DE10010019C1 - Verfahren zur optoelektronischen Zustandsüberwachung rotierender Laufräder von Schienenfahrzeugen - Google Patents

Verfahren zur optoelektronischen Zustandsüberwachung rotierender Laufräder von Schienenfahrzeugen

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Abstract

Das Verfahren zur optoelektronischen Zustandsüberwachung rotierender Laufräder von Schienenfahrzeugen sieht eine optische Abtastung der Laufradoberfläche mit dem Meßstrahl eines Pahseninterferometers vor, der mit dem Referenzstrahl des Interferometers vereinigt wird, wobei erzeugte Oberflächensignale ein Phaseninformation enthaltendes, die Radoberfläche detailgenau abbildendes Oberflächenbild enthalten. Diese Oberflächensignale werden einer optischen neuro-fuzzy-strukturierten Bilddatenbank zugeführt, in welcher Defektbilder von Laufradoberflächenschäden elektronisch hinterlegt sind. Um auswertbare Signale zu erhalten, wird ein elektronischer Vergleich der Meßbildausgangsinformation mit den gespeicherten Defektbildern vorgenommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Zustandsüberwachung rotierender Laufräder von Schienenfahr­ zeugen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspru­ ches 1.
Aus US 5,767,973 A geht ein optoelektronisches Verfahren her­ vor, mit welchem die Laufräder von Schienenfahrzeugen unter­ sucht werden können. Zur Überwachung dient ein Meßstrahl, der durch Laserlicht und damit durch polarisiertes Licht gebildet ist und die Laufradoberfläche abtastet. Er wird von der Lauf­ radoberfläche reflektiert und erzeugt optische Oberflächen­ signale, die einem elektrooptischen Detektor zugeführt wer­ den, durch welchen eine die Oberfläche charakterisierende Ausgangsinformation erzeugt wird. Weiterhin ist eine Daten­ bank vorgesehen, in welche die Ausgangsinformationen eingele­ sen werden. Sodann ist eine Auswerteeinrichtung vorhanden, die basierend auf der Meßbildausgangsinformation und den ge­ speicherten Daten ein hinsichtlich des Zustandes der Laufrä­ der auswertbares Signal abgibt.
Das aus US 5,161,913 A bekannte Verfahren führt zu Ergebnissen hinsichtlich der Kontur der Laufräder, nämlich Flankenhöhe, Randdicke, Raddurchmesser und dgl., ist aber nicht geeignet, strukturbedingte Schäden an dem Laufradmaterial zu detektie­ ren.
In der Vergangenheit hat sich aber gezeigt, daß insbesondere strukturbedingte Schäden an Radreifen oder Laufradoberflächen unfallträchtige Situationen herbeiführen können, weswegen die Detektion derartiger Schäden insbesondere auch während des Fahrbetriebes wünschenswert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart aus­ zubilden, daß damit auch weitergehende - insbesondere auch strukturbedingte - Schäden an den Laufrädern von Schienen­ fahrzeugen ermittelbar sind, wobei die Detektion schnell und nach unterschiedlichen Schadensarten geordnet erfolgen soll.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfah­ rens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-13.
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, die überwachten Laufradoberflächen laufend mit einem Phaseninterferometer op­ tisch abzutasten. Der durch polarisiertes Licht gebildete Meßstrahl ist damit der Meßstrahl des Interferometers, der mit dem Referenzstrahl des Interferometers vereinigt wird und die erzeugten Oberflächensignale als Phaseninformationen ent­ hält, die detailgenau abbildende Oberflächenbilder der Rad­ oberfläche sind.
Die elektronische Datenbank ist als optische Neuro-fuzzy- strukturierte Datenbank ausgebildet, in der elektronische De­ fektbildklassen hinterlegt sind, und zur Erzeugung des aus­ wertbaren Signals wird ein elektronischer Vergleich der Meß­ bildausgangsinformation mit den gespeicherten Defektbildklas­ sen der Bilddatenbank durchgeführt.
Sogenannte Neuro-fuzzy-Systeme sind grundsätzlich bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine optische Neuro- fuzzy-strukturierte Bilddatenbank verwendet, in der die De­ fektbildklassen hinterlegt sind. Ein Meßbild-/Mustervergleich der real gemessenen Laufradoberfläche bzw. auch des Laufrad­ profils mit hinterlegten Defektbildern in dem optischen Neuro-fuzzy-System erlaubt eine Zu- oder Einordnung eines De­ fektes und läßt damit eine Wahrscheinlichkeitsaussage zum Radzustand zu.
