DE102013201594A1

DE102013201594A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Genauigkeitsbewertung von Geschwindigkeitswerten, insbesondere eines Schienenfahrzeuges

Info

Publication number: DE102013201594A1
Application number: DE102013201594.1A
Authority: DE
Inventors: Rolf Siebert; Frank Wend
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Genauigkeitsbewertung objektseitig, insbesondere odometrisch, ermittelter Geschwindigkeitswerte (v1) eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, sowie eine diesbezügliche Vor richtung. Um fehlerhafte Geschwindigkeitswerte (v1) genau eingrenzen zu können, ist vorgesehen, dass aus den Geschwindigkeitswerten (v1) ermittelte erste Beschleunigungswerte (b1 =) mit sensorisch ermittelten zweiten Beschleunigungswerten (b2) verglichen werden, wobei Abweichungen der ersten Be schleunigungswerte (b1) von den zweiten Beschleunigungswerten (b2) ein Maß für die Genauigkeit der Geschwindigkeitswerte (v1) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Genauigkeitsbewertung objektseitig, insbesondere odometrisch, ermittelter Geschwindigkeitswerte v₁ eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, sowie eine Vorrichtung zur Genauigkeitsbewertung odometrisch ermittelter Geschwindigkeitswerte v₁ eines Schienenfahrzeuges.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Wesentlichen auf die Ortung und die Geschwindigkeitsermittlung bei Schienenfahrzeugen, ohne dass die Erfindung auf diese spezielle Anwendung beschränkt sein soll. Vielmehr ist eine Anwendung auf vielen Gebieten der Technik, beispielsweise zur Steuerung auf einer Lauffläche bewegbarer Maschinenteile, möglich.
Geschwindigkeitsmessvorrichtungen dienen üblicherweise zur Regelung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs auf einen Sollwert und/oder zur Auslösung einer Zwangsbremsung im Falle der Überschreitung einer maximal zulässigen Geschwindigkeit. Um eine sichere Überwachung bezüglich der zulässigen Geschwindigkeit und des aus den Geschwindigkeitswerten abgeleiteten zurückgelegten Weges, insbesondere im Hinblick auf die Annäherung an einen Gefahrenpunkt, zu gewährleisten, müssen alle Ungenauigkeiten der Geschwindigkeitsmessung berücksichtigt werden.
Im Rahmen der Odometrie bei Schienenfahrzeugen wird häufig eine Kombination verschiedener Ortungsverfahren verwendet. Die Art der Kombination ist von Genauigkeits- und/oder Verfügbarkeitsanforderungen, aber auch von Umgebungsbedingungen abhängig.
Weit verbreitet sind odometrische Verfahren mittels am Rad montierter Impulsgeber. Die Anzahl der Impulse ist direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rades, zur Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und zum zurückgelegten Weg, solange die Räder auf der Schiene haften. Beim Beschleunigen und Bremsen von Schienenfahrzeugen kommt es jedoch häufig zum Verlust der Haftung. Die Räder schleudern oder gleiten – S/G. Dadurch wird die Messung ungenau, wobei im Extremfall ein Rückschluss auf die Geschwindigkeit und/oder den zurückgelegten Weg des Schienenfahrzeugs nicht mehr möglich ist. Um dem S/G-Effekt entgegenzuwirken, kann der Impulsgeber an einem nicht angetriebenen und nicht gebremsten Rad montiert werden. Ein solches steht jedoch selten zur Verfügung bzw. führt zur Verringerung der Bremsleistung, wenn zwecks Impulsgebermontage Antriebe oder Bremsen von dem entsprechenden Rad entfernt werden müssen.
Höhere Genauigkeit, insbesondere bei sehr hohen Geschwindigkeiten, ist mit Dopplerradaren erreichbar. Deren Verfügbarkeit ist jedoch stark witterungsabhängig.
Weit verbreitet ist auch die Verwendung satellitengestützter Ortungsverfahren, die jedoch bei Tunnelfahrten und bestimmten topografischen Gegebenheiten nicht funktionsfähig sind.
Bei ETCS – European Train Control System – wird die Ungenauigkeit der Weg- und Geschwindigkeitsmessung durch Balisen, die als elektronische Kilometersteine projektiert sind., nachjustiert. Dabei wird der mit dem zurückgelegten Weg immer größer werdende Messfehler durch die Balise auf einen Anfangswert zurückgesetzt. Jedoch erfolgt damit keine Korrektur oder Erkennung einer fehlerhaften Geschwindigkeitsmessung.
Aus der EP 1 300 316 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei unterschiedliche Sensoren für die Geschwindigkeitsmessung verwendet werden. Dabei wird ein sehr genauer, aber signaltechnisch nicht sicherer Geschwindigkeitssensor als Messwertgeber priorisiert, solange eine Abweichung von dem Geschwindigkeitsmesswert eines zweiten, signaltechnisch sicheren, aber ungenaueren Geschwindigkeitssensor einen Schwellwert nicht überschreitet. Außerhalb dieser zulässigen Messwertdifferenz wird zur weiteren Signalverarbeitung der zweite, ungenaue, jedoch signaltechnisch sichere Messwert verwendet. Eine Genauigkeitsbewertung eines ermittelten Geschwindigkeitswerts im Sinne einer genauen zeitlichen Eingrenzung fehlerhafter Geschwindigkeitsmessungen ist damit nicht verbunden.
Da der S/G-Effekt der Räder nicht erkannt wird, kann die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung und damit die Sicherheit des Schienenfahrzeuges nicht mehr gewährleistet werden. Eine Übertretung der zulässigen Geschwindigkeit oder die Nichtbeachtung eines Gefahrenpunkts kann nicht mit ausreichender Sicherheit verhindert werden. Somit fällt der SIL-Level der ermittelten Geschwindigkeits- und Weginformationen unweigerlich auf SIL 0. Die Sicherheitsstufen sind in der CENELEC-Norm EN 50129 von SIL 0 – signaltechnisch nicht sicher – bis SIL 4 – signaltechnisch hochgradig sicher – definiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren gattungsgemäßer Art anzugeben, das eine genaue zeitliche Eingrenzung fehlerhafter Geschwindigkeitswerte ermöglicht. Weiterhin besteht die Aufgabe, eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung für ein Schienenfahrzeug anzugeben.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass aus den Geschwindigkeitswerten v₁ ermittelte erste Beschleunigungswerte
