DE102004023154A1 - Elektromagnetische Abstandsmessung zwischen Eisenbahnfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem ein Messsystem tragenden und einem benachbarten und im gleichen Gleis befindlichen Eisenbahnfahrzeug. DOLLAR A Zwei Schienen eines Gleises eines als isolierfähig angenommenen Oberbaus werden sowohl von einer ersten Achse einer Lokomotive als auch von einer letzten Achse eines Zielwagens kurzgeschlossen. Diese Elemente bilden eine rechteckförmige elektrische Leiterschleife, deren Breite der Spurweite des Gleises und deren Länge dem Abstand der beiden Achsen voneinander entspricht. DOLLAR A Zur Erfassung elektrischer Eigenschaften der rechteckförmigen Leiterschleife wird an der Lokomotive eine Koppelspule angeordnet. Die Koppelspule und die rechteckförmige elektrische Leiterschleife, die aus den beiden Gleisen und den beiden Achsen gebildet wird, wirken als stark streuender Transformator. Die Primärseite dieses Transformators wird aus der Koppelspule, die Sekundärseite aus der rechteckförmigen elektrischen Leiterschleife gebildet. Einem Strom in der Koppelspule ist somit ein magnetischer Fluss zuzuordnen, der aufgrund der Flussverkettung auch durch die aus Oberbau und Achsen gebildete Leiterschleife tritt. Damit beeinflusst der zu ermittelnde Abstand der Fahrzeuge auch die elektrischen Eigenschaften der Koppelspule, die einer auf der Lokomotive angeordneten Auswerteeinrichtung als Eingangsgröße zugeführt und ausgewertet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem ein Messsystem tragenden und einem benachbarten und im gleichen Gleis befindlichen Eisenbahnfahrzeug.
• Für Abstandsmessungen zwischen Eisenbahnfahrzeugen werden nach dem Stand der Technik insbesondere Vorrichtungen verwendet, die eine elektromagnetische Welle, insbesondere einen Licht- oder einen Radarstrahl, aussenden und eine durch eine Reflexion dieser Welle an einem anderen Eisenbahnfahrzeug reflektierte Welle empfangen. Aus einer Intensitäts- oder Laufzeitdifferenz zwischen gesendetem und empfangenen Signal wird damit der Abstand der Fahrzeuge untereinander berechnet. Nachteil dieser Verfahren ist jedoch, dass sie bei stark zerklüfteten oder offenen Fahrzeugoberflächen, wie sie insbesondere bei Güterwagen vorkommen, mit großen Unsicherheiten behaftet sind. So wurden bei Abstandsmessungen mittels Radargeräten an Autotransportwagen, die eine offene Fahrzeugoberfläche aufweisen, Abweichungen vom wahren Abstand von bis zu 80 Meter ermittelt. Bei Fahrten einer Rangierlokomotive an Güterwagen heran insbesondere in Rangieranlagen sind jedoch Abstandsmessungen mit einer Abweichung vom Istwert von maximal etwa drei Metern erforderlich.
• Aus DE 23 30 366 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Position eines Fahrzeuges und damit auch der Abstand zwischen mehreren Fahrzeugen bestimmt wird, indem an einem Gleis an bestimmten Stellen Ortsmarken (sog. Transponder) angeordnet sind, die ortsspezifische Kennungen senden, die von fahrzeugseitigen Einrichtungen empfangen werden. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine aufwendige separate Installation von Ortsmarken, die auf ihre Funktionalität hin überwacht und regelmäßig gewartet werden müssen. Die notwendige Ausrüstung aller potentieller Zielwagen, also aller auf der bundeseigenen Eisenbahninfrastruktur verkehrenden Güterwagen, ist aufgrund der Anzahl der Güterwagen von über eine halbe Million Stück praktisch undurchführbar.
• Ein weiteres Verfahren nach dem Stand der Technik zur Ermittlung einer Position eines Eisenbahnfahrzeuges sind Gleisfreimeldeanlagen.
• Bei Gleisfreimeldeanlagen durch Gleisstromkreise ist zwischen zwei elektrisch isolierten Schienen eines Gleises ein Ruhestromkreis so geschaltet, dass am Anfang eines zu überwachenden Abschnittes des Gleises eine elektrische Spannung angelegt wird. Am Ende des zu überwachenden Abschnittes des Gleises zeigt ein Relais an, ob dieser Gleisabschnitt frei oder besetzt ist. Bei unbesetztem Gleis ist das Relais angezogen. Bei besetztem Gleis werden die beiden Schienen durch eine Achse eines Fahrzeuges überbrückt, so dass der Stromkreis kurzgeschlossen wird und das Relais abfällt.
• Bei Gleisfreimeldeanlagen durch Tonfrequenz-Gleisstromkreise befindet sich am Anfang des zu überwachenden Abschnittes des Gleises ein Sender. Das von diesem ausgehende elektrische Signal einer bestimmten Frequenz wird über eine Schiene zu einem Empfänger geleitet, so dass auf dem Abschnittes des Gleises ein eingestimmter Schwingkreis lagert. Bei Besetzung des Gleises wird der Schwingkreis gestört und dadurch ein Relais zum Abfall gebracht.