Das auswertbare Signal umfaßt eine probabilistische Aussage mit einem sogenannten Raddiagnosetool zu der Wahrscheinlich­ keit, daß ein Defekt mit einer gewissen Prozentwahrschein­ lichkeit zu Radbruch oder zumindest Radproblemen führen kann. Sogenannte Neuro-fuzzy-Techniken werden seit vielen Jahren sowohl in der Konsumgüter- als auch in der Investitionsgüter­ industrie eingesetzt, und zwar für die Analyse, Modellierung, Steuerung und Optimierung von industriellen Prozessen, auch Überwachungsverfahren.
Zu Neuroinformatiksystemen wird auf die Broschüre der Anmel­ derin,
"Highlights auf Anwendungs- und Vorfeldprojekten", Zentralab­ teilung Technik, Information und Kommunikation, Fachzentrum Neuroinformatik, Siemens AG 1999,
verwiesen.
Als technologischer Hintergrund wird ferner der Artikel "Wenn im Rad die Spannung steigt", Der Fraunhofer, 2/1996 Seite 40 -41, verwiesen. Dort werden insbesondere neuartige Ultra­ schalldiagnoseverfahren für die Laufräder von Schienenfahr­ zeugen oder Zügen beschrieben.
Gegenüber diesen Verfahren hebt sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch ab, daß es schneller ist, umfassendere Schadensinformationen liefert und eine. Alarmabgabe beispiels­ weise zum Zugleitstand sehr kurzzeitig nach Auftreten eines mehr oder minder geringen Schadensfalles abgegeben werden kann.
Gemäß Anspruch 2 soll der Meßstrahl des Phaseninterferometers die Laufradoberfläche scannend abtasten. Das - insbesondere punkt- oder zeilenweise - Scannen der Abtastung von Laufrad­ oberflächen mit Meßstrahlen ist zwar grundsätzlich bekannt; den Meßstrahl eines interferenzmikroskopischen Phaseninterferometers in eine scannende Abtastbewegung zu versetzen, um eine Laufradoberfläche abzutasten und dabei eine extrem hohe Auflösung zur Erkennung auch kleinster Risse zu gewährleis­ ten, ist jedoch zur Lösung der Aufgabe besonders vorteilhaft.
Das - insbesondere an den Zugleitstand abgegebene - auswert­ bare Signal liefert vorzugsweise eine schadensklassenbezogene Zustandsinformation. Wenn an dieser Stelle von Schadensklas­ sen gesprochen wird, so soll damit ausgesagt werden, daß un­ terschiedliche Schadensarten einklassifiziert werden, wobei die Einklassifizierung auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden kann, beispielsweise nach Schadensschwere und/oder nach Schadensart und/oder nach Schadensort- und Zeit.
Vorteilhafterweise wird zur Auswertung des Signals ein Raddi­ agnosetool verwendet; damit können probabilistische Aussagen errechnet werden, gemäß welchen ein festgestellter Defekt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zu einem bestimmten Scha­ den führt. Die Aussagen oder Resultate können in einem Fahr­ leitstand des Zuges visualisiert werden, so daß der Zugführer eine leicht verständliche und sofort umsetzbare Entschei­ dungshilfe findet.
Weitere Unteransprüche, auf die im Vorstehenden nicht im ein­ zelnen eingegangen wurde, beinhalten vorteilhafte Einzelmerk­ male, die einzeln oder in Kombination der Lösung der Aufgabe im besonderen dienlich sein können.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Dar­ stellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur optoelektronischen Zustandsüberwachung rotierender Lauf­ räder von Schienenfahrzeugen.
Ein Laufrad 1 eines nicht näher dargestellten Schienenfahr­ zeuges weist eine Laufradoberfläche 2 auf, die mit einem durch polarisiertes Licht einer Lichtquelle 3, z. B. eines Lasers, gebildeten Meßstrahl 4 scannend abgetastet wird, wozu ein beweglicher Scannerspiegel 5 den Meßstrahl 4 nach dem Austritt aus der Lichtquelle 3 umlenkt. Der Meßstrahl 4 wird durch ein Linsensystem 6 geführt. Der von der Laufradoberflä­ che 2 reflektierte Meßstrahl wird durch einen Strahlteiler 7 abgelenkt und gelangt durch ein weiteres Linsensystem 8 und einen Umlenkspiegel 9 in einen Detektor 10 in Form beispiels­ weise einer CCD-Camera oder eines Diodenarrays.
