AT413973B - Verfahren und einrichtung zur überwachung der zugvollständigkeit - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Zugvollständigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solches Verfahren wurde z.B. durch die DE 198 02 896 A1 bekannt. Bei diesem bekannten 5 Verfahren ist am Zugsende eine Einrichtung angeordnet, die in der Bremsleitung Druckwellen erzeugt. Am Führungsfahrzeug sind Sensoren angeordnet, die auf die Druckwellen ansprechen und entsprechende Signale abgeben. Dies ist aber nur bei intakter durchgehender Bremsleitung möglich. Bei Abtrennung eines Waggons während der Fahrt bleiben die Druckwellen auf der Bremsleitung aus und am Führungsfahrzeug wird ein entsprechendes Signal ausgelöst. 10

Durch die US 5 507 457 A wurde bereits vorgeschlagen eine Laufzeitmessung eines Drucksignals über die Bremsleitung durchzuführen. Dabei ist am Ende des Zuges eine Zugsende-Einheit vorgesehen, die über Funk mit einer Steuereinheit der Lokomotive kommuniziert. Hierbei wird eine Druckwelle an der Steuereinheit am Zugsanfang erzeugt, und die Ankunft der 15 Druckwelle über die Bremsleitung am Zugsende erfasst und ein entsprechendes Signal per Funk an die Steuereinheit gesandt, woraufhin die Laufzeit der Druckwelle von der Steuereinheit bis zum Zugsende errechnet wird. Somit ist für das System bzw. das bekannte Verfahren eine eigene Zugsende-Einheit erforderlich. 20 Dies stellt jedoch eine erhebliche Erschwerung des Betriebs und auch eine Fehlerquelle dar, die entsprechende sichere Betriebsverfahren erfordert. Dies gilt insbesondere für das Zusammenstellen von Zugsgarnituren zu Zügen, bzw. bei jedem An- und Abkoppeln von Waggons, da dann jedes Mal eine entsprechende Zugsende-Einheit am aktuellen Zugsende montiert bzw. aktiviert werden müsste. Außerdem ist auch ein entsprechender apparativer Aufwand erforder-25 lieh.

Durch die DE 197 11 772 C1 wurde vorgeschlagen, eine eigene elektrische oder optische Prüfleitung vorzusehen, die vorzugsweise gemeinsam mit der Bremsleitung verlegt werden kann. Dabei wird jedoch die Bremsleitung selbst nicht zur Vollständigkeitsprüfung herangezogen. 30 Dadurch ergibt sich jedoch der Nachteil, dass die Bremsleitung lediglich indirekt geprüft werden kann.

Ziel der Erfindung bist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich einfach und mit großer Sicherheit durchführen lässt und 35 nur einen relativ geringen apparativen Aufwand erfordert.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht. 40 Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es auf einfache Weise möglich die Integrität eines Zugsverbandes zu überwachen. Dabei sind bei der Zusammenstellung eines Zugsverbandes keine besonderen Maßnahmen zu ergreifen, wie dies bei den bekannten Verfahren der Fall ist, bei denen am Zugsende entweder besondere Einrichtungen montiert werden müssen oder solche speziell aktiviert werden müssen. Da am Zugsende die Bremsleitung in jedem Fall abge-45 schlossen sein muss, um ein Abfahren des Zugverbandes zu ermöglichen, sind nach dem vorgeschlagenen Verfahren keine besonderen Maßnahmen erforderlich. Auch beschränkt sich der apparative Aufwand auf eine entsprechende Ausrüstung des Führungsfahrzeuges mit einem entsprechend angesteuerten Signalgeber, der die Bremsleitung beaufschlagt, und Sensoren zur Erfassung der reflektierten Signale, sowie eine Auswerteeinrichtung. 50

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen Durchführung des Verfahrens mit einem nur geringen apparativen Aufwand.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ist eine einfache Auswertung der reflektierten Signale, 55 insbesondere Schallwellen auch dann möglich, wenn Störsignale in einem erheblichen Ausmaß 3

AT 413 973 B in die Bremsleitung eingekoppelt werden, z.B. das Überfahren von Schienenstößen oder durch lockere Bremsgestänge und andere Schallquellen.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 4 vorzu-5 sehen. Diese Maßnahmen ermöglichen es, aus dem empfangenen Signalgemisch, insbesondere einem Gemisch von Schallsignalen, die Reflexionen der in die Bremsleitung eingekoppelten Signale herauszufiltern und in weiterer Folge deren Laufzeit zu berechnen und so auf die Länge des Zugsverbandes schließen zu können. io Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzuschlagen.

Ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5, werden die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 vorgeschlagen. 15

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen kann auf sehr einfache Weise die Integrität eines Zugsverbandes überprüft werden. Dabei hält sich der apparative Aufwand in relativ engen Grenzen. 20 Durch die Merkmale des Anspruches 5 können die erfassten Signale sehr einfach ausgewertet werden, wobei für die Auswertung ein den jeweiligen Verhältnissen angepasster Algorithmus verwendet werden kann.

Die Merkmale des Anspruches 6 ermöglichen eine einfache Anzeige des Ergebnisses der 25 Überprüfung der Zugintegrität. Außerdem können einfache Referenzwerte eingespeichert werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen Ausführungsformen dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt: 30

Fig. 1 schematisch einen Zugsverband mit einer Einrichtung zur Überwachung der Zugintegrität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung und

Fig. 3 ein bevorzugtes Verfahren zur Auswertung der empfangenen Signale. 35

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Zugsverband 1 mit einem Führungsfahrzeug 1.1, Fahrzeugen 1.2 bis 1 .n, durch den sich eine Bremsleitung 2 erstreckt, die am letzten Fahrzeug 1 .n mit einem Luftabsperrhahn 3 abgesperrt ist. 40 Im Bereich des Führungsfahrzeuges 1.1 ist an der Bremsleitung 2 ein Signalgeber 4 in Form eines Lautsprechers angebracht, der Signale, beim dargestellten Ausführungsbeispiel in Form von Schallsignalen, in die Bremsleitung 2 einkoppelt.

Weiters ist im Bereich des Führungsfahrzeuges 1.1 eine Mikrofonanordnung 5 an der Bremslei-45 tung 2 angeordnet, die zur Erfassung von an dem Luftabsperrhahn 3 des letzten Fahrzeuges 1 .n des Zugsverbandes 1 reflektierten Schallsignalen dient.

Diese Mikrofonanordnung 5 und der Signalgeber 4 sind mit einer Auswerteschaltung 6 verbunden. 50

Die Mikrofone der Mikrofonanordnung 5 messen die Stärke der Schallwellen, vorzugsweise den Schalldruck der Schallwellen und wandeln die Schallenergie in elektrische Signale um. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Mikrofone ein Analogsignal als Funktion der Zeit erzeugen, das proportional zum einwirkenden Schalldruck ist. 55 4

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Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus der Auswerteschaltung 6. Dabei sind die Mikrofone 5 mit einer Signal-Konditionierschaltung 7 eingangsseitig verbunden, wobei die Signal-Konditionierschaltung eine Verstärkung der analogen Signale durchführt, die z.B. zwischen 100 - 1000 liegen kann. Es ist aber auch möglich eine automatische Einstellung der Verstär-5 kung vorzusehen.

Der Signal-Konditionierschaltung 7 ist ein Analog/Digital-Konverter 8 nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit einer Prozessoreinheit CPU verbunden ist, die über eine Ausgangsleitung 9, ein dem Ergebnis der Überprüfung der Zugintegrität entsprechendes Signal abgibt. Dabei ist die io Prozessoreinheit CPU mit einem Arbeitsspeicher RAM und einem Datenspeicher 10, sowie einer Benutzer-Schnittstelle 11 und einem Monitor 12 verbunden und steuert diese.

Weiters ist die Prozessoreinheit CPU ausgangsseitig über einen Digital/Analog-Wandler 13 und einen Audioverstärker 4 mit einem Lautsprecher 4 verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann 15 an der Prozessoreinheit CPU ausgangsseitig ein Ventil 15 angeschlossen sein, das in einer Pneumatikleitung 16 angeordnet ist, die einen Lautsprecher 4 versorgt.

Als günstig für das erfindungsgemäße Verfahren erscheinen Abtastraten für den A/D-Wandler zwischen 4kHz und 50kHz, wobei der Bereich zwischen 6KHz und 16kHz besonders vorteilhaft 20 erscheint. Die Auflösung des A/D-Wandlers liegt dabei vorteilhafterweise im Bereich von 8 bis 24 bit, vorzugsweise im Bereich 12 bis 20 bit.

Die Prozessoreinheit dient zur Ausführung von Berechnungsschritten, um die von der Mikrofonanordnung erfassten reflektierten Schallsignale des Lautsprechers 4 von teilweise hohe Energi-25 en aufweisenden Störsignalen zu unterscheiden und die Laufzeit der vom Lautsprecher 4 eingekoppelten Schallsignale bis zum Eintreffen der vom Luftabsperrhahn 3 reflektierten Schallwellen zu ermitteln, bzw. aus dieser Laufzeit die Länge des Zugsverbandes abzuleiten und so die Zugintegrität zu überprüfen. 30 Die Ergebnisse dieser Überprüfung können "on-line" oder "off line" auf dem Monitor angezeigt werden. Die Ergebnisse der Überprüfung der Zugintegrität kann über weitere Schnittstellen an weitere Auswerteeinheiten weiter geleitet werden. Über die Benutzer-Schnittstelle können einsprechende Eingaben durchgeführt werden, wobei 35 die Benutzerschnittstelle 11 in beliebiger Weise, z.B. als Maus oder eine Tastatur oder als Bildschirm mit Berührungseingabe ausgebildet sein kann.

Die Fig. 3 zeigt in Form eines Blockdiagramms ein Verfahren zur Analyse der akustischen Signale. Dabei gelangen die von der Mikrofonanordnung 5 erfassten und von dieser umgewan-40 delte Signale über den Analog/Digital-Wandler 7 zu einer zeitlichen Segmentierung 20. Diese dient dazu, um die diskreten Zeitsignale in zeitliche Blöcke zu unterteilen, wobei die Blocklänge zwischen 50ms und 1500ms liegen kann. Dabei werden die zeitlichen Blöcke mit einer Überlappung aus dem Signal extrahiert. 45 Diese Überlappung dient dazu, die Auflösung zu erhöhen und kann zweckmäßigerweise Werte zwischen 20% und 70% annehmen.

Dabei wird auch eine Merkmalsextraktion durchgeführt, die eine Berechnung der charakteristischen Eigenschaften eines jeden Blocks und eine nachträgliche Klassifikation erleichtert. Der so Signalblock wird somit durch eine Transformation in eine für die weitere Verarbeitung geeignete parametrische Form gebracht. Durch die Merkmalsextraktion wird auch eine Reduktion der Datenmenge und eine Hervorhebung jener Variabilitäten erreicht, die zur Identifikation eines akustischen Signals hilfreich bzw. notwendig sind. Weiters werden jene Variabilitäten, die einzelne Schallquellen, Umgebungseinflüsse, sowie akustische und elektrische Übertragungsei-55 genschaften charakterisieren, ausgeblendet. 5

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Im Anschluss werden jene Charakteristika, die durch die Merkmalsextraktion berechnet werden im Detail beschrieben.

Dabei steht die Variable t für die Zeit, T für die Länge eines Signalblockes, sft) bezeichnet des 5 Signal im Zeitbereich des i-ten Blockes, srfw) das Frequenzspektrum des i-ten Blockes. Die Variable w entspricht der Momentanfrequenz.

Zur Merkmalsextraktion sind ein Spektral-Analysator 21, ein Cepstral-Analysator 22 und eine Einheit 23 zur Berechnung der Signalenergie vorgesehen, denen ein Klassifikator 24 nachge-io ordnet ist, wobei diese Teile nicht als diskrete Bauteile zu verstehen sind, sondern als Funktionseinheiten, die in der Prozessoreinheit CPU integriert sind.

Der Spektral-Analysator 21 transformiert die einzelnen Signalblöcke vom Zeitbereich in einen Frequenzbereich. Diese Transformation kann zweckmäßigerweise mittels Fourier Transformati-15 on durchgeführt werden. Besonders gut eignet sich dazu die Fast Fourier Transformation (kurz FFT genannt). Die FFT entspricht einer digitalen Approximation der Fourier Transformation. Die Fourier Transformation einer Funktion s(t) ist wie folgt definiert: S(w) = a$t)e2ni,,dt 20

Der Ausgang des Spektral-Analysators 21 entspricht dem Leistungsdichtespektrum des Signals am Eingang und beschreibt die Höhe der Energie an einem bestimmten Frequenz-bin. Die Anzahl der Frequenz-bins ist abhängig von der Anzahl der diskreten Abtastwerte, die für die Fourier-Transformation aus dem zeitlichen Signal entnommen werden, und steht in direktem 25 Zusammenhang mit der oben erwähnten Blocklänge T. Die durch den Spektralanalysator 21 berechneten Spektren werden anschließend in die Dimensionsreduktion übergeben, die unten genauer erläutert wird. Neben der Fourier-Transformation zur Berechnung des spektralen Inhaltes eines Zeitsignales können auch andere Methoden, wie z.B. das Linear Prediction Coding eingesetzt werden. 30

Der Cepstral-Analysator dient wie auch der Spektral-Analysator zur Berechnung von Merkmalen zur Charakterisierung der akustischen Signale. Das Cepstrum eines zeitlichen Signales wurde durch die Fourier-Transformation des logarithmierten Leistungsdichtespektrums erhalten und ist wie folgt definiert: 35 C(t) = FFT1 {iog(FFT\s(t)})} = FFT1 {log S(w)}

Die Cepstral-Koeffizienten weden dabei mit c(t) bezeichnet; FFT steht als Abkürzung für die Fast-Fourier-Transformation und FFT1 bezeichnet die inverse Fast-Fourier-Transformation. 40

Nach der Berechnung der Cepstral-Koeffizienten werden diese an die Dimensionreduktion übergeben, wo diese weiter verarbeitet werden. Die Berechnung des Cepstrums kann auch unter Verwendung des bereits berechneten Spektrums aus der Fourier-Transformation erfolgen. Dabei kann ein Berechnungsschritt eingespart werden. 45

Als weiteres Merkmal zur Beschreibung von akustischen Signalen dient die Energie. Allgemein wird die Beziehung zur Ermittlung der Signalenergie durch die folgende Gleichung beschrieben: + □*

En = Fs2(t) 50 ·°ΐ

Da zur Beschreibung von akustischen Signalen der Verlauf der Energie in Abhängigkeit von der Zeit entscheidend ist, eignet sich besonders der Einsatz der Kurzzeit-Signalenergie. Sie ist definiert als: E„= ns(k)-w(t-k)]2 k=-Oi 55 6

AT 413 973 B wobei

1 für 0 t T w(t) = 5 0 für sonst

Durch die Wahl der Fensterlänge kann der erhaltene Verlauf der Signalenergie wesentlich beeinflusst werden. Die Verwendung großer Fensterlängen entspricht einer Tiefpassfilterung mit einer niedrigen Grenzfrequenz und hat zur Folge, dass kurzzeitige Schwankungen des Signals io in der Signalenergie nicht widergespiegelt werden. Kurze Fensterlängen ergeben hingegen einen Verlauf der Signalenergie, der sich weitgehend an die zeitliche Struktur des akustischen Signals anlehnt. Die Blocklängen T zur Berechnung der Energie entsprechend den oben angeführten Werten und können zwischen 50ms und 1500ms liegen. Die berechneten Werte werden im Anschluss an die Dimensionsreduktion übergeben, deren Funktion im folgenden beschrie-15 ben wird.

Der Cepstral-Analysator liefert wie auch der Spektral-Analysator einen Merkmalsvektor, indem die berechneten Cepstral-Koeffizienten enthalten sind. Die Dimension des vom Cepstral-analysator gelieferten Vektors liegt im allgemeinen zwischen 25 = 32 und 216 = 65536. Durch 20 eine auf dem Gebiet der digitalen Signal Verarbeitung allgemein bekannte Technik des "Lifterns" werden aus dem erhaltenen Vektor der Cepstral-Koeffizienten nur jene, die die Charakteristik des akustischen Signals wiederspiegeln, weiterverwendet. Die Lifterung wird durch den Einsatz einer Fensterfunktion durchgeführt, die mit dem Merkmalsvektor multipliziert wird:

25 CL(t) : = m)· W(t) 1=0 wobei 0 für 0 t h 30 w(t) = 1 für f, t t2 0 für *2 t T

Cl bezeichnet dabei den reduzierten (gelifterten) Merkmalsvektor, w(t) steht für die Fensterfunktion; t1 und t2 stehen für die Grenzen, innerhalb derer die Fensterfunktion den Wert gleich eins 35 annimmt. Durch diesen Vorgang der Lifterung wird ein dimensionsreduzierter Merkmalsvektor erhalten, der an den nachfolgenden Klassifikator übergeben wird.

Der erhaltene Merkmalsvektor wird im Anschluss im Klassifikator, der ebenfalls in der Prozessoreinheit integriert ist, weiterverarbeitet. Die Merkmalsvektoren einer Signalklasse sind einan-40 der meist ähnlich, die Merkmalsvektoren verschiedener Signalklassen unterscheiden sich meist sehr stark voneinander. Die Zuordnung eines Merkmalsvektors zu der definierten Klasse wird als Klassifikation bezeichnet.

Zur Erfassung der Signal-Anomalien (z.B. defektes Rad) im detektierten Signalgemisch ist es 45 notwendig, eine Methode zur Quellentrennung heranzuziehen. Dabei wird angenommen, dass durch m Mikrofone die Signale Sj(t) aufgenommen werden, die durch eine Mischung A aus n Quellen q,(k) entstanden sind. Das Ziel besteht in der Rekonstruktion der Quellensignale.

Da in der Akustik die Ausbreitungsgeschwindigkeit relativ gering ist, erreichen die Signale die so Mikrofone zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dies führt zu einer zeitverzögerten Überlagerung der Quellen. Die Quellensignale erreichen die Mikrofone nicht klar, sondern als Summe zeitverzögerter Kopien von ihnen. Das entspricht einer Mischung und einer Filterung, da zwischen jeder Quelle qi und jedem Mikrofon zum Teil unterschiedliche Impulsantworten a,j auftreten. Das Signal kann daher folgendermaßen dargestellt werden: 55

Claims (7)

1. 7 AT 413 973 B Sj(t)= ? ayjkq,(t-k) + k=0 + fBMtkqN(t-k) = aij*q1 + k=0 + aNj Qw Zur Trennung dieser Signale können Algorithmen, verwendet werden, die aus der Literatur 5 bekannt sind. Insbesondere eignen sich der BSCM (Blind Separation Convolved Mixtures)-Algorithmus, spatio-temporale Algorithmen oder ICA-basierte (Independent Component Analysis) Algorithmen. io Patentansprüche: 1. Verfahren zur Überwachung der Zugvollständigkeit bei einem Zugsverband (1) mit einer durchgehenden unter Druck stehenden Bremsleitung (2), die sich vom ersten bis zum letzten Fahrzeug (1.n) des Zugsverbandes (1) erstreckt, wobei mittels Sensoren (5) nahe des 15 Zugsanfangs Signale von der Bremsleitung (2) abgenommen und ausgewertet werden, die am Ende des letzten Fahrzeuges (1.n) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom ersten Fahrzeug (1.1) des Zugsverbandes (1) aus Signale in die Bremsleitung (2) eingekoppelt und die vom abgeschlossenen Ende der Bremsleitung (2) reflektierten Signale mittels der Sensoren (5) erfasst und deren Laufzeit errechnet wird. 20
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bremsleitung (2) ein Schallsignal eingekoppelt wird und der reflektierte Schall mit Mikrofonen (5) erfasst wird.
3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Senso- 25 ren, insbesondere den Mikrofonen (5), erfassten Signale gegebenenfalls nach einer Kondi tionierung einer zeitlichen Segmentierung unterzogen und die segmentierten Signale einer Merkmalsextraktion unterzogen und die extrahierten Signalanteile einer Klassifikation unterzogen werden.
4. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Merkmalsextraktion eine Spektralanalyse, eine Cepstralanalyse und eine Analyse des Energieinhalts durchgeführt wird.
5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der 35 nahe des Zugsanfangs Sensoren (5) an der Bremsleitung (2) angebracht sind, die mit einer Auswerteeinrichtung (6) verbunden sind, wobei die Bremsleitung (2) am Ende des Zugsverbandes (1) mit einem Absperrhahn (3) angesperrt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Bremsleitung (2) im dem Zugsanfang nahen Bereich ein Schallgeber (4) an der Bremsleitung (2) angebracht ist und nahe dem Schallgeber eine Mikrofonanordnung (5) an der 40 Bremsleitung (2) angebracht ist, die ebenso wie der Schallgeber (4) mit einer Auswerte schaltung (6) verbunden sind.
6. 6. Einrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (6) eine mit der Mikrofonanordnung (5) eingangsseitig verbundene Signal-Konditionier- 45 Einrichtung (7) umfasst, die über einen A/D-Konverter (8) mit einer Prozessoreinheit (CPU) verbunden ist, die mit Datenspeicher (10) und einem Arbeitsspeicher (RAM) verbunden ist.
7. 7. Einrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Prozessoreinheit (CPU) eine Benutzerschnittstelle (11) und ein Monitor (12) angeschlossen sind. 50 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 55