• Bei Gleisfreimeldeanlagen durch Achszähler befindet sich am Anfang und am Ende des zu überwachenden Abschnittes des Gleises ein Impulsgeber, der jede einzelne Achse eines Fahrzeuges registriert. Zusätzlich wird registriert, in welcher Richtung sich das Fahrzeug bewegt. Bei ungleicher Anzahl der ermittelten Achsen der Achszähler am Anfang und am Ende des Gleises wird ein besetztes Gleis und somit die Position des Fahrzeuges gemeldet.
• Nachteilig bei einer Verwendung dieser Gleisfreimeldeanlagen für eine Abstandsmessung ist jedoch, dass der Abstand zwischen zwei Fahrzeugen nur in Einheiten jeweils der Länge einer Gleisfreimeldeanlage und somit nur sehr grob oder mit unvertretbar hohem Aufwand ermittelt werden kann. Insbesondere sind Gleisabschnitte von einer Länge von unter 30 m Länge nicht möglich, da Wagen mit einem großen Achsabstand einen Abschnitte nicht überbrücken dürfen. Desweiteren handelt es sich hierbei um ortsfeste Vorrichtungen zur Abstandsmessung, die nicht unmittelbar auf einem fahrenden Eisenbahnfahrzeug angebracht werden können.
• Es ist somit Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, das den Abstand zwischen einem das Messsystem tragenden und einem benachbarten und im gleichen Gleis befindlichen Eisenbahnfahrzeug ermittelt ohne die Nachteile des Standes der Technik aufzuweisen.
• Diese Aufgabe wird für das Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale sowie für die Vorrichtung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 6 erfindungsgemäß durch die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren beruht auf einer Abhängigkeit elektrischer Eigenschaften einer aus den Schienen des Gleises und der ersten Achse des Messsystem tragenden und der letzen Achse des benachbarten Eisenbahnfahrzeuges gebildeten Leiterschleife vom Abstand der betreffenden Achsen. Im Folgenden wird abkürzend das Messsystem tragende Eisenbahnfahrzeug als Lokomotive und das benachbarte und im gleichen Gleis befindliche Eisenbahnfahrzeug als Zielwagen bezeichnet.
• Die zwei Schienen eines Gleises eines als isolierfähig angenommenen Oberbaus werden sowohl von einer ersten Achse der Lokomotive als auch von einer letzen Achse des Zielwagens kurzgeschlossen. Diese Elemente bilden eine rechteckförmige elektrische Leiterschleife, deren Breite der Spurweite des Gleises und deren Länge dem Abstand der beiden Achsen voneinander entspricht. Der Abstand der Fahrzeuge ergibt sich aus dem ermittelten Abstand der beiden Achsen voneinander abzüglich eines bekannten Abstand einer Vorderkante der Puffer der Lokomotive von der ersten Achse, dem sog. Überhang, sowie einem unbekannten Überhang des Zielwagens. Demzufolge sind die elektrischen Eigenschaften dieser elektrischen Leiterschleife ein Maß für den gesuchten Abstand der Fahrzeuge.
• Zur Erfassung dieser elektrischen Eigenschaften wird an der Lokomotive eine Koppelspule zwischen der ersten Achse und einer Vorderkante eines Pufferträgers angeordnet, wobei die Koppelspule aus Gründen der Profilfreiheit insbesondere eine Höhe von etwa 150 mm über Schienenoberkante aufweist. Die Koppelspule und die rechteckförmige elektrische Leiterschleife, die aus den beiden Gleisen und den beiden Achsen gebildet wird, wirken als stark streuender Transformator. Die Primärseite dieses Transformators wird aus der Koppelspule, die Sekundärseite aus der rechteckförmigen elektrischen Leiterschleife gebildet. Einem Strom in der Koppelspule ist somit einem magnetischen Fluss zuzuordnen, der aufgrund der Flussverkettung auch durch die aus Oberbau und Achsen gebildete Leiterschleife tritt. Damit beeinflusst der zu ermittelnde Abstand der Fahrzeuge auch die elektrischen Eigenschaften der Koppelspule, die einer auf der Lokomotive angeordnete Auswerteeinrichtung als Eingangsgröße zugeführt und ausgewertet werden. Bei der französischen Staatsbahn SNCF werden solche Koppelspulen seit vielen Jahren erfolgreich zur Übermittlung von Geschwindigkeitsinformationen im Hochgeschwindigkeitsverkehr eingesetzt. Allerdings dienen sie, da das Signal von der ortsfesten Sicherungstechnik eingespeist wird, nur als Empfänger. Die Übertragung erfolgt dabei signaltechnisch sicher über Entfernungen von mehreren Hundert Metern.
• Die Ableitung des Messwertes aus den Eigenschaften der Koppelspule erfolgt gemäß der zugrundeliegenden Leiterschleife, und ist somit insbesondere abhängig von einer Frequenz ω eines in die Koppelspule eingespeisten Testsignals.
• Werden die beiden Schienen des Gleises als eine durch die beiden Radsätze an den Enden kurzgeschlossene Lecherleitung betrachtet, so ergibt sich für eine auf der Lecherleitung verlaufenden Welle eine Ausbreitungsgeschwindigkeit c sowie eine Wellenlänge λ gemäß:

  

  wobei

L'

= Induktivitätsbelag (spezifische Induktivität)

C'

= Kapazitätsbelag (spezifische Kapazität)

ω

= Kreisfrequenz

• Zur Ermittlung einer Länge L_M der Leiterschleife sind je nach Frequenzbereich verschiedene Auswerteverfahren möglich.
• Bei niederen Frequenzen, also wenn die Wellenlänge λ sehr viel größer ist als L_M, d. h.: λ ≫ LM insbesondere ein Frequenzbereich von etwa 50Hz bis etwa 10kHz, wird die Messanordnung von Klemmen der Koppelspule aus gesehen als ein Prozess mit konzentrierten Parametern betrachtet. Die Ermittlung von L_M wird aus einer Messung an den Klemmen entweder direkt als Analogwert durchgeführt, indem die Messfrequenz geschickt gewählt wird, die Impedanz an den Klemmen gemäß Ersatzschaltbild berechnet und nach L_M aufgelöst wird, oder alternativ anhand empirisch ermittelter, und dann in Tabellen abgelegter Vergleichswerte.
• Bei mittleren Frequenzen, also wenn die Wellenlänge in der Größenordnung vom L_M liegt, d. h.: λ ≈ LM insbesondere ein Frequenzbereich von etwa 50kHz bis etwa 1 MHz, wird die aus Schienen und Radsatzkurzschlüssen gebildete Leiterschleife als Resonator betrachtet. Die Ermittlung von L_M entspricht dem Vorgehen, um aus einer Frequenz eines Tones den Zustand der erzeugenden Zuposaune zu ermitteln. Resonanzen treten hierbei auf wenn gilt

