DE102014226612B4 - Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges, mit den folgenden Schritten- Bereitstellen eines Magnetfeldsensors,- Messen der sich infolge der Drehung eines Schienenfahrzeugrades mit gegebener und/oder bekannter Geometrie periodisch ändernden Magnetfeldstärke am Ort des Magnetfeldsensors,- Filtern des Messsignals des Magnetfeldsensors zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen im Messsignal des Magnetfeldsensors,- Erstellen einer Frequenzspektralanalyse des derart gefilterten Messsignals zur Ermittlung der Radumdrehung und daraus der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges anhand der Radumdrehungsfrequenz und der Radgeometrie und- Verarbeiten des Messsignals mit einem Schätzfilter, insbesondere einem Least-Square-Filter, einem Bayesschen Filter oder einem Kalman-, Histogramm- oder Partikelfilter, das die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges schätzt und das ferner die Zugbeschleunigung und/oder den Zugbeschleunigungsmessoffset und/oder den Radumfang und/oder einen diesen definierenden Radparameter und/oder den Schlupf als Zusatzvektor schätzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Sch ienenfah rzeuges.
  • Die Kenntnis der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges ist z. B. für die Zugsteuerung aber auch ganz allgemein für den Zugbetrieb von Bedeutung. So ist beispielsweise die Kenntnis bzw. Schätzung der Schienenfahrzeuggeschwindigkeit für die Kollisionsvermeidung essentiell. Ferner kann die Geschwindigkeitsschätzung von Schienenfahrzeugen dazu verwendet werden, um die Lokalisierung bzw. Schätzung der Position eines Schienenfahrzeuges in einem Schienennetz zu verbessern.
  • Geschwindigkeitsmessungen bei Schienenfahrzeugen existieren, wozu entweder Geschwindigkeitsmessvorrichtungen wie beispielsweise ein Doppler-Radar verwendet wird oder aber die Radumdrehungen pro Zeiteinheit ausgewertet werden. Das letztere Verfahren ist relativ kostenintensiv, was seine Installation betrifft, wobei seine Genauigkeit vom Schlupf sowie vom Laufradumfang bzw. Laufraddurchmesser abhängig ist, der im Zuge des Verschleißens abnimmt. Auch die Installation eines Doppler-Radar ist relativ teuer und darüber hinaus witterungsanfällig, außerdem ist die Funktionsfähigkeit derartiger Systeme gegenüber mechanischen Beschädigungen recht anfällig. Ein Doppler-Radar wird nämlich am Unterboden des Schienenfahrzeuges installiert; hier herrschen in Folge von Witterung und Schotterflug raue Bedingungen.
  • Auch die Verwendung von Geschwindigkeitssensoren, die auf der Erfassung der Radumdrehungsfrequenz basieren, sind bekannt. Derartige Geschwindigkeitssensoren sind für gewöhnlich am oder hinter dem Achslager montiert. Derartige Geschwindigkeitssensoren weisen eine sich mit der Achse mitdrehende Komponente auf, die mit einer feststehenden Komponente des Sensors zusammenwirkt. Die sich mitdrehende Komponente des Geschwindigkeitssensors kann beispielsweise als Zahnrad oder aber auch als Gebermagnet ausgebildet sein. Für die Installation ist baulicher Aufwand notwendig. So muss die feststehende Sensorkomponente am Achslager gehalten sein. Ferner ist eine Abdichtung zwischen der feststehenden Sensorkomponente und der drehenden Achse erforderlich. Diese ist notwendig, um den rauen Umgebungsbedingungen an einem Zugfahrwerk standhalten zu können.
  • Ferner existieren Geschwindigkeitsmessungen durch Auswertung von Radumdrehungen auch in Kombination mit Beschleunigungsmessungen am Schienenfahrzeug. Die Kombination mit Satelliten-basierten Geschwindigkeitsmessungen ist bei der Ermittlung der Schienenfahrzeug-Geschwindigkeit ebenfalls bekannt.
  • Aus DE 10 2012 219 109 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges anhand von beim Befahren einer Strecke auf das Schienenfahrzeug einwirkenden Vibrationen bekannt.
