DE102011084160A1

DE102011084160A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung

Info

Publication number: DE102011084160A1
Application number: DE201110084160
Authority: DE
Inventors: Henrik Kinnemann; Helene Kaps; Lutz Schaarschmidt; Markus Hecht
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Siemens AG
Current assignee: Technische Universitaet Berlin; Siemens AG
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-04-11
Also published as: WO2013050244A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung. Um hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit unabhängig von Witterungsbedingungen zu erreichen, ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf eines sensorisch erfassten Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens einer Messstelle an der Schiene (7) bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Änderungen gegenüber dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene (7) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schienenbrucherkennung sowie eine diesbezügliche Vorrichtung. Unter dem Begriff Schienenbrucherkennung sind hier nicht nur Schienendurchbrüche, sondern alle gefährlichen Strukturveränderungen an der Schiene, insbesondere auch Kerben, Einschnitte oder Anbrüche subsumiert.
Schienenbrüche können zu erheblichen Unfällen im Eisenbahnverkehr führen, Schienendurchbrüche sogar zu großen Katastrophen. Daher besteht das Erfordernis, Schienenbrüche bereits in einem frühen Stadium zu erkennen, so dass durch vorbeugende Reparaturen an der Schiene Unfälle und große Katastrophen vermieden werden können.
Bei einem bekannten Verfahren werden Gleisstromkreise zur Schienenbrucherkennung verwendet. Nachteilig sind vor allem die mangelnde Zuverlässigkeit der Auswertung und die Abhängigkeit der Messempfindlichkeit von Witterungseinflüssen, insbesondere bezüglich Schneefall und Regen. Außerdem ist eine Detektion eines Schienenbruches mittels Gleisstromkreis erst dann möglich, wenn die Schiene bereits komplett durchgebrochen ist.
Bekannt ist außerdem ein Wirbelstromverfahren, bei dem ein Schienenfahrzeug Wirbelströme in die Schiene induziert und durch Schienenbrüche verursachte Anomalien auswertet. Dieses Wirbelstromverfahren ist jedoch nur bei langsamer Fahrt über den zu überprüfenden Schienenbereich möglich, so dass der reguläre Eisenbahnverkehr behindert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung anzugeben, welche diese Nachteile beseitigen und darüber hinaus eine größere Messempfindlichkeit und eine höhere Zuverlässigkeit der Auswertung aufweisen.
Die Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass ein zeitlicher Verlauf eines sensorisch erfassten Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens, einer Messstelle an der Schiene bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Änderungen gegenüber dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene ausgewertet wird.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, bei der an der Schiene ein Sensor zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufes eines Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens, bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges angeordnet ist, wobei der Sensor mit einer Auswertevorrichtung zum Vergleich des aktuellen zeitlichen Verlaufs mit dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene verbunden ist.
Entlang der Schiene werden an diskreten Punkten Sensoren fest mit der Schiene verbunden, welche das Schwingverhalten an diesem Punkt erfassen. Bei Überfahrt des Schienenfahrzeugs breiten sich von den Radaufstandspunkten ausgehend Körperschallwellen aus. Durchlaufen diese Körperschallwellen die Messstelle, können Schwingungsanteile der Körperschallwelle registriert werden. An Rissen und Materialinhomogenitäten, vor allem senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Körperschallwellen, werden diese reflektiert, so dass sich das Messsignal, insbesondere das Schwingverhalten, an der Messstelle ändert. Die Größenordnung der Änderung hängt von dem Ausmaß der Schädigung und von der relativen Lage zwischen Messstelle, Schädigungsort und Anregungsort ab. Bei ausreichender Empfindlichkeit des Sensors und entsprechender Beabstandung der Sensoren entsteht ein Frühwarnsystem für beginnende Schienenbrüche. Dadurch können Reparaturarbeiten vor der Entstehung akut gefährlicher Zustände durchgeführt werden. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass keine Abhängigkeit von Witterungsbedingungen besteht. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der beanspruchten Schienenbrucherkennung sind wesentlich höher als bei bekannten Verfahren.
Gemäß Anspruch 2 wird das Schwingverhalten mittels Beschleunigungssensoren erfasst. Hochempfindliche Beschleunigungssensoren zur Vibrationsdetektion haben sich auf vielen Gebieten der Technik, insbesondere auch für sicherheitsrelevante Anwendungen, zum Beispiel in der Luftfahrt, bewährt und sind deshalb für die hoch sicherheitsrelevante Schienenbrucherkennung besonders geeignet.