  

  so dass der Strom in der Koppelspule ein Maximum oder ein Minimum aufweist.
• Bei hohen Frequenzen, beispielsweise bei der Betrachtung eines im Frequenzbereich kurzen Impulses, gilt: λ « LM insbesondere für einen Frequenzbereich von über etwa 1 MHz. Die Länge des Gleises ist hierbei viel größer als die räumliche Ausdehnung des Impulses. Dies wird beim in der Nachrichtentechnik bekannten Verfahren der Zeitbereichsreflektometrie ausgenutzt. Im konkreten Fall ist somit in die Koppelspule ein sehr kurzer Impuls einzuspeisen, und die Zeit bis zum Eintreffen des entsprechenden Echos zu messen. Mit der von der Koppelspule ermittelten Laufzeitdifferenz t_M zwischen dem eingespeistem Impuls und dessen Echo ergibt sich:

  
• Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind insbesondere, dass
• • eine gleisselektive Entfernungsmessung durchgeführt wird,
• • keine Installationen im Gleis oder im Zielwagen benötigt werden, sondern die Technik auf der zu regelnden Lokomotive angeordnet ist,
• • auch Entfernungen in einem Gleisbogen, d. h. Längen von gekrümmten Abschnitte und nicht von Sekanten ermittelt werden können, Fahrzeuge bereits in einer für eine Bremsung ausreichenden Entfernung erkannt werden,
• • die Entfernung in für einen Regelalgorithmus für ein automatisches Fahren der Lokomotive geeigneten Schritten aufgelöst wird, es unabhängig von der Bauart des Zielwagens ist,
• • eine sichere und zuverlässige Entfernungsmessung durchgeführt wird.
• Die genannten betrieblichen Erfordernisse werden erfüllt, ohne dass eine unzulässige Beeinflussung durch die bahnspezifischen Umwelteinflüsse erfolgt. Diese sind insbesondere Witterungseinflüssen wie Regen, Schnee, Nebel, und Frost sowie Erschütterungen oder Schmutz.
• Desweiteren entstehen keine Störungen aus oder von anderen technischen Einrichtungen der Strecke, insbesondere der Leit- und Sicherungstechnik, die bei Frequenzen von 50 Hz sowie 16,7 Hz Informationssignale senden und empfangen.
• Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nach Anspruch 2 enthält die Koppelspule mehrere getrennte Wicklungen, so dass Speise- und Messsignal getrennt werden können. Damit kann die Sendespule für die Erfordernisse der Speiseschaltung und die Empfangsspule für die Erfordernisse der Auswerteschaltung freizügig optimiert werden.
• Nach Anspruch 3 wird das Gleis bergseitig kurzgeschlossen oder mit einem RC-Glied abgeschlossen oder am Bergende ein Prüfsignal eingespeist. Erkennt eine Lokomotive somit
• – das Prüfsignal oder die Impedanz des RC-Gliedes, so ist das Gleis frei und in Ordnung,
• – einen Achskurzschluss in einem bestimmten Abstand, so liegt eine Annährungsfahrt vor. Beim Abschluss des Gleises mittels Kurzschlussbrücke kann nicht zwischen einem freien oder nur im hinteren Teil belegten Gleis unterschieden werden. Das System kann jedoch seine eigene Funktion prüfen.
• – kein Ende des freien Gleises, so liegt ein Schienenbruch oder eine Systemstörung vor, so dass ein Nothalt erforderlich ist.
