DE102008062143B3

DE102008062143B3 - Verfahren zur Bestimmung der vertikalen Gleislage des schienengebundenen Eisenbahnverkehrs

Info

Publication number: DE102008062143B3
Application number: DE200810062143
Authority: DE
Inventors: Klaus-Ulrich Wolter; Franz Erhard; Jens-Peter Voigt
Original assignee: DB Netz AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der vertikalen Gleislage des schienengebundenen Eisenbahnverkehrs, wobei die ermittelten Daten einem Messrechner zur Auswertung zugeleitet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik dadurch zu vermeiden, dass hochfrequente Beschleunigungen in vertikaler Richtung an den Achslagern von Regelzügen gemessen und ausgewertet werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Patentansprüche 1 bis 6 gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der vertikalen Gleislage des schienengebundenen Eisenbahnverkehrs, wobei die ermittelten Daten einem Messrechner zur Auswertung zugeleitet werden.
Bei der Regelinspektion des Fahrweges sowie bei der Abnahme von Gleisbauarbeiten wird mit Hilfe von speziellen Messfahrzeugen die innere geometrische Lage des Gleises gemessen um Lageabweichungen des Gleises von seiner Sollform zu erfassen. Die derzeit zur Anwendung kommenden Messfahrzeuge und deren Messverfahren stellen den Stand der Technik dar. Bekannte Messverfahren unter Last sind:
• Wandersehnen-Messprinzip (Dreipunktsignal)
Die vertikale Lageabweichung der Schiene wird durch eine mechanische Abtastung der Schienenoberkante erfasst. Dies erfolgt durch eine vertikal bewegliche Radachse, deren Auslenkung gegenüber der durch zwei feste Radachsen virtuell gespannten Sehne gemessen wird. Je nach gewählter Sehnenlänge und Sehnenteilung ergeben sich dabei unterschiedliche Signale. Dieser Signaltyp wird bei der Fahrweginspektion bei vielen Eisenbahnunternehmen zur Beurteilung von vertikalen Gleislagefehlern herangezogen.
Das Verfahren besitzt die Nachteile, dass es keine formtreuen Signale eines Gleislagefehlers liefert, sondern verzerrte und phasenverschobene Signale mit einem eingeschränkten Wellenlängenbereich von 3 bis 25 m. Die geringe Messgeschwindigkeit von 80 km/h führt zu zeitaufwändigen Messungen.
• Inertial-Messprinzip
Beim Inertial-Messprinzip wird im Raum ein inertiales Bezugssystem geschaffen, das als ruhend betrachtet werden kann. Die vertikale Gleislage wird aus der Differenz zweier Abstands-Messgrößen berechnet, die sich auf dieses Koordinatensystem beziehen.
Das Bezugssystem wird durch eine elastisch gelagerte und kreiselstabilisierte Plattform realisiert, deren Abstand von der inertialen Ruhelage durch eine Trägheitsmessung ermittelt wird. Der Abstand der Plattform zur Schienenoberkante wird optisch abgetastet. Die Differenz aus diesen beiden Messgrößen ergibt die unverzerrte formtreue vertikale Gleislage im inertialen Koordinatensystem. Aus dem Messsignal muss noch die Trassierung herausgefiltert werden, was zu einem eingeschränkten Wellenlängenbereich von 3 bis 50 m führt. Die Fahrgeschwindigkeit des Messfahrzeuges kann bis 200 km/h betragen. Das Verfahren besitzt die Nachteile, dass die Messtechnik sehr aufwändig ist, und aufgrund der der optischen Abtastung am Schienenkopf nicht wartungsfrei ist.
• Messung der Achslagerbeschleunigung
Hier wird bei dem aus der gemessenen vertikalen Achslagerbeschleunigung mit anschließender Signalverarbeitung das Dreipunktsignal einer 10 m Sehne mit symmetrischer Sehnenteilung bestimmt. Dabei durchläuft das Signal der Achslagerbeschleunigung ein kombiniertes digitales Filter, welches die Operation der Hochpassfilterung, Integration und Dreipunktabtastung durchführt. Dieses Messverfahren wird in Shinkansen-Zügen eingesetzt. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der Beschränkung auf Dreipunktsignale mit symmetrischer Sehnenteilung. Formtreue Signalen werden nicht erzeugt.
Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung zur Messung von Zustandsdaten an einem rollenden Radsatz eines schienengebundenen Fahrzeuges, wobei Mittel zur Erfassung der Spurkranzhöhe gegenüber einem von der Schienenhöhe unabhängigen Referenzpunkt vorgesehen sind ( DE 10 2004 033 432 A1 ). Zur Erfassung der Schienenkranzhöhe ist vertikal unter den vorbeirollenden Spurkränzen neben der Schiene mindestens ein berührungslos messender Abstandsensor vorgesehen. Die erfasten Abstandswerte werden einer Auswerteeinheit übermittelt, die aus dem Abstandswert mindestens die Abnutzung einer der Radlaufflächen oder mindestens den mittleren Radlaufdurchmesser eines Radsatzes ermittelt.
Des weiteren bekannt ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Gleisgeometrie mit einem Laser bekannt, wobei dessen Strahl eine Bezugsebene aufspannt ( DE 34 44 723 A1 ). Die Vorrichtung weist ferner ein Messsystem mit Sensoren auf, die die Position der Schienen relativ zum Messsystem erfassen und beinhaltet eine Laserstrahlempfangs-einheit, die die Position des Laserstrahles in der von den Sensoren aufgespannten Ebene ermittelt. Der Messkopf ist einem schienenfahrbaren Fahrzeug angebracht, dessen Radsatz das Gleis belastet und das zur Vermessung eines bestimmten Gleisabschnittes kontinuierlich verfahrbar ist.
Eine ähnliche Vorrichtung ist ebenso aus der DE 195 31 336 C2 bekannt.
Die DE 10 2007 016 395 B3 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung fahrzeugspezifischer Bewertungsfunktionen zur wirkungsbezogenen Beurteilung der Lagequalität eines Gleises, wobei die fahrzeugspezifischen Bewertungsfunktionen mittels Simulationsrechnung auf der Basis eines Fahrzeugmodells und/oder aus Ergebnissen von Fahr- und/oder Prüfstandsversuchen mit einem Fahrzeug bestimmt werden.
Aus der DE 102 20 175 C1 ist ein Messverfahren und eine Anordnung zum Erfassen der Nachgiebigkeit eines Gleises mit einem Messfahrzeug zum Ausführen kontinuierlicher Mes sungen unter Verwendung eines inertialen Messverfahrens zur Bestimmung der vertikalen und horizontalen Lage der Schienen des Gleises bekannt.
Die DE 199 26 164 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Fahrzeugs und/oder zum Überwachen eines Fahrweges während des betriebsmäßigen Fahrens des Fahrzeugs, wobei an mehreren Messstellen am Fahrzeug das Schwingungsverhalten von Fahrzeugkomponenten erfasst und die Messsignale ausgewertet werden.
Die bekannten Messzüge zur Ermittlung der vertikalen Gleislage ermöglichen zwar eine genaue Messung, jedoch müssen die Messfahrten längere Zeit im voraus geplant und fahrplanmäßig beantragt werden, um auch den Regelfahrplan möglichst nicht zu behindern. Für die vorgeschriebenen Inspektionsintervalle, welche je nach zulässiger Streckenhöchstgeschwindigkeit zwischen 3 bis 12 Monaten liegen, steht nur eine entsprechende Anzahl an aufwändigen Messfahrzeugen zur Verfügung um alle geforderten Strecken wirtschaftlich inspizieren zu können. Die Möglichkeit zur Verfolgung einer zeitlichen Entwicklung der Gleislage beschränkt sich daher nur auf sehr langsame Veränderungen.
Neben der erforderlichen messtechnischen Wartung fällt zusätzlicher Instandhaltungsaufwand für die eigentlichen Messfahrzeuge an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik dadurch zu vermeiden, dass hochfrequente Beschleunigungen in vertikaler Richtung an den Achslagern von Zügen des Regelverkehrs gemessen und ausgewertet werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Patentansprüche 1 bis 6 gelöst.
