DE102016108273A1 - Method for evaluating signals of at least one vibration sensor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Signalen wenigstens eines Vibrationssensors, wobei der wenigstens eine Vibrationssensor in Wirkverbindung mit einem Gleis für Schienenfahrzeuge steht. Die Signale des wenigstens einen Vibrationssensors werden einer Auswerteeinheit zugeführt, wobei in der Auswerteeinheit das Signal des wenigstens einen Vibrationssensors hinsichtlich des Leistungsdichtespektrums ausgewertet wird. Dies kann erfolgen, indem die Breite und/oder die zeitliche Änderung der Breite eines Frequenzbandes um eine oder mehrere charakteristische Frequenzen ausgewertet wird derart, dass bei den Frequenzen in dem jeweiligen Frequenzband ein Mindestwert der Leistungsdichte auftritt. Daraus kann der Abstand des Zuges von der Position des Vibrationssensors und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Zuges abgeleitet werden. Alternativ kann dies erfolgen, indem bei einer oder mehreren charakteristischen Frequenzen und / oder in jeweils einem Frequenzbereich um diese charakteristischen Frequenzen die Signalleistung und / oder die zeitliche Änderung der Signalleistung ausgewertet wird, um daraus den erwarteten Zeitpunkt der Ankunft des Zuges an der Position des Vibrationssensors und/oder die Zeitspanne, die vergangen ist, seit der Zug die Position des Vibrationssensors passiert hat, und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Zuges abzuleiten. Anstatt des Frequenzbereiches kann auch die Signalleistung in dem zuvor ermittelten Frequenzband ausgewertet werden.The present invention relates to a method for evaluating signals of at least one vibration sensor, wherein the at least one vibration sensor is in operative connection with a track for rail vehicles. The signals of the at least one vibration sensor are fed to an evaluation unit, wherein in the evaluation unit, the signal of the at least one vibration sensor is evaluated with respect to the power density spectrum. This can be done by the width and / or the temporal change of the width of a frequency band is evaluated by one or more characteristic frequencies such that at the frequencies in the respective frequency band, a minimum value of the power density occurs. From this, the distance of the train from the position of the vibration sensor and / or the driving speed of the train can be derived. Alternatively, this can be done by evaluating the signal power and / or the temporal change of the signal power at one or more characteristic frequencies and / or in each frequency range around these characteristic frequencies, in order to calculate the expected time of arrival of the train at the position of the vibration sensor and / or the amount of time that has elapsed since the train passed the position of the vibration sensor and / or to derive the speed of travel of the train. Instead of the frequency range, the signal power in the previously determined frequency band can also be evaluated.
Description
In dieser Patentanmeldung wird ein System und ein Verfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, nicht nur Schienenfahrzeuge frühzeitig zu detektieren, sondern auch die Geschwindigkeit und die Entfernung der Fahrzeuge vor deren Eintreffen bei der Detektierstelle zu ermitteln. Damit wird erreicht, dass eine Aussage darüber getroffen werden kann, wie schnell und wann ein Schienenfahrzeug bei einem zu schützenden Bereich (z.B. Bahnhof, Bahnübergang, etc.) eintrifft.In this patent application, a system and a method is presented, with which it is possible not only to detect rail vehicles early, but also to determine the speed and distance of the vehicles before they arrive at the detection point. This ensures that a statement can be made as to how quickly and when a rail vehicle arrives at an area to be protected (for example, railway station, railroad crossing, etc.).
Die Zugdetektierung stellt eine zentrale Rolle in der Leit- u. Sicherungstechnik und insbesondere in der Freimeldung von Gleisabschnitten dar. Die Mehrzahl der Gleisfreimeldeanlagen kann ein Schienenfahrzeug nur dann detektieren, wenn das Fahrzeug unmittelbar an der Detektierstelle vorbeifährt. Beispiele hierfür stellen Achszähler und Radsensoren dar. Die Installation und Wartung von Anlagen (z.B. Bahnübergänge), die mit diesen Systemen ausgestattet sind, erweisen sich aufgrund des hohen Verkabelungsaufwands als kostspielig. Denn um so einen Bahnübergang zu sichern, müsste die Verkabelung über mehrere Kilometer installiert werden. Gleisfreimeldeanlagen, welche mit Gleisstromsystemen gesichert werden, sind ebenso kostenintensiv wie der Verkabelungsaufwand und leiden zudem an einer höheren Falschmeldequote. Des Weiteren gibt es Bahnanlagen, die durch Bahnwärter gesichert werden. Die Bahnwärter werden telefonisch oder per Funk über die Ankunft von Schienenfahrzeugen informiert, sodass diese dann den betroffenen Gleisabschnitt sichern können. Bei dieser Art der Sicherung ist menschliches Versagen nicht ausgeschlossen. Im Vergleich zu dem hier beschriebenen System, ist das System in Patent
Die vorliegende Erfindung betrifft nach Anspruch 1 ein Verfahren zur Auswertung von Signalen wenigstens eines Vibrationssensors, wobei der wenigstens eine Vibrationssensor in Wirkverbindung mit einem Gleis für Schienenfahrzeuge steht. Die Signale des wenigstens einen Vibrationssensors werden einer Auswerteeinheit zugeführt. In der Auswerteeinheit wird das Signal des wenigstens einen Vibrationssensors hinsichtlich des Leistungsdichtespektrums ausgewertet derart, dass die Breite und/oder die zeitliche Änderung der Breite eines Frequenzbandes um eine oder mehrere charakteristische Frequenzen ausgewertet wird derart, dass bei den Frequenzen in dem jeweiligen Frequenzband ein Mindestwert der Leistungsdichte auftritt.The present invention according to claim 1 relates to a method for evaluating signals of at least one vibration sensor, wherein the at least one vibration sensor is in operative connection with a track for rail vehicles. The signals of the at least one vibration sensor are fed to an evaluation unit. In the evaluation unit, the signal of the at least one vibration sensor with respect to the power density spectrum is evaluated such that the width and / or the temporal change of the width of a frequency band is evaluated by one or more characteristic frequencies such that at the frequencies in the respective frequency band a minimum value of Power density occurs.