• Nach Anspruch 4 wird das Verfahren mit Hilfe einer ortsfesten Schalteinrichtung eingeschaltet. Dies ist erforderlich, wenn die Annährungsfahrt im bergabgewandten Weichenbereich der Einfahrgruppe beginnt, und dieser Weichenbereich nicht systemkonform isoliert werden kann. In diesem Weichenbereich müssen Achszählkreise die Lokomotive führen. Für den Fall, dass ein Zielwagen sich unmittelbar hinter der ortsfesten Schalteinrichtung befinden kann, müssen Achszählkreise bis zum Ort der ortsfesten Schalteinrichtung zuzüglich eines Bremsweges sichern. Alternativ muss nach Anspruch 5 die Lokomotive die ortsfeste Schalteinrichtung mit geringer Geschwindigkeit, einer sog. Schleichfahrt überfahren. Können im konkreten Falle auch die Weichenbereiche systemkonform isoliert werden, arbeitet das Messsystem auch über Weichen hinweg, und die Annährungsfahrt kann ab dem Wendestutzen mit dem beschriebenen System geregelt werden.
• Als weitere Anwendungsmöglichkeit kann das Verfahren bei einer Heranfahrt eines Hilfszuges an ein havariertes Fahrzeug in einen verqualmten Tunnel angewendet werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit einer Zeichnung mit zwei Figuren erläutert. Die Zeichnung zeigt in
• 1 schematisch eine rechteckförmige Leiterschleife, die aus zwei Schienen und zwei Achsen gebildet wird,
• 2 ein Ersatzschaltbild für eine Messanordnung von Klemmen einer Koppelspule aus betrachtet.
• Gemäß 1 werden zwei Schienen 1, 2 eines als isolierfähig angenommenen Oberbaus sowohl von einer ersten Achse 3 einer Lokomotive 6 als auch von einer letzen Achse 4 eines Zielwagens kurzgeschlossen. Diese Elemente bilden eine rechteckförmige Leiterschleife, deren Breite der Spurweite des Gleises entspricht, und deren Länge sich aus dem bekannten Überhang 8 der Lokomotive, dem unbekannten Überhang 9 des Zielwagens, der insbesondere eine Länge von etwa 1,5 m bis 4,1 m aufweist, und dem, im interessierenden Zustand überwiegenden, Abstand der Fahrzeuge zusammensetzt. Demzufolge sind die elektrischen Eigenschaften dieser Leiterschleife ein Maß für den gesuchten Abstand der Fahrzeuge.
• Zur Erfassung dieser Eigenschaften wird eine Koppelspule 5 genutzt, die an der Lokomotive 6 zwischen der ersten Achse 3 und Vorderkante Pufferbohle 11 in einer Höhe von etwa 150 mm über Schienenoberkante angeordnet wird. Dem Strom in der Koppelspule 5 ist ein magnetischer Fluss zuzuordnen, der auch durch die aus Oberbau und Achsen gebildete Leiterschleife tritt. Damit beeinflusst der zu ermittelnde Abstand 10 der Fahrzeuge auch die elektrischen Eigenschaften der Koppelspule, die durch eine auf der Lokomotive angeordnete Auswerteeinrichtung dem Regelalgorithmus als Eingangsgröße zugeführt werden können.
• Gemäß 2 wird zur Ermittlung der Länge L_M der zu messenden Leiterschleife bei niederen Frequenzen, also wenn die Wellenlänge λ sehr viel größer als L_M ist, d. h. λ » L_M, die Messanordnung von den Klemmen der Koppelspule aus betrachtet durch das dargestelltes Ersatzschaltbild betrachtet (als Prozess mit konzentrierten Parametern).
• Dabei ist G' die spezifische Leitfähigkeit des Oberbaus, KL1 und KL2 Klemmen der Koppelspule sowie Ls, Lq und Ü Nachbildung der Koppelspule als streuender Transformator. Die Ermittlung von L_M wird aus einer Messung an den Klemmen KL1 und KL2 entweder direkt als Analogwert abgelesen, indem die Messfrequenz geschickt gewählt wird, die Impedanz an den Klemmen gemäß Ersatzschaltbild berechnet und nach L_M aufgelöst wird. Alternativ wird die Ermittlung von L_M anhand empirisch ermittelter, und in Tabellen abgelegter Vergleichswerte durchgeführt.