Die Messung der vertikalen Gleislage erfolgt indirekt über eine Beschleunigungsmessung der vertikalen Fahrzeugreaktion am linken und rechten Achslagergehäuse. Aufgrund der hohen Steifigkeit zwischen Rad und Schiene verläuft beim Befahren des Gleises die Bewegung des Achslagergehäuses synchron zur vertikalen Gleislage. Die gemessenen Beschleunigungsamplituden sind abhängig von der vertikalen Gleislage und der Fahrgeschwindigkeit. Ein digitales Messwerterfassungssystem liefert von diesen Größen zusammen mit dem Signal des Streckenkilometers kontinuierliche zeitäquidistante Datenvektoren. Zur weiteren Verarbeitung werden diese Datenvektoren in vorzugsweise 10 Sekunden lange Blöcke aufgeteilt und als Eingangssignale an eine Funktion übergeben.
In der Funktion wird eine numerische Integration der Beschleunigungsvektoren nach dem Trapezverfahren durchgeführt. Das Ergebnis sind die vertikalen Geschwindigkeiten an dem entsprechenden Achslagergehäuse im Zeitbereich. Eventuell mögliche Offsets in den Beschleunigungssignalen führen bei dieser Operation zu linearen Trends, die jeweils durch eine Ausgleichsgerade beschrieben und von den ermittelten Geschwindigkeiten subtrahiert werden. Ein zweiter Integrationsschritt liefert die vertikalen Achslagergehäuse-Wege. Diese Signale stellen im Zeitbereich die formtreuen, vertikalen Gleislagen der linken und rechten Schiene dar. Je nach Fahrgeschwindigkeit sind diese Signale im Zeitbereich gestreckt bzw. gestaucht, während sie im Ortsbereich unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit sind. Der Wellenlängenbereich ist uneingeschränkt und hängt nur von der Grenzfrequenz des Beschleunigungssignals ab.
Für die nachfolgenden Filter-Operationen müssen die Signale der vertikalen Gleislagen im wegäquidistanten Ortsbereich abgebildet werden. Dazu wird ein wegäquidistanter Streckenvektor aus dem Anfangs- und Endkilometer des Streckenkilometersignals mit einem vorgegebenen Weginkrement (vorzugsweise 0.2 m) erzeugt. Mit einer kubischen Spline-Interpolation werden dann die zeitäquidistanten Wertepaar-Zuordnungen aus vertikaler Gleislage und Streckenkilometer in wegäquidistante Wertepaar-Zuordnungen umgerechnet.
Zur definierten Einschränkung der maximalen Fehlerlänge werden die Signale der vertikalen Gleislagen gefiltert. Mit der Vorgabe von Filterspezifikationen für einen vorzugsweise 50 m IIR-Hochpassfilter, werden die Filterkoeffizienten bestimmt. Die vor- und rücklaufende Anwendung dieses Filters auf den Datenvektor der wegäquidistanten vertikalen Gleislagedaten liefert phasenverschiebungsfrei die formtreue Schienenlängshöhe bis 50 m.
Zur Bestimmung der vertikalen Gleislage entsprechend dem Dreipunktverfahren, durchlaufen die erzeugten Signale der formtreuen vorzugsweise 50 Meter-Schienenlängshöhen einen weiteren digitalen Filter. Dieser Filter besitzt eine Übertragungsfunktion wie sie bei der Erzeugung des Dreipunktsignals nach dem Wandersehnen-Messprinzip zustande kommt.
Die Sehnenteilungen wurden entsprechend der DB GMTZ-Messfahrzeuge übernommen, es sind jedoch auch beliebig andere Sehnenteilungen realisierbar. Nach dieser Filterung wird noch eine Amplitudenanpassung mit einem Faktor vorgenommen, welcher bereits in Vergleichsmessungen ermittelt wurde. Zur Beseitigung von Filter-Einschwingvorgängen werden von den erzeugten vorzugsweise zehn Sekunden langen Signalen jeweils vorzugsweise 2,5 Sekunden vom Anfang und Ende abgeschnitten. Die verbleibenden, vorzugsweise fünf Sekunden langen Datenvektoren werden mit den Datenvektoren des vorherigen Funktionsaufrufes fortlaufend verkettet unter Berücksichtigung des Zeitpunktes des Funktionsaufrufes.
Für die automatische Zuordnung der ermittelten vertikalen Gleislage zur linken und rechten Schiene muss die Stellung des Fahrzeuges im Gleis bekannt sein.
Hierzu wird an einem benachbarten Radsatz desselben Fahrzeuges ebenfalls die vertikale Gleislage nach dem beschriebenem Verfahren bestimmt. Aus dem Vorzeichen der Phasenverschiebung der beiden Signale zueinander wird der voraus laufende Radsatz identifiziert. Zusammen mit der bekannten Einbaulage der Radsätze im Fahrzeug wird die Stellung des Fahrzeuges im Gleis bestimmt.
Vorteile der Erfindung

