AT517550B1 - Vorrichtung zum Vermessen der Lage eines Gleises - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Vermessen der Lage, nämlich des Abstandes und der Höhe, einer Gleisachse (33) eines Gleises (6) bezüglich eines neben dem Gleis (6) angeordneten Festpunktes (5) mit einer laufwerkgebundenen, gleisfahrbaren Messvorrichtung (3) mit einem Lichtmesssystem beschrieben. Um vorteilhafte Messverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass, um die Position des Festpunktes (5) gegenüber der Gleisachse (33) während einer kontinuierlichen Vorbeifahrt vorteilhaft messen zu können, die auf einem Träger (28) angeordnete Messvorrichtung wenigstens eine Kamera (3, 14) mit Optik (34) und in Laufwerkslängsrichtung (36) dazu versetzt wenigstens eine senkrecht zur Laufwerkslängsrichtung fächerförmiges Licht (20, α) abstrahlende Lichtquelle (13) umfasst, wobei eine Recheneinheit (12) den Abstand und den Höhenversatz der Gleisachse (33) zum Festpunkt (5) aus den Kamerabilddaten errechnet.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Vermessen der Lage, nämlich des Abstandes und der Höhe, eines Gleises bezüglich eines neben dem Gleis angeordneten Festpunktes mit einer laufwerkgebundenen, gleisfahrbaren Messvorrichtung mit einem Lichtmesssystem.

[0002] Gleisanlagen sind fest vermarkt. Darunter versteht man, dass die absoluten Gleiskoordinaten in Landeskoordinaten vermessen sind. Dazu werden durch den Vermessungsdienst der Bahnen an den Fahrleitungsmasten runde Bolzen angebracht. Deren vorderes Ende ist in Absolutkoordinaten eingemessen und bildet den Referenzpunkt für das Gleis. Die Soll-Lage des Gleises wird durch die Angabe der Soll-Höhe und des Soll-Abstandes (vertikal lotrecht und horizontal senkrecht auf die Lotachse) bezogen auf die Gleisachse definiert.

[0003] Im Zuge der Beanspruchung durch den Verkehr setzt sich das Gleis, es verändert also seine Höhenlage, und es kommt zu Gleislagefehlern. Daher wird vor Durchführung einer Instandhaltungsarbeit des Gleises, wodurch dieses wieder in seine Soll-Gleislage gebracht werden soll, die aktuelle Position des Gleises in Bezug auf die Festpunkte an den Masten gemessen. Durch Differenzbildung der Sollwerte mit den Istwerten für Abstand und Höhenversatz der Gleisachse zum Festpunkt werden Korrekturwerte gebildet die an die Instandhaltungsmaschine übergeben werden.

[0004] Dazu ist es bekannt den Abstand und den Höhenversatz des Gleises manuell zu messen. Dies wird mit Maßband, Wasserwaage oder Hilfsgestängen durchgeführt. Es gibt auch mobile Geräte bei welchen manuell ein Laserdistanzmesser auf den Bolzen gerichtet wird.

[0005] Bekannt ist auch ein Festpunktmessgerät welches ein elektronisches Vermessungsgerät, mit elektronischer Querneigungsmessung, Computer und Anzeige- und Protokolliereinheit benutzt. Das Vermessungsgerät wird manuell über die Optik auf den Bolzen eingerichtet, dann wird die Messung ausgelöst. Der Computer berechnet aus dem Winkel und den Polarkoordinaten und der Position der Vermessungsstation bezügliches des Gleises den Horizontalabstand und die lotrechte Höhe zur Gleisachse.

[0006] Ein Verfahren zur Gleisvermessung von in der Nähe des Gleises, insbesondere an Fahrleitungsmasten positionierten Referenzmarken ist aus der WO 9306303 A1 und aus der WO 2015003772 A1 bekannt. Eine Vorrichtung zum Messen der Distanz zwischen einem Gleis und einem seitlich davon angeordneten Fixpunkt offenbart die EP 0511191 A2. Eine gleisfahrbare Maschine zum Messen bzw. zum Registrieren und/oder auch zur Korrektur der Lage eines Gleises offenbart die EP 0213253 A1. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren allerdings, dass die Messeinrichtung zur Messung stets Stillstehen muss. Eine Messung während der Fahrt ist damit nicht möglich. Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißzustandes von Gleisen bzw. von Weichen sind aus der EP 2784540 A1 und der US 2013191070 A1 bekannt.