  • In JP 2009 042190 A ist ein bereiftes Fahrzeug mit einem Magnetfeldsensor beschrieben. Eines der Fahrzeugräder ist mit Permanentmagneten versehen. Die bei Rotation des Rads erzeugten Magnetfeldbeeinflussungen in der Nähe des Rads werden mittels des Magnetfeldsensors detektiert. Anhand der Frequenz der sich wiederholenden Magnetfeldbeeinflussung kann dann auf die Rotationsfrequenz des Rads und daraus anhand der Radgeometrie auf die Fahrzeuggeschwindigkeit geschlossen werden.
  • In DE 10 2012 214 481 A1 ist ein Wegimpulsgeber für ein Schienenfahrzeug beschrieben, bei dem eine Scheibe, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Aussparungen aufweist, von einem Magnetfeldsensor erfasst wird.
  • US2011/0291648 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines mit Rädern ausgestatteten Landfahrzeugs mit den Schritten des Bereitstellens eines Magnetfeldsensors, des Messens der sich infolge der Drehung eines Fahrzeugrades mit gegebener bzw. bekannter Geometrie periodisch ändernden Magnetfeldstärke am Ort des Magnetfeldsensors des Filterns des Messignals des Magnetfeldsensors zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen im Messsignal des Magnetfeldsensors und des Erstellens einer Frequenzspektralanalyse des derart gefilterten Messsignals zur Ermittlung der Radumdrehung und daraus der Geschwindigkeit des mit Rädern ausgestatteten Landfahrzeugs anhand der Radumdrehungsfrequenz und der Radgeometrie.
  • Eine Anforderung im Zusammenhang mit der Verbesserung der Geschwindigkeitsmessung von Schienenfahrzeugen besteht darin, dass die erforderlichen Nachrüstungen mit möglichst wenig baulichem Aufwand verbunden sein dürfen. Ein weiterer Nachteil ist der Schlupf, der sich bei Radumdrehungssensoren als falsche Geschwindigkeitsmessung auswirkt. Der Rad-Schiene-Kraftschluss ist im Vergleich zum Kraftschluss-Reifen-Asphalt sehr gering. Beim Bremsen kann also eine zu geringe und beim Beschleunigen eine zu hohe Geschwindigkeit gemessen werden. Eine Integration der gemessenen Geschwindigkeit über der Zeit zur Ermittlung der Länge des Fahrweges kann somit ebenfalls fehlerbehaftet sein. Ferner ist bei bekannten Geschwindigkeitssensoren eine Kalibrierung auf den Raddurchmesser notwendig, die je nach Abnutzungsgrad bzw. Abnutzungsgeschwindigkeit des Rades wiederholt werden muss. Eine falsche Annahme des Radumfangs führt zwangsläufig zu Fehlmessungen der Geschwindigkeit. Eine Integration der Geschwindigkeit über der Zeit führt demzufolge ebenfalls zu fehlerbehafteten Ermittlungen der zurückgelegten Wegstrecke.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Ermittlung der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen weiter zu verbessern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges vorgeschlagen, das versehen ist mit den folgenden Schritten
    • - Bereitstellen eines Magnetfeldsensors,
    • - Messen der sich infolge der Drehung eines Rades des Schienenfahrzeugs periodisch ändernden Magnetfeldstärke am Ort des Magnetfeldsensors,
    • - Filtern des Messsignals des Magnetfeldsensors zur Eliminierung von DC-nahen Effekten und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen im Messsignal des Magnetfeldsensors,
    • - Erstellen einer Frequenzspektralanalyse des derart gefilterten Messsignals zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges anhand der Ermittlung der Radumdrehungsfrequenz bei gegebener bzw. bekannter Radgeometrie (Raddurchmesser, Radradius oder Radumfang) und
    • - Verarbeiten des Messsignals mit einem Schätzfilter, insbesondere einem Least-Square-Filter, einem Bayesschen Filter oder einem Kalman-, Histogramm- oder Partikelfilter, das die Zuggeschwindigkeit schätzt und das ferner die Zugbeschleunigung und/oder den Zugbeschleunigungsmessoffset und/oder den Radumfang und/oder einen diesen definierenden Radparameter und/oder den Schlupf als Zusatzvektor schätzt.