– Messungen erfolgen im Regelbetrieb und müssen betrieblich nicht gesondert berücksichtigt werden
– Für die Messung der vertikalen Gleislage werden keine gesonderten Messzüge mit Bedienpersonal benötigt
– Vorhaltung der vertikalen Gleislage auf nahezu aktuellem Stand aufgrund von Messungen in kurzem Zeitintervall
– Verbesserte Planbarkeit von Instandsetzungen
– Nachhaltigkeit von durchgeführten Arbeiten im Gleis (Umbau oder Instandsetzung) kann objektiv ermittelt werden
– Erhöhung der Sicherheit durch frühzeitiges Erkennen von Veränderungen der vertikalen Längshöhe und Möglichkeit zur automatisierten Weitermeldung an Instandsetzungsstellen
– Hohe Ortungsgenauigkeit ermöglicht vor Ort schnelles Auffinden und genaues Eingrenzen eines Gleislagefehlers zur Instandsetzung
– Zusätzliches formtreues vertikales Gleislagesignal ermöglicht den Einsatz von zukünftigen Beurteilungsmaßstäben (z. B. Reaktionsbezogene Gleislagebeurteilung)
– Messtechnik ist kostengünstig, robust und wartungsarm

Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 – die Messung in schematischer Darstellung
2 – eine Beispielmessung im Betriebseinsatz

Das Fahrzeug befindet sich zum Zeitpunkt t am Ort x und überfährt dabei mit der Geschwindigkeit ẋ(t) einen vertikalen Gleislagefehler mit den Längshöhenverläufen z(x)li und z(x)re der linken und rechten Schiene (1). Dieser Gleislagefehler bewirkt an den Radsätzen jeweils eine vertikale Beschleunigung, welche an den Achslagergehäusen als z ..(t)li_RS2, z ..(t)re_RS2, z ..(t)li_RS3, z ..(t)re_RS3 gemessen werden. Zusammen mit der Information des Ortes x(t) und der Fahrgeschwindigkeit ẋ(t) werden die Längshöhenverläufe der linken und rechten Schiene als formtreue Längshöhenverläufe z(x)li_FT, z(x)re_FT errechnet sowie als Dreipunktsignal z(x)li_DP, z(x)re_DP mit beliebig wählbarer Sehnenteilung bestimmt. Eingangsgrößen des Verfahrens (Messgrößen des Fahrzeugs):

Ausgangsgrößen des Verfahrens:

z(x)li_FT	Formtreue linke vertikale Schienenlängshöhe
z(x)re_FT	Formtreue rechte vertikale Schienenlängshöhe
z(x)li_DP	Dreipunktabgetastete linke vertikale Schienenlängshöhe
z(x)re_DP	Dreipunktabgetastete rechte vertikale Schienenlängshöhe