Vorzugsweise wird das Schwingverhalten gemäß Anspruch 3 mittels Frequenzanalyse ausgewertet, wobei die Auswertung gemäß Anspruch 4 in mindestens einem Teil des Schallfrequenzbereiches, insbesondere im kHz-Bereich, erfolgt. Möglich wäre auch eine Auswertung des Messsignals im Zeitbereich. In Feldversuchen hat sich jedoch gezeigt, dass im Frequenzbereich der Unterschied zwischen intakter und geschädigter Schiene deutlicher erkannbar ist. Dabei sind bestimmte Einzelfrequenzen und Frequenzbänder besonders stark von schienenbruchabhängigen Änderungen betroffen und daher bei der Auswertung des Schwingverhaltens zu bevorzugen.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass das Schwingverhalten bei Überfahrt spezieller Schienenfahrzeuge ausgewertet wird. Prinzipiell kann das Messsignal oder das bereits ausgewertete Messsignal auf jede Weise, zum Beispiel per Funk oder drahtgebunden, an eine Schienenbruchüberwachungszentrale weitergeleitet werden. Vorzugsweise wird das an der Messstelle ausgewertete Messsignal gemäß Anspruch 6 mittels RFID – Radio Frequency Identification – von der Messstelle an das überfahrende Schienenfahrzeug übertragen. Dabei kann es sich um ein spezielles Schienenfahrzeug handeln, welches als Messfahrzeug ausgebildet ist, so dass die Messstelle lediglich den Sensor umfassen muss, während die Auswerteeinrichtung auf dem Messfahrzeug angeordnet ist. Das spezielle Schienenfahrzeug kann aber auch beispielsweise anhand eines Fahrplanes ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Schwingungen immer vom gleichen Fahrzeugtyp ausgewertet werden.
Wenn sich im Überwachungsbereich des Sensors eine Weichenanlage befindet, sollte der Sensor gemäß Anspruch 10 möglichst nahe an der Weichenanlage angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Sensorsignal oder dessen ausgewertetes Ergebnis über eine häufig vorhandene Weichendiagnoseeinheit an eine Überwachungszentrale weitergeleitet werden und/oder mit anderen von der Weichendiagnoseeinheit bereitgestellten Ergebnissen kombiniert werden.
Der Sensor ist gemäß Anspruch 11 vorzugsweise an einen Schienenfuß und/oder Schienensteg angeordnet. Bei diesen Messstellen ergibt sich ein besonders ausgeprägtes Schwingverhalten, so dass eine hohe Empfindlichkeit der sensorischen Erfassung des Schwingverhaltens resultiert. Zusätzliche Messpositionen mit vertikaler, lateraler und/oder longitudinaler Messrichtung relativ zum Schienenquerschnitt können die Messempfindlichkeit weiter verbessern.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor und gegebenenfalls die Auswerteeinrichtung durch das überfahrende Schienenfahrzeug mit Energie versorgt wird. Eine eigene Stromversorgung an der Messstelle ist dadurch nicht erforderlich. Die Energieversorgung kann zum Beispiel durch ein Energy-Harvesting aus darüberfahrenden Schienenfahrzeugen, beispielsweise mittels Induktion, erfolgen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren beruht auf der Auswertung der passiven Schallausbreitung in der Schiene infolge sich der Messstelle nähernder oder von dieser entfernender Schienenfahrzeuge. Es ist jedoch auch möglich, gemäß Anspruch 13 Schallwellen in einem Abstand zum Sensor aktiv in die Schiene zu induzieren. Auf diese Weise ist eine Schienenbrucherkennung auch möglich, wenn kein Schienenfahrzeug die Messstelle passiert. Außerdem kann die Messempfindlichkeit bedarfsgerecht eingestellt, insbesondere erhöht, werden. Das Verfahren der aktiven Schallemission kann auch genutzt werden, um die Messempfindlichkeit bei passiver Schallemission zu steigern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes und
2 wesentliche Komponenten einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach 1.
Um eine Schienenbrucherkennung mittels Auswertung des Schwingverhaltens an einer Messstelle durchzuführen, muss zunächst das Schwingverhalten bei intakter Schiene ermittelt werden 1. Weitere Messungen des aktuellen Schwingverhaltens 2, beispielsweise mit mindestens einem Beschleunigungssensor, der fest mit der Schiene verbunden ist, dienen der Schienenbrucherkennung, indem das aktuelle Schwingverhalten 2 mit dem Schwingverhalten 1 bei intakter Schiene verglichen wird 3. Falls keine Abweichung zwischen den beiden, zum Beispiel durch Frequenzanalyse ausgewerteten Schwingverhalten 1 und 2 auftritt 4, liegt kein Schienenbruch vor und der Vergleich 3 wird mit dem nächsten aktuell ermittelten Schwingverhalten 2 erneut ausgeführt. Dieser Kreislauf wiederholt sich bis eine Abweichung 4 des aktuellen Schwingverhaltens 2 von dem Schwingverhalten 1 bei intakter Schiene festgestellt wird. In dem Fall wird Schienenbruchalarm 5 ausgelöst, wodurch ohne Verzögerung entsprechende Sicherheitsmaßnahmen, zum Beispiel Streckensperrung und/oder Reparatur der defekten Schiene, eingeleitet werden können.
2 veranschaulicht die wesentlichen Komponenten einer streckenseitigen Vorrichtung zur Schienenbrucherkennung. Ein Beschleunigungssensor 6 ist fest mit dem Fuß oder dem Steg einer Schiene 7 verbunden. Der Beschleunigungssensor 6 registriert ein Schwingverhalten bei Überfahrt eines nicht dargestellten Schienenfahrzeuges. Das Messsignal wird mittels Frequenzanalyse 8 ausgewertet und gemäß dem Verfahrensschritt 1 in 1 in einem Nullsignaturspeicher 9 abgelegt. Voraussetzung ist, dass die Nullsignatur aufgezeichnet wird, wenn sichergestellt ist, dass auf dem zu überwachenden Schienenabschnitt kein Schienenbruch vorliegt. Für die laufende Überwachung wird das mittels Frequenzanalyse 8 ausgewertete Messsignal einem zweiten Speicher 10 zugeführt, indem eine Steuereinheit 11 einen Schalter 12 zur Verbindung der Messvorrichtung 6/8 mit dem zweiten Speicher 10 umschaltet. Beide Speicher 9 und 10 sind mit einem Differenzrechner 13 verbunden, der bei Feststellung einer Differenz mittels der Steuereinheit 11 Schienenbruchalarm 5 auslöst. Die Steuereinheit 11 kann gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ mit einer Weichendiagnoseeinrichtung 14 verbunden sein. Die gesamte streckenseitige Einrichtung wird vorzugsweise mittels Energy-Harvesting 15 durch ein überfahrendes Schienenfahrzeug mit Energie versorgt.
Bei Schienenbruchalarm 5 wird das entsprechende Alarmsignal vorzugsweise mittels RFID an das überfahrende Schienenfahrzeug übertragen und über eine Kommunikationsschnittstelle des Schienenfahrzeuges an eine Schienenbruchüberwachungszentrale weitergeleitet.