  • Bei der Erfindung wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich die Radumdrehungsfrequenz aus der Frequenz ableiten lässt, mit der sich das Magnetfeld im Bereich eines Rades eines Schienenfahrzeuges verändert. Ein Schienenfahrzeugrad besteht aus ferromagnetischem Material bzw. weist zumindest derartiges Material auf. Ferromagnetisches Material aber ändert örtlich das Magnetfeld. Da ein Schienenfahrzeugrad im Regelfall keine homogene Masseverteilung aufweist, ist also die Magnetfeldänderung infolge der Rotation des Rades zeitvariant. Ein Schienenrad, das ferromagnetisches Material aufweist, kann auch selbst magnetisiert sein. Dieses Magnetfeld dreht sich dann mit dem Rad mit. Das vom Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeld bzw. die von diesem Sensor erfasste örtliche Magnetfeldstärke ändert sich also periodisch, wobei die Periodendauer um so kleiner ist, je schneller sich das Rad dreht, d. h. je schneller das Schienenfahrzeug fährt (unter der Annahme, dass sich die Radgeometrie nicht ändert). Mittels einer Referenzgeschwindigkeitsmessung unter Verwendung einer anderen Messquelle (z. B. herkömmlicher Zug-Geschwindigkeitsmesser oder satellitenbasiert ) kann die Radgeometrie von Zeit zu Zeit kalibriert werden, womit Abnutzungserscheinungen/Verschleiß des Rades kompensiert werden/wird, was ansonsten zu fehlerhaften/ungenauen Geschwindigkeitsermittlungen anhand der Radumdrehungsfrequenz führen würde.
  • Das Signal des Magnetfeldsensors ist aber nicht nur durch die Magnetfeldstärke bestimmt, die sich aus der Radumdrehung ergibt, sondern unterliegt auch anderen Magnetfeldeinflüssen, und zwar insbesondere auch solchen, die nicht Geschwindigkeitsabhängig sind. Derartige DC-nahe bzw. auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführende Signalanteile im Messsignal des Magnetfeldsensors müssen also herausgefiltert werden, das so gefilterte Signal wird dann erfindungsgemäß einer Frequenzspektralanalyse unterzogen, um die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zu ermitteln.
  • Wie bereits oben erwähnt, weist ein Schienenfahrzeugrad ungleichmäßige Massenverteilungen auf, so dass es nicht als ideal rotationssymmetrisch aufgefasst werden kann. Derartige Radunwuchten, die insbesondere auch aus Abflachungen der Radfläche bestehen können, wirken sich als vertikale Vibrationen auf das Schienenfahrzeug aus, wenn dieses eine Strecke befährt. Diese Vibrationen sind ebenfalls geschwindigkeitsabhängig bzw. weisen geschwindigkeitsabhängige Anteile auf. Die Vibrationsinformation kann also zusammen mit der Magnetfeldinformation Aufschluss und Schlussfolgerungen über die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges geben bzw. liefern.
  • Der Magnetfeldsensor gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag lässt sich als Bauteil ohne mit dem Rad festverbundene Komponente getrennt vom Rad am Zugfahrwerk anordnen oder gar in der Zugkabine anordnen. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass der Magnetfeldsensor die durch ein Schienenfahrzeugrad verursachten Magnetfeldänderungen erfasst. Wenn, wie gemäß der zuvor beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beschrieben, neben dem Magnetfeldsensor auch noch ein Vibrations- oder Beschleunigungssensor eingesetzt wird, können beide Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und nahe einem Schienenfahrzeugrad angeordnet werden, da nämlich beide Sensoren keinerlei fest mit dem sich drehenden Rad verbundenen Komponenten aufweisen. Vorteil der Verwendung eines Vibrationssensors besteht zudem darin, dass die kinematische Energie (beispielsweise die schwingende bzw. vibrierende Masse des Vibrations- bzw. Beschleunigungssensors) genutzt werden kann, um in elektrische Energie umgewandelt zu werden. Damit ist der Magnetfeldsensor autark, was seine Energieversorgung betrifft (sogenanntes Energy Harvesting).
  • Schließlich ist es auch noch möglich, neben einem Magnetfeldsensor zur Ermittlung der Radumdrehungsfrequenz und zur Ableitung der Schienenfahrzeuggeschwindigkeit aus dieser Radumdrehungsfrequenz und den geometrischen Radparametern auch noch eine Satelliten-basierte Geschwindigkeitsmessung des Schienenfahrzeuges vorzusehen. All diese Informationen könnten in ein Schätzfilter einfließen, das zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges eingesetzt werden kann.