mit sensorisch gemessenen zweiten Beschleunigungswerten b₂ verglichen werden, wobei Abweichungen der ersten Beschleunigungswerte b₁ von den zweiten Beschleunigungswerten b₂ ein Maß für die Genauigkeit der Geschwindigkeitswerte v₁ bilden.
Die Bereitstellung des Beschleunigungswerts b₂ kann, abhängig von dem Fahrzeuggerät, digital vorverarbeitet oder analog erfolgen.
Eine negative Beschleunigung b < 0 zeigt ein Bremsen des Zuges an und birgt die Gefahr des Gleitens. Gleiten ist durch eine hohe negativ gemessene Geschwindigkeitsänderung
und eine niedrige Verzögerung, das heißt niedrige negative Beschleunigung b₂ charakterisiert, also b₁ < b₂.
Eine positive Beschleunigung b > 0 zeigt die Erhöhung der Zuggeschwindigkeit an und birgt die Möglichkeit des Schleuderns. Schleudern ist durch eine hohe positive Geschwindigkeitsänderung
und eine niedrige positive Beschleunigung b₂ charakterisiert, also b₁ > b₂
Auf diese Weise können radabhängige Geschwindigkeitsmessverfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit, insbesondere bei Schleudern oder Gleiten – S/G – der Räder, sicher erkannt werden und folglich auch zur Fehlerkorrektur ausgewertet werden. Bei fehlerfreier Geschwindigkeitsermittlung stimmen die daraus abgeleiteten Beschleunigungswerte v₁ mit den unabhängig von diesen ermittelten zweiten Beschleunigungswerten b₂ überein.
Die oben genannte Aufgabe wird für ein Schienenfahrzeug vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Differenzierglied zur Ermittlung eines ersten Beschleunigungswertes
und mindestens ein Beschleunigungssensor zur Messung eines zweiten Beschleunigungswertes b₂ vorgesehen sind, deren Ausgangssignale b₁ und b₂ einem Vergleicher zugeführt sind.
Auf diese Weise wird die existierende inkrementelle, quasi kontinuierliche Geschwindigkeitsmessung mittels paralleler Beschleunigungsmessung bewertet, um erkennen zu können, innerhalb welcher Zeiträume die Geschwindigkeitsmessung maximal vertrauenswürdig ist. Der zusätzliche Beschleunigungssensor dient zur eigenständigen Ermittlung der tatsächlichen Beschleunigungswerte b₂ des Schienenfahrzeuges, unabhängig von der Odometrie, die nur S/G-abhängige Geschwindigkeitswerte v₁ und Beschleunigungswerte b₁ liefern kann.
Vorteilhaft ist vor allem, dass der Impulsgeber für die odometrische Messung kein S/G-freies Rad erfordert. Eine neue Schnittstelle zum Schienenfahrzeug für den Beschleunigungssensor ist nicht erforderlich. Ein zusätzlicher Einbau in eine Auswerteeinrichtung der odometrisch ermittelten Geschwindigkeitswerte v₁ ist problemlos möglich, wobei eine Erhöhung der signaltechnischen Sicherheit bei nur geringen Performanceverlusten möglich ist.
Gemäß Anspruch 3 ist eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Geschwindigkeitswerte v₁ derart vorgesehen, dass bei b₁ < b₂ der unmittelbar vor dieser Abweichung ermittelte Geschwindigkeitswert v₁ und bei b₁ > b₂ der entsprechend dieser Abweichung verringerte Geschwindigkeitswert v₁ der weiteren Signalverarbeitung zugeführt wird. Mittels der Auswerteeinrichtung wird entschieden, ob der gemessene Geschwindigkeitswert v₁ fehlerfrei ist und unmittelbar für die weitere Signalverarbeitung verwendet werden kann oder durch Gleiten verfälscht ist, wobei b₁ < b₂ gilt und der letzte fehlerfreie Messwert quasi eingefroren und weiterverwendet wird oder durch Schleudern verfälscht ist, wobei b₁ > b₂ gilt und der ermittelte Geschwindigkeitswert v₁ in Abhängigkeit von der Differenz zwischen b₁ und b₂ verringert wird. Im letzteren Fall, das heißt bei Auftreten eines Schleudereffektes, kann der von der Differenz der Beschleunigungswerte b₁ und b₂ abhängige Verringerungsbetrag der ermittelten Geschwindigkeit v₁ beispielsweise empirisch ermittelt und in einem Register der Auswerteeinrichtung hinterlegt werden.
Die Auswerteeinrichtung ist dabei gemäß Anspruch 4 vorzugsweise mit Mitteln zur Berücksichtigung eines Toleranzbandes b₂ +/– b_x derart ausgestattet, dass bei Abweichungen innerhalb des Toleranzbandes b₂ +/– b_x der ermittelte Geschwindigkeitswert v₁ der weiteren Signalverarbeitung zugrunde gelegt wird. Damit wird berücksichtigt, dass das Rutschen und Schleudern überwiegend nur einen kleinen Zeitraum mit geringer Auswirkung auf die Genauigkeit der ermittelten Geschwindigkeitswerte v₁ auftritt. Größere oder länger anhaltende Abweichungen der Beschleunigungswerte b₁ und b₂ führen hingegen zu der in Anspruch 3 gekennzeichneten Korrektur der ermittelten Geschwindigkeit v₁, so dass die Leistung verbessert wird und die Sicherheit des Schienenfahrzeugs weiterhin gegeben ist.
Um die Sicherheit weiter zu verbessern, sind gemäß Anspruch 5 mindestens zwei diversitäre Beschleunigungssensoren vorgesehen. Durch redundante Messung des zweiten Beschleunigungswertes b₂ wird ein hoher SIL-Level erreichbar. Außerdem wird die Verfügbarkeit erhöht. Vorzugsweise werden mindestens zwei handelsübliche Beschleunigungssensoren unterschiedlicher Bauart verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1300316 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

