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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING AND IDENTIFYING RAIL VEHICLES ON RAILWAYS AND WARNING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/207830
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method that uses at least one triaxial sensor disposed on a railway, which continuously captures a signal corresponding to a vibration generated by a rail vehicle travelling along any type of railway. Subsequently, the discrete Fourier transform is applied to the captured signal and the discrete spectrum is obtained. Following this, the discrete spectrum is correlated with a database that allows the type of rail vehicle travelling along the railways to be identified and the railway along which same travels to be reported, with the option of generating different actions (types of reports, generation of warnings and alarms) according to the type of railway vehicle detected. The method also uses a redundancy between two different technologies, an analogue subsystem and a digital subsystem, increasing certainty in the detection of the railway vehicle.

Inventors:
VALVERDE AGUILAR, Enrique (Agrupación Guinovart Obras y Servicios Hispania, S.A. Tarragon, 149 - 157 Barcelona, 08014, ES)
BERTRÁN ALBERTI, Eduardo (Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 31, Barcelona, 08034, ES)
Application Number:
ES2016/070420
Publication Date:
December 07, 2017
Filing Date:
June 03, 2016
Export Citation:
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Assignee:
AGRUPACIÓN GUINOVART OBRAS Y SERVICIOS HISPANIA, S.A. (Tarragona, 149 - 157, Barcelona, 08014, ES)
International Classes:
B61L29/28
Foreign References:
US20150284015A12015-10-08
US20040261533A12004-12-30
US6290187B12001-09-18
US5713540A1998-02-03
US20020027831A12002-03-07
Attorney, Agent or Firm:
UNGRÍA LÓPEZ, Javier (Avda. Ramón y Cajal 78, Madrid, 28043, ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

a. generar una base de datos experimental que comprende una pluralidad de espectros discretos A correspondientes a señales vibratorias generadas por un tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria cuando el tipo de vehículo ferroviario circula por una vía principal en la que está colocado al menos un sensor configurado para captar una señal vibratoria del paso de un vehículo ferroviario;

b. capturar continuamente la señal correspondiente a la vibración generada por el vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria mediante el sensor dispuesto en dicha vía, donde las vías ferroviarias están formadas por un tipo de soporte o una combinación de un tipo de soporte y un tipo de traviesa; c. digitalizar la señal vibratoria capturada;

d. calcular una transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal;

e. realizar una primera correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos A de la base de datos y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada;

f. seleccionar de la base de datos el espectro discreto A que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido, donde dicho espectro discreto A indica el tipo de vehículo ferroviario y que la vía por la que circula es la vía principal;

g. y volver a b.

2. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según la reivindicación 1 , caracterizado por que entre las etapas f y g comprende:

- ampliar la base de datos experimental con una pluralidad de espectros discretos B correspondientes a una vibración generada por un tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria cuando el tipo de vehículo ferroviario circula por una vía adyacente;

- realizar una segunda correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos B de la base de datos y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada; y

- seleccionar de la base de datos el espectro discreto B que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido, donde dicho espectro discreto B indica el tipo de vehículo ferroviario y la vía por la que circula.

3. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que se activa un nivel de alarma que indica el tipo de vehículo ferroviario detectado y de si la vía por la que está circulando es la vía principal o una vía adyacente.

4. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que entre las etapas c y d comprende realizar una primera detección digital del vehículo ferroviario, de manera que si la señal digitalizada tiene una duración mayor o igual a un tiempo t1 preestablecido y una amplitud mayor o igual a un umbral u1 predefinido entonces se activa un primer nivel digital de alarma que indica que se ha realizado dicha primera detección.

5. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según la reivindicación 4, caracterizado por que comprende realizar una segunda detección digital del vehículo ferroviario, mediante un análisis de un conjunto de sub- bandas frecuenciales preestablecidas de la señal digitalizada, de manera que si todas las muestras del conjunto de las sub-bandas frecuenciales superan un umbral u2 predefinido durante un tiempo t2 preestablecido entonces se activa un segundo nivel digital de alarma que indica que se ha realizado dicha segunda detección.

6. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la generación de la base de datos comprende:

• medir experimentalmente la señal vibratoria generada por cada tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria cuando el vehículo ferroviario circula por la vía principal en la que se ha colocado el sensor y cuando el vehículo ferroviario circula por al menos una vía adyacente;

• digitalizar la señal vibratoria; y, • calcular una transformada discreta de Fourier de la señal vibratoria digitalizada, generando el espectro discreto para cada tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria.

7. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que paralelamente a la etapa c se realiza una detección analógica del vehículo ferroviario, de manera que si la señal analógica tiene una duración mayor o igual a un tiempo t3 preestablecido y una amplitud mayor o igual a un umbral u3 predefinido entonces se activa un nivel analógico de alarma que indica que se ha realizado dicha detección analógica y se vuelve a b; en caso contrario se ejecuta b.

8. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el método comprende transmitir unos tonos piloto a una unidad receptora para informar del estado del sensor, de unas conexiones y de unos enlaces.

9. Método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que comprende almacenar unos datos correspondientes a un vehículo ferroviario desconocido cuando no se ha seleccionado ningún espectro discreto de la base de datos.

10. Sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias para llevar a cabo el método definido en las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que comprende:

- al menos un sensor (3) dispuesto en la vía configurado para capturar continuamente una señal correspondiente a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria;

- unos medios computacionales (4) configurados para:

• almacenar una base de datos experimental que comprende una pluralidad de señales y sus espectros discretos correspondientes, donde cada señal corresponde a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria;

• digitalizar la señal vibratoria capturada;

• calcular una transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal;

• correlar el espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos de la base de datos que se corresponden al mismo tipo de vía por la que circula el vehículo ferroviario, y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada; y

• seleccionar el espectro discreto de la base de datos que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido.