Es hat sich gezeigt, dass die Breite des Frequenzbandes mit dem Abstand des Zuges von der Position des Vibrationssensors abhängt derart, dass je breiter das Frequenzband ist, der Zug sich umso näher an der Position des Vibrationssensors befindet. Es hat sich gezeigt, dass die Breite des Frequenzbandes in einem zumindest annähernd linearen Zusammenhang steht mit dem Abstand des Zuges von der Position des Vibrationssensors. Jedenfalls lässt sich der Zusammenhang zwischen der Breite des Frequenzbandes und dem Abstand des Zuges zumindest näherungsweise durch eine lineare Funktion beschreiben. Sofern die Parameter des linearen Zusammenhangs durch vorangegangene Referenzmessungen bestimmt worden sind, kann somit aus den gemessenen Daten unmittelbar die Position des Zuges im Sinne des Abstands zur Position des Vibrationssensors bestimmt werden. It has been found that the width of the frequency band with the distance of the train depends on the position of the vibration sensor such that the wider the frequency band, the closer the train is to the position of the vibration sensor. It has been found that the width of the frequency band is in an at least approximately linear relationship with the distance of the train from the position of the vibration sensor. In any case, the relationship between the width of the frequency band and the distance of the train can at least approximately be described by a linear function. If the parameters of the linear relationship have been determined by previous reference measurements, the position of the train can thus be determined directly from the measured data in the sense of the distance to the position of the vibration sensor.
Sofern die Messdaten zu zwei oder mehreren verschiedenen Zeitpunkten erfasst wurden, kann aus den Positionen des Zuges zu den Zeitpunkten und den Zeitabständen zwischen den Zeitpunkten die Fahrgeschwindigkeit des Zuges abgeleitet werden.If the measured data were acquired at two or more different times, the speed of the train can be derived from the positions of the train at the times and the time intervals between the times.
Dies erfolgt, indem die Körperschallsignale einer Frequenzanalyse unterzogen werden. Es hat sich gezeigt, dass sich aus dem Leistungsdichtespektrum aus einzelnen Frequenzanteilen signifikante Aussagen treffen lassen.This is done by the structure-borne sound signals are subjected to a frequency analysis. It has been shown that significant statements can be made from the power density spectrum from individual frequency components.
Es tritt der Effekt auf, dass charakteristische Frequenzen in einem Frequenzband liegen, dessen Bandbreite bei einer Annäherung eines Zuges zunimmt. Wenn sich der Zug entfernt, nimmt diese Bandbreite ab. Bei den Frequenzen in diesem Frequenzband tritt bei einer Annäherung eines Zuges ein Mindestwert der Leistungsdichte auf. Aus der Bandbreite dieses Frequenzbandes „um die charakteristische Frequenz herum“ sowie weiterhin auch aus der zeitlichen Änderung der Bandbreite dieses Frequenzbandes lassen sich somit der Abstand des Zuges von der Position des Vibrationssensors sowie weiterhin die Geschwindigkeit des Zuges ableiten.The effect occurs that characteristic frequencies lie in a frequency band whose bandwidth increases as the train approaches. As the train moves away, this bandwidth decreases. At the frequencies in this frequency band, a minimum value of power density occurs as the train approaches. From the bandwidth of this frequency band "around the characteristic frequency around" and also from the temporal change in the bandwidth of this frequency band thus the distance of the train from the position of the vibration sensor and further the speed of the train can be derived.
Anspruch 2 betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Signalen wenigstens eines Vibrationssensors, wobei der wenigstens eine Vibrationssensor in Wirkverbindung mit einem Gleis für Schienenfahrzeuge steht. Die Signale des wenigstens einen Vibrationssensors werden einer Auswerteeinheit zugeführt, wobei in der Auswerteeinheit das Signal des wenigstens einen Vibrationssensors hinsichtlich des Leistungsdichtespektrums ausgewertet wird derart, dass bei einer oder mehreren charakteristischen Frequenzen und / oder in jeweils einem Frequenzbereich um diese charakteristische Frequenz oder die charakteristischen Frequenzen die Signalleistung und / oder die zeitliche Änderung der Signalleistung ausgewertet wird, um daraus den erwarteten Zeitpunkt der Ankunft des Zuges an der Position des Vibrationssensors und/oder die Zeitspanne, die vergangen ist, seit der Zug die Position des Vibrationssensors passiert hat, und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Zuges abzuleiten.Claim 2 relates to a method for evaluating signals of at least one vibration sensor, wherein the at least one vibration sensor is in operative connection with a track for rail vehicles. The signals of the at least one vibration sensor are fed to an evaluation unit, wherein in the evaluation unit, the signal of the at least one vibration sensor is evaluated with respect to the power density spectrum such that at one or more characteristic frequencies and / or in each case a frequency range around this characteristic frequency or the characteristic frequencies the signal power and / or the temporal change of the signal power is evaluated in order to calculate the expected time the arrival of the train at the position of the vibration sensor and / or the time elapsed since the train passed the position of the vibration sensor and / or to derive the speed of travel of the train.
