AT520526A4 - Schienenfahrzeug und Verfahren zum Vermessen einer Gleisstrecke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug (2) mit einem Fahrzeugrahmen (12), der auf Schienenfahrwerken (4) abgestützt auf Schienen (7) eines Gleises (1) verfahrbar ist, umfassend eine erste Messplattform (5) mit einem ersten Inertial-Messsystem (9) zur Erfassung eines Gleisverlaufs. Dabei ist an dem Schienenfahrzeug (2) eine zweite Messplattform (14) angeordnet, die ein zweites Inertial-Messsystem (15) und zumindest eine Sensoreinrichtung (17) zur Erfassung von Oberflächenpunkten (P) einer Gleisstrecke (18) umfasst. Mit der zweiten Messplattform (14) und dem zweiten Inertial-Messsystem (15) wird auf einfache Weise die Bewegung der Sensoreinrichtung (17) im dreidimensionalen Raum erfasst.

Description

Beschreibung

Schienenfahrzeug und Verfahren zum Vermessen einer Gleisstrecke

Gebiet der Technik [01] Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrzeugrahmen, der auf Schienenfahrwerken abgestützt auf Schienen eines Gleises verfahrbar ist, umfassend eine erste Messplattform mit einem ersten Intertial-Messsystem zur Erfassung eines Gleisverlaufs. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen einer Gleisstrecke mittels des

Schienenfahrzeugs.

Stand der Technik [02] Für eine zuverlässige Instandhaltung eines Gleisoberbaus sind regelmäßige Kontrollen erforderlich. Es kommen dabei Gleismessfahrzeuge zum Einsatz, die zur Erfassung einer aktuellen Gleisgeometrie einer Gleisstrecke eingerichtet sind. Auf Basis gesammelter Messdaten werden

Instandhaltungsmaßnahmen geplant und durchgeführt. Als Messvorrichtungen dienen verschiedenste Sensoren, die sowohl das Gleis selbst als auch die Gleisumgebung erfassen. Letzteres geschieht beispielsweise mittels Kamerasysteme, die am Gleismessfahrzeug angeordnet sind.

[03] Um den Gleisverlauf bzw. die relative Gleislage zu ermitteln, kommt bei modernen Gleismessfahrzeugen ein sogenanntes Inertial-Messsystem (Inertial Measurement Unit, IMU) zum Einsatz. Ein solches Inertial-Messsystem ist in der Fachzeitschrift Eisenbahningenieur (52) 9/2001 auf den Seiten 6-9 beschrieben. Auch die DE 10 2008 062 143 B3 beschreibt ein Inertial-Messprinzip zur Erfassung einer Gleislage.

Zusammenfassung der Erfindung [04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Schienenfahrzeug und ein Verfahren der eingangs genannten Art Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.

[05] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der

Ansprüche 1 und 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[06] Dabei ist an dem Schienenfahrzeug eine zweite Messplattform angeordnet, die ein zweites Inertial-Messsystem und zumindest eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Oberflächenpunkten einer Gleisstrecke umfasst. Mit der zweiten Messplattform und dem zweiten Inertial-Messsystem wird auf einfache Weise die Bewegung der Sensoreinrichtung im dreidimensionalen Raum erfasst. Die mit der Sensoreinrichtung erfassten Messdaten sind auf diese Weise räumlich exakt zuordenbar.

[07] Vorteilhafterweise ist direkt am Schienenfahrzeug ein Computer angeordnet, dem Messdaten der Inertial-Messsysteme und der Sensoreinrichtung zugeführt sind und der zur Transformation von Koordinaten der Oberflächenpunkte aus einem mit der Sensoreinrichtung mitbewegten Koordinatensystem der zweiten Messplattform in ein dem Gleisverlauf folgenden Koordinatensystem der ersten Messplattform eingerichtet ist. Im Ergebnis sind die mit der Sensoreinrichtung erfassten Oberflächenpunkte auf den Gleisverlauf bezogen. Damit können sofort Aussagen über die Lage erfasster Objekte in Bezug auf den Gleisverlauf getroffen werden.

[08] Bei einer weiteren Verbesserung ist am Schienenfahrzeug eine

Auswerteeinrichtung angeordnet, die zum Vergleich der Koordinaten der Oberflächenpunkte im Koordinatensystem der ersten Messplattform mit einem vorgegeben Lichtraumprofil der Gleisstrecke eingerichtet ist.