1 1. Sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según la reivindicación 10, caracterizado por que comprende un sistema de activación de niveles de alarma cuando se detecta e identifica el vehículo ferroviario.

12. Sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según la reivindicación 10, caracterizado por que el sensor (3) es de tipo acelerométrico triaxial.

13. Sistema de aviso (6) caracterizado por que comprende el sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12.

Description:
MÉTODO Y SISTEMA DE DETECCIÓN E IDENTIFICACIÓN DE VEHÍCULOS FERROVIARIOS EN VÍAS FERROVIARIAS Y SISTEMA DE AVISO

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención se refiere a un método y un sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias y a un sistema de aviso. El método, además de identificar el tipo de vehículo ferroviario (tren ave, tren alvia, tren de mercancías, tren de cercanías, máquina en obras, locomotora, etc) que está circulando por las vías, informa también de si la vía por la que está circulando dicho vehículo ferroviario es la vía principal (en la que están colocados el/los sensores triaxiales que capturan la señal vibratoria al paso del vehículo ferroviario) o las vías adyacentes. De este modo se ayuda a prevenir situaciones que puedan suponer un riesgo para las personas cuando se están realizando trabajos de mantenimiento u obras en las vías por las que está circulando el vehículo ferroviario.

Encuentra especial aplicación en el ámbito del sector ferroviario.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El documento de patente US 20150251674 A1 presenta un método de detección mediante un generador acústico colocado en un dispositivo móvil (tren), que puede ser ajustado respecto a su espectro de frecuencias para la identificación del dispositivo móvil mediante la detección de la luz retrodispersada de entre un grupo pequeño y finito de frecuencias. Es un método de identificación activo, ya que es el propio tren el que transmite una "firma" (conjunto discreto de frecuencias), que son detectadas al paso del vehículo, reconociéndola e identificándola. Sin embargo, no se hace propiamente un análisis espectral en un intervalo de frecuencias como en la presente invención, sino que sólo se detecta si el conjunto discreto de frecuencias recibido es uno u otro para reconocer el tipo de vehículo. Obviamente ello requiere una buena coordinación entre el gestor de las infraestructuras (vías) y el operador ferroviario.

Sin embargo, el método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias de la presente invención emplea al menos un sensor triaxial (tipo acelerómetrico o microfónico) que captura continuamente la señal de vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía ferroviaria, para detectar la aproximación de vehículos ferroviarios en vía hacia zonas de trabajo, e identificar tanto el tipo de vehículo ferroviario que está circulando, como la vía por la que está circulando, con opción de generar acciones distintas (tipos de informes, avisos o alarmas) en concordancia al tipo de vehículo ferroviario detectado.

Adicionalmente, el método aprovecha una redundancia entre dos tecnologías diferentes, un subsistema analógico y otro subsistema digital para aumentar la seguridad en la detección del vehículo ferroviario.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un primer objeto de la invención se refiere a un método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias, entendiéndose por vehículo ferroviario cualquier tipo de material rodante (vehículo dotado de ruedas capaz de circular sobre una vía ferroviaria). Este método, en un primer escenario, donde únicamente existe una vía principal y no existen vías adyacentes, comprende las siguientes etapas: generar una base de datos experimental que comprende una pluralidad de espectros discretos A correspondientes a señales vibratorias generadas por un tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria cuando el tipo de vehículo ferroviario circula por la vía principal en la que está colocado al menos un sensor (de tipo acelerométrico triaxial o microfónico) configurado para captar una señal vibratoria del paso de un vehículo ferroviario; capturar continuamente la señal correspondiente a la vibración generada por el vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria mediante el sensor dispuesto en dicha vía, donde las vías ferroviarias pueden estar formadas por al menos dos carriles, un conjunto de fijaciones, y un tipo de soporte o una combinación de un tipo de soporte y un tipo de traviesa; digitalizar la señal vibratoria capturada; calcular una transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal; realizar una primera correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos A de la base de datos y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada; seleccionar de la base de datos el espectro discreto A que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido, donde dicho espectro discreto A indica el tipo de vehículo ferroviario y que la vía por la que circula es la vía principal; y se vuelve a monitorizar la señal. Adicionalmente, el método también es capaz de analizar un segundo escenario, en el que además de la vía principal se tiene también en cuenta las vías adyacentes. En este caso, es necesario añadir unas etapas adicionales a las etapas anteriores, de modo que comprende ampliar la base de datos experimental con una pluralidad de espectros discretos B (B1 ,B2, ... ) correspondientes a una vibración generada por un tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria cuando el tipo de vehículo ferroviario circula por una vía adyacente; realizar una segunda correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos B (B1 ,B2, ... ) de la base de datos y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada; y seleccionar de la base de datos el espectro discreto B que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido, donde dicho espectro discreto B indica el tipo de vehículo ferroviario y la vía por la que circula.

Asimismo, el método activa diferentes niveles de alarma que indican el tipo de vehículo ferroviario detectado y de si la vía por la que está circulando es la vía principal o una vía adyacente.