Der Ausgang 11 des Detektors 10 führt ein Detektorsignal 12 hinsichtlich des Zustandes der Laufradoberfläche 2 bzw. deren Kontur. Diese Information, die ein Phaseninformation enthal­ tendes, die Laufradoberfläche 2 detailgenau abbildendes Ober­ flächenbild umfaßt, wird einer optischen Neuro-fuzzy-struktu­ rierten Bilddatenbank 13 zugeführt, in welcher Defektbild­ klassen elektronisch hinterlegt sind. In dieser optischen Neuro-fuzzy-strukturierten Bilddatenbank 13 werden die in Echtzeit vorliegenden realen Oberflächenbilder der Laufrad­ oberfläche mit den dort gespeicherten Defektbildklassen der Bilddatenbank verglichen.
Bei 14 werden die Daten über ein intelligentes Netzwerk an unterschiedliche Adressanten übermittelt und können bei 15 beispielsweise in einem Fahrleitstand mit einem probabilisti­ schen Schienenraddiagnosetool visualisiert werden.
Falls dieses Tool erkennt, daß Gefahr im Verzüge ist, kann eine automatische Abbremsung des Schienenfahrzeuges initiali­ siert werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur optoelektronischen Zustandsüberwachung ro­ tierender Laufräder eines Schienenfahrzeugs, mit folgenden Merkmalen:
  • - Optische Abtastung der überwachten Laufradoberfläche mit einem durch polarisiertes Licht gebildeten Meßstrahl;
  • - Reflexion des Meßstrahls von der Laufradoberfläche und Er­ zeugung von optischen Oberflächensignalen;
  • - Erfassung der Oberflächensignale mit einem optoelektroni­ schen Detektor sowie Erzeugung einer die Oberfläche charak­ terisierenden Ausgangsinformation;
  • - Vorsehen einer elektronischen Datenbank sowie
  • - Abgabe eines auswertbaren Signals basierend auf der Aus­ gangsinformation und den gespeicherten Daten der Datenbank,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - Verwendung eines Phaseninterferometers zur optischen Abtas­ tung der überwachten Laufradoberfläche, wobei
  • - der von der Laufradoberfläche reflektierte Meßstrahl mit einem Referenzstrahl vereinigt wird und
  • - die erzeugten Oberflächensignale ein Phaseninformation ent­ haltendes, die Radoberfläche detailgenau abbildendes Ober­ flächenbild sind sowie
  • - die elektronische Datenbank eine optische Neuro-fuzzy- strukturierte Bilddatenbank ist,
  • - in welcher Defektbildklassen elektronisch hinterlegt sind und
  • - zur Erzeugung des auswertbaren Signals ein elektroni­ scher Vergleich der Meßbildausgangsinformation mit den ge­ speicherten Defektbildklassen der Bilddatenbank erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl die Laufradoberfläche scannend abtastet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auswert­ bare Signal ein an einen Zugführer gerichtetes Warnsignal ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das auswert­ bare Signal eine schadensklassenbezogene Zustandsinformation betreffend die überwachte Laufradoberfläche ist oder eine solche enthält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Laufrädern gleichzeitig oder zyklisch nacheinander abfol­ gend überwacht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auswert­ bare Signal eine Information über die Schienenlaufradkontur umfaßt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auswert­ bare Signal eine Information über die Reflektivität der Lauf­ radoberfläche umfaßt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auswert­ bare Signal einem Raddiagnosetool zugeführt wird, in welchem eine probabilistische Aussage errechnet wird, wonach ein festgestellter Defekt mit einer anzugebenden Wahrscheinlich­ keit zu einem Laufradbruch oder zu einem Betriebsproblem führt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer CCD-Zeilenkamera als optoelektronischen Detektor.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auswert­ bare Signal als Zustandsinformation auf dem Fahrerleitstand des Schienenfahrzeugs visualisiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Visuali­ sierung Informationen über die Position des Laufrades im Schienenfahrzeug, die Art eines Defekts sowie die Art der zu erwartenden Folgen/Probleme umfaßt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließ­ lich die als problemhaft erkannten Zustandsinformationen auf dem Fahrerleitstand angezeigt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Fahrerleitstand vorliegende Zustandsinformation ganz oder teilweise zu einer Zugleitzentrale übertragen wird.
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