[09] Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung sieht vor, dass die erste

Messplattform an einem der Schienenfahrwerke angeordnet ist. Das erlaubt eine einfache Erfassung des Gleisverlaufs mittels des ersten Inertial-Messsystems.

[10] Dabei ist es günstig, wenn die erste Messplattform einen an Radachsen des Schienenfahrwerks angeordneten Messrahmen umfasst, an dem das erste Intertial-Messsystem angeordnet ist. Die Bewegungen des ersten Inertial-Messsystems im dreidimensionalen Raum bleiben somit von federnden Relativbewegungen des Schienenfahrwerks unbeeinflusst. Es erfolgt eine unmittelbare Erfassung der Längsneigungen des Gleises.

[11] Um den Einfluss von Querbewegungen bzw. Pendelbewegungen des Schienenfahrwerks zu kompensieren, ist es von Vorteil, wenn an dem Messrahmen zumindest zwei Lagemesseinrichtungen zur Bestimmung der Lage des Messrahmens gegenüber den Schienen des Gleises angeordnet sind. Damit wird laufend die exakte Lage des Messrahmens gegenüber den Schienen erfasst und bei der Bestimmung des Gleisverlaufs mittels des ersten Inertial-Messsystems berücksichtigt.

[12] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist die zweite Messplattform an einer Stirnseite des Schienenfahrzeugs angeordnet. Auf diese Weise ist mit wenigen Sensoren ein weiter Umgebungsbereich des Schienenfahrzeugs erfassbar.

[13] Zudem ist es günstig, wenn die Sensoreinrichtung einen Laserscanner zur Erfassung der Oberflächenpunkte als eine Punktwolke umfasst. Mittels eines derartigen Sensors ist eine genaue und hochauflösende Erfassung der Oberflächen des Gleises und seiner Umgebung realisierbar. Redundante bzw. sich ergänzende Rotations- und Linienscanner erhöhen dabei die Genauigkeit bzw. Qualität der Messdaten.

[14] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vermessen einer Gleisstrecke mit einem vorgenannten Schienenfahrzeug sieht vor, dass mittels des ersten Intertial-Messsystems der Gleisverlauf - insbesondere als Bewegungsverlauf eines Koordinatensystems der ersten Messplattform - erfasst wird, dass mittels des zweiten Interial-Messsystems ein Bewegungsverlauf der Sensoreinrichtung - insbesondere als Bewegungsverlauf eines Koordinatensystems der zweiten Messplattform - erfasst wird und dass mittels der Sensoreinrichtung Oberflächenpunkte der Gleisstrecke erfasst werden.

[15] In einer Weiterbildung des Verfahrens werden Koordinaten der Oberflächenpunkte aus einem mit der Sensoreinrichtung mitbewegten Koordinatensystem der zweiten Messplattform in ein dem Gleisverlauf folgenden Koordinatensystem der ersten Messplattform transformiert. Das geschieht entweder online mittels eines am Schienenfahrzeug mitgeführten Computers oder offline in einer entfernten Systemzentrale.

[16] Bei einem vorteilhaften zusätzlichen Verfahrensschritt werden Koordinaten der Oberflächenpunkte im Koordinatensystem der ersten Messplattform mit einem Lichtraumprofil der Gleisstrecke verglichen. Auf diese Weise werden Lichtraumprofilverletzungen automatisiert erkannt.

[17] Dabei ist es günstig, wenn eine Lichtraumprofilüberschreitung eines Oberflächenpunkts in einer Ausgabeeinrichtung angezeigt wird. Das geschieht entweder direkt im Schienenfahrzeug oder in einer Systemzentrale, um Gefahrensituationen Vorbeugen zu können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [18] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Schienenfahrzeug auf einem Gleis

Fig. 2 Koordinatentransformation

Fig. 3 Erfassungssituation in einer Kurveneinfahrt

Fig. 4 Erfassungssituation gemäß Fig. 3 mit Koordinatentransformation

Beschreibung der Ausführungsformen [19] Zur anschaulichen Erläuterung der vorliegenden Erfindung sind Verwerfungen eines Gleises 1 in Fig. 1 stark überzogen dargestellt. Entlang des Gleises 1 fährt ein Schienenfahrzeug 2 in einer Messrichtung 3. An einem vorderen Schienenfahrwerk 4 ist eine erste Messplattform 5 angeordnet. Günstigerweise umfasst diese erste Messplattform 5 einen Messrahmen 6, der an Achsen des als Drehgestell ausgebildeten Schienenfahrwerks 4 befestigt ist. Zusätzlich können für jede Schiene 7 des Gleises 1 zwei Lagemesseinrichtungen 8 an der ersten Messplattform 5 angebracht sein, um Relativbewegungen der ersten Messplattform 5 gegenüber den Schienen 7 zu erfassen. Die jeweilige Lagemesseinrichtung 8 umfasst beispielsweise einen auf die Schiene 7 gerichteten Laser und eine Kamera zur Erfassung der Laserprojektion.

[20] Auf der ersten Messplattform 5 ist ein erstes Intertial-Messsystem 9 aufgebaut, das eine erste Raumkurve 10 gegenüber einem intertialen

Bezugssystem x', y', z' erfasst. Diese erste Raumkurve 10 verläuft mit bekanntem Abstand parallel zu einer Gleisachse 11, die symmetrisch zwischen Innenkannten der beiden Schienen 8 verläuft. Damit ist ein relativer Gleisverlauf bestimmt. Ein Koordinatensystem xs, ys, za der ersten Messplattform 5 wird entlang dieser ersten Raumkurve 10 mitbewegt. Gegebenenfalls erfolgt mittels der Lagemesseinrichtungen 8 eine Raumkurvenerfassung für jede Schiene 7 des Gleises 1.

[21] Mit einem Fahrzeugrahmen 12 starr verbunden ist an einer Stirnseite 13 des Schienenfahrzeugs 2 eine zweite Messplattform 14 angeordnet. Auf dieser zweiten Messplattform 14 ist ein zweites Inertial-Messsystem 15 zur Erfassung einer zweiten Raumkurve 16 befestigt. Ein Koordinatensystem xs, ys, zs der zweiten Messplattform 14 wird entlang der zweiten Raumkurve 16 mitbewegt.

[22] In jedem Inertial-Messsystem 9, 15 sind jeweils drei Beschleunigungsmesser und drei Drehratensensoren orthogonal zusammengefügt. Mit einer Lageintegration werden aus den gemessenen Drehraten des jeweiligen Inertial-Messystems 9, 15, welche im zugehörigen mitbewegten Koordinatensystem xs, y9, zs bzw. xs, ys, zs gegeben sind, die relative Lage zum inertialen Bezugssystem x', y', z' bestimmt.

[23] Die zweite Messplattform 14 dient als Träger einer Sensoreinrichtung 17, die zur Erfassung von Oberflächenpunkten P einer zu kontrollierenden Gleisstrecke 18 ausgebildet ist. Dabei befinden sich entlang der Gleisstrecke 18 neben dem Gleis 1 verschiedene Objekte wie beispielsweise Bahnsteige 19, Masten 20, Signaleinrichtungen 21 und Oberleitungen 22. Durch die Erfassung der Oberflächenpunkte P ist zunächst die Lage dieser Objekte 19-22 bezüglich des Koordinatensystems xs, ys, zs der zweiten Messplattform 14 bestimmbar.

[24] Die Sensoreinrichtung 17 umfasst mehrere Laserscanner, beispielsweise zwei 2D-Rotationsscanner 23 und zwei 2D-Fächerscanner 24. Mit einer bekannten Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 2 ergibt sich damit als Messergebnis eine dreidimensionale Punktwolke. Deren Auflösung ist durch eine Anpassung der Abtastraten der Scanner 23, 24 sowie der Fahrgeschwindigkeit variierbar. Die Koordinaten der einzelnen

Oberflächenpunkte P dieser Punktwolke werden bezüglich des Koordinatensystems xs, ys, zs der zweiten Messplattform 14 in einem Computer 25 abgespeichert.

[25] Zudem ist der Computer 25 zur Transformation der Koordinaten der Oberflächenpunkte P aus dem mit der Sensoreinrichtung 17 mitbewegten Koordinatensystem xs, ys, zs der zweiten Messplattform 14 in das dem Gleisverlauf folgenden Koordinatensystem xa, ya, za der ersten Messplattform 5 eingerichtet. Dabei werden ein Abstand A zwischen den beiden Inertial-Messsystemen 9, 15 und die bekannten Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt, um die Messwerte der beiden Inertial-Messsysteme 9, 15 zu synchronisieren.

[26] Die Koordinatentransformation ist in Fig. 2 veranschaulicht. Das Koordinatensystem xs, ys, zs der zweiten Messplattform 14 wird in das Koordinatensystem xa, ya, za der ersten Messplattform 5 übergeführt, wobei das inertiale Bezugssystem x', y', z' als gemeinsame Basis dient.

[27] Anhand der Figuren 3 und 4 wird der Vorgang für einen beispielhaften Oberflächenpunkt P näher erläutert. Das Schienenfahrzeug 2 ist in Fig. 3 in einer Draufsicht dargestellt und befindet sich in einer Kurveneinfahrt der Gleisstrecke 18. Die 2D-Rotationsscanner 23 tasten während einer Vorwärtsfahrt das Gleis 1 und die daneben befindlichen Objekte 19-22 helixförmig ab. Die dabei erfassten Oberflächenpunkte P entsprechen einem Profil der Gleisumgebung. Diese Punktwolke wird mit Oberflächenpunkten P, die mittels der 2D-Fächerscanner 24 erfasst werden, ergänzt. Dabei sind die 2D-Fächerscanner 24 auf Bereiche gerichtet, die in einem Sichtschatten der 2D-Rotationsscanner 23 liegen.

[28] Während der Kurvendurchfahrt erfassen die beiden Inertial-Messsysteme 9, 15 unterschiedliche Raumkurven 10, 16. Insbesondere das Ausschwenken des vor dem vorderen Schienenfahrwerk 4 befindlichen Fahrzeugbereichs verursacht eine erhebliche Abweichung. In Fig. 4 sind die beiden Raumkurven 10, 16 von oben gesehen übereinandergelegt, wobei Ursprungspunkte 0a, 0s der beiden mitbewegten Koordinatensysteme xa, ya, za bzw. xs, ys, zs mittels des bekannten Abstands A und der

Fahrgeschwindigkeit synchronisiert sind.

[29] Für jeden erfassten Oberflächenpunkt P sind die Koordinaten x^, y£ im Koordinatensystem xs, ys, zs der zweiten Messplattform 14 in Koordinaten x%, yp im Koordinatensystem xs, ya, za der ersten Messplattform 5 transformierbar. Die transformierten Koordinaten x%, y$ des jeweiligen Oberflächenpunktes P geben die Lage bezüglich des Gleisverlaufs bzw. der Gleisachse 11 an.

[30] Genutzt werden die Ergebnisse der Koordinatentransformation insbesondere zur Lichtraumkontrolle. Dabei werden mittels einer Auswerteeinrichtung die Profildaten der Gleisumgebung in Bezug auf die Gleisachse 11 ausgewertet. An der jeweiligen Kontrollstelle werden jene Oberflächenpunkte P berücksichtigt, deren x-Koordinate (in Gleislängsrichtung) im mitbewegten Koordinatensystem xa, ya, za der ersten Messplattform 5 gleich null ist. Die y-Koordinaten und z-Koordinaten dieser Oberflächenpunkte P werden mit Grenzwerten eines einzuhaltenden Lichtraumprofils verglichen. Dabei ist es sinnvoll, den Nullpunkt 0a des Koordinatensystems xa, ya, za der ersten Messplattform 5 in die Gleisachse 11 zu verschieben, weil sich standardisierte Lichtraumprofileangaben ebenfalls auf die Gleisachse 11 beziehen.

[31] Eine Lichtraumprofilüberschreitung liegt vor, wenn ein Oberflächenpunkt P innerhalb des vorgegebenen Lichtraumprofils liegt. Die entsprechende y-Koordinate bzw. z-Koordinate ist dann geringer als ein vorgegebener Lichtraumprofilgrenzwert. Um Gefahren einer Kollision zu vermeiden, werden Lichtraumprofileüberschreitungen in einer Kontrollzentrale angezeigt. Auch eine sofortige Anzeige in einer Ausgabeeinrichtung 26 des

Schienenfahrzeugs 2 ist sinnvoll. Dabei ist günstigerweise der Computer 25 als Auswerteeinrichtung für einen Online-Vergleich der Koordinaten der Oberflächenpunkte P mit den Lichtraumprofilgrenzwerten eingerichtet.

[32] Insbesondere werden bei einer Lichtraumprofilüberschreitung Ausgabedaten generiert, die Lagedaten eines den Lichtraum verletzenden Objektes 19-22 mit einer Kilometrierung der kontrollierten Gleisstrecke 18 verknüpfen. Auf diese Weise ist jede Problemstelle in einem Streckennetz gezielt auffindbar, um geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Dabei ist am

Schienenfahrzeug 2 eine Wegmesseinrichtung 27 oder ein GNSS-

Empfänger angeordnet. Zudem ist eine am Schienenfahrzeug 2 angebrachte Festpunktmesseinrichtung sinnvoll, um eine absolute Position gegenüber neben dem Gleis 1 befindlicher Festpunkte zu bestimmen.

[33] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, dass mittels der Sensoreinrichtung 17 auch die Oberflächenpunkte P der Schieneninnenkanten miterfasst werden. Damit lässt sich durch die beschriebene Koordinatentransformation der Gleisverlauf bestimmen. Das kann beispielsweise nach einer Messfahrt offline geschehen, um die Genauigkeit des mittels der ersten Messplattform 5 erfassten Gleisverlaufs zu überprüfen. Die vorliegende Erfindung umfasst somit redundante Systeme zur Bestimmung des Gleisverlaufes.

Claims (12)

1. Patentansprüche

   1. Schienenfahrzeug (2) mit einem Fahrzeugrahmen (12), der auf Schienenfahrwerken (4) abgestützt auf Schienen (7) eines Gleises (1) verfahrbar ist, umfassend eine erste Messplattform (5) mit einem ersten Intertial-Messsystem (9) zur Erfassung eines Gleisverlaufs, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schienenfahrzeug (2) eine zweite Messplattform (14) angeordnet ist, die ein zweites Inertial-Messsystem (15) und zumindest eine Sensoreinrichtung (17) zur Erfassung von Oberflächenpunkten (P) einer Gleisstrecke (18) umfasst.
2. 2. Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Schienenfahrzeug (2) ein Computer (25) angeordnet ist, dem Messdaten der Inertial-Messsysteme (9, 15) und der Sensoreinrichtung (17) zugeführt sind und der zur Transformation von Koordinaten der Oberflächenpunkte (P) aus einem mit der Sensoreinrichtung (17) mitbewegten Koordinatensystem (xs, ys, zs) der zweiten Messplattform (14) in ein dem Gleisverlauf folgenden Koordinatensystem (xa, ya, za) der ersten Messplattform (5) eingerichtet ist.
3. 3. Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Schienenfahrzeug (2) eine Auswerteeinrichtung angeordnet ist, die zum Vergleich der Koordinaten der Oberflächenpunkte (P) im Koordinatensystem (xa, ya, za) der ersten Messplattform (5) mit einem vorgegeben Lichtraumprofil der Gleisstrecke (18) eingerichtet ist.
4. 4. Schienenfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messplattform (5) an einem der Schienenfahrwerke (4) angeordnet ist.
5. 5. Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messplattform (5) einen an Radachsen des Schienenfahrwerks (4) angeordneten Messrahmen (6) umfasst, an dem das erste Intertial-Messsystem (9) angeordnet ist.
6. 6. Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Messrahmen (6) zumindest zwei Lagemesseinrichtungen (8) zur Bestimmung der Lage des Messrahmens (6) gegenüber den Schienen (7) des Gleises (1) angeordnet sind.
7. 7. Schienenfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messplattform (14) an einer Stirnseite (13) des Schienenfahrzeugs (2) angeordnet ist.
8. 8. Schienenfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (17) einen Laserscanner (23, 24) zur Erfassung der Oberflächenpunkte (P) als eine Punktwolke umfasst.
9. 9. Verfahren zum Vermessen einer Gleisstrecke (18) mittels eines Schienenfahrzeugs (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Intertial-Messsystems (9) der Gleisverlauf - insbesondere als Bewegungsverlauf eines Koordinatensystems (x9, ys, zs) der ersten Messplattform (5) - erfasst wird, dass mittels des zweiten Interial-Messsystems (15) ein Bewegungsverlauf der Sensoreinrichtung (17) - insbesondere als Bewegungsverlauf eines Koordinatensystems (xs, ys, zs) der zweiten Messplattform (14) - erfasst wird und dass mittels der Sensoreinrichtung (17) Oberflächenpunkte (P) der Gleisstrecke (17) erfasst werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Koordinaten der Oberflächenpunkte (P) aus einem mit der Sensoreinrichtung (17) mitbewegten Koordinatensystem (xs, ys, zs) der zweiten Messplattform (14) in ein dem Gleisverlauf folgenden Koordinatensystem (xs, ys, zs) der ersten Messplattform (5) transformiert werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Koordinaten der Oberflächenpunkte (P) im Koordinatensystem (x9, yg, za) der ersten Messplattform (5) mit einem Lichtraumprofil der Gleisstrecke (17) verglichen werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtraumprofilüberschreitung eines Oberflächenpunkts (P) in einer Ausgabeeinrichtung (26) angezeigt wird.