1

Schiene

2

Schiene

3

erste Achse einer Lokomotive

4

letze Achse eines Zielwagens

5

Koppelspule

6

Lokomotive

7

Zielwagen

8

Überhang der Lokomotive

9

Überhang des Zielwagens

10

Abstand der Fahrzeuge

11

senkrechte Pufferebene oder Zentrum der Mittelpufferkupplung

L'

Induktivitätsbelag (spezifische Induktivität)

C'

Kapazitätsbelag (spezifische Kapazität)

ω

Kreisfrequenz

c

Ausbreitungsgeschwindigkeit

λ

Wellenlänge

L_M

Länge der zu messenden Leiterschleife

t_M

Laufzeitdifferenz zwischen einem eingespeistem Impuls und dessen

Echo

G'

spezifische Leitfähigkeit des Oberbaus.

KL1, KL2

Klemmen der Koppelspule

Ls, Lq, Ü

Nachbildung der Koppelspule als streuender Transformator

Claims (7)

1. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem ein Messsystem tragenden Eisenbahnfahrzeug (6) und einem benachbarten und im gleichen Gleis befindlichen Eisenbahnfahrzeug (7) dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schienen (1, 2) eines Gleises eines Oberbaus sowohl von einer ersten Achse (3) des Eisenbahnfahrzeuges (6) als auch von einer letzen Achse des Eisenbahnfahrzeug (7) in Form einer rechteckförmigen Leiterschleife elektrisch kurzgeschlossen werden, an dem Eisenbahnfahrzeug (6) eine Koppelspule (5) angeordnet wird und eine elektromagnetische Rückwirkung der rechteckförmigen Leiterschleife auf die Koppelspule (5) einer auf dem Eisenbahnfahrzeug (6) angeordneten Auswerteeinrichtung als Eingangsgröße zugeführt und von dieser ausgewertet wird.
2. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelspule mehrere getrennte Wicklungen aufweist und ein Speise- und Messsignal voneinander getrennt werden.
3. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Gleis bergseitig kurzgeschlossen oder mit einem RC-Glied abgeschlossen oder am Bergende ein Prüfsignal eingespeist wird.
4. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem mit Hilfe einer ortsfesten Schalteinrichtung eingeschaltet wird, bis dahin die Abdrücklokomotive durch Achszählkreise geführt wird und für den Fall, dass ein Zielwagen sich unmittelbar hinter der ortsfesten Schalteinrichtung befindet, durch Achszählkreise bis zum Ort der ortsfesten Schalteinrichtung zuzüglich eines Bremsweges gesichert wird.
5. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das alternativ die Abdrücklokomotive die ortsfeste Schalteinrichtung mit geringer Geschwindigkeit, einer sog. Schleichfahrt, überfährt.
6. Vorrichtung zur Ermittlung des Abstandes zwischen einem ein Messsystem tragenden Eisenbahnfahrzeug (6) und einem benachbarten und im gleichen Gleis befindlichen Eisenbahnfahrzeug (7) dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine erste Achse (3) des Eisenbahnfahrzeuges (6) als auch eine letze Achse des Eisenbahnfahrzeuges (7) zwei Schienen (1, 2) eines Gleises eines Oberbaus in Form einer rechteckförmigen Leiterschleife elektrisch kurzschließt, an dem Eisenbahnfahrzeug (6) eine Koppelspule (5) angeordnet ist und eine auf dem Eisenbahnfahrzeug (6) angeordnete Auswerteeinrichtung eine elektromagnetische Rückwirkung der rechteckförmigen Leiterschleife auf die Koppelspule (5) ermittelt und auswertet.
7. Vorrichtung zur Ermittlung des Abstandes nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelspule mehrere getrennte Wicklungen aufweist und ein Speise- und Messsignal voneinander getrennt ist.