Para obtener un método de detección aun más completo, es posible añadir dos niveles de detección digital adicionales, que únicamente avisan de la presencia o ausencia de un vehículo ferroviario, y que son, un primer nivel de detección digital (primera detección digital) básico y muy rápido y un segundo nivel de detección digital (segunda detección digital) de un nivel superior y más fiable que este primer nivel de detección. De modo, que se realiza una primera detección digital del vehículo ferroviario, de manera que si la señal digitalizada tiene una duración mayor o igual a un tiempo t1 preestablecido y una amplitud mayor o igual a un umbral u1 predefinido entonces se activa un primer nivel digital de alarma que indica que se ha realizado dicha primera detección. A continuación, se realiza también una segunda detección digital del vehículo ferroviario, mediante un análisis de un conjunto de sub-bandas frecuenciales preestablecidas de la señal digitalizada, de manera que si todas las muestras del conjunto de las sub-bandas frecuenciales superan un umbral u2 predefinido durante un tiempo t2 preestablecido entonces se activa un segundo nivel digital de alarma que indica que se ha realizado dicha segunda detección. Para la generación de la base de datos se han tenido que realizar los siguientes pasos: medir experimentalmente la señal vibratoria generada por cada tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria cuando el vehículo ferroviario circula por la vía principal en la que se ha colocado el sensor y cuando el vehículo ferroviario circula por al menos una vía adyacente; digitalizar la señal vibratoria; y calcular una transformada discreta de Fourier de la señal vibratoria digitalizada, generando el espectro discreto para cada tipo de vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria.

Paralelamente a la detección digital del vehículo ferroviario, se realiza también una detección analógica, que busca la rapidez y seguridad en la detección (únicamente se informa de la presencia o ausencia del vehículo ferroviario), de manera que si la señal analógica tiene una duración mayor o igual a un tiempo t3 preestablecido y una amplitud mayor o igual a un umbral u3 predefinido entonces se activa un nivel analógico de alarma que indica que se ha realizado dicha detección analógica y se vuelve a monitorizar la señal; en caso contrario también se vuelve a monitorizar la señal.

Para asegurar un correcto funcionamiento, el método transmite adicionalmente unos tonos piloto a una unidad receptora para informar del estado del sensor, de las conexiones y de los enlaces.

En el caso de no haberse seleccionado ningún espectro discreto de la base de datos por no encontrar coincidencias, el método almacena los datos correspondientes a dicho vehículo ferroviario desconocido para un posterior aprendizaje y reconocimiento de nuevos vehículos ferroviarios.

Un segundo objeto de la invención se refiere a un sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias tal que comprende: al menos un sensor dispuesto en la vía configurado para capturar continuamente una señal correspondiente a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria; unos medios computacionales configurados para: almacenar una base de datos experimental que comprende una pluralidad de señales y sus espectros discretos correspondientes, donde cada señal corresponde a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por cualquier tipo de vía ferroviaria; digitalizar la señal vibratoria capturada; calcular una transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal; correlar el espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos de la base de datos que se corresponden al mismo tipo de vía por la que circula el vehículo ferroviario, y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada; y seleccionar el espectro discreto de la base de datos que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido.

Adicionalmente, el sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias comprende un sistema de activación de niveles de alarma cuando se detecta y/o identifica el vehículo ferroviario.

Un tercer objeto de la invención se refiere a un sistema de aviso que comprende el sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias.

Por tanto, el método de la presente invención presenta las siguientes ventajas respecto a los métodos de detección actuales:

- Identifica el tipo de vehículo ferroviario en cualquier escenario (diferentes tipos de vías) generando avisos o alarmas en concordancia.

- Reconoce mediante técnicas de correlación y análisis espectral, el tipo de vehículo ferroviario e identifica si éste se aproxima por la vía principal donde están instalados los sensores que captan la señal vibratoria que genera el paso del vehículo ferroviario o por las vías adyacentes.

- El vehículo ferroviario no participa activamente en su propia identificación ya que no se usan códigos ID, RFID, o la transmisión de otros identificadores desde el tren. Tampoco requiere instalar generadores en los vehículos ferroviarios, éste es un método de detección pasivo. Con ello se logra una mayor autonomía operativa entre la gestión de la infraestructura, la operación de los vehículos y las tareas de supervisión o mantenimiento.

- Detecta anticipadamente el vehículo ferroviario sin requerir tener el vehículo ferroviario frente al sensor.

- Redundancia entre subsistemas analógicos y digitales para combinar la seguridad con la capacidad de cálculo y para mejor activación de estados fail-safe. Esta redundancia, que cubre desde la detección del paso de un vehículo ferroviario hasta la generación de avisos, aumenta la fiabilidad del sistema de aviso. - Buena independencia operativa entre el ente gestor de las infraestructuras, el operador ferroviario y las empresas de mantenimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para completar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en dónde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra un diagrama de flujo del método de la presente invención para el caso en el que únicamente existe la vía principal (no hay vías adyacentes). Se observa como el subsistema digital comprende la primera correlación del tercer nivel de detección digital.

Figura 2.- Muestra un diagrama de flujo del método de la presente invención para el caso en el que además de existir la vía principal, también existen vías adyacentes. Se observa como el subsistema digital comprende entonces la primera y la segunda correlación del tercer nivel de detección digital.

Figuras 3a y 3b.- Muestran un diagrama de flujo del método de la presente invención para el caso más completo, en el que además de existir la vía principal, también existen vías adyacentes. Se observa como el subsistema digital comprende los tres niveles de detección digital, primer nivel, segundo nivel y tercer nivel de detección digital (primera y segunda correlación). La figura 3b es la continuación de la figura 3a.

Figura 4.- Muestra un ejemplo de una base de datos experimental, que contiene parámetros como el tipo de vehículo ferroviario, tipo de soporte y tipo de traviesa y unos patrones pre-memorizados (espectros discretos) correspondientes a diferentes tipos de vehículo ferroviarios circulando por distintas vías.

Figura 5.- Muestra los dispositivos del sistema que permiten llevar a cabo este método y el sistema de aviso.

A continuación se facilita un listado de las referencias empleadas en las figuras:

1. Vía principal.

2. Vía adyacente.

3. Sensor.

4. Medios computacionales.

5. Unidad receptora. 6. Sistema de aviso. REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

Un primer objeto de la presente invención describe un método de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias que comprende las siguientes etapas:

1. Capturar y monitorizar continuamente una señal (toma continua de medidas en los ejes x,y,z) correspondiente a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía ferroviaria mediante sensores dispuestos en uno o varios puntos de interés a lo largo de la vía. Los sensores pueden ser de tipo acelerométrico o microfónico, preferentemente sensores acelerométricos triaxiales.

2. Amplificar (con amplificadores operacionales o transistores de baja frecuencia) y filtrar la señal vibratoria capturada por el sensor para eliminar ruidos causados por otras fuentes ajenas a la aproximación de un vehículo ferroviario en la vía.

Este primer filtrado se realiza con filtros paso bajo de frecuencia de corte del orden de pocos kHz (no más de 5 kHz, y típicamente del orden del kHz o 500 Hz, según el sensor acelerométrico empleado), preservando en la banda frecuencial de interés, la información en amplitud y frecuencia.

3. Tras este primer filtrado la señal vibratoria captada es enviada, de forma paralela, a dos subsistemas, un subsistema analógico, que busca la rapidez y seguridad en la detección del vehículo ferroviario (únicamente se informa de la presencia o ausencia del vehículo ferroviario) y otro subsistema digital, que además de confirmar dicha detección a diferentes niveles, identifica el tipo de vehículo ferroviario e informa de la vía por la que está circulando dicho vehículo ferroviario.

3.1 El subsistema analógico se encarga de comprobar si la señal vibratoria tiene una duración mayor o igual a un tiempo t3 preestablecido y una amplitud mayor o igual a un umbral u3 predefinido, de este modo, se evita que impulsos cortos y otros ruidos (interferencias, contactos mecánicos no ideales, discontinuidades, golpes en la vía, maquinaria de trabajo/mantenimiento... ) puedan generar falsas alarmas de detección de un vehículo ferroviario. Si la señal vibratoria analógica tiene una duración mayor o igual a t3 y una amplitud mayor o igual al umbral u3, entonces se activa un primer nivel analógico de alarma, indicativo de la presencia de un vehículo ferroviario. Posteriormente, tanto si se ha detectado el vehículo ferroviario como si no, se vuelve a monitorizar la señal.

El procesado es totalmente analógico por lo que no depende de aspectos digitales, como los contadores de programa, que frente a interferencias electromagnéticas fuertes (por ejemplo, maquinaria de obras) podría engañar la ejecución iterativa de los algoritmos (saltos erróneos de contador de programa, borrado parcial o destrucción de memorias, etc).

Este subsistema analógico comprende los siguientes elementos:

Un filtro paso bajo (puede ser tipo RC, y no necesariamente ha de ser activo), con baja variación térmica y robustez ambiental, con frecuencia de corte baja, del orden de pocos Hz (como mucho centenares de Hz, aunque normalmente decenas de Hz). Este filtro actúa como un integrador, ya que necesita un mínimo de continuidad en las vibraciones. Es importante el ajuste de la constante de tiempo de este filtro: un ajuste lento podría no disparar ante vehículos cortos o, simplemente, locomotoras sin vagones, mientras que un ajuste rápido podría disparar por las mencionadas falsas alarmas. Como indicativo, se consideran constantes de tiempo del orden de 2 a 15 segundos.

Un detector de envolvente (preferentemente formado con un circuito constituido por diodos, resistencias y condensadores) cuya salida será detectar la envolvente (amplitud) de las señales vibratorias.

Un detector de nivel (tipo circuito comparador) conectado a la salida del detector de envolvente, que activa la detección cuando su salida supera un umbral de disparo predefinido. El detector está implementado como un comparador analógico, sea basado en transistores o en amplificadores operacionales.

En el caso más básico, el detector de nivel únicamente avisa de la presencia o ausencia de un vehículo ferroviario. Mientras que en un caso más completo, el detector de nivel (con un comparador de ventana) informa de dicha detección con tres niveles de fiabilidad (confianza): presencia segura de vehículo ferroviario, ausencia segura e incertidumbre. Para ajusfar la sensibilidad de este detector de nivel en función del tipo de vía se hace una precalibración entre valores seleccionares con un divisor resistivo y un conmutador (que puede ser mecánico o una red de resistencias ajustable por teclado mediante interruptores de tecnología CMOS).

Un modulador PCM a la salida del detector de nivel para la trasmisión, modulada o en banda base (señal transmitida en la misma banda frecuencial en que se ha captado, sin modular), cableada o por transmitida por radiofrecuencias, hacia el receptor de la información sobre la detección de trenes (centro de control, brigadas de mantenimiento, etc.)

3.2 El subsistema digital (basado en microcomputador, procesador digital de señal, FPGA o dispositivo similar), actúa con independencia del subsistema analógico, complementándolo, ya que además de corroborar la presencia del vehículo ferroviario, también identifica el tipo de vehículo ferroviario que está circulando e informa de si la vía por la que está circulando dicho vehículo ferroviario es la vía principal (en la que están colocados el/los sensores) o las vías adyacentes.