Es hat sich gezeigt, dass der Anstieg der Signalleistung über der Zeit bei konstanter Fahrgeschwindigkeit des Zuges zumindest näherungsweise linear ist, wenn im Leistungsdichtespektrum lediglich eine Frequenz bzw. ein (begrenzter) Frequenzbereich um die jeweilige Frequenz betrachtet wird. Dies lässt sich so erklären, dass der grundsätzlich exponentielle Anstieg der gesamten Leistung des Signals darauf zurückzuführen ist, dass in dem Signal zunehmend größere Komponenten von Frequenzen auftreten, die sich als Verbreiterung von Frequenzbändern darstellen lassen. Wird die Auswertung mit engen Bandbreiten auf die Frequenzen beschränkt, deren Signalleistungen in den Frequenzbändern am größten sind, zeigt sich ein zumindest näherungsweise linearer Anstieg der Signalleistung über der Zeit bei einer konstanten Fahrgeschwindigkeit des Zuges. Jedenfalls kann der Zusammenhang zwischen der Signalleistung bei der charakteristischen Frequenz bzw. in einem Frequenzbereich um diese charakteristische Frequenz näherungsweise als linear betrachtet werden.It has been shown that the increase in signal power over time at constant vehicle speed of the train is at least approximately linear if only one frequency or a (limited) frequency range around the respective frequency is considered in the power density spectrum. This can be explained by the fact that the basically exponential increase in the overall power of the signal is due to the fact that increasingly larger components of frequencies occur in the signal, which can be represented as widening of frequency bands. If the evaluation with narrow bandwidths is limited to the frequencies whose signal powers are greatest in the frequency bands, an at least approximately linear increase in signal power over time at a constant vehicle speed of the train is shown. In any case, the relationship between the signal power at the characteristic frequency or in a frequency range around this characteristic frequency can be approximately considered to be linear.
Werden mehrere charakteristische Frequenzen bzw. Frequenzbereiche um diese charakteristischen Frequenzen herum betrachtet, zeigt sich, dass sich bei einer (virtuellen) Verlängerung der linearen Anstiege der Signalleistungen über der Zeit zu den einzelnen charakteristischen Frequenzen bzw. zu den einzelnen Frequenzbereichen um diese charakteristischen Frequenzen die entstehenden Geraden im Wesentlichen in einem Punkt schneiden.If several characteristic frequencies or frequency ranges are considered around these characteristic frequencies, it becomes apparent that the resulting increases in the linear increases in the signal powers over time to the individual characteristic frequencies or to the individual frequency ranges around these characteristic frequencies Cut straight lines essentially at one point.
Dies ist der Zeitpunkt, zu dem der Schwerpunkt des Zuges (hinsichtlich dessen Masse) die Position des Vibrationssensors passiert. Wenn sich der Zug von der Position des Vibrationssensors entfernt, ist dies entsprechend der Zeitpunkt, zu dem der Zug diese Position passiert hat.This is the point in time when the center of gravity of the train (with respect to its mass) passes the position of the vibration sensor. If the train moves away from the position of the vibration sensor, this is the time the train has passed that position.
Daraus lässt sich abschätzen, wann der Zug die Position des Vibrationssensors erreicht bzw. welche Zeitspanne vergangen ist, seit der Zug diese Position passiert hat.From this, it is possible to estimate when the train reaches the position of the vibration sensor or what time has elapsed since the train has passed this position.
Hierzu wird eine übliche Zuglänge zu Grunde gelegt und noch ein Sicherheitsaufschlag mit eingerechnet, um auch größere Zuglängen zu berücksichtigen bzw. Züge, die so beladen sind, dass sie beispielsweise an der Zugspitze schwerer beladen sind als am hinteren Ende des Zuges.For this purpose, a common train length is used as a basis and also included a safety surcharge to take into account even larger train lengths or trains that are loaded so that they are heavier loaded, for example, at the Zugspitze as the rear end of the train.
Weiterhin besteht ein zumindest näherungsweiser linearer Zusammenhang zwischen dem Signalpegel bei einer charakteristischen Frequenz bzw. in einem Frequenzbereich um diese charakteristische Frequenz. Zumindest kann dieser Zusammenhang als linear angesehen werden. Wenn aus vorangegangenen Messungen die Parameter dieses linearen Zusammenhangs bestimmt wurden, kann aus der Messung weiterhin die Fahrgeschwindigkeit des Zuges abgeleitet werden.Furthermore, there is an at least approximately linear relationship between the signal level at a characteristic frequency or in a frequency range around this characteristic frequency. At least this relationship can be considered linear. If the parameters of this linear relationship were determined from previous measurements, the driving speed of the train can be derived from the measurement.
