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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Diagnose von wenigstens einem entlang einer Fahrstrecke eines Fahrzeugs angeordneten Lichtsignalgeber.
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Lichtsignalgeber sind Teil von Lichtsignalen, die beispielsweise an Eisenbahnstrecken, den Zugverkehr regeln und Fahranweisungen für den Zugführer eines Zugs anzeigen. Heutzutage sind diese Lichtsignalgeber häufig als LED-Signalgeber ausgebildet. Ein Ausfall solcher Lichtsignalgeber ist in jedem Fall zu vermeiden, damit ein störungsfreier Zugbetrieb gesichert ist. Teilweise werden Lichtsignalgeber nach einer vorbestimmten Zeit ausgewechselt, auch wenn sie noch voll funktionsfähig sind, um einem Ausfall vorzubeugen. Alternativ werden Lichtsignalgeber mit integriertem Diagnosesystem verwendet, die einen drohenden Ausfall frühzeitig anzeigen können, so dass ein Austausch vor dem Ausfall möglich ist. Der Aufwand für solche integrierten Diagnosesysteme ist aber sehr hoch und es sind auch viele Lichtsignalgeber ohne solche integrierten Diagnosesysteme im Einsatz.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen der Zustand der Lichtsignalgeber auf einfache Weise diagnostiziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung zur Diagnose von wenigstens einem entlang einer Fahrstrecke eines Fahrzeugs angeordneten Lichtsignalgeber, mit wenigstens einem zum fahrzeugseitigen Anordnen in einer Fahrrichtung ausgebildeten optischen Sensor, der zum Erfassen von während der Fahrt des Fahrzeugs in der Fahrtrichtung vom Lichtsignalgeber ausgesendetem Licht ausgebildet ist,
mit wenigstens einer mit dem Sensor verbundenen Verarbeitungseinrichtung, die zur Ermittlung wenigstens eines Messwertes einer Eigenschaft des vom Sensor erfassten Lichts ausgebildet ist, und
mit wenigstens einer mit der Verarbeitungseinrichtung verbundenen Auswerteeinrichtung, die zur Diagnose eines Zustands des Lichtsignalgebers anhand des wenigstens einen Messwertes ausgebildet ist.
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Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose von wenigstens einem entlang einer Fahrstrecke eines Fahrzeugs angeordneten Lichtsignalgeber, bei dem während der Fahrt des Fahrzeugs in einer Fahrtrichtung vom Lichtsignalgeber ausgesendetes Licht fahrzeugseitig erfasst wird,
bei dem wenigstens ein Messwert einer Eigenschaft des während der Fahrt erfassten Lichts ermittelt wird und bei dem ein Zustand des Lichtsignalgebers anhand des wenigstens einen Messwerts diagnostiziert wird.
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Erfindungsgemäß wird der optische Sensor an dem auf der Fahrtstrecke fahrenden Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug, angebracht. Dies hat den Vorteil, dass der fahrzeugseitig angeordnete Sensor alle Lichtsignalgeber entlang der gesamten Fahrstrecke kontrollieren kann. Entweder kann der Sensor auf einem Wartungsfahrzeug angeordnet werden, das die Fahrstrecke abfährt, oder aber auch fahrplanmäßig eingesetzten Fahrzeugen eingebaut sein, die die Fahrstrecke gemäß Fahrplan regelmäßig befahren. So kann eine regelmäßige Überprüfung der Lichtsignalgeber auf einfache Weise vollzogen werden. Weiterhin kann ein einziger Sensor alle Lichtsignalgeber entlang der gesamten Fahrstrecke kontrollieren, was einen erheblichen Kostenvorteil bedeutet gegenüber einer jeweils integrierten Diagnoseeinrichtung in jedem Lichtsignalgeber.
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Die erfindungsgemäß mit dem Sensor verbundene Verarbeitungseinrichtung ermittelt Messwerte einer Eigenschaft des erfassten Lichts. Eine solche Eigenschaft des Lichts, wie beispielsweise Intensitätsverlauf, Frequenzspektrum bzw. Lichtort, ist so gewählt, dass sie für den Zustand des Lichtsignalgebers repräsentativ ist. Es können Messwerte für eine oder mehrere repräsentative Eigenschaften genutzt werden.
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Schließlich diagnostiziert die Verarbeitungseinrichtung den Zustand des Lichtsignalgebers anhand der ermittelten Messwerte. Die ermittelten Messwerte werden mit bekannten Messwerten verglichen, die für einen ordnungsgemäßen Zustand des Lichtsignalgebers sprechen. Wenn die Messwerte von vorbestimmten Sollwerten abweichen, kann auf einen schlechten Zustand des Lichtsignalgebers geschlossen werden und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Solche Maßnahmen können selbstverständlich der Austausch des Lichtsignalgebers sein oder aber auch eine Prüfung des Lichtsignalgebers durch Wartungspersonal. Ein Zustand des Lichtsignalgebers kann beispielsweise ein anfangender Verschleiß sein. Wird dieser erkannt, kann beispielsweise ein Warnsignal ausgegeben werden, so dass eine Wartung mit Austausch des Lichtsignalgebers initiiert ein Ausfall verhindert werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung bei regelmäßigen Zugfahrten mit jeweils verwendeter erfindungsgemä-ßer Einrichtung bzw. Verfahren. Dadurch können stationäre Diagnosesysteme, die an jeden einzelnen Lichtsignalgeber angebracht werden müssten, ersetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch vorteilhafte Ausgestaltung weiterentwickelt werden, die im Folgenden beschrieben sind.
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So kann die Verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung von Messwerten, von Intensität und/oder Farbort des vom Lichtsignalgeber ausgesendeten Lichts ausgebildet sein. Intensität und Farbort sind Eigenschaften, an denen eine Zustandsveränderung des Lichtsignalgebers sehr zuverlässig festgestellt werden kann. Wenn ein Alterungsprozess des Lichtsignalgebers stärker wird und die Qualität des Lichtsignalgebers nachlässt, verändern sich sowohl Lichtintensität als auch der Farbort derart, dass eine Veränderung an den Messwerten festgestellt werden kann. Insbesondere geschieht dies frühzeitig, so dass noch genügend Zeit bleibt, bevor der Lichtsignalgeber tatsächlich ausfällt. Diese Eigenschaften sind somit sehr gut für eine vorausschauende Wartung verwendbar.
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Unter dem Farbort versteht man den Punkt der dargestellten Farbe im gesamten möglichen Frequenzspektrum des Lichtsignalgebers.
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Alle Farben eines Farbmodells, die durch eine farbgebende Methode tatsächlich ausgegeben werden können, werden in dem dreidimensionalen Farbraum dargestellt. Jede farbgebende Methode hat ihren eigenen Farbraum. Die Ausleuchtung ist beispielsweise die Methode, die ein Lichtsignalgeber nutzt. Eine Darstellung aller Farbörter (Singular: Farbort) eines Farbmodells bildet den sogenannten Farbkörper. (Quelle: Wikipedia)
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Im Bereich des Verkehrswesens können Farben für Lichtsignale wie Ampeln oder Lichtsignale anhand von Farbörtern genau vorgeschrieben sein. Sie müssen dementsprechend zuverlässig farbgenau arbeiten, was durch Ermittlung des Farborts geprüft werden kann.
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Um eine Kurve von Messwerten zu erhalten, können der Sensor und die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, das Licht während der Annäherung des Fahrzeugs an den Lichtsignalgeber wiederholt zu erfassen und eine Vielzahl von Messwerten zu ermitteln. So wird das Licht im Wesentlichen kontinuierlich erfasst und dadurch eine Vielzahl von Messwerten ermittelt. Diese Vielzahl von Messwerten, die beispielsweise als Kurve darstellbar sind, verbessern die Diagnose des Zustands des Lichtsignalgebers. Eine solche Verlaufskurve oder auch mehrere Verlaufskurven von unterschiedlichen Eigenschaften des Lichts können mit entsprechenden Referenzkurven verglichen werden, die z.B. für einen intakten Lichtsignalgeber oder einen Lichtsignalgeber kurz vor dem Ausfall stehen.
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Ferner kann der Messwert in einem vorbestimmten Abstand des Sensors zum Lichtsignalgeber erfasst werden. Dies hat den Vorteil, dass weniger Werte verarbeitet werden müssen und der Messwert jeweils an einem fest definierten Punkt erfasst wird. Dies kann bei mehreren Vorbeifahrten geschehen, so dass in dem zeitlichen Verlauf Veränderungen erkannt werden können, die bei der Diagnose auf den Zustand des Lichtsignalgebers ausgewertet werden können. Dabei kann, beispielsweise um den Einfluss unterschiedlicher Lichtverhältnisse zu minimieren, der Aufnahmepunkt nahe am Lichtsignalgeber gewählt werden, also ein geringer Abstand zum Lichtsignalgeber gewählt werden. Ein solcher Aufnahmepunkt nahe am Lichtsignalgeber kann beispielsweise einen Abstand von 20 Metern oder kleiner aufweisen.
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Um den Einfluss von sich verändernden Lichtverhältnissen zu minimieren, kann der Sensor ausgebildet sein, wenigstens einen Referenzwert während der Fahrt zu erfassen, und die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, den Referenzwert bei der Diagnose des Zustands des Lichtsignalgebers zu berücksichtigen. Ein solcher Referenzwert kann beispielsweise erfasst werden durch die Aufnahme eines sogenannten Intensitätsreferenzpunktes mit unveränderbarer Abstrahlcharakteristik am Signalschirm des Lichtsignalgebers angebracht sein. Dieser Intensitätsreferenzpunkt kann dann als Vergleichsnormal herangezogen werden, durch das auf eventuell störende und intensitätsverändernde Wetter- bzw. Sichteinflüsse geschlossen werden kann.
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Um die Diagnoseergebnisse zu verbessern, kann die Auswerteeinrichtung wenigstens ein neuronales Netz umfassen, das mit Messwerten zu einem bekannten Zustand des Lichtsignalgebers trainiert wurde und das zur Diagnose des Zustands des Lichtsignalgeber ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung wird das neuronale Netz sozusagen zur Anomalieerkennung eingesetzt, da es auf sozusagen gesunde Messwerte trainiert wurde. So kann beispielsweise eine Intensitätsverlaufskurve oder auch eine Frequenzortverschiebung durch das neuronale Netz erkannt werden, die für einen Verschleiß des Lichtsignalgebers sprechen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug zum Fahren entlang einer Fahrstrecke, an der wenigstens ein Lichtsignalgeber angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Fahrzeug mit wenigstens einer Einrichtung zur Diagnose nach einer zuvor genannten Ausführungsformen ausgebildet.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine eisenbahntechnische Anlage mit wenigstens einer Fahrstrecke, an der wenigstens ein Lichtsignalgeber angeordnet ist, mit wenigstens einem Fahrzeug zum Fahren in einer Fahrtrichtung entlang der Fahrstrecke und mit wenigstens einer Einrichtung zur Diagnose nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen, wobei der wenigstens eine optische Sensor an dem Fahrzeug in der Fahrtrichtung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der optische Sender in die Fahrtrichtung schaut.
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Vorteilhafterweise kann die Auswerteeinrichtung entfernt vom Fahrzeug angeordnet sein. Dies kann beispielsweise auf einem Servercomputer in einer Leitstelle geschehen. In diesem Fall würden die Messwerte beispielsweise per Funkübertragung an den Servercomputer übermittelt werden. Hierbei können auch Messwerte von einer Vielzahl von Einrichtungen auf unterschiedlichen Fahrzeugen an den Servercomputer übermittelt und ausgewertet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine Intensität und/oder ein Farbort des vom Lichtsignalgeber ausgesendeten Lichts ermittelt werden. Dies hat den bereits oben beschriebenen Vorteil, dass diese Eigenschaften des Lichts sehr gut geeignet sind für die Diagnose.
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Ferner kann das Licht während der Annäherung des Fahrzeugs an den Lichtsignalgeber wiederholt erfasst und eine Vielzahl von Messwerten ermittelt werden. Dies hat den ebenfalls oben bereits beschriebenen Vorteil, dass so eine Vielzahl von Messwerten in Form von Kurven ermittelt werden, die eine bessere Auswertung zulassen. Weiterhin kann der Zustand des Lichtsignalgebers durch einen Vergleich des wenigstens einen Messwertes und wenigstens einen Referenzwerts diagnostiziert werden.
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Schließlich kann wenigstens ein neuronales Netz für den Vergleich verwendet werden, wobei das neuronale Netz durch Erfassen einer Vielzahl von Messwerten trainiert wird, die für wenigstens einen bekannten Zustand des Lichtsignalgebers repräsentativ sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beispielhafte Ausführungsform in den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen eisenbahntechnischen Anlage mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Diagnose;
- 2 eine schematische Darstellung eines Details aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs von Messwerten, ermittelt von der Einrichtung aus 1;
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Verlaufs von Messwerten, ermittelt von der Einrichtung aus 1.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen eisenbahntechnischen Anlage 1 mit einem Fahrzeug 2, das entlang einer Fahrtstrecke 3 in einer Fahrtrichtung 4 fährt. Entlang der Fahrstrecke 3 sind mehrere Lichtsignale 5 mit Lichtsignalgebern 6 angeordnet. Das Fahrzeug 2 weist in der beispielhaften Ausführungsform in 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung 7 zur Diagnose auf, die einen optischen Sensor 8, eine Verarbeitungseinrichtung 9 und eine Auswerteeinrichtung 10 umfasst.
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Der Einfachheit halber ist in 1 lediglich ein Lichtsignal 5 mit einem Lichtsignalgeber 6 dargestellt. An der Fahrstrecke 3 können selbstverständlich eine Vielzahl von Lichtsignalen 5 stehen. Auch kann jedes Lichtsignal 5 mehrere Lichtsignalgeber 6 aufweisen. Lichtsignale 5 werden ähnlich wie Ampeln im Straßenverkehr im Schienenverkehr eingesetzt, um Fahrbefehle oder Fahrerlaubnisse für einen Fahrzeugführer des Fahrzeugs 2, das hier ein Schienenfahrzeug ist, anzuzeigen. Daher ist es besonders wichtig, dass die Lichtsignale 5 und insbesondere die Lichtsignalgeber 6 einwandfrei funktionieren. Die Lichtsignalgeber 6 sind heute meist LED-Lichtsignalgeber. Diese erzeugen das Licht 11, siehe 2, das von dem Lichtsignalgeber 6 abgestrahlt wird. Durch Alterung oder Verschleiß verändert sich das Licht 11 des Lichtsignalgebers 6 über die Zeit. Da Lichtsignalgeber 6 für die Sicherheit der eisenbahntechnischen Anlage 1 besonders wichtig sind, muss eine einwandfreie Funktion des Lichtsignalgebers 6 gewährleistet sein. In der Vergangenheit wurden Lichtsignalgeber 6 frühzeitig ausgetauscht, um einer zu schlechten Lichtqualität und/oder einem Ausfall vorzubeugen. Neuere LED-Lichtsignalgeber sind teilweise mit integrierten Diagnosesystemen ausgebildet, die einen Verschleiß ermittelt. Diese integrierten Diagnosesysteme sind aber kostenintensiv und lassen sich nur schwer nachrüsten. Bei der erfindungsgemäßen eisenbahntechnischen Anlage 1 wird ein Zustand des Lichtsignalgebers 6 mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 7 ermittelt.
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Wenn das Fahrzeug 2 in Richtung des Lichtsignalgebers 6 in der Fahrtrichtung 4 fährt, sendet der Lichtsignalgeber 6 das Licht 11 in Richtung des Fahrzeugs 2 aus. Der optische Sensor 8, der bei der beispielhaften Ausführungsform in den Figuren eine Kamera ist, ist so am Fahrzeug 2 angebracht, das er das ihm entgegenstrahlende Licht 11 erfasst. Die Verarbeitungseinrichtung 9 ist mit dem Sensor 8 verbunden und ermittelt Messwerte zu wenigstens einer Eigenschaft des vom Sensor 8 erfassten Lichts 11. Bei der beispielhaften Ausführungsform in den Figuren wird hierbei als Eigenschaften des Lichts 11 eine Lichtintensität und ein Farbort genutzt. Durch die Verarbeitungseinrichtung 9 werden jeweils Messwerte zu diesen Eigenschaften ermittelt. Anschließend werden die Messwerte von der Auswerteeinrichtung 10 verwendet, um einen Zustand des Lichtsignalgebers 6 zu ermitteln. Dafür werden von der Auswerteeinrichtung 10 die ermittelten Messwerte mit abgespeicherten Messwerten verglichen, die für einen ausreichend funktionierenden Lichtsignalgeber 6 repräsentativ sind. Unter ausreichend funktionierend oder normal funktionierend sei hier ein Zustand zu verstehen, der keinen Austausch oder Wartung nötig macht.
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In 3 sind Messwerte zur Lichtintensität auf der y-Achse 12 über einen Abstand zum Lichtsignalgeber 6 auf der x-Achse 13. Ein erster Intensitätsverlauf 14 zeigt einen Verlauf von Messwerten bei einem normal funktionierenden Lichtsignalgeber 6. Die Kurve 15 zeigt einen Verlauf bei einem degradierten Lichtsignalgeber 6.
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In 4 sind beispielhafte Messwerte für einen Farbort des Lichts 11 von dem Lichtsignalgeber 6 dargestellt. Auf der y-Achse 16 ist die für den Farbort charakteristische Farbfrequenz dargestellt. Auf der x-Achse 16 ist ähnlich wie in 3 der Abstand zum Lichtsignalgeber 6 dargestellt. Die obere Kurve 18 zeigt den Verlauf bei einem normalen ordnungsgemäßen Farbort. Die untere Kurve 19 dagegen zeigt den Verlauf des Farbortes bei einem degradierten Lichtsignalgeber 6. Die Kurven 18, 19 erscheinen dabei gerade.
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Die Auswerteeinrichtung 10 bei der beispielhaften Ausführungsform in den Figuren umfasst ein neuronales Netz 20, das für die Auswertung der Messwerte genutzt wird.
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Die Auswerteeinrichtung 10 muss nicht unbedingt auf dem Fahrzeug 2 angeordnet sein, sondern kann alternativ auch auf einem entfernten Servercomputer 21 ausgebildet sein, an dem die Messwerte von der Verarbeitungseinrichtung 9 beispielsweise per Funkübertragung übermittelt werden.
