收单元能被安装在各种铁路交叉口、桥、以及与铁路的交叉口处以提供诸如紧急语音通信或可见光或红外视频检测的另外的高级警告或声音邻近设备用于潜在障碍物的警告。该系统能被用来充当冗余的安全系统以启动高速铁路警告系统，或被用来代替现存的、高维护级线路交叉系统。
除射频外，铁轨是很好的声音发射器。早已发现声音能从很远的距离通过铁路系统被检测。现有计算机技术能数字化和分析通过铁路传送的声音。因此，使用声频信号(即声波)是用于检测正接近的火车、沿轨道和/或在给定长度铁轨上的有结构缺陷的铁路的固定移动障碍物是一种可行的方法。在沿轨道的声音传播可由火车或安装在该火车上的设备被动或主动发生。
由通过与铁路连接或靠近铁路的麦克风或光检测系统检测的声音生成的被动数字化允许由铁路或与该铁路相连的其他物体自然地生成声音的辨别。这些数字化的声音通过比较由计算机算法、用或不用与存储在数字采样中的直接比较来处理的所有检测声音的相位关系、频率、频率偏移和振幅与在相同轨道上的其他声音分离开来。用相同的方法可检测铁路中的缺陷或铁路的断续部分。换句话说，可能对在正常或不正常操作中沿铁轨发生的各种事件或状态有关的声音编制目录以便提供能被用来确定可能的危险状况的不同的数据库。
另一种用于在铁路通信中声音的使用的方法包括有效引入到标准化频率或间隔的连续或脉冲声音的铁路，通常并不与正常铁路声音有关，充当能在相当大的距离被检测和分析的类似SONAR信号。由于这种有源信号是标准化的，它的固有特性是公知的，因此在所接收的信号中的任何差异被认为是越过铁路或铁路上设备或物体的运动、缺乏运动的结果并且是铁路本身的特性。
图4示出了来自通过现存的铁路83、84的有源源82的声音的引入。源80可是安装在或连到车轮82、83或直接放在轨道上的谐振感应器上、能以所有火车速度产生所需的声波信号的振荡器/放大器。在当前的常规管理指南下将设备放置在高于轨道2.5英寸或更多是允许的。接收有源声波信号能通过安装有麦克风设备91或可使用诸如激光的反射相干光的光学设备的车轮发生。这种检测在铁路表面直接发生。用于与开动中的火车有关的固有运动的校正是通过使用装有光学透明回路、直接放在传送的控制激光束的路径上的极灵敏、相位耦合运动检测设备来实现。来自这种设备的信息和来自从轨道得来的反射激光束的信息一起被馈入到计算机或其他信号处理器94中，然后来自反射激光束的信息被用来提供用于补偿与移动火车和源激光有关的寄生运动和/或振动的校正信息。
如上述有关射频实现所述，引入到铁路系统的有源声源能仅被引入到火车的右侧铁轨(相对于火车)以提供在同一轨道上与在相同方向的行进相对的向彼此移动的火车的立即识别。另外，可采用一惯例，该惯例规定从0度到180度行进的移动火车在一个频率上传送以及相对于地磁或正北从181度到360度行进的火车在另一频率传送。
上述说明仅用于说明本发明，并不是用于限定。由于对本领域的技术人员来说可发生对包含本发明的精神和实质的公开实施例的改变，本发明可解释为包括在附加的权利要求的范围及其等效中的所有动作。