Aus der Zeitdifferenz zwischen der aktuellen Zeit und der erwarteten Ankunftszeit sowie der Fahrgeschwindigkeit kann weiterhin unmittelbar der Abstand des Zuges von der Position des Vibrationssensors abgeleitet werden. Dies gilt bei einem Zug, der sich von dem Vibrationssensor entfernt, ebenso. Hierbei wird die Zeitspanne zu Grunde gelegt, die vergangen ist, seit der Zug die Position passiert hat, sowie der Fahrgeschwindigkeit.From the time difference between the current time and the expected arrival time and the vehicle speed can continue to be derived directly from the distance of the train from the position of the vibration sensor. This is true for a train that moves away from the vibration sensor as well. This is based on the time that has elapsed since the train passed the position, as well as the driving speed.
Es tritt sowohl bei einer oder mehreren charakteristischen Frequenzen sowie auch jeweils in einem Frequenzbereich, der diese charakteristischen Frequenzen einschließt, der Effekt auf, dass bei Annäherung eines Zuges die Signalleistung (und damit auch die Amplitude) über der Zeit charakteristisch zumindest näherungsweise linear ansteigt. Jedenfalls kann dieser Anstieg als linear angesehen werden. Wenn sich der Zug entfernt, nimmt die Signalleistung entsprechend ab. Diese zeitliche Änderung der Signalleistung hängt zusammen mit der Geschwindigkeit. Eine mögliche Signalauswertung besteht darin, diese zeitliche Änderung der Signalleistung bei einer oder mehreren der charakteristischen Frequenzen auszuwerten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Signalleistung und insbesondere die zeitliche Änderung der Signalleistung in einem Frequenzbereich auszuwerten, der jeweils die charakteristischen Frequenzen umgibt.It occurs at one or more characteristic frequencies as well as in each case in a frequency range which includes these characteristic frequencies, the effect that when approaching a train, the signal power (and thus the amplitude) over time characteristic at least approximately linearly increases. In any case, this increase can be considered linear. When the train moves away, the signal power decreases accordingly. This temporal change in signal power is related to speed. One possible signal evaluation is to evaluate this temporal change in signal power at one or more of the characteristic frequencies. Another possibility is to evaluate the signal power and in particular the temporal change of the signal power in a frequency range surrounding each of the characteristic frequencies.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 wird die Signalleistung und / oder die zeitliche Änderung der Signalleistung in dem Frequenzband ausgewertet, um daraus den erwarteten Zeitpunkt der Ankunft des Zuges an der Position des Vibrationssensors und/oder die Zeitspanne, die vergangen ist, seit der Zug die Position des Vibrationssensors passiert hat, und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Zuges abzuleiten.In the method according to
Wie im Zusammenhang mit Anspruch 2 erläutert, lässt sich auch hier aus diesen Daten der Abstand des Zuges von der Position des Vibrationssensors ermitteln.As explained in connection with claim 2, the distance of the train from the position of the vibration sensor can also be determined from these data.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 betrifft ein Verfahren, bei dem die Signalauswertung durch eine Bewertung der Signalleistung erfolgt. Allerdings erfolgt dies nicht wie bei Anspruch 2 in dem Frequenzbereich um die charakteristische Frequenz herum sondern in dem Frequenzband, das vorab entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 bestimmt wurde. Im Unterschied zu Anspruch 2 wird daher bei dem Verfahren nach Anspruch 3 die Signalleistung bzw. die zeitliche Änderung der Signalleistung in dem Frequenzband bestimmt, das zuvor bestimmt wurde abhängig davon, dass zu den Frequenzen ein bestimmter Mindestsignalpegel auftritt.The embodiment according to
Dadurch wird vorteilhaft berücksichtigt, dass mit dem Anstieg des Signalpegels, der der charakteristischen Frequenz zuzuordnen ist, auch eine Verbreiterung des Frequenzbandes einhergeht, die bei der Bewertung des Signalpegels vorteilhaft berücksichtigt werden sollte.This advantageously takes into account that as the signal level increases, which is attributable to the characteristic frequency, there is also a broadening of the frequency band, which should advantageously be taken into account in the evaluation of the signal level.
Es zeigt sich vorteilhaft, dass durch vergleichsweise einfach ausgestaltete Sensoren mit geeigneten Auswertungsverfahren verschiedene relevante und wichtige Größen bestimmt werden können.It is shown to be advantageous that various relevant and important variables can be determined by comparatively simply configured sensors with suitable evaluation methods.