Claims

Verfahren zur Schienenbrucherkennung, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf eines sensorisch erfassten Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens, einer Messstelle an der Schiene (7) bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges hinsichtlich Änderungen gegenüber dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene (7) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingverhalten mittels Beschleunigungssensoren (6) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingverhalten mittels Frequenzanalyse (8) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzanalyse (8) in mindestens einem Teil des Schallfreqenzbereiches, insbesondere im kHz-Bereich, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingverhalten bei Überfahrt spezieller Schienenfahrzeuge ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte mittels RFID – Radio Frquency Identification – von der Messstelle an das überfahrende Schienenfahrzeug übertragen werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schiene (7) ein Sensor zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufes eines Messsignals, insbesondere eines Schwingverhaltens, bei Überfahrt eines Schienenfahrzeuges angeordnet ist und dass der Sensor mit einer Auswertevorrichtung zum Vergleich (3) des aktuellen zeitlichen Verlaufes mit dem zeitlichen Verlauf bei intakter Schiene (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Beschleunigungssensor (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung Mittel zur Frequenzanalyse (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in der Nähe einer Weiche angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einem Schienenfuß und/oder Schienensteg angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor und gegebenenfalls die Auswertevorrichtung durch das überfahrende Schienenfahrzeug mit Energie versorgt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Induzierung von Schallwellen in die Schiene (7) vorgesehen sind.