  • Gemäß einer der zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung wird also eine Kombination aus mindestens einem Magnetfeldsensor (z. B. AMR) mit ein oder mehreren kostengünstigen Beschleunigungssensoren (z. B. MEMS) und gegebenenfalls in Kombination mit einer GNSS(Global Navigation Satellite System)-basierten Geschwindigkeitsmessung vorgeschlagen, die mittels eines Schätzfilters die Zuggeschwindigkeit ermittelt.
  • Zu den technischen Herausforderungen der Verwendung von Magnetfeldsensoren bzw. Vibrationssensoren zur Ermittlung von Schienenfahrzeug-Geschwindigkeiten zählen:
    • - Überlagerung des Erdmagnetfeldes, je nach Orientierung des Zuges
    • - Überlagerung zeitvarianter Magnetfeldänderungen durch Wechselströme oder einer Vorbeifahrt an Magnetischen Materialien
    • - veränderlicher Offset der Beschleunigungs- bzw. Vibrationssensoren über der Zeit wie z. B. Drift, Temperatur und Alterung,
    • - überlagerte Beschleunigungsmessungen durch Steigungen im Streckenprofil (Erdbeschleunigung),
    • - mehrdeutige und mit Messrauschen behaftete Radumdrehungsmessungen über Vibrationen und über Magnetfeldmessungen,
    • - langsam verkleinernder Radumfang durch Abnutzung erzeugt fehlerhafte Geschwindigkeitsmessungen bei einmaliger Kalibrierung,
    • - kurzzeitige Änderung vom Zusammenhang zwischen Radumdrehung zu Zuggeschwindigkeit durch Schlupf in Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen
  • Ein denkbarer Lösungsansatz gemäß einer vorteilhafteren Weiterbildung der Erfindung ist in Folgendem zu sehen:
    • - Vorfilterung der Messsignale
    • - Kombination der obigen Sensoren oder zumindest eines der obigen Sensoren mit einem Schätzfilter (z. B. Least-Square-Filter, bayesscher Filter, Kalman-, Histogramm-, Partikel-Filter), der die Zuggeschwindigkeit, die Zugbeschleunigung, den Offset (Beschleunigungsmessung) bestimmt,
    • - Erweiterung der Schätzung mit dem Raddurchmesser als Schätzvariable,
    • - Erweiterung der Schätzung mit dem Schlupf als Schätzvariable,
    • - Erweiterung der Messung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges durch Satelliten-basierte Verfahren,
    • - Problem des Steigungswinkels aus dem Streckenprofil durch Bestimmung der Steigung über eine Integration von Drehratensensoren oder Kenntnis der Steigung aus einer elektronischen Karte oder Behandlung von Steigungsfehlmessungen als Offset, der zusammengefasst werden kann mit dem Offset aus Drift (und anderem) im Schätzfilter und damit durch dieses geschätzt wird.
  • Messquellen zur Ermittlung der Radumdrehung sind jeweils die Signale oder mindestens ein Signal der drei orthogonalen Achsen der Beschleunigungs- bzw. Magnetfeldsensoren.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verwendung mindestens eines Magnetfeldsensors und gegebenenfalls auch mindestens eines Beschleunigungssensors (Vibrationssensors) ist darin zu sehen, dass dieser Sensor bzw. diese Sensoren am Fahrwerk (beispielsweise am Drehgestell) angebracht werden können und sich in einem Gehäuse befinden, ohne dass es weiterer Komponenten bedarf, die an der sich drehenden Achse oder dem drehenden Rad angebracht werden müssen. Damit entfällt auch das Problem der grundsätzlich erforderlichen Abdichtungen von Sensoren zur Achse. Die Sensorposition ist flexibel zu wählen und nach dem erforderlichen Installationsaufwand optimierbar, wodurch eine Nachrüstung bestehender Schienenfahrzeuge einfacherer möglich ist. Auch die Einbauvariante in der gegenüber der Umgebung „geschützten“ Zugkabine in der Nähe eines Zugrades ist möglich.
  • Der erfindungsgemäße Lösungsansatz beinhaltet bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auch eine Selbstkalibrierung, wenn der Raddurchmesser oder ein anderer für die Bestimmung der Geschwindigkeit anhand der Radumdrehungsfrequenz wesentlicher geometrischer Parameter des Rades stets aktuell geschätzt wird. Die Kalibrierung und die Fehlmessung der Geschwindigkeit entfällt bzw. kann wirkungsvoll verhindert werden.