Im Zusammenhang mit den Ansprüchen 2 und 3 kann aus der Geschwindigkeit des Anstiegs bzw. des Abfalls der Signalleistung darauf geschlossen werden, mit welcher Fahrgeschwindigkeit das Schienenfahrzeug fährt. Hierzu können beispielsweise vorab Referenzwerte gemessen werden bei definierten Fahrbedingungen eines Schienenfahrzeugs. Bei unterschiedlichen Schienenfahrzeugen mit unterschiedlichen Achslasten ist zu erwarten, dass sich bei ansonsten gleichen Bedingungen unterschiedliche Pegel bei der Signalleistung einstellen. Von der Überschneidung des linearen Anstiegs bzw. Abfalls von meheren Signalleistungen bei verschiedenen Frequenzen kann über Interpolation ermittelt werden, wann das Schienenfahrzeug bei dem Messpunkt eintrifft oder welche Zeitspanne vergangen ist, seit das Fahrzeug diesen Messpunkt passiert hat. Die metrische Entfernung von einem Schienenfahrzeug von der Position des Vibrationssensors ergibt sich durch das Multiplizieren der erwarteten Zeitspanne bis zum Eintreffen des Zuges an der Position des Vibrationssensors (bzw. der Zeitspanne, die vergangen ist, seit das Fahrzeug den Messpunkt passiert hat) mit der Fahrgeschwindigkeit. Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die Interpolation linear erfolgen kann. Dadurch ist die Rechenkomplexität reduziert und die Messergebnisse können in Echtzeit ausgewertet werden. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft beim Einsatz der Erfindung im Zusammenhang mit Steuerungssystemen wie beispielsweise Schranken oder auch im Zusammenhang mit Warnsystemen beispielsweise bei Gleisarbeiten.In connection with the
Es können beispielsweise auch relative Änderungen der Signalleistung berücksichtigt werden. Es hat sich gezeigt, dass sich durch die Auswertung dieser relativen Änderungen die unterschiedlichen Pegel bei der Signalleistung herausrechnen lassen, die aus unterschiedlichen Pegeln wegen unterschiedlicher Achslasten verschiedener Schienenfahrzeuge resultieren.For example, relative changes in the signal power can also be taken into account. It has been found that by evaluating these relative changes, it is possible to calculate the different levels of signal power resulting from different levels due to different axle loads of different rail vehicles.
Es kann beispielsweise ermittelt werden, in welcher Zeitspanne sich der Pegel der Signalleistung um einen bestimmten prozentualen Wert ändert. Diese Zeitspanne kann mit zuvor ermittelten Referenzwerten unter definierten Fahrbedingungen eines Schienenfahrzeugs verglichen werden, so dass durch eine Interpolation die Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs abgeleitet werden kann.It can be determined, for example, in which time period the level of the signal power changes by a certain percentage value. This period of time can be compared with previously determined reference values under defined driving conditions of a rail vehicle, so that the driving speed of the rail vehicle can be derived by interpolation.
Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 erfolgt eine Auswertung von Signalen wenigstens eines Vibrationssensors, wobei der wenigstens eine Vibrationssensor in Wirkverbindung mit einem Gleis für Schienenfahrzeuge steht. Die Signale des wenigstens einen Vibrationssensors werden einer Auswerteeinheit zugeführt. In der Auswerteeinheit wird das Signal des wenigstens einen Vibrationssensors hinsichtlich des Leistungsdichtespektrums ausgewertet derart, dass die Doppler-Verschiebung ausgewertet wird.In the embodiment of the method according to
Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 betrifft einen speziellen Fall der Auswertung des Frequenzspektrums, indem die Auswertung der Spektralanalyse mittels der Doppler-Verschiebung ausgewertet wird.The embodiment according to
Hierbei wird die zeitliche Änderung des Frequenzspektrums daraufhin untersucht, ob sich von einer Messung zur nächsten eine charakteristische Verschiebung eines Maximums im Frequenzspektrum ergeben hat. Dies lässt sich dann darauf zurückführen, dass das Schienenfahrzeug die Position des Vibrationssensors in der Gleisanlage passiert hat. In diesem Fall tritt die sogenannte Doppler-Verschiebung auf, bei der das Maximum bei einer tieferen Frequenz auftritt. Aus der Differenz der Frequenz des Maximums der Messung, bei der das Schienenfahrzeug auf die Position des Sensors zufährt, zur Frequenz des Maximums der Messung, bei der das Schienenfahrzeug von der Position des Sensors wegfährt, lässt sich dann die Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermitteln. Dabei wird aus dem Auftreten einer Differenz der Frequenzen zweier Messungen, bei denen das Maximum der Signalleistung auftritt, erkannt, dass das Schienenfahrzeug zwischen diesen beiden Messungen die Position des Sensors passiert hat.In this case, the temporal change of the frequency spectrum is examined as to whether a characteristic shift of a maximum in the frequency spectrum has resulted from one measurement to the next. This can then be attributed to the fact that the rail vehicle has passed the position of the vibration sensor in the track system. In this case, the so-called Doppler shift occurs where the maximum occurs at a lower frequency. From the difference of the frequency of the maximum of the measurement, at which the rail vehicle approaches the position of the sensor, to the frequency of the maximum of the measurement, at which the rail vehicle moves away from the position of the sensor, the traveling speed of the rail vehicle can be determined. In this case, it is detected from the occurrence of a difference in the frequencies of two measurements in which the maximum of the signal power occurs that the rail vehicle has passed the position of the sensor between these two measurements.