El subsistema digital comprende un conversor analógico/digital (A/D) de no menos de 8 bits, para la digitalización de la señal vibratoria capturada y que sigue a un previo acondicionador de nivel (amplificación para acondicionar el nivel de salida de los sensores al margen dinámico de los conversores A/D, para aprovechar sus prestaciones, y prefiltrado para evitar que los inevitables ruidos ambientales o de causas ajenas al paso de un vehículo ferroviario pudieran enmascarar futuras decisiones), todo ello con o sin un dispositivo de muestreo y mantenimiento (subsistema de sample-and-hold S&H, encargado de mantener constante la señal de los sensores mientras se efectúa el proceso de traducción del dominio analógico a un palabra digital inteligible por los posteriores microprocesadores), dependiendo de la tecnología de conversores A/D empleada. La velocidad de muestreo debe ser de un mínimo teórico de 10 kHz, preferentemente de un mínimo de 50 kHz, aunque este valor es susceptible de un amplio margen de variación entre los Hz y los kHz, dependiendo del sensor acelerométrico empleado, de la resolución (en "g", unidad que toma como referencia la aceleración de la gravedad) y de la sensibilidad deseadas, pues algunos sensores ofrecen prestaciones diferentes al variar la frecuencia de muestreo (velocidad a la cual el procesador adquiere las muestras (palabras digitales) de los acelerómetros).

Este subsistema digital comprende tres niveles de detección de vehículos ferroviarios: un primer nivel de detección digital básico y muy rápido, un segundo nivel de detección digital de un nivel superior y más fiable que el primer nivel de detección y un tercer nivel de detección digital que es el que además de detectar el vehículo ferroviario, identifica el tipo de vehículo ferroviario y aporta información sobre si el paso de dicho vehículo ferroviario se produce por la vía principal (en la que están colocados el/los sensores triaxiales) o por las vías adyacentes. El hecho de saber si el vehículo ferroviario está pasando por la vía principal o por las vías adyacentes, es decisivo, ya que de este modo, en el caso de que el vehículo ferroviario este pasando por las vías adyacentes y no por la vía principal, no es necesario que las personas que están realizando trabajos de mantenimiento en dicha vía retiren los equipos de trabajo (maquinaria), más allá de respetar el gálibo, y puedan continuar con su trabajo.

Un primer nivel de detección digital, que comprende realizar una primera detección digital del vehículo ferroviario, de manera que si la señal digitalizada tiene una duración mayor o igual a un tiempo t1 preestablecido y una amplitud mayor o igual a un umbral u1 predefinido entonces se activa un primer nivel digital de alarma que indica que se ha realizado dicha primera detección (presencia de vehículo ferroviario). Posteriormente, tanto si se ha activado el primer nivel digital de alarma como si no, se pasaría a evaluar un segundo nivel de detección digital.

Dicho en otras palabras, este primer nivel de detección se activa por registro de actividad mantenida en el sensor durante un intervalo de tiempo. Si hay salida de amplitud superior a un umbral predefinido de "g" en el sensor durante toda una ventana temporal de longitud lo suficientemente larga (alrededor de 10 segundos) para que el paso de un vehículo ferroviario no se confunda con una vibración por otros motivos, como golpeteos en la vía.

Este nivel también informa del sentido de la aproximación del vehículo ferroviario (por amplitudes relativas entre diferentes ráfagas temporales de muestreo, ya que la amplitud vibración aumenta al acercarse el vehículo ferroviario al sensor, y disminuye al alejarse; del grado de proximidad del vehículo ferroviario y de la velocidad de paso del vehículo ferroviario.

Un segundo nivel de detección digital, que comprende realizar una segunda detección digital del vehículo ferroviario, mediante un análisis de presencia de energía (de vibraciones) a la salida de un banco de filtros digitales cada uno ajustado a una banda frecuencial diferente dentro de un conjunto de sub-bandas frecuenciales preestablecidas de la señal digitalizada, de manera que si todas las sub-bandas frecuenciales superan un umbral u2 predefinido durante un tiempo t2 preestablecido entonces se activa un segundo nivel digital de alarma que indica que se ha realizado dicha segunda detección (presencia de vehículo ferroviario). Posteriormente, tanto si se ha activado el segundo nivel digital de alarma como si no, se pasaría a evaluar un tercer nivel de detección digital.

Es decir, este segundo nivel de detección detecta vibraciones alrededor de un conjunto mínimo y predefinido de entre 2 y 5 sub-bandas frecuenciales, permitiendo cierto grado de tolerancias, para identificar las vibraciones correspondientes a la aproximación de vehículos ferroviarios de otro tipo de vibraciones. Para ello, se monitoriza si las salidas de unos filtros digitales tipo FIR (de respuesta impulsional finita, más estables) o MR (de respuesta impulsional infinita, de menor tiempo de cálculo), tipo paso-banda y ajustados a las frecuencias que contienen mayor información (del orden de 1 a 10 Hz) superan un umbral u2 predefinido durante un tiempo t2 preestablecido (aproximadamente del orden de 2 a 15 segundos). En caso de que todas las salidas de los filtros digitales superen dicho umbral u2 predefinido durante el tiempo t2 preestablecido se activa la alarma correspondiente.