  • Der sicherheitskritische Betrieb von Hochgeschwindigkeitszügen, aber auch von Regional- oder Güterzügen kann von einer Einzelradüberwachung profitieren. Die Drehzahl und der Durchmesser jedes Rades können erfindungsgemäß überwacht werden. Durch Vibrationsauswertung kann auch mit einem Detektor, der unnatürliche oder starke Vibrationen erfasst, versehen werden, um Störungen, wie beispielsweise einen Reifenbruch oder Radreifenbruch erkennen zu können. Dies ist erfindungsgemäß ohne weitere Hardware realisierbar.
  • In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor die Magnetfeldstärke in mindestens einer von drei orthogonal zueinander verlaufenden Achsen misst.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges eine Wavelet-Analyse durchgeführt, wobei die Wavelet-Analyse eine Vielzahl von Wavelets mit unterschiedlich, jeweils jeder Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktoren aufweist, von denen jeder einem anderen Wert für die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zugeordnet ist, wobei Wavelets mit dem gefilterten Messsignal oder dessen Frequenzspektralanalyse korreliert werden und wobei der Skalierungsfaktor der Wavelet mit der besten Übereinstimmung mit dem aktuellen Messsignal die aktuelle Geschwindigkeit repräsentiert.
  • Der Schlupf ist die Differenz von tatsächlichen Radumdrehungen zu erwarteten Radumdrehungen bei einer bestimmten Zuggeschwindigkeit, wobei dieser kurzzeitig und hauptsächlich während Beschleunigungsphasen oder Bremsphasen auftritt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen das periodische Aktualisieren des Schätzfilters mit der ermittelten Radumdrehungsfrequenz mittels eines Messmodells, das die zu schätzende Variable der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und den Umfang des Rades des Schienenfahrzeuges enthält, oder das periodisches Aktualisieren des Schätzfilters mit der Zugbeschleunigungsmessung mittels eines Messmodells, welches die zu schätzende Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und den Zugbeschleunigungsmessoffset enthält, womit jegliche Abweichung wie Drift und/oder Steigungsfehlermessung der Zugbeschleunigungsmessung von der Zuggeschwindigkeit enthalten ist, und/oder das periodische Aktualisieren des Schätzfilters mit einer Satelliten-basierten Geschwindigkeitsmessung mittels eines Messmodells, das die zu schätzende Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges enthält.
  • Vorteilhafterweise kann bei der Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges die Messung einer auf das Schienenfahrzeug einwirkenden Beschleunigung bzw. Verzögerung, insbesondere Vibration in Vertikalrichtung und/oder eine Satelliten-basierte Geschwindigkeitsmessung einbezogen werden.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein Monitoring des Radumfangs bzw. anderer geometrischer Parameter des Rades erfolgen. Dabei wird der Abnutzungsgrad des Zugrades sehr lange über die Zeit beobachtet und angezeigt bzw. bei Unterschreiten eines Mindestwertes für den Radumfang bzw. durchmesser eine Warnmeldung erzeugt.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein Monitoring hinsichtlich einer korrekten Messung (Integrität) verwendet werden. Dieses Monitoring vergleicht die Radumfangsmessungen von den verschiedenen Sensoren (Beschleunigung, Magnetfeld) bzw. den verschiedenen orthogonalen Sensorachsen, zum einen untereinander sowie mit den erwarteten Radumdrehungsfrequenzen. Damit können Fehlmessungen detektiert und ausgeschlossen werden sowie dauerhaft fehlerhafte Messungen durch eine entsprechende Warnmeldung (z.B. Serviceleuchte) angezeigt werden.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein Monitoring hinsichtlich Schlupf erfolgen, das bei Erreichen eines Schlupfes mittels Schwellwertverfahren eine Warnung generiert (Schlupfüberwachung).
  • Zweckmäßig kann es ferner sein, wenn bei Einbeziehung der Messung einer auf das Schienenfahrzeug einwirkenden Beschleunigung bzw. Verzögerung diese um z. B. aus einer Karte oder mittels eines Drehratensensors des Schienenfahrzeuges gewonnener Kenntnis über den Steigungswinkel des aktuell vom Schienenfahrzeug befahrenen Streckenabschnitts korrigiert wird.
  • In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein Stillstand des Schienenfahrzeuges erkannt werden und zum Aktualisieren eines Schätzfilters zur Schätzung der Zuggeschwindigkeit und/oder der Zugbeschleunigung und/oder des Zugbeschleunigungsmessoffset und/oder des Radumfangs und/oder einem dieser definierenden Radparameter genutzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Ausgangspunkt ist die Befahrung einer Schienenstrecke mithilfe eines Schienenfahrzeugs, das einen Magnetfeldsensor aufweist, dessen Messsignal sich beim Befahren der Schienenstrecke orts- und geschwindigkeitsabhängig verändert, wobei die Veränderung der Messsignale im Frequenzbereich proportional zur Geschwindigkeit ist. Diese Befahrung erfolgt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Messwerte bzw. allgemein die Messungen werden einer Spektralanalyse der Magnetfeldstärkeveränderung als Funktion der Geschwindigkeit unterzogen. Hierzu unterteilt man die Messfahrt bzw. die Messung in einzelne Abschnitte einer bestimmten Länge (bei einer vorgegebenen Aufzeichnungsrate) und führt anschließend mit diesen Daten eine Leistungsdichteschätzung durch, womit man die sogenannte PSD (Power Spectral Density) erhält. Sortiert man die so erzeugten PSDs nach der in dem jeweils betrachteten Abschnitt herrschenden Geschwindigkeit v und mittelt dann die PSDs eines Geschwindigkeitsbereichs zu einem mittleren PSD (v), so ergibt sich die Situation gemäß dem Diagramm der Zeichnung. Dort sind mit 10 geschwindigkeitsunabhängige Spektrallinien und mit 20, 22, 24, 26, 28 bzw. 30 geschwindigkeitsabhängige Spektrallinien zu sehen.
  • Geschwindigkeitsunabhängige Effekte
  • Man erkennt bei 10 mehrere Spektrallinien (in diesem Beispiel etwa bei 16,7 Hz, 50 Hz und 83,3 Hz), die nicht von der Geschwindigkeit abhängen; sie verlaufen nämlich senkrecht. Diese Spektrallinien sind auf die Bahnstromfrequenz von 16 2/3 Hz, die Wechselstromfrequenz von 50 Hz und die Oberwelle des Bahnstroms bei 83,3 Hz zurückzuführen. Diese Spektrallinien und die sie charakterisierenden Frequenzen müssen herausgefiltert werden.
  • Geschwindigkeitsabhängige Effekte
  • Für die Auswertung nicht zu beachtende geschwindigkeitsabhängige Effekte sind als Spektrallinie 14 erkennbar. Diese Linie entspricht Signalanteilen der Magnetfeldänderung, die auf sehr kleine Frequenzen zurückzuführen sind, also sehr langsame (Zusatz-)Bewegungen des Zuges bei dessen Fahrt repräsentieren. Derartige sehr langsame Bewegungen (sogenannte DC-nahe Effekte) entstehen in Folge von Kurvenüberhöhungen und Neigungen des Zuges bei sich verändernden Anstiegen bzw. Abfällen der Schiene, wie es beispielsweise zu Beginn einer Berg- oder Talfahrt anzutreffen ist. Die Spektrallinien 14 liegen somit dicht an der Y-Achse des Koordinatenkreuzes des Diagramms der Zeichnung.
  • Erfindungsgemäß werden die zuvor genannten für die Ermittlung der Geschwindigkeit irrelevanten Effekte bei der Geschwindigkeitsermittlung unberücksichtigt gelassen. Dies erfolgt durch entsprechende Filterungen, wobei im Folgenden auf die Verwendung der hierzu verwendeten Filter nicht weiter eingegangen wird.
  • Zur Entfernung der DC-nahen Signalanteile wird z. B. ein Hochpassfilter mit einer relativ niedrigen Grenzfrequenz von einigen wenigen Hz, beispielsweise von circa 3,2 Hz verwendet. Zum Herausfiltern der geschwindigkeitsunabhängigen Effekte bei 16,7 Hz, 50 Hz und 83,3 Hz verwendet man geeignetes Filter z. B. Kammfilter (Multi-Notch Filter).
  • Das auf die zuvor beschriebene Weise vorverarbeitete Signal wird nun bezüglich der Extraktion des Schätzwertes der aktuellen Geschwindigkeit weiterverarbeitet. Aus dem Diagramm der Zeichnung ergibt sich, dass für eine Geschwindigkeit v1 beispielsweise die Frequenzen f1,0, f1,1, f1,2, f1,3, f1,4, f1,5 und f1,6 charakteristisch sind. Die Frequenzen f2,0, f2,1, f2,2, f2,3, f2,4, f2,5 und f2,6 sind beispielsweise charakteristisch für die Geschwindigkeit v2. Die Spektrallinien 20, 22, 24, 26, 28 und 30 des Diagramms der Zeichnung sind abhängig von der Geschwindigkeit und dem Radumfang. Der Zusammenhang ist gegeben durch v = 3,6 ∗ d ∗ Pi ∗ fn/ ( n + 1 ) ,
    Figure DE102014226612B4_0001
    wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h ist, d der Raddurchmesser in Meter ist, Pi die Kreiskonstante ist, fn die Frequenz der n-ten Spektrallinie ist und n das Vielfache (n-te Oberwelle) der Grundschwingung (n=0) ist.
  • Die Geschwindigkeit lässt sich beispielsweise abschätzen durch eine Wavelet-Analyse unter Verwendung einer Vielzahl von zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten sequentiell anzuwendenden Wavelets mit einem jedem Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktor, wobei durch Korrelation das Wavelet mit der besten Übereinstimmung mit den aktuell gemessenen Magnetfeldstärke ermittelt wird und der diesem Wavelet zugeordnete Skalierungsfaktor die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentiert. Sei q (t,n) ein geeignetes Wavelet, so kann mittels Waveletanalyse die beste Übereinstimmung zwischen dem Wavelet und dem Magnetsensorsignal bestimmt werden (Korrelation). Die Variable t repräsentiert dann den Zeitpunkt der besten Übereinstimmung und die Variable n den Skalierungsfaktor. Der Skalierungsfaktor ist proportional zur Geschwindigkeit. Somit ist eine Geschwindigkeitsmessung bzw. -abschätzung (nach Kalibrierung) möglich. Zur Bestimmung eines geeigneten Wavelets wird nach Herausfilterung der geschwindigkeitsabhängigen und geschwindigkeitsunabhängigen Effekte die Messungen in Abschnitte unterteilt. Mit der ebenfalls aufgezeichneten Geschwindigkeit können sie skaliert werden. Eine anschließende Überlagerung (im Zeit- oder Frequenzbereich) liefert eine geeignete Musterfunktion.
  • Eine weitere Möglichkeit der Detektion besteht in der Verwendung eines Mehrfach-Kammfilters. Das Zeitsignal wird durch ein derartiges Mehrfach-Kammfilter gefiltert, um dann die Leistung des Zeitsignals zu bestimmen. Das Mehrfach-Kammfilter ist durch die Mittenfrequenz f0 sowie Vielfache davon (beispielsweise 2*f0,3*f0,4*f0,5*f0) bestimmt. Die Variation von f0 liefert verschiedene Ergebnisse. Das gesuchte f0 kann durch eine Maximumsuche nach der Leistung gefunden werden. Eine solche Vorgehensweise kann auch mit Hilfe von parallel geschalteten Filterbänken (beispielsweise 150 Filter) geschehen, wobei eines der Filter für die Mittenfrequenz f0 und die anderen Filter für unterschiedliche Vielfache der Mittenfrequenz ausgelegt und damit jedes Filter eine unterschiedliche Geschwindigkeit repräsentiert.
  • Bei all diesen zuvor bestimmten Varianten und Alternativen werden die dominanten Spektrallinien des Leistungsdichtespektrums analysiert, die wiederum für die aktuell gegebene Geschwindigkeit charakteristisch sind, womit auf die Geschwindigkeit geschlossen werden kann.
  • In jedem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu genutzt werden, um einen Stillstand des Zuges zu detektierten.
  • Neben der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Geschwindigkeitsmessung bzw. -schätzung von Schienenfahrzeugen lässt sich das Verfahren als Ergänzung zur bordautonomen Lokalisierung für Schienenfahrzeuge bei autonom fahrenden oder ferngesteuerten Zügen und/oder bei Antikollisionssystemen für Züge einsetzen.
  • Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Verschleiß bei Laufrädern eines Schienenfahrzeugs durch Vergleich der gemäß einer der obigen Varianten oder Alternativen ermittelten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs mit dessen auf andere Weise, z.B. durch einen „klassischen“ Geschwindigkeitsmesser, ermittelten Geschwindigkeit, wobei auf Verschleiß erkannt wird, wenn die Abweichung beider Geschwindigkeiten einen vorgegebenen Differenzwert übersteigt.
  • Die Geschwindigkeitsmessung und Laufradmessung können unter bestimmten Umständen nahezu gleichzeitig durchgeführt werden. Der sich typischerweise sehr langsam ändernde Laufradgeometrieparameter, z. B. der Laufradumfang, wird durch Verwendung eines Geschwindigkeitssensors erlernt (analysiert) und bei einem Ausfall oder ungünstigen Messverhältnissen wird/werden der/die erlernte/erlernten Laufrad-Parameter zur Geschwindigkeitsmessung verwendet. Die Laufradvermessung (-Analyse) wird dann „ausgesetzt“.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges, mit den folgenden Schritten - Bereitstellen eines Magnetfeldsensors, - Messen der sich infolge der Drehung eines Schienenfahrzeugrades mit gegebener und/oder bekannter Geometrie periodisch ändernden Magnetfeldstärke am Ort des Magnetfeldsensors, - Filtern des Messsignals des Magnetfeldsensors zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen im Messsignal des Magnetfeldsensors, - Erstellen einer Frequenzspektralanalyse des derart gefilterten Messsignals zur Ermittlung der Radumdrehung und daraus der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges anhand der Radumdrehungsfrequenz und der Radgeometrie und - Verarbeiten des Messsignals mit einem Schätzfilter, insbesondere einem Least-Square-Filter, einem Bayesschen Filter oder einem Kalman-, Histogramm- oder Partikelfilter, das die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges schätzt und das ferner die Zugbeschleunigung und/oder den Zugbeschleunigungsmessoffset und/oder den Radumfang und/oder einen diesen definierenden Radparameter und/oder den Schlupf als Zusatzvektor schätzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - periodisches Aktualisieren des Schätzfilters mit der ermittelten Radumdrehungsfrequenz mittels eines Messmodells, das die zu schätzende Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und den Umfang des Rades des Schienenfahrzeuges enthält, oder - eine Messung der Zugbeschleunigung und periodisches Aktualisieren des Schätzfilters durch die Zugbeschleunigungsmessung mittels eines Messmodells, das die zu schätzende Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und den Zugbeschleunigungsmessoffset enthält, womit jegliche Abweichung in Form von Drift und/oder Steigungsfehlermessung der Zugbeschleunigungsmessung von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges enthalten ist, und/oder - eine Satelliten-basierte Geschwindigkeitsmessung und periodisches Aktualisieren des Schätzfilters durch die Satelliten-basierten Geschwindigkeitsmessung mittels eines Messmodells, das die zu schätzende Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Vergleichs der aufgrund der Frequenzspektralanalyse ermittelten Radumdrehungsfrequenz und einer Referenzgeschwindigkeitsmessung für das Schienenfahrzeug mindestens ein Parameter der Geometrie des Rades wie der Raddurchmesser, Radradius und/oder Radumfang kalibriert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor die Magnetfeldstärke in mindestens einer von drei orthogonal zueinander verlaufenden Achsen misst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Wavelet-Analyse zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges, wobei die Wavelet-Analyse eine Vielzahl von Wavelets mit unterschiedlich, jeweils jeder Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktoren aufweist, von denen jeder einem anderen Wert für die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zugeordnet ist, wobei Wavelets mit dem gefilterten Messsignal oder dessen Frequenzspektralanalyse korreliert werden und wobei der Skalierungsfaktor der Wavelet mit der besten Übereinstimmung mit dem aktuellen Messsignal die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentiert.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Einbeziehen der Messung einer auf das Schienenfahrzeug einwirkenden Beschleunigung oder Verzögerung, insbesondere Vibration in Vertikalrichtung und/oder einer Satelliten-basierten Geschwindigkeitsmessung bei der Ermittlung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einbeziehung einer Messung einer auf das Schienenfahrzeug einwirkenden Beschleunigung oder Verzögerung diese um die aus einer Karte oder mittels eines Drehratensensors des Schienenfahrzeuges gewonnener Kenntnis über den Steigungswinkel des aktuell vom Schienenfahrzeug befahrenen Streckenabschnitts korrigiert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stillstand des Schienenfahrzeuges erkannt wird und zum Aktualisieren eines Schätzfilters zur Schätzung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges und/oder der Zugbeschleunigung und/oder des Zugbeschleunigungsmessoffset - genutzt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines auf Vibrationen des Schienenfahrzeuges ansprechenden Generators Elektrizität zum Betreiben der Sensoren bereitgestellt wird.
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