Außerdem lässt sich durch die Bestimmung des Zeitpunkts dieser Frequenzverschiebung ermitteln, dass das Schienenfahrzeug gerade die Position des Vibrationssensors passiert hat. Damit wird ebenfalls für diesen Moment eine Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs möglich.In addition, it can be determined by determining the time of this frequency shift that the rail vehicle has just passed the position of the vibration sensor. Thus, a position determination of the rail vehicle is also possible for this moment.
Im Zusammenhang mit dieser Patentanmeldung sind Vibrationssensoren angesprochen. Derartige Vibrationssensoren können Sensoren sein, die als sogenannte Körperschallsensoren bekannt sind. Diese erfassen Schwingungen von Bauteilen, an denen diese Körperschallsensoren mechanische befestigt sind, auf mechanischem Wege. Dies erfolgt mittels piezoelektrischen Elementen. Alternativ können diese Vibrationssensoren auch Sensoren sein, die Schwingungen berührungsfrei erfassen. Dies kann beispielsweise mittels optischen Messmethoden durch Laser erfolgen. Die Erfassung der Schwingungen kann ebenfalls mit Drucksensoren erfolgen.In connection with this patent application vibration sensors are addressed. Such vibration sensors may be sensors known as so-called structure-borne sound sensors are. These detect vibrations of components to which these structure-borne sound sensors are mechanically attached, mechanically. This is done by means of piezoelectric elements. Alternatively, these vibration sensors may also be sensors that detect vibrations without contact. This can be done for example by means of optical measurement methods by laser. The detection of the vibrations can also be done with pressure sensors.
Soweit vorstehend eine Signalauswertung bei mehreren charakteristischen Frequenzen bzw. in jeweils einem Frequenzbereich oder einem jeweils Frequenzband um diese mehreren charakteristischen Frequenzen herum, erweist es sich als vorteilhaft, wenn sich die Frequenzbänder, bei den Frequenzen in dem jeweiligen Frequenzband einen Mindestwert der Leistungsdichte überschreiten, nicht überschneiden. Es hat sich gezeigt, dass derartige Überlappungen die Betrachtung der Zusammenhänge als linear stören. Dieses Kriterium lässt sich auch so ausdrücken, dass bei Auswertung einer Signalauswertung bei mehreren charakteristischen Frequenzen bzw. in jeweils einem Frequenzbereich oder jeweils einem Frequenzband um diese mehreren charakteristischen Frequenzen herum ein Frequenzband vorhanden sein muss, in dem die die Frequenzen einen Grenzwert der Leistungsdichte nicht übersteigen.As far as a signal evaluation at several characteristic frequencies or in each case a frequency range or a respective frequency band around these multiple characteristic frequencies around, it proves to be advantageous if the frequency bands, at the frequencies in the respective frequency band exceeds a minimum value of the power density, not overlap. It has been shown that such overlaps disturb the consideration of the relationships as linear. This criterion can also be expressed in such a way that when evaluating a signal evaluation at several characteristic frequencies or in each case a frequency range or in each case a frequency band around these multiple characteristic frequencies around a frequency band must be present, in which the frequencies do not exceed a power density limit ,
Die Auswerteeinheit kann als zentrale Einheit ausgestaltet sein und kann die Detektionsergebnisse direkt oder über ein anderes Modul per Kabel oder über elektromagnetische Wellen übertragen.The evaluation unit can be configured as a central unit and can transmit the detection results directly or via another module via cable or via electromagnetic waves.
Ebenso kann die zentrale Einheit die Detektionsergebnisse mittels ERTMS (European Rail Management System) kommunizieren und allgemeine Informationen mit diesem System sowie mit anderen Rail Management Systemen austauschen.Likewise, the central unit can communicate the detection results via ERTMS (European Rail Management System) and exchange general information with this system as well as with other rail management systems.
Die Vibrationssensoren können in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen entlang eines Gleises angebracht werden. Dadurch können Ereignisse entlang oder in der Umgebung des Gleises erkannt und weiterkommuniziert werden. (s.
Weiterhin kann der Auswerteeinheit ein Signal eines Temperatursensors zugeführt werden. Dadurch können Messergebnisse hinsichtlich der Temperatur kompensiert werden. Der Temperatursensor kann in der Nähe der Auswerteeinheit angebracht sein oder auch in der Nähe eines oder auch mehrerer der Vibrationssensoren.Furthermore, the evaluation unit can be supplied with a signal of a temperature sensor. As a result, temperature results can be compensated for. The temperature sensor may be mounted in the vicinity of the evaluation unit or also in the vicinity of one or more of the vibration sensors.
Weitere Auswertungsmöglichkeiten bestehen darin, dass aus dem Signalverlauf auf die Anzahl der Zugachsen geschlossen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die Anzahl der Zugachsen aus der Anzahl der Signalpeaks am Ausgang der Sensoren ermittelt werden kann.Further evaluation possibilities consist in that it is possible to deduce the number of traction axes from the signal course. It has been shown that the number of pull axes can be determined from the number of signal peaks at the output of the sensors.