Für eine quasikontinuierliche Überwachung der vertikalen Gleislage, wurde ein Fahrzeug des ICE2-Regelverkehrs mit einer entsprechenden Messwerterfassung ausgerüstet. Die 2 zeigt einen Signalsausschnitt von der Anwendung des beschriebenen Verfahrens während eines regulären Betriebseinsatzes. Das obere Bild zeigt die am Achslagergehäuse gemessene Beschleunigung z ..(t)li_RS2 über der linken Schiene. Zwischen km 136.11 und 136.14 werden erhöhte Beschleunigungen gemessen. Das beschriebene Verfahren ermittelt daraus die formtreue vertikale Gleislage z(x)li_FT als Abbild der Schienen längshöhe im belasteten Zustand (mittleres Bild). Der maximale Wellenlängenbereich wurde dabei auf 50 m begrenzt. Mit einer gewählten Sehnenteilung entsprechend eines DB-Geometrie-Messfahrzeuges errechnet das Verfahren das Dreipunktsignal z(x)li_DP der linken Schienenlängshöhe, welches gegenüber der formtreuen vertikalen Gleislage z(x)li_FT verzerrt und phasenverschoben ist. Bei km 136.11 beträgt der Wert des Dreipunktsignals mehr als 9 mm. Nach dem gültigen Oberbau-Regelwerk der DB erfordert dies eine Instandsetzung. Eine zeitnahe Gleisgeometriemessung eines DB-Messfahrzeuges (gestrichelte Linie) bestätigt das Ergebnis des Verfahrens (unteres Bild).