CENELEC-Norm EN 50129 [0010]

Claims

Verfahren zur Genauigkeitsbewertung objektseitig, insbesondere odometrisch, ermittelter Geschwindigkeitswerte (v₁) eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Geschwindigkeitswerten (v₁) ermittelte erste Beschleunigungswerte
mit sensorisch ermittelten zweiten Beschleunigungswerten (b₂) verglichen werden, wobei Abweichungen der ersten Beschleunigungswerte (b₁) von den zweiten Beschleunigungswerten (b₂) ein Maß für die Genauigkeit der Geschwindigkeitswerte (v₁) bilden.
Vorrichtung zur Genauigkeitsbewertung odometrisch ermittelter Geschwindigkeitswerte (v₁) eines Schienenfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzierglied zur Ermittlung eines ersten Beschleunigungswertes
und mindestens ein Beschleunigungssensor zur Messung eines zweiten Beschleunigungswertes (b₂) vorgesehen sind, deren Ausgangssignale (b₁ und b₂) einem Vergleicher zugeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Geschwindigkeitswerte (v₁) derart vorgesehen ist, dass bei Abweichungen mit negativem kleineren ersten Beschleunigungswert (b₁ < b₂) der unmittelbar vor dieser Abweichung ermittelte Geschwindigkeitswert (v₁) und bei Abweichungen mit positivem kleineren zweiten Beschleunigungswert (b₂ < b₁) ein entsprechend dieser Abweichung verringerter Geschwindigkeitswert (v₁) der weiteren Signalverarbeitung zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung Mittel zur Berücksichtigung eines Toleranzbandes (b₂ +/– b_x) derart aufweist, dass bei Abweichungen innerhalb des Toleranzbandes (b₂ +/– b_x) der ermittelte Geschwindigkeitswert (v₁) der weiteren Signalverarbeitung zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei diversitäre Beschleunigungssensoren vorgesehen sind.