Ein Test des Systems kann durchgeführt werden, in dem ein Schallgenerator vorhanden ist, der ein vorbestimmtes Schallmuster in die Gleisschiene induziert. Dadurch können die Vibrationssensoren auf ihre ordnungsgemäße Funktion getestet und synchronisiert werden. Die über die Sensoren gemessenen Schallmuster werden über die Auswerteeinheit verglichen. A test of the system may be performed in which there is a sound generator that induces a predetermined sound pattern into the track rail. This allows the vibration sensors to be tested and synchronized for proper operation. The sound patterns measured via the sensors are compared via the evaluation unit.
Eine Asynchronisation der Signale der Vibrationssensoren kann festgestellt und korrigiert werden. Dadurch können die Sensoren auf Fehlfunktionen geprüft werden (s.
Die Vibrationssensoren können beispielsweise piezoelektrische Sensoren sein.The vibration sensors may be piezoelectric sensors, for example.
Bei der hier vorgestellten Erfindung ist zumindest bei einigen Ausführungsformen die Rauschempfindlichkeit dank des Aufbaus der Ausführungsform verbessert, sodass durch den Einsatz von wenigen Sensoren mehr Daten ermittelt werden können.In the invention presented here, the noise sensitivity is at least in some embodiments improved thanks to the structure of the embodiment, so that more data can be determined by the use of a few sensors.
Insbesondere kommt das System grundsätzlich mit zwei Vibrationssensoren aus, um auch die Fahrtrichtung ermitteln zu können. Bei Verwendung nur eines Vibrationssensors ist das System dennoch in der Lage, die Schienenfahrzeuge sowie deren Geschwindigkeit und Entfernung bereits mehrere hundert Meter vor ihrem Eintreffen zu ermitteln (
Die Rauschempfindlichkeit kann zudem durch den Einsatz von Temperatursensoren verbessert werden. Dadurch wird das System noch rauschärmer. Dementsprechend können Schienenfahrzeuge auch über eine größere Entfernung detektiert werden als es bei den aktuellen Lösungen der Fall ist.The noise sensitivity can also be improved by the use of temperature sensors. This makes the system even less noisy. Accordingly, rail vehicles can be detected over a greater distance than is the case with the current solutions.
Die Tatsache, dass das hier beschriebene System weniger Sensoren braucht als vergleichbare Ausführungsformen, macht das System noch wirtschaftlicher und sicherer, da weniger Bauteile und somit weniger Fehlerquellen vorhanden sind.The fact that the system described here requires fewer sensors than comparable embodiments makes the system even more economical and safer because fewer components and thus fewer sources of error are present.
Das System kann seitlich oder unter dem Gleis angebracht werden, sodass es vor Diebstahl und Sabotage geschützt ist. Der Sensor kann die Vibrationssignale auf der Schienenseite, unterhalb der Schiene oder am Schienenkopf erfassen. Bei Verwendung mehrerer Sensoren können die Signale auch an einer Kombination der genannten Anbringungsmöglichkeiten detektiert werden.The system can be mounted sideways or under the track so it is protected against theft and sabotage. The sensor can detect the vibration signals on the rail side, below the rail or on the rail head. When using a plurality of sensors, the signals can also be detected by a combination of the aforementioned attachment possibilities.
Auch die minimale Verkabelung des Systems sorgt für mehr Sicherheit, da es so unattraktiv für Kabeldiebe ist (
Die Sensoren können in Subeinheiten untergebracht sein. Dadurch wird eine Entkoppelung der mechanischen Schwingung erreicht, sodass jeder Sensor nur die über das Gleis übertragene Schwingung erfasst und die Schwingung des Gehäuses nicht mitgerechnet wird. D.h. die Subeinheiten inklusive Sensoren schwingen unabhängig voneinander, da diese nicht im gleichen Gehäuse untergebracht sind. The sensors can be accommodated in subunits. As a result, a decoupling of the mechanical vibration is achieved, so that each sensor detects only transmitted via the track vibration and vibration of the housing is not included. This means that the subunits including the sensors oscillate independently of each other, since they are not housed in the same housing.
Um die Geschwindigkeit früher ermitteln zu können, kann eine der folgenden Methoden oder eine Kombination dieser verwendet werden:
Methode 1: Die Signalleistung bei mindestens einem der Sensoren wird – frequenzabhängig entsprechend den vorgenannten Erläuterungen – berücksichtigt und die ermittelten Werte der Signalleistungen werden über die Zeit miteinander verglichen. Je schneller die Werte ansteigen, desto schneller ist der Zug unterwegs. Dementsprechend ist der Zug langsamer unterwegs, wenn die Werte langsamer ansteigen. Dieser Anstieg im Pegel der Signalleistung wird mit einem Referenzwert verglichen, anhand dessen eine genauere Geschwindigkeit ermittelt wird.To determine the speed earlier, one of the following methods or a combination of these can be used:
Method 1: The signal power in at least one of the sensors is taken into account - frequency-dependent according to the above explanations - and the determined values of the signal powers are compared with each other over time. The faster the values increase, the faster the train is traveling. Accordingly, the train slows down as the values increase more slowly. This increase in the level of signal power is compared to a reference value, which is used to determine a more accurate speed.
Methode 2: Die Signale werden spektral analysiert. Die entnommenen Signalfrequenzen werden in der Doppler-Shiftformel eingesetzt, sodass sich daraus die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges ermitteln lässt.Method 2: The signals are analyzed spectrally. The extracted signal frequencies are used in the Doppler shift formula so that the speed of the rail vehicle can be determined from this.