Claims

Verfahren zur Bestimmung der vertikalen Gleislage des schienengebundenen Eisenbahnverkehrs, gekennzeichnet dadurch, dass hochfrequente Beschleunigungen in vertikaler Richtung an mindestens einem Achslager eines Regelzuges gemessen und auf einem verbundenen Messrechner aufgezeichnet werden, wobei die kontinuierlich ermittelten zeitäquidistanten Daten derart weiterverarbeitet werden, dass a. sie zu Datenvektoren mit begrenzter Länge, größer als 10 Sekunden, aufgeteilt werden, b. durch eine Integration des vertikalen Achslager-Beschleunigungsvektors der vertikale Achslager-Geschwindigkeitsvektor mit linearem Trend ermittelt wird, c. eine Beseitigung des linearen Trends von dem vertikalen Achslager-Geschwindigkeitsvektor durchgeführt wird, d. durch eine Integration des, vom Trend bereinigten, vertikalen Achslager-Geschwindigkeitsvektors der formtreue vertikale Achslager-Wegvektor ermittelt wird, e. eine Umrechnung des zeitäquidistanten, formtreuen vertikalen Achslagerwegvektors in einen wegäquidistanten, formtreuen vertikalen Achslagerwegvektor mittels einer kubischen Spline-Interpolation durchgeführt wird, f. eine gespiegelte, zweifache Hochpassfilterung im Ortsbereich des gesplinten formtreuen vertikalen Achslagerwegvektors zur definierten Begrenzung der maximalen Wellenlänge durchgeführt wird, g. eine Erzeugung eines Dreipunkt-Längshöhensignales durch eine weitere Filterung des bereits hochpassgefilterten formtreuen vertikalen Achslagerwegvektors entsprechend einer beliebig einstellbaren Übertragungsfunktion, h. eine Kürzung der erzeugten Vektoren am Anfang und Ende durchgeführt wird, i. eine Verkettung der formtreuen vertikalen Achslagerwegvektoren unter Berücksichtigung der anfangs gewählten Datenaufteilung durchgeführt wird, j. eine Verkettung der Dreipunkt-Längshöhenvektoren unter Berücksichtigung der anfangs gewählten Datenaufteilung durchgeführt wird, k. eine Verkettung der wegäquidistanten Streckenvektoren unter Berücksichtigung der anfangs gewählten Datenaufteilung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Integration der vertikalen Achslager-Beschleunigung und Achslager-Geschwindigkeit durch numeri sche Integration im Zeitbereich nach dem Trapezverfahren mittels folgender Funktion:
ermittelt werden, wobei A = Integrationswert T_A = Abtastzeit y_n = Abtastwert beim Index n N = Vektorlänge bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bestimmung des linearen Trends durch ein Ausgleichsgerade y ~ nach dem Gaußschen Prinzip der kleinsten Fehlerquadratsumme: y ~ = ax + bdurchgeführt wird, wobei die Koeffizienten a und b aus dem Gleichungssystem: a·N + b·Σxn = Σyn a·Σxn + b·Σx2 n = Σxn·yn bestimmt und eine Entfernung des linearen Trends vom Datenvektor nach: yn = yn – y ~n a, b Koeffizienten der Ausgleichsgerade N Vektorlänge x_n Zeitvektor y_n Datenvektor realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Umrechnung des zeitäquidistanten vertikalen Achslagerweges in ein wegäquidistantes Signal mittels einer kubischen Spline-Interpolation in derart durchgeführt wird, dass zwischen zwei benachbarten Zeitpunkten t_n und t_n+1 mit dem Streckenkilometer x_n und x_n+1 exakt durch die Signalwerte y_n und y_n+1 des Achslagerweges eine kubische Parabel nach der Formel: Pn(x) = an + bn·(x – xn) + cn·(x – xn)2 + dn·(x – xn)3 gelegt wird, wobei die Koeffizienten a_n, b_n, c_n, d_n aus dem Gleichungssystem bestimmt werden, das sich aus der Voraussetzung ergibt, dass benachbarte Parabeln an den Stoßstellen sowohl im Funktionswert als auch in den ersten beiden Ableitungen übereinstimmen und durch den Einsatz der wegäquidistanten Streckenwerte in die entsprechenden Parabelfunktionen die gewünschten wegäquidistanten Signalwerte des Achslagerweges ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Hochpassfilterung im Ortsbereich nach folgender Differenzengleichung zur Beschreibung eines rekursiven IIR-Digitalfilters:
ermittelt wird, wobei x_n Wert im Eingangskanal y_n Wert im Ausgangskanal m, k Indizes für Verzögerung M Anzahl der Verzögerungsglieder im Eingangskanal N Anzahl der Verzögerungsglieder im Ausgangskanal b_m Filterkoeffizienten im Eingangskanal a_k Filterkoeffizienten im Ausgangskanal bedeuten und durch z-Transformation die Differenzengleichung in folgende Übertragungsfunktion umgewandelt wird:
sodass mit einer Vorgabe von Filterspezifikationen an die Übertragungsfunktion die Filterkoeffizienten a und b sowie die minimale Filterordnung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Erzeugung eines Dreipunkt-Längshöhensignals als Abstand y zwischen der von a nach b gespannten Sehne und der Schiene am Ort der Sehnenteilung c gemessen wird, wobei zwischen den Messwerten x(a), x(b), x(c) sowie deren geometrischer Anordnung und der Dreipunkt-Längshöhe folgender Zusammenhang besteht:
wobei a, b Längen der Sehnenteile x(a), x(b), x(c) Messsignale an den der Sehnenteilen a, b, c y Dreipunkt-Längshöhe (Pfeilhöhe) dx Schrittweite bedeuten und der geometrische Versatz der Messorte a, b, c bei einer Fortbewegung der Sehne in Richtung a mit der Schrittweite dx in den Signalen x(a), x(b), x(c) folgende Verzögerungen x(a) → x(n)
bewirkt und das fortlaufende Längshöhensignal durch die folgende Differenzengleichung beschrieben wird
wobei durch die Faktoren der Verzögerungsglieder die Filterkoeffizienten des FIR-Filters:
sowie allen anderen Elemente von Filter_b = 0 gebildet wird, wobei zur Amplitudenanpassung von y(n) an das Dreipunktsignal noch ein Korrekturfaktor verwendet wird.