Por ejemplo, en el caso de tener un máximo de 5 bandas frecuenciales, si se detecta energía vibratoria que supera el umbral u2 durante el tiempo t2 en las 5 bandas (bandas activadas), entonces se activa la alarma de vehículo ferroviario acercándose. Sin embargo, si se detecta energía vibratoria en las 5 bandas pero que no supere el umbral u2 durante el tiempo t2 o se detecta energía vibratoria que supere el umbral u2 durante el tiempo t2 en una, dos, tres o cuatro de las bandas (se entiende que si no hay energía vibratoria en ninguna de las 5 bandas frecuenciales no se aproxima ningún vehículo ferroviario), entonces se repite el filtrado para una nueva trama de medidas de aceleraciones.

Un tercer nivel de detección digital, más lento que los anteriores pero con mayor información, el cual es el objeto principal de la invención, que comprende correlar las muestras espectrales del espectro discreto de la señal que se va obteniendo en tiempo real al paso del vehículo ferroviario con cada uno de los espectros discretos de unos patrones pre-memorizados en una base de datos para identificar el tipo de vehículo ferroviario, e identificar también la vía por la que está circulando, pudiendo ser, la vía principal (en la que están colocados el/los sensores triaxiales) o por las adyacentes. Adicionalmente se activa un nivel de alarma correspondiente que indica el tipo de vehículo ferroviario detectado y la vía por la que circula.

La base de datos se ha generado de forma experimental y comprende una pluralidad de patrones de espectros discretos, donde cada espectro discreto corresponde a una vibración generada por un tipo concreto de vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía ferroviaria, donde las vías ferroviarias están formadas por un tipo de soporte (como es el caso de la vía en placa) o una combinación de un tipo de soporte y un tipo de traviesa (como es el caso del balasto con traviesas de madera u hormigón).

Para la generación de la base de datos se han realizado los siguientes pasos: por un lado, medir experimentalmente la señal vibratoria generada por cada tipo de vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía cuando el vehículo ferroviario circula por la misma vía (vía principal) en la que se han colocado los sensores, y por otro lado, medir experimentalmente la señal vibratoria generada por cada tipo de vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía cuando el vehículo ferroviario circula por las vías adyacentes (por lo general solo habrá una vía adyacente, sin embargo puede darse el caso de haber más de una vía adyacente); digitalizar las señales vibratorias; y calcular la transformada discreta de Fourier de dichas señales vibratorias digitalizadas, generando, por un lado, los espectros discretos para cada tipo de vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía cuando el vehículo ferroviario circula por la misma vía en la que se han colocado los sensores (espectros discretos A) y por otro lado, los espectros discretos para cada tipo de vehículo ferroviario circulando por un tipo cualquiera de vía cuando el vehículo ferroviario circula por una vía adyacente (espectros discretos B1 (vía adyacentel), B2 (vía adyacente2), B3 (vía adyacente3), etc).

Los espectros discretos B (B1 ,B2, ... ) se distinguen de los espectros discretos A principalmente en dos aspectos: su menor amplitud (el sensor mide la señal vibratoria que proviene de las vías adyacentes y no de la vía principal en la que está colocado el sensor) y una mayor atenuación de las altas frecuencias respecto a las bajas, dado el comportamiento paso-bajo de la propagación de ondas de vibraciones mecánicas por el suelo. Este tercer nivel de detección digital calcula una transformada discreta de Fourier de la señal vibratoria capturada por el/los sensores para obtener el espectro discreto de dicha señal. Posteriormente, se realiza una primera correlación del espectro discreto de la señal obtenido con cada uno de los patrones de espectros discretos A de la base de datos que se corresponden a diferentes patrones de espectros discretos de diferentes vehículos ferroviarios circulando por el mismo tipo de vía, habiendo sido evaluados dichos patrones sobre la vía principal, en la que se han colocado los sensores, de modo que se obtiene así un índice de correlación para cada primera correlación efectuada. A continuación, se selecciona de la base de datos el espectro discreto A que presente un mayor índice de correlación (se entiende que no puede haber índices de correlación con el mismo valor) de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido (por ejemplo, umbral de índice de correlación> 0,7), en este caso, si se encuentra dicho índice de correlación se activa un nivel de alarma que además de identificar el tipo de vehículo ferroviario que está circulando, identifica también que la vía por la que circula es la vía principal (donde están instalados los sensores) y se volvería a capturar y monitorizar la señal. Obviamente, el umbral de índice de correlación se puede modificar de acuerdo a diferentes criterios.

Sin embargo, en el caso de que ninguno de los índices de correlación supere el umbral predefinido se pasa a realizar una segunda correlación del espectro discreto de la señal obtenido con cada uno de los patrones de espectros discretos B (B1 ,B2, ... ) de la base de datos que se corresponden a diferentes patrones de espectros discretos de diferentes vehículos ferroviarios circulando por el mismo tipo de vía, habiendo sido evaluados dichos patrones sobre las vías adyacentes, de modo que se obtiene así un índice de correlación para cada segunda correlación efectuada. A continuación, se selecciona de la base de datos el espectro discreto B (B1 ,B2, ... ) que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido (por ejemplo, umbral de índice de correlación> 0,7), en este caso, si se encuentra dicho índice de correlación se activa un nivel de alarma que además de identificar el tipo de vehículo ferroviario que está circulando, identifica también la vía adyacente por la que circula, de tal manera que no es necesario que las personas que están realizando trabajos de mantenimiento en la vía principal (en la que están colocados los sensores) retiren los equipos de trabajo colocados sobre dicha vía principal, y se volvería a capturar y monitorizar la señal. En el caso de que ninguno de los índices de correlación (de la primera correlación y la segunda correlación) supere el umbral predefinido se volvería a monitorizar la señal y se almacenaría una información de presencia de tipo de vehículo ferroviario no identificado (si hay vehículo ferroviario), para la gestión de una base de datos que podrá usarse, por ejemplo, para el posterior aprendizaje y reconocimiento de nuevos vehículos ferroviarios. La información almacenada puede contener datos como la hora y minuto y/o el espectro discreto de vibraciones producido, o sólo sus principales parámetros para reducir requisitos de almacenamiento.

La operación de correlación conlleva comparar las secuencias de muestras correspondientes a una ráfaga vibratoria con otras secuencias correspondientes a ráfagas tipo que identifican diferentes situaciones, según se busque la identificación del tipo de vehículo ferroviario o la identificación del tipo de vía de paso. Se enfatiza el término correlar pues matemáticamente permite hacer la comparación independientemente del tiempo de inicio de cada secuencia, sólo por la forma de ésta. Sin embargo, en la presente invención, aunque se podrían correlar la muestras temporales (las captadas directamente de los sensores), el término correlar se refiere a la correlación de muestras espectrales: ello significa hacer una transformada rápida de Fourier (tipo FFT), que genera una secuencia de muestras discretas, cada una de ellas correspondiente a un determinada frecuencia (de ahí el nombre de muestras espectrales), y es ésta la secuencia que se córrela con los patrones de espectros discretos.

Se describe a continuación un ejemplo particular para entender mejor la invención. En la figura 4 se muestra una base de datos (tabla) que contiene los espectros discretos de unos patrones pre-memorizados en el que se tienen 3 vías (la vía principal y dos vías adyacentes) donde X, Y, Z,... representan diferentes tipos de vehículos ferroviarios (por ejemplo Alvia, AVE, locomotora, mercancías, cercanías,... ). Cada vehículo ferroviario genera un espectro de vibraciones en función del tipo de vía sobre el que está circulando, con lo que hay varios patrones de espectros (frecuencias que se activan y amplitudes a las frecuencias más significativas) para cada tipo de vehículo ferroviario. La columna relativa a los espectros discretos A se refiere a los patrones pre-memorizados correspondientes al espectro discreto de diferentes tipos de vehículos ferroviarios circulando por un tipo de vía, cuando la vía de paso es la vía principal, en la que están colocado el/los sensores. Las columnas relativas a los espectros discretos B (columna B1 y B2) se refieren a los patrones pre-memorizados correspondientes al espectro discreto de los diferentes tipos de vehículos ferroviarios circulando por las vías adyacentes, donde los espectros discretos B1 corresponden a la vía adyacentel y los espectros discretos B2 corresponden a la vía adyacente2.

Los datos que se van obteniendo conforme se va ejecutando cada etapa del método (presencia de vehículos ferroviarios en vía, tipos de vehículos ferroviarios, etc) son almacenados localmente (en una base de mediciones) y transmitidos por cable o radio a una unidad receptora (central de alarmas, salas de control centralizado, brigadas de mantenimiento que están trabajando en las vías afectadas, etc) que los gestiona. Las diferentes conexiones y enlaces entre los elementos del sistema pueden realizarse por cable o mediante tecnología inalámbrica.

Adicionalmente, el método comprende transmitir, continua o discontinuamente, unos tonos piloto (frecuencias fijas) o unos códigos digitales, a una unidad receptora para informar (en aplicaciones tolerantes a fallos) del estado de atención de los sensores y de la fiabilidad de las conexiones y de los enlaces (radio o cableados).

En la figura 1 se observa el método de la presente invención representado mediante un diagrama de flujo para el caso en el que únicamente existe la vía principal (no hay vías adyacentes). Se observa, por un lado, el subsistema analógico y por otro lado, y funcionando en paralelo, el subsistema digital que comprende la primera correlación del tercer nivel de detección digital, donde dicha primera correlación permite identificar el tipo de vehículo ferroviario y aporta información sobre si el paso de dicho vehículo ferroviario se produce por la vía principal (en la que están colocados el/los sensores triaxiales) o no. Por tanto, en esta figura 1 no se muestra ni el primer nivel de detección digital ni el segundo nivel de detección digital.

Como se muestra en la figura 1 , en la etapa 100, el método captura y monitoriza de manera continua la señal vibratoria. En la etapa 101 , el método realiza un filtrado de ruidos y acondicionamiento de nivel. La etapa 102 (subsistema analógico) realiza una detección analógica del vehículo ferroviario y paralelamente, la etapa 1 10 (subsistema digital) realiza una detección digital del vehículo ferroviario.

Tras la etapa 102, el método realiza una detección de envolvente, un filtrado y una comparación (etapa 103). En la etapa 104 el método determina si se ha superado un umbral predefinido durante un tiempo. Si se supera dicho umbral se activa una alarma indicativa de presencia de vehículo, etapa 105, y el método continúa en la etapa 100. Si no se supera el umbral predefinido durante un tiempo no se activa ninguna alarma de detección de presencia de vehículo ferroviario y el método continúa en la etapa 100. Tras la etapa 1 10, el método digitaliza la señal vibratoria capturada (etapa 1 11) y a continuación, en la etapa 112, se calcula la transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal. En la etapa 113 se realiza una primera correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos A de la base de datos obteniéndose un índice de correlación para cada correlación efectuada, y se verifica (etapa 1 14) si el espectro discreto de la señal coincide con algún espectro discreto A. En el caso de que coincida, el método activa una alarma (etapa 1 15) informando del tipo de vehículo ferroviario y que la vía por la que circula es la vía principal y se vuelve a la etapa 100; en caso contrario (de que ninguno coincida) también se vuelve a la etapa 100.

La figura 2 muestra el método de la presente invención representado mediante un diagrama de flujo para el caso en el que además de existir la vía principal, también existen vías adyacentes. En este caso, el subsistema digital comprende la primera correlación y una segunda correlación del tercer nivel de detección digital. Por tanto, esta figura 2 comprende el diagrama de flujo de la figura 1 , donde en el caso de que ningún espectro discreto A coincida con el espectro discreto de la señal, en lugar de volver a la etapa 100, se pasaría a realizar una segunda correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos B (B1 ,B2, ... ) de la base de datos (etapa 1 16) obteniéndose un índice de correlación para cada correlación efectuada, y se verifica (etapa 1 17) si el espectro discreto de la señal coincide con algún espectro discreto B (B1 ,B2, ... ). En el caso de que coincida, el método activa una alarma (etapa 1 18) informando del tipo de vehículo ferroviario y la vía por la que circula y se vuelve a la etapa 100; en caso contrario (de que ninguno coincida) se guardan los datos correspondientes al vehículo ferroviario desconocido (si hay) (etapa 1 19) y se vuelve a la etapa 100.

En la figura 3 se observa el método de la presente invención representado mediante otro diagrama de flujo, donde se puede observar, por un lado, el subsistema analógico (que es el mismo que el de la figura 1 y 2) y por otro lado, y funcionando en paralelo, el subsistema digital que en este caso comprende el primer nivel de detección digital, el segundo nivel de detección digital y el tercer nivel de detección digital, donde el tercer nivel de detección comprende la primera y la segunda correlación. Se enumeran a continuación las etapas del subsistema digital 210 de esta figura 3. En la etapa 211 el método digitaliza la señal vibratoria capturada y a continuación, en la etapa 212 se realiza el primer nivel de detección digital, donde se evalúa si hay detección o no de vehículo ferroviario (etapa 213). Si ha habido detección de vehículo ferroviario, el método activa un primer nivel digital de alarma (etapa 214) y pasa a la etapa 215, mientras que si no ha habido detección de vehículo ferroviario se pasaría directamente a la etapa 215. En la etapa 215 se realiza el segundo nivel de detección digital, donde también se evalúa si hay detección o no de vehículo ferroviario (etapa 216). Si ha habido detección de vehículo ferroviario, el método activa un segundo nivel digital de alarma (etapa 217) y pasa a la etapa 218, mientras que si no ha habido detección de vehículo ferroviario se pasaría directamente a la etapa 218. A partir de aquí, el método ejecutaría el tercer nivel de detección digital (primera y segunda correlación) y por tanto, las mismas etapas que el método de la figura 2, es decir, en la etapa 218, se calcula la transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal. En la etapa 219 se realiza una primera correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos A de la base de datos obteniéndose un índice de correlación para cada correlación efectuada, y se verifica (etapa 220) si el espectro discreto de la señal coincide con algún espectro discreto A. En el caso de que coincida, el método activa una alarma (etapa 221) informando del tipo de vehículo ferroviario y que la vía por la que circula es la vía principal y se vuelve a la etapa 100; en caso contrario (de que ninguno coincida) se realiza una segunda correlación del espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos B (B1 ,B2, ... ) de la base de datos (etapa 222) obteniéndose un índice de correlación para cada correlación efectuada, y se verifica (etapa 223) si el espectro discreto de la señal coincide con algún espectro discreto B (B1 ,B2, ... ). En el caso de que coincida, el método activa una alarma (etapa 224) informando del tipo de vehículo ferroviario y la vía por la que circula y se vuelve a la etapa 100; en caso contrario (de que ninguno coincida) se guardan los datos correspondientes al vehículo ferroviario desconocido (si hay) (etapa 225) y se vuelve a la etapa 100.

En la figura 4 se muestra un ejemplo de una base de datos experimental.

Un segundo objeto de la invención describe un sistema que comprende el/los sensores y los medios computacionales (computador con procesador) configurados para llevar a cabo el método anterior.

Tal y como se muestra en la figura 5, dicho sistema comprende por tanto al menos un sensor (3) dispuesto en la vía configurado para capturar y monitorizar continuamente una señal correspondiente a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por un tipo de vía cualquiera; unos medios computacionales (4) configurados para: almacenar una base de datos experimental que comprende una pluralidad de señales y sus espectros discretos correspondientes, donde cada señal corresponde a una vibración generada por un vehículo ferroviario circulando por una vía cualquiera, digitalizar la señal vibratoria capturada, calcular una transformada discreta de Fourier de dicha señal para obtener un espectro discreto de la señal, correlar el espectro discreto de la señal con cada uno de los espectros discretos de la base de datos que se corresponden al mismo tipo de vía por la que circula el vehículo ferroviario, y obtener un índice de correlación para cada correlación efectuada, y seleccionar el espectro discreto de la base de datos que presente un mayor índice de correlación de entre aquellos índices de correlación que sean mayores de un umbral predefinido, cuando al menos uno de los índices de correlación supera el umbral predefinido. El sistema adicionalmente comprende un sistema de activación de niveles de alarma cuando se detecta e identifica el vehículo ferroviario.

Un tercer objeto de la invención describe un sistema de aviso (6), representado en la figura 5, que comprende el sistema de detección e identificación de vehículos ferroviarios en vías ferroviarias.

La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.