Um die Entfernung früh zu ermitteln, wird eine der folgenden Methoden oder eine Kombination dieser verwendet:
Methode 1: Der Amplitudenanstieg bei mindestens einem der Sensoren wird berücksichtigt und die Werte über die Zeit werden miteinander verglichen. Dieser Amplitudenanstieg wird dann mit einem Referenzwert verglichen und anhand dessen wird eine genauere Entfernung ermittelt.To determine the distance early, one of the following methods or a combination of these is used:
Method 1: The amplitude increase in at least one of the sensors is taken into account and the values over time are compared with each other. This increase in amplitude is then compared with a reference value and a more accurate distance is determined therefrom.
Methode 2: Diese Methode erfordert Signalwerte aus mindestens zwei Sensoren. Die Entfernung zur Schallquelle wird durch das Verfahren der akustischen Schallquellen-Lokalisierung (Acoustic source localization) ermittelt, wobei die nötigen Signale aus mindestens zwei Vibrationssensoren bezogen werden. Insbesondere wird hier die Time Difference of Arrival Methode verwendet, welche auf Sensor-Arrays ihren Einsatz findet. Die Detektierergebnisse, wie etwa der Gleisfreimeldestatus, die Geschwindigkeit sowie die Entfernung des Schienenfahrzeuges etc. können direkt aus dem System oder mit Hilfe eines weiteren Moduls per Funk übertragen werden.Method 2: This method requires signal values from at least two sensors. The distance to the sound source is determined by the method of acoustic source localization, where the necessary signals are obtained from at least two vibration sensors. In particular, the Time Difference of Arrival method is used, which is used on sensor arrays. The detection results, such as the train detection status, the speed and the distance of the rail vehicle, etc. can be transmitted directly from the system or with the help of another module by radio.
Methode 3: Diese Methode kommt mit nur einem Sensor aus, um die zeitliche Entfernung zu ermitteln. Dabei werden Signalleitungen von verschiedenen Frequenzbereichen betrachtet. Die Interpolation des linearen Anstiegts bzw. Abstiegs ermöglicht die genaue Berechnung der Ankunftszeit bzw. der Zeit, die vergangen ist, seit der Zug die Position des Vibrationssensors passiert hat. Wird dieser Wert mit der Geschwindigkeit multpliziert, so ergibt sich der Abstand zu dem Schienenfahrzeuges und somit die Position.Method 3: This method uses only one sensor to determine the time distance. In this case, signal lines from different frequency ranges are considered. The linear increase / decrease interpolation allows the accurate calculation of the time of arrival or time that has elapsed since the train passed the position of the vibration sensor. If this value is multiplied by the speed, then the distance to the rail vehicle and thus the position results.
Das System dieses Patentgegenstandes ist auf Grund seiner Bauweise leicht im ERTMS System (European Rail Management System) zu integrieren, sodass dieses mit zusätzlichen Informationen, welche von den Beschleunigungssensoren ermittelt werden, beliefert werden kann.Due to its design, the system of this patent article is easily integrated into the ERTMS system (European Rail Management System), so that it can be supplied with additional information, which is determined by the acceleration sensors.
Sollten die Gleise Brüche vorweisen, das Schienenfahrzeug nicht richtig auf den Gleisen fahren (Entgleisungsprozess) oder die Räder beschädigt sein, dann verursacht dieser Zustand eine Veränderung der Schallwellen, sodass dies von den Vibrationssensoren erkannt werden kann.If the tracks show breaks, the rail vehicle does not ride properly on the tracks (derailment process) or the wheels are damaged, then this condition causes a change in the sound waves, so this can be detected by the vibration sensors.
Durch das Anbringen des Systems an mehreren Stellen entlang der Gleisschienen, können auch plötzlich auftretende Ereignisse wie Steinschläge und umkippende Bäume, sowie Tiere, die sich auf dem oder neben dem Gleis aufhalten, detektiert werden. Somit kann auch in diesen Gefahrsituationen frühzeitig eine Warnung herausgegeben werden (
Um die Funktionsweise des Systems automatisch auf Fehlfunktionen zu testen, wird aus der Zentraleneinheit ein akustisches Signal über die Gleisschiene übertragen und von den Sensoren in den Subeinheiten aufgenommen. Das Ausgangsignal wird wiederum von der zentralen Einheit aufgenommen und überprüft. Kommt kein Signal bei der zentralen Einheit an, so ist der Sensor defekt, wo das Signal zu erwarten ist. Kommen die Signale im Vergleich zu den anderen Sensoren verzögert an, so wird diese Verzögerung in den Berechnungen berücksichtigt (
Zudem kann das System fest in den Gleisschienen eingebaut werden und zusammen mit diesen eine Einheit bilden. Neu installierte Gleisabschnitte verfügen somit automatisch über das bereits integrierte System (
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Fig. 1:Fig. 1:
Fig. 2:Fig. 2:
Fig. 3:3:
Fig. 4:4:
In
Fig. 5: Fig. 5:
In
Fig. 6:Fig. 6:
Fig. 7:Fig. 7:
Fig. 8:Fig. 8:
Fig. 9:Fig. 9:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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