[0007] Bei einem ähnlichen Gerät hat das Vermessungsgerät eine eigene Videokamera eingebaut, wobei über einen Videomonitor und elektronische Servoachsen eine Fernbedienung des Vermessungsgerätes möglich ist. Allen soweit bekannten Geräten ist zu eigen, dass sie die Mastposition bezogen auf die Gleisposition nur im Stillstand bestimmen können. Die Mastpositionen entlang des Gleises besitzen eine Identifikationsnummer und eine Angabe der gleiskilometrischen Lage. Bislang müssen die Solldaten elektronisch von einer Datei her eingelesen oder manuell eingegeben werden. Die Zuordnung der Messergebnisse zum jeweiligen Masten erfolgt bislang manuell. Die geometrische (Fehl-)Lage des Gleises zwischen den Masten wird entweder optisch manuell, maschinell durch eine im Gleis aufgespannte Lasersehne oder durch Vermessungsgeräte mit oder ohne GPS Referenzierung bestimmt.

[0008] Für heutige Bildauswertesysteme ist die Mustererkennung in der Bildauswertung eine Standardaufgabe. Es sind auch TOF-Kameras (time of flight) bekannt, die ein 3D-Bild erfassen. Zu jedem Pixel wird dabei eine Distanz erfasst. Bekannt sind auch passive RFID-Marken die bei

Empfangen eines Funksignals gespeicherte Daten an den Sender zurückfunken. Der Einsatz von GPS-Antennen mit Empfängern, sowie die Übertragung von Daten per GSM- oder GPRS-Modem ist ebenfalls bekannt. Es sind auch schmalbandige Interferenzfilter bekannt die nur einen sehr kleinen Lichtwellenbereich durchlassen, damit kann der Fremdlichteinfluss stark reduziert werden.

[0009] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Festpunktmessgerät anzugeben, welches die Position des Bolzens gegenüber der Gleisachse während einer kontinuierlichen Vorbeifahrt vorteilhaft messen kann.

[0010] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass, um die Position des Festpunktes gegenüber der Gleisachse während einer kontinuierlichen Vorbeifahrt vorteilhaft messen zu können, die auf einem Träger angeordnete Messvorrichtung wenigstens eine Kamera mit Optik und in Laufwerkslängsrichtung dazu versetzt wenigstens eine senkrecht zur Laufwerkslängsrichtung fächerförmiges Licht abstrahlende Lichtquelle umfasst, wobei eine Recheneinheit den Abstand und den Höhenversatz der Gleisachse zum Festpunkt aus den Kamerabilddaten errechnet.

[0011] Mit der Erfindung kann die Position des Festpunktes (Bolzens) gegenüber der Gleisachse während einer kontinuierlichen Vorbeifahrt vorteilhaft gemessen werden. Die Position der Gleisachse bezüglich des Festpunktes kann in einfacherWeise mittels Triangulationsmessung bestimmt werden. Die auf einem Träger angeordnete Messvorrichtung umfasst dazu eine senkrecht zur Laufwerkslängsrichtung, also zur Gleisachse, fächerförmiges Licht abstrahlende Lichtquelle. Bei ebener Fahrbahn wird der Lichtstrahl praktisch vertikal, aber aufgefächert gegen den Fahrbahnrand abgestrahlt.

[0012] Die Kamera mit Optik ist in Laufwerkslängsrichtung und somit in Richtung der Gleisachse gegenüber der Lichtquelle mit einem vorbestimmten Abstand versetzt angeordnet und dabei gegen den Lichtstrahl derart gerichtet, dass sich der Messbereich mit der Kamera abdecken lässt. Der vorbestimmte Versatz zwischen Lichtquelle und Kamera, der Lichtstrahl der Lichtquelle zum Festpunkt und die optische Achse zwischen Festpunkt und Kamera bilden bei der Messung ein bestimmtes Dreieck. Aus den Bilddaten, nämlich der Lage des Festpunktes am der Messung zugeordneten Bild lassen sich mit der Recheneinheit der Abstand und der Höhenversatz der Gleisachse zum Festpunkt errechnen. Die Videokamera selbst misst zweidimensional weshalb auch die Höhe des Objektes aus den Daten via Triangulation errechenbar ist.

[0013] Um für eine exakte Messung zu gewährleisten, dass sich der Träger und damit die Messvorrichtung in einer bestimmten Lage am Gleis befinden, kann das Laufwerk Spurrollen umfassen, deren Spurkränze in Achsrichtung mit einem Stelltrieb gegen die zugeordnete Schiene verlagerbar sind. Zudem oder alternativ kann dem Träger ein die Laufwerksposition am Gleis messender Laserdistanzmesser zugeordnet sein, wobei die Recheneinheit die seitliche Lage des Laufwerkes am Gleis aus den Laserdistanzmesserdaten errechnet und diese Daten bei der Berechnung von Abstand und Höhenversatz der Gleisachse zum Festpunkt berücksichtigt.

[0014] Für eine hohe Messgenauigkeit empfiehlt es sich, wenn die senkrecht zur Laufwerkslängsrichtung fächerförmiges Licht abstrahlende Lichtquelle ein Laser ist, dessen Laserstrahl vorzugsweise bezüglich des Laufwerkes vertikal, also senkrecht zur Gleisachse, aufgefächert ist. Als Kamera kann gegebenenfalls eine TOF-Kamera zum Einsatz kommen. Um auch bei Fahrbahnneigungen exakte Messergebnisse zu erhalten kann der Recheneinheit ein am Träger angeordneter Neigungsmesser zugeordnet sein.

[0015] Zwecks Einsparung von Energie und Rechenleistung kann es von Vorteil sein, wenn die volle Rechenleistung für die Auswertung nur dann genutzt wird, wenn tatsächlich eine Messung erfolgen soll. Dazu kann der Messvorrichtung wenigstens eine in Laufwerksfahrrichtung vor der Lichtquelle angeordnete Trigger-Lichtquelle, insbesondere ein Trigger-Distanzlaser, zugeordnet sein, der zum Auslösen der Messung der Messvorrichtung bei Kontakt der Lichtquelle mit einem Festpunktträger, insbesondere Masten, die Messung aktiviert.

[0016] Um die Messdaten vorteilhaft automatisch dem exakten Standort zuordnen zu können, kann dem Laufwerk ein Wegmesser und gegebenenfalls ein GPS-Sensor zur Lokalisierung und kilometrischen Zuordnung der Festpunkte zugeordnet sein. Ebenso können dem jeweiligen Festpunkt ein RFID-Chip und der Messvorrichtung ein Lesegerät zur automatischen Detektion der RFID-Chipdaten zugeordnet sein und kann eine automatische Zuordnung der Messwerte zu den Festpunktdaten erfolgen.

[0017] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise schematisch dargestellt. Es zeigen [0018] Fig. 1 die Lage eines Gleises bezüglich eines mit einem Festpunkt ausgestatteten

Oberleitungsmasten, [0019] Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Vorderansicht, [0020] Fig. 3 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung in Draufsicht, [0021] Fig. 4 einen Oberleitungsmasten mit Festpunkt in Ansicht und [0022] Fig. 5 ein Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht.

[0023] Fig. 1 zeigt einen Elektrifizierungsmast 4 mit einem einen Festpunkt 5 bildenden Bolzen und ein Gleis 6 mit der Oberleitung 11. Die Masten befinden sich im Abstand xm zum Gleis. Der Festpunkt 5 auf dem Mast ist in seinem Sollabstand xSon zur Gleisachse und seiner Sollhöhe yS0ii zur Gleisachse 33 festgelegt.

[0024] Fig. 2 zeigt einen gleisfahrbaren Messwagen 7 der auf dem Gleis 6 fährt. Der Abstand a der Messapparatur zur Bezugsschiene S1 des Gleises 6 wird mit einem dem Träger 28 zugeordneten Laserdistanzmesser 1 gemessen. Denkbar ist auch eine Ausführung bei welcher Räder Spurrollen umfassen, deren Spurkränze in Achsrichtung mit einem Stelltrieb gegen die zugeordnete Schiene verlagerbar sind, wodurch der Laserdistanzmesser entfallen kann. Damit wird die Lage der Messachse eindeutig zur Bezugsschiene S1 festgelegt. Die Gleisachse 33 kann dann durch Subtraktion der halben Spurweite (Normalspur s = 1435 mm) errechnet werden. Mit Hilfe eines Neigungsmessers 2 wird die Querneigung des Messsystems erfasst. Die Messachsen des Messwagens 7 sind mit einem Träger 28, einem Messsystemträger, verbunden. Auf diesem Träger befinden sich ein Computer 12 und ein 3D- Messsystem 3. 20 zeigt einen vertikal mit Hilfe einer Zylinderlinse 23 aufgefächerten Laserstrahl 20, a. 19 deutet den Messbereich ß einer Kamera 3 an.

[0025] Auf dem Masten 4 ist der Festpunktbolzen 5 angeordnet. Über diesen Bolzen kann eine mechanische Referenzhilfsmarke 9 geschoben werden. Über eine RFID-Marke 15 können elektronisch berührungslos durch einen Funk-Sender-Empfänger 29 berührungslos Mast-Identifizierung und der Gleiskilometer bei welchem der Mast liegt zurückübertragen werden. 21 deutet den Lichtstrahl einer Trigger-Lichtquelle an, die zur Triggerung der Messung verwendet werden kann. Einem Rad des Messwagens 7 ist ein Wegmesser 10 zugeordnet, der die zurückgelegten Distanzen auf dem Gleis misst. Über eine GPS-Antenne mit Empfänger 31 kann der Messort geodätisch referenziell werden. Über ein GPRS- oder GSM-Modem 32 können die erfassten Daten direkt an einen WebHost übertragen werden.

[0026] Fig. 3 zeigt einen schematischen Innenaufbau einer eigentlichen Messeinrichtung 3. Der Start der Messung wird mit einem Laserdistanzmesser 8 getriggert, wenn er den Masten 4 mit seinem Laserstrahl 21 detektiert. Der in Fahrtrichtung hinter dem Laserdistanzmesser 8 angeordneten Lichtquelle 13, ein Laser, ist eine Zylinderlinse 23 zugeordnet, mit welcher der Laserstrahl 20 vertikal aufgefächert wird. In Fahrtrichtung hinter Laserdistanzmesser 8 und Lichtquelle 13 ist eine Kamera 14 angeordnet. Lichtquelle 13 und Kamera 14 sind voneinander in Fahrtrichtung 30 horizontal in einem bekannten und definierten Abstand 22 beabstandet. Der Laserdistanzmesser 8 zum triggern muss dabei vor dem eigentlichen Messsystem liegen.

[0027] Fig. 4 zeigt den Masten 4 mit dem den Fixpunkt 5 bildenden Bolzen. Über den Bolzen ist eine Referenzhilfsmarke 9 geschoben. Zudem ist ein RFID-Chip 15 am Masten befestigt. 20 zeigt den vertikal aufgefächerten Laserstrahl, der einen Lichtschnitt über den Festpunkt 5 legt, welcher durch die Digitalkamera gemessen wird.

[0028] Fig. 5 stellt schematisch die Triangulationsmessung mit Hilfe der Kamera 3 zweidimensional dar. Die Kamera 3, vorzugsweise eine digitale Videokamera, selbst misst in der Realität 2-dimensional weshalb auch die Höhe des Objektes aus den Daten via Triangulation errechenbar ist. Der Strahl 22 des Lasers 13 wird über eine Zylinderlinse 23 aufgefächert. Durch den aufgefächerten Strahl 20 bildet sich eine charakteristische Lichtspur über dem Masten 4 und dem Bolzen (Festpunkt 5), die mit der Digitalkamera erfasst und ausgewertet wird. Die Kamera 3 ist mit einem (2 dimensionalen) CCD-Chip 27 ausgestattet. Die Kamera 3 ist mit einer Optik 34 und mit einem schmalbandigen optischen Interferenzfilter 35 ausgestattet. Der mittlere Abstand 24 der Masten 4 zur Messachse M, gegebenenfalls der Gleisachse 6, ist angedeutet. Befindet sich der Mast mit dem Fixpunkt 5 näher, ist der Abstand 26 zur Messachse M kleiner, dann kann dem Bild entnommen werden, dass dieser in seiner Position am CCD-Chip 27 und damit am Kamerabild nach rechts wandert. Befindet sich der Mast mit dem Fixpunkt in einem größeren Abstand 25 zur Messachse M, dann verschiebt sich die detektierte Position auf dem CCD-Chip nach links. Analog zur beschriebenen Methode kann die Höheninformation ermittelt werden.

[0029] In der Praxis kann das System mit Hilfe einer entsprechenden Mastbolzenreferenz mit bekannten Abständen und Höhen kalibriert werden.

[0030] Der Laserdistanzmesser 8 dient dazu, dass nicht zwischen den Masten gemessen wird, was eine ununterbrochen hohe Rechnerleistung bewirken würde. Auch die Eindeutigkeit wäre schwerer zu bewerkstelligen. Während der Messwagen 7 vorfährt - entweder manuell geschoben, über einen mechanischen Antrieb oder in eine Maschine integriert (so könnte z.B. das Messsystem seitlich an ein Drehgestell angebaut werden, wodurch kein eigener Messwagen erforderlich wäre) misst der Distanzmesser 8 ständig. Die Mastdistanzen befinden sich innerhalb eines eingeschränkt definierten Bereiches. Liegt die Distanz innerhalb des angegebenen plausiblen Messbereiches wird die Messapparatur getriggert. Denkbar ist natürlich auch ein ständiges Messen der Messapparatur 3 und eine ununterbrochene Mustersuche im plausiblen Bereich.

[0031] Beim Verfahren der Messvorrichtung mit dem aufgespaltenen Laserstrahl wird ein Lichtstrahl 20 auf den Mast 4 und über den Bolzen 5 projiziert. Dieser Lichtstrahl wird von der Kamera 14 aufgenommen. In dieser Abbildung wird durch entsprechende Bildauswertungssoftware nach dem Muster gesucht welches der Bolzen auf dem Mast ergibt. Da der Bolzen 5 eine räumliche Ausdehnung hat, werden mehrere Messungen vorliegen. Aus jeder Messung wird Distanz und Höhe des Bolzens zur Messapparatur ermittelt. Liegen mehrere Messwerte vor, wird über diese gemittelt. Um den Bolzen leichter und eindeutiger identifizieren zu können, kann über diesen eine räumlich geformte Referenzmarke 9 geschoben werden. Da die Messapparatur der Höhe und dem Abstand nach durch eine Querneigung ausgelenkt wird, werden über die gemessene Querneigung mit Hilfe des Neigungsmessers 2 diese systematischen Fehler rechnerisch kompensiert.

[0032] Es kann auch eine TOF-Kamera (Time of flight) eingesetzt werden. Diese ermittelt ein räumliches 3D-Bild. Hier wird im interessierenden Bereich jene kleine Fläche gesucht die für den Bolzen steht. Auch hier kann durch eine räumliche Referenzmarke 9 die Detektion des Bolzens 5 erleichtert und beschleunigt werden.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1. Vorrichtung zum Vermessen der Lage, nämlich des Abstandes und der Höhe, einer Gleisachse (33) eines Gleises (6) bezüglich eines neben dem Gleis (6) angeordneten Festpunktes (5) mit einer laufwerkgebundenen, gleisfahrbaren Messvorrichtung (3) mit einem Lichtmesssystem, dadurch gekennzeichnet, dass, um die Position des Festpunktes (5) gegenüber der Gleisachse (33) während einer kontinuierlichen Vorbeifahrt vorteilhaft messen zu können, die auf einem Träger (28) angeordnete Messvorrichtung wenigstens eine Kamera (3, 14) mit Optik (34) und in Laufwerkslängsrichtung (36) dazu versetzt wenigstens eine senkrecht zur Laufwerkslängsrichtung fächerförmiges Licht (20, a) abstrahlende Lichtquelle (13) umfasst, wobei eine Recheneinheit (12) den Abstand und den Höhenversatz der Gleisachse (33) zum Festpunkt (5) aus den Kamerabilddaten errechnet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufwerk Spurrollen umfasst, deren Spurkränze in Achsrichtung mit einem Stelltrieb gegen die zugeordnete Schiene verlagerbar sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Träger (28) ein die Laufwerksposition am Gleis (6) messender Laserdistanzmesser (1) zugeordnet ist, wobei die Recheneinheit (12) die seitliche Lage des Laufwerkes am Gleis aus den Laserdistanzmessdaten errechnet.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) den Abstand des Gleises zum Festpunkt (5) aus der Lage des Festpunktbildes am Kamerabild (27) errechnet.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Laufwerkslängsrichtung (36) fächerförmiges Licht abstrahlende Lichtquelle (13) ein Laser ist, dessen Laserstrahl (a) vorzugsweise vertikal zur Laufwerkslängsrichtung (36) aufgefächert ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (14) eine TOF-Kamera ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Recheneinheit (12) ein am Träger (28) angeordneter Neigungsmesser (2) zugeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messvorrichtung wenigstens eine in Laufwerksfahrrichtung (36) vor der Lichtquelle (20) eine Trigger-Lichtquelle, insbesondere ein Trigger-Distanzlaser (8), zum Auslösen der Messung der Messvorrichtung bei Kontakt der Lichtquelle mit einem Festpunktträger (4), insbesondere Masten.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laufwerk ein Wegmesser (10) zur Lokalisierung und kilometrischen Zuordnung der Festpunkte (5) zugeordnet ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen Zuordnung der Messwerte zu den Festpunktdaten dem jeweiligen Festpunkt (5) ein RFID-Chip (15) und der Messvorrichtung ein Lesegerät (29) zur automatischen Detektion der RFID-Chipdaten